食品加工技術影響多糖構效關系和溶液行為的研究進展

趙秀婷，宋志萍，付 萌，李進偉，朱 松，范柳萍

（1.無限極（中國）有限公司，江門 529100；2.江南大學 食品學院，無錫 214122）

天然活性產物由于其高生物活性和安全性在食品和醫藥領域已日益引人注目。多糖（polysaccharide）作為一種重要的天然產物，是由 10個以上單糖分子通過糖苷鍵連接縮合而成的大分子聚合物。植物、動物和微生物食品原料中都含有大量的多糖資源，其難以被人體直接消化吸收，需經腸道菌群降解后吸收并產生生物學活性[1]，如調節腸道菌群、調節免疫、抗腫瘤、抗病毒、抗氧化和降血糖等功能[2-6]。此外，由于多糖具有特殊的理化性質，在食品工業中也被廣泛應用，比如作為穩定劑、乳化劑、澄清劑和增稠劑等[7-8]。因此，多糖在保健食品和醫藥等方面具有廣闊的應用前景。

結構是多糖生物活性和溶液行為的基礎，多糖的溶液行為決定著多糖溶液的穩定性，包括聚集行為、粘彈行為、構象轉變行為等，由熱力學性質和動力學性質決定[9-10]。食品加工技術對其結構、生理功能和溶液行為將產生巨大的影響。近年來，超聲、微波和高壓均質在食品工業中的應用引起了廣泛關注[9-11]。一些研究表明超聲、微波和高壓均質處理能引起聚合物的降解[12-13]，多糖的流變性、粘度及溶解性也會隨之改變[14-15]。多糖在水溶液的溶解度、分子量、支化度、化學結構和鏈構象又會影響其生物活性（圖 1）[16]。因此，本綜述將聚焦加工工藝對多糖構效關系和溶液行為的影響，有助于在食品加工過程中更好地利用食品原料，同時為多糖的開發應用提供參考。

1 多糖結構與溶液行為和生物活性的關系

1.1 多糖分子量與溶液行為和生物活性的關系

早期研究表明，分子量較高的多糖具有高生物活性，可能與其與免疫細胞上受體的強結合能力有關[17-20]。但最近的研究表明，低分子量（301～1 010 kDa）的香菇多糖比高分子量（1 160～1 760 kDa）具有更強的抗腫瘤活性，甚至高于抗癌藥5-氟尿嘧啶[21]。同樣，較低分子量的葡聚糖（硬葡聚糖的水解產物，5 kDa）表現出較強的免疫活性[22]。分子量較低的多糖為剛性鏈，更容易與免疫細胞上的交聯受體結合，因此具有較高的抗腫瘤活性。但是，如果分子量太低，對生物活性也會有不利影響。因此，確定活性多糖的適宜分子量范圍具有重要意義。由于影響多糖提取純化和活性的因素太多，不同研究得出的最適分子量范圍差距較大。比如，王俊認為香菇多糖分子量范圍在100～400 kDa活性最強[23]，而Zhang等發現 500～1 500 kDa的香菇三螺旋葡聚糖表現出最強的抗腫瘤活性[24]。雖然多糖分子量大小與活性的關系存在爭議，最適分子量范圍也各不相同，但有一點可以確定，多糖的生物活性具有明顯的分子量依賴性[21,25]。此外，不同多糖發揮功能的分子量依賴關系并不完全相同，需要對不同的多糖分別進行研究。

香菇多糖在水溶液中形成的聚集態結構同樣具有分子量依賴性，尺寸太小的多糖無法相互纏結形成網絡，而分子量太大的多糖可能自身發生折疊、堆積，形成帶分支的鏈狀結構[26]。Zhang等發現在香菇多糖水溶液中，只有短的香菇多糖三螺旋鏈有足夠的剛性保持直棒狀，從而通過平行堆積而形成有序的“柴火棒狀”聚集結構（圖1），當三螺旋鏈聚在一起成聚集體時，分子量明顯從461 kDa增加到7 170 kDa，從而使溶液的穩定性降低[27]。由此可見，多糖的分子量不僅影響多糖活性，而且與其在水溶液中的聚集狀態和溶液行為息息相關。

圖1 香菇多糖水溶液（A）及其與免疫細胞受體相互作用（B）示意圖[21,27-28]Fig.1 The schematic diagram of mushroom polysaccharide aqueous solution (A) and its interaction with the immune cell receptor (B)[21,27-28]

1.2 多糖結構與溶液行為和生物活性的關系

多糖的生物活性與一級結構有著緊密聯系，其中最具活性的是β-(1→3)-葡聚糖為主鏈，(1→6)連接為分支結構的多糖[29]，而以(1→6)連接為主鏈的多糖活性較弱，這可能是由于其靈活多變的特性而導致具有多種不穩定的空間構象[30-33]。Tong等從平菇子實體中分離純化出一種主鏈結構為β-(1→3)-葡萄糖的水溶性多糖POPS-1，其在體外對人宮頸癌細胞具有顯著的抑制作用，并呈現劑量依賴性[34]。此外，有研究表明多糖的單糖組成也與抗腫瘤活性相關，通常含有葡萄糖和甘露糖的多糖抗腫瘤活性較好，可能原因是在人類巨噬細胞中具有葡萄糖和甘露糖受體[35]。含有阿拉伯半乳聚糖的枸杞多糖具有最強的抗衰老活性[36]。也有人提出，多糖的抗腫瘤活性與支鏈的分支度和長度有關[37]。多糖的支鏈可以提供更多的羥基，有利于糖鏈分子之間以及糖鏈和水分子之間形成氫鍵，β-D-吡喃葡萄糖基分支側鏈可提高多糖三螺旋結構的穩定性[38]。但如果分支度過高，則導致空間位阻增大，糖鏈間的連接不夠緊湊，螺旋結構容易解體[23]。Bohn等比較了幾十種葡聚糖的分支度和其抗腫瘤活性，結果顯示分支度在0.2～0.33的多糖具有相對較強的活性[39]。然而，也有人得出相反的觀點，Sasaki等發現香菇多糖經降解為無分支狀結構后仍能抑制S-180肉瘤細胞增殖，表明支鏈對多糖的抗腫瘤活性影響不大[40]。

多糖的高級結構比較復雜，是糖鏈之間或者糖鏈內部氫鍵、范德華力、色散力和疏水性等非共價鍵共同作用的結果。研究表明，β-(1→3)-D-葡聚糖的單股螺旋構象是多糖生物活性的基礎[38-39,41]。比如，Bohn等認為β-(1→3)-D-葡聚糖的抗腫瘤活性依賴于其主鏈的單螺旋結構和位于螺旋體表面羥基，而三股螺旋結構對其活性來說并不是必須的[39]。但與此相對的是，Maeda等認為，三股螺旋構型對有些食用菌β-(1→3)-葡聚糖的免疫刺激和抗腫瘤活性很重要[42]。當香菇多糖的三螺旋結構被破壞后，其抗腫瘤活性大大降低，甚至消失[24,43-44]。由此可見，真菌多糖的結構，尤其是分支側鏈和三螺旋結構對于其活性的影響還存在爭議。

多糖的溶液行為，尤其是穩定性與其結構具有緊密聯系。多糖在水溶液中表現出不同的形態，包括球形鏈、無規線團、雙螺旋鏈、三螺旋鏈等，這是由于其分子鏈連接方式、側鏈結構和支化程度等一級結構不同，從而導致多糖分子內和分子間氫鍵以及取代基靜電排斥作用各不相同，進而使其在水溶液中表現出不同的形態[45]。一般而言，由于多糖羥基之間存在很強的氫鍵，多糖在水溶液中很容易自我聚集，從而使溶液發生分層現象[46-47]。不僅如此，聚集可能會減少多糖鏈與受體的結合，從而減弱免疫應答[21]。此外，Zhang等發現，高度纏結的三螺旋鏈形成連續的網絡，導致香菇多糖水溶液的凝膠化，變成非流動性的濃溶液，但不存在交聯點和明顯的聚集體[27]。

1.3 多糖理化性質與溶液行為和生物活性的關系

多糖的生物活性除了與上面提到的分子量、單糖組成、支化度和構象等有關外[39,48]，其水溶性的強弱也起著關鍵性的作用，一般水溶性強、黏度低的多糖具有相對高的生物活性[37]。通過化學修飾改變多糖的水溶性可顯著影響其活性，如部分乙酰化可增加多糖水溶性而提高抗腫瘤活性，但是全乙?；徒档推渌苄远ヒ至龌钚訹23]。師然新等探討了特性黏度[η]對角叉菜多糖抗癌活性的影響[49]，結果發現，當[η]=53.4 時，抑瘤率為23.0%，當[η]=5.6時，抑瘤率高達63.6%，但隨著多糖的進一步降解，[η]=0.8時，抑瘤率迅速降低僅為5.1%，揭示了適當粘度對多糖抗腫瘤作用具有重要意義。

可溶性多糖的溶解度、濃度和粘度與其溶液行為，尤其是穩定性息息相關[50-52]。胡婷采用穩定性分析儀評價了不同濃度虎乳靈芝多糖（LRP）水溶液（1～15 mg/mL）在25 ℃下的穩定性[53]。結果發現，低濃度(≤6 mg/mL)時，LRP水溶液不穩定，容易聚集沉淀，但隨著濃度的增大溶液會趨于穩定。高濃度LRP溶液中動態纏結網絡結構增加，從而使其不會發生聚集，而是形成具有一定強度的凝膠[54]。此外，香菇多糖水溶液在較低濃度時就可形成凝膠，可能原因是極度纏結的三螺旋鏈形成連續的網絡結構，從而賦予體系凝膠特性[9-10]。不過香菇多糖溶液形成的凝膠具有熱力學可逆性。

2 超聲對多糖構效關系和溶液行為的影響

超聲是最有應用前景的降解多糖的方法之一，它可使多糖分子鏈斷裂[55-57]。超聲也會對多糖的結構特征和生物活性產生一定的影響。此外，超聲波可提高多糖溶解性，降低粘度，大大提高多糖的提取率。Hu等比較了超聲提?。║TE），酶提?。‥TE）和超聲波輔助酶提取（UETE）對銀杏果多糖的提取率、一級結構和抗氧化活性的影響[58]。與其他兩種方法相比，UETE顯著增強了銀杏果多糖的提取率、降血糖活性和抗氧化活性，且UETE-多糖呈海綿狀，具有光滑的表面形態和小的分子聚集體。此外，超聲波處理大大降低了銀杏果多糖的分子量，改變了多糖的單糖組成和摩爾比，并且超聲波可能導致原子重排，將一些甘露糖轉化為鼠李糖。然而，張麗芬研究了超聲波降解果膠的機理，發現超聲使果膠的側鏈發生降解，降低了果膠的分子量，但并不會影響果膠的單糖種類和主鏈結構[59]。王博等也發現超聲僅僅是改變了水溶性茯苓多糖的分子鏈構象，使其從網狀向棒狀轉變，而并沒有改變其單糖組成[60]。

研究表明，超聲處理可以改變多糖水溶液的聚集行為和粘彈行為。閆景坤將虎乳靈芝多糖LRP稀溶液（1 mg/mL）超聲處理（325 W）0.05～90 min后，分析LRP的結構及鏈構象的影響[61]。結果顯示，短時間（≤1 min）的超聲可以使聚集體被打散，多糖分子尺寸變?。ㄈ芤河蓽啙嶙兂吻澹?。繼續超聲5～30 min后，對各分子參數影響不大，僅使粒度分布更加均勻。但超聲60～90 min后，粒度變大、新的聚集體出現，使溶液又由澄清變渾濁。造成這一現象的可能原因是，長時間的超聲使小線團越來越多，多糖分子間布朗運動更劇烈，更容易發生聚集形成較大的聚集體，從而使多糖的粒度變大、粒度分布變寬。此外，超聲不會完全破壞LRP的基本化學結構和有序的螺旋結構，但可能會引起糖苷鍵的斷裂[62-64]。而對LRP濃溶液（15 mg/mL，呈現弱凝膠的性質）超聲處理10、30和60 min后，體系先增稠再變稀，LRP凝膠的強度隨超聲時間的延長先增強再減弱，這是由于虎乳靈芝多糖LRP形成暫時網絡結構的能力會隨超聲時間的延長先增大后減小。此外，Seshadri等發現超聲處理可以降低果膠的分子量和凝膠能力，流變性質逐漸從假塑性流體轉變為牛頓性流體[65]。O’Donnella等探討了超聲波處理對食品中果膠甲酯酶的影響，超聲對可使果蔬汁中果膠甲酯酶失活，從而影響果膠的流變性質，改變果蔬汁的粘度和穩定性等[66]。

3 微波對多糖構效關系和溶液行為的影響

研究表明，微波處理能引起聚合物的降解[12]，多糖的流變性、粘度及溶解性也會被改變[14-15]。Guo等研究了常規熱水提取，微波輔助提?。?00 W，6.5 min）和超聲輔助提取對雪菊多糖的化學結構和抗氧化活性的影響[67]，結果表明，與熱水提取和超聲輔助提取相比，微波輔助提取出的雪菊多糖分子量最小，體外抗氧化活性最高。微波輔助提取獲得的多糖由于其低分子量和高含量的未甲基化的半乳糖醛酸的特點，使其具有更高抗氧化活性。胡婕倫發現，微波處理（800 W，15 min）后，車前子多糖的表觀粘度、平均相對分子質量和粒徑都降低[68]。同時，隨著車前子多糖分子量的降低，多糖中還原糖含量增加，這表明微波對多糖的降解伴隨著糖苷鍵的斷裂。此外，微波處理并沒有改變車前子多糖的主要官能團，但多糖的表觀形貌從大薄片狀變為小的碎片。微波處理車前子多糖后，其在體外酵解中的短鏈脂肪酸產量和微生物胞外酶（木聚糖酶和、葡萄糖醛酸酶等）活性顯著提高，這些結果表明，微波處理能成為增加多糖附加價值的方式[69]。Zhang等發現微波處理石蒜淀粉后，其凝膠結構變弱[70]。微波（700 W，1 min）處理增加了淀粉分子中的氫鍵，破壞了晶體和非晶態區域的結構，此外，高含水量可以增強微波對淀粉的作用[71]。

4 高壓均質對多糖構效關系和溶液行為的影響

高壓均質是一種改性多糖的有效方法[72-74]。據報道，高壓處理可以改變多糖的構型，提高多糖的益生功能[75-76]。王磊等發現在 37 MPa條件下均質8次，椪柑渣中可溶性膳食纖維的提取率高達43.86%，此外，經均質改性的可溶性膳食纖維具有一定的還原能力[77]。Xie等采用較高的壓力（200 MPa，20 min）對紫肉馬鈴薯進行均質處理，結果顯示高壓均質改變了紫肉馬鈴薯多糖中單糖組成和結構特征，阿拉伯糖的百分比從17.1%上升到 83.5%，葡糖糖由 51.9%下降到4.1%，另外，可溶性膳食纖維的比例由 17.9%上升到 39.3%，同時，抗氧化活性也更高[78]。高壓均質（160 MPa，5次）能使車前子多糖粒徑下降，并使其表觀形貌由大的片狀結構轉變為小的多孔片狀結構，但并沒有改變其主要結構特征。然而，高壓均質處理車前子多糖后，其在小鼠盲腸和結腸中總短鏈脂肪酸，丙酸和正丁酸的產量顯著提高。這些結果表明，高壓均質能成為增加多糖附加價值的方式[69]。

而對于不同結構和來源的多糖，均質對其的影響各不相同。例如，高壓均質可以顯著降低柑橘果膠的分子量，而對蘋果果膠幾乎沒有影響，造成這種現象的可能原因是柑橘果膠屬于線性多糖聚合物，結構相對松散，容易發生解聚；而蘋果果膠結構更加緊密，具有一定的抗壓能力[73]。同樣，對于線性果膠，高壓均質可以不同程度的降低其摩爾分子質量和表觀粘度，而對于球狀分支結構的果膠幾乎沒有影響[73-74]。

多糖的粒徑、流變性、粘度和乳化性在高壓均質過程中也會被改變[79-80]。一般來講，在一定壓力范圍內，隨著均質壓力和均質次數的增加，多糖聚合物粒徑減小，表面電荷減少，溶液粘度降低[81]。30 MPa以下的均質化在食品工業中易于操作，可能對多糖的結構和功能特性有較好的影響[82]。例如，Zhang等通過均質2次（30 MPa）對柑橘膳食纖維進行改性，均質后的柑橘膳食纖維具有多孔結構，晶區結構被破壞，使其內部結構松散[82]。因此，均質可以有效提高其吸水膨脹率（433%）和持水率（253%），并且具有熱溶液行為。然而，如果均質壓力過高，對其溶液行為反而有不利的影響。以菊粉多糖為例，隨著均質壓力的增加，菊粉的溶解性和分散性增加，菊粉微粒之間以及菊粉與水分子之間的相互作用增強。經過103或207 MPa處理后，樣品平均粒徑顯著降低，溶液粘彈性增加，樣品保持均一、穩定的狀態；而經過296 MPa處理樣品的平均粒徑顯著增加，凝膠強度降低，樣品略有分層，可能原因是均質壓力過高，菊粉顆粒發生重組，從而降低了菊粉的持水能力[83]。由此可見，高壓均質是一種改性多糖和提高溶液穩定性的有效方法。

5 結語

多糖是生物體內除蛋白質和核酸外又一類重要的生物大分子。多糖的生物活性和溶液行為與其結構密切相關，對多糖結構（尤其是高級結構）的研究，對于多糖的進一步應用和發展起著至關重要的作用。然而，由于多糖研究發展的滯后性以及多糖本身結構的多變性、復雜性和微觀不均一性，導致目前對多糖空間高級結構的解析還面臨著諸多挑戰，多糖高級結構的研究技術還有待突破。

食品加工對多糖的結構、生物活性和溶液行為均有影響。目前研究主要集中在食品加工方法對食品原料中多糖提取過程中的提取效率、分子量、單糖組成和體外抗氧化影響等的影響。而對于食品加工過程對食品中天然存在多糖的結構、功能和溶液行為的研究較少。因此，在未來研究中，需要關注和比較不同加工技術在食品加工過程中對多糖結構和生物活性的影響以及其中的分子機制，實現多種食品加工技術的綜合利用，獲得高品質、高活性的多糖產品。

備注：本文的彩色圖表詳見本期 PC14，也可從本刊官網（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/ index.axpx）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。