魔芋葡甘聚糖分子鏈空間結構的研究

鄭盛璇，方毅輝，王 林，張 輝，龐 杰

（1.福建農林大學 食品科學學院，福建 福州 350007；2.武夷山市食品衛生監督檢驗中心，福建 南平 354300 3.清華大學 航天航空學院，北京 100084；4.浙江大學 生物系統工程與食品科學學院，浙江 杭州 518060）

0 引言

分子鏈在凝固轉變過程中形成結晶，使分子被組織成一個高度有序的結構（見圖1）[1]。當前，在研究魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM） 的前體-魔芋的加工時發現，采用低溫、深冷、高速氣流、靜態高壓預處理等新型技術對異細胞進行表面破碎，使KGM“釋放”出來，得到粒度和純度更高級別的KGM[2]。然而，以現有的加工方法得到的KGM，無論從質量穩定性還是環保安全性上都不能滿足后續深加工的需要，其主成分KGM 的性質也發生了改變，影響進一步的研究[3-7]。鑒于晶體的穩定特性，若能獲得具有類似穩定晶區的鏈狀空間結構的天然KGM，可得到結構更穩定、性能更優的KGM，有利于攻克因KGM 復雜和獨特的結構而限制對其結構性質及加工過程中變化機制探討的相關領域深入研究的瓶頸。晶體研究的關鍵在于晶體的形成與獲得。然而，人工培養獲得多糖大分子晶體極其困難，基于KGM 的特性也難以形成晶體，僅可通過形成類與晶態結構相近的鏈狀空間結構對KGM 的性能進行調控[8]。影響鏈狀空間結構的因素也很多，如溫度、pH 值、KGM 螺旋構象的穩定等，這些因素會導致分子鏈的分布、纏結、排列方式等的變化，進而影響網絡結構的交聯情況、力學性能和穩定性，同時影響后續工程（如純化、制藥等） 的質量、經濟性及生物可利用性[9]。因此，從魔芋植株體內直接分離的具有鏈狀空間結構的天然KGM 作為研究對象有助于認識KGM 的原生態結構。KGM 的鏈狀空間結構對KGM 加工過程的穩定性產生重大的影響。

研究發現，KGM 鏈狀空間結構的穩定性可能與KGM 分子鏈的排列、交纏有關，其分子鏈以某種折疊方式（如二折螺旋） 形成鏈狀空間結構區。同時，在對KGM 微觀構象研究時也發現，其鏈狀網絡結構與性質、功能有密切關系[10-11]。因此，對天然KGM的微觀結構做進一步研究，重點探討鏈狀空間結構穩定構象與功能性質的相關性，可以深入認識并揭示KGM 純化的微觀機制。

對KGM 鏈狀空間結構的研究進展進行綜述，通過探討KGM 類似晶區結構的鏈狀空間結構的穩定性及聚合物表征的研究現狀，揭示KGM 鏈狀空間結構的內在聯系，探索安全環保的KGM 加工新方法，將有助于創新切合實際、行之有效的技術手段促進魔芋深加工，擴大KGM 在食品加工、藥品制備等領域的創新應用范圍。

1 KGM 鏈狀空間結構及存在形式研究進展

1.1 KGM 的結構表征的研究

KGM 是天南星科芋屬魔芋（Amurp-hophallus konjac） 的主要特征性成分，是自然界黏度最高的天然多糖之一[6]。KGM 主鏈D -甘露糖與D - 葡萄糖通過β-1,4 糖苷鍵鏈接而成，甘露糖與葡萄糖分子比為1.5∶1 或1.6∶1（花魔芋） 或1.69∶1（白魔芋，A altbus）[12]。在某些糖殘基C3 位上存在由β-1,3 糖苷鍵鏈接的支鏈，每條支鏈由幾個至幾十個葡萄糖與甘露糖殘基構成，大約每19 個糖殘基就有1 個以酯鍵結合的乙酰基。加工過程可能導致KGM 分子鏈的斷裂，糖鏈的斷裂有可能形成單一含有葡萄糖或者甘露糖的重復性片段，有可能與淀粉、纖維素和殼聚糖類似，具有類似的分子鏈排布機理或相近的穩定性調控機制。

KGM 化學結構示意圖[13]見圖1。

圖1 KGM 化學結構示意圖

1.2 塊莖內天然KGM 的鏈狀空間結構研究

含晶細胞在植物體中廣泛存在，結晶形狀和尺寸的復雜性及優勢分布和空間位置，引發并產生了多種關于植物細胞內結晶功能的假設。但其晶體的形成機理及其功能是一個亟待解決的問題[14-16]。

有研究表明，KGM 以無定型等形式存在于魔芋球莖異細胞中，KGM 球莖細胞具有體積巨大、形似含針晶體等特征[17-19]。

魔芋球莖異細胞與普通細胞的差異見表1。

表1 魔芋球莖異細胞與普通細胞的差異

有研究表明，在魔芋的新鮮球莖中，可以明顯觀察到許多無色明亮的晶形微粒，而且很容易從組織球莖中分離出來[19]。但是，這些研究僅限于對外觀形態的觀測，關于這些天然KGM 的具體形成過程及其機制，目前尚不清楚。在對同一來源的天然KGM研究發現，天然KGM 是由放射狀排列的膠束組成，其鏈狀空間結構有甘露糖I 型和甘露糖II 型2 種[20]。高分子量、低溫或極性介質的存在有利于甘露糖II型KGM 的形成；反之，低分子量、高溫或非極性或少極性介質的存在（如丙酮） 則有利于甘露糖I 型KGM 的形成[21]。

然而，上述研究僅限于同一來源的不同鏈狀空間結構KGM 的比較，獲得的KGM 結構與性質的數據相對有限。在植物的生長發育過程中，不同科、屬的組織中的結晶體，其形態、大小、分布等均有一定的差異。在魔芋中也是如此，不同魔芋屬種中，KGM 的結構和性質會存在較大的差異[17]。因此，對不同來源的KGM 鏈狀空間結構及其形成的差異性進行比較，能夠獲得對其結構與功能性質相關性的更為確切的具體數據。國內外在此方面的文獻報道僅有Chanzy H D 等人[10]對不同來源的KGM 的重結晶行為進行了研究。KGM 類晶態結構即鏈狀空間結構機制的研究仍需進一步深入。

2 KGM 鏈狀空間結構穩定性的調控方式研究

目前，關于理化條件下研究天然KGM 的文獻報道相對較少，但其他多糖的文獻報道已能充分證明通過調控理化條件來研究結晶的可行性。一些多糖的特性很大程度上決定了其結晶度。例如，角質聚酯的酯化程度會影響纖維素的結晶度[22-27]。研究不同pH 值條件對扁桃膠晶體特性的影響規律時，發現pH 值的改變不僅能夠使非晶體的扁桃膠表現出晶體特性，而且對晶相也有極顯著的影響，在pH 值1～3時，晶體結構與多糖的微纖維化有關，而在pH 值11～13 時，晶態結構與多糖的結構有關[24]。同時，采用NaOH 處理植物纖維素時也發現，經NaOH 處理后纖維素明顯得到潤脹，纖維素結晶指數降低，纖維素結晶區受到破壞。這些研究均為KGM 類晶態結構（鏈狀空間結構） 與穩定性關系研究提供了可行性參考。進一步綜述了KGM 的影響結構比較，驗證KGM 的鏈狀空間結構構象與類結晶性質的相關性。

KGM 分子鏈能與水分子通過氫鍵、分子偶極等次級鍵鍵合作用力在水中形成高度結合、連續的網絡。隨著濃度的增加，KGM 分子鏈之間發生覆蓋、穿越、交疊，局部相鄰分子鏈段接近平行堆砌，形成物理交聯點。當KGM 高分子鏈從雜亂纏繞，可相互滑動，分子間相互作用不強的狀態轉變成高分子鏈完整排列成晶格結構，有熔點，不隨意滑動，分子鏈間有強的相互作用力時，就完成了非晶區向類晶區轉換（變）。鏈纏結程度是影響立構復合區的重要因素，揭示鏈纏結是制約高分子量聚合物立構復合區的關鍵。

研究發現在物理機械力處理條件下，KGM 發生斷鏈，出現大量自由基，KGM 的鏈狀空間結構受到部分破壞[28]。研究機械力粉碎處理KGM 時，發現隨著粉碎程度的提高，KGM 局部存在的鏈狀空間結構不斷無定型化，分子鏈尺寸不斷減小，整體結晶度不斷下降[29]。采用溶劑處理KGM 后，其結晶度增加約18%，KGM 分子發生不均一的斷裂[30]。同時，一些加工特性、功能活性等也隨之發生改變。由此可見，通過物理機械力及化學溶劑處理KGM，研究其結構與性質的變化情況，也可驗證KGM 的微觀構象與功能性質之間存在一定的相關性。

除此之外，對不同溶液中KGM 的螺旋穩定構象變化情況進行研究時也有不少發現，如水溶液中KGM 與硼酸根離子形成穩定的螺旋復合物[8]，特別是超高靜壓、高壓脈沖電場處理對KGM 微觀構象與顆粒形狀的影響，發現這些不穩定因素對其結構和性質都有一定程度的影響，其螺旋構象穩定性的變化密切影響著KGM 性質和功能。有研究表明，晶體生長時，分子鏈以某種折疊方式（如二折螺旋） 排入晶體[8]。基于此，初步認為相對于基本結構因素，KGM 的螺旋構象穩定性與其功能性質之間的相關性更為緊密，因為在理化處理過程中，外場會直接影響多糖分子鏈之間相互作用力模式，進而影響相應的功能性質。這為研究不同理化處理條件下，KGM螺旋構象穩定性及功能性質變化相關性研究奠定了基礎。

3 KGM 鏈狀空間結構聚合物表征研究現狀

糖類分子結構的微觀構造及與環境（如水、離子等） 的復雜體系，以及與生物分子的復雜相互作用過程是無法直接用科學或試驗手段進行探索的，而計算機分子建模方法則能夠克服試驗之不足，并可以對有關現實原形中的各種觀察試驗結果進行科學預言與解析。

目前，存在基于天然KGM 內部結構的成核過程預測方法，也提出了一些考慮形成天然KGM 環境因素的模型，但至今還沒有足夠完善的模型[31-32]。國外學者在研究大分子化合物的內部結構、分子功能設計、化學反應途徑預測及機制時，通常引入了分子動力學等的模擬方法，以發揮其功效。用分子模擬技術優化了KGM 分子重復單元，找到了其最穩定構象。作為一種新的研究手段，近年來分子模擬技術克服了傳統觀測實驗的局限性，已成功地應用于其他多糖、蛋白質等高分子的微觀構象研究[1]。在對高分子形成晶體的研究方面，利用分子模擬技術可以很直接地觀察到晶體的結晶表面的分子間排布，及其形態生長規律等。目前，已經可以成熟地運用于在模擬晶體中物質的相互轉換，模擬溶液或添加劑分子對晶體成核與生長的影響，以及與X-衍射圖譜相結合獲得晶體結構[23]。

孫玉敬[33]從模擬的不同聚合度KGM 的結構圖（見圖2），通過模擬推斷所有葡甘聚糖大分子鏈都呈無規卷曲狀態。KGM 單鏈的形態與穩定性都受聚集度的直接影響，在較高聚集度時，KGM 分子鏈顯示出無規卷縮狀況，因此穩定性降低；在整個動態運動過程中，KGM 鏈在脫乙酰基團前均顯示出了無規卷縮狀況，而且其伸長和卷曲都是呈現周期性變化規律，表明了乙酰基團并非直接危害鏈形態的最主要原因。KGM 結構的復雜性和傳統光譜研究手段的局限，使得單支鏈對葡甘聚糖鏈微觀的動態結構的影響研究步入了瓶頸。

不同聚合度KGM 的結構圖見圖2。

圖2 不同聚合度KGM 的結構圖

在上述研究KGM 的結構性質表征之后，得到鏈狀空間結構區的基本信息，然后通過不同的理化處理誘導構象變化，進一步揭示KGM 螺旋構象穩定機制及相應的構象穩定性。在大自然中，很多的自然生物學大分子結構中都存在螺桿構造或多螺桿構造。Jian W J 等人[34]利用分子力學方法計算了(1,3) β-D-葡聚糖二糖最低能量構象，其能量最低構象為單螺旋結構并且其親水性基團（多羥基） 位于螺旋體的表面，其研究證明了模擬手段可用于探討糖分子螺旋結構。

KGM 穩定螺旋構象圖[34]見圖3。

圖3 KGM 穩定螺旋構象圖

KGM 單鏈的形態與穩定性都受聚集度的直接影響，在較高聚集度時，KGM 分子鏈顯示出無規卷縮狀況，因此穩定性降低；從前期研究模擬結果的構象分析，其構象呈現規則的α 螺線構造，分別由左螺旋結構與右螺旋結構組成。其中，左螺旋由44 個糖殘基構成，右螺旋則由88 個糖殘基構成，據此推斷整個葡甘聚糖大分子鏈結構是由局部的、大小不一的左螺旋和右螺旋所構成，但并非完整的左螺旋或右螺旋，而且其伸長和卷曲都是呈現周期性變化規律的，表明乙酰基團并非產生影響鏈形態的最主要原因。

也有研究認為，脫支鏈KGM 分子鏈的螺旋結構主要是由局部的褶皺片斷所組合而成，并發現分子鏈脫除支鏈后隨著聚合度的增加，分子構象開始呈現規則的螺旋狀態，這進一步揭示了支鏈可能是影響KGM 螺旋構象特征的重要基團。Li B 等人[35]通過分子形貌觀察，Jian W J 等人[34]進行分子模擬，均表明了乙酰基是保持KGM 螺旋結構的關鍵基團，而研究支鏈中可以利用β 折疊影響KGM 螺旋結構，則更進一步豐富了對KGM 分子鏈螺旋結構研究的理論結果。

KGM 分子鏈的高級螺旋構象是KGM 鏈狀空間結構研究中的熱點與難點[36]。Yui T 等人[37]利用X-射線衍射等光譜分析方法發現固體粉末的KGM 具有二折螺旋結構，但這僅局限于天然KGM 中的構像，并非都會產生二折螺旋結構。例如，多糖在生成有機溶膠后，各種力學性質將引起內部結構的改變，二折螺旋構造可能不再適用于水溶液中的構象。

4 結語

由于中國的魔芋加工行業穩步發展、生產設備及工藝技術日益完善，已經得到了葡甘聚糖含量最高的精粉。因此，中國魔芋已獲得了全球市場的廣泛認可。同時，基于KGM 的大量蘊藏量與結構獨特多樣性，對KGM 分子鏈狀結構的基礎研究也具有很大的科研價值。但目前深入的基礎研究成果還非常少，在通過上述研究對KGM 的結構特性表征后，可以獲取鏈狀空間結構區的基礎信息，并利用不同的理化條件處理誘導構像變化，可以深入闡明KGM 螺旋結構穩定機理和相應的結構穩定性及其特性。對KGM 的更高級螺旋結構的基礎研究將是KGM 鏈狀空間結構研究中的未來趨勢。

除了進一步研究KGM 鏈狀空間結構形成的因素和穩定構象等基本問題外，還存在一些挑戰，如關于KGM 鏈狀空間結構區中的小分子鏈及折疊方法尚不清楚，無法深入了解KGM 鏈狀空間結構的生成機理等。綜上所述，深入認識并揭示鏈狀空間結構形成的機制，突破現有研究對此科學問題認識的局限性，有望揭示KGM 分子鏈穩定性機理，為后續在加工過程中對KGM 高分子解聚調控以擴大食品、新材料等領域的研究應用奠定理論基礎。