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1、几种食物多糖的溶液行为 及小尺寸效应,华中农业大学食品科技学院,谢笔钧 教授,多糖及其缀合物因具有多种多样的生物功能，在生命现象中参与了细胞的多种活动，目前成为国际热门课题而引起人们极大的兴趣与关注。在对多糖及其缀合物的研究中，探讨结构与功能的关系，多糖溶液行为的研究有极其重要的理论意义。多糖在溶液中呈现不同形态，即链构象，赋予多糖各种不同的性能、功能及生物活性。多糖作为一种高分子，其溶液行为的研究主要有两方面，一是利用溶液理论方法测定多糖分子的重要参数，包括分子量、链的支化度、链的构象、分子尺寸、分子形态、相转变及其它分子特性；另一方面是从多糖分子溶液性质的变化预测多糖链构象的转变，为获得最
2、佳活性多糖作理论基础。,在分子内，糖蛋白链影响蛋白质的折叠、溶解度、半衰期、抗原性及生物活性等；在分子间，通过糖缀合物糖链与蛋白质的相互作用介导细胞的专一性识别和调控生命过程。糖脂的糖链不仅是蛋白质受体的配体，其本身也是信号传导分子。糖与糖的相互作用介导细胞-细胞相互作用也被证实，新近又发现整合数51介导的内皮细胞与层粘连蛋白间的黏附也是由糖链和糖链间的相互作用调控的。糖链在这些生命和疾病过程中起特异性的识别和介导作用。,天然多糖的溶液行为 多糖分子的内部基团相互作用，因其不同氢键等的形成而构成特定的高级结构。（1）无规线团链，即多糖分子在溶液中呈现线团状(杂多糖)。（2）单股螺旋链，主要由分
3、子内氢键支撑其螺旋结构,如赤灵芝孢子粉葡聚糖LB-NB在水及低浓度NaOH溶液中呈单螺旋构象。（3）双股螺旋链，主要由分子内氢键维持其螺旋结构，而分子间氢键维持其双股链结构(黄原胶)。（4）三股螺旋链，由三条螺旋链平行缔合组成。（云芝多糖、树舌多糖、裂褶菌多糖、香菇多糖等均为三股螺旋链）。（5）半柔性链，分子链的柔顺性处于螺旋链和无规线团之间。（6）聚集体，在溶液中两条以上高分子链集合在一起形成无规松散的聚集体。但多糖溶液行为的研究比较困难，因此常选择一些较典型较特殊的多糖。,天然多糖溶液行为的表征技术 应用于多糖溶液行为的表征技术主要有粘度法（Vis）、光散射法(LS)、中子散射法、电子显微
4、镜(包括SEM&TEM)及原子力显微镜(AFM)、核磁共振法(NMR)、旋光色散法(ORD)和圆二色谱法(CD)、拉曼光谱（RS）及紫外光谱法(UV)等。另外还有多糖特定构象的特征反应，如刚果红络合反应及碘-碘化钾反应等。而研究多糖与其它生物大分子的相互作用，主要方法包括中子散射法（NS）、光散射法(LS)、电子显微镜（EM）及多维核磁共振波谱法（NMR）、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）。,影响多糖溶液行为的因素,多糖的链构象多糖的簇集与空间构象多糖分子的自卷曲多糖的场效应多糖的场环境多糖与溶剂的相互作用溶剂的结构与簇集,多糖溶液行为研究最重要的溶剂,水,长程氢键的寿命（2ns）,其它氢键寿
5、命较短如在300K时，为1ps，在230K时为180ps。,分子间相互作用（氢键、离子键、疏水相互作用）局部有序结构从分子到宏观结构的过渡,C60,水分子网络,四个水分子形成小分子簇可以聚合形成双环八聚体。此平衡是因为水分子间势能存在两个极低值。极值（a）是因为非键作用，（b）是因为氢键作用。就分子的空间排布而言，（a）要比（b）紧密，而（b）因为氢键作用，是一种高度有序的结构。因此，在相对低的温度和压力下，水分子簇倾向于以形式（b）存在。,图1,图2,（a）,（b）,除了四聚体和八聚体之外，小的水分子簇还有五聚体和三元环状十聚体等相对稳定的结构。,(H2O)20十二面体是二十面体水分子簇核心
6、,(H2O)20十二面体能以多种方式发生结构变化.(下图,黄色小球代表崩塌的氧原子,其数目分别是 8(b),4(c)or 6(d),且分别产生立方体,四面体,八面体空腔),Water cluster equilibria,由以上一系列小的水分子簇通过相互作用可以形成较大的由280个水分子组成的分子簇。在动力学上存在开放的低密度结构和紧密结构。这种结构于1998年首次提出，并在2001年通过x射线衍射在纳米水滴中发现了这种结构。,通过氢键的弯曲，水的簇团结构可以在低密度态和高密度态之间相互转变。随温度的升高，分子簇的大小、完整性和低密度态的比例都会下降。,这种由280个水分子组成的分子簇由12个
7、正五边形、20个正三角形和30个矩形组成。其组成比较复杂，但可以简单的认为它完全由下图所示的八聚体组成。,Water cluster equilibria,水分子的这种结构可以解释水的许多奇特的性质。如水的温度密度和压力黏度行为，径向分布模式，由五元环和六元环交替组成的结构，超冷水的特殊性质，离子、疏水分子、碳水化合物、高分子的溶剂化和水合作用。,有些糖类分子能够适合水分子簇的二十面体结构，并通过氢键代替椅式的六元水环。糖环中处于e键上的羟基能与临近的水分子形成氢键，即作为氢键的受体又作为氢键的供体。17O Spin lattice relaxation times 证实肌糖是与水相互作用最强
8、的单糖。,水分子与糖,极性因素（离子因素）Na+、K+、Ca2+、Mg2+分别能结合4、2、12、13个水分子，a-D-galacturonic acid(半乳糖醛酸）的盐溶液的水合主要取决于这些离子。氢键的强弱（空间因素）较强的氢键需要同一个水分子的氧原子和氢原子与多糖分子形成两个氢键，而这受到糖分子立体结构的影响。分子的疏水性有些多糖如纤维素等，在氢键的边缘有两个疏水面，从而阻止了强氢键的形成。,多糖水合的影响因素,溶液行为,绿茶多糖,1.分子链形态,绿茶多糖的均方根旋转半径与相对分子质量：1/2=0.25 Mw 0.45=0.0416 Mw 0.49 cm3 g-1=0.45，说明绿茶多
9、糖分子为半柔顺性无规线团。,值小于0.5，说明茶多糖链是半柔顺链，且多糖分子的支化度（分支度）很高。与高碘酸氧化的结果一致。,max461nm，565nm无最大吸收，说明具有较长侧链和较多分枝，与M-H模型吻合。,TPS4-1/碘试剂反应的紫外扫描光谱图,刚果红实验,绿茶多糖与刚果红络合物随着NaOH浓度增高，max减小，说明不具三股螺旋结构。,1.010-3 mg/mL聚集成球状,1.010-4 mg/mL形成无规线团和岛屿状,1.010-5mgmL相互缠绕的分子。与糖醛酸含量高有关,2.粒度分布温度效应,有效直径:520 nm1260 nm分散度：0.365 0.005,条件：绿茶多糖稀溶
10、液(1.010-5mg/ml)煮沸30min,冷却至室温。,3.空间手性效应,温度效应,321,（120,260,3100）,（120，260，3100),T，TPS4-1峰值，260nm峰红移。具有很少有序构象，T，向无规线团转变。,（程序升温：135，255，375，495）,温度效应,1,pH 效应,（1pH6,2pH2,3pH12）,（1pH6,2pH2,3pH12）,-30,80,0,50,180,350,200,250,300,CD,Wavelengthnm,Ca2+对TPS4-1构象的影响,绿茶多糖可与Ca2+发生配合反应，使手性减小。,1,2,（1TPS4-1,2TPS4-1
11、and CaCl2,3 CaCl2）,（1TPS4-1,2TPS4-1 and CaCl2）,配位效应,络合物对茶多糖构象的影响,绿茶多糖TPS4-1可与刚果红产生较弱的络合反应，但不存在多股螺旋构象。,（1TPS4-1,2TPS4-1 and Congo,3Congo）,（1TPS4-1,2TPS4-1 and Congo,3Congo）,1,2,3,配位效应,绿茶多糖与硼酸产生较弱的络合，但构象未突变。,（1TPS4-1,2TPS4-1 and H3BO4）,（1TPS4-1,2TPS4-1 and H3BO4）,1,2,配位效应,结晶性能,绿茶多糖为无定型形态，与多糖复杂的一级结构和三元
12、糖缀有关。,溶液行为及小尺寸效应,乌龙茶多糖,浓度对OTPS2-1园二色谱的影响,酸碱度对OTPS2-1园二色谱的影响,钙和铜离子对OTPS2-1园二色谱的影响,EDTA对OTPS2-1园二色谱的影响,AFM图(pH6.5),三维AFM图(pH6.5),AFM图(pH2.0),三维AFM图(pH2.0),AFM图(pH12.0),三维AFM图(pH12.0),乌龙茶多糖激光共聚焦显微图,pH12,pH6.5,pH2.0,空间构象及尺寸效应,魔芋葡甘聚糖,微细化淀粉,小尺寸效应,微细化淀粉粒度分布,原淀粉和微细化淀粉偏光显微镜照片,淀粉光学显微镜照片,扫描电镜照片,原淀粉,不同粒度微细化淀粉,原淀粉和微细化淀粉的X-射线衍射图,原淀粉,微细化淀粉,Amylopectin;Intermatial FractionAmylose,原淀粉及微细化淀粉分子量分布,光电子能谱,原淀粉 微细化淀粉,Scanning space(m),Height(m),不同粒度淀粉共混膜的表面轮廓曲线,生物降解膜光学显微镜及偏光照片,光学显微镜照片,偏光照片,生物降解膜的粗糙度曲线,不同粒度微细化淀粉塑化后的X-射线衍射图,谢谢大家！,
