溫成榮, 傅麗群, 謝丙清, 叢 爽, 龐 杰,*

(1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧大連 116034;2.國家海洋食品工程技術(shù)研究中心,遼寧大連 116034;3.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002)

基于穩(wěn)定體系的魔芋葡甘聚糖與卡拉膠作用位點的研究

溫成榮1,2, 傅麗群3, 謝丙清3, 叢 爽1,2, 龐 杰3,*

(1.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧大連 116034;
2.國家海洋食品工程技術(shù)研究中心,遼寧大連 116034;
3.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002)

魔芋葡甘聚糖與κ型卡拉膠的協(xié)同增效作用是多糖相互作用的重要研究內(nèi)容,研究二者的作用位點有利于揭示體系的許多本質(zhì),對穩(wěn)定體系的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及應(yīng)用等具有重要的參考價值.研究了微波和熱處理下3種配比的魔芋葡甘聚糖與κ型卡拉膠復(fù)合物的流變性變化,并通過分子動力學(xué)模擬研究二者之間的作用力位點.結(jié)果顯示,微波處理后,魔芋葡聚糖與κ型卡拉膠相互作用發(fā)生變化,κ型卡拉膠濃度越高,二者復(fù)合效果越好;κ型卡拉膠分子中的OSO3基團與魔芋葡聚糖分子之間形成的氫鍵是維持二者復(fù)合體系穩(wěn)定的主要作用力,即OSO3基團是κ型卡拉膠與魔芋葡聚糖的主要作用位點.這些結(jié)果表明,κ型卡拉膠在魔芋葡聚糖與κ型卡拉膠復(fù)合體系中起著主導(dǎo)作用.

魔芋葡甘聚糖;卡拉膠;流變;分子動力學(xué)模擬

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是一種水溶性、非離子中性雜多糖.KGM主鏈由D-葡萄糖單元和D-甘露糖單元按摩爾比1∶1.5或1∶1.6通過β-1,4-糖苷鍵鏈接而成[1-3],甘露糖殘基上有少量的β-1,3-糖苷鍵連接的側(cè)鏈,分子的乙酰度大約為5%～10%.KGM具有高黏度、良好的生物相容性和生物降解性以及特殊的凝膠性等.當(dāng)KGM與淀粉、蛋白質(zhì)、卡拉膠、黃原膠和可德蘭膠等共混時具有協(xié)同增效作用,形成特殊的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)[4-5],如KGM與黃原膠皆為非凝膠多糖,但是當(dāng)二者共混

卡拉膠(carrageenan)是一類從紅藻中提取出來的水溶性多糖硫酸酯的鈣、鉀、鈉、銨鹽.根據(jù)硫酸酯結(jié)合的形態(tài)不同,可分為 κ型(kappa)、ι型(iota)、λ型(lambda).不同型號具有不同的性質(zhì),其中ι型卡拉膠在Ca2+、Rb+和Cs+的誘導(dǎo)下可形成具有晶體結(jié)構(gòu)的凝膠[10-11],而κ型卡拉膠(KC) 在K+誘導(dǎo)下形成凝膠[12-13],λ型卡拉膠在Fe3+誘導(dǎo)下形成凝膠[14].目前普遍認(rèn)為卡拉膠中只有KC 與KGM具有協(xié)同增效作用[15],并被廣泛應(yīng)用于果凍等產(chǎn)品.文獻(xiàn)對KC與KGM的相互作用有不同的報道,Cairns等[16]認(rèn)為KGM不會改變KC結(jié)晶區(qū),而有些報道卻指出KGM與KC混合后的DSC曲線有兩個峰[17],暗示晶體改變.可見,研究KGM與KC的相互作用具有重要的理論和實踐意義.

熱處理是物質(zhì)間相互作用的最重要方法之一,不同的熱處理方式產(chǎn)生不同的作用和產(chǎn)物.前期研究中發(fā)現(xiàn),KGM與KC的共混溶液經(jīng)過微波處理后流變性發(fā)生明顯變化,因此,本研究分別制備了不同配比下加熱和微波處理的KGM與KC復(fù)合樣品,對比二者的動態(tài)流變性,并結(jié)合分子動力學(xué)模擬分析了二者的相互作用位點,以期為多糖分子間相互作用的研究提供方法借鑒.

1 材料與方法

1.1 材料

魔芋粉(食品級),云南昭通市三艾有機魔芋發(fā)展有限責(zé)任公司;κ型卡拉膠(食品級),煙臺協(xié)力海洋生物制品有限公司;異丙醇(分析純),Sigma-Aldrich有限公司.

1.2 儀器設(shè)備

P70F20CL-DG型微波爐,格蘭仕集團;MYP11-2型恒溫磁力攪拌器,上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;ARES-G2型流變儀,TA儀器設(shè)備有限公司; HAD-VORTEX-5型漩渦振蕩器,北京恒奧德儀器儀表有限公司.

1.3 實驗方法

1.3.1 KGM/KC復(fù)合物的制備

將100mg的KC和KGM分別溶于200mL的雙蒸水中,90℃下恒溫攪拌60min,攪拌過程中每20 min補充雙蒸水至200 m L,最終保持200 mL的溶液.將溶好的KGM溶液緩緩加入到KC溶液中(不斷攪拌),其中加熱處理組在磁力攪拌下加熱90℃,攪拌約1 h,至溶液為50m L,得到KGM/KC(KK)混合溶液,KGM與KC質(zhì)量比分別為2∶1,1∶1,1∶2,并分別記為A1、A2、A3;微波處理組為將溶脹好的KGM溶液緩緩加入到KC溶液中,不斷攪拌5 min后在微波爐中加熱5 min,取出攪拌2 min后繼續(xù)微波處理,不斷重復(fù)微波攪拌過程至溶液為50mL,微波的輸出功率為750W,頻率為2 450MHz,KGM與KC質(zhì)量比分別為2∶1,1∶1,1∶2,并分別記為B1、B2、B3.將預(yù)冷好的200m L異丙醇溶液倒入所得的混合溶液中,得到絮狀物沉淀,將絮狀物沉淀在55℃真空干燥箱中干燥,得到不同的KK復(fù)合物.

1.3.2 流變測定

稱取0.1 g的KK加入到10mL雙蒸水中,放置12 h以保證復(fù)配物充分分散,再在90℃下加熱,期間不斷取出在漩渦振蕩器中振蕩1 min,制備成KK溶膠,冷卻靜置備用.采用40 mm,0.05 rad錐角的錐板,測量距離為55μm,進(jìn)行振蕩掃描測定.在錐板凹槽中滴入少量的水并蓋上保溫蓋,以防止水分揮發(fā).應(yīng)變掃描:溫度5℃,頻率1Hz,應(yīng)變0.1%～20%,以得到最佳的線性黏彈區(qū),最終選擇應(yīng)變?yōu)?%進(jìn)行頻率和溫度掃描實驗.頻率掃描:溫度為45,25,5 ℃,頻率0.1～100 Hz,應(yīng)變1%.溫度掃描:溫度5～80℃,頻率1 Hz,應(yīng)變1%[18].

1.3.3 分子動力學(xué)模擬

運用分子模擬軟件Material Studio中的Visualizer模塊,搭建β-1,4-糖苷鍵鏈接的KGM分子基本單元D-葡萄糖(G)與D-甘露糖(M)以及乙?；?AC)、β-1,3糖苷鍵鏈接的G-M-AC支鏈.搭建好各個分子模型后,選擇PCFF力場估算每個模擬體系的勢能.選用Discover模塊中的smartminimize方法對分子模型進(jìn)行5 000步的優(yōu)化.參數(shù)設(shè)置中,精度等級取Fine,選用COMPASS力場,其中能量收斂公差0.42 J/mol,力收斂公差為2.1 J/mol,偏轉(zhuǎn)收斂公差為5×10-3pm,采用Atom-based cutoffs技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化.經(jīng)分子力學(xué)優(yōu)化計算后分別得到各個基本單元的能量最低的3D結(jié)構(gòu)模型.

2 結(jié)果與分析

2.1 頻率依賴性分析

圖1是1.0%的KK溶膠在不同溫度下(45,25, 5℃)對頻率的依賴性研究結(jié)果,分別從儲能模量G＇和tan(δ)對頻率的雙對數(shù)關(guān)系進(jìn)行分析.

圖1 KK復(fù)合物在不同的溫度下的頻率依賴性Fig.1 Frequency dependence of KK at different temperature

從圖1(a)、(b)、(c)的lg G＇-lg f曲線可以看出,在45℃和25℃時,KK復(fù)合體系的lg G＇-lg f曲線上升速度較快,而5℃時則相對緩和,說明隨著溫度的升高,體系對頻率的穩(wěn)定性降低.圖1(d)、(e)、(f)的lgtan(δ)-lg f曲線也說明了這一點.對于普通加熱的A1至A3組,在較高溫度下,復(fù)合體系被破壞,各組之間的儲能模量G＇和tan(δ)大小沒有明顯的規(guī)律,而在5℃時,G＇的大小依次為A2、A3、A1,tan(δ)相反,這與文獻(xiàn)報道的KGM與KC共混的最佳比例為5.5∶4.5基本符合[15,19];微波處理的B1至B3發(fā)生了變化,G＇主要的趨勢由大到小是B3、B2、B1,tan(δ)則相反.對微波處理與加熱處理組進(jìn)行對比可知,B1的G＇總體低于A1,但在45℃和25℃時,B1的tan(δ)也低于A1;B2的G＇總體低于A2、B2的tan(δ)也高于A2;B3的G＇總體大于A3,tan(δ)也低于A3.可見隨著KC比例的增高,微波處理的KK流變性增強,有利于KK體系性能的提高,如在25℃,與A3不同,B3的tan(δ)＜1,表明體系趨于形成凝膠態(tài).這可能是因為微波引起卡拉膠降解,硫酸基脫離[20-21],使部分的KGM與KC分子形成螺旋結(jié)構(gòu)被破壞,體系流變性降低,而當(dāng)KC濃度提高后,與KGM形成螺旋結(jié)構(gòu)的KC分子數(shù)量增加,并逐漸達(dá)到二者最佳復(fù)合比例,因此復(fù)合體系的凝膠性能增強.暗示了KGM與KC分子間的相互作用的主要位點是KC分子中的OSO3,KC分子通過硫酸基與KGM分子形成螺旋結(jié)構(gòu),進(jìn)一步形成空間凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系.

2.2 溫度模量分析

圖2是KK溶膠在頻率1 Hz,應(yīng)變1%時對溫度依賴性的研究結(jié)果,升溫范圍為5～80℃.

從圖2可以看出,經(jīng)微波處理后的B3組在低溫時具有最高的G＇(圖2(a)),且tan(δ)值也與A2相近(圖2(b)),除此之外,經(jīng)微波處理的B1和B2組的流變性都不如普通加熱的A1和A2.各實驗組的G＇在30℃左右降低到最低,而tan(δ)出現(xiàn)拐點的溫度卻有所不同,B3、A3和A2的拐點溫度相對較高;雖然B3的tan(δ)在30～40℃有個緩和階段,但在35℃之前就已經(jīng)大于1,只有A2的tan(δ)在40℃后才大于1.可見A2的體系的熱穩(wěn)定最好,分子間相互作用強;而B3可能受KC分子降解的影響,使KGM與KC之間存在一定的間隙,故對溫度穩(wěn)定性降低.

圖2 KK對溫度的依賴性Fig.2 Temperature dependence of KK

2.3 KK在水溶液中的氫鍵分布

葡甘聚糖的水溶液體系主要形成KGM與H2O之間的分子間氫鍵,主要發(fā)生在O(6)位置以及糖苷鍵的O上[22],此外還有M(3)上的O(2)與乙?；g通過水形成了氫鍵,葡甘聚糖分子之間未形成氫鍵;而卡拉膠的水溶液體系形成的分子間氫鍵為:O(6)—O(2)、O(6)—O(3,6-內(nèi)醚鍵)、O(2)—H2O、O(6)—H2O、H2O—OSO3(硫酸基);分子內(nèi)氫鍵為:S—H2O—OSO3(硫酸基)、O(2)—OSO3(硫酸基).KGM和KC復(fù)合體系在水溶液中形成氫鍵的情況見圖3.由圖3可以看出,葡甘聚糖與卡拉膠共混時形成的分子間氫鍵數(shù)明顯增多,主要形成的是分子間氫鍵,這種分子間氫鍵多通過OSO3來實現(xiàn).因此,當(dāng)KC被降解,OSO3含量降低時,KGM與KC之間的相互作用位點減少,相互作用減弱,體系流變性受到破壞.孫玉敬[23]通過分子動力學(xué)模擬研究結(jié)果表明,κ型卡拉膠分子與KGM分子鏈間的非鍵合作用力依次為氫鍵、靜電勢和范德華力.

圖3 KGM和KC復(fù)合物在水溶液中的氫鍵分布Fig.3 Distribution of hydrogen bonds of KGM and KC blends in water solution

通過介觀形態(tài)動態(tài)模擬研究KGM與KC相互作用時的水分子的狀態(tài).KGM和KC復(fù)配形成的凝膠中含有兩種狀態(tài)的水分子,部分水分子和高分子鏈耦合纏結(jié)在凝膠的內(nèi)部,但是仍有相當(dāng)部分的水分子以自由水的形式游離于凝膠的表面,這說明了KGM、KC與水分子的相互作用主要是—OH之間形成的弱氫鍵,以及KGM和KC形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對水分子的包埋吸附作用,這可能是KGM和卡拉膠復(fù)合體系對剪切和溫度不穩(wěn)定的原因.

3 結(jié) 論

魔芋葡甘聚糖與κ型卡拉膠的協(xié)同增效作用在食品工業(yè)中,尤其是在果凍、冰淇淋等食品行業(yè)中有廣泛應(yīng)用,但二者作用的分子機理尚未明確.我們通過理化實驗和分子動力學(xué)模擬相結(jié)合研究KGM與KC相互作用的位點.考慮到微波會引起KC的OSO3脫離,對比OSO3的有無對KGM與KC復(fù)合體系的影響,間接揭示二者的作用位點.

在實驗采用的3個配比中,通過微波處理KGM 與KC復(fù)合物,得到具有最佳流變性的KGM與KC配比為1∶2,而普通加熱處理的最佳配比為1∶1,說明微波對KC的降解影響了KC與KGM之間的協(xié)同增效作用,OSO3是二者相互作用的重要位點.分子動力學(xué)模擬表明,KC與KGM相互作用是通過分子間的氫鍵作用,且以KC分子中的OSO3基團形成的氫鍵最為穩(wěn)定,在二者相互作用中起決定性作用,這暗示了KC可能是KGM與KC復(fù)合中的主導(dǎo)部分.

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Studies on Konjac G lucomannan and Carrageenan Interaction Sites Based on Stable System

WEN Chengrong1,2, FU Liqun3, XIE Bingqing3, CONG Suang1,2, PANG Jie3,*
(1.College of Food,Dalian Polytechnic University,Dalian 116034,China;
2.National Engineering Research Center ofSeafood,Dalian 116034,China;
3.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)

The synergy effect of konjac glucomannan(KGM)andκ-Carrageenan(KC)is one of an important research fields of polysaccharide interactions.The study of their interaction site can help to reveal many essentialproblem of the system,and italso plays a key role in the building and application of stable network system.The changes of KGM and KC blends rheological property in three ratios with microwave and heating process were studied,and their action sites were alsomeasured through rheometer and molecular dynamics simulation,respectively.The results showed that the interaction between KGM and KC was changed aftermicrowave treatment.The higher was the KC concentration,the better of their interaction.The hydrogen bonds between OSO3of KC and KGM molecular were themain forces tomaintain the complex system stable,which indicated that the OSO3residue was the main KC and KGM interaction site.These results suggested that KC played a dominant role in KGM and KC composite system.

konjac glucomannan;carrageenan;rheology;molecular dynamics simulation

葉紅波)

TS202

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2014.05.005

2095-6002(2014)05-0021-06

溫成榮,傅麗群,謝丙清,等.基于穩(wěn)定體系的魔芋葡甘聚糖與卡拉膠作用位點的研究.食品科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2014, 32(5):21-26. WEN Chengrong,FU Liqun,XIE Bingqing,et al.Studies on konjac glucomannan and carrageenan interaction sites based on stable system.Journal of Food Science and Technology,2014,32(5):21-26.后,可形成凝膠[6].KGM已經(jīng)作為食品原料或添加劑廣泛應(yīng)用于面制品、果醬、仿生食品等食品行業(yè)中[7-9].

2014-08-30

國家自然科學(xué)基金資助項目(31271837);科技部專項研究基金(2012GA7200022);福建省高校產(chǎn)學(xué)研重大專項(2013N5003).

溫成榮,男,博士,主要從事多糖結(jié)構(gòu)與性能方面的研究;*龐 杰,男,研究員,博士,主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)與應(yīng)用方面的研究.通訊作者.