楊天怡 古立謙 朱 莉 詹曉北

1（江南大學(xué)生物工程學(xué)院糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 無錫 214122）

2（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程學(xué)院 日照 286826）

3（江蘇瑞光生物科技有限公司 無錫 214125）

結(jié)冷膠(Gellan gum)是一種由少動鞘氨醇單胞菌Sphingomonas elodea(ATCC31461)所產(chǎn)生的胞外微生物多糖[1]，主鏈由→3)-β-D-葡萄糖-(1→ 4)-β-D-葡萄糖醛酸-(1→4)-β-D-葡萄糖-(1→4)-α-L-鼠李糖-(1→線形四糖聚體重復(fù)單元組成，分子量約為5×105Da[2]。結(jié)冷膠產(chǎn)品分為兩類：一類是天然的高酰基結(jié)冷膠，在每個重復(fù)單元上有1.5個O-?；鶊F(tuán)，其中每個重復(fù)單元上有1個O-甘油?；?，每隔一個重復(fù)單元有1個O-乙酰基，分別位于1→3鏈接成鍵的葡萄糖殘基的第2位和第6位上[3]；另一類則是由天然結(jié)冷膠脫除部分或全部乙?；牡王；Y(jié)冷膠[4]。結(jié)冷膠溶于水后，在降溫過程中，分子會從無規(guī)則的卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變成三折螺旋結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的作用力主要是分子間氫鍵。一般認(rèn)為陽離子的加入可形成“鹽橋”，從而促進(jìn)結(jié)冷膠凝膠結(jié)構(gòu)的形成[5]。天然的結(jié)冷膠可生成富有彈性而且比較柔軟的凝膠,與黃原膠、槐豆膠具有相似的性質(zhì),而低?；Y(jié)冷膠在加熱冷卻后強(qiáng)度大、易脆裂,與卡拉膠和瓊脂的特性相似[2]。結(jié)冷膠是目前性能最為優(yōu)越的生物膠之一，安全、無毒，具有低濃度、高效果、熱穩(wěn)定、純透明、可再生、易被修飾和在可控制條件下生產(chǎn)等獨(dú)特的理化性質(zhì)，集增稠、懸浮及乳化穩(wěn)定性等功能于一體，在諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[6]。目前我國對結(jié)冷膠的應(yīng)用主要是在食品領(lǐng)域，用做增稠劑、凝結(jié)劑、懸浮劑和成膜劑等[7]。

研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用分子修飾手段將多糖降解到適宜的分子量，得到較低分子量的多糖片段或寡糖，能顯著提高其生物活性[8-9]，改善其理化性質(zhì)使之在材料方面有更好的應(yīng)用[10-12]。多糖輻照降解技術(shù)是利用γ射線以及電子束等電離輻射射線與多糖類物質(zhì)作用，通過產(chǎn)生的物理和化學(xué)效應(yīng)使被作用物中的糖苷鍵斷裂，從而得到低分子量的產(chǎn)物的一種分子修飾手段[13]。該技術(shù)具有節(jié)省能源、反應(yīng)易控、無污染、產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，物質(zhì)經(jīng)輻照降解后可得到均一性較好的產(chǎn)品，且生物相容性不受影響。國內(nèi)對于黃原膠、茯苓多糖、殼聚糖、淀粉、海藻酸鈉、纖維素、卡拉膠等多糖輻照降解已經(jīng)均有報道[14]，而關(guān)于 γ-射線輻照對結(jié)冷膠的研究還是空白。本文旨在探索γ-射線對結(jié)冷膠分子量及其凝膠性質(zhì)的影響，尋求一種降解結(jié)冷膠的新方法，為今后制備結(jié)冷膠寡糖和研究其寡糖生理活性打下基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步開發(fā)利用結(jié)冷膠資源，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

低酰基結(jié)冷膠，食品級，江蘇瑞光生物科技有限公司。四甲基氯化銨，色譜純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品，色譜純，Sigma有限公司。DPPH? (1, 1-二苯基-2-三硝基苯肼)，分析純，Sigma有限公司。其余試劑均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 輻照處理

空氣中，常溫常壓下，60Co γ-射線輻照源，劑量率7 kGy·h-1，吸收劑量采用Ag2Cr2O7劑量計測定，該劑量計與國家計量院ESR劑量計NADS比對，劑量測定誤差±5%以內(nèi)。結(jié)冷膠固體粉末分別經(jīng)過0、1、4、10、16和25 h處理（輻照劑量即為0、7、28、70、112和175 kGy）后分別標(biāo)號a、b、c、d、e和f，作為樣品待用。

1.3 測定與表征方法

1.3.1 電鏡掃描

掃描電鏡Quanta-200分別掃描樣品，選取的放大倍數(shù)(Magnification, Mag)是160、300和2400。

1.3.2 粒徑測定

激光粒徑分析儀 Microtrac S3500分別測定樣品，干法測定[15]，測試時間10 s。

1.3.3 分子量及分子量分布的凝膠色譜測定

樣品制備：樣品溶解于流動相中，用微孔過濾膜過濾后供進(jìn)樣。

儀器：Waters 600高效液相色譜儀（配2410示差折光檢測器和Empower工作站）。

色譜條件[16]：色譜柱采用 Ultrahydrogel?Linear 300mm×7.8mm(i.d.)(內(nèi)徑，inside diameter)×2；流動相為 75 mmol·L-1四甲基氯化氨tetra-methyl-ammonium-chloride (TMACl)；流速為0.9mL·min-1；柱溫：45 ℃。

分子量校正曲線的繪制：分別稱取適量已知分子量的葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)樣品，MW2000000、MW133800、MW41100、MW21400、MW4600和MW180溶于超純水后以保留時間與分子量的對數(shù)作出分子量校正曲線。

樣品分子量及分子量分布的測定：根據(jù)分子量校正曲線以及樣品的保留時間（排阻體積）求出其各組分的數(shù)均分子量(Mn)、重均分子量(Mw)和峰均分子量(Mp)，并按公式(1)計算多分散指數(shù)Polydipersity index(IPD)[12]。

1.3.4 紅外掃描

在紅外燈照下，取1 mg完全干燥的樣品與100-200 mg完全干燥的KBr粉末在瑪瑙研缽中研磨均勻，采用KBr壓片后傅里葉紅外光譜儀NICOLET NEXUS470在4000-600 cm-1區(qū)間掃描，掃描次數(shù)32。

1.3.5 溶液pH值測定

稱取樣品溶解于90 ℃蒸餾水中，配制成1g·L-1凝膠溶液，磁力攪拌器攪拌至完全溶解，室溫下靜置3 h后測樣，測試溫度25 ℃。每個試驗(yàn)做3個平行樣。

1.3.6 凝膠強(qiáng)度的測定

稱取樣品溶解于90 ℃蒸餾水中，配制成1g /100mL凝膠溶液，磁力攪拌器攪拌至完全溶解，加入CaCl2粉末至Ca2+終濃度為5 mmol·L-1，繼續(xù)加熱攪拌1 min，趁熱倒入玻璃器皿中，制成高30mm，半徑 10mm圓柱，迅速放入4 ℃冰箱冷卻，靜置24 h后測樣。每個試驗(yàn)做6個平行樣。

采用TA.XT plus物性分析儀，探頭型號P2，測定模式為壓縮模式，測試前速率2mm·s-1，測試速率2mm·s-1，測試后速率10mm·s-1，測試距離10mm，觸發(fā)力2g。

1.3.7 DPPH?清除能力測定

測定方法參考 Cheng[17]的實(shí)驗(yàn)方法并加以改動。精確稱取 DPPH?粉末溶于無水乙醇中配制成0.208 mmol·L-1溶液；取樣品溶于蒸餾水配置成不同濃度溶液，取20 μL樣品溶液加入DPPH?無水乙醇溶液180 μL，于96孔板，震蕩搖勻，避光反應(yīng)30 min后使用全波長酶標(biāo)儀 Thermo Scientific Multiskan Spectrum 在515nm波長下測定其吸光度Ai，同時測定以20 μL蒸餾水代替樣品溶液的DPPH?溶液吸光度A0，和以180 μL無水乙醇代替DPPH?無水乙醇溶液的吸光度 Aj；并根據(jù)公式 2計算DPPH?清除率。抗壞血酸Vc作為陽性對照。每個試驗(yàn)做3個平行樣。

清除率(Rsca, %)：

取樣品溶于蒸餾水配置成不同濃度的溶液，取1.0mL樣品溶液，加入3mL Tris-HCl (pH=8.2)，25 ℃水浴 20 min 后，加入 100 μL 10 mmol·L-1鄰苯三酚（溶劑 10 mmol·L-1HCl），精確反應(yīng) 4 min，滴入 100 μL 6 mol·L-1HCl終止反應(yīng)，UV-1800 型紫外可見分光光度計在325nm處測定其吸光度Am，同時測定以1mL蒸餾水代替樣品溶液的吸光度An和以 100 μL 10 mmol·L-1HCl代替鄰苯三酚的吸光度A；并根據(jù)公式3計算清除率。抗壞血酸作為參比物，考察樣品清除超氧陰離子的能力。每個試驗(yàn)做3個平行樣。

清除率(Rsca, %)：

1.3.9 羥自由基(?OH)清除能力測定[18]

取樣品溶于蒸餾水分別配置成不同濃度溶液，取 50 μL 樣品溶液，加入 50 μL PBS(pH=7.4)和 50 μL 2 mmol·L-1EDTA-Fe溶液，再加入 10 μL 360 mg·L-1的番紅花紅T，最后加入40 μL 6% H2O2，放入全波長酶標(biāo)儀Thermo Scientific Multiskan Spectrum中，振蕩10 s使混合液混勻，25 ℃靜置30 min后，于515nm處測定樣品吸光度A，同時測定用50 μL蒸餾水代替50 μL不同濃度的樣品空白組的吸光度Ai和用50 μL蒸餾水和40 μL蒸餾水分別代替50 μL不同濃度樣品和40 μL 6%的H2O2的對照組吸光度A0；并根據(jù)公式4計算樣品對?OH的清除率(%)?？箟难嶙鳛閰⒈任铮疾鞓悠非宄?OH的能力。每個試驗(yàn)做3個平行樣。

清除率(Rsca, %)：

2 結(jié)果與討論

2.1 固態(tài)粉末顆粒粒徑分析

掃描電鏡可以觀察結(jié)冷膠固體粉末顆粒形貌，激光粒徑分析儀用來測粒徑值，聯(lián)合兩者分析輻照對結(jié)冷膠固態(tài)粉末顆粒的影響。圖1錯誤！未找到引用源。a-f分別是經(jīng)輻照 0、7、28、70、112和175 kGy的結(jié)冷膠樣品的電鏡圖。通過對比經(jīng)過不同劑量輻照的結(jié)冷膠電鏡圖可以看出，輻照劑量的增加使得結(jié)冷膠小顆粒顯著增加，且從高倍圖中看出隨著輻照劑量的增大其表面變得更為粗糙，說明輻照可能使結(jié)冷膠粉末粒徑減小。

圖2反映的是隨著劑量的改變對應(yīng)的結(jié)冷膠平均粒徑的變化，由于結(jié)冷膠的顆粒大小本身是不均勻的，在這里是用平均粒徑表征結(jié)冷膠顆粒粒徑的改變。由圖2中可以看出，隨著吸收劑量的增加結(jié)冷膠的平均粒徑逐漸降低，這表明隨著吸收劑量增加，結(jié)冷膠小顆粒增多，大顆粒減少。綜合來看，可以確認(rèn)輻照使固態(tài)結(jié)冷膠粉末顆粒變小。

圖1 固態(tài)結(jié)冷膠粉末經(jīng)輻照后的掃描電鏡照片a、b、c、d、e和f對應(yīng)吸收劑量分別為0、7、28、70、112和175 kGy結(jié)冷膠樣品從左到右放大倍數(shù)是160、300和2400Fig.1 Scanning electron microscope photograph of gellan gum in solid powder at different doses of gamma irradiation the absorbed dose of a, b, c, d, e, and f is 0, 7, 28, 70, 112, and 175 kGy, respectively.From left to right magnification is 160, 300, and 2400

圖2 不同吸收劑量條件下固態(tài)結(jié)冷膠后的粒徑Fig.2 Mean particle size of gellan gum at different doses of gamma-ray irradiation

2.2 分子量及分子量分布的凝膠色譜測定

葡聚糖分子量校正曲線如圖3所示，根據(jù)校正曲線和樣品出峰時間計算出樣品的分子量及其PDI見表1?？傮w來看經(jīng)過輻照的結(jié)冷膠分子的PDI值比沒經(jīng)過輻照的小，即輻照后分子分子量分布范圍變窄，這應(yīng)該是由于有大分子物質(zhì)降解產(chǎn)生了小分子物質(zhì)，分子量大的結(jié)冷膠分子鏈單元多，受輻射降解的幾率也大，導(dǎo)致結(jié)冷膠分子量分布變窄；而由于輻照降解是無規(guī)則降解[19]，當(dāng)隨著吸收劑量增加到一定程度時，物質(zhì)中多數(shù)分子分子量降低，所以PDI值又開始呈現(xiàn)波動。根據(jù)表1中重均、數(shù)均和峰均分子量分別對吸收劑量作圖，發(fā)現(xiàn)隨著吸收劑量的增大，結(jié)冷膠重均、數(shù)均和峰均分子量顯著減小，且減小趨勢慢慢變緩，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的分布規(guī)律，在進(jìn)行非線性最小平方擬合(Nonlinear least-squares fitting, NLSF)后均符合ExpAssoc模型且擬合情況良好，R2≥0.99，見圖4，擬合結(jié)果見表2。

結(jié)冷膠分子量隨著輻照劑量的增加而降低且PDI值呈現(xiàn)波動，說明經(jīng)過輻照結(jié)冷膠分子鏈中的某些化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，才會產(chǎn)生了與結(jié)冷膠原分子量相比較小的不同分子量片段，證明輻照對結(jié)冷膠確實(shí)有良好的降解作用。這跟輻照對于殼聚糖，卡拉膠，海藻酸鈉作用結(jié)果類似，而它們降解后形成的低聚糖的生物活性均有提高[14]；同時黃成棟[20]在把黃原膠降解后也發(fā)現(xiàn)其具有抗氧化活性和抑菌、抗病毒、植物誘抗活性；所以分子量降低的結(jié)冷膠降解的產(chǎn)物有進(jìn)一步研究的價值，其生理活性和應(yīng)用領(lǐng)域有待探尋。

圖 3 葡聚糖分子量校正曲線Fig.3 GPC calibration curve obtained with dextran as the standard

表1 不同吸收劑量條件下固態(tài)結(jié)冷膠分子量及其分子量分布Table 1 Molecular weight and molecular weight distribution of gellan gum at different doses of gamma irradiation

表2 結(jié)冷膠分子量隨輻照劑量變化的擬合方程結(jié)果Table 2 Molecular weight fitting results of gellan gum at different doses of gamma irradiation

2.3 紅外光譜表征

紅外譜圖上吸收峰的位置與強(qiáng)度反映了分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可用來鑒別物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成或確定其化學(xué)基團(tuán)；而環(huán)境的變化和大分子物質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)造都可能造成同種基團(tuán)吸收峰位置產(chǎn)生少量偏移[21]。在本實(shí)驗(yàn)中，3423 cm-1和2925 cm-1分別是-OH和C-H的伸縮振動峰[22]；1611 cm-1和1409 cm-1是結(jié)冷膠羧基特征吸收峰[21]，其中1611 cm-1是-C=O的伸縮振動，1409 cm-1是羧酸鹽中的C-O-C環(huán)醚的伸縮振動[10]；1021 cm-1為羧酸配體的伸縮振動峰，890 cm-1是存在β-型糖苷鍵的特征吸收峰，540 cm-1是-C-C-O的變形振動[23]。

在圖5中，結(jié)冷膠紅外特征吸收峰出峰位置保持穩(wěn)定，表明其組成基團(tuán)基本類型不變，糖苷鍵類型不變。3423 cm-1處的強(qiáng)吸收峰是-OH的特征吸收，由于被測樣品為固體粉末，-OH大多以締合形式存在，所以此吸收峰很寬，從強(qiáng)度上分析，γ-射線的照射并沒有對-OH造成顯著影響。經(jīng)過輻照的結(jié)冷膠樣品1611 cm-1至540 cm-1處峰的振動增強(qiáng)，推測經(jīng)過輻照的結(jié)冷膠有羰基結(jié)構(gòu)生成，而羰基結(jié)構(gòu)的生成應(yīng)是由 C-O-C糖苷鍵斷裂所致，說明輻照很可能使結(jié)冷膠分子鏈中糖苷鍵發(fā)生了斷裂，生成羰基類化合物，結(jié)冷膠被降解導(dǎo)致分子量降低。

圖5 不同劑量條件下的結(jié)冷膠的紅外光譜圖Fig.5 Fourier-transform infrared spectra (FT-IR) of gellan gum at different doses of gamma-ray irradiation

2.4 溶液pH測定

從圖6可知，固態(tài)結(jié)冷膠經(jīng)輻照處理后的水溶液pH值降低，并且隨著吸收劑量的增加逐漸減小。綜合紅外圖譜和分子量測定的結(jié)果進(jìn)行分析，可認(rèn)為pH值的降低是由于輻照使結(jié)冷膠分子鏈斷裂，形成了羧基，引起溶液pH值減小。

圖6 不同劑量下的結(jié)冷膠溶液pH值Fig.6 pH value of gellan gum at different doses of gamma-ray irradiation

2.5 凝膠強(qiáng)度表征

不同輻照強(qiáng)度的結(jié)冷膠凝膠強(qiáng)度見圖 7，隨著吸收劑量增加，凝膠強(qiáng)度減小，在0-28 kGy劑量范圍，凝膠強(qiáng)度降低得快，28-112 kGy劑量后，凝膠強(qiáng)度降低趨勢減緩，在劑量為112 kGy時，凝膠性能已經(jīng)十分低下，當(dāng)輻照強(qiáng)度在175 kGy時，在本實(shí)驗(yàn)條件下已經(jīng)無法形成凝膠。

通過曲線擬合，求得擬合方程：

式中，y為凝膠強(qiáng)度(g),D為吸收劑量(kGy)。

由于結(jié)冷膠凝膠合成機(jī)制認(rèn)為是陽離子引發(fā)的雙螺旋間的聚合交連，陽離子促進(jìn)分子內(nèi)的交聯(lián)作用、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)和加速雙螺旋形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)[24-25]。綜合之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明在175 kGy下無法形成凝膠是由于輻照引起結(jié)冷膠分子鏈斷裂，分子量過小，推斷其已經(jīng)無法構(gòu)造成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所致。9看出，沒有經(jīng)過輻照的結(jié)冷膠清除?的效果幾乎為0，而輻照劑量在175 kGy時，5g·L-1結(jié)冷膠溶液的清除率達(dá)到 97.5%，可以達(dá)到 Vc效果的98.8%，在此條件下清除效果良好。對?清除效果與輻照劑量和結(jié)冷膠濃度均呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖7 不同劑量結(jié)冷膠凝膠強(qiáng)度擬合曲線Fig.7 The gel strength fitting curve of gellan gum at different doses of gamma-ray irradiation

2.6 抗氧化活性表征

2.6.1 DPPH?清除能力測定

DPPH?自由基有單電子，經(jīng)過全波長掃描，在515nm處有一強(qiáng)吸收，其醇溶液呈紫色的特性。當(dāng)有自由基清除劑存在時，由于與其單電子配對而使吸收逐漸消失，DPPH?法被廣泛應(yīng)用于測定生物試樣和食品的抗氧化能力。由圖8中可以看出，隨著輻照劑量的增加，結(jié)冷膠溶液的DPPH?清除率總體增加，且與結(jié)冷膠濃度呈現(xiàn)正相關(guān)；當(dāng)輻照劑量為175 kGy時，5g·L-1結(jié)冷膠 DPPH?清除率達(dá)到66.9%，說明輻照后的結(jié)冷膠對 DPPH?清除作用增加，體現(xiàn)了其抗氧化活性增加。這可能是由于結(jié)冷膠分子鏈斷裂，暴露出的活性基團(tuán)增多所致。2.6.3 羥自由基(?OH)清除能力測定

圖9 不同劑量下結(jié)冷膠對?的清除率Fig.9 ? scavenging rate of gellan gum at different doses of gamma-ray irradiation

Fenton 反應(yīng)體系(Fe2++ H2O2→Fe3++?OH+OH-)產(chǎn)生的?OH可以使番紅花紅T褪色，番紅花紅T在520nm有最大吸收，在添加適量的抗氧化劑的條件下，其褪色情況減弱，從而可以通過測定吸光度值的變化來測定抗氧化劑清除?OH的能力。由圖 10看出，當(dāng)輻照劑量較低時，?OH清除能力與沒經(jīng)過輻照的效率相當(dāng)。當(dāng)輻照劑量達(dá)到28 kGy時，結(jié)冷膠溶液對?OH清除率明顯增加，抗氧化活性提高，隨著輻照劑量增加到112 kGy時，清除率達(dá)到最大值70.4%，在175 kGy時，清除率減小。清除效率與結(jié)冷膠濃度均呈正相關(guān)。

圖10 不同劑量下結(jié)冷膠對?OH的清除率Fig.10 ?OH scavenging rate of gellan gum at different doses of gamma-ray irradiation

3 結(jié)論

60Co γ-射線輻照對結(jié)冷膠降解作用顯著，首次發(fā)現(xiàn)經(jīng)輻照降解的結(jié)冷膠寡糖具有抗氧化活性。輻照后的結(jié)冷膠隨著輻照劑量增加分子量降低，凝膠強(qiáng)度減小直至消失。本研究證明了輻照確實(shí)是一種有效的降解結(jié)冷膠的手段，對于推廣輻照降解多糖和制備有活性的寡糖方面有重大的現(xiàn)實(shí)意義，對于后續(xù)研究結(jié)冷膠寡糖的生理活性做出了前瞻性的工作。

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