高静压对南瓜纤维素分子结构的影响机制

Because of the deficiency of equipment and complexity of glycosidic bonds, the research of effect of high hydrostatic pressure processing (HHP) on cell wall components of fruits and vegetables still remains unclear. It is difficult to elucidate the reason of texture of fruits and vegetables changes after HHP, which limits the application of HHP in the industry.. Thus, the research firstly focuses on the near field structure and remote field structure of pumpkin cellulose to explore the effect of HHP on cellulose structure. Secondly, the research probes into the structure parameters of cellulose chain, such as unperturbed dimension, persistence length etc., to explain the reason of structure changes. Thirdly, coupled with the information of structure and parameters, the research analyzes the change of glycosidic bonds and hydrogen bonds to elucidate the change from the view of molecule. The research aims at unveiling the relationship of pressure field and molecule structure and offering theoretical explanation on changes of texture. Furthermore, it may provide basic data of non-thermal processing, and guide the work of biopolymer regulation in functional food processing.

由于装备的限制及糖苷键连接方式的复杂，高静压加工作为一种非热加工方式，其对于果蔬细胞壁组分的影响研究始终不能深入，很多涉及果蔬质构变化的现象尚无法阐释其机理，极大地限制了高静压技术在果蔬加工中的应用。. 鉴于此，本项目从分子相互作用的角度，以南瓜为研究对象，首先从南瓜纤维素的分子链近程结构与远程结构入手，从表观层面研究高静压对纤维素结构的影响；其次，研究无扰尺寸、持续长度等分子链结构参数，探讨高静压引起纤维素结构发生变化的原因；最后，结合结构与参数变化信息，分析纤维素分子糖苷键与氢键的变化，阐释纤维素结构变化的分子机制。通过项目的研究，揭示压力场强变化与纤维素分子行为变化的相关性，从微观角度阐释高静压加工导致果蔬质构发生变化的原因，为食品非热加工理论体系的创新提供基础的理论支撑，为果蔬食品及功能性食品加工过程中生物大分子的有效控制奠定科学基础。

由于装备的限制及糖苷键连接方式的复杂，高静压加工作为一种非热加工方式，对于纤维素等多糖分子的影响研究始终不能深入，极大地限制了高静压技术在多糖改性和果蔬加工中的应用。鉴于此，本项目从分子相互作用的角度，首先从纤维素的分子链入手，从表观层面研究高静压对纤维素结构的影响；其次，研究纤维素分子链结构参数，探讨高静压引起纤维素结构发生变化的原因；最后，结合结构与参数变化信息，从热力学角度分析纤维素分子糖苷键与氢键的变化，阐释纤维素结构变化的分子机制。. 主要研究结论如下：. ① 南瓜纤维素预处理优化条件：3%硝酸溶液，反应温度 100℃，反应 3h；其次 1.5%氢氧化钠溶液，反应温度 100℃，反应 1.5h。纤维素、半纤维素和木质素含量分别达到 93.53%、0.69%和 0.82%。. ② 确定了纤维素具有Ⅰβ型晶体结构。沿加压方向的压力诱导取向能够增强纤维素分子的排列自组装行为，说明在超高压处理过程中，压力诱导与氢键的协同作用所形成的自组装行为要强于单纯依靠氢键形成的自组装行为。. ③ 100-500MPa,30min高静压处理会对纤维素分子的高级结构产生影响，空间结构仍为螺旋状，且较压力处理前更加稳定。. ④ 经100-500MPa,30min高静压处理，各糖苷端基C-O键的反应焓值和吉布斯自由能存在差异，O-α-D-吡喃葡萄基(1→6)-β-D-吡喃葡萄糖苷的反应焓值和吉布斯自由能最高，O-β-D-吡喃葡萄糖基(1→6)-β-D-吡喃葡萄糖苷则为最低；糖环构型会对糖苷键的裂解产生影响，单糖类型和糖苷键连接形式则对糖苷键裂解的影响不明显，需与构型相结合才会产生影响；糖苷键异裂过程中的熵效应比较微弱，不能对糖苷键的异裂反应产生影响。. 通过项目的研究，揭示了压力场强变化与纤维素分子行为变化的相关性，为研究和确定被处理物料理化特性与超高压装备设计特性的关系提供了参考，为基于原料特性和加工手段的食品装备精准设计提供了科学基础，也为食品非热加工理论体系的创新提供了理论支撑。