钙和酸诱导大豆多糖差异性胶凝行为的机制分析

Polysaccharide based gel materials are widely applied in food and drug industry. We had found that the gelation propeties of soybean pectic polysaccharide was different with commercial pectin, just is the evident discrepancy between soybean pectic polysaccharide gel induced by calcium and acid. But relative mechanism has not been clarified by other researchers. In this project, soybean pectic polysaccharide -calcium ions/acid dispersion systems will be established and the mean square end to end distance, mean square radius of gyration, persistence length and chain shape will be first obtained. Then the network of soybean polysaccharide formation and transition induced by calcium or acid during sol-gel transition process and gel evolution will be tracked. After that, the gel network, optical and mechanical properties will be studied. Based on the comprehensive analysis of the solution properties and the transformation of sol-gel and gel properties of soybean polysaccharide, the infulence of calcium ions and acid on soybean polysaccharide molecular chain conformation will be clarified. At the meantime, the relationship between polysaccharide chain spatial structure evolution and gel properties will also be explained. Ultimately, mechanism of different types polysaccharide conformation and the formation of different gel will be revealed which can establish theoretical basis for utilization of soybean polysaccharide and developing unique gel materials in food industry.

以天然多糖为基质的凝胶材料广泛应用于食品与制药行业。申请人发现大豆果胶类多糖具有和商业果胶不同的凝胶特性，即钙与酸诱导的大豆多糖胶凝行为具有光学和力学性质上的差异，但相关机理尚未见报道。本项目拟通过构建不同的钙、酸-大豆多糖分散体系，首先考察溶胶状态大豆多糖均方末端距、均方旋转半径、持续长度等构象参数和分子链形态，然后分别跟踪钙、酸诱导下溶胶-凝胶转变历程大豆多糖构象、分子链形态的转变，考察大豆多糖凝胶网络演变及微观结构分形特征的动态变化，再对大豆多糖凝胶的光学、力学性质进行研究。通过综合分析大豆多糖溶液性质，溶胶-凝胶转变情况及凝胶性质，明晰大豆多糖分子链构象对钙离子和酸的差异性响应规律及构象对凝胶微观结构的调控机理，进而阐明多糖分子链空间结构演变和凝胶性质的关系，最终揭示钙和酸诱导下，多糖构象转变至形成不同类型凝胶的机制，为食品行业合理利用大豆多糖及开发独特凝胶材料奠定一定的科学基础。

本项目通过构建不同阳离子、酸及大豆种皮果胶类多糖（SHPP）分散体系，考察溶胶状态SHPP流变性质，利用AFM跟踪不同离子诱导下SHPP构象、分子链形态的转变过程，并对SHPP凝胶的光学、力学性质进行研究。我们发现SHPP凝胶性质对钾离子、钠离子、锂离子的敏感程度不同，体现在凝胶强度、凝胶持水性及透明度的差异。适当提高阳离子浓度和SHPP质量浓度可改善大豆果胶凝胶的凝胶强度和持水性。但浓度越高，凝胶的透明度越差。柠檬酸与可溶性固形物对凝胶透明度的影响是显著的，随着果胶浓度的增加，透明度逐渐下降，原因在于凝胶网状结构无序化程度增加。通过流变仪和原子力显微镜对阳离子（Ca2+、Mg2+、K+、Na+）诱导SHPP宏观凝胶性和微观构象之间的关系进行研究发现，Ca2+诱导SHPP构象为网状结构且离子浓度较小，在相同条件下，Mg2+诱导大豆果胶类多糖形成网状结构所需的浓度较高。 K+诱导大豆果胶类多糖的构象为均匀的网状结构，Na+诱导大豆果胶类多糖的构象为不均匀的网状结构，网状结构的均匀程度影响凝胶强度及凝胶的透明度。项目组借助低场核磁共振技术研究了SHPP分散体系内部水分子的流动性。GDL和蔗糖可降低自旋-自旋弛豫时间（T2），揭示了此过程SHPP网络的形成。流变学分析表明GDL诱导可促使SHPP凝胶形成，提高蔗糖浓度可改善凝胶性质。尿素可提高T2并瓦解SHPP的凝胶网络，通过TGA研究发现，蔗糖束缚了自由水含量增加，而尿素扮演了一个相反的作用，推测氢键是保持SHPP凝胶网络主要分子间作用力。SHPP不同组分在不同离子作用下，响应也有差异，CaCl2 、MgCl2 、KCl、NaCl对SHPP20、SHPP40形成凝胶有促进作用。从凝胶性比较来看：SHPP20＞SHPP40＞SHPP60。SHPP自身浓度的增加对其构象有一定影响，随着SHPP自身浓度增加，SHPP的构象由聚合链变为网状结构。另外项目组研究发现，以草酸铵为提取剂提取的SHPP与柠檬酸钠提取的SHPP品质相似，但透明度较差。以柠檬酸、草酸、EDTA为提取剂的SHPP综合品质较差。通过本研究，明晰了大豆多糖分子链构象对钙离子和酸的差异性响应是导致其凝胶性质差异的根本原因，同时不同制备方法也对凝胶性质有显著影响，本项目的研究结果为食品行业合理利用大豆多糖及开发独特凝胶材料奠定了科学基础。