怀山药多糖结构与其功能作用机制研究

Polysaccharides from Dioscorea opposita Thunb. have various activities. So far, there still has been unclear about the structure of polysaccharides from Dioscorea opposita, or the molecular mechanism of the functional properties, which could be used to predict the processing adaptability in food products. This study is to investigate the three-dimensional conformation/structure of polysaccharides by using nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, circular dichroism (CD) spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Raman spectra (RS) etc. The information obtained from the structure will be used to predict some of the functional properties, such as the solubility, emulsifying activity, water binding capacity, oil binding capacity, gelation activity, foam formation activity, viscosity, etc. The polysaccharides from Dioscorea opposita are also treated by high hydrostatic pressure and high pressure homogenization to study the functional properties in order to calculate by quantum chemistry, determine the molecular mechanism and predict the processing adaptability in food products. This study will provide data to support mechanism studies for polysaccharides, and will also help the development of Chinese yam products and comprehensive utilization of polysaccharides from Dioscorea opposita Thunb.

河南特色资源植物怀山药（Dioscorea opposita Thunb.）多糖具有多种生物活性。但到目前为止，怀山药多糖的结构不甚明确，功能特性和功能作用机制及其被用于食品加工中的适应性研究不深入。本项目拟在对怀山药多糖分离纯化的工作基础上，利用核磁共振、圆二色谱、X-射线衍射、拉曼光谱等技术，结合分子力学（MM，MD）和量子化学理论（DFT，TD-DFT）模拟计算，对怀山药多糖分子的结构和空间构象进行研究。同时研究高静压、高压均质法对怀山药多糖结构和性能的影响，测定其溶解性、水-油乳化特性、增稠增黏流变学特性、凝胶性等功能特性，总结功能特性随结构的变化规律，探索怀山药多糖结构与功能特性的相关性。研究结果将为怀山药多糖的结构认知、功能开发利用提供科学依据，尤其是为怀山药多糖用于食品或功能性食品中的加工工艺提供技术参考。

为了怀山药功能的开发利用提供科学依据及对加工工艺提供技术参考，本项目对怀山药多糖的结构、生物活性、物化性质进行了系统的研究。项目执行期间，分离纯化出6组组分单一的多糖片段，DOP1-1、DOP1-2、DOP1-3、DOP2-1、DOP2-2和DOP2-3。利用多种先进检测技术，对DOP1-1、DOP1-2、DOP1-3、DOP2-1进行结构鉴定，推测DOP1-1含有三种连接方式：→4)-α-Glcp-(1→[→2)-β-Manp-(1→2)-α-Manp-(1→]n1→4)-α-Glcp-(1→, →4)-α-GalpA-(1→[→2)-β-Manp-(1→2)-α-Manp-(1→]n2→和[→2)-β-Manp-(1→2,3)-α-Manp-(1→]n3→4)-α-GalpA-(1→。DOP1-2中半乳糖醛酸的连接方式为→4)-α-GalpA(1→，由Manp、1,4-α-GalpA和1,4-Glcp构成。DOP1-3的半乳糖醛酸的连接方式为→4)-α-GalpA(1→，由1,4-α-GalpA、1,4-Glcp、1,3,4-Glcp和1,4Ara构成。DOP2-1的连接方式有T-α-Arbf、1,5-α-Arbf、1,4-α-D-Glcp、1,4-β-D-Galp、1,4-β-D-Manp和1,2-β-Rha。推测DOP2-1含2种支链结构，其中一种是主要由β-1,4连接的甘露糖和葡萄糖组成，鼠李糖和阿拉伯糖通过β-1,3,6甘露糖连接作为支链。另一种也是主要由β-1,4连接的甘露糖和葡萄糖构成，α-1,5连接的阿拉伯糖通过β-1,3,6甘露糖连接作为支链。其次对分离出的山药多糖进行抗炎、抗氧化、体外胃肠道消化及抗癌活性实验。发现怀山药多糖具有一定的抗炎、抗氧化活性。通过体外胃肠消化证实山药多糖多为膳食纤维类，不会引起肠胃的明显吸收及血糖上升。DOP2-1对肝癌细胞具有一定的抑制作用。项目继续研究了怀山药多糖的流变及乳化等功能特性，发现山药多糖呈非流体剪切变稀特性，不同浓度、温度、pH、盐效应、糖混合都会对其产生影响，其中钙离子对黏度的影响最大，可能是由于Ca2+与多糖中醛酸形成交联结构，加强多糖间的相互作用。山药多糖还具有一定的乳化作用，可以在高压均质的条件下，作为天然乳化剂。并总结其变化规律与多糖结构之间的关系，推测多糖结构与功能特性之间的关系。