罗望子多糖溶液中分子构象的变化及物理胶凝机理研究

The polysaccharide from tamarind seed is a kind of natural food additive with excellent physical features. Its research and application has increasingly become a focus in food hydrocolloids, however, so far the molecular mechanism of excellent features of tamarind seed polysaccharide is unclear, to a great extent, so that the research and development of polysaccharide is restricted in the application. Based on the primary structure analysis of tamarind seed polysaccharide, the molecular characteristic parameters of polysaccharide are characterized using light scattering and other modern instrumental technologies, and conformation changes of tamarind seed polysaccharide in different concentration solutions are investigated by computer molecular simulation, then molecular aggregation of polysaccharide is analyzed. Based on the aggregation behavior of polysaccharide molecules in solution, the mechanism of unique rheological behavior of tamarind seed polysaccharide is clarified by the phenomenological molecular aggregation model and using the rheometer and light scattering instrument analysis. The different groups of water molecules, their distribution and migration change in the gel system of tamarind seed polysaccharide are characterized by low field nuclear magnetic resonance instrument analysis, combined with "diffusion exchange model" to explore the dynamics of water molecules, and to clarify the gelation mechanism of polysaccharide molecules. The mechanism of excellent physical functions of tamarind seed polysaccharide on the basis of the molecular level is investigated, and the study will lay a theoretical foundation for polysaccharide resources in food application.

罗望子多糖是一种具有优良物理功能特性的天然食品添加剂，其研究与应用日益成为多糖食品胶体研究的重点，然而迄今为止对罗望子多糖产生优良功能特性的分子机制尚不清楚，在很大程度上限制了多糖在其应用领域的研究与开发。本项目在罗望子多糖一级结构研究的基础上，采用激光光散射等现代仪器分析技术对多糖的分子特征参数进行表征，通过计算机分子模拟等多种手段研究罗望子多糖在不同浓度溶液中构象变化，研究多糖在溶液中分子聚集行为。基于分子聚集，利用流变仪和光散射等仪器分析，采用唯象分子聚集模型，以分子聚集平衡移动为基础阐明罗望子多糖溶液独特的流变学行为机理。通过低场核磁共振等仪器分析，表征罗望子多糖凝胶体系中不同水分子群及水分子的分布和迁移变化，结合“扩散交换模型”探讨水分子的动态学，阐明多糖分子的胶凝机理。项目从分子水平上研究多糖优良物理功能特性的机制，为罗望子多糖资源在食品中的应用奠定理论基础。

目前，罗望子多糖研究仍停留在宏观概念上，缺少对其独特物化与功能特性的分子水平研究。本项目基于分子聚集行为对多糖独特的分子特性、溶液构象变化、流变行为与凝胶特性进行重点研究。部分去Gal化下，罗望子多糖主要溶液行为，即一级聚集体倾向于动态转变成二级超分子聚集体或更高水平聚集形式。微观形态上，多糖可通过部分去Gal化诱导的疏水互作在更大范围内聚集缔合。聚集效应对多糖的溶液黏性行为（[η]↓、K'↓、c*[η]↓和ηsp依赖性↓）、大分子特性（Mw↓↓、[η]w↓、ρ↑和c*↑）、无定形态-晶态相变以及热稳定性（Tm↑、Tp↑和ΔH↑）等也有不可忽视的影响。毛细管黏性行为中，稀溶液区存在相对有序半柔性卷曲（b→1），几乎无物理缠结（K′+K″ ≈ 0.5，0 <b <1.4），而部分去Gal化可增强非溶剂化糖链间的分子互作（Vs↓），导致收缩性变大、柔性变小（ν→ >2.5）。热力学上，分子聚集行为可诱导形成疏水微域（∆HΘ agg & ∆SΘ agg >0）并使其稳定（∆GΘ agg <0），其中，溶质-溶质互作占主导（∆H* agg <0，Tcp↓）。大分子行为中，部分去Gal化的半柔性卷曲一级聚集体倾向于更大刚性（α↑，β↑，γ↑），而链刚性（Lp↓，ML↓，Lp/ML↑，d↓）减小，表现出更强和更大尺度疏水聚集，伴随有更多紧凑结构的非对称延伸。显然，这与罗望子多糖的高支化半乳木葡聚糖一级精细结构密切相关，即主要通过XXXG、XLXG、XXLG和XLLG结构寡糖基序组成，其类型与比例受部分去Gal化影响。由此，本项目对该聚集行为提出了一种潜在机制。另外，稳态低剪切行为中，多糖由牛顿流体向剪切稀化转变，且低剪切黏度增大。动态扫描中，部分去Gal化诱导的疏水聚集可促使多糖在低频区或全域呈现弹性行为。随温度升高，多糖溶液可逐渐形成凝胶或在全过程表现为胶凝特性。经LF-NMR分析，部分去Gal化可增强糖链疏水互作，减小被糖链网络束缚的水分子自由度，从而导致自由水向结合水迁移。最终，基于疏水聚集行为解析了罗望子多糖温敏型胶凝机理。深入研究多糖分子聚集行为，以此解析其独特的物化与功能特性，对在多领域增值利用罗望子多糖资源具有非常重要的科学意义。