魔芋葡甘聚糖/可得然胶聚合物成膜过程中分子自组装研究

The natural macromolecular polysaccharide-polysaccharides blends are subjected to the phase transformation from the sol to the film process, the self-assembly of the polysaccharide and its mode change is important for understant of the structure and physicochemical properties of films. the research project intends to use the neutral polysaccharide konjac glucomannan and neutral polysaccharide curdlan as the materials, polysaccharide-polysaccharides self-assembly are analyzed by electron microscopy, rheology, and molecular dynamics (MD) in the film forming process. The contents includes using the atomic force microscopy (AFM) and environmental scanning electron microscope (ESEM) to obtain image and data, analyze the polysaccharide molecular height, width, length, etc., single molecule force spectroscopy, molecular aggregates, film growth mode;the rheological behavior of complex dispersion is measured by the rheometer, the results reveal changes in the conformation of the polysaccharide molecule, the state of motion of the segment, and the polysaccharide macromolecular network structure. The application of molecular simulation methods reveal the polysaccharide-polysaccharides interaction from the molecular level. The analysis the polysaccharide-polysaccharides self-assembly in the film-forming process provide a theoretical basis for edible films prepared by naturally neutral polysaccharides.

天然高分子多糖/多糖复合物在溶胶至膜的相变过程中，多糖分子自组装及其分子组装模式的转变对膜结构和理化性质理解有重要理论意义。 本项目拟用中性多糖魔芋葡甘聚糖和中性多糖可得然胶为基材，通过对多糖基复合成膜过程中，多糖复合物电子显微图像、多糖动态流变性和多糖分子动力学模拟来解析多糖/多糖分子自组装。内容包括：通过原子力显微镜（AFM）和环境扫描电子显微镜（ESEM）获取图像和数据，分析多糖分子高度、宽度、长度等、单分子力谱、分子聚集以及薄膜生长方式；运用流变仪测定复合物分散体系的动态流变性，揭示多糖分子的构象、链段运动状态和分子网状结构的变化信息；利用分子模拟方法从分子水平上揭示多糖/多糖相互作用原理。揭示中性多糖/多糖分子复合自组装成膜，为天然中性多糖共混膜结构和理化性质的理解提供理论依据。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan, KGM)是一种天然植物多糖，具有凝胶、增稠和成膜等特性，被广泛应用于食品中。可得然胶(Curdlan)是一种微生物胞外多糖，具有特殊的流变特性而应用于食品中。本项目以魔芋葡甘聚糖（KGM）和可得然胶（Curdlan）为基材，研究两种多糖分子自组装成膜过程。通过分子形貌、分子模拟、成膜溶胶流变特性、成膜过程分析以及膜结构表征，分析两种多糖分子自组装成膜机理，为KGM/Curdlan共混膜应用提供理论基础。本研究得到以下结果：.1、KGM分子量为8万 g/mol，在水中呈柔性伸展的线性形貌。在0.1-1.0%浓度范围内，KGM溶胶表现为剪切变稀的特性,其剪切粘度与剪切速率满足Cross方程；在浓度为0.5-1.0%范围内，KGM溶胶的表观粘度与温度满足Arrhenius方程。动态频率扫描表明，在低频率区域，KGM溶胶以粘性为主；在高频率区域，以弹性为主。Curdlan在氢氧化钠溶液中的粘均分子量为110万 g/mol。Curdlan三螺旋链聚集体在40度逐渐水合吸涨，在50度时聚集态的Curdlan三螺旋链之间的距离加大；在60-70度，Curdlan三螺旋链之间的距离进一步加大，并释放出三螺旋链，并开始解聚；在80-90度，Curdlan三螺旋解聚成单螺旋链。浊度、粘度和流变学测试进一步验证了Curdlan随加热温度升高而发生的分子结构的变化。 .2、魔芋葡甘聚糖与可得然胶在90度共混，其溶胶剪切力协同指数由1.43提高到1.97，表明两种多糖分子共混具有协同增黏作用。混合溶胶放热焓△Hmix小于可得然胶放热焓△Hsum，表明在降温过程中KGM分子链阻碍了Curdlan分子凝聚行为。AFM和TEM显微镜观察结果表明，KGM与Curdlan分子间可形成互穿网状结构。.3、通过扫描电镜、X-ray衍射以及红外光谱观察KGM/Curdlan成膜过程，结果表明膜溶液在干燥成膜过程中，共混溶液无相分离，共混改变了KGM和Curdlan原有的晶体结构，分子间发生氢键相互作用。.4、通过分子动力学模拟，发现KGM和Curdlan在混合过程中存在氢键相互并组装成稳定结构，原子力显微镜和透射电镜观察验证了上述结果。当两种多糖共混后，Curdlan和KGM之间发生相互作用，形成结构均匀稳定的KGM-Curdlan水溶胶。