魔芋葡甘聚糖拓撲鏈對茶多酚的穩定性機理研究

倪永升，林婉媚，李源釗，王林，王維海，張馨月，林玉春，杜雨，吳先輝，龐杰*

1(福建農林大學 食品科學學院，福建 福州，350002) 2(寧德職業技術學院，福建 福安，355000)

魔芋葡甘聚糖拓撲鏈對茶多酚的穩定性機理研究

倪永升1，林婉媚1，李源釗1，王林1，王維海1，張馨月1，林玉春1，杜雨1，吳先輝2*，龐杰1*

1(福建農林大學 食品科學學院，福建 福州，350002) 2(寧德職業技術學院，福建 福安，355000)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan, KGM)；茶多酚(tea polyphenols, TP)；直流電場；拓撲結構；抗氧化性

茶多酚(tea polyphenols, TP)是茶葉中一類主要的化學成分，由于其具有良好的生物學活性和多種藥理作用受到國內外有關科學家的重視[1-2]。但TP不穩定，對其活性進行保護成為目前研究的熱點[3-4]。關于TP活性保護的報道很多，目前主要采用簡單混合的方法將TP包埋起來[5]，該方法可在一定程度上保護TP的活性，但其保護程度較低，不可實現TP的有效緩慢釋放，大大減少了TP在人體中起到的有益作用[6-7]。拓撲作為一種典型的數學方法在分析分子鏈環方面己經具有重要應用。拓撲理論是近年來發展迅速的新研究領域，它可以解釋大分子物質是如何通過作用而引起分子鏈空間結構改變，并形成復雜網絡的，進而對其功能進行預測、調控。利用拓撲結構對TP活性進行保護仍然是一個難題。

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan, KGM)是由葡萄糖和甘露糖以β-1，4糖苷鍵連接起來的高分子雜多糖，是一種性能獨特、應用廣泛的天然高分子[8]。KGM在外加作用條件下可形成拓撲結構，有利于提高活性物質的穩定性。目前，國內外關于多糖拓撲結構的研究，僅發現了拓撲結構的存在而沒有深入分析其形成及穩定存在的原因，更沒有深入地探討拓撲結構的形成規律[9]。

本文嘗試運用現代分析手段和拓撲學分析相結合的方法，通過外加電場制備了KGM-TP復合凝膠，實現了KGM拓撲鏈對TP活性的保護，并對其形成機理進行了探究。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

魔芋精粉(葡甘聚糖含量為88%)，云南三艾有機魔芋發展有限公司；茶多酚(TP，純度為98%)，混合物，福州鑫偉誠有限公司；DPPH, 日本東京化成工業株式會社; KH2PO4、K2HPO4等均購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2KGM的制備

取10 g魔芋精粉，用含 0.1%疊氮鈉的體積分數為50%乙醇洗滌(50 mL×3)，自然晾干后用50 mLV(無水乙醚)∶V(無水乙醇)=2∶1在 40 ℃攪拌8 h脫脂，將脫脂樣品以去離子水配成6 g/L水溶膠，用超速冷凍離心機離心，轉速16 000 r/min，時間20 min。取上清液，加入適量淀粉酶于常溫下酶解，酶解完全后，酶解液以Sevage 法脫蛋白，重復5次，再次離心。取上層水相，加入相同體積的體積分數為95%的乙醇沉淀樣品，隨后分別用無水乙醇和乙醚處理以進一步除去乙醇溶劑，再經冷凍干燥后得到白色絮狀KGM，存放于冰箱。

1.3KGM-TP溶膠的制備

準確稱量TP 0.1 g，加入到一定量的去離子水中，超聲均勻分散，在350 r/min的轉速，45℃水浴加熱條件下緩慢加入1.0 g KGM，勻速攪拌1 h得KGM-TP溶膠。

1.4KGM-TP復合凝膠的制備

準確稱量TP 0.1 g，加入到一定量的去離子水中，超聲均勻分散，在350 r/min的轉速，45 ℃水浴加熱條件下緩慢加入1.0 g KGM，勻速攪拌1 h形成均勻KGM-TP溶膠，在溶膠內插入直流電極，20～50 V條件下處理40 min，形成KGM-TP復合凝膠。

1.5KGM-TP復合凝膠表征及性能測試

1.5.1 SEM測試

在JSM-5600LV掃描電子顯微鏡下觀察KGM粉末、KGM-TP溶膠、KGM-TP復合凝膠的表面形貌，最大加速電壓：15kV。

1.5.2 FTIR測試

采用KBr壓片，紅外光譜測定波數為4 000～400 nm，儀器分辨率0.5 nm，掃描次數為32/64。

1.5.3 TGA測試

設置溫度區間為25～600 ℃，氮氣氛圍，升溫速率為20 K/min，以溫度為橫坐標，重量為縱坐標得到圖像。

(1)

式中：ν空為KGM-TP復合凝膠抑制鄰苯三酚自氧化的速率；ν樣為空白管中以蒸餾水作對照抑制鄰苯三酚自氧化的速率。

1.5.5 DPPH·清除力的測定

參照LOFFREDO等[14-15]的方法，用體積分數(下同)95%乙醇溶液配制濃度為0.2 mmol/L 的DPPH溶液。 取2 mL DPPH溶液于試管中，在暗室下避光反應30 min后在517 nm處測定吸光值 (As)。以95%乙醇溶液作為對照 (Ac) ，空白對照以95%乙醇溶液代替DPPH溶液 (Ab)。DPPH清除力按下式計算:

(2)

1.6理論分析

由于TP是混合物,以TP中含量較多的EGCG分子結構為代表，基于BURNS等拓撲學分析[16-18]，用折點和端點分別代表結構中的碳原子和氧原子，略去KGM分子基團中的—OH和C—H鍵，用直線表示碳氧和碳碳之間的作用力,運用拓撲結構圖把復雜的KGM轉變成了相對簡單的平面拓撲結構。

2 結果與分析

2.1直流電場下KGM-TP復合凝膠的形成

利用直流電處理KGM-TP的水溶膠，觀察到直流電處理初期正負電極上都產生氣泡，這是由于水電解產生H+和OH-，施加 20～50 V電壓，連續處理40 min，可以觀察到在正極上產生了白色凝膠。電處理裝置及凝膠見圖1。

a-處理初期兩電極上產生氣體；b-40 min后正極上產生白色凝膠圖1 直流電場下KGM-TP復合凝膠的制備Fig.1 Preparation of KGM-TP composite gel under DC electric field

2.2SEM分析

圖2(a)為KGM粉末的掃描電鏡,由圖2(a)可以看出，KGM在粉末狀態下，外表呈現規則的微纖維狀，并在緊密排布的直鏈之間有很短的支鏈，微纖維之間相互膠著，這可能是KGM分子之間形成了氫鍵，而該鍵對KGM的緊密排布的微纖維鏈狀結構起到了至關重要的穩定作用。從微纖維的尺寸知，此時觀察到的并非單個的分子鏈，而是形成了伸直鏈的許多連接鏈的聚集體。

圖2(b)和圖2(c)為直流電處理前KGM-TP溶膠不同放大倍數的掃描電鏡，由圖2(c)可知，KGM長分子鏈仍然存在，而原有的規則的微纖維狀結構消失，呈現出雜亂無章的絮狀結構。這可能是由于KGM分子與水分子相互作用，形成了大量的分子間氫鍵，水分子束縛并充滿KGM分子鏈之間。冷凍干燥處理時，水分子快速升華脫離KGM分子鏈，留下水分子逃逸的通道，從而呈現空洞結構。

圖2 粉末KGM(a)和KGM-TP溶膠(b.c)掃描電鏡圖Fig.2 SEM of KGM powder and KGM-TP sol

圖3為直流電處理后KGM-TP復合凝膠掃描電鏡圖，從圖3可以看出，在直流電處理的條件下，KGM-TP復合凝膠凍干后成了環狀的拓撲結構，這可能是KGM分子鏈在直流電場的作用下進一步發生穿孔聚合，形成拓撲鏈將TP分子包裹其中。另外還可以看到凍干后的掃描電鏡呈現均勻的支架結構，電處理未使KGM鏈的糖苷鍵發生斷裂，其余部分存在著細的條帶和大小不均勻的孔洞，這可能是電極上電場強度分布不均勻所致。

圖3 KGM-TP復合凝膠掃描電鏡圖Fig.3 SEM of KGM-TP composite gel

2.3FTIR分析

紅外光譜是一種研究聚合物間氫鍵相互作用的強有力工具，氫鍵作用使吸收峰移向低波數，頻率(或波數)相對變化越大，氫鍵相互作用越強[19-20]。圖4為KGM-TP溶膠、KGM-TP復合凝膠的紅外光譜圖。

圖4 KGM-TP溶膠、復合凝膠的紅外光譜圖Fig.4 FTIR of KGM-TP sol and KGM-TP composite gel

3 435 cm-1處顯示強大的峰，為—OH的吸收峰，而KGM-TP復合凝膠在此處的吸收峰強度減弱，且略向低峰方向移動，表明KGM-TP復合凝膠中有更多氫鍵的形成，導致—OH吸收峰強度降低。同時KGM-TP復合凝膠在2 928 cm-1出現了吸收峰，這正是甲基中C—H的吸收峰，印證了復合凝膠KGM分子之間拓撲鏈的形成，與電鏡測定結果相一致。

2．4TGA分析

如圖5所示，KGM-TP溶膠、KGM-TP復合凝膠都出現了2個主要的熱躍遷峰，其中第1個為起始變性溫度峰，發生在200 ℃左右，第2個為變性溫度峰，發生在300 ℃左右。KGM-TP復合凝膠的吸熱峰尖而窄，而KGM-TP溶膠吸熱峰平而寬，說明前者較后者更穩定。對于熱焓值(ΔH)而言，KGM-TP復合凝膠熱焓值大于KGM-TP溶膠熱焓值，這說明KGM-TP復合凝膠可提高TP的熱穩定性。

圖5 KGM-TP溶膠、復合凝膠的熱重分析Fig.5 TGA of KGM-TP Sol, KGM-TP Composite gel

圖6 不同濃度下清除力(a)、DPPH·清除力(b)的測定Fig.6 · scavenging ability and DPPH· scavenging ability at different concentration

2.6理論分析

基于電鏡、紅外及對KGM-TP復合凝膠抗氧化性能的測試，結合拓撲學分析方法，推測KGM-TP復合凝膠結構網絡，KGM-TP復合凝膠拓撲結合方式分別見圖7，圖8。

圖7 KGM-TP復合凝膠結構網絡圖Fig.7 The probable network structure of KGM-TP Composite gel

圖8 KGM-TP復合凝膠拓撲結合方式示意圖Fig.8 Schematic diagram of topological mode of KGM-TP composite gel

如圖7所示，在外加直流電場的條件下，KGM分子內、分子間以氫鍵為主要作用力，主鏈相互連接形成了環狀拓撲結構，側鏈各—OH之間互相連接，使環狀拓撲結構更加牢固，這與電鏡觀察到的結果相一致。TP分子表面—OH眾多，在KGM拓撲鏈存在的情況下，與其表面—OH以氫鍵作用力的方式緊密結合，從而減少外界條件對其表面—OH的破壞，達到保護活性的目的，這與紅外結果相一致(圖8)。當KGM-TP復合凝膠溶于水溶液中時，在水分子作用下KGM與TP氫鍵打開，完成TP的高效釋放，這與KGM-TP復合凝膠氧化性能測試結果相一致。

3 討論

在直流電場的作用下KGM-TP溶膠穿孔聚合，形成KGM-TP復合凝膠，以KGM-TP溶膠做對照，用SEM測試了KGM-TP復合凝膠的微結構，在不同的放大倍數下均可觀察到KGM分子鏈構成的環狀拓撲結構；然后用FTIR檢測到KGM分子內，分子間及KGM和TP分子之間均以氫鍵為主要作用力并且KGM-TP復合凝膠的熱性能明顯提高；最后通過對KGM-TP復合凝膠抗氧化性能測試及基于拓撲學的理論分析，推測的KGM拓撲鏈與TP分子最可能的結合方式。本研究一定程度上解決了TP不穩定的難題，大大提升了TP的應用領域，為今后將KGM拓撲鏈用于對各種敏感活性成分的保護奠定了基礎。

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Themechanismofkonjacglucomannanonthestabilityoftopologicalchainandteapolyphenols

NI Yong-sheng1, LIN Wan-mei1, LI Yuan-zhao1, WANG Lin1, WANG Wei-hai1, ZHANG Xin-yue1, LIN Yu-chun1, DU Yu1, WU Xian-hui2*, PANG Jie1*

1(College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China) 2(Ningde Vocational and Technical College, Fuan 355000, China)

The konjac glucomannan (KGM) composite gel was prepared by direct current in order to solve the problem of unstable and easy oxidation of tea polyphenols(TP). According to the research, KGM topological chain can protect TP under the action of electric field force. The research was focused on both microstructure and thermal stability of KGM-TP Gel, KGM-TP sol was the control. The degree of protection and release of KGM-TP gel for TP is also studied in the same way. The experiment analyzed the force of maintaining the stability of TP as well as revealed the possible mechanism of stabilization. The results showed that KGM chain forms the cyclic topology through intramolecular and intermolecular hydrogen bonds under the action of external electric field. KGM chain protected the TP molecules in the form of hydrogen bonding force. KGM-TP Gel has stronger O2-scavenging power and DPPH scavenging power compared with KGM-TP sol under the same condition. The KGM topology chain can not only protect TP but also can improve the release of TP.

konjac glucomannan(KGM); tea polyphenols(TP); DC electric field; topology; antioxidant properties

碩士研究生(龐杰博士和吳先輝教授為通訊作者，E-mail：pang3721941@163.com；E-mail：1141091857@qq.com)。

國家自然科學基金(31471704，31772045);福建省自然科學基金(2017J01155)

2017-02-03，改回日期：2017-05-31

10.13995/j.cnki.11-1802/ts.013969