基于原子力顯微圖像和流變學特性的大豆種皮多糖構象分析

張紅運 楊立娜 朱丹實 劉 賀*

（1 渤海大學食品科學技術學院 國家和地方新鮮農產品和水產品存儲加工和安全控制技術聯合工程研究中心遼寧錦州121013 2 上海理工大學醫學儀器與食品工程學院 上海食品微生物工程研究中心 上海200093）

大豆種皮多糖（Soybean hull polysaccharide，SHP）是從大豆種皮中提取純化的一種酸性多糖，前期試驗表明其主要由半乳糖醛酸組成，包含少量鼠李糖、巖藻糖、甘露糖、葡萄糖和半乳糖，其重均分子質量304 638 u，數均分子質量170 795 u。大豆種皮多糖的紅外光譜除有一般糖的吸收峰外，在1 743 cm-1和1 614 cm-1處顯示有糖醛酸羧基及其羧酸鹽的吸收峰，并且剛果紅試驗表明該多糖在鹽溶液中存在螺旋構象。

多糖的生物活性除受多糖鏈的溶解性、化學組成、分子質量等理化特征影響外，還受糖鏈構象的影響[1-3]。多糖鏈的構象主要與鏈結構、分子內和分子間作用力以及溶劑有關。多糖分子的作用力主要包括氫鍵、偶極相互作用、疏水力和靜電力等非共價作用力[4]。外界條件（如熱處理、超聲波、pH值的變化、金屬離子和溶劑）的改變也會引起多糖在溶液中構象改變[5]。了解多糖的構象可以更好地闡明其結構與功能的關系。

由于多糖的相對分子質量大，結構復雜，自身常存在結構缺陷，無法得到良好的晶形，因此難以開展對其二維結構的研究。原子力顯微鏡（Atomic force microscopy，AFM）是近十幾年在掃描隧道顯微鏡基礎上發展起來的研究生物大分子形態和構象的物質結構分析儀器。生物大分子在其生理環境下直接成像，可觀察分子構象的變化并提供生物大分子納米及亞微米級的三維結構信息，被廣泛用于研究多糖等生物大分子的表面形貌或結構[6-7]。莫開菊等[8]利用原子力顯微鏡發現葛仙米多糖存在柔性和剛性2種形態的支鏈，并存在單螺旋構象。為了得到清晰、穩定的AFM 圖像，一般設置AFM 針尖作用力3～4 nN，從而確保糖鏈的完整形態不被破壞[9]。

多糖溶液可通過分子間非共價鍵，如氫鍵、疏水作用、靜電作用、范德華力和離子鍵形成網絡交聯的凝膠結構。流變學作為研究物質流動和形變的科學，不僅能直接反映物質的宏觀力學性質，而且能提供流體黏彈性等豐富的微觀結構變化信息[10]。楊慧嬌等[11]采用凝膠滲透色譜和流變儀發現水溶性大豆多糖在水溶液中呈緊密的無規則線團構象，具有很低的本征黏度并表現出很強的剪切變稀行為。

本文研究分為2 部分：第1 部分，采用AFM觀察不同質量濃度和離子強度的大豆種皮多糖在水溶液-云母片表面的微觀形貌，獲得更多該多糖的分子結構特征信息。第2 部分是通過流變學數據研究SHP 在不同環境條件下力學性質的變化。本研究可為深入探究SHP 分子結構與生物活性關系提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

大豆種皮，購自錦州大豆皮經銷公司；DEAE瓊脂糖凝膠FF、葡聚糖凝膠G100，華邁科公司；透析袋（截留分子質量7 000 u），美國3M 公司；其它試劑均為分析純級。

XE-70 型原子力顯微鏡，韓國Park Systems公司；DHR-1 流變儀，美國TA 公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 大豆種皮多糖的制備與純化 大豆種皮經草酸銨提取，乙醇沉淀，熱風干燥得到粗多糖。粗多糖再經DEAE 瓊脂糖凝膠FF 離子交換層析和葡聚糖凝膠G100 層析，透析，真空冷凍干燥制得純多糖，經高效液相色譜鑒定為單一對稱峰，確定為均一組分。

1.2.2 AFM 分析用多糖溶液的制備 準確稱取10 mg 大豆種皮多糖，溶解在10 mL 超純水中，配制成1 mg/mL 的多糖溶液。在磁力攪拌器上攪拌12 h，使其充分溶解。用超純水稀釋成0.01，1，5 μg/mL 的多糖溶液，在85 ℃加熱10 min，0.45 μm濾膜過濾。

采用相同的制備方法制備終濃度為0.5 mol/L的多糖KCl 溶液，進行大豆種皮多糖的AFM 圖像測定。

1.2.3 AFM 樣本的制備及參數設置 用移液器吸取5 μL SHP 溶液滴加在新切割的云母片表面，在培養皿中自然干燥，待樣片干燥后即可進行AFM 測量。

AFM 參數設置：掃描范圍1.000 μm×l.000 μm，掃描頻率1.001 Hz，針尖為硅，濕度45%～60%，微懸臂長235 μm，彈性參數98 N/m。

1.2.4 穩態流變分析 采用DHR-1 流變儀檢測質量濃度為5，10，15，20，25，30 mg/mL SHP 溶液的流變特性。分別取1.5 mL 乳狀液，采用40 mm平行板夾具，狹縫距離設置為0.5 mm，剪切速率0～100 s-1，于25 ℃條件下檢測。

采用相同的程序，測定終濃度分別為0，0.2，0.4，0.6，0.8，1 mol/L KCl 的5 mg/mL SHP 溶液的流變特性。

1.3 數據統計分析

采用Park Systems XE-70 型原子力顯微鏡自帶軟件處理AFM 圖，并通過Origin 8.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 大豆種皮多糖在水溶液中的AFM 圖像

采用液滴沉積技術將多糖溶液滴加于云母片表面，并通過AFM 觀察獲得多糖鏈的結構信息。然而，由于云母片對多糖的親和力較差，導致多糖在云母片表面排列的異質性（圖1）。AFM 圖像顯示多糖鏈在某些區域的外圍呈分散的網狀結構；而在區域中心，由于多糖鏈分散性差導致其呈嚴重的重疊核狀體結構。Balnois等[12]的研究發現琥珀聚糖的AFM 圖像也反映出相同的現象，在制片干燥過程中琥珀聚糖的流失會導致其結構呈密度分布不均的柔性單鏈及重疊區剛性鏈現象。因此，可通過加熱分散樣品或MgCl2孵育云母片的方法消除樣品及云母片表面靜電斥力的干擾，避免樣品在云母片表面重疊聚集。

圖1 大豆種皮多糖（5 μg/mL）AFM 圖像Fig.1 AFM image of SHP at a mass concentration of 5 μg/mL

AFM 圖像所示多糖分子的密度取決于其初始質量濃度及其沉積到云母片表面的多糖分子的量。將不同質量濃度的大豆種皮多糖樣品分別用AFM 成像觀察，可得到云母片表面多糖分子的不同形貌信息。

2.1.1 5 μg/mL 大豆種皮多糖的AFM 圖像 圖2為5 μg/mL 大豆種皮多糖的平面圖和相對應的三維立體圖像。如圖所示，當質量濃度為5 μg/mL時，SHP 在云母片表面呈密集的條帶狀結構，鏈條的高度為0.997～8.213 nm。在立體圖（圖2b）上可清楚地觀察到粗細2種不同形態的多糖鏈結構，并且其具有不同的高度值。圖2b 中細鏈條呈無規則蠕蟲狀彎曲結構，具有一定的柔韌性，其高度為0.597～2.328 nm。通常來說，多糖分子的單鏈高度一般為0.1～1.0 nm，因此推測圖2 中細鏈條是由單條鏈或多條鏈通過分子間氫鍵互相纏結或通過鏈間締合形成的緊密螺旋體結構。由于多糖質量濃度大，羥基數目多，使得分子間氫鍵締合作用增強，多糖鏈間聚合堆積而形成點狀或棒狀結構，從而能在AFM 圖像上觀察到高度接近8 nm 的多糖鏈聚集體。Balnois等[12]發現陰離子細菌多糖——琥珀酰聚糖（10 μg/mL）在云母片上也呈鏈條狀的表面結構，并且直徑在563～770 nm 范圍內，高度在0.32～0.64 nm 之間。

圖2 大豆種皮多糖（5 μg/mL）AFM 圖像Fig.2 AFM images of SHP at a mass concentration of 5 μg/mL

2.1.2 1 μg/mL 大豆種皮多糖的AFM 圖像 隨著質量濃度降低，大豆種皮多糖的形貌發生了變化。如圖3所示，多糖質量濃度為1 μg/mL 時，由于糖鏈密度降低，聚集體逐漸打開呈分散的交叉粘連的網狀結構，表面高度為1.348～3.948 nm，交聯圓環直徑大小不等，如47，58，86，337 nm等，推測其為具有多分支的多糖結構。

圖3 大豆種皮多糖（1 μg/mL）AFM 圖像Fig.3 AFM images of SHP at a mass concentration of 1 μg/mL

在多糖質量濃度較低的條件下，多糖分子之間仍然發生了交聯。這是由于柔性多糖分子具有更復雜的結構，通常含有支鏈和非碳取代基團，導致它們之間可通過糖鏈上的陰離子與陽離子相互作用，分子內和分子間的氫鍵或者范德華力相互作用產生交聯[13-14]，并且云母片表面對多糖的斥力也對其形貌有一定影響。因此，柔性多糖分子在水溶液中很容易發生鏈間交聯[15]。

2.1.3 0.01 μg/mL 大豆種皮多糖的AFM 圖像 當多糖質量濃度為0.01 μg/mL 時，聚集體逐漸分散成細鏈條狀結構。在AFM 圖中，由于針尖的尺寸偏大容易導致“增寬效應”，使測定的寬度值偏大，所以糖鏈直徑通常以其鏈高度表示。通過取點統計，圖4a1 和4b1 的糖鏈高度為1～8 nm，并且集中分布在2～4 nm，表明該質量濃度的多糖溶液存在糖鏈間的螺旋構型。圖4a2 和4b2 存在一條圓圈狀、一條長鏈狀的多糖鏈。其中，圓圈狀多糖的周長約為5.168 μm，高約1.004 nm；長鏈多糖長2.41 μm，寬0.597 nm，高為0.563 nm 或0.997 nm，邊緣與鏈中心高度的差異表明該結構是由2 條多糖鏈相關交聯形成的二聚體。事實上，在一些情況下，糖鏈可通過沿鏈條觀測到的高度差異（“柔性”部分：0.563 nm，“剛性”部分：0.997 nm；）判斷多糖鏈的剛性和柔性2種狀態。由于2 條鏈長度不存在數量級差別，具有一定的可信性，并且符合多糖單鏈直徑的理論值（0.1～1 nm），因此推測多糖鏈為雙鏈部分纏繞結構。

AFM 圖像中的二聚體可能是由于加熱處理的溫度達到了Tm 值以及干燥時的局部濃度增加導致糖鏈構象發生由線圈狀到螺旋狀的轉換，并導致鏈內或鏈間相互作用加強。類似的二聚體鏈高度的雙重性也表明其剛性鏈是由無序的柔性鏈構象過度而成的有序的螺旋結構。由此推斷，高濃度下，SHP 在水溶液中以聚集體的形式存在，隨著濃度降低，分子間距離增大，多糖以單鏈或雙鏈形式存在。

圖4 大豆種皮多糖（0.01 μg/mL）AFM 圖像Fig.4 AFM images of SHP at a mass concentration of 0.01 μg/mL

圖5 大豆種皮多糖（0.01 μg/mL）高度分布柱狀圖Fig.5 Histogram of the height distribution of SHP of 0.01 μg/mL

2.2 0.5 mol/L KCl 溶液中大豆種皮多糖的AFM 圖像

2.2.1 0.5 mol/L KCl 溶液中5 μg/mL 大豆種皮多糖的AFM 圖像 在0.5 mol/L KCl 溶液中，多糖大分子在云母片表面相互聚集形成凝膠網狀結構，高度在1.052～2.745 nm 范圍內。圖6a 中白色圓錐形結構為KCl 晶體。在質量濃度較高的鹽溶液中，多糖結構與以水作為分散劑的多糖結構顯著不同。以水作為分散劑時，即使未經過濾，多糖溶液也沒有觀察到凝膠形成。

當多糖溶液的質量濃度為5 μg/mL 時，單個分子的分子鏈及其多個側支鏈結構相互纏繞形成聚合物，鏈間通過糖單元間不同的連接方式衍生出許多環或帶有分支的側鏈結構，環的尺寸在45.61～367.94 nm 范圍內，從而直接證實多糖大分子具有高度分枝的化學結構。單鏈寬度為26.61～53.71 nm；高度為1.05～2.75 nm，大于單鏈分子的估算值，說明每股并非為單個糖鏈。

多糖分子鏈之間交聯成網狀結構的現象也曾被報道過，劉榮華等[16]將絞股藍多糖GPPⅢ-a（10 μg/mL）經45 ℃水浴加熱后于AFM 上觀察，發現聚合物鏈分子間互相纏繞，交聯形成許多大小不一的不規則環狀結構。

因為鹽的存在，AFM 尖端對云母片的作用力會降低，同時對多糖聚合物的相互作用也會產生一定的影響，因此在納米尺寸范圍的數據測量難以校準。綜上所述，AFM 數據僅由少數被測量的大分子數據組成，其存在比較大的標準偏差。

圖6 0.5 mol/L KCl 溶液中大豆種皮多糖（5 μg/mL）AFM 圖像Fig.6 AFM image of SHP at a mass concentration of 5 μg/mL in 0.5 mol/L KCl

2.2.2 0.5 mol/L KCl 溶液中不同質量濃度大豆種皮多糖的AFM 圖像 由圖7可知，隨著多糖質量濃度逐漸降低，多糖分子形貌出現顯著變化。多糖鏈從緊密排列的交聯網狀結構（圖7a1）逐漸分散成短棒狀結構（圖7a2）。KCl 誘導的多糖構象的凝膠化歸因于糖鏈交界區交聯的形成，K+與多糖中的半乳糖醛酸基團螯合，形成具有分支的網狀交聯[17]。

圖7a1可觀察到多糖鏈的緊密度增加，多個分子鏈及其側枝結構間以及分子內的纏繞和螺旋。研究表明多糖分子間存在螺旋（有序）和線圈（無序）間的可逆熱轉換，且螺旋結構在低溫和高離子強度下穩定。Morris等[17]研究發現，多糖分子間存在螺旋（有序）和線圈（無序）間的可逆熱轉換，且螺旋結構在低溫和高離子強度下穩定。圖7a2可明顯觀察到多糖卷曲螺旋的短棒狀構象。多糖質量濃度的降低導致鏈間距離增大，分子網狀交聯弱化，轉而形成少數分子間的緊密作用，短棒狀結構的產生說明高離子強度可導致自身無規則組裝。這可能是由于負電荷的靜電排斥，云母片和大豆種皮多糖中半乳糖醛酸側鏈基團壓倒其吸附力所致。由剛果紅試驗表明，多糖在不同溶劑條件下存在螺旋與解螺旋的構象轉變現象，對比水溶液的原子力采集的圖像，驗證了多糖存在自我螺旋以及緊密度增加的構象轉變現象。

圖7b2 中所顯示的盤繞股長為83.29～123.46 nm，寬為17.48～20.32 nm，高為0.84～1.348 nm，說明每股為單個糖鏈且產生自螺旋現象。由于紅外光譜3 300～3 400 cm-1處來源于締合氫鍵，考慮到該多糖化合物的糖醛酸含量比較高，因此認為1個糖鏈上的糖醛酸羧基或羧基負離子上的強電負性氧原子與另1 個糖鏈上的羥基氫易形成分子間氫鍵，最終形成糖鏈纏繞成股的情況，提示多糖在結構上可能存在類似蛋白質的自組裝現象。

圖7 0.5 mol/L KCl 溶液中大豆種皮多糖（5 μg/mL，0.01 μg/mL）AFM 圖像Fig.7 AFM image of SHP at a mass concentration of 5 μg/mL and 0.01 μg/mL in 0.5 mol/L KCl

2.3 流變學性質分析

2.3.1 不同質量濃度SHP 溶液的穩態流變 由圖8可知，隨著剪切速率的增加，體系黏度逐漸減小，表現出剪切稀化現象。剪切速率的增加會破壞SHP 形成的網狀結構，釋放出包裹的水分使黏度下降，當剪切速率增加到一定程度時，黏度逐漸趨于穩定。

利用牛頓冪律方程y=Kxn進行模型擬合，得到各自的K 值和n 值，結果見表1。式中：y——剪切應力，Pa；x——剪切速率，s-1；K——稠度系數，代表剪切速率為1 s-1時的液體黏度，mPa·sn；n——流動特性指數，其大小表示液體偏離牛頓流體的程度。當y 和x 為線性增長關系即n=1 時，該溶液為牛頓流體；當y 和x 為非線性增長關系時，溶液為非牛頓流體[18]。

表1 中所有樣品的決定系數R2≥0.99，說明冪律模型回歸具有很好的擬合度，流動特性指數（n）說明溶液屬于假塑性流體（n＜1）。隨著多糖質量濃度的增加，SHP 溶液黏度增大，稠度系數（K）顯著增大，流動特性指數（n）逐漸減小，即隨著SHP 濃度的增加，單位面積內的分子增多，導致溶液的流動性下降，并且假塑性流體行為越來越明顯。這是因為隨著SHP 質量濃度的增加，單位區域的多糖分子增多，糖鏈密度增大，分子間氫鍵以及范德華力增強，流動阻力增強，系統水分活度降低，從而表現出黏性增強。

2.3.2 添加不同濃度KCl 的SHP 溶液的穩態流變 由圖9可知，溶液表現出剪切稀化現象，且SHP 溶液的黏度隨著KCl 濃度的增加呈現先升高后降低的趨勢，0.6 mol/L KCl 處理下的SHP 溶液表現出最大的黏度。隨著KCl 濃度進一步提高，溶液的黏度呈現降低的趨勢，這是因為SHP是由中性糖及酸性糖組成，結構較為復雜，添加低濃度的KCl 溶液可以降低多糖鏈之間靜電斥力，形成一定數量的氫鍵，呈現出黏度升高的趨勢，而添加高濃度的KCl 溶液會對多糖分子產生靜電屏蔽作用，導致其自身溶脹度降低，分子間交聯度減小，分子間作用力減弱，從而降低了溶液體系的黏度。

圖8 剪切速率對不同濃度SHP 溶液黏度的影響Fig.8 Effects of shear rate on viscosity of SHP with different concentrations

圖9 剪切速率對添加不同濃度KCl 的SHP溶液黏度的影響Fig.9 Effects of shear rate on viscosity of SHP at different concentrations of KCl

表1 不同質量濃度SHP 下穩態流變的冪率方程擬合參數Table 1 Power law equation fitting parameters of different mass concentrations of SHP static rheological curve

表2 不同濃度KCl 的5% SHP 溶液穩態流變的冪率方程擬合參數Table 2 Power law equation fitting parameters of 5%SHP static rheological curve at different concentrations of KCl

利用牛頓冪律方程y=Kxn進行模型擬合，結果見表2。表2 中所有樣品的決定系數R2≥0.95，說明冪律模型回歸具有很好的擬合度。通過對比稠度系數（K）可以看出，未添加KCl 的5% SHP溶液K 值最大，添加KCl 的SHP 溶液K 值呈現先升高后降低的趨勢。其中，試驗組中添加0.6 mol/L KCl 的SHP 溶液K 值最大（K=0.32），流動特性指數（n）隨著KCl 的添加濃度的增加呈現逐漸減小的趨勢。綜合表2 信息發現，KCl 處理后的多糖呈現出稠度系數下降，流動指數降低，而表觀黏度和應力升高的現象，該現象說明KCl 的加入可能導致溶液體系逐漸從流體狀態轉變為弱凝膠狀態，這可能是由于KCl 的加入導致多糖分子糖鏈之間的疏水作用增強，交聯度增加，體系形成網狀結構狀態。該結果可以很好的印證原子力顯微鏡的觀測結果。

3 結論

大豆種皮多糖的AFM 成像因為受質量濃度及離子強度的影響，所以呈現不同的分子聚集行為的圖像。高質量濃度的SHP 溶液存在棒狀剛性鏈和蠕蟲狀柔性鏈2種構型，質量濃度的降低導致多糖分子間的作用力減弱，多糖分子間分散性增強，可由緊密堆積的條帶狀分子鏈結構逐漸打開轉變為交叉粘連的網狀結構及符合多糖單鏈直徑理論值的2 條單鏈局部纏繞的雙鏈結構。

離子強度對大豆種皮多糖的影響體現在多糖的螺旋緊密度上，大豆種皮多糖在云母片表面呈現伸展的柔性長鏈，而在0.5 mol/L KCl 溶液處理下相互聚集形成凝膠網狀結構，通過降低多糖質量濃度，溶液進一步分散呈現螺旋剛性短棒狀結構，說明KCl 鹽溶液可以穩定多糖的螺旋構象。

Morris等[17]利用原子力顯微鏡得到的酸誘導的纖維結構和鈣誘導的果膠凝膠結構的試驗結果與本試驗結果相似。研究發現果膠中的半乳糖醛酸基團與鈣交聯，起到粘性補丁的作用。本試驗的SHP 富含半乳糖醛酸，受pH 和K+影響顯著，通過影響分子間氫鍵互相纏結或鏈間締合形成緊密的螺旋體纖維狀結構或通過K+與多糖中的半乳糖醛酸基團螯合，形成具有分支的網狀交聯。

流變學研究結果表明，SHP 溶液屬于假塑性流體，其黏度隨質量濃度的增加呈現上升趨勢。KCl 的加入降低了SHP 稠度系數及流動指數，增加了其表觀黏度和應力值，溶液體系呈現弱凝膠狀態，該結果驗證了原子力顯微鏡的觀測結果。