魔芋葡甘聚糖拓?fù)滏湆?duì)茶多酚的穩(wěn)定性機(jī)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(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州，350002) 2(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福安，355000)

魔芋葡甘聚糖拓?fù)滏湆?duì)茶多酚的穩(wěn)定性機(jī)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(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，福建 福州，350002) 2(寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǎng)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；抗氧化性

茶多酚(tea polyphenols, TP)是茶葉中一類主要的化學(xué)成分，由于其具有良好的生物學(xué)活性和多種藥理作用受到國內(nèi)外有關(guān)科學(xué)家的重視[1-2]。但TP不穩(wěn)定，對(duì)其活性進(jìn)行保護(hù)成為目前研究的熱點(diǎn)[3-4]。關(guān)于TP活性保護(hù)的報(bào)道很多，目前主要采用簡(jiǎn)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(hù)TP的活性，但其保護(hù)程度較低，不可實(shí)現(xiàn)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?fù)渥鳛橐环N典型的數(shù)學(xué)方法在分析分子鏈環(huán)方面己經(jīng)具有重要應(yīng)用。拓?fù)淅碚撌墙陙戆l(fā)展迅速的新研究領(lǐng)域，它可以解釋大分子物質(zhì)是如何通過作用而引起分子鏈空間結(jié)構(gòu)改變，并形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的，進(jìn)而對(duì)其功能進(jìn)行預(yù)測(cè)、調(diào)控。利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)TP活性進(jìn)行保護(hù)仍然是一個(gè)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(dú)特、應(yīng)用廣泛的天然高分子[8]。KGM在外加作用條件下可形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有利于提高活性物質(zhì)的穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)外關(guān)于多糖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，僅發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的存在而沒有深入分析其形成及穩(wěn)定存在的原因，更沒有深入地探討拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成規(guī)律[9]。

本文嘗試運(yùn)用現(xiàn)代分析手段和拓?fù)鋵W(xué)分析相結(jié)合的方法，通過外加電場(chǎng)制備了KGM-TP復(fù)合凝膠，實(shí)現(xiàn)了KGM拓?fù)滏湆?duì)TP活性的保護(hù)，并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)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(jī)魔芋發(fā)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(yè)株式會(huì)社; KH2PO4、K2HPO4等均購自國藥集團(tuán)化學(xué)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?jǐn)?shù)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(jī)離心，轉(zhuǎn)速16 000 r/min，時(shí)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(fù)5次，再次離心。取上層水相，加入相同體積的體積分?jǐn)?shù)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(jìn)一步除去乙醇溶劑，再經(jīng)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(fù)合凝膠的制備

準(zhǔn)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(zhuǎn)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(nèi)插入直流電極，20～50 V條件下處理40 min，形成KGM-TP復(fù)合凝膠。

1.5KGM-TP復(fù)合凝膠表征及性能測(cè)試

1.5.1 SEM測(cè)試

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

1.5.2 FTIR測(cè)試

采用KBr壓片，紅外光譜測(cè)定波數(shù)為4 000～400 nm，儀器分辨率0.5 nm，掃描次數(shù)為32/64。

1.5.3 TGA測(cè)試

設(shè)置溫度區(qū)間為25～600 ℃，氮?dú)夥諊郎厮俾蕿?0 K/min，以溫度為橫坐標(biāo)，重量為縱坐標(biāo)得到圖像。

(1)

式中：ν空為KGM-TP復(fù)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(duì)照抑制鄰苯三酚自氧化的速率。

1.5.5 DPPH·清除力的測(cè)定

參照LOFFREDO等[14-15]的方法，用體積分?jǐn)?shù)(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(yīng)30 min后在517 nm處測(cè)定吸光值 (As)。以95%乙醇溶液作為對(duì)照 (Ac) ，空白對(duì)照以95%乙醇溶液代替DPPH溶液 (Ab)。DPPH清除力按下式計(jì)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(jié)構(gòu)為代表，基于BURNS等拓?fù)鋵W(xué)分析[16-18]，用折點(diǎn)和端點(diǎn)分別代表結(jié)構(gòu)中的碳原子和氧原子，略去KGM分子基團(tuán)中的—OH和C—H鍵，用直線表示碳氧和碳碳之間的作用力,運(yùn)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖把復(fù)雜的KGM轉(zhuǎn)變成了相對(duì)簡(jiǎn)單的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1直流電場(chǎng)下KGM-TP復(fù)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(fù)電極上都產(chǎn)生氣泡，這是由于水電解產(chǎn)生H+和OH-，施加 20～50 V電壓，連續(xù)處理40 min，可以觀察到在正極上產(chǎn)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(chǎn)生氣體；b-40 min后正極上產(chǎn)生白色凝膠圖1 直流電場(chǎng)下KGM-TP復(fù)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(tài)下，外表呈現(xiàn)規(guī)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(duì)KGM的緊密排布的微纖維鏈狀結(jié)構(gòu)起到了至關(guān)重要的穩(wěn)定作用。從微纖維的尺寸知，此時(shí)觀察到的并非單個(gè)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(shù)的掃描電鏡，由圖2(c)可知，KGM長(zhǎng)分子鏈仍然存在，而原有的規(guī)則的微纖維狀結(jié)構(gòu)消失，呈現(xiàn)出雜亂無章的絮狀結(jié)構(gòu)。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(shí)，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(xiàn)空洞結(jié)構(gòu)。

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(fù)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(fù)合凝膠凍干后成了環(huán)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這可能是KGM分子鏈在直流電場(chǎng)的作用下進(jìn)一步發(fā)生穿孔聚合，形成拓?fù)滏湆P分子包裹其中。另外還可以看到凍干后的掃描電鏡呈現(xiàn)均勻的支架結(jié)構(gòu)，電處理未使KGM鏈的糖苷鍵發(fā)生斷裂，其余部分存在著細(xì)的條帶和大小不均勻的孔洞，這可能是電極上電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻所致。

圖3 KGM-TP復(fù)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(qiáng)有力工具，氫鍵作用使吸收峰移向低波數(shù)，頻率(或波數(shù))相對(duì)變化越大，氫鍵相互作用越強(qiáng)[19-20]。圖4為KGM-TP溶膠、KGM-TP復(fù)合凝膠的紅外光譜圖。

圖4 KGM-TP溶膠、復(fù)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(qiáng)大的峰，為—OH的吸收峰，而KGM-TP復(fù)合凝膠在此處的吸收峰強(qiáng)度減弱，且略向低峰方向移動(dòng)，表明KGM-TP復(fù)合凝膠中有更多氫鍵的形成，導(dǎo)致—OH吸收峰強(qiáng)度降低。同時(shí)KGM-TP復(fù)合凝膠在2 928 cm-1出現(xiàn)了吸收峰，這正是甲基中C—H的吸收峰，印證了復(fù)合凝膠KGM分子之間拓?fù)滏湹男纬桑c電鏡測(cè)定結(jié)果相一致。

2．4TGA分析

如圖5所示，KGM-TP溶膠、KGM-TP復(fù)合凝膠都出現(xiàn)了2個(gè)主要的熱躍遷峰，其中第1個(gè)為起始變性溫度峰，發(fā)生在200 ℃左右，第2個(gè)為變性溫度峰，發(fā)生在300 ℃左右。KGM-TP復(fù)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(wěn)定。對(duì)于熱焓值(ΔH)而言，KGM-TP復(fù)合凝膠熱焓值大于KGM-TP溶膠熱焓值，這說明KGM-TP復(fù)合凝膠可提高TP的熱穩(wěn)定性。

圖5 KGM-TP溶膠、復(fù)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(cè)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(duì)KGM-TP復(fù)合凝膠抗氧化性能的測(cè)試，結(jié)合拓?fù)鋵W(xué)分析方法，推測(cè)KGM-TP復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，KGM-TP復(fù)合凝膠拓?fù)浣Y(jié)合方式分別見圖7，圖8。

圖7 KGM-TP復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.7 The probable network structure of KGM-TP Composite gel

圖8 KGM-TP復(fù)合凝膠拓?fù)浣Y(jié)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(chǎng)的條件下，KGM分子內(nèi)、分子間以氫鍵為主要作用力，主鏈相互連接形成了環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，側(cè)鏈各—OH之間互相連接，使環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加牢固，這與電鏡觀察到的結(jié)果相一致。TP分子表面—OH眾多，在KGM拓?fù)滏湸嬖诘那闆r下，與其表面—OH以氫鍵作用力的方式緊密結(jié)合，從而減少外界條件對(duì)其表面—OH的破壞，達(dá)到保護(hù)活性的目的，這與紅外結(jié)果相一致(圖8)。當(dāng)KGM-TP復(fù)合凝膠溶于水溶液中時(shí)，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(fù)合凝膠氧化性能測(cè)試結(jié)果相一致。

3 討論

在直流電場(chǎng)的作用下KGM-TP溶膠穿孔聚合，形成KGM-TP復(fù)合凝膠，以KGM-TP溶膠做對(duì)照，用SEM測(cè)試了KGM-TP復(fù)合凝膠的微結(jié)構(gòu)，在不同的放大倍數(shù)下均可觀察到KGM分子鏈構(gòu)成的環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后用FTIR檢測(cè)到KGM分子內(nèi)，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(fù)合凝膠的熱性能明顯提高；最后通過對(duì)KGM-TP復(fù)合凝膠抗氧化性能測(cè)試及基于拓?fù)鋵W(xué)的理論分析，推測(cè)的KGM拓?fù)滏溑cTP分子最可能的結(jié)合方式。本研究一定程度上解決了TP不穩(wěn)定的難題，大大提升了TP的應(yīng)用領(lǐng)域，為今后將KGM拓?fù)滏溣糜趯?duì)各種敏感活性成分的保護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

[1] ZORILLA R,LIANG L,REMONDETTO G,et al.Interaction of epigallocatechin-3-gallate with β-lactoglobulin: molecular characterization and biological implication[J].Dairy Science & Technology,2011,91(5):629-644.

[2] YANG Chung,WANG Xin,LU Gang,et al.Cancer prevention by tea: animal studies, molecular mechanisms and human relevance[J].Nature Reviews Cancer,2009,9(1):429-439.

[3] 桑鵬,高春燕.不同極性地參茶多酚抗氧化活性的比較[J].食品研究與開發(fā),2016,37(17):6-9.

[4] 譚琳,鄭曉燕,王甲水,等.大果榕果實(shí)乙醇提取物抗氧化活性及對(duì)α-葡萄糖苷酶和乙酰膽堿酯酶抑制活性[J].食品科學(xué),2016,37(13):77-81.

[5] 李謠,陳金龍,夏春燕,等.基于HepG2細(xì)胞模型的香菇柄粉茶多酚抗氧化及抗增殖活性[J].食品科學(xué),2016,37(11):190-196.

[6] 閆亞美,米佳,祿璐,等.黑果枸杞多酚體外抗氧化活性研究[J].食品工業(yè)科技,2016,37(13):49-52.

[7] 吳昆明,凌阿靜,胡新中,等.干燥方式對(duì)苦蕎麥芽色澤、茶多酚及抗氧化活性的影響[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2016,42(11):115-120.

[8] WANG Li-xia,ZHANG Yu,PANG Jie,et al.The textural properties and microstructure of konjac glucomannan-tungsten gels induced by DC electric fields[J].Food Chemistry,2016,212(6):256-263.

[9] WANG Li-xia,PANG Jie.Rheological properties and formation mechanism of DC electric fields induced konjac glucomannan-tungsten gels[J].Carbohydrate Polymers,2016,(142):293-299.

[10] NI Yong-sheng,MU Ruo-jun,TAN Xiao-dan,et al.Stability of the konjac glucomannan topological chain based on quantum spin model[J].Chinese Journal of Structural Chemistry,2017,36(6):1 043-1 048.

[11] ASIMINA K,GARY W.At the interface of antioxidant signalling and cellular function: Key polyphenol effects[J].Molecular Nutrition & Food Research,2016,60(8):1 770-1 788.

[12] RAJAN V K,MURALEEDHARAN K.A computational investigation on the structure, global parameters and antioxidant capacity of a polyphenol, Gallic acid[J].Food Chemistry,2017,220(4):93-99.

[13] UCHIDA K,TOMITA H,TAKEMORI T,et al.Effects of grilling on total polyphenol content and antioxidant capacity of eggplant (SolanummelongenaL)[J].Journal of Food Science,2016,82(1):202-207.

[14] LOFFREDO L,PERRI L,NOCELLA C,et al.Antioxidant and antiplatelet activity by polyphenol-rich nutrients: focus on extra-virgin olive oil and cocoa[J].British Journal of Clinical Pharmacology,2017.83(1):96-102.

[15] NIU Rui-wu,PAN Gui-jun.Self-organized optimization of transport on complex networks[J].Chinese Physics Letters,2016,33(6):153-156.

[16] ZHU Liu-hua.Effects of reduced frequency on network configuration and synchronization transition[J].Chinese Physics Letters,2016,33(5):14-17.

[17] WANG Q H, ZHENG H, WU X M.Simulation invitroon inhibition of calcium oxalate calculus in lithogenic urine by sulfated polysaccharide isolated from laminarin[J].Journal of Synthetic Crystals, 2006,35(10):1 296-1 300.

[18] PANG Jie,MA Zhen,SHEN Ben-shu,et al.Hydrogen bond networks' QSAR and topological analysis of konjac glueomannan chains[J].Chin J Struct Chem, 2014,33(3):480-489.

[19] MU Ruo-jun,PANG Jie,YUAN Yi,et al.Progress on the Structures and Functions of Aerogels[J].Chin J Struct Chem,2016,35(5):487-497.

[20] CAO Yun-gang,XIONG You-ling.Chlorogenic acid-mediated gel for-mation of oxidatively stressed myofibrillar protein[J].Food Chemistry,2015,180(4):235-243.

[21] JONGBERG S,TERKELSEN L S,MIKLOS R,et al.Green tea extract impairs meat emulsion properties by dis-turbing protein disulfide cross-linking[J].Meat Science,2015,100(3):2-9.

[22] YUKSEL Z,AVCI E,EDEM Y K.Characterization of binding interactions between green tea flavanoids and milk proteins[J].Food Chemistry,2010,121(2):450-456.

[23] HARBBOURNE N,JACQUIER J C,O’RIORDAN D.Effects of addition of phenolic compounds on the acid gelation of milk[J].International Dairy Journal,2011,21(3):185-191.

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(xué)基金(31471704，31772045);福建省自然科學(xué)基金(2017J01155)

2017-02-03，改回日期：2017-05-31

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