高速剪切协同超声酸法提取对秋葵多糖结构与流变特性的调控机制及构效关系研究

本综述系统阐释了高速剪切协同超声-柠檬酸提取（HUCE）这一绿色新技术对秋葵多糖提取效率、结构特性及功能活性的显著提升作用。研究表明，HUCE法不仅显著提高多糖得率（19.09%）和糖醛酸含量（44.53%），还赋予多糖更低分子量（5168.82 kDa）、更优热稳定性和稳态流变行为，为其在食品工业中作为增稠剂或稳定剂的应用提供理论依据。

　　

亮点

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  开发了一种新型绿色提取技术：高速剪切辅助超声-柠檬酸提取法（HUCE）
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  HUCE显著提升秋葵多糖得率（19.09%）和糖醛酸含量（44.53%）
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  HUCE提取的多糖具有更低分子量（5168.82 kDa）和更优热稳定性
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  所有提取多糖均呈现无定形结构和三螺旋构象
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  HUCE多糖表现出优异的稳态流变行为，具备食品增稠剂潜力

化学组成分析

如表1所示，通过热水提取（HWE）、柠檬酸提取（CAE）、高速剪切-柠檬酸提取（HSCE）和HUCE四种方法获得的秋葵多糖，其提取得率范围在11.29±0.86%至19.09±0.55%之间。CAE法（15.67±0.40%）相较于HWE（11.29±0.86%）展现出更高得率，这归因于柠檬酸的三羧酸结构能螯合二价金属离子（如果胶结构中的钙桥），从而促进多糖溶出。进一步整合高速剪切（HSCE）和超声（HUCE）技术后，提取效率显著提升，尤其是HUCE法得率最高（19.09±0.55%）。此外，HUCE提取的多糖具有最高的总糖含量（76.03%）和糖醛酸含量（44.53%），表明其纯度更高且结构更完整。

分子量分布

采用高效凝胶渗透色谱（HPGPC）分析四种多糖的分子量分布（图1a）。所有样品均呈现单一对称峰，表明提取的多糖组分均一。其重均分子量（M_w）范围为5168.82 kDa至5838.56 kDa，其中HUCE提取的多糖分子量最低（5168.82 kDa），而HWE提取的多糖分子量最高（5838.56 kDa）。分子量降低可能与高速剪切和超声产生的机械效应及空化效应导致多糖链断裂有关。

傅里叶变换红外光谱分析

FT-IR光谱（图1b）显示，所有多糖在3400 cm^-1附近均呈现典型O-H伸缩振动吸收峰，2920 cm^-1附近为C-H伸缩振动峰。约1740 cm^-1处的吸收峰归因于酯化半乳糖醛酸单元C=O伸缩振动，而1610 cm^-1和1410 cm^-1处的吸收峰分别对应游离羧基的反对称和对称伸缩振动，证实所有多糖均为酸性多糖。HUCE多糖在1740 cm^-1处峰强度较弱，表明其酯化度较低，这与糖醛酸含量结果一致。

X射线衍射分析

XRD图谱（图1c）显示所有多糖在2θ≈20°处存在一个宽弥散峰，表明其为无定形结构，这是天然多糖的典型特征。此外，所有样品在2θ≈13°和2θ≈21°处均未出现结晶峰，进一步证实提取过程未引起多糖结晶化。

刚果红实验

刚果红结合实验（图1d）表明，随着NaOH浓度增加，所有多糖-刚果红复合物的最大吸收波长均发生红移，且红移程度显著大于刚果红对照组，这表明所有秋葵多糖均存在三螺旋构象。三重螺旋结构通常与多糖的生物活性（如免疫调节和抗氧化）密切相关。

热稳定性分析

热重分析（TGA）曲线（图2a）显示，所有多糖的热分解过程主要分为三个阶段：水分蒸发（30–150°C）、主链断裂（200–300°C）和进一步碳化（300–600°C）。HUCE多糖在主要降解阶段表现出更高的热稳定性（最大降解温度T_max = 247.3°C）和更高的残炭率（600°C时残炭率为36.72%），表明其结构更稳定。

流变特性

流变学分析（图2b–d）表明，所有多糖溶液均呈现剪切稀化行为和非牛顿流体特性，其表观粘度随剪切速率增加而降低。HUCE多糖溶液在所有测试浓度下均表现出最高的表观粘度，且在低剪切速率区具有更显著的剪切稀化现象。动态振荡测试显示，所有多糖的弹性模量（G′）均高于粘性模量（G″），证实其具有典型的弱凝胶态结构。HUCE多糖的凝胶强度最高，进一步支持其作为食品增稠剂或稳定剂的应用潜力。

结论

本研究全面阐明了采用高速剪切协同超声技术（HUCE）从秋葵皮中提取多糖的机理及其构效关系。提取技术显著影响了所得果胶多糖的关键特性，包括得率、总糖含量、糖醛酸含量、单糖组成、分子量、结构特征和表面形态。HUCE提取法展现出最优的综合性能，包括最高得率（19.09%）、最高糖醛酸含量（44.53%）、更低分子量（5168.82 kDa）、更优热稳定性和流变特性。该研究为理解秋葵多糖的构效关系提供了理论基础，并为其在食品和医药领域的定向应用提供了重要见解。