提取方法对豆壳多糖结构功能的影响机制及构效关系研究

《Food Chemistry: X》：Impact of extraction methods on soybean hull polysaccharides: structure and functional properties analysis

本研究针对豆壳多糖(SHP)提取效率低、构效关系不明等问题，通过对比微波辅助提取(M)、提取剂辅助(柠檬酸MC/柠檬酸钠MS)及提取剂-酶联用(MCC/MCP/MSC/MSP)等8种方法，系统解析了不同提取工艺对SHP结构特征（单糖组成、分支度、线性度等）及功能特性（乳化性、流变性）的调控机制。发现MS提取的多糖因Na+屏蔽静电排斥作用，形成线性HG结构域，乳化活性(277.48 m2/g)及稳定性(6232.07 min)最优，为定向制备功能型多糖提供了理论依据。

　　

大豆作为全球重要的农产品，其加工副产物豆壳约占大豆重量的8%，传统上多用作饲料或废弃处理。然而研究表明，豆壳富含果胶、纤维素和半纤维素等多糖成分，其中豆壳多糖(Soybean Hull Polysaccharides, SHP)作为一种酸性果胶类多糖，含有同型半乳糖醛酸(Homogalacturonan, HG)和鼠李糖半乳糖醛酸(Rhamnogalacturonan, RG-I)等结构域，具有抗氧化、乳化及凝胶等多种功能特性，还可作为益生元调节肠道菌群。但SHP存在提取效率低、水溶性差等问题，且不同提取方法对其结构-功能关系的影响尚不明确，限制了其实际应用。

为系统解析提取方法对SHP结构及功能特性的影响机制，渤海大学食品科学与工程学院的研究团队在《Food Chemistry: X》上发表论文，对比了热水提取(CK)、微波辅助提取(M)、提取剂辅助(柠檬酸MC/柠檬酸钠MS)及提取剂-酶联用(纤维素酶/果胶酶：MCC/MCP/MSC/MSP)共8种提取工艺，通过测定提取率、基本成分（碳水化合物、蛋白质、糖醛酸）、单糖组成、傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform-Infrared, FT-IR)、X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)等结构表征手段，并结合乳化活性(Emulsifying Activity Index, EAI)、乳化稳定性(Emulsion Stability Index, ESI)及流变学分析，揭示了不同提取方法对SHP构效关系的调控规律。

本研究采用的关键技术包括：微波辅助提取优化、提取剂（柠檬酸/柠檬酸钠）与酶（纤维素酶/果胶酶）联用工艺、离子色谱法测定单糖组成、FT-IR分析官能团及酯化度(Degree of Methyl-esterification, DM)、XRD结晶度分析、SEM观察表面形貌、乳化特性评价体系及流变学剪切稀变行为拟合。

3.1 提取方法对SHP提取率的影响

微波预处理使提取率从CK组的1.66%显著提升至M组的3.39%，表明微波的穿透效应可破坏细胞壁氢键，促进多糖溶出。提取剂辅助进一步提高了提取率，其中柠檬酸钠(MS)提取率最高(11.90%)，因其中性环境及Na⁺离子与多糖阳离子键结合增强水溶性。酶联用提取中，MSP组提取率最高(13.32%)，但柠檬酸的低pH环境抑制酶活性，导致MCP/MCC组提取率下降。

3.2 SHP的基本成分

微波预处理显著提升碳水化合物含量（M组92.64%），而柠檬酸钠提取组(MS/MSP/MSC)糖醛酸含量最高（41.60%），与碳水化合物含量呈负相关。CK组蛋白质含量最高(10.83%)，微波及提取剂处理可降低蛋白质残留，但酶添加可能引入少量蛋白质。

3.3 SHP的单糖组成

所有SHP均以鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、半乳糖(Gal)、葡萄糖(Glc)、甘露糖(Man)及半乳糖醛酸(GalA)为主。柠檬酸钠提取组(MS/MSP/MSC)GalA含量显著升高（45.87%~41.00%），线性度指数(1.51~1.81)高，主导HG结构域；而柠檬酸提取组(MC/MCP/MCC)Ara含量增加(19.15%~20.76%)，分支度(16.15~16.71)高，富含RG-I型果胶。酶处理可降解果胶侧链，改变单糖比例。

3.4 FT-IR分析

所有SHP在1740 cm^?1（酯基C=O）和1630 cm^?1（羧基COO^?）处特征峰证实其为低酯化果胶(DM:19.68%~37.13%)。柠檬酸钠提取组在1019 cm^?1和1100 cm^?1处吡喃糖特征峰增强，表明其糖醛酸含量高；柠檬酸提取组在813 cm^?1处呋喃糖吸收明显，提示提取剂类型主导多糖构型差异。

3.5 XRD分析

所有SHP在2θ=20.58°处呈现无定形宽峰，但柠檬酸钠提取组出现NaCl特征峰(31.76°、45.47°)，柠檬酸组出现citrate相关结晶峰，表明提取剂离子引入改变了多糖结晶度，微波及提取剂可破坏半结晶区。

3.6 SEM表面形貌

CK组表面光滑片状，微波处理后形成粗糙网络结构；柠檬酸钠提取组(MS)呈现褶皱不平整形态，MSC组褶皱更平坦；柠檬酸提取组(MC)可见球形聚集体，而MCP组因果胶酶降解形成多孔凝胶网络，表明提取方法通过调控分子交联程度改变表观结构。

3.7 乳化特性分析

MS组乳化活性(277.48 m²/g)和稳定性(6232.07 min)最优，因Na⁺屏蔽羧基静电排斥，促进线性HG分子在油水界面定向排列。柠檬酸提取组(MCC/MCP)因高分支结构和疏水基团（甲氧基）吸附能力强，乳化活性次之(199.70 m²/g)。微波预处理降低蛋白质含量，导致M组乳化活性最低(113.97 m²/g)。

3.8 流变学分析

所有SHP溶液均呈现剪切稀变行为（流变指数n<0.9），符合幂律模型。微波预处理组(M)表观粘度最高（K=0.0423 Pa·sⁿ），因碳水化合物含量高且分子间作用力强；柠檬酸钠提取组粘度高于柠檬酸组，因Na⁺诱导凝胶化。分支度高的多糖（如MCP）因链段柔性强，粘度较低。

本研究通过多维度结构-功能分析，明确了提取方法对SHP构效关系的调控机制：微波辅助提取提升得率及碳水化合物纯度；柠檬酸钠提取促进线性HG结构形成，通过Na⁺屏蔽效应优化乳化性能；柠檬酸提取则获得高分支RG-I型果胶，适用于凝胶应用。该研究为定向设计功能性植物多糖提供了新策略，在食品乳化剂、医药载体等领域具有应用潜力。