龙舌兰与菊苣果聚糖组分的理化及技术功能特性受分子量影响的系统研究

《Sustainable Food Technology》：Physicochemical and technofunctional properties of agave and chicory fructan fractions as affected by molecular weightOpen Access

　　

中文摘要翻译 果聚糖（Fructans）是结构多样的多糖，广泛用作益生元膳食纤维（prebiotic dietary fibers）和食品体系中的技术功能配料（technofunctional ingredients）。其功能表现受植物来源和分子量的强烈影响。本研究评估了植物来源（龙舌兰和菊苣）与分子量对分级果聚糖理化及技术功能特性的联合效应。研究人员通过超滤（ultrafiltration）将龙舌兰果聚糖分为低分子量（B1；聚合度DP 3–12；数均分子量Mn < 800 g mol?1）、中分子量（B2；DP 3–26；Mn < 2000 g mol?1）和高分子量（B3；DP 3–40；Mn > 3000 g mol?1）三个组分，并与对应分子量范围的商业菊苣果聚糖（L1、L2和L3）进行比较。理化表征和技术功能评价显示，植物来源和分子量均显著影响水溶性指数（water solubility index）、持水力和持油力、ζ-电位（ζ-potential）及凝胶质构（p < 0.05），且两因素之间存在显著交互作用。对于菊苣果聚糖，低分子量有利于水溶性（97.3%），而较高分子量则促进更致密、力学强度更高且稳定的明胶凝胶网络形成，并具有高持水力（87.78%）。相比之下，龙舌兰果聚糖表现出更强的水相互作用，即使在较高分子量下仍维持高水溶性指数（98.5%）和低持水力（11.85–22.64%），并形成低硬度的明胶凝胶。总体而言，这些发现表明植物来源和分子量分布影响果聚糖的功能表现，支持选择特定果聚糖组分作为食品应用中技术功能配料的依据。

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一、研究背景与问题提出

果聚糖是一类结构多样的多糖，兼具益生元活性和技术功能特性，在食品工业中具有广泛的应用前景。其作为功能性食品配料的价值体现在两方面：一是已充分确立的益生元活性及对代谢健康的益处；二是水结合、质构修饰和凝胶形成等理想的功能属性，使其成为多种食品产品中的有价值配料。

自然界中果聚糖存在于众多植物物种中，但商业开发的主要作物有限，主要包括菊苣（Cichorium intybus）、菊芋（Helianthus tuberosus）和龙舌兰（Agave spp.）。不同植物来源的果聚糖在分子结构上存在显著差异，从而导致截然不同的理化及技术功能行为。从分子结构来看，植物果聚糖一般分为线性或支链聚合物两类：菊苣果聚糖（菊粉，inulin）以线性β-(2→1)键连接的果糖基-果糖链为主；而龙舌兰果聚糖（agavins）则呈现更为复杂的支链结构，同时含有β-(2→1)和β-(2→6)糖苷键。这些结构差异影响分子柔性、分子间相互作用和超分子组织方式，进而影响溶解度、凝胶形成及其他与食品应用相关的技术功能特性。

除植物来源外，分子量是控制果聚糖功能的另一关键因素。植物果聚糖是天然多分散聚合物，具有宽分子量分布而非单一聚合度。因此，其功能行为不仅取决于平均分子尺寸，还取决于各果聚糖群体内聚合物链长的分布。例如，高分子量菊苣果聚糖（DP ≥ 20）水溶性有限，易于形成可模拟脂肪的微晶凝胶网络；而低分子量组分（DP ≤ 10）溶解性更高，因甜度较高可部分替代蔗糖。相比之下，支链龙舌兰果聚糖通常比线性菊苣果聚糖具有更高的水溶性，便于融入水性食品体系，支持包封、稳定化及糖或脂肪替代等应用。

尽管膜基超滤等工业分级技术的进步已能生产分子量分布更窄的果聚糖组分，为理解分子量与功能之间的关系提供了机会，但系统研究植物来源和分子量对果聚糖理化及技术功能特性的联合影响仍然缺乏。在可比分子量范围内对支链龙舌兰果聚糖与线性菊苣果聚糖进行直接比较的研究依然有限。因此，本研究旨在探讨超滤分级龙舌兰果聚糖与商业菊苣果聚糖在植物来源和分子量两个因素联合作用下，其理化及技术功能特性的变化规律。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员采用双因素实验设计，因素一为植物来源（菊苣和龙舌兰），因素二为分子量（高、中、低三个等级）。商业线性菊苣果聚糖来自Orafti?（Beneo，比利时），选取三种代表不同链长的产品：Orafti? P95（低分子量L1，DP主要为2–8）、Orafti? GR（中分子量L2，平均DP ≥ 10）和Orafti? HP（高分子量L3，平均DP ≥ 23）。支链龙舌兰果聚糖来自A. tequilana Weber var. Azul（Oligofructine LQ，70 °Brix），由墨西哥Nutriagaves de México提供。

关键技术方法包括：采用顺序超滤法对龙舌兰果聚糖进行分级，使用配备陶瓷膜（MWCO：1 kDa）的中试规模错流过滤系统进行初步分级，随后用螺旋卷式聚合物膜（MWCO：1 kDa）纯化，再在实验室规模使用配备3 kDa Ultracel膜的搅拌超滤池进一步分级，获得低（B1）、中（B2）、高（B3）三个分子量组分；采用尺寸排阻色谱（SEC）测定分子量分布和聚合度；采用超高效液相色谱（UHPLC）定量总糖和游离糖；采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）评估结构特征；测定水溶性指数（WSI）、持水力（WHC）、持油力（OHC）和ζ-电位；采用质构剖面分析（TPA）评估明胶模型体系中果聚糖组分对凝胶质构的修饰作用；采用双因素方差分析和Tukey HSD检验进行统计分析，并采用主成分分析（PCA）整合多维度数据。

三、研究结果

3.1 果聚糖组分的分子量分布表征

UHPLC-SEC分析确认了龙舌兰和菊苣果聚糖组分具有不同的分子量分布。基于聚合度分布和数均分子量，组分被分为低（B1和L1；DP 3–12；M_n < 800 g mol^?1）、中（B2和L2；DP 3–30；M_n < 2000 g mol^?1）和高（B3和L3；DP 3–40；M_n > 3000 g mol^?1）三个类别。在低和中分子量类别中，龙舌兰和菊苣组分的M_n值相近，而高分子量组分差异显著，L3的M_n高于B3。低分子量组分含有可观量的单糖和二糖，B1总糖含量最高（36 g 100 g^?1），约70%为游离果糖。龙舌兰果聚糖较高的糖含量可能归因于其支链结构含有更多末端果糖残基。B1的多分散指数最高（M_w/M_n = 1.4），而高分子量组分多分散性较低（1.0–1.2），反映更高的分子均匀性。

3.2 傅里叶变换红外光谱分析

所有样品在4000–600 cm^?1区域均呈现果聚糖特征吸收带。2933–2981 cm^?1处的谱带归属于CH₂基团的C–H伸缩振动，1200–900 cm^?1之间的强信号对应果糖呋喃糖基单元的C–O–C和C–O伸缩振动，确认了所有组分的多糖结构。3200–3500 cm^?1的宽吸收带归属于与氢键相关的O–H伸缩振动，其强度随分子量增加而增强，表明高分子量组分中分子间氢键相互作用更强。指纹区（1200–900 cm^?1）的谱带强度存在细微差异，反映了与分子量和植物来源相关的结构变化。约931和816 cm^?1处的特征谱带确认了果聚糖的β-糖苷构型。

3.3 果聚糖组分的技术功能特性

双因素方差分析显示，植物来源和分子量均显著影响水溶性指数、持水力、持油力和ζ-电位（p < 0.05），且所有评估参数均存在显著交互作用。龙舌兰果聚糖表现出显著更高的水溶性指数（98.25%）和更低的持水力（11.85–22.64%），而菊苣果聚糖的水溶性指数和持水力分别为90.47–97.66%和25.51–87.78%。菊苣果聚糖的水溶性随分子量增加而逐渐下降，尤其在高分子量组分中最为明显；而龙舌兰果聚糖即使在高分子量下仍保持高水溶性。持油力未呈现清晰趋势，但分子量和因素交互作用有显著影响，龙舌兰果聚糖中分子量组分（B2）的持油力高于低和高分子量组分及对应的菊苣组分（L2）。ζ-电位方面，中和高分子量菊苣果聚糖接近0 mV，表明静电排斥有限、聚集倾向更大；龙舌兰果聚糖呈现略负的ζ-电位值，可能反映其支链结构中羟基暴露更多。所有组分ζ-电位绝对值较低，表明分散稳定性可能主要由空间效应和分子结构而非静电相互作用主导。

3.4 果聚糖组分作为凝胶质构修饰剂

初步测试评估了各组分在无明胶条件下的凝胶形成能力，仅具有线性结构的高分子量组分（L3）能形成凝胶，而龙舌兰果聚糖组分均不能成胶。在明胶模型体系中，加入果聚糖组分导致凝胶硬度相比对照降低，无论果聚糖来源或分子量类别。储存168小时后，凝胶硬度呈现清晰趋势：菊苣果聚糖凝胶硬度增加（L1、L2和L3分别增加2.1、0.58和0.07 N），而龙舌兰果聚糖凝胶硬度下降（B1、B2和B3分别下降?1.87、?1.76和?2.36 N）。含低分子量菊苣组分（L1）的凝胶在储存168小时后硬度最高，而含高分子量龙舌兰组分（B3）的凝胶储存后硬度最低。凝胶内聚性在各配方间无显著差异。外观方面，高分子量菊苣果聚糖（L3）产生不透明、白色凝胶，而L1、L2及所有龙舌兰组分保持半透明。胶粘性初始趋势与硬度一致，储存时间对胶粘性的影响与硬度类似。

3.5 菊苣和龙舌兰果聚糖组分与性质之间的关系

主成分分析（PCA）整合了植物来源和分子量对果聚糖组分理化及技术功能特性的影响。前两个主成分解释了总方差的77.56%，其中PC1占53.14%，PC2占24.42%。PC1清晰区分了线性（菊苣）和支链（龙舌兰）果聚糖：菊苣组分与储存24和168小时后的硬度和胶粘性相关，反映其更高的持水力和形成致密、力学抗性凝胶网络的趋势；龙舌兰组分与水溶性指数和内聚性聚集，反映增强的水合作用、更大的结构柔性和改善的分散稳定性。PC2主要按分子量区分样品：低分子量果聚糖与水溶性和明胶凝胶中增加的硬度及胶粘性相关，高分子量菊苣果聚糖与持水力和ζ-电位相关。

四、研究结论

本研究证明植物来源和分子量均显著影响果聚糖的理化及技术功能特性。龙舌兰果聚糖表现出更高的水溶性指数和低持水力，而菊苣果聚糖高分子量组分的较低溶解度导致更高的持水力和更强的凝胶结构。相比之下，龙舌兰果聚糖产生低硬度的明胶凝胶，凸显了果聚糖分子结构对凝胶组织和功能的影响。总体而言，这些发现为果聚糖的分子量-功能关系提供了证据，支持在选择果聚糖组分作为特定食品应用的技术功能配料时，需同时考虑植物来源和分子量。需要进一步的体外和体内研究来评估其潜在生物效应并阐明相关作用机制。