结构与溶解度相关特性的关联：对日本甜茶多糖的全面表征

《International Journal of Biological Macromolecules》：Linking structure to solubility-related properties: Comprehensive characterization of polysaccharides from Chaenomeles speciosa (Sweet) Nakai

　　

摘要

Chaenomeles speciosa（Sweet）Nakai多糖（CSP）因其营养价值和药用价值而备受关注。本研究从C. speciosa的果实中分离出了四种结构均一的多糖，其中包括一种中性阿拉伯糖聚糖（CSP-1-2）以及三种具有不同结构特征的酸性多糖：一种高度分支的鼠李半乳糖醛酸-I型果胶（RG-I）（CSP-1-1）、一种线性的高甲酯化同半乳糖醛酸聚糖（HG）（CSP-2-1），以及一种阿拉伯半乳聚糖型果胶（CSP-3-1）。CSP-2-1的结构特征导致其溶解度较低，这一结论得到了傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和原子力显微镜实验的支持。扫描电子显微镜显示其干燥状态下为致密无孔的结构，而原子力显微镜则发现其在水溶液中会形成紧密的纳米聚集体。这些研究结果为理解这种果胶多糖的溶液行为和聚集机制提供了结构依据，有助于设计相关的水凝胶体系。

引言

Chaenomeles speciosa（Sweet）Nakai属于蔷薇科，广泛分布于中国南方及缅甸、泰国、越南等东南亚国家。在中国，C. speciosa不仅被用作果汁、葡萄酒、糖浆、果酱和糖果等食品的原料，还长期被用作治疗肠炎、消化不良、风湿病、关节炎、肝炎、哮喘和普通感冒的传统药材[1]、[2]。近年来，人们对C. speciosa的化学成分进行了系统研究，已分离出三萜类、酚酸类、苯丙酸类、黄酮类、蛋白质、碳水化合物、挥发油和生物碱等多种化学成分[3]、[4]。

多糖广泛存在于动物、植物和微生物体内，是材料科学、食品工业和医药领域的重要资源[5]。最新研究表明，C. speciosa的果实中含有大量多糖，且这些多糖具有多种生物活性。在已分离出的化学成分中，大部分为中性多糖。通过结构分析可知，这些多糖主要由葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖和木糖组成，各成分的比例有所不同[6]、[7]、[8]。不过除了中性多糖外，酸性多糖（如果胶）也是数量极为丰富的多糖类别。本研究采用了DEAE-650?M柱进行逐步洗脱，通过用水、0.1?M NaCl和0.5?M NaOH洗脱，获得了性质不同的多糖。进一步使用Sephacryl S-300柱分离后，得到了四种结构差异显著的同质多糖：中性阿拉伯糖聚糖、富含RG-I的酸性果胶、富含HG的酸性果胶以及具有阿拉伯半乳聚糖侧链的酸性果胶，这体现了C. speciosa多糖的多样性。例如，果胶是一种著名的酸性多糖，是植物细胞的关键结构成分[9]。此外，多糖的功能特性，如溶解度、粘度和凝胶化能力，取决于其特定的结构特征，尤其是光滑的HG结构域与带毛的RG-I结构域的比例以及甲酯化程度[10]。HG是由(1?→?4)-连接的α-D-半乳吡喃醛残基构成的线性聚合物，其C-6位可能发生甲酯化反应。线性且高度甲酯化的HG结构域通常具有较强的分子间相互作用和特定的聚集行为，从而显著影响其宏观功能表现[11]。因此，系统阐明酸性多糖的结构及其与物理特性的关系，对于开发具有健康益处的食品具有重要意义。

尽管已有多项研究对C. speciosa中的中性多糖进行了研究，但针对酸性果胶组分及其高级结构的系统分析仍然不足。尤其是甲酯化程度、链的线性程度与聚集行为之间的关系尚未得到探讨。因此，本研究的目的是：（1）从C. speciosa的果实中分离并纯化中性多糖和酸性多糖；（2）利用化学方法和光谱技术解析它们的初级结构；（3）通过扫描电子显微镜和原子力显微镜研究一种典型的线性、高甲酯化HG结构域的高级结构，为其溶液行为和聚集机制提供结构依据[12]。

章节要点

材料与试剂

C. speciosa由安徽省培育，购自亳州市胡桥药业有限公司（批号：1806050062）。经孙丽娜副教授鉴定，该样品为Chaenomeles speciosa（Sweet）Nakai。TOYOPEARL DEAE-650?M柱购自日本TOSOH公司，Sephacryl S300 HR凝胶购自美国GE Healthcare公司。以下参考标准品（纯度＞98%）购自美国Sigma-Aldrich公司：岩藻糖（Fuc）、鼠李糖（Rha）、阿拉伯糖（Ara）。

从C. speciosa中分离纯化四种同质多糖

从6公斤干燥的C. speciosa果实中，共获得了426克粗CSP。经过DEAE-650?M色谱分离后，得到了三个组分：A1（10.14%）、A2（7.23%）和A3（25.88%）。依次用水、0.1?M NaCl和0.5?M NaOH进行洗脱。随后，再用Sephacryl S-300柱对这些组分进行进一步纯化。A1组分产生了两种子组分：CSP-1-1和CSP-1-2；A2组分产生CSP-2-1；A3组分产生CSP-3-1，这一结果通过高效液相色谱-糖谱法得到验证（见图2）。这些多糖的分子量均为2.3?×?10⁵?Da。

讨论

本研究从C. speciosa的果实中分离出了四种结构各异的多糖。在分离过程中就能看出它们之间的差异，这些酸性组分在DEAE-650?M柱上的洗脱曲线不仅受总糖醛酸含量的影响，还与甲酯化程度、分子大小以及链的构象有关。虽然CSP-1-1具有水溶性，但也表现出一定的弱酸性，这与CSP-2-1的情况截然不同。

结论

从C. speciosa的果实中分离出了四种同质多糖。CSP-2-1被鉴定为一种线性的、高甲酯化的同半乳糖醛酸聚糖（HG占比74%），而CSP-1-1和CSP-3-1则为富含RG-I的分支型果胶和阿拉伯半乳聚糖型果胶，CSP-1-2则为中性阿拉伯糖聚糖。多尺度分析（傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜）表明，CSP-2-1的线性高甲酯化结构使其在溶液中容易形成紧密的纳米聚集体，且干燥状态下为致密无孔的结构，这一特征与其较低的溶解度密切相关。

作者贡献说明

宋文琪：论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。江胜贵：可视化处理、方法设计。陈燕红：可视化处理、方法设计。陈万生：论文撰写——审阅与编辑、可视化处理、项目管理、概念构思。孙丽娜：论文撰写——审阅与编辑、方法设计、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

宋文琪|江胜贵|陈燕红|陈万生|孙丽娜