离子特异性构象变化与氢键网络重组对阿拉伯木聚糖抗冻性能的影响

《Food Hydrocolloids》：Effect of Ion-Specific Conformational Changes and Hydrogen-Bond Network Reorganization on the Antifreeze Activity of Arabinoxylan

　　

摘要：

小麦麸皮中的阿拉伯木聚糖是一种有效的抗冻多糖，但其在离子环境中的结构与活性关系仍不甚清楚。本研究将常见的霍夫迈斯特盐（Na₂SO₄、NaCl、NaNO₃、KCl和MgCl₂）加入阿拉伯木聚糖溶液中，以阐明离子对阿拉伯木聚糖抗冻活性的特异性调控机制。通过异质成核、单冰晶生长以及冰重结晶抑制分析发现，离子会显著影响阿拉伯木聚糖的活性，其中阴离子的作用比阳离子更为明显。在0.05 M浓度下，Na₂SO₄能显著提升阿拉伯木聚糖的抗冻能力，而NaCl和NaNO₃则仅具有有限作用或甚至会产生抑制效果。结构分析表明，阿拉伯木聚糖在溶液中呈现为灵活的无规卷曲构象，而硫酸根离子则使其分子结构更加紧凑。综合机理分析显示，离子引起的构象变化和水合状态调节共同影响了阿拉伯木聚糖周围的水合环境，进而增强了其与冰的亲和力。具体而言，SO₄^2-使阿拉伯木聚糖结构更为紧凑，同时改变了界面氢键状态，稳定了局部水合相互作用，并调节了长程氢键网络的动态变化。这些研究结果为理解并调控多糖的抗冻活性提供了一种基于离子特异性的构象-水合耦合机制。

引言

抗冻多糖是一类具有冷冻保护作用的生物大分子，由于其在农业、食品工业以及生物保存领域的巨大应用潜力，受到了广泛关注（Sun等人，2022）。这类多糖的冷冻保护作用主要体现在对冰晶生长和重结晶的调控上。然而，决定其抑制冰重结晶能力的结构基础和分子机制至今仍未完全明确。众所周知，多糖链的构象对其物理化学性质和功能起着至关重要的作用（Izydorczyk & Biliaderis，1995；Jun、Stefan & Chunlin，2015）。多糖链在溶液中的可能构象包括无规卷曲、单螺旋、双螺旋、三螺旋、蠕虫状链、棒状结构以及聚集体等（Guo等人，2021）。这些构象状态不仅取决于单糖组成、糖苷键类型、分支程度以及分子量等内在结构参数（Fu & Shi，2024），还受外部环境因素的影响，尤其是溶液环境（Antoniou等人，2010）。目前，关于抗冻多糖的研究主要集中在其内在结构特征上，而外部溶液环境的作用则相对较少被关注。

在实际应用中，抗冻多糖往往用于含有多种盐类的复杂环境中。不同离子的存在可能会产生离子特异性效应，从而影响大分子的构象、水合行为，进而影响其生物活性（Okur等人，2017）。在霍夫迈斯特序列中，阴离子的顺序通常为CO₃^2- > SO₄^2- > S₂O₃^2- > H₂PO₄^- > F^- > Cl^- > Br^- > NO₃^- > I^- > ClO₄^- > SCN^-（Wang等人，2014）。位于Cl^-左侧的阴离子具有很强的水合能力，往往能够稳定大分子的天然构象，促使蛋白质发生盐析作用（Janc等人，2018）。相反，位于右侧的阴离子水合能力较弱，通常会促进大分子展开或提高其溶解度（Deyerle & Zhang，2011）。阳离子的顺序则为：N(CH₃)₄⁺ > NH₄⁺ > Cs⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Zn²⁺ > Ba²⁺（Oncsik等人，2016）。与阳离子相比，阴离子的效应通常更为显著（Zhang & Cremer，2006），因此它们非常适合用于研究离子对多糖结构和功能的特异性调控作用。离子可以通过调节氢键网络以及界面水的排列来影响大分子的稳定性（Kang等人，2020）。最新研究还表明，霍夫迈斯特离子能够调控多糖的聚集行为和水合特性，进而影响其功能（Sun等人，2025）。

抗冻分子与周围水分子之间的相互作用，是决定其能否调控冰的形成与生长的关键因素。包括蛋白质和多糖在内的抗冻生物分子，是通过调节周围水分子以及与冰-水界面的相互作用来调控冰核形成和晶体生长的（Chen等人，2023；Hudait等人，2019）。它们的抗冻活性受到分子构象、冰结合能力以及界面水合结构共同作用的影响（Bar Dolev、Braslavsky & Davies，2016；Davies，2014）。在以多糖为基料的抗冻材料中，分子量、分支结构、链的灵活性以及构象特性被认为是决定水合行为和冰-水界面相互作用的关键因素（Marelli等人，2025；Sun等人，2022）。源自小麦麸皮的阿拉伯木聚糖具有优异的抗冻性能，而其链的构象和分支结构则对冰晶的调控起着重要作用（Niu等人，2025；Yang等人，2024）。然而，外部离子环境如何通过离子特异性相互作用来调控阿拉伯木聚糖的构象、水合结构以及氢键网络，目前仍不清楚。根据霍夫迈斯特效应，离子可以通过改变聚合物的构象、水合行为以及界面水的排列来调控生物大分子的功能（Gregory等人，2022；Moghaddam & Thormann，2019）。因此，本研究以小麦麸皮衍生的阿拉伯木聚糖为模型，探讨了离子对阿拉伯木聚糖抗冻活性的特异性调控机制，并提出了一种离子介导的构象-水合耦合机制，为设计具有离子响应性的抗冻材料提供了理论依据。

章节节选

材料

小麦麸皮购自中国江苏的江苏雨晨面粉有限公司；硫酸钠（Na₂SO₄）、氯化钠（NaCl）、硝酸钠（NaNO₃）、氯化钾（KCl）以及氯化镁（MgCl₂）购自中国上海的国药集团。1, 6-二苯基-1, 3, 5-己三烯（DPH）则购自中国上海的阿拉丁试剂有限公司。

小麦麸皮抗冻阿拉伯木聚糖的制备

小麦麸皮抗冻阿拉伯木聚糖的提取方法参照了我们之前报道的方法（Yang等人，2024）。常用的霍夫迈斯特

异质成核活性

冰的结晶过程包含三个连续阶段：冰核形成、冰晶生长以及冰的重结晶。作为冰形成的初始步骤，冰核形成对后续的结晶行为起着决定性作用。根据经典成核理论，冰核的形成伴随着系统自由能的变化：当水分子从液态转变为有序的晶体结构时，系统的整体自由能会降低，

结论

阿拉伯木聚糖通过一种基于离子特异性的构象-水合耦合机制表现出依赖离子的抗冻活性。不同的离子会调控阿拉伯木聚糖的构象和水合结构，进而影响其与冰-水界面的相互作用。一价盐会导致链略有收缩以及轻微的水合结构变化，而SO₄^2-则会使阿拉伯木聚糖的构象更加紧凑，增强界面氢键作用，稳定局部水合环境，进而提升其抗冻能力

伦理声明

作者声明本研究未涉及人类或动物实验对象。

CRediT作者贡献说明

张芳：原文撰写——初稿、验证、方法学、概念构思。 王佩：原文撰写——审阅与编辑、资金获取。 谢崇：原文撰写——审阅与编辑。 杨润强：原文撰写——审阅与编辑。 周梦雅：数据整理。 李丹丹：原文撰写——审阅与编辑。 王颖：方法学、实验研究。 陈伟汉：数据整理。 牛希林：原文撰写——审阅与编辑、方法学。 刘冠南：方法学、实验研究

未引用参考文献

Xu等人，2025；Zheng等人，2024。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

利益冲突声明

? 作者声明自己没有已知的、可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（编号：32572479）、中央高校基本科研业务费（编号：KJYQ2026013）、国家关键研发计划项目（编号：2022YFD2301401）、中国机械工程学会青年精英科学家扶持计划（编号：2022QNRC001）、山东省及江苏省的关键技术研究与开发计划（编号分别为：2024TZXD070、BE2023370），以及重点学术学科发展计划（简称：PAPD）资助的项目

Fang Zhang|Xilin Niu|Guannan Liu|Ying Wang|Weihan Chen|Mengya Zhou|Dandan Li|Chong Xie|Runqiang Yang|Pei Wang

中国江苏省南京市210095，南京农业大学食品科学与技术学院，全谷物食品工程研究中心