pH 驱动构象开关实现假酸浆 (Linn.) Gaertn. 果胶的高效钙介导凝胶化

《Food Hydrocolloids》：pH-Driven Conformational Switch Enables Efficient Calcium-Mediated Gelation of Nicandra physalodes (Linn.) Gaertn. Pectin

　　

摘要本研究阐明了 pH 驱动的构象开关调节苦蘵聚糖 (NPGP) 钙介导凝胶化的机制。NPGP 具有 516.01 kDa 的高重均分子量，其高度线性的骨架含有 79.47% 的均一聚半乳糖醛酸，且甲氧基化度较低 (38.42%)，但在其天然 pH 值 4.06 下加入 Ca2+ 后仍保持可流动溶胶状态。随着 pH 值从 4.0 增加到 7.0，分形参数从 2.45 降至 1.49，同时回转半径从 26.41 nm 增加到 31.86 nm，最大尺寸从 205.18 nm 增加到 234.79 nm。液态 1H NMR 也表明，调节 pH 值后链段活动性增加，局部分子环境发生变化。综上所述，这些结果支持从致密缔合组织向更开放的纳米级结构状态转变。因此，将溶液 pH 值调节至 5.0–7.0 使 NPGP 转化为钙响应凝胶体系，在钙与羧基化学计量比 (R) 低至 0.1 时即可形成自支撑凝胶。在 R 值为 0.1 和 0.2 时形成的凝胶持水力超过 95%，而 R 值为 0.2–0.5 则在机械强度、可变形性、保水性和结构稳定性之间提供了更合适的平衡。相比之下，在 R = 1.0 时过量的钙添加导致网络致密化、脱水收缩和可变形性降低。这些综合的结构和功能结果支持提出的构象去屏蔽模型，其中致密的天然组织可能限制潜在钙结合基团的有效可及性，而 pH 诱导的结构重排可能增加它们用于钙介导交联的可及性。结合其先前报道的低糖或无糖条件下的酸诱导凝胶化，这些发现揭示了 NPGP 的刺激依赖双凝胶化潜力，并为其在可控低钙凝胶化和清洁标签质地设计中的应用提供了机制基础。

引言聚糖是一种复杂的酸性杂多糖，主要位于高等植物的初生细胞壁和胞间层中 (Ciriminna 等，2022)。在现代食品工业中，由于聚糖具有形成水凝胶的能力，被广泛用作果酱、乳饮料和糖果等产品中的凝胶剂、增稠剂和稳定剂 (Huang 等，2025)。根据甲氧基化度 (DM)，聚糖通常分为高甲氧基聚糖 (HMP, DM > 50%) 和低甲氧基聚糖 (LMP, DM < 50%) (Wan, Chen 等，2019)。这两类聚糖的凝胶化机制截然不同。HMP 通常需要高酸性条件和高浓度的共溶质 (例如 60% 蔗糖) 通过氢键和疏水相互作用形成凝胶。相比之下，LMP 在钙离子存在下可在更宽的 pH 范围内通过形成经典的蛋盒结构而凝胶化 (Mu?oz-Almagro 等，2021)。由于 LMP 凝胶化不依赖高糖水平，它在开发低糖、低热量和清洁标签食品方面越来越具有吸引力 (W. Cui 等，2026)。然而，传统的 LMP-Ca 凝胶体系在加工控制方面往往面临挑战 (Wan, Wang 等，2019)。在室温下添加高溶解性钙盐通常会引发过快的凝胶化，导致不良的预凝胶化、不均匀的网络和脱水收缩。这种缺乏可控性使工业泵送和灌装变得复杂，最终导致质地弱或脆 (Hu 等，2026; Kaim & Gawlik, 2026; Wu, Liao 等，2024)。因此，迫切需要识别具有更可控钙介导凝胶化行为的新 LMP 资源。

任何聚糖的凝胶能力从根本上取决于其内在分子结构，包括分子量、链线性和官能团分布 (Fu 等，2024; X. Yang, Yuan 等，2022)。苦蘵聚糖 (NPGP) 是一种从种皮中提取的新型 LMP。先前的研究揭示 NPGP 具有独特的结构特征：极高的重均分子量 (Mw, 516.01 kDa)，由均一聚半乳糖醛酸 (HGA, 79.47%) 主导的高度线性骨架，低 DM (38.42%) 以及升高的乙酰化度 (DAc, 5.78%)。这种特定的特征赋予 NPGP 独特的凝胶化特性 (X. Yang 等，2026)。我们先前的研究表明，NPGP 可以在低糖甚至无糖条件下 (pH 2.4–3.2) 形成坚固的自支撑酸凝胶，这种能力通常与 HMP 相关。这种独特性能与其有利于链缠结和缔合的长线性链有关，同时丰富的羧基和羟基提供了氢键位点。此外，相对较高的 DAc 可能作为次级稳定力贡献疏水相互作用 (X. Yang, Guo 等，2022; X. Yang 等，2026)。这种结构多功能性表明，NPGP 可能在不同环境条件下表现出刺激依赖的凝胶化途径。

除了独特的酸凝胶化外，NPGP 还表现出异常的钙介导凝胶化行为。在其约 4.0 的天然 pH 值下，NPGP 对钙离子表现出明显的凝胶化惰性。添加中性钙盐（如氯化钙）无法诱导凝胶化，并使体系保持在可流动溶胶状态。有趣的是，先前的研究发现碱性氢氧化钙成功触发了强凝胶的形成 (Guo 等，2021)。虽然这种行为已被归因于碱诱导的脱酯化，但我们提出了一个额外的“构象去屏蔽”假说。我们假设在天然 pH 值下，NPGP 相对较低的电离水平限制了静电排斥，而分子内氢键有利于链折叠和致密缔合状态。其极高的分子量和富含 HGA 的高度线性骨架可能通过提供长链段和更大的链缠结潜力进一步增强这种状态。先前的研究还表明，溶液中的聚糖构象和缔合受分子特性、pH 值、电荷状态和非共价相互作用的影响 (Alba 等，2018; Alba 等，2017; Liu 等，2022)。这种屏蔽状态可能限制钙离子对潜在羧基结合位点的可及性。增加 pH 值触发渐进去质子化并沿骨架产生增加的静电排斥。这种增加的排斥预期会削弱致密缔合状态并促进构象重排，从而增加潜在羧酸根基团用于随后钙介导交联的可及性。

目前，对该异常机制的多尺度理解存在明显的空白。没有直接证据将纳米级结构去屏蔽与整体宏观凝胶性能联系起来。因此，本研究的主要目标是系统地阐明 NPGP 的钙介导凝胶化机制。我们将聚糖溶液从天然 pH 值调节至 7.0，同时监测 DM 以排除脱酯化的大量干扰。我们表征了 NPGP 的 pH 驱动质子解离和构象转变，以及其在不同 pH 水平下的钙介导组装行为。我们进一步评估了所得凝胶的流变行为、机械性能、微观结构和持水力。通过连接纳米级动力学与宏观凝胶性能，本研究考察了 pH 驱动的构象去屏蔽是否控制 NPGP 的钙介导凝胶化行为。为了提供具有不同植物来源和结构背景的商业参考样品，在关键对比实验中包含了两种商业 LMP 作为对照。这些发现为开发 NPGP 作为用于可控低钙凝胶化和清洁标签质地设计的刺激响应食品亲水胶体提供了机制基础 (Revathi 等，2025)。

章节摘要

聚糖样品的材料与制备
NPGP 采用水提取和乙醇沉淀法提取，遵循我们先前报道的方法 (X. Yang 等，2026)。结构分析确认 NPGP 是一种天然植物来源的 LMP (DM, 38.42%)，具有独特的结构特征 (表 S1)。它具有 516.01 kDa 的高重均分子量和长线性分子结构。骨架主要由 HGA (79.47%) 组成，且该聚糖表现出升高的 DAc (5.78%)。

1% 天然 pH

质子解离与表面电荷动力学
通过电位滴定研究 NPGP 的质子解离行为，以评估其 pH 依赖性电离特性及其与分子构象的可能关系。如图 1A 所示，与空白对照相比，NPGP 溶液在 pH 4.54 和 6.41 之间表现出宽缓冲平台。该平台反映了加入 NaOH 过程中半乳糖醛酸单元上羧基的连续去质子化 (Müller 等，2021)。净滴定曲线

讨论本研究揭示了 NPGP 具有明显的 pH 依赖性钙介导凝胶化行为。在其天然 pH 值 4.0 时，NPGP 在添加钙离子后保持可流动溶胶状态，且未能形成自支撑凝胶。相比之下，当 pH 值调节至 5.0–7.0 时，NPGP 甚至在 R = 0.1 的低钙化学计量比下也能形成凝胶。在测试的天然 pH 条件下，两种商业 LMP 对照在不预先调节 pH 值的情况下形成了钙诱导凝胶，但需要

结论在本研究中，系统地阐明了 NPGP 的 pH 调节钙介导凝胶化机制。尽管 NPGP 是一种 LMP，但在其约 4.0 的天然 pH 值下加入 Ca2+ 后仍保持可流动溶胶状态。多尺度表征表明，天然 NPGP 存在于相对致密的缔合状态。结合其在天然 pH 值下的钙惰性行为，这种致密组织可能限制潜在钙结合基团的有效可及性。

CRediT 作者贡献声明
刘秦南：调查，形式分析，数据整理。杨旭东：写作 – 初稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据整理。贾鑫：写作 – 审阅与编辑，可视化，资金获取。刘浩淼：调查，数据整理。胡晓平：写作 – 审阅与编辑，指导，资源，概念化。程勇强：写作 – 审阅与编辑，资源。殷立军：写作 – 审阅与编辑，指导，资源，项目

未引用参考文献
Cui 等，2020; Cui 等，2026; Kim 等，2026; Li 等，2025; Liu 等，2026; Ma 等，2025; Ma 等，2025; Wan 等，2019; Wu 等，2024; Yang 等，2022; Yang 等，2022; Yang 等，2026; Zhang 等，2025。

竞争利益声明
作者声明他们与本手稿中呈现的数据没有任何利益冲突（财务或其他）。

伦理声明
作者 (s) 声明该研究不涉及人类或动物受试者。

竞争利益声明
■ 作者声明他们没有任何已知可能影响本文中报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金 (No. 32272337 和 32572555)、国家重点研发计划 (No. 2024YFD2101302)、四川省自然科学基金 (No. 2025ZNSFSC0229)、四川省科技计划、内蒙古中央引导科技发展资金 (No. 2024ZY0051)、中央高校基本科研业务费 (No. 2026TC051) 以及中国农业大学 2115 人才发展计划的资助。

杨旭东 | 刘秦南 | 刘浩淼 | 贾鑫 | 程勇强 | 胡晓平 | 殷立军
北京市植物资源功能食品重点实验室，食品科学与营养工程学院，中国农业大学，北京 100083，中国