新西兰本土蕨类植物新型亲水胶体与κ-卡拉胶及低酰基结冷胶的相互作用

《Food Hydrocolloids》：Interaction of novel hydrocolloids from indigenous New Zealand ferns with κ-carrageenan and low-acyl gellan gum

　　

摘要
对可持续亲水胶体日益增长的需求推动了从新西兰多样化的蕨类植物中提取多糖的探索。本研究调查了从黑树蕨（mamaku 胶，MG）和手掌蕨（kiokio 胶，KG）中提取的多糖与初筛自商业亲水胶体的 κ-卡拉胶（κC）和低酰基结冷胶（LAG）之间的相互作用。MG 和 KG 是表现出异常剪切增稠行为的非凝胶化阴离子葡糖醛酸甘露聚糖，但它们与其他多糖的相互作用仍未被探索。

使用流变学、质构剖面分析（TPA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、冷冻扫描电镜（cryo-SEM）、脱水收缩、持水性（WHC）和冻融稳定性对混合物进行了表征，涵盖了不同的混合比例、温度、离子强度和 pH 值。MG 和 KG 的粗提物和纯化品在这些混合物中的影响不同；含有粗提蕨胶的 κC 和 LAG 凝胶显著更坚硬，其功能主要由内源性离子主导。相反，含有纯化蕨胶的 κC 和 LAG 凝胶较软，不均匀，并显示出微相分离，这在 pH 3 和 pH 9 时加剧。这些发现与导致相分离凝胶网络的偏聚相互作用一致。

从配方角度看，纯化蕨胶能够独立于离子效应调节凝胶微观结构和功能，为离子敏感配方提供了优势。LAG 与纯化 MG 的混合物在经历一次冻融循环后也保持了其持水性，突显了其在冷冻产品中的潜力。总体而言，粗提和纯化蕨胶的不同行为提供了一种灵活的混合多糖系统中质地改性的方法。

引言
近年来，从蕨类植物中提取的水溶性粘性多糖引起了越来越多的兴趣，因为它们具有作为食品和非食品应用中可持续替代天然功能添加剂来源的潜力（Pei et al., 2022; Zeng & Lai, 2019; Zhao et al., 2019）。新西兰可能在这一研究领域的推进中发挥先驱作用，因为它拥有约 200 种蕨类植物，其中估计有 40% 是该国特有的（保护部，未注明日期）。此外，毛利人（原住民）有着悠久的利用蕨类植物作为食品和药品的历史，例如黑树蕨（Sphaeropteris medullaris）和手掌蕨（Parablechnum novae-zelandiae）。黑树蕨羽片的白色髓部以粘稠著称，曾被用作药膏或缓解腹泻。手掌蕨丰富的羽片也被用作烹饪期间的食物包裹物，其年轻卷曲的拳卷叶也被食用（Crowe, 2009）。将毛利知识转化为当代多糖研究，为检验这些土著资源的物理化学功能是否可以开发成增值应用提供了具有文化和历史基础的合理性。特别是，了解它们与既有商业多糖的相互作用可能提供一条途径，将本地来源的蕨类多糖纳入配方食品系统，同时扩展这些未充分探索的新型亲水胶体的功能谱系。

近二十年来，人们对黑树蕨多糖进行了 intensive 研究，积累了关于其流变、物理化学和结构特性，采收年龄、化学（离子、pH 和尿素）、加工（温度、剪切和干燥）以及商业化放大条件的影响，以及其对胃肠功能和结肠发酵的影响的prehensive 知识（Bisht, 2023; Bisht, Goh, & Matia-Merino, 2023; Bisht, Goh, Sims, et al., 2023; Carnachan et al., 2019; Goh et al., 2007; Goh et al., 2011; Jaishankar et al., 2015; Matia-Merino et al., 2012; Tresidder, 2018; Wee, 2015; Wee et al., 2017; Wee et al., 2014; Wee et al., 2015a, 2015b）。最近，人们也对手掌蕨多糖进行了广泛的研究。同样，也获得了关于其流变、物理化学和结构特性，以及加工和化学环境影响的知识（Peh, Goh, et al., 2026; Peh, Matia-Merino, et al., 2026）。然而，黑树蕨和手掌蕨多糖与商业多糖的相互作用仍然 largely 未受探索。

黑树蕨多糖是一种非凝胶化、剪切增稠胶，分子量高（约 3 x 106 Da），呈半柔性无规线团构象（Goh et al., 2007; Goh et al., 2011）。它是一种阴离子杂多糖，具有由甲基化酯化的 4-葡萄糖醛酸吡喃糖（GlcpA）和 2-甘露糖吡喃糖（Manp）组成的葡糖醛酸甘露聚糖主链（Wee et al., 2014）。此外，它对通过透析从粗胶中去除离子敏感，这会导致剪切增稠性的丧失，因为该特性是由阳离子的存在促进的瞬时分子间氢键赋予的（Jaishankar et al., 2015; Wee et al., 2015a）。然而，重新添加 0.05 M NaCl 可恢复透析胶的剪切增稠性；此外，阳离子浓度和价态对此恢复具有显著影响（Wee et al., 2015a）。尽管如此，在粗提形式下，它表现出对高 NaCl 浓度（高达 1 M）和 pH（尤其是 pH 3 到 9 之间）的良好耐受性（Matia-Merino et al., 2012）。然而，其剪切增稠特性在 75°C 以上降低，并在 95°C 时丧失，这是由于热解聚所致（Bisht, Goh, Sims, et al., 2023）。手掌蕨多糖与黑树蕨胶共享几个关键特征——它同样是一种非凝胶化、剪切增稠、高分子量（约 2.5 x 106 Da）的无规线团阴离子杂多糖，具有葡糖醛酸甘露聚糖主链（Peh, Goh, et al., 2026）——但在重要方面有所不同。与黑树蕨胶相反，手掌蕨胶的透析会导致剪切增稠性的不可逆丧失，无法通过重新引入离子来恢复。其粗胶还对离子强度增加高度敏感，以及偏离其天然 pH 值 5，这会导致粘度和剪切增稠的大幅降低（Peh, Goh, & Matia-Merino, 2026）。与黑树蕨一样，粗提手掌蕨胶易受高温（> 55 °C）影响，这是由于热解聚，这降低了其粘度并削弱了剪切增稠行为（Peh, Matia-Merino, et al., 2026）。

在食品工业中，非淀粉多糖（NSP）混合物以不同浓度使用，以实现所需的感官和物理化学特性，同时保持成本效益。在混合多糖系统中，根据它们的热力学相容性，聚合物可能独立行为（偏聚）或协同相互作用（缔合）。偏聚相互作用导致相分离或捕获的凝胶网络，而缔合相互作用产生互穿或耦合的凝胶网络（Morris et al., 2012; Sikora & Kowalski, 2007; Williams et al., 1994）。因此，确定主导的相互作用模式对于预测和控制混合物功能至关重要。这些相互作用受阳离子、多糖电荷和链构象等因素的影响（Williams, 2009），这些共同决定了食品系统的微观结构、宏观性质和功能性能（De Kruif & Tuinier, 2001; Gao et al., 2017; Gentile, 2020; Goh et al., 2020）。

然而，尽管混合多糖行为的基础知识可用，但蕨源多糖与商业亲水胶体的相互作用仍然 largely 未受探索。因此，本研究旨在对由蕨源多糖（黑树蕨和手掌蕨）和两种商业亲水胶体（κ-卡拉胶和低酰基结冷胶，经初筛后选定）组成的混合多糖系统进行系统表征，涵盖不同的混合比例、离子强度、pH 条件和储存制度，目的是阐明它们的相互作用性质。假设每种蕨胶的粗提和纯化形式将与商业胶体以不同方式相互作用——粗提形式主要通过其内源性离子起作用，而纯化形式则通过多糖链本身起作用。因此，比较这两种形式被用作分离离子与聚合物对混合系统行为贡献的手段。

κ-卡拉胶是从红藻（Rhodophyta）细胞壁中提取的硫酸化半乳糖，由交替的 3-糖苷键连接的 β-D-半乳糖和 4-糖苷键连接的 α-D-半乳糖（以 3,6-脱水-D-半乳糖的形式）残基组成的线性主链构成。它在 pH 9 时最稳定，但在 pH 4 以下解聚，其化学敏感性受反离子和共溶质的影响，这影响了多糖构象。已报道了 κ-卡拉胶与鹰嘴豆胶、塔拉胶、黄原胶和魔芋葡甘聚糖之间的协同相互作用（Tuvikene, 2021）。低酰基结冷胶是由水韭鞘氨单胞菌（Sphingomonas elodea）分泌的完全脱乙酰基胞外多糖。它是一种阴离子线性四糖，重复单元为 →3)-β-D-葡萄糖吡喃糖-(1→4)-β-D-葡萄糖醛酸吡喃糖-(1→4)-β-D-葡萄糖吡喃糖-(1→4)-α-L-鼠李糖吡喃糖-(1→（Sworn & Stouby, 2021）。κ-卡拉胶和低酰基结冷胶均被归类为凝胶胶，通常形成坚硬、脆性和热可逆凝胶。它们通过氢键、阳离子介导的交联或疏水相互作用形成连接区，从而产生强而稳定的三维结构。凝胶化主要通过加热、冷却、酸化和酶处理等过程诱导。在加热下，这些胶体溶解并处于无序无规线团状态。在冷却期间，发生无序到螺旋的转变。这些螺旋随后聚集形成结构，并由减少链间静电排斥的阳离子促进。聚集分别由 K+ 和 Ca2+ 促进，用于 κ-卡拉胶和低酰基结冷胶（Sworn & Stouby, 2021; Tuvikene, 2021）。虽然几项研究表明非常规非淀粉多糖如黄芥末胶和决明胶与 κ-卡拉胶之间存在协同相互作用（Fang et al., 2024; Wang et al., 2022），但本研究首次将一种天然存在、非凝胶化、具有独特剪切响应行为的新型蕨类多糖引入 κ-卡拉胶和低酰基结冷胶凝胶网络中。与蕨源胶体相反，κ-卡拉胶和低酰基结冷胶均为凝胶多糖，这使得它们与非凝胶化蕨胶的混合物成为研究非凝胶多糖成分如何影响已建立的凝胶网络结构和功能的特别有趣的系统。

理解黑树蕨和手掌蕨多糖与这些广泛使用的商业多糖之间的相互作用至关重要，以建立这些新型蕨源多糖是否可以部署来调节食品和非食品产品的物理化学特性和功能。

章节片段
蕨胶的提取
手掌蕨（Parablechnum novae-zelandiae）的羽片采集自新西兰的曼阿瓦图 - 旺加努伊（Manawatū-Whanganui）地区。从羽片中获得水溶性多糖（粗胶）的温水提取过程如 Peh, Matia-Merino, et al. (2026) 所述。粗胶在进一步纯化或分析前进行冷冻干燥。4.9%（wt/wt）总固体的黑树蕨（Sphaeropteris medullaris）冷冻粗胶按照之前报道的方法提取（Tresidder, 2018）并使用。

蕨胶纯化程度对相互作用的影响
基于文献中已确立的知识，离子介导的凝胶形成是 κC 和 LAG 与粗提蕨胶在筛选期间观察到的凝胶形成的最可能解释（第 2.4 节）。然而，假设含有粗提蕨胶的系统——具有其内源性离子和多糖——与仅含水性离子溶液的系统之间的凝胶性质会有所不同。因此，有必要测试观察结果是否 solely 是...

结论
新型非凝胶化蕨源多糖 MG 和 KG 可与 κC 和 LAG 混合，以调节这些商业胶体的物理化学特性和功能。MG 和 KG 均在粗提和纯化形式下进行了评估，并探索了涉及乙醇沉淀和/或透析的各种纯化过程排列。结果表明，MG 和 KG 可利用其粗提和纯化形式在这类中产生不同的结构和性质...

CRediT 作者贡献声明
Kelvin K.T. Goh：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法学，资金获取，数据管理，概念化。
Mark R. Waterland：写作 – 审阅与编辑，方法学。
Felicia Zhi Wen Peh：写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法学，调查，形式分析，概念化。
Xu Yong Han：软件，方法学，调查，形式分析。
Lara Matia-Merino：写作 – 审阅与编辑，监督，项目...

未引用参考文献
Bisht et al., 2023; Cerna et al., 2003; Peh et al., 2026; Peh et al., 2026.

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

资金
Massey Foundation 提供的 Massey-Singapore Food Technology PhD Scholarship 资助了这项研究。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

致谢
我们感谢 Dr. Nichola Harcourt（Manaaki Whenua 生物经济科学研究所的 Kaihautū 毛利研究影响领导者）提供文化审查和毛利知识（mātauranga Māori）考量。我们感谢 Dr. Allan Hardacre, Dr. Patrick Janssen, Mr. Peter Jeffery, Mr. Jun Han Lim 和 Mr. Jerome Chua 协助蕨类采集和/或提取。我们感谢 Massey Gardening 部门提供使用木材时所需的设施空间...

Felicia Zhi Wen Peh|Xu Yong Han|Kelvin K.T. Goh|Mark R. Waterland|Lara Matia-Merino
新西兰帕默斯顿北梅西大学食品技术与自然科学学院