阳离子对魔芋葡甘露聚糖促进凝胶化作用以及对κ-卡拉胶相变的影响

《Food Chemistry》：Influences of cations on the gelation-promoting effect of konjac glucomannan on the phase transition of κ-carrageenan

协同凝胶的熵驱动效应受离子浓度影响：KGM/κ-Car系统在K?和Ca2?存在下，凝胶强度随离子浓度增加先升后降，AFM显示高浓度Ca2?形成致密纤维结构，SAXS证实网络连接性增强但过交联导致结构破坏。

　　

Jia Chen|Sicong Yan|Yu Feng|Yishen Li|Yi Liu|Guohua Zhao|Binjia Zhang|Dongling Qiao

由四川和重庆共同支持的重庆特色食品重点实验室，西南大学食品科学学院，中国重庆400715

摘要

通过混合魔芋葡甘露聚糖（KGM）和κ-卡拉胶（κ-Car），可以制备出具有协同作用的凝胶。KGM的柔性链对κ-Car的相变具有熵驱动的促进作用，提高了其凝胶化温度（ΔTs）和熔化温度（ΔTm）。然而，加入KCl或CaCl₂会逐渐减弱这种促进作用，降低KGM/κ-Car的ΔTs和ΔTm。这些盐还导致了明显的微观结构变化，在Ca²⁺浓度≥0.03?mol/L时，形成了致密的纤维结构和短纤维束，这些变化通过原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）观察到。SAXS结果显示，随着阳离子浓度的增加，凝胶的域大小和相关长度也随之增加，表明凝胶网络更加紧密，强度增强。因此，凝胶硬度分别达到了729?g（K⁺）和774?g（Ca²⁺）。然而，过量的Ca²⁺会导致凝胶过度交联并削弱其性能。这些发现强调了熵驱动的协同作用与离子交联之间的平衡，为设计具有定制协同特性的KGM/κ-Car凝胶提供了指导。

引言

协同作用凝胶（SIGs）可以通过结合两种多糖来形成。魔芋葡甘露聚糖（KGM）和κ-卡拉胶（κ-Car）是这种多糖对的典型例子。由于它们在改性和改善流变学及质地特性方面的多功能性，已被应用于食品系统中以提供更好的口感（Wang, Zhou, Guo, & Liu, 2021），作为脂肪替代品（Hao et al., 2024），以及3D打印材料（Gu et al., 2024; Russo Spena, Visone, & Grizzuti, 2024）。此外，它们还显示出作为脂肪细胞培养支架（Gu et al., 2024）和输送亲脂化合物（Shu, Liu, Mao, Yuan, & Gao, 2024）的高潜力。

KGM是一种可从魔芋块茎中提取的水溶性多糖（Nishinari, 2000）。作为一种线性多糖，KGM在碱性条件下加热时可以形成凝胶（Nishinari & Zhang, 2004）。然而，在没有碱的帮助下，KGM只能形成粘稠液体而不能形成凝胶（Liu, Ren, Cheng, Zhao, & Zhou, 2021）。κ-Car是一种线性硫酸化半乳聚糖，由多种红藻中的1,3-连接的β-d-半乳吡喃糖和1,4-连接的3,6-脱水-α-d-半乳吡喃糖单元组成（Geonzon et al., 2022）。关于KGM和κ-Car的协同凝胶化机制，普遍认为KGM在冷却过程中与κ-Car的自聚体（如双螺旋、单螺旋）发生协同作用，形成SIG的三维网络结构（Dea & Morrison, 1975; Williams, Clegg, Langdon, Nishinari, & Piculell, 1993）。我们之前的研究表明，KGM的柔性链对κ-Car的相变（从无序卷曲结构转变为螺旋结构）具有促进作用，这可能是由于KGM链构象熵的增加（Li et al., 2024）。

食品系统中普遍存在的阳离子由于硫酸基团的存在，对κ-Car的构象转变行为有显著影响（Nickerson, Paulson, & Hallett, 2004）。根据其促进螺旋形成的能力，这些阳离子被分为三类：“特异性”单价阳离子（K⁺, Cs⁺, Rb²⁺）、“非特异性”单价阳离子（Li⁺, Na⁺）和二价阳离子（Mg²⁺, Ca²⁺, Ba²⁺, Zn²⁺）（Stephen & Phillips, 2016）。其中，非特异性单价阳离子在稳定螺旋结构方面的作用不如前两类明显，而“特异性”单价阳离子可能通过抑制电荷间接起作用，二价阳离子则可能通过直接结合来“粘合”卡拉胶的螺旋结构（Evageliou, Ryan, & Morris, 2019）。

尽管阳离子对κ-Car的凝胶化促进作用已得到广泛研究，但其在KGM/κ-Car系统中对KGM促进作用的影响却鲜有报道。Williams等人指出，在κ-Car发生卷曲-螺旋转变后，阳离子的存在会显著降低KGM的流动性（Williams et al., 1993）。目前，阳离子存在下KGM对κ-Car的凝胶化促进作用的变化仍不清楚。为此，选择了单价阳离子K⁺和二价阳离子Ca²⁺作为典型研究对象，利用流变仪、微差示扫描量热法（micro-DSC）、原子力显微镜（AFM）和同步辐射小角X射线散射（SAXS）研究了它们对KGM/κ-Car系统中KGM促进作用的影响。本研究还揭示了不同盐离子在该系统组装过程中的具体作用，为KGM/κ-Car SIGs食品系统的合理设计与调控提供了理论指导。

材料

魔芋葡甘露聚糖（重量平均摩尔质量：9.049?×?10⁵?Da）购自湖北康森魔芋科技有限公司（武汉，中国）。κ-卡拉胶（重量平均摩尔质量：5.742?×?10⁵?Da）由上海麦克林生化有限公司（上海，中国）提供。KCl和CaCl₂为超纯级试剂，购自中国医药化学试剂有限公司（上海，中国）。反渗透（RO）水和超纯（UP）水来自ULUPURE系列

温度扫描和微差示扫描量热分析

为了探究加入K⁺和Ca²⁺后KGM对κ-Car促进作用的变化，记录了KGM/κ-Car系统在第一次冷却-加热-第二次冷却过程中的储能模量（G），结果如图1所示。κ-Car表现出典型的冷凝胶行为，即在冷却过程中储能模量（G）急剧增加，在加热过程中减少。K⁺和Ca²⁺的加入促进了κ-Car的凝胶化，使其储能模量增加

结论

本研究探讨了在KCl或CaCl₂存在下，KGM对κ-Car相变过程中熵驱动的凝胶化促进作用的变化。随着K⁺或Ca²⁺浓度的增加，KGM的凝胶化促进作用逐渐减弱，在较高浓度（即 0.04和0.05?mol/L）时消失。AFM观察表明，K⁺和Ca²⁺使κ-Car形成了更紧密的螺旋结构，从而限制了KGM的凝胶化促进作用。

CRediT作者贡献声明

Jia Chen：撰写 – 原始稿撰写、可视化处理、实验设计、数据分析。Sicong Yan：可视化处理、实验设计、数据分析。Yu Feng：可视化处理、实验设计、数据分析。Yishen Li：可视化处理、实验设计、数据分析。Yi Liu：可视化处理、方法学设计、数据分析。Guohua Zhao：撰写 – 审稿与编辑、资源协调、项目管理、数据分析。Binjia Zhang：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢重庆市科技创新与应用发展重点项目（CSTB2022TIAD-KPX0091）和中央高校基本科研业务费（SWU-KR23010）的支持。同时，我们也感谢上海SSRF的BL19U2 SAXS光束线工作人员在数据收集方面提供的帮助。