脱脂芝麻籽仁多糖的结构解析及其功能特性研究：热稳定性与抗氧化活性的新发现

《Food Chemistry》：Polysaccharides from defatted sesame seed kernel: Structural characterization and potential applications

本研究针对脱脂芝麻籽仁中多糖资源未被充分开发利用的问题，系统开展了芝麻籽仁多糖（SMP）的提取、纯化、结构表征及功能活性研究。通过超声辅助碱法提取和DEAE-52柱层析分离获得五个纯化组分（SMP-1至SMP-5），发现SMP-2为主成分（36.5%），其结构以(1→5)-连接的α-L-阿拉伯呋喃糖线性骨架为特征。研究证实SMP-1、SMP-2和SMP-3在250°C以下保持热稳定，而SMP-4和SMP-5表现出显著的DPPH、·OH和DMPD+自由基清除活性。该研究为芝麻加工副产物的高值化利用和功能性多糖的开发提供了理论依据和技术支撑。

　　

在植物油料供应日益紧张的背景下，实现油料作物的综合利用已成为一个重要课题。芝麻（Sesamum indicum L.）作为一种古老的油料作物，富含油脂（50%–55%）、蛋白质（20%–25%）和碳水化合物（10%–15%），其消费可显著降低体脂百分比和肥胖指数。芝麻油提取后的脱脂副产物富含高质量蛋白质和多糖（约35%），是一种极具价值的资源。天然多糖具有高溶胀性、生物相容性、无毒、可生物降解、水溶性好等特性，以及免疫调节、降血糖、降压、抗炎、抗肿瘤和抗癌等生理活性，目前广泛应用于食品、医药、保健品和化妆品等领域。然而，以往的研究大多集中在芝麻蛋白上，对其多糖的应用关注相对较少。脱脂芝麻籽仁中的粗提多糖可能混有其他物质，如生物活性肽、活性蛋白、低分子量糖和酚类化合物，且对其结构表征和功能性的认识尚不全面，关于芝麻籽仁多糖的纯化及其潜在营养应用的研究尝试较少。因此，对芝麻多糖进行提取、纯化和结构表征，对于促进芝麻籽仁多糖的综合利用至关重要。

本研究旨在从脱脂芝麻籽仁副产物中提取和纯化多糖，表征其基本组成和结构，并评估其自由基清除能力。这将有助于芝麻副产物资源的利用，并为芝麻多糖的潜在应用提供指导。研究人员采用超声辅助碱提取法（使用5% KOH，50°C，30分钟）从脱脂芝麻籽仁中提取多糖，经过脱色、脱蛋白以及使用不同浓度NaCl（0, 0.1, 0.3, 0.5, 和 0.7 mol/L）进行柱色谱分离，获得了五个纯化的多糖组分（SMP-1, SMP-2, SMP-3, SMP-4, SMP-5）。关键技术方法包括：利用高效阴离子交换色谱（HPAEC）分析单糖组成，使用配备右角光散射系统（RALS）和示差折光检测器（RID）的高压尺寸排阻色谱系统（HPSEC）测定分子量分布，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、甲基化分析结合气相色谱-质谱联用（GC-MS）以及核磁共振波谱（NMR，包括 ¹H NMR, ¹³C NMR, ¹H–¹H COSY, HSQC, HMBC）对多糖结构进行表征，并采用羟基自由基（·OH）、DPPH自由基和DMPD⁺自由基清除实验评估体外抗氧化活性。实验材料为市售的白芝麻（郑芝13号），经干燥、粉碎、脱脂后得到脱脂芝麻籽仁（DSK）粉末。

3.1. 纯化多糖组分的得率和形态

通过离子交换色谱分离前，从芝麻籽仁中获得的粗芝麻籽仁多糖（SMP）得率为5.26%。分离后，洗脱曲线显示SMP主要由五个组分构成，其得率分别为SMP-1（0.92%）、SMP-2（2.12%）、SMP-3（0.65%）、SMP-4（0.95%）和SMP-5（0.47%）。总糖含量分别为96.5%（SMP-1）、95.4%（SMP-2）、91.30%（SMP-3）、92.3%（SMP-4）和90.9%（SMP-5）。蛋白含量分别为2.59%（SMP-1）、3.20%（SMP-2）、6.51%（SMP-3）、6.41%（SMP-4）和8.96%（SMP-5）。冻干纯化多糖的形态观察显示，SMP-1、SMP-4和SMP-5呈薄条状，而SMP-2和SMP-3呈片状。结果表明，SMP-2的得率显著高于其他组分（2.2–4.5倍），且保持了良好的水溶性和优于SMP-3、SMP-4和SMP-5的纯化性能，因此后续对SMP-2进行了更深入的结构表征。

3.2. 单糖组成

五个纯化多糖组分的单糖组成分析表明，SMP-1主要由葡萄糖（44.4%）组成，还含有阿拉伯糖（20.6%）、半乳糖（19.1%）和木糖（15.9%）。SMP-2、SMP-3、SMP-4和SMP-5则富含阿拉伯糖（42.9%–71.4%）和半乳糖（13.3%–33.3%），并含有显著量的鼠李糖（7.6%–11.4%）。SMP-1中未检测到糖醛酸，而SMP-2的糖醛酸含量相对较高，达到9.6%（其中葡萄糖醛酸6.8%，半乳糖醛酸2.8%），SMP-3、SMP-4和SMP-5的糖醛酸含量较低，分别为5.4%、3.7%和3.7%。木糖仅存在于SMP-1（15.9%）和SMP-5（13.9%）中。

3.3. 分子量分布

五个样品的分子量分布存在显著差异（p < 0.05）。SMP-1、SMP-2、SMP-3、SMP-4和SMP-5的重均分子量（M_w）分别为21,676、36,240、41,464、8,505和268,649 Da。数均分子量（M_n）分别为18,175、16,570、3,692、1,979和15,426 Da。多分散指数（M_w/M_n）分别为1.193（SMP-1）、2.187（SMP-2）、11.228（SMP-3）、4.297（SMP-4）和17.414（SMP-5）。SMP-1、SMP-2和SMP-4较小的多分散指数表明这些组分的均一性较高。

3.4. FTIR表征

五个纯化多糖的FTIR光谱在1200–1000 cm^-1范围内的吸收带表明它们都具有吡喃型结构。在898 cm^-1处的特征吸收峰对应于β-糖苷键。约3412 cm^-1处的宽吸收峰归因于分子内或分子间氢键，2926 cm^-1处的峰显示CH₂基团的对称或不对称伸缩振动。约1542 cm^-1处的吸收带指示蛋白质氨基基团，SMP-1和SMP-2在此区域的吸收峰较弱，与其较低的蛋白质含量一致。1735、1419和1336 cm^-1处的羰基振动峰不显著，表明糖醛酸含量较低，这与单糖组成分析结果一致。随着洗脱盐浓度的增加，多糖组分在3412、1637和1200–1100 cm^-1处的特征吸收峰变得更加强烈，表明糖醛酸和糖苷键的含量更高。

3.5. 热分析

热重（TG）和微分热重（DTG）曲线分析显示，初始质量损失（45°C–125°C）归因于水分蒸发，损失率分别为SMP-1（11.1%）、SMP-2（8.8%）、SMP-3（10.1%）、SMP-4（13.1%）和SMP-5（16.0%）。在180°C–350°C之间观察到与多糖分解和解聚相关的降解阶段，重量损失百分比分别为SMP-1（65.1%）、SMP-2（64.6%）、SMP-3（54.3%）、SMP-4（58.7%）和SMP-5（60.2%）。DTG曲线显示SMP-1、SMP-2、SMP-3、SMP-4和SMP-5的最高损失速率温度分别为293.5°C、298.4°C、287.5°C、254.0°C和248.1°C。结果表明，SMP-1、SMP-2和SMP-3在250°C以下保持稳定，其中SMP-2的热稳定性最高。SMP-1、SMP-2和SMP-3致密聚集的形态可能增强了其热稳定性。

3.6. 甲基化和NMR谱分析

对主要组分SMP-2进行了甲基化分析和NMR谱分析（包括 ¹H NMR, ¹³C NMR, ¹H–¹H COSY, HSQC, HMBC）。甲基化分析结果表明，SMP-2主要包含十种糖苷键连接模式，其中→5)-L-Araf-(1→的摩尔比最高（4.13%），其次是→3)-D-Galp-(1→（2.02%）。NMR分析进一步确认了其结构特征，¹H NMR中未出现6–8 ppm的信号，表明SMP-2中不含阿魏酸或酚类化合物。化学位移分析表明，SMP-2的结构主要以(1→5)-连接的α-L-阿拉伯呋喃糖（Araf）单元构成的线性骨架为特征，并含有半乳糖（Galp）、鼠李糖（Rhap）等残基形成的侧链。这与富含阿拉伯糖的藜麦等多糖结构有相似之处，可能具有形成黏液屏障等生理活性潜力。

3.7. 体外抗氧化活性

体外抗氧化活性评估显示，在0.1–5.0 mg/mL浓度范围内，所有样品的自由基清除活性与浓度呈正相关。SMP-4和SMP-5表现出最强的自由基清除能力。对于·OH自由基，SMP-4和SMP-5的IC₅₀值分别为1.19 mg/mL和1.59 mg/mL；对于DPPH自由基，IC₅₀值分别为2.33 mg/mL和1.35 mg/mL；对于DMPD⁺自由基，IC₅₀值分别为2.57 mg/mL和1.92 mg/mL。值得注意的是，SMP-4在1 mg/mL浓度下的·OH自由基清除能力与阳性对照维生素C（VC）相当。纯化前的粗多糖（SMP）的自由基清除能力显著高于SMP-1、SMP-2和SMP-3，这可能是因为纯化过程去除了粗多糖中的酚类化合物、生物活性肽和活性蛋白。然而，SMP-4和SMP-5的自由基清除活性显著高于SMP，表明纯化有效地分离出了高活性多糖并暴露了活性位点。其较强的抗氧化活性可能与其富含阿拉伯糖、半乳糖和鼠李糖等还原性单糖，以及特定的糖苷键（如1→3, 1→4, 1→6连接）和较大的分子量有关。

3.8. 芝麻籽仁多糖的应用

基于其特性，芝麻籽仁多糖及其纯化组分在不同领域具有应用潜力。SMP-1、SMP-2和SMP-3优异的热稳定性（稳定至250°C以上）使其有望应用于需要耐高温多糖的热加工食品中，如烘焙食品、灭菌饮料或人造肉产品。SMP-4和SMP-5强大的抗氧化活性（在5 mg/mL时DPPH自由基清除率超过90%）使其可作为天然抗氧化剂用于功能性饮料、膳食补充剂或外用制剂，以缓解氧化应激相关疾病。此外，SMP-2中不含酚类污染物，使其适合用于敏感的化妆品配方，降低了与富含酚类植物提取物相关的过敏风险。该研究符合将油籽加工废物转化为高价值成分、减少环境足迹和支持循环经济目标的日益增长的需求。

本研究成功从脱脂芝麻籽仁中提取了多糖（SMP，得率5.26%），并通过离子交换柱层析分离获得五个组分（SMP-1至SMP-5），其分子量范围为8.5–268.6 kDa。研究发现SMP-1、SMP-2和SMP-3具有良好的热稳定性，有潜力作为耐热食品添加剂应用；SMP-4和SMP-5则表现出显著的自由基清除活性，可作为天然抗氧化剂。SMP-2作为主要组分（得率2.12%），其结构解析揭示其以(1→5)-连接的α-L-阿拉伯呋喃糖线性骨架为主，这与芝麻壳多糖（富含半乳糖醛酸，主要价值在于抗氧化活性）有所不同，展现了芝麻籽仁多糖在结构和功能上的独特性。该研究为芝麻加工副产物的高值化利用提供了重要的理论依据和实践路径。然而，研究也存在一些局限性，如粗多糖得率相对较低，未来可探索联合超声-酶法提取等技术以提高得率；多糖的构效关系尚不明确，需进一步开展体内生理活性研究以阐明其应用潜力。未来研究应聚焦于优化多糖提取工艺、阐明其应用特性、明确多糖结构与体内生理活性之间的关系，从而推动芝麻副产物多糖资源的充分利用。这项研究深化了对芝麻籽仁多糖的认识，为开发新型功能性食品配料和天然抗氧化剂提供了科学基础，对促进农产品加工副产物增值和可持续发展具有重要意义。