4.1　魔芋葡甘聚糖的分子結(jié)構(gòu)

4.1.1　魔芋葡甘聚糖分子的鏈結(jié)構(gòu)

高分子的結(jié)構(gòu)層次分為鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和織態(tài)結(jié)構(gòu)。鏈結(jié)構(gòu)包含分子的近程結(jié)構(gòu)（如化學(xué)組成、糖苷鍵、支鏈等）和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（如分子量、分子量分布、鏈構(gòu)象等）。而聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要是指高分子溶液的有序結(jié)構(gòu)。KGM屬于天然高分子，其結(jié)構(gòu)信息如下。

4.1.2　魔芋葡甘聚糖分子的近程結(jié)構(gòu)

魔芋品種較多，不同魔芋品種塊莖中KGM的含量與種類也有所不同，但魔芋葡甘聚糖分子具有相似的結(jié)構(gòu)。從整體上看多數(shù)KGM是由分子比為1:1.6（花魔芋，A. konjac）或1:1.69（白魔芋，A. albus）的D-葡萄糖和D-甘露糖殘基通過β-1，4-糖苷鍵聚合而成。如圖4-2所示，在KGM分子主鏈上，約32個糖殘基存在一個支鏈，支鏈以β-1，3-糖苷鍵連接在甘露糖的C3上，長度約為3～4個糖殘基。此外，每間隔10～19個糖殘基，就會在D-甘露糖的C2、C3或者C6位上連有一個乙酰基。

4.1.3　魔芋葡甘聚糖分子的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)

（1）分子量

KGM分子整體骨架鏈結(jié)構(gòu)具有相似性，但是其分子量和聚合度卻因種類、品種、加工方法及原料的貯藏時間不同而存在差異。目前國內(nèi)外學(xué)者測量KGM分子質(zhì)量的數(shù)值一般在1.0×105～2.0×106Da，即10萬～200萬。例如，Kishida等人利用光散射法測得的重均分子質(zhì)量M_w為1.12×106Da，李光吉測得KGM的重均分子質(zhì)量M_w為9.8×105Da。

（2）鏈構(gòu)象

多糖分子在溶劑中并非以單一直鏈方式存在，由于分子與溶劑分子存在氫鍵、疏水相互作用等作用力而呈現(xiàn)出一些構(gòu)象，如卷曲、半柔性鏈、剛性鏈、單雙及三重螺旋鏈構(gòu)象等。在構(gòu)象的形成過程中，氫鍵起著關(guān)鍵作用。氫鍵可使多糖形成螺旋結(jié)構(gòu)，或通過分子間的相互作用使多糖分子聚集。目前關(guān)于KGM在水溶液中的鏈構(gòu)象主要存在三種假說。

假說1：雙螺旋結(jié)構(gòu)

根據(jù)X射線衍射得到的相關(guān)數(shù)據(jù)認(rèn)為KGM分子骨架或主鏈主要形成雙螺旋構(gòu)象，即隨著O6位置的旋轉(zhuǎn)，在O3～O5'位置形成分子間氫鍵，從而形成穩(wěn)定的雙螺旋構(gòu)象。在單位晶胞中包含四條反平行的極性鏈和8個水分子。通過測定KGM在0.2mol/L的NaCl溶液中的回轉(zhuǎn)半徑R_g=（105±0.9）nm，認(rèn)為此結(jié)果與黑真菌葡聚糖（單螺旋構(gòu)象）、裂褶多糖（三重螺旋構(gòu)象）、黃原膠（雙螺旋構(gòu)象）以及香菇多糖（雙螺旋構(gòu)象）等結(jié)構(gòu)具有很強的相似性，因此推測KGM在水溶液中可能具有同樣的螺旋構(gòu)象。

假說2：半柔性卷曲線團構(gòu)象

經(jīng)測定KGM在水相體系中的特性黏度[η]、沉降系數(shù)以及黏均分子M_η，計算獲得馬克·霍溫克方程（Mark-Houwink）冪律關(guān)系式：

式中，粒子極化率α=0.74±0.01。極化率數(shù)值可直接反映出高分子鏈的剛性程度和溶劑化能力，因此可判斷KGM分子為半柔性卷曲線團結(jié)構(gòu)。Prawitwong等發(fā)現(xiàn)在0.1mol/L磷酸鹽緩沖液（pH=6.8）中，KGM分子也主要為半柔性卷曲線團構(gòu)象。此外，通過原子力顯微鏡觀察到KGM分子的三維結(jié)構(gòu)形貌為伸展的鏈狀結(jié)構(gòu)，且單鏈長度為950～1100nm，平均分子鏈長約1020nm，高度約0.7～1.0nm。

假說3：非典型螺旋結(jié)構(gòu)

隨著計算機模擬技術(shù)在食品大分子領(lǐng)域中應(yīng)用的拓展，采用分子動力學(xué)模擬的方法可探究KGM分子鏈在不同溶劑體系中的可能構(gòu)象及其穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)在模擬水溶液中，維持KGM分子的氫鍵作用是最強的。此外，KGM結(jié)構(gòu)中的乙酰基對氫鍵作用大小起很大的作用。在去除乙酰基之前，氫鍵主要存在于分子的主鏈之間，在去除乙酰基之后，只有5個氫鍵存在，3個存在于側(cè)鏈與主鏈之間，1個在側(cè)鏈間，1個在主鏈間。因此，乙酰基可以改變分子間氫鍵的位置，從而影響KGM的結(jié)構(gòu)構(gòu)象。通過對比不同溫度下分子動態(tài)模擬結(jié)果和旋光特性，發(fā)現(xiàn)在低溫條件下，KGM表現(xiàn)出螺旋構(gòu)象的旋光性；隨著溫度的升高，旋光性降低，當(dāng)溫度達(dá)到341K時，螺旋構(gòu)象被破壞，分子鏈表現(xiàn)出無規(guī)則排列，旋光性消失。

（3）特性黏度和有效摩擦半徑

特性黏度[η]（intrinsic viscosity）在計算電中性高分子的分子量及判斷其分子鏈柔順性方面具有非常重要的作用。不同來源的KGM在水溶液中的特性黏度大致為12.7～23.6dL/g。而改變?nèi)軇﹦t對KGM特性黏度影響較大，如KGM在20mmol/L NaCl溶液中的特性黏度為5.5dL/g，KGM在氫氧化鎘／乙二胺溶液中特性黏度為3.91dL/g。而KGM在4mol/L尿素中的特性黏度要比在水溶液中高。

結(jié)合[η]和M_η的數(shù)值，可以根據(jù)如下公式來計算KGM的有效摩擦半徑（effective frictional radius，R_E）：

式中，[η]為特性黏度；M_η為黏均分子量；N_A為阿伏伽德羅常量；R_E為有效摩擦半徑。

常見市售KGM樣品的有效摩擦半徑范圍在60～72nm。

4.1.4　魔芋葡甘聚糖的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

天然的KGM有α型（非晶型）和β型（結(jié)晶型）兩種結(jié)構(gòu)。KGM聚集態(tài)不含高度有序的結(jié)構(gòu)，X射線衍射結(jié)果顯示KGM主要呈無定形結(jié)構(gòu)，由分子鏈聚集形成松散形態(tài)，僅有少數(shù)結(jié)晶，結(jié)晶度約為18.87%。通過偏振光學(xué)顯微鏡和圓二色譜測試，發(fā)現(xiàn)KGM在水溶液中當(dāng)濃度超過7%時表現(xiàn)出液晶態(tài)，溫度達(dá)80℃時液晶態(tài)也沒有改變。差示熱量掃描分析該體系沒有發(fā)現(xiàn)液晶相的溶膠和凝膠轉(zhuǎn)變。

KGM之所以形成甘露聚糖的晶型結(jié)構(gòu)，是因為同晶置換現(xiàn)象。幾乎所有的葡甘聚糖重結(jié)晶后可形成兩種晶型：甘露糖Ⅰ和甘露糖Ⅱ。結(jié)晶溫度、介質(zhì)極性、分子量對結(jié)晶形態(tài)均會產(chǎn)生影響。總結(jié)如下：

（1）高溫有利于形成甘露糖Ⅰ，低溫有利于形成甘露糖Ⅱ；

（2）介質(zhì)極性越大，越有利于甘露糖Ⅱ形成，如水、乙酸、氨。弱極性或非極性介質(zhì)則易產(chǎn)生甘露糖Ⅰ結(jié)構(gòu)，如酒精或丙酮。當(dāng)用乙酸作為反應(yīng)介質(zhì)，紅木葡甘聚糖重結(jié)晶后形成甘露糖Ⅱ；

（3）低分子量有利于甘露糖Ⅰ形成，低分子量的葡甘聚糖能避免分子鏈的折疊，在高溫下形成Ⅰ型結(jié)構(gòu)。高分子量有利于形成甘露糖Ⅱ。