《LWT》：Ultrasound-assisted enzymatic extraction, characteristics, and biological activities of
Benincasa hispida peel polysaccharides and their metal complexes
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本研究针对冬瓜皮(BH)多糖资源未充分利用及多糖-金属配合物研究中缺乏系统性金属离子效应比较的问题，开展了超声辅助酶法(UE)提取、纯化酸性多糖UE-BHPP-2，并成功制备了锌(UE-BHPP-2-Zn)、铁(UE-BHPP-2-Fe)、硒(UE-BHPP-2-Se)三种金属配合物。研究发现配合物展现出金属特异性的抗氧化和降血糖活性，且在模拟消化中具有良好的微量元素递送潜力，证实了金属离子络合是一种高效的多糖功能化策略，为开发兼具生物活性和微量元素补充能力的双功能材料提供了新途径。
在追求健康生活的今天，功能性食品和营养补充剂的需求日益增长。多糖，作为自然界中广泛存在的生物大分子，因其多样的生物活性而备受关注。然而，许多天然多糖存在提取效率低、生物活性有限等问题，限制了其应用。同时，微量元素如铁、锌、硒对人体健康至关重要，但传统的无机盐补充剂往往存在吸收率低、副作用大等缺点。将多糖与金属离子结合，形成多糖-金属配合物，被认为是提升多糖功能性和开发新型微量元素补充剂的有效策略。然而，当前的研究多集中于单一金属离子的配合物，缺乏对不同金属离子如何特异性影响多糖结构和功能的系统性比较研究，这阻碍了我们对这类材料构效关系的深入理解。
另一方面，农业副产物的高值化利用是可持续发展的关键。冬瓜(Benincasa hispida, BH)是一种常见的蔬菜，但其不可食用的果皮（约占果实总重的15%）通常被作为废弃物丢弃，不仅造成资源浪费，还可能带来环境压力。冬瓜皮中含有丰富的活性成分，包括多糖，但其多糖的组成、功能特性及改性策略尚缺乏深入研究。
为了应对这些挑战，一项发表在《LWT》杂志上的研究应运而生。研究人员以冬瓜皮为原料，旨在通过先进的提取技术获取高质量的多糖，并系统性地研究其与不同金属离子（Fe(III), Zn(II), Se(IV)）配合后的结构变化和功能增强效果，以期开发出兼具生物活性和微量元素补充能力的双功能材料。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了几项关键技术。首先，他们采用了超声辅助酶法(UE)从冬瓜皮中提取多糖，该方法结合了超声波的空化效应和酶的专一性降解作用，能高效破坏植物细胞壁，显著提高多糖得率。接着，通过阴离子交换层析(DEAE-Sepharose CL-6B)和凝胶过滤层析(Sephadex G-150)对粗多糖进行分离纯化，得到均一的酸性多糖组分UE-BHPP-2。然后，通过水相合成法分别制备了UE-BHPP-2与铁、锌、硒的金属配合物。对所得多糖及其配合物的表征涉及了高效凝胶渗透色谱(HPGPC)分析分子量(Mw)和均一性，离子色谱分析单糖组成，傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析官能团和配位情况，X射线衍射(XRD)分析晶体结构，以及热重分析(TGA)评估热稳定性。生物活性评价则包括体外抗氧化实验（ABTS+·和·OH自由基清除能力、总还原力）和降血糖活性（α-淀粉酶抑制率(IA)测定）。最后，通过体外模拟胃肠消化模型评估了金属配合物中微量元素的释放行为。
3.1. Extraction, separation, and purification of UE-BHPPs
研究人员首先优化了UE提取工艺。通过单因素试验和响应面法(RSM)优化，确定最佳酶解参数为复合酶浓度1%，纤维素酶:果胶酶活性比1:2 (U/U)，pH 6。最佳超声参数为功率420 W，时间32 min，温度61 °C，液料比70 mL/g。在此条件下，UE-BHPPs的提取率达到14.58%，比传统热回流提取法(3.5%)提高了316.57%。这种显著的提升归因于超声波和酶的协同效应，能有效破坏细胞结构，促进多糖溶出。粗多糖经过DEAE-Sepharose CL-6B阴离子交换柱和Sephadex G-150凝胶柱纯化后，得到主要组分UE-BHPP-2，其得率（基于UE-BHPPs-2干重）为56.28%。
3.2. Physicochemical characteristics analysis of UE-BHPP-2 and UE-BHPP-2-metal complexes
对UE-BHPP-2及其金属配合物的理化性质分析表明，金属复合成功。UE-BHPP-2-Fe、UE-BHPP-2-Zn和UE-BHPP-2-Se的金属含量分别为92.30 ± 5.04 mg/g、12.09 ± 1.95 mg/g和0.94 ± 0.04 mg/g。与UE-BHPP-2相比，配合物的中性糖含量(NSC)和糖醛酸含量(UAC)普遍降低，尤其是UE-BHPP-2-Se的UAC下降最为明显，这可能是由于修饰过程中的水解作用所致。蛋白质含量(PC)在配合物中也显著降低，可能与修饰过程中的反应条件导致蛋白质变性有关。分子量(Mw)分析显示，UE-BHPP-2-Fe和UE-BHPP-2-Zn的Mw略有增加，而UE-BHPP-2-Se的Mw明显降低，这反映了不同金属离子（Fe3+的交联作用，Zn2+的平衡作用，Se4+在强酸条件下的降解作用）对多糖链的不同影响。单糖组成分析表明，所有样品均由鼠李糖(Rha)、半乳糖(Gal)、木糖(Xyl)、阿拉伯糖(Ara)等8种单糖组成，但摩尔比例在修饰后发生改变，特别是糖醛酸（葡萄糖醛酸GlcA和半乳糖醛酸GalA）的含量显著下降，说明修饰主要影响了多糖的侧链。
3.3. Structural analysis of UE-BHPP-2 and UE-BHPP-2-metal complexes
结构表征结果进一步证实了金属配合物的形成。紫外光谱(UV)显示UE-BHPP-2-Fe在200-400 nm区域吸收增强，提示存在配体到金属的电荷转移。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)中，配合物在羟基和羧基区域的吸收峰发生位移和强度变化，表明金属离子与多糖中的-OH和-COOH基团发生了配位。X射线衍射(XRD)图谱显示UE-BHPP-2、UE-BHPP-2-Fe和UE-BHPP-2-Se均为无定形结构，而UE-BHPP-2-Zn出现了新的衍射峰，表明Zn2+的引入诱导了晶体形态的改变。热重分析(TGA)表明所有多糖都具有良好的热稳定性，其中UE-BHPP-2-Zn的热稳定性最佳，其最大分解温度(Tmax)和残炭率最高。
3.4. Bioactivities analysis of UE-BHPP-2 and UE-BHPP-2-metal complexes
生物活性评价是本研究的核心。在抗氧化活性方面，四种多糖均表现出浓度依赖性的ABTS+·和·OH自由基清除能力以及还原力。值得注意的是，在5 mg/mL浓度下，UE-BHPP-2-Zn的·OH清除活性比UE-BHPP-2提高了17.0%，表现出最佳的·OH清除效果。而UE-BHPP-2本身由于具有最高的糖醛酸含量，其ABTS+·清除活性最强。还原力在不同样品间差异不显著。在降血糖活性方面，UE-BHPP-2-Zn同样表现出色，其对α-淀粉酶的抑制率(IA)在5 mg/mL时达到90.76 ± 1.92%，比UE-BHPP-2提高了2.83%。UE-BHPP-2-Fe和UE-BHPP-2-Se的抑制活性则低于UE-BHPP-2。这些活性差异与多糖的化学组成（如糖醛酸、总酚含量(TPC)、总黄酮含量(TFC)和特定单糖如Ara的含量）密切相关。体外模拟消化实验表明，三种金属配合物在胃肠环境中均能缓慢释放金属离子，在胃消化阶段（酸性环境）释放率较快并达到平衡，在肠消化阶段（弱碱性环境）释放率有所下降并趋于稳定，显示出良好的消化稳定性和作为微量元素缓释补充剂的潜力。
3.5. Correlation analysis
相关性分析揭示了多糖特性与其生物活性之间的内在联系。糖醛酸含量(UAC)、蛋白质含量(PC)、总酚含量(TPC)、总黄酮含量(TFC)、水溶性(WS)以及甘露糖(Man)、鼠李糖(Rha)、葡萄糖醛酸(GlcA)、半乳糖醛酸(GalA)、阿拉伯糖(Ara)等单糖与抗氧化和降血糖活性呈正相关。而木糖(Xyl)和葡萄糖(Glc)则与这些活性呈负相关。金属释放率与分子量(Mw)呈显著正相关。这表明多糖的生物活性是其多种结构特征协同作用的结果。
综上所述，本研究成功地从冬瓜皮中高效提取了多糖UE-BHPP-2，并制备了其铁、锌、硒金属配合物。研究系统地揭示了不同金属离子对多糖结构、理化性质和生物活性的特异性影响。特别重要的是，发现UE-BHPP-2-Zn配合物在抗氧化（尤其是·OH清除）和抑制α-淀粉酶方面表现出显著增强的活性。同时，所有金属配合物在模拟胃肠消化中均表现出良好的稳定性和缓释特性。这项工作不仅为冬瓜皮这一农业副产物的高值化利用提供了理论依据和技术路径，而且通过比较不同金属离子的效应，深化了对多糖-金属配合物构效关系的理解。研究结果证实，金属离子络合是一种高效的多糖功能化策略，所开发的多糖-金属配合物有望成为新型的双功能材料，在功能性食品和营养补充剂领域具有广阔的应用前景。未来的研究可进一步通过体内实验验证其生物利用度和安全性，并利用X射线光电子能谱(XPS)、核磁共振(NMR)等技术在分子水平上阐明其相互作用机制。
