脉冲式低功率超声在可得然多糖高效降解中的应用及机理研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：The use of pulsed ultrasound with reduced power delivery to degrade the polysaccharide curdlan

本研究针对可得然多糖（curdlan）水溶性差、高分子量限制其临床应用的问题，创新性地采用低功率脉冲超声（50%占空比）与连续超声对比降解可得然多糖。结果表明，脉冲超声仅需连续超声1/6的功率输入，即可在更短时间内（25分钟降解60%）实现更高效的链断裂，且产物分子量分布更均一（?降至1.06）。该研究为绿色、低能耗制备中低分子量活性多糖提供了新策略，对推动功能性β-葡聚糖在医药和食品领域的应用具有重要意义。

　　

可得然多糖（curdlan）是一种由革兰氏阴性菌产生的线性β-(1→3)-D-葡聚糖，因其独特的凝胶特性和免疫调节活性，在食品和医药领域展现出广阔应用前景。然而，其高分子量（通常超过600 kDa）和极强的分子间氢键网络导致水溶性极差，严重限制了其生物可利用性和实际应用。传统化学或酶法降解方法易引发结构破坏、副反应多或效率低下，尤其难以破解可得然多糖在水中形成的致密三螺旋结构。因此，开发一种高效、可控且环保的降解方法，以获得水溶性改善、分子量适中且生物活性保留的可得然多糖片段，成为当前研究的重点。

超声波技术，特别是低频率高强度超声波，因其能够通过空化效应产生剧烈的机械剪切力，从而非随机性地断裂聚合物链，已成为降解多糖的有力工具。超声波降解无需添加化学试剂，条件温和，可避免单体的过度生成。然而，连续超声处理存在能量效率低、探头磨损严重、空化气泡聚集削弱降解效果等问题。近年来，脉冲超声模式因其可能通过间歇式能量输入增强空化强度、减少气泡屏蔽效应而受到关注，但其在可得然多糖降解中的效能及机理尚不明确。

为此，华沙医科大学药物技术与药物生物技术系的Eliza Malinowska等人在《Ultrasonics Sonochemistry》上发表研究，系统比较了连续超声与低功率脉冲超声（功率降低至1/6）对可得然多糖的降解效果。研究通过监测分子量变化、分散性（?）、降解动力学及链断裂模型，深入探讨了脉冲超声的高效性及其作用机制，旨在为低能耗、高性能制备均一多糖产品提供新思路。

本研究采用了几项关键技术方法：首先，使用高效尺寸排阻色谱-蒸发光散射检测器（HPSEC-ELSD）精确测定可得然多糖在不同超声处理时间下的分子量及其分布；其次，分别应用一级、二级动力学模型及Ovenall/Harrington/Madras（OHM）模型拟合降解过程，以确定降解速率常数（k）和极限分子量（M_lim）；第三，通过中点断裂模型和随机断裂模型分析链断裂机理；最后，开发了一种迭代模拟算法，结合实验数据优化参数（如空化强度、断裂不对称度），模拟不同分子量片段的动态变化过程。所有实验均在pH 10.35的5 mM醋酸铵缓冲液中进行，超声处理温度控制在50±5°C。

分子量变化与分散性分析

研究发现在18小时连续超声处理中，可得然多糖分子量在前2小时内从约620 kDa迅速降至300 kDa以下，随后降解趋缓，6小时后稳定在210 kDa左右（即M_lim）。脉冲超声（50%占空比，功率28 W，强度1019 W/cm2）在95分钟内的降解效率显著高于连续超声（功率170 W，强度104 W/cm2）。脉冲处理25分钟即可将分子量降至250 kDa，而连续超声需65分钟才能达到类似效果。分散性（?）在脉冲超声下从1.13快速降至1.06，表明产物分子量分布更均一，链断裂更集中于分子中部。

降解动力学拟合

二级动力学模型（R2≈0.92）和OHM模型（R2>0.96）均能较好描述降解过程，但OHM模型因引入M_lim而拟合度更优。脉冲超声的降解速率常数（k_OHM=3.69×10^?2）高于连续超声（k_OHM=2.60×10^?2），证实其高效性。分子量倒数随时间的变化曲线显示，脉冲超声在初期（0-25分钟）降解速度是连续超声的两倍。

链断裂机制模拟

中点断裂模型（断裂点近链中心）的拟合优度（R2>0.97）显著优于随机断裂模型，表明超声降解倾向于非随机性地断裂可得然多糖链的中部。模拟分析进一步揭示，脉冲超声的断裂位置更接近分子对称中心（偏差6%），而连续超声的断裂对称性较差（偏差23%）。分子量大于400 kDa的片段在脉冲超声下25分钟内质量分数从85%骤降至3%，证实大分子片段优先降解。

质量分数动态变化

ΔMF（质量分数变化率）分析显示，脉冲超声处理下中低分子量片段（100-250 kDa）的积累速度更快，且降解过程在45分钟后基本稳定，而连续超声的降解效应持续至65分钟。这表明脉冲超声能更快达到降解平衡，有利于节能可控生产。

本研究通过严谨的实验设计和模型分析，证实低功率脉冲超声是一种高效、节能的可得然多糖降解策略。脉冲模式不仅通过提升局部空化强度加速大分子链的断裂，还因间歇操作减少气泡聚集，从而增强降解精准度。所得产物分子量分布窄，更符合功能性多糖的应用需求。该研究为绿色降解其他线性多糖（如β-葡聚糖）提供了理论依据和技术范例，在药物递送、免疫调节剂开发及功能性食品领域具有重要应用价值。未来研究可进一步探索脉冲参数（如占空比、频率）对降解选择性与生物活性的影响，以拓展超声技术在多糖改性中的潜力。