揭示阳离子植糖原的结构和功能特性

《Food Chemistry》：Revealing the structure and functional properties of cationic phytoglycogen

植物聚糖（PG）经GTAC改性后的结构-性能关系研究表明，C-2位优先接枝季铵盐基团，且团簇靠近非还原端分支点。实验结合DFT模拟揭示了六条反应路径，证实DS对粘弹性、热稳定性和界面张力调控的关键作用，为功能性食品开发（如稳定乳液、控释系统）提供理论依据。

　　

Jingyi Zheng | Huixuan Wang | Zhengyu Jin | Tao Zhang | Ming Miao

江南大学食品科学与资源国家重点实验室，中国江苏省无锡市214122

摘要

本研究探讨了用2,3-环氧丙基三甲基铵氯化物（GTAC）在不同取代度（DS）下改性的阳离子化植酸葡聚糖（PG）的结构-性能关系。通过¹³C核磁共振（NMR）表征证实，季铵基团主要接枝在葡萄糖单元的C-2位置；而酶促水解/串联质谱（MS）分析显示阳离子基团聚集在非还原端的支点附近。流变学、热重分析和界面稳定性分析评估了PG与其阳离子化衍生物在粘度、弹性、热稳定性和界面张力调节方面的差异。密度泛函理论（DFT）模拟确定了六条反应途径，其中途径Ia的能量最高且β-环氧基团的反应性最强。这些发现突出了取代度对材料性能的影响，为优化PG衍生物以用于功能性食品应用（如稳定乳液、脂肪替代品和控释系统）提供了见解，强调了精确改性的必要性。

引言

植酸葡聚糖（PG）是一种具有独特α-1,4和α-1,6糖苷键的超支化α-D-葡聚糖，作为一种天然水胶体，在食品应用中展现出显著优势。与传统食品水胶体（如淀粉和纤维素）不同，PG具有纳米级结构、高表面积和亲脂性空腔，能够有效包裹生物活性化合物（Adibnia等，2021；Xue & Luo，2021）。这些特性符合对可持续、功能性食品成分日益增长的需求，这些成分可以提高产品质量、稳定性和营养价值。然而，由于其封装效率低和易受消化酶影响等挑战（Xue & Luo，2021），需要通过先进的化学改性来充分发挥其潜力。例如，包括酶处理（Miao等，2014）和与脂肪酸的酯化（Xue等，2021）在内的化学改性方法增强了其功能性。

水胶体的阳离子化是一种通过静电相互作用来增强其功能性的策略性方法。例如，阳离子化淀粉衍生物已被广泛用作饮料和糖果中的乳化剂和增稠剂（Zhao等，2018），而阳离子化纤维素则提高了食品包装材料的着色效率（Wang等，2025）。同样，阳离子化壳聚糖具有抗菌性能，适用于可食用涂层和活性食品包装（Yu等，2023）。这些例子强调了阳离子化在调整水胶体性能以适应特定食品应用中的重要性。然而，控制PG阳离子取代模式的分子机制及其对流变学、热稳定性和生物利用度等食品相关性能的影响仍需进一步研究。

GTAC作为一种阳离子醚化剂，已被广泛用于改性天然聚合物，包括淀粉（Su等，2016）、瓜尔胶（Wan等，2017）、纤维素（Zhang等，2022）和壳聚糖（Cheng等，2024）。GTAC中季铵基团的强吸电子性质使得相邻的环氧α位点（图5A中的位置4）和β位点（图5A中的位置5）容易受到亲核攻击。关于GTAC的研究主要集中在优化改性天然聚合物的合成过程（Chen等，2023；Wang等，2009），发现较高的GTAC与无水葡萄糖单元（AGU）的摩尔比、升高的反应温度和延长的反应时间通常会增加取代度。然而，这些条件也可能导致多糖分子上出现多个接枝位点，使取代模式变得复杂（Wang等，2009）。多糖中的羟基反应性也会影响接枝位置，一级羟基（例如葡萄糖单元的O-6）由于空间位阻较小和亲核性较强，通常表现出更高的反应性（Hao等，2023）。尽管如此，GTAC的取代模式会因碳水化合物底物的不同而变化。例如，对纳米结晶纤维素、棉纤维素和软木硫酸盐浆的研究表明，纳米结晶纤维素和棉纤维素更倾向于2-羟基，而软木硫酸盐浆则对O-6位置的选择性更高（de la Motte等，2011）。同样，Haack等（2002）观察到GTAC改性的淀粉衍生物在C-2位置的阳离子化程度高于C6和C3位置，这一发现得到了阳离子化玉米淀粉衍生物的¹³C NMR分析的支持（Wang等，2009）。然而，具有独特结构特征的PG的阳离子化研究仍然不足。Maryam等（2021）的研究表明，GTAC改性的PG对亲脂性化合物的封装效率有所提高，但阳离子基团的空间分布及其与食品相关功能性的关联尚不清楚。阳离子处理显著增强了食品多糖的功能性。通过引入正电荷，这种改性拓宽了它们在食品抗菌应用中的应用前景（Han等，2022）。它还显著提高了乳化稳定性和生物粘附性，延长了在口服给药过程中的目标部位停留时间（Chen等，2023；Sakulwech等，2022）。阳离子基团通过增强分子链间的静电排斥和水合作用提高了多糖的溶解性和亲水性（Han等，2022；Trens等，2007）。从流变学角度来看，适度的阳离子取代在低浓度下会增加表观粘度，赋予弱凝胶性质（Supachettapun等，2024），同时提高玻璃化转变温度，改善高温加工过程中的结构稳定性（Liu等，2020）。此外，阳离子多糖通过吸附介导的内吞作用促进纳米颗粒的细胞摄取，从而提高功能性成分的递送效率（Deng等，2016）。

密度泛函理论（DFT）计算在探究淀粉-脂质复合物的分子结构和核磁共振性质（Schahl, Gerber等，2020）、阐明壳聚糖单体与GTAC之间的反应机制（Mu等，2016）、明确氢键网络在淀粉B型多态体结构特征中的作用（Schahl, Réat, & Jolibois，2020）、分析淀粉-碘复合物的着色机制（Pesek等，2022）以及指导基于淀粉的吸附剂设计并揭示其与重金属离子的相互作用机制（Bashir等，2020）方面表现出高度有效性。这些研究表明，DFT是一种强大的理论工具，能够深入揭示多糖及其衍生物的分子结构、电子性质、分子间相互作用和反应途径。

在本研究中，我们使用GTAC对PG进行了阳离子化处理，重点探讨了控制取代模式的分子级机制及其水胶体性质对食品应用的影响。通过结合实验技术（傅里叶变换红外光谱（FTIR）和¹³C NMR光谱、淀粉葡萄糖苷酶（AMG）水解以及计算建模（DFT模拟），我们阐明了GTAC-PG相互作用的反应途径和能量分布。结果表明，季铵基团主要在PG的O-2位置接枝，这与PG的流变性能、乳化能力和热稳定性的提高有关。这些见解为合理设计适用于特定食品应用的阳离子化PG衍生物提供了框架，例如用于营养品的控释系统或乳制品的稳定剂。这项工作还为设计具有定制流变性能和乳化能力的食品级阳离子多糖提供了理论基础。

材料

su-1型玉米来自中国北京农业科学研究院。GTAC购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。食用玉米油来自中国北京的中粮国际有限公司。来自黑曲霉的AMG购自爱尔兰Wicklow的Megazyme公司。所有化学品均为试剂级，来自中国上海的中国医药化学试剂有限公司。

PG的制备

PG是从新鲜su-1型玉米粒中提取的，采用了一种略有修改的方法

阳离子化PG的合成与表征

阳离子化PG是通过在碱性条件下将季铵基团引入PG分子中合成的。在本研究中，通过GTAC对PG进行衍生化制备了两种不同取代度的阳离子化PG变体（GTAL和GTAH）。合成过程中PG与GTAC的摩尔比为GTAL为1:5，GTAH为1:10。测量了阳离子化PG的ζ电位以评估改性分子的电荷特性。天然PG表现出负电荷

结论

总结来说，本研究综合运用了实验和计算方法，系统地阐明了阳离子化PG的结构-性能关系。¹³C NMR证实C-2位置的接枝活性最高。酶促水解分析进一步表明，季铵基团主要位于靠近非还原端的侧链上。研究发现，取代度显著影响材料性能：高取代度样品（GTAH）

CRediT作者贡献声明

Jingyi Zheng：撰写——初稿，研究。 Huixuan Wang：数据整理。 Zhengyu Jin：撰写——审阅与编辑。 Tao Zhang：撰写——审阅与编辑。 Ming Miao：监督，资金获取，概念构思。

未引用的参考文献

Hou等，2025

Wang和Miao，2025

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFF1100101）、国家自然科学基金（32130084）以及江南大学食品科学与资源国家重点实验室研究计划（编号SKLF-ZZB-202416）的财政支持。