《Food Hydrocolloids》：Enzymatic Mw Tailoring of
Ulva clathrata Polysaccharide: Impact on Fe3+-Crosslinked Hydrogel Properties
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通过乌贼菜多糖（UEs）的分子量（Mw）精准调控优化Fe3+交联水凝胶性能。研究发现，经ulvan lyase酶解后，中等分子量（441.8 kDa）的UEs/FeCl3水凝胶具有最佳力学性能（硬度0.304 N）、高持水性（94.98%）和热稳定性（148.5°C），扫描电镜显示其微观结构更致密均匀。研究揭示了分子量对多糖凝胶网络形成的关键作用，为开发可持续食品和生物医学水凝胶提供理论依据。
王燕|卜凯轩|乔乐可|杜春英|刘艳霞|王鹏
中国海洋大学食品科学与工程学院，山东省青岛市266404，中华人民共和国
摘要
分子量（Mw）对多糖的凝胶行为具有决定性影响。本研究使用乌尔凡裂解酶（ulvan lyase）对Ulva clathrata多糖（UEs，富含硫酸化鼠李糖聚糖）进行精确的分子量调控，成功将其分子量从593.8 kDa降低到327.6 kDa，同时保留了硫酸酯基团和糖苷键合模式等关键结构特征。在Fe3+交联后，研究了分子量对UEs/FeCl3水凝胶的机械性能、微观结构和热稳定性的影响。结果表明，中等分子量（UE-10，441.8 kDa）的水凝胶网络最为稳定，表现出最高的硬度（0.304 N）、最大持水能力（94.98%）和热稳定性（148.5 °C）。扫描电子显微镜（SEM）分析进一步证实，中等分子量有助于形成更致密、更均匀的微观结构。这些发现表明，通过精确的酶控方法调整分子量可以优化U. clathrata多糖水凝胶的凝胶性能和功能特性，为可持续食品和生物材料水胶体的合理设计提供了宝贵见解。
引言
水凝胶是一种三维聚合物网络，以水作为分散介质，是封装生物活性成分的理想平台（Bao, Xian, Yuan, Liu, & Wu, 2019）。食品级天然聚合物（如多糖、蛋白质）成分以其无毒性、优异的生物利用度和可降解性而闻名。其中，多糖在食品和生物医学领域得到广泛应用。其丰富的官能团和可调的物理化学性质赋予了它们独特的生物学优势，使其成为水凝胶基质的理想候选材料。
Ulva clathrata是一种富含水溶性多糖（UE）的海洋藻类资源，其主要成分是乌尔凡。乌尔凡是一种硫酸化多糖，主要由鼠李糖、葡萄糖醛酸和木糖组成（Chi et al., 2020）。其分子结构中含有亲水性的硫酸基团和羧基，能够形成离子键和氢键（Bu et al., 2025），从而促进网络的形成。然而，基于乌尔凡的水凝胶通常具有较低的机械强度、有限的水分保持能力和松散的网络结构，这限制了它们在食品系统中的质地改良作用或在生物医学领域作为机械稳定支架的应用（Kidgell et al., 2021）。虽然Bu et al.（2026）研究了硫酸基团含量对凝胶网络形成的影响，但分子量对乌尔凡凝胶行为的内在影响仍需进一步探索。
多糖的凝胶行为受其物理化学性质调控，其中分子量（Mw）被认为是影响凝胶特性的关键因素。乌尔凡是一种高分子量的多糖，通常范围在225至721 kDa之间（Cindana Mo’o, Wilar, Devkota, & Wathoni, 2020; Kidgell, Magnusson, de Nys, & Glasson, 2019）。类似多糖（如卡拉胶）的研究表明，过高的分子量（2590 kDa）和过低的分子量（200 kDa）会导致较差的凝胶性能（Souza, Hilliou, Bastos, & Gon?alves, 2011）。因此，确定最佳的分子量范围对于实现理想的凝胶强度和网络结构至关重要。与物理或化学方法相比，酶促降解是一种更为精确的控制分子量的策略，后者往往会导致不可控的链断裂或结构特征丧失（Yu et al., 2020）。特别是乌尔凡裂解酶这种β-(1→4)-特异性内切酶，能够特异性切割Rha3S和GlcA或IdoA之间的糖苷键，从而精确地调节乌尔凡链长并保持其结构（Tang, Zhu, & Yao, 2022）。这种酶学方法为研究U. clathrata多糖的分子量依赖性凝胶机制提供了可靠手段。
本研究通过酶促降解制备了分子量可控的UEs，并系统研究了分子量对Fe3+交联UEs水凝胶的质地、微观结构、流变学和热性能的影响。我们假设中等分子量范围可以通过平衡聚合物链的缠结程度和交联效率来获得最佳的机械性能。这项工作为基于乌尔凡的功能性水凝胶在食品和生物医学应用中的合理设计提供了基础理论支持。
材料与试剂
干燥的U. clathrata切片采自中国山东省荣城县的沿海地区。乌尔凡裂解酶（EC 4.2.2.-，3 U/mL）由中国海洋大学提供。一个单位的乌尔凡裂解酶活性定义为每分钟生成1 μmol不饱和葡萄糖醛酸残基所需的蛋白量（消光系数为4800 M?1·cm?1）。使用了不同分子量的葡聚糖标准品（80、150、410和670 kDa）以及单糖标准品（Man,
UEs的物理化学特性
UEs的基本物理化学信息见表1。在不同酶降解时间内，硫酸盐含量和单糖组成保持相对稳定，硫酸盐含量范围为11.98%至14.36%。单糖组成分析显示，鼠李糖（约50%）是UEs中的主要糖类，其次是葡萄糖醛酸（约27%）以及少量的葡萄糖和木糖。高含量的葡萄糖醛酸赋予UEs丰富的羧基官能团，结论
本研究通过控制酶促降解有效优化了UE的凝胶行为，明确了分子结构与凝胶性能之间的关联。由中等分子量（441.8 kDa）UE制成的水凝胶表现出优异的结构稳定性，这归因于聚合物链长度、缠结密度和配位位点可及性的最佳平衡。相比之下，过长或过短的聚合物链长度都会影响凝胶性能。
作者贡献声明
王燕：撰写——初稿、方法论设计、数据整理。刘艳霞：撰写——审稿与编辑、数据分析。杜春英：撰写——审稿与编辑、数据分析。王鹏：撰写——审稿与编辑、监督工作、方法论设计、资金获取、概念构思。乔乐可：撰写——审稿与编辑、数据分析。卜凯轩：撰写——审稿与编辑、数据分析
未引用参考文献
Cindana Mo’o et al., 2020; Kraithong et al., 2024; Kraithong et al., 2025; Nie et al., 2025; Wu et al., 2025; Zhang et al., 2023; Zhang et al., 2023.
利益冲突
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了菏泽市科技发展计划项目（KJQYPY202504）的资助。
