基于离子液体与微射流协同作用的酵母β--葡聚糖增溶机制研究

摘要

酵母β-葡聚糖(Yeastβ-D-glucan，YG)具有良好的免疫调节活性，被卫生部列为“新资源食品”。然而β-葡聚糖分子的三螺旋构象，导致其难溶于水及大多数有机溶剂，严重制约了在各领域的应用。离子液体l-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐（1-butyl-3-methylimidazolium acetate，EmimAc）结合高压微射流(High Pressure Microfluidization，HPM)可用于改性增溶β-葡聚糖，但其改性增溶机制尚未明晰。本文明确了修饰改性过程中β-葡聚糖结构与理化性质的变化规律，揭示了EmimAc-HPM改性增溶β-葡聚糖的机制，并进一步将EmimAc-HPM技术用于可德兰多糖改性增溶研究。β-葡聚糖水溶性的提高，将扩大其在食品领域、化妆品领域及生物医药行业的应用，促进酵母行业的发展。 优化了EmimAc-HPM改性增溶酵母β-葡聚糖的工艺参数:β-葡聚糖浓度2wt％，HPM压力24000psi，HPM循环处理8次，EmimAc循环使用5次。基于最佳工艺，EmimAc处理β-葡聚糖(EYG)水溶性达75.53±0.49％，EmimAc-HPM改性β-葡聚糖(EMYG)水溶性达85.01±0.45％。表明EmimAc对酵母β-葡聚糖聚合物具有很强的溶解能力，EmimAc-HPM技术可显著提高β-葡聚糖水溶性。 明确了处理前后酵母β-葡聚糖分子量、流变性及热特性变化。未处理β-葡聚糖(YG)分子量（Molecular Weight，Mw）为598300g/mol，处理后EYG和EMYG的Mw分别为528000和171300g/mol，分散度却由1.213增加至2.187，表明EmimAc与HPM处理降低了β-葡聚糖Mw，使大分子β-葡聚糖解聚为小分子化合物，从而使其水溶性增加;改性后β-葡聚糖流变学特性改变，即YG高浓度样品损耗模量G"大于低浓度样品，储能模量G'小于低浓度样品，然而改性后EMYG高浓度样品G'和G"均小于低浓度样品，是由于改性后β-葡聚糖溶解度增加导致其动态粘弹性变化。处理后β-葡聚糖热分解温度显著下降，热稳定性逐渐降低。 阐明了处理前后β-葡聚糖结构与构象变化。处理前后β-葡聚糖形貌结构发生显著变化，由最初紧密严实的三螺旋构象转变为EmimAc-HPM改性后的无规则链状结构;YG在9.5°与31°处均具有衍射吸收峰，而处理后β-葡聚糖相对应的衍射吸收峰却明显消失，表明处理后β-葡聚糖结晶度降低，是因为β-葡聚糖天然的三螺旋结构受到破坏;处理后β-葡聚糖最大吸收峰由185nm逐渐红移到187.5nm，反映了其三螺旋结构逐渐被破坏，最终转变为“类β-折叠”结构;处理前后β-葡聚糖一级结构不变，仍以β-(1-3)糖苷键相连。揭示了EmimAc-HPM改性增溶酵母β-葡聚糖的机制:EmimAc阳离子环上的氢(H)质子与β-葡聚糖上的羟基（-OH）形成氢键，破坏了β-葡聚糖原本存在的分子内、分子间强烈的氢键作用力;同时，HPM破坏了β-葡聚糖天然的三螺旋构象，降低了其分子量，从而提高了β-葡聚糖水溶性。 EmimAc-HPM同样适用于可德兰多糖的改性增溶。EmimAc处理可德兰多糖(RC)与EmimAc-HPM改性可德兰多糖(RMC)的水溶性分别达74.41±0.63％和83.11±0.56％，说明EmimAc对线性可德兰多糖也具有很强的溶解能力。研究表明，RC结构变得疏松均一，天然的三螺旋结构被破坏，结晶度降低，热稳定性下降;EmimAc阳离子上的H原子与可德兰多糖上的-OH形成氢键，使可德兰多糖分子内与分子间强烈的氢键作用力被破坏，从而促使其水溶性提高。