近日，西北师范大学新农村发展研究院王俊龙教授、张继研究员团队在食品领域Top期刊《Food Hydrocolloids》（中科院一区，IF= 11）在线发表题为“The dissolution of galactomannans in type II/III deep eutectic solvents: Effect of polysaccharide structure and interaction mechanism”的论文。本研究通过计算化学结合实验的研究方法对半乳甘露聚糖在II 和III 型低共熔溶剂（DESs）中溶解行为进行了研究，并进一步探究了不同结构类型的半乳甘露聚糖和DESs的互作机制。西北师范大学生命科学学院硕士研究生郭朵朵为该论文的第一作者，王俊龙教授为通讯作者。
成果简介
半乳甘露聚糖，作为一种多功能结构多糖，在生物医学、化妆品、食品科学及抗菌材料等多个领域展现出巨大潜力，具有减少热量摄入、血糖管理以及降低心脏病等生物活性。然而，其分子内致密的氢键网络是制约其在水中及传统有机溶剂（如二甲亚砜、酰胺等）中溶解的关键因素，极大地限制了半乳甘露聚糖的进一步功能化与应用开发。针对这一挑战，低共熔溶剂（DESs）作为一种新兴的绿色溶剂体系，不仅能够显著提高多糖的溶解效率，促进提取过程，还因其独特的溶剂性质可以促进多糖的功能化，拓展其应用范围。值得注意的是，尽管DESs在多糖提取中的应用已展现出一定优势，但对于DESs与多糖结构之间复杂的溶解机制及相互作用关系尚缺乏深入的研究。
（1）半乳甘露聚糖在Ⅱ型DESs中的溶解效应
研究者选取两种典型的半乳甘露聚糖:刺槐豆多糖（LBG）和瓜尔豆多糖（GG）作为研究对象，利用量子化学计算结合实验的研究方法，预测并验证了LBG和GG在传统II型DESs中的溶解效应，筛选出ChCl-EG=1:4（C1E4）进行后续研究。
（2）半乳甘露聚糖在DESs中的溶剂机制
研究者首先研究了C1E4组分间的氢键相互作用（AIM、ESP、LUMO 、HOMO及MD等）并对再生半乳甘露聚糖进行结构表征（核磁、红外、分子量等）。结果表明II型DESs中的强阴离子和中性氢键破坏并重建了半乳甘露聚糖的氢键网络，表现出显著的物理增溶。此外，半乳甘露聚糖的溶解度与其分子量和半乳糖（Gal）取代基的分布模式有关:GG结构中的高分子量特征和丰富的Gal侧链（毛发区）阻碍了氢键的断裂，导致低溶解度（0.16 g / 100 m L）。与GG区相比，LBG结构中具有更多的“平滑区”，与DESs 通过更强的相互作用促进糖链溶解（4.29 g / 100 m L）。
（3）半乳甘露聚糖在Ⅲ型DESs 中的溶解效应
进一步，以AlCl3·6H2O为第三组分设计合成Ⅲ型DESs，通过增加C1E4中AlCl3·6H2O的摩尔比，制备了8种Ⅲ型DESs。与C1E4相比，LBG和GG的平均溶解度分别提高到3.91 g / 100 m L和2.54 g / 100 m L。
通过对再生半乳甘露聚糖的结构表征，AlCl3·6H2O引入的Lewis酸性位点，使得Ⅲ型DESs不仅破坏和重建了半乳甘露聚糖氢键网络，而且随着AlCl3·6H2O 摩尔比增加，有效增加对多糖的溶解同时，Lewis酸性位点与糖苷键相互作用增强，呈现出
并改变半乳甘露聚糖的单糖组成。因此，Ⅲ型DESs对不同Gal取代基和分子量分布的半乳甘露聚糖具有良好的溶解性能，并可以通过调节AlCl3·6H2O的含量来调控半乳甘露聚糖的分子量。
综上所述，该研究揭示了半乳甘露聚糖在DESs中的溶解机制，并指出DESs的溶解度与半乳甘露聚糖结构特征之间的显著相关性:具有低分子量以及较少Gal侧链的半乳甘露聚糖与DESs之间产生更强的氢键互作并重构糖链间氢键，从而有效促进溶解。这一研究结果不仅为提升多糖类物质的溶解性能构建了一个研究框架，也为设计具有特定功能和应用需求的DESs提供了极具前景的策略。
创新点/应用前景
半乳糖甘露聚糖是食品、医药、农业和日用化工产品中大量使用的天然高分子，其高分子量和随机分布的非线性结构使得进一步的功能化面临巨大的挑战。DESs在多糖提取中已呈现出一定优势。然而，多糖作为结构多样性极高的生物高分子，不同结构特征的多糖在DESs中的溶解行为和互作机制仍不清楚。本研究结果表明不同结构特征的多糖与DESs的互作具有显著差异，可通过多糖结构特征进行特定DESs的设计和合成，以满足多糖的充分溶解和进一步结构功能化的需求，为设计具有特定功能和应用需求的DESs以及优化多糖溶解过程提供新见解。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110552。
学者/专家介绍
王俊龙教授
西北师范大学
现任西北师范大学生命科学学院教授,博士生导师，先后主持国家自然科学基金、甘肃省杰出青年基金项目、甘肃省高等学校产业支撑计划项目、甘肃省联合基金、甘肃省自然科学基金等多项科研项目。在Food Hydrocolloids、Carbohydrate Polymers、International Journal of Biological Macromolecules等期刊发表研究论文40余篇，授权11项国家发明专利。主要从事特色植物资源、陇药高值化利用关键技术和应用研发，研究方向为生物大分子结构与功能活性，研究兴趣包括高活性多糖的结构和功能研究、多糖活性衍生物的合成方法、糖链结构的多维度表征和构效关系研究。
张继研究员
西北师范大学
现任西北师范大学生命科学学院研究员，带领团队致力于西北特色农业产业发展，针对制约油橄榄、亚麻、百合等特色产业发展的技术难题，开展了自主创新和集成创新研究，攻克了多个技术瓶颈和关键问题，创新天然多糖、生物碱、功能油脂等功能产品品质保持与提升关键技术体系，开发出系列产品并产业化生产。研究成果获省部级以上奖励20余项，完成国家科技支撑计划、国家自然科学基金及省级重大课题50余项，为省内外300余家企业提供技术服务，建立生产示范基地（线）100个。
撰稿人
郭朵朵硕士研究生
西北师范大学
西北师范大学生命科学学院2024届硕士研究生，主要从事生物大分子结构与功能相关研究。在读期间发表SCI论文3篇。
