全 文 ：麒麟菜多糖的研究 l 碱金属离子对琼枝多糖溶液
性质及凝胶结构的影响
林瑞询 郑淑 贞 陈欣权 罗厂建 林慧贞
前 ~ J一口
我们曾研究了琼枝多糖的组成 、 结构 以及溶液在不 同温度下的流变性质 〔 ` 一 2 , 本文
就碱金属离子对琼枝多糖溶液粘度 、 胶凝温度及凝胶结构的影响进行研究 。
卡拉胶 ( C: r r a g e e n a n ) 水溶液的性质和凝胶形成机理及结构的研 究 已 有 一 些 报
导 〔 3 ’ “ 〕 , 包括了碱金属离子对卡拉胶溶液性质的影 响及钾离子对 K 一卡拉胶的 “ 凝集 ”
作用 。 从这些报导中可以肯定 , 碱金属离子对卡拉胶溶液的性质及凝胶的形成有十分明
显的影响 。
我国海南岛琼枝 , 所 一含的多糖属于卡拉胶类 , 但其组成和结构与文献报导的卡拉胶
类型有差异 , 因而它对碱金属离子的敏感性也可能不同 。 我们从碱金属离子对琼枝多糖
的比浓粘度对多糖浓度线性关系的影响 , 来估价碱金属离子对琼枝多糖溶液 性 质 的 影
响 , 同时研究碱金属离子对琼枝多糖凝胶强度及胶凝温度的影响 , 并用扫描电子显微镜
研究了无外加金属离子和在钾离子存在下 , 琼枝多糖凝胶的聚集结构 , 探索碱金属离子
对琼枝多糖凝胶形成的作用 , 为利用这些离子改善琼枝多糖溶液性质及凝胶性质提供依
据 。
材 料 和 方 法
琼枝多糖的制备
参照文献 〔 1 〕所得琼枝多糖再配成 1 . 5% 水溶液 , 用 乙醇沉淀 , 过滤后用 乙醇洗
涤 , 5 5 “ C 干燥 。
试 剂
N a CI
,
K CI
,
R b C I
,
c s cl 及用于多糖纯化用的 乙醇均为分析试剂 。 用蒸馏水配 制
溶液 。
粘度测定
用乌氏粘度计 , 在 35 ` c : : 。 . 04 下测定粘度 , 琼枝多糖浓度 0 . 3% ( W / V ) 。
凝胶强度测定
将多糖溶液倒于直径 6 c m 高 1 c m 的培养皿中 , 成胶后于 5 毛放置 5 小时 , 后用直
径为 1 . c6 m 的金属柱塞垂直作用于凝胶上 , 当凝胶破裂时 , 凝胶单位面积的负荷定为凝
胶强度 。 所有测定凝胶强度的溶 液 , 琼枝多糖浓度为 1 . 5 叮 。
胶凝温度浏定
将 ! . 5% 多糖溶液倒 f 直径 工 。 ,。 长3 c0 ` , L的玻璃管 , { , , 乘热放于刘 c 以上的水浴中 ,
让水浴以 l ℃ / 3 一 4 分钟的速度降低温度 , 不断用光亮干净的钢珠 ( 球径约 1 m m ) 放
入玻璃管 , 至钢球不能下落时为胶凝温度 。
扫描电子显微镜观察
仪器型号 : 日立 S 一 4 3。 。
样品制备 : 将冷冻脱水后的凝胶用乙醇处理 , 切 片 , 真空千噪 。
结 果 和 讨 论
一 、 对爪。 / C 一 C 的线性关系的影响
以不同浓度的 N a CI , K CI , R b CI , C s CI 溶液作为溶剂 , 分别测定琼枝多糖浓度为
0
.
3%的多糖溶液粘度 , 并研究这些碱金属离子对 介 / C = 〔月 〕 + K 〔月 〕 “ C 式 的几 。 /
C 一 C 线性关系的影响 。
N a C I浓度分别为 0 . 2 N , 0 . I N , o . o 5 N , o . 0 1 N , 0 . o o 5 N , o . o o l N , 结果见表 l
及图 1
表 1 不同 N a C I浓度对琼枝多糖溶液粘度及凝胶性质的影晌
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N a C I浓度 ( N )
线 性 情 况
〔 月 〕 ( d l / g )
K
胶凝温度 ( ℃ )
凝胶强度 ( g / c m “ )
3 4
.
0
6 5
.
6
3 3
。
5
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图 I 不同 N a C I浓对仆 P / (一 C 线性的影响
K C I浓度分别为 : o , o o 7 N , 0 . Oo 5 N , o , O o Z N , 0 . 0 o 1 N , O . 0 0 0 1 N , 结果见 表 2
及图 2 。
K C I浓度 ( N ) …。 . 。。7 … 0 。 0 0 5 0 . 0 0 2
曲线 性 情 况 3 6
.
0 直 , 直 … 直
〔门 〕 ( d l / g ) 12 8 . 2 8 . 3 1 3 . 3 1 5 。 0
K 0
.
1 5 0
.
0 2 5
.
1 火 1 0一 3
胶凝温度 ( ℃ ) 3 4 . 5 3 4 。 0 3 2 。 0
凝胶强度 ( g / c m Z ) 1 0 9 . 2 7 6 . 3 6 7 . 8
图 2 不 同K C I浓度对 1 、 p / 一 C 线性的影响
R bC I浓度分别为 0 . Oo 5 N , o . o o 4 N , o . o o Z N , o . o o 1 5 N , 0 . o 0 1 N , o . o O 0 1 N 。 结
果见表 3 及图 3 。
表 3 不同 R b C I浓度对琼枝多糖溶液粘度及凝胶性质的影响
R b C I浓度 ( N ) 0 . 0 0 5 } 0 . 0 0 4 } 0 . 0 0 2 } 0 . 0 0 15 0 . 0 0 1 0 0 0 1
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业…直.2x3` .上n八00尸O八0no曰八直.1仇7t唯.土八00Rà八匕几口n曰0直.0..3线性情况〔 ” 〕 ( d l / g )K胶凝温度 ( ℃ )
凝胶 强度 ( g / c m Z )
3 6
.
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图 3 不 同R b C I浓度对介 P / c一 C线性的影响
C s C I浓度分别为 0 . 0 0 3 N , 0 . 0 0 2 N , 0 . O0 l N , 0 . 0 0 0 5 N , 0 . 0 0 0 1 N , 0 . 0 0 0 0 1 N ,
结果见表 4 及图 4 。
裹 4 不同C s C I浓度对琼枝多摘溶液粘度及凝胶性质的影晌
C s C I浓度 ( N ) 。
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线性情况
〔 11〕 ( d l / g )
K
胶凝温度 ( ℃ )
凝胶强度 ( g / e m “ )
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.
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图 4 不同 C s C I浓度对仆了 c一 C线性的影响
二 、 胶凝温度及凝胶强度
在琼枝多糖浓度为 1 . 5%时 , 不 同碱金属离子及不 同离子浓度下琼枝多糖的胶 凝 温
度及凝胶强度分别见表 1一 4 。 为了比较 , 我们测定了无外加金属盐时 1 . 5%琼枝 多 糖
溶液的胶凝温度及凝胶强度 : 胶凝温度 30 ℃ , 凝胶强度 6 1 . 6 9 / c m Z 。
三 、 扫描电子显微镜观察
图 5 ( a ) 和 ( b ) 为无外加盐时 , 冷冻脱水琼枝多糖凝胶 的扫描电子显微镜照片 ,
放大倍数分别为 41 和 2 5 0 0。 ( C ) 及 ( d ) 为加入 0 . 01 N K CI 的琼枝多糖脱水凝胶电子显
微镜照片 , 放大倍数分别为 35 及 5 0 0。 。
图 5 ( a ) 无 外加盐时冷冻脱
水后琼枝多糖凝胶截面扫描 电子 显
微镜照片
图 5 ( b ) 无 外加盐时冷冻脱
水后琼枝多糖凝胶截面扫描 电子显
微镜照片
图 5 ( C ) o . O I N 钾离子存在
时冷冻脱水后琼枝多糖凝胶截面扫
描电子显微镜照片
图 5 ( d ) O . 0 1 N 钾离子存在
时冷冻脱水后琼枝 多糖凝胶截面扫
描电子 显微镜照片
从上述照片中可以看出 , 多糖象绞合的纤维束一样且按 同一取向聚集 。 在没有外加
金属离子时纤维束较紧密地绞合聚集 , 在钾离子存在时则纤维束变粗且较稀疏地绞合聚
集。
从碱金属离子对琼枝多糖溶液的仆 Pc/ 一C线性关系的影响中 , 可以归纳得到表 5 的
数据 :
表 5 离子半径及其对华 p c/ 一 C线性关系的影晌
离 子 半 径
离子名称
( 人 )
C 下
( 在此离子浓度以下
n 汗 / c一C不成直线 )
C 上
( 在此离子浓度以上
你 P / c一C不成直线 )
0
。
0 0 1
0
.
0 0 0 1
0
.
0 0 0 1
0
。
0 0 0 1
0
。
2
0
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0 0 7
0
.
0 0 4
0
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e s和 M a r r is 等提出 〔 ” 7 〕 , 卡拉胶分子在溶液中将随着温度的下降 , 其分子构象
将从混乱卷绕一单螺旋一双螺旋 , 最后双螺旋互相缠结成三维网状结构而成凝胶 。
M ar
r is 等还提出 ` ’ 、 , 碱金属离子的存在能促进和稳定卡拉胶分子的螺旋构象 , 同
时 , 碱金属离子和部分碱土金属离子的存在 , 促进了卡拉胶溶液的 “ 凝集” , 这种凝集
是由金属离子处于中间 , 两个双螺旋卡拉胶分子在两边的堆集 , 若干双螺旋卡拉胶分子
通过金属离子在中间作为 “盐桥” 的并排堆集 , 形成一定的 “ 有序区” , 有序区通过螺
旋分子的相互纠缠而变成凝胶 。 这过程可用图 6 来表示 ;
,
3 3 少
平二 *。书 {
、彝…/ 一丫 ’ 一 、 ’ 、 “ 一 兰 一 ’ 图 6多搪分子在溶液冷却过程 中从 混乱卷绕、 单螺旋 一` 双螺旋 ” 双螺旋
缠结以及金属离子促进 “ 凝集”
琼枝多糖属卡拉胶类型 , 虽然和国外从角叉菜提 取 的 卡 拉 胶 在 组 成 上 有 所 差
异 厂 ` 〕 , 但从我们上述的实验结果来看 , 琼枝多糖溶液的性质和角叉菜提取的卡拉 胶 有
相似之处 , 对碱金属离子也是很敏感的 , 从碱金属离子对琼枝多糖稀溶液 的爪* c/ 一 C
线性关系的影响来看 , 钠离子在抑制琼枝多糖聚 电解质的稀释效应上 , 当离子浓度低于
o
.
0 0 1N时介 P / 。一 C就不能得到直线 , 而钾离子则可以低到浓度为 o . 0 01 N 时才不能得 到
直线 , 离子浓度相差在一个数量级 。 当钠离子浓度增大至 0 . 2N 以上时 , 琢 Pc/ 一 C 同 样
不能得到直线 , 起始浓度时的月s p c/ 值大大偏高 , 而当多糖浓度稀释至 2 / 3以后 , 虽然钠
离子浓度仍保持 0 . 2 N 但仍可得到直线 。 可以认为 , 。 . 2 N的钠离子浓度 己可引起多搪浓
度为。 . 3% , 温度为 35 ℃时溶液的 “ 凝集” , 这种凝集导致了书 p c/ 的显著增大 。 同时这
种凝集显然又是对多糖浓度可逆的 。 我们将这个离子浓度称为在这个实验条件下的 “ 凝
集离子浓度 ” 。 这个凝集离子浓度对钾离子则下降到 o . 0 07 N , 铆离子 0 . 0 04 N , 艳离子
。 . 0 3 N和钠离子比较相差在一个数量级以上 。 从表 5 的数据可以看到 , 碱金属离 子 对
琼枝多糖溶液粘度的影响 , 显然应和离子半径有关 , 影响力随离子半径 的增大而增加 ,
但从钠离子到钾离子 , 这种影响存在一个突跃 , 出现这个突跃的原 因 , 可 以 认 为 , 从
N a
` 半径到K 十半径 , 有一个较大的变化 ( 钾离子比钠离子大 35 . 7% ) , 这一变 化 除 了
改变离子的水化能力等因素外 , 可能还有一个重要的因素 , 即金属离子可以和大分子的
硫酸基作用 , 并通过这种离子造成螺旋构象大分子内基团的缔合 , 从而起稳定螺旋构象
的作用 。 从钠离子半径提高到钾离子半径 , 对螺旋构象大分子内两个可以通过金属离子
而缔合的基团的距离来说 , 钾离子这样的离子半径 , 作用可能大大地加强 。 金属离子对
大分子螺旋构象的稳定能力越强 , 抑制聚 电解质分子在溶液稀释时引起的构象变化的作
用就越大 , 同时也越易于引起琼枝多糖分子的凝集。
K
十对琼枝多糖溶液性质的影响比 N a 十大得多 , 影响能力应和碱金属离子半径大小有
关 , 从你 r / c一 C 为直线时的离子浓度范围内所得到的 〔 月〕平均值也得到反映 , 钾离 子
存在下的 〔 ” 〕比钠离子存在下高 , 这 同样可以认为 , 由于钾离子对螺旋大分子构象的
稳定作用比钠离子强 , 使溶液中的大分子具有较高的刚性 。
一 3 4 -
碱金属离子对于溶液中琼枝多糖大分子螺旋构象的稳定作用 , 以及通过 “ 盐桥” 所
造成的 “ 凝集 ” , 在扫描电子显微镜对琼枝多糖冷冻脱水凝胶的结构观察中得到反映 ,
由于钾离子的存在 , 当热的琼枝多糖溶液冷却时钾离子对大分子螺旋的稳定作用将增加
分子 “ 有序区 ” 的长度 , 相对减少了双螺旋分子间的互相缠结点 , 在通过碱金属离子作
a 桥 ” 的双螺旋分子的并排堆集中 , 导致了凝胶中 “ 有序区 ” 的扩大 。 图 5 ( d ) 中 钾
离子存在下 “纤维束状物” 纠缠减少和变粗 , 可能就是上述原因所引起的。
碱金属离子对胶凝温度的影响 , 其影响情况是相似的 , 都提高了胶凝温度 , 并在所
研究的离子浓度范围内随碱金属离子浓度的增加而提高 , 这显然也和碱金属离子对大分
子构象的稳定作用有关 。
碱金属离子对凝胶强度 的影响 , 一般来说 , 都对凝胶有明显的增强作用 , 但钠离子
与钾 、 铆 、 艳离子却有明显的不同 , 对后者三种离子凝胶强度随离子浓度增加而增大 ,
但钠离子却变化不大 , 甚至有随离子浓度增加而下降的趋势。 在这四种离子中增大最明
显的是钾离子和铆离子 , 我们在前面已经谈到了碱金属离子对琼枝多糖溶液 粘 度 影 响
中 , 从钠离子到钾离子 , 影响能力有一个明显的突跃 , 我们提出了钾离子在促进螺旋大
分子内基团的缔合上 , 钾离子的半径比钠离子半径更有利于这种缔合的形成 。 从碱金属
离子对凝胶强度的影响中 , 钾离子和枷离子有最明显的增强作用 , 这进一步说明 1 . 3 入
一 1 . 49 入的金属离子半径 , 可能最适合于螺旋大分子内基团的缔合 。
结 论
一 、 N +a , K ` , R b + , C s 十在一定离子浓度范围内可使琼枝多糖溶液符 合 介 P / c 一 C
线性关系 ,建议在缺少绝对方法测定琼枝多糖分子量时 , 以 。 . 3%多糖浓度 , 。 . 0 1N N a CI 溶
液作溶剂 , 35 ℃ 得到的 ( 1 〕作为琼枝多糖分子大小的表征 。
二 、 钾离子和铆离子的半径 ( 即 1 . 3 入一 1 . 49 人 ) 是最有利于促进多糖螺旋大分子
内基团的缔合 , 从而起稳定多糖大分子分子构象的作用 。
三 、 钾和锄离子的存在可以大大增大琼枝多糖的凝胶强度 。
四 、 N a 十 , K 十 , R+b , C s ` 均可以提高琼枝多糖溶液的胶凝温度 。
致谢 :
本文 电子显微镜照 片为我所八室电镜组 陈进明 、 陈子灿等同志提供 , 谨此感谢 。
参 考 文 献
( 1 〕郑淑贞 、 陈欣权 、 曾丽仙 、 庞建昌 、 林瑞询 、 林慧贞 , 化学通讯 , 1 , 4 一 49
( 1 9 8 1 )
。
〔 2 〕郑淑贞 、 林瑞询、 庞建昌 、 陈世雄 , 化学通讯 , 2 , 1 6一 2 9 ( 1 9 8 1 ) 。
〔 3 〕 M a r r i s E 。 R 。 e l a l , J . M o l 。 B i o l 。 1 38 , 3 4 9一 3 6 2 ( 2 9 8 0 ) .
〔 4 〕 M a r r i s E 。 R 。 e l a l , J . M o l . B i o l . 1 3 8 , 3 6 3一 3 7 4 ( 29 8 0 ) .
〔 5 〕 A n d e r s o n N . S 。 e t a l , J . C h e m . S o c . , ( C ) , 5 9 6一 6 0 2 ( 19 6 8 ) .
〔 6 〕 A n o d e r s o n N . 5 . e t a l , J . C h e m . S o c . , ( C ) , 6 0 2一 6 0 6 ( 1 9 6 5 )
〔 7〕 R e e sD . A. P ol v s a e eh r a id e Sh ap e s, C h a p m a n & H a l l , L o n d o n ( 19 7 7 ) .
〔 8 〕 H e e一K e o n g T o n g , e t a l . , C a r b o h y d r a t e R e s e a r e h , 81 , l 一 6 ( 2 9 8 1 ) .
〔 9 〕 E l f a k , A . M . e t a l , J . S e i 。 F o o d A g r i e , 3 0 , 7 2 4一 7 3 0 ( 1 9 7 9 ) .
〔 1 0 〕 M a s a k o Y a m a m o t e , A g r i e . C h e m . B i o l . 4 4 ( 3 ) 6 7 3一 6 7 5 ( 1 9 5 0 ) .
〔 11 〕 N e l s o n R . E . e t a l . , J . P h v s i e a l . C h e m , 7 5 ( 1 1 ) 1 6 9 1 ( 1 9 7 1 ) .
〔 12 〕 P a v e n s T . A . J . e t a l . , 1 . E l e e t r o n a l . C h e m . , 3 7 29 1 ( 1 9 7 2 ) .
3 6