蔗渣膳食纤维化学结构的研究（Ⅲ）：PCFⅡ等组分的结构分析

{s 2_．oZ 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vo1．23 No．4 蔗渣膳食纤维化学结构的研究 (Ⅲ) — — PcFⅡ等组分的结构 郑建仙 耿立萍 (华南理i 磊五食品孚 而 ，510641) · 2 ／ f 摘 要 利用DMSO从蔗渣细胞壁物质(膳食纤维)中提取并经两缎柱层析挺纯而得的PCF I，舍61．4 碳水化台物与38．6 术质索，是碳水化台物与木质索的复台物 碳水化合物部 舟的化学结构为阿拉伯木聚椿。通过PCF I对NaOH，NaBH 和醋酸铅等溶剂处理的稳定性 不同，推知复台物中碳水他台物与木质素之间至少存在4种化学键，分别为是被碱睁解破坏、 易被NaBH 还原破坏、能抵抗碱破坏和能抵抗NaB．破坏的化学键。此外，还对蔗渣细胞壁物 质中其奈4种分级组舟的化学结构作了分析。 关锎 盟 利 用 Naclo 一HOAc从 纯 净 蔗 渣 CWM 中提取出的 BCF2含 88．7 的木质 素，是木质素与碳水化合物的复合组分。通常 认为木质素是松伯醇、芥子酵与对羟基肉桂 酵 3种单体分子的共价结合体，由于上述提 取溶剂 NaCIO 一HOAc在较高温度(70C) 下会释放出Ci0 一而氧化木质素，使木质素 的结构单元断裂；即使在高浓度 N 的保护 下，也不能完全避免这种氧化作用。因此，经 Nac10 一HOAc提取出的BCF2组分中木质 素组成单体之问、木质素与碳水化合物之间 的连接键可能有断裂或破坏。为避免之，改用 DMSO溶剂在25℃条件下提取已脱除BCF1 的残渣持续 7dL ，所得组分命名为 BCF I。 本文以 BCF I为对象，探讨蔗渣CWM 中木 质素一碳水化合物复合物的化学结构。 1 材料与方法 1．1 柱层析的提纯 将BCFⅡ缓慢溶解于 10 DMSO水溶 液中，注入 Sepharose CL一2B凝胶层析柱 锋 J l (2×100c )，用 0．25mo1／L磷酸盐缓冲液 (pH 6．8)进行洗脱。收集组分峰，脱盐并浓 缩后再注入 DEAE--Sephadex A一50离子 交换层析柱(1×30cm)，用 0．05mol／L醋酸 钠中NaCI浓度由(o～0．6)mol，L呈线性上 升的梯度洗脱，得到一个陡峭的大峰。该提纯 组分命名为 PCFⅡ l_2 PCFⅡ组分经不同处理后的凝胶柱层 析 1．2．1 PCFI原蛆分的凝胶柱层析 取 50mg PCFⅡ缓慢溶解于 2ml 10 DMSO水溶液中，过滤去除不溶物；滤液进 Sephadex G一5O凝胶层析柱(2．0×80era)， 用 0．25mol／L磷酸盐缓 冲液(pH一6．8)洗 脱，每 5ml收集一管，取样分析碳水化合物 与木质素的洗脱情况。 1．2．2 PCFⅡ组分经碱降解后的凝胶柱层 析 50mg PCF I缓慢溶解于 3ml含有0．1 mol／L NaOH 的 10 DMSO 水溶液 中，在 25 c下磁力搅拌 24h使之发生水解，再用 中国博士后科学基金 广东省自然科学基金和广东省博士后科学基金资助项目。 收藕时间：1997—02 13 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 23卷 第 4期 郑建仙等；蔗渣膳食纤维化学结构的研究 (I) HC1调节pH=4．5，过滤后的滤液浓缩至1．5 ml左右进 Sephadex G一50层析柱，其余操 作同上进行。 1．2．3PCFⅡ组分经 NaBH 处理后的凝胶 柱层析 同样取 50mg，缓慢溶解于 3ml含 0．1 NaBH。的 10％ DMSO水溶液中，2o℃下磁 力搅拌保持 4d，过滤取滤液浓缩至 1．5ml进 Sphadex G一50柱进行洗脱，其余同上。 1．2．4 PCF 1组分经氧化处理后的凝胶柱 层析 同样取 50mg溶解于含有5ml DMSO和 2ml醋酸的小三角瓶 中，加入 160mg醋酸 铅，在暗处保持24h使之发生氧化反应[ ；再 加入 3vo1．的乙醇，离心所收集沉淀物，重新 溶 解 于 1．5ml l0 DMSO 水溶 液 中，进 SephadexG一50柱进行洗脱。 2 结果与讨论 2．1 层析柱的提纯、纯度鉴定厦 PCF n的 物化性质 如图 1所示，经Sepharose CL一2B柱层 析后得到一种同时含有木质索与碳水化合物 的主峰，但此峰拖尾严重。截留第 25～36管 中的洗脱 液，浓缩脱 盐后 注人 DEAE— Sephadex A一50柱，如图 2所示，得到一个 很徒蛸的大峰，该组分即是 PCFⅡ。两级柱 层析对PCF I的总回收率为7o 。 PCF I经 SDS—PAGE 电 泳 后，用 Sehiff试剂染色，呈现出一条很窄的红色谱 带，表明为纯物质。PCFⅡ的比旋光度 ] 一一21．5o(f一0．25，10％DMSO)，分子量为 1 30000(图 3)。 2．2 PCF I中碳水化合物部分的结构分析 通过对表 1、表 2的分析表明，PCF 1中 碳水化合物部分的化学结构与上文讨论的 PCF3与PCF4相似，但 PCF I的Ara；Xyl 比值(1 7．18)要小些。也就是说，PCFⅡ碳 水化合物部分糖链结构更趋于直线型，分子 的分支程度低。 ‘管数{ml／管) 图 1 BCF I的Sepharose cL一2B凝腔层析图 1 磺水化台物(A480)I 2 木质寰(A280) 管数(ml／管) 图 2 BCF-P的DEAE Sephadex A 5O 离子交换层析图 碳水化台翱(A480)；2 本质素(A28O)：3 NaCl(mol／L) 75 35 90 1 5 1I5 1 2 琏瞠{曩悼 l¨ll1 图 3 通过 Sepharose CL 6B层析法测定 PCFI的分子量 表 1 PCFI的化学组成 ( ) 碳水化台物 木质素 Ara I Gk GlcA 61．4 38．6 lll S 82．6 2．4 3 5 注；碳水化合物与木质素的单位是占该组分的重量 百分比，单糖单位是占水解单糖总量的摩尔百 分比。 表 2的数据表明，[Ara(1一]：[一4) 文yI(1一]；[一3，4)Xyl(1一]I[一2，4)Xyl ● 寸 l 士 维普资讯 http://www.cqvip.com 10 食品与发酵工业 Food and Fermentation]ndustdes Vo1．23 No．4 (1一]；[~4)Glc(1一]：EGIcA(1一]=12． 1：66．7：l1．8：3．6：2．3：3．5≈ 10：58： 10：3；2：3。即在一条木聚糖主链上，平均 每 71个 Xyl残基就有 10个通过 3一C位连 接单一 Ara侧链 ，另有 3个通过 2一c位连 接单一GIcA侧链．且这些侧链的分布是随 机的。与前文 PCF4组分的结构相似，在 1o 个单一 Ara侧链 中，很可能有 2个 Ara与 Olc连接成EAra(1~4)Glc(1一]一起通过 3 一 c分支点作为主链的侧链。图4给出结构 表2 PcFⅡ碳水化台韧部分的甲基化分析 (too[ ) 甲基糖 糖苷键位置 PCFl 2，3，5一Me3Ara Ara(1+ 12．1 2．3．4一M ax Xyl(1-． + 2，3-Me~Xy[ ~ 4)Xyl(1-． 66 7 2-MeXy] ·3．4)x (1一 11 8 3一MeXy】 +2．4)XyI(1一 3．6 2，3，4一Me GkA GlcA(1-． 3．5 2．3．6-Me Gk -．4)Gk(1-． 2．3 。 1(1 一 2．3 PCFⅡ中碳水化合物与木质素的连接 方式 仔细分析图 5，通过对 b与 a的比较可 知，碱降解后 PCFⅡ中碳水化合物与大部分 的木质素相互分离开，b图上的小分子组分 是由木质素水解产生的。因此，连接木质素与 碳水化合物之间的部分化学键对碱不稳定， 易被碱所破坏。c图的结果表明，NaBH 的还 原处理导致了木质素与碳水化合物之间部分 连接键的断裂，但断裂的比例较碱降解的小， 因为保留在碳水化合物大组分中的木质素含 量较经碱降解后的多 。d图的洗脱曲线说 明，氧化作用使得PCF I组分中的碳水化合 物与木质素含量明显减少，已发生相当程度 的氧化反应。 NaOH与 BH 会破坏 PCF 1分子中 碳水化合物与木质素间的部分化学键，但被 NaOH降解后的高分子残余组分(残余木质 素一碳水化合物复合物)与被NaBH 还原店 卜 一 G 醴 的残余组分差异很大，被 NaOH 与被 NaBH 断裂的化学键不一样。以麦杆子为对 象的研究表明，对NaOH不稳定但能抵抗 NaBH 作用的可能是酯键，而对碱较稳定对 酸不稳定的可能是醚键，在醚键和酯键连接 中还有酚酸(阿魏酸、香豆酸等)的参与0] 综合上述分析表明，PCF 1中木质素一 碳水化合物复合物间的连接化学键至少有4 种：(1)可被碱降解破坏的化学键，(2)可被 NaBH 还原破坏的化学键，(3)能抵抗碱降 解破坏的化学键，(4)能抵抗 NaBH 还原破 坏的化学键。 通过对木材中木质素一碳水化合物复合 物的研究表明，木质素可与糖醛酸残基相连 接，木质素与Ara形成的醚键是连接在2一c 或3一C位(不排除4一C位)，木质素与Xyl 形成的醚键连接在 3一C位(但不排除其他 位置的可能)口]。总之，尽管木质素的发现距 今已有160多年，但其化学本质至今仍未完 3 。 0 3 ， { 叫 吣 _几 型 模 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 23卷 第4期 郑建仙等：蔗渣膳食纤维化学结构的研究 (I) 11 全弄清楚，木质素与天然高聚物(如蛋白质、 多糖)之间的相互关系更有很多疑难之处。本 文利用 DMSO从蔗渣 CWM 中提取纯净的 PCFⅡ复合物组分，通过 NaOH、NaBH。等 溶剂的化学处理推知木质素一碳水化舍物之 间至少存在4种化学键的连接。 ；人 。 倍教(5mf／管' 盼敏(5l1lI／ ) 图5 经各种处理后 PCFI的 SepbadexG 50柱层析 a一原组分 PCF_．b 碱降解后的PCF I Ic--NaBH‘还原后的 PCF l；d一醋酸铅氧化后的PCF_ ⋯ 碳水化合物(A¨ 0)；⋯ 木质隶(A2∞) 2．4 PCF1、PCF$、PCF6与BCF7结构分析 与前述方法一样，BCF1、BCF5和 BCF6 三种组分分别经 Sepharose CL一2B凝胶层 析柱(2×100cm)和 DEAE—Sephadex A一 5O离子交换柱(1×30cm)两级提纯处理，并 经电泳分析证实为纯净组分，分别命名为 PCF1、PCF5和PCF6。BCF7是提取残渣，由 于没有满意的溶解溶剂，故不经提纯处理。这 些组分的单糖组成和甲基化分析结果如表3 和表 4所示。 衰3 PCF1、PCF$、PCF6与BCF7的单糖组成 (tool ) 组分 Ara Xyl Glc GIcA PCF1 l5．8 84．2 一 + PCF5 6．8 92．9 + 2．3 PCF6 10．7 77 3 3．4 8．6 BCF7 1．5 13 8 84 7 一 表 4 PCF1、PCF5和 PCF6的甲基化结果(mol ) 甲基化单糖 搪苷键位置 PCFl pCF5 PCF6 2．3，5一Me sAr Ara(1—· 15．5 6．3 11．2 2⋯3 4 MejXyl Xyl(1÷ + + 十 2，3一 MezXyI ~ 4)Xyl(1一 68．8 82 8 57 l 2 MeXv1 一3，4)Xyl(1一 15．7 6．4 lO 9 3——MeXy[ 一2，4)X>-l(1 __ 2 4 S．5 2，3，4-- Me3GlcA GlcA (1一 __ 2．1 8．7 2．3，6一Me3Glc 一 4)GIc(1—+ — 3．6 从 表 3和表 4可知，PCF1、PCF5和 PCF6都是阿拉伯木聚糖．其主链结构、侧链 结构、糖苷键组成及连接方式等与 PCF3或 PCF4相似，只是分支程度不同而已，这里就 不再详细分析它们的结构模型。图6给出它 们的红外光谱图，900～920cm 附近的特征 吸收峰表明主链糖苷键为口一构型。 BCF7是提取残渣，84．7 的组成单糖 维普资讯 http://www.cqvip.com 12 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industr~s Vo1．23 No．4 为Glc，表明是纤维素组分。其余存在的Ara 和Xyl，可能是细胞壁物质的污染成分。由于 没有合适有效的溶剂溶解，所以没法进行提 纯。尚不能确认的是，这些污染成分是物理污 染成分还是与纤维素长链有某些共价结合 力 图6给出它的红外光谱图，也是一种典型 的多糖结构。 、 3 结 论 (1)利用 DMSO溶剂从已脱除BCF1蔗 渣细胞壁物质(膳食纤维)中提取出的PCF I组分，含碳水化合物 61．4 ，术质素 38． 6 ，是碳水化合物一术质素复合物。该组分 的 比旋光度[口 D 一一21．5。(c一0．25，1o％ DMSO)，分子量为 130000。 (2)PCF I的碳水化合物部分为阿拉伯 术聚糖，碳水化合物与术质素之间的连接键 至少有 4种：(1)可被 NaOH降解破坏的化 学键，(2)可被 NaBH 还原破坏的化学键， (3)能抵抗NaOH降解破坏的化学键，(4)能 抵抗 NaBH。还原破坏的化学键。 (3)从蔗渣细胞壁物质(膳食纤维)中分 离出的 PCF1、PCF5和 PCF6的基本结构均 是阿拉伯木聚糖，但各组分间的分支程度、聚 合度、溶解性、糖醛酸含量等有较太差异。 PCF1属于水溶性阿拉伯木聚糖，占蔗渣膳 食纤维总量的2．4 。 a--PCF1【h—PCF5 PCF6Id—BCF7 (下转 第18页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 18 食品与发酵工业 Food and Fermentation Industries Vo1．23 No．4 (5)：417～ 476 7：235～ 240 8 无锡轻工业学院等编．工业发酵分析，北京 ： 10 Miki B L．J．Bactario|ogy，1982，150(2) 轻工业出版社，1980 890～899 9 Amni M A Eur．J．App1．Mierobio1．，1979． Studies on Continous Alcohol Fermentation by Using FIo&ulating Yeast Guan Bin Ding Youfang Xie Laisu Long Yanquan (Tianjin Institute of Light]ndustry·Tianjin，300222) Abstract S．cerevisiae KG．was selected from yeasts for alcohol production．The strain had a good physiological activity in cell growth、alcohol fermentation and cell flocculation．This pa— per studied the effect of temperature、pH、Ca 、cell concentration and fermenting suger on the flocculating yeast cell，and investigated the distribution of yeast--subsidence at the static state in the yeast—subsidence vesse1．The strain was used in the two—vesse1 cel】recycle system of eontinuoug alcoholic ferm entation and a high productivity(30．5g／l·h)was ob— rained． Key word alcoho1，continuous fermentation，fincculation，yeast (土接第 l2页) 参 考 文 献 i M orrison I M．Phytoehemistryt l973·12 2979 2 Zitkn V．Can．J．Chem．，1966，44：1749 3 高洁，汤烈贵主编．纤维紊科学．北京：科学 出版社，1996 Studies on the Chemical Structure of Dietary Fibre from Bagasse(Ⅲ) — — Structural Analysis of PCFⅡ Fraction etc Zheng Jianxian Geng Liping (College of Light Industry and Food Engineering，South China University of Technology·Guangzhou，510641) Abstract Lignin—carbohydrate complexes of PCF 1，contained 61．4％ carbohydrate and 38．6 lignin，which was extracted from bagasse cell wall material(dietary fibre)with dimethyl sulphoxide(DMSO)and was further puriflcated with double chromatographic col— umn．PCF I held arabinoxylan as the chemical structure of its carbohydrate part．On the ba— sis of chemica1 stability of the complexes with sodiurh hydroxide，borohydride and 1ead ac— etate treatment seperately，it was postulated that at least four types of bonding linkage might be present between lignin and carbohydrate，namely two chemical linkages easily cleaved by alkali degradation or borohydride reduction，the other twolinkages resistant to alkali or borohydride treatment． Further analysis were also given to the chemica1 structure of oth— er four polymeric fractions in bagasse CWM． 』 Key word bagasge，complexes，lignin，chemical structure 维普资讯 http://www.cqvip.com