Int J Biol Macromol｜皱皮木瓜多糖结构全解析：高甲酯化HG果胶为何低溶？FTIR/SEM/AFM揭示纳米聚集机制！(陈万生/孙连娜团队)

2026年7月18日，上海中医药大学药学院孙连娜副教授团队，联合海军军医大学第二附属医院（上海长征医院）陈万生教授/主任药师团队，在International Journal of Biological Macromolecules（中科院2区，IF=8.7）在线发表题为 “Linking structure to solubility-related properties: Comprehensive characterization of polysaccharides from Chaenomeles speciosa (Sweet) Nakai” 的研究论文。该文于2026年6月3日投稿，2026年7月7日修回，2026年7月17日接收。

皱皮木瓜（Chaenomeles speciosa (Sweet) Nakai）多糖长期因其营养和药用价值受到关注，但既往研究更多集中于中性多糖，对酸性果胶类多糖及其高阶结构与溶解性之间关系的系统解析仍不足。该研究从皱皮木瓜果实中分离获得4种均一多糖，包括一种中性阿拉伯聚糖CSP-1-2，以及三种结构特征不同的酸性果胶类多糖：高度分支的鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（rhamnogalacturonan-I，RG-I）型果胶CSP-1-1、线性高甲酯化同型半乳糖醛酸聚糖（homogalacturonan，HG）CSP-2-1，以及阿拉伯半乳聚糖型果胶CSP-3-1。

研究重点进一步聚焦于CSP-2-1。结果显示，CSP-2-1的高甲酯化线性HG结构与其低溶解性密切相关。傅里叶变换红外光谱（Fourier-transform infrared spectroscopy，FTIR）提示其具有较高甲酯化度；扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）显示其干态形貌致密、无孔；原子力显微镜（atomic force microscopy，AFM）则发现其在水溶液中形成紧密纳米聚集体。这些结果为理解果胶类多糖的溶液行为和聚集机制提供了结构基础，也为水胶体体系设计提供了参考。

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【摘 要】

皱皮木瓜（Chaenomeles speciosa (Sweet) Nakai）多糖（Chaenomeles speciosa polysaccharides，CSP）长期以来因其营养和药用价值受到关注。本研究从皱皮木瓜果实中获得4种均一多糖，包括一种中性阿拉伯聚糖CSP-1-2，以及三种具有不同结构特征的酸性多糖：高度分支的鼠李半乳糖醛酸聚糖-I（RG-I）型果胶CSP-1-1、线性高甲酯化同型半乳糖醛酸聚糖（HG）CSP-2-1，以及阿拉伯半乳聚糖型果胶CSP-3-1。

其中，CSP-2-1的结构特征与其低溶解性有关，这一点进一步得到FTIR、SEM和AFM结果支持。SEM显示，CSP-2-1在干态下呈现致密、无孔的形貌；AFM则显示其在水溶液中形成紧密纳米聚集体。上述发现为理解该果胶类多糖的溶液行为和聚集机制提供了结构基础，并可能对水胶体体系设计具有参考意义。

01

研究背景及科学问题

皱皮木瓜属于蔷薇科，广泛分布于中国南方以及缅甸、泰国、越南等东南亚国家。在中国，皱皮木瓜不仅可作为果汁、酒、糖浆、果酱和糖果等食品加工原料，也长期作为传统药物用于肠炎、消化不良、风湿、关节炎、肝炎、哮喘和感冒等相关症状的治疗。近年来，皱皮木瓜的化学成分受到系统研究，已分离得到三萜类、酚酸类、苯丙酸类、黄酮类、蛋白质、碳水化合物、挥发油和生物碱等多类成分。

多糖广泛存在于动物、植物和微生物中，是材料、食品和医药领域的重要资源。近期研究表明，多糖是皱皮木瓜果实中的主要成分，并具有多种活性。在已分离成分中，多数为中性多糖。结构分析显示，这些多糖主要由葡萄糖、半乳糖、鼠李糖、阿拉伯糖和木糖按照不同比例组成。

除中性多糖外，酸性多糖，尤其是果胶类多糖，也是多糖中的重要类型。本研究采用DEAE-650 M柱逐步洗脱策略，通过水、NaCl和NaOH依次洗脱获得性质不同的多糖组分。随后经Sephacryl S-300柱进一步分离，最终得到4种结构差异显著的均一多糖，分别为中性阿拉伯聚糖、RG-I富集型酸性果胶、HG富集型酸性果胶以及具有阿拉伯半乳聚糖侧链的酸性果胶，体现了皱皮木瓜多糖的结构多样性。

果胶是一类典型酸性多糖，也是植物细胞壁的重要结构成分。其溶解性、黏度和凝胶形成能力等功能性质，受具体结构特征支配，尤其与平滑HG结构域和“毛状”RG-I结构域的比例，以及甲酯化度（degree of methylesterification，DM）密切相关。HG是由α-D-GalpA残基通过（1→4）连接形成的线性聚合物，其C-6位可发生甲酯化。线性且高度酯化的HG结构域通常与较强分子间相互作用和特定聚集行为有关，并显著影响宏观功能表现。

虽然已有研究对皱皮木瓜来源中性多糖进行了表征，但酸性果胶组分及其高阶结构仍缺乏系统分析。尤其是甲酯化度、链线性程度和聚集行为之间的关系尚未得到充分探索。因此，本研究旨在从皱皮木瓜果实中分离纯化中性和酸性多糖，利用化学和光谱学方法阐明其一级结构，并进一步采用SEM和AFM研究一种代表性线性高甲酯化HG结构域的高阶形貌，从而为理解其溶液行为和聚集机制提供结构基础。

02

重要发现及亮点

皱皮木瓜中4种均一多糖的分离纯化

研究首先从6 kg干燥皱皮木瓜果实中获得426 g粗多糖CSP。经DEAE-650 M柱层析后，收集到三个组分：A1、A2和A3，得率分别为10.14%、7.23%和25.88%。洗脱方式依次为水、0.1 M NaCl和0.5 M NaOH。随后，三个组分进一步经Sephacryl S-300柱纯化：A1得到两个亚组分CSP-1-1和CSP-1-2，A2得到CSP-2-1，A3得到CSP-3-1。

图1：皱皮木瓜多糖的分离与纯化流程图。

高效凝胶渗透色谱（high-performance gel permeation chromatography，HPGPC）结果证实，CSP-1-1、CSP-1-2、CSP-2-1和CSP-3-1为相对均一的多糖组分。四者表观分子量分别为2.3 × 10⁵ Da、4.7 × 10³ Da、1.1 × 10⁵ Da和3.0 × 10⁵ Da。总糖含量分别为97.82%、96.74%、91.03%和94.32%；蛋白含量分别为1.10%、2.40%、1.50%和3.50%。

图2：CSP-1-1（A）、CSP-1-2（B）、CSP-2-1（C）和CSP-3-1（D）的HPGPC色谱图。

单糖组成揭示皱皮木瓜多糖的果胶结构域差异

单糖组成分析显示，CSP-1-2为中性多糖，而CSP-1-1、CSP-2-1和CSP-3-1均为含半乳糖醛酸（galacturonic acid，GalA）的酸性多糖。为更准确比较不同酸性多糖组分的结构特征，研究者基于单糖组成估算并分析主要果胶结构域HG和RG-I的比例及相关结构参数。计算公式为：HG（%）= GalA摩尔百分比 − Rha摩尔百分比；RG-I（%）= 2 × Rha摩尔百分比 + Gal摩尔百分比 + Ara摩尔百分比。

结果显示，CSP-2-1的HG含量为74%，显著高于CSP-1-1的7%。CSP-2-1的Rha/GalA比值仅为0.05，说明其具有线性HG特征；相比之下，CSP-1-1的（Gal+Ara）/Rha比值为7.30，提示其高度分支。CSP-2-1的HG含量与柑橘果胶和苹果果胶相近，但其Rha/GalA比值低于多数水果果胶，提示其具有异常线性的HG结构域。

中性阿拉伯聚糖CSP-1-2的结构解析

由于CSP-1-2在类型上与其他三种果胶类酸性多糖明显不同，研究者对其进行了甲基化分析。结果共鉴定出9种糖苷键连接类型，包括T-Arap、1,5-Araf、1,3-Araf、1,4-Galp、1,3,5-Araf、1,6-Galp、1,4-Glcp、T-Glcp和1,2,5-Araf，摩尔比为23.81:27.53:2.38:16.01:6.61:1.65:14.05:3.13:4.83。

随后，研究者结合甲基化分析、¹H NMR、¹³C NMR和HSQC中的异头信号，对相应糖残基进行归属，并通过HMBC相关信号确定其连接方式。最终，CSP-1-2的预测一级结构基于Ara、Gal和Glc的主要连接模式建立。整体来看，CSP-1-2属于以阿拉伯糖残基为主要组成、含一定半乳糖和葡萄糖残基的中性阿拉伯聚糖。

图3：CSP-1-2的NMR谱图：（A）¹H NMR，（B）¹³C NMR，（C）DEPT135，（D）HSQC，（E）HMBC，（F）COSY。

图4：CSP-1-2的预测一级结构基于Ara、Gal和Glc的主要连接模式。

酸性果胶CSP-1-1、CSP-2-1和CSP-3-1的结构特征

对于三种酸性果胶类多糖，研究者主要基于单糖组成、一维和二维NMR谱图以及果胶结构域定量分析进行结构表征。CSP-1-1被鉴定为一种复杂果胶多糖，包含HG、阿拉伯聚糖和RG-I结构域。其HMBC相关信号提示，CSP-1-1具有高度分支结构，阿拉伯聚糖侧链连接于RG-I骨架。

图5：CSP-1-1的NMR谱图：（A）¹H NMR，（B）¹³C NMR，（C）DEPT135，（D）HSQC，（E）HMBC，（F）COSY。

CSP-2-1在D₂O中因聚集导致信号严重重叠和谱线展宽，因此无法获得所有残基的完整HMBC相关信息。基于可获得的HMBC谱图，研究者仅能可靠归属关键残基间相关信号：残基B的H-1与残基F的C-4相关，残基D的H-1也与残基F的C-4相关。这些有限但一致的信号支持CSP-2-1具有（1→4）连接的HG骨架，并具有较高甲酯化度。其他连接方式则结合单糖组成和特征化学位移进行推断。¹H NMR中δ 3.77 ppm和¹³C NMR中δ 52.90 ppm处的强甲氧基信号进一步确认其高度甲酯化特征。

图6：CSP-2-1的NMR谱图：（A）¹H NMR，（B）¹³C NMR，（C）DEPT135，（D）HSQC，（E）HMBC，（F）COSY。

CSP-3-1被鉴定为高度分支的阿拉伯半乳聚糖-半乳糖醛酸聚糖，其骨架为→4)-α-D-GalpA-(1→5)-α-L-Araf-(1→。研究者进一步汇总比较了四种均一多糖的结构特征：CSP-1-2为中性阿拉伯聚糖，主骨架为1,5-α-Araf，并带有T-Arap、1,3-Araf、1,6-Galp和Glc残基；CSP-1-1为RG-I富集型酸性果胶，具有高度分支和阿拉伯聚糖侧链，HG含量低；CSP-2-1为HG富集型酸性果胶，具有线性、高甲酯化、低分支和高HG含量特征；CSP-3-1则为具有阿拉伯半乳聚糖侧链的酸性果胶。

图7：CSP-3-1的NMR谱图：（A）¹H NMR，（B）¹³C NMR，（C）DEPT135，（D）HSQC，（E）HMBC，（F）COSY。

CSP-2-1的线性高甲酯化HG结构与低溶解性相关

在4种结构不同的多糖中，CSP-2-1具有高甲酯化HG骨架，因此研究者进一步从高阶结构层面考察其与溶解性相关的行为。FTIR结果显示，CSP-2-1具有典型特征峰，包括约3390 cm⁻¹处的O–H伸缩振动峰、约2930 cm⁻¹处的C–H伸缩振动峰、约1740 cm⁻¹处GalA酯化C=O强吸收峰，以及约1600 cm⁻¹处游离COO⁻非对称伸缩振动弱峰。1740 cm⁻¹峰相对于1600 cm⁻¹峰强度较高，提示CSP-2-1具有较高甲酯化度。

图8：CSP-2-1的FTIR光谱。关键吸收峰包括：约3390 cm⁻¹（O–H）、约2930 cm⁻¹（C–H）、约1740 cm⁻¹（酯化C=O）和约1600 cm⁻¹（游离COO⁻）。

SEM观察显示，冻干后的CSP-2-1呈脆性、致密片状结构。低倍放大（100×）下，其表面平滑、平整；在更高放大倍数下，最高至1200×，仍未观察到孔洞或裂隙。这种致密、无孔的形貌会阻碍水分渗透，可解释其较差溶解性。

图9：CSP-2-1在不同放大倍数下的SEM图像：（A）100×，比例尺=500 μm；（B）300×，比例尺=200 μm；（C）600×，比例尺=100 μm；（D）1200×，比例尺=50 μm。

AFM结果显示，即使在较低浓度（2.5 μg/mL）下，CSP-2-1也会形成紧密纳米聚集体，并未观察到延展的单链结构。代表性聚集体的横截面分析显示，颗粒高度通常位于1–3 nm范围内，更符合单链至少数链缔合状态，而非完全伸展的聚合物链。这些观察结果提示，CSP-2-1在稀水溶液中倾向于形成紧密纳米聚集体，这与其低溶解性相一致。

图10：CSP-2-1的AFM图像：（A）平面图，比例尺=1 μm；（B）三维形貌图；（C）高度分布直方图，n=50，平均高度为1.8 ± 0.6 nm。

多尺度结构—性质关联解释CSP-2-1的低溶解性

综合FTIR、SEM和AFM结果，研究者提出CSP-2-1的结构—性质关联机制：其高甲酯化HG骨架可促进疏水相互作用和氢键形成，从而在溶液中形成紧密纳米聚集体；在干燥过程中，这些聚集体进一步堆积为致密、无孔片层结构，从物理上阻碍水分渗透。该多尺度解释与CSP-2-1的低溶解性相一致，但作者也指出，目前尚缺乏直接流变学证据进一步确认。

在讨论中，作者进一步指出，CSP-2-1的HG含量为74%，与柑橘果胶和苹果果胶相近；但从FTIR峰比来看，其甲酯化度可能更高，这可能解释了其更强聚集倾向。高度密集的甲酯基团可在聚合物骨架上形成疏水区域，显著增强链间疏水作用。对CSP-2-1而言，其异常高甲酯化水平使这种疏水驱动力尤为明显。

作者最终提出了一个较为清晰的机制框架：线性高甲酯化HG骨架 → 增强链间疏水相互作用和氢键形成 → 在溶液中自发形成紧密纳米聚集体（AFM） → 冻干后形成致密、无孔层状堆积（SEM） → 构成水分渗透的物理屏障 → 宏观表现为低溶解性。该机制与CSP-1-1形成鲜明对比：CSP-1-1富含高度分支RG-I结构，其体积较大的侧链可产生明显空间位阻，阻止链间紧密接触和疏水聚集，因此保持较好的水溶性。

【贡献】★★★★★

本研究从皱皮木瓜果实中分离获得4种均一多糖。CSP-2-1被鉴定为线性高甲酯化同型半乳糖醛酸聚糖，其中HG含量为74%；CSP-1-1和CSP-3-1分别为分支型RG-I富集果胶和阿拉伯半乳聚糖型果胶；CSP-1-2则为中性阿拉伯聚糖。

多尺度分析，包括FTIR、SEM和AFM，揭示CSP-2-1的线性高甲酯化结构可促进其在溶液中形成紧密纳米聚集体，并在干态下形成无孔形貌，这与其低溶解性相关。上述发现有助于理解果胶结构—性质关系，并可为此类多糖在水胶体体系中的应用提供指导。

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