利用果聚糖的结构特性：解析水热处理对功能性聚合碳水化合物的影响

多糖水热处理动态结构演变及协同催化机制研究，采用HPGPC、HPLC、GC-MS和NMR系统分析 Polygonatum cyrtonema 水解过程。研究发现高温高湿下高聚果糖分子链优先断裂于特定糖苷键位，形成"热-酸-小分子"协同催化体系，导致分子量、多糖得率及酯化度显著下降，半乳糖含量相对上升。揭示了传统中药热加工中非酶促降解的分子路径，为建立基于结构标志的精准质控标准提供理论依据。

焕公|宋山实|张泽熙|甘晓娜|宋文琦|陈杰|Paiziliya Paerhati|李廷昭|刘东|李波|王顺春|王慧军

中国上海中医药大学中药研究所中药功能成分发现与利用国家重点实验室、中药标准化教育部重点实验室及中药新资源与质量评价上海中医药大学重点实验室

摘要

水热处理是一种常用于中药（TCM）和食品加工的技术，用于改变药材的质地和功效。然而，在复杂的水热处理过程中，关键多糖成分在分子层面的动态结构变化及其背后的机制仍不明确。本研究采用高效凝胶渗透色谱法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法和核磁共振等技术，系统地研究了不同处理周期下多糖结构的演变机制。结果表明，经过一轮蒸煮后，高分子量果聚糖就已发生显著降解。随着蒸煮次数的增加，多糖的分子量、产量、总糖含量、大多数单糖的含量以及酯化程度均有所下降，而半乳糖的含量相对增加。机制研究表明，在初始蒸煮阶段，热能驱动的糖苷键断裂是多糖转化的主要机制；而美拉德反应产生的有机酸形成的弱酸性环境则在水解过程中起到了辅助作用。此外，多糖降解过程中产生的小分子（如氨基酸和寡糖）也参与了催化过程，共同形成了“热-酸-小分子催化”的非酶促降解机制。本研究从分子层面揭示了水热处理过程中多糖的动态结构变化，为中药和食品加工中精确控制工艺参数提供了理论基础。

引言

中药（TCM）的加工是构建其理论体系的关键步骤，通过特定的技术来改变药材的性质和风味，增强疗效并降低毒性（Li等人，2021；Pan等人，2023；Yang等人，2024）。常用的加工方法包括水处理、热处理和水热处理（Zhu等人，2025）。水热处理（如蒸煮、煮沸和炖煮）是通过高温高湿环境对各种中药进行加工的关键物理化学驱动力（Zhou等人，2017；Zhou等人，2020）。Polygonatum cyrtonema（PC）是一种既可用于医药也可用于食品的中药，其核心活性成分是多糖（尤其是富含果聚糖），已被证实具有显著的生物活性，如免疫调节（Sun等人，2020；Wu等人，2022）、降低血糖（Nie等人，2023）和抗结肠炎（Gong等人，2024；Shi等人，2025）。因此，阐明蒸煮对Polygonatum cyrtonema多糖（PCP）结构的影响对于理解这些多糖的分子动态行为以及进一步促进其在医药和功能性食品中的高效应用至关重要。

近期研究表明，加工总是会导致PCP的含量、分子量和活性的变化（Mei等人，2025；Su等人，2023）。然而，这一过程中多糖精细结构的“动态演变路径”仍不明确：在高温高湿条件下，多糖链上的哪些敏感位点首先被破坏？长链是如何逐渐断裂的？是随机断裂还是存在优先的水解位点？降解产物（寡糖、单糖）是如何积累和转化的？这些变化是否遵循某种属特异性模式？果聚糖中的糖苷键（例如果呋喃糖苷键）在酸性和热条件下的稳定性与其他多糖不同（Zhao等人，2019）。因此，这些高果聚糖结构在加工过程中的演变模式可能代表了中药中某一类多糖的独特加工响应模型，其通用机制亟需阐明。

为了解决上述关键知识空白，本研究以PCP作为代表性模型，重点研究其丰富的果聚糖成分，在加工过程中（模拟制备条件：温度、时间和湿度梯度）系统地探究多糖结构的动态演变。首先，通过多次蒸煮循环（九轮蒸煮和处理）确定初始的水解敏感位点。随后，运用高效凝胶渗透色谱法（HPGPC）、高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱法（GC-MS）和核磁共振（NMR）等技术分析PCP的结构。最后，采用模拟加工策略评估整个加工过程中多糖成分的动态变化，建立“加工-结构演变”关联，并识别非酶促催化因素。本研究旨在阐明水热处理驱动高果聚糖结构降解的分子机制，并绘制其动态演变路径。

本研究的重要性不仅在于阐明PC加工的具体机制，更在于建立一种可转移的方法论框架，用于分析中药在高加工条件下的高果聚糖结构响应。我们旨在探索果聚糖结构对水热应力的具体响应，识别高果聚糖在加工过程中的结构演变规律，完善中药加工的化学理论，并验证中药在疾病治疗中的应用依据。通过确定关键的结构转变点（如特定的分子量阈值或特征成分的出现），本研究为基于结构标志物确定PC及类似药材的加工终点提供了坚实的科学依据，同时优化了药材和食品加工的工艺参数（温度、时间、循环频率）。这将推动中药加工领域从“经验控制”向“结构导向”的精准质量控制范式转变。此外，它还为多糖化学分子动态变化的研究提供了重要的指导和参考资料。

材料与试剂

Polygonatum cyrtonema Hua的根茎购自湖南石音谷农林发展有限公司。不同分子量的普鲁兰购自Shodex公司（东京，日本）。单糖标准品（D-半乳糖、D-阿拉伯糖、L-鼠李糖、L-岩藻糖、D-甘露糖、D-果糖、D-木糖和D-葡萄糖）以及三氟乙酸（TFA）购自Sigma-Aldrich公司（圣路易斯，密苏里州，美国）。L-肌醇购自Sigma-Aldrich公司（密苏里州，美国）。所用试剂

表面颜色和外观特性

蒸煮后，PC的颜色发生了显著变化。未蒸煮的PC表面为黄色。从第一次蒸煮到第三次蒸煮，颜色逐渐变为深棕色至黑色（Ai等人，2022）。第三次蒸煮后，颜色基本保持不变，仍为深棕色至黑色。此外，我们观察到未蒸煮的PC表面有明显的脉络状斑点。随着蒸煮次数的增加，这些脉络状斑点逐渐消失。

讨论

本研究重点关注了水热处理过程中多糖的变化及其降解机制。结果表明，PC在水热处理过程中的降解是一个复杂的非酶促催化过程，受多种因素驱动，主要包括温度、来自降解产物（如氨基酸和寡糖）的催化活性小分子以及酸性溶液环境。

结论

本研究系统揭示了化学成分的动态演变，特别是PC水热处理过程中的多糖结构及其转化机制。主要结论如下：

(1)

明确了动态演变路径：本研究证实，PC的水热处理是一个连续且动态的化学变化过程。多糖（如果聚糖）的降解主要发生在

作者贡献声明

宋文琦：研究、数据分析。陈杰：研究、数据分析。Paiziliya Paerhati：研究、数据分析。李廷昭：研究、数据分析。刘东：研究、数据分析。李波：撰写-审稿与编辑、数据可视化、监督、项目管理、方法学研究、资金获取、概念构建。王顺春：撰写-审稿与编辑、数据可视化、监督、项目管理、方法学研究、资金获取

未引用参考文献

Meng X等人，2021；Yang等人，2024。

利益冲突声明

本手稿的提交过程中不存在利益冲突，所有作者均同意发表该手稿。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，未曾在其他地方发表或被考虑发表。

致谢

H.G.和SS.S对本工作做出了同等贡献。本研究得到了国家自然科学基金（编号：82474057、82274078、82404829）、上海中医药大学的组织重点研发计划（编号：2023YZZ02）以及上海东方卓越计划（教育平台）青年项目的支持。