基于人工神经网络建模的超声可控降解金针菇多糖的理化性质和抗氧化活性

文章信息

南京农业大学张静思等人从金针菇中分离纯化出了分子量为1525.09 kDa的多糖组分(FVP2)，并基于人工神经网络建立了可同时预测FVP2的分子量和特性粘度的超声降解模型。利用该模型制备不同分子量或黏度的FVP2U1 (1149.11 kDa, 1.78 dL/g)、FVP2U2 (618.91 kDa, 1.19 dL/g)和FVP2U3 (597.35 kDa, 0.48 dL/g)，探讨超声对FVP2理化性质和抗氧化活性的影响。本研究成果题为“Study on the physicochemical properties and antioxidant activities of Flammulina velutipes polysaccharide under controllable ultrasonic degradation based on artificial neural network”，于2024年1月发表于International Journal of Biological Macromolecules。

背景介绍

金针菇多糖(FVP)是金针菇中的主要营养成分之一，具有抗氧化、调节免疫、改善记忆、胃保护、调节肠道菌群等活性。然而多糖一级结构和高级结构的多样性导致了其结构复杂，因此目前关于多糖结构与其和生物活性间关系的研究还不透彻。超声作为改性手段，具有高效、环保和参数可控的优势，通过可控的改性手段定向调控分子量和特性粘度，使其达到最优的理化性质和生物活性成为了金针菇多糖的构效关系的研究中的新关键点。本研究采用人工神经网络 (ANN) 的方式对金针菇多糖建立超声可控降解预测模型，旨在建立一种能够通过调整超声工艺参数来预测金针菇多糖分子量和粘度的模型，并通过模型生产指定分子量和指定特性粘度的多糖，探究多糖的分子量和特性粘度与理化性质和抗氧化活性的构效关系。

研究内容

降解组分的确定

从金针菇多糖中分离纯化出FVP1和FVP2，FVP1具有低分子量、低黏度的特点，而FVP2是导致金针菇多糖重均分子量增大的因素。因此，确定后续降解目标为组分FVP2。

图1  FVP经DEAE-52 洗脱曲线 (a); FVP1 (b) 和FVP2 (c)经葡聚糖G-200洗脱曲线 ; FVP1 (d) 和 FVP2 (e) 的HPLC结果; FVP1 (f)和FVP2 (g)的特性粘度

超声可控降解模型的建立

以超声时间(A)、超声温度(B)、功率密度(C)、多糖浓度(D)为自变量，超声降解后FVP2的分子量(Y1)和特性粘度(Y2)为响应值。采用Box-Behnken设计实验，人工神经网络来描述四个输入变量与两个输出变量之间的非线性关系。在拟合迭代过程中，分子量的决定系数(R^2)为0.9479，特性粘度的决定系数(R^2)为0.9174，表明该结构的三层神经网络模型可以有效地预测金针菇多糖的超声降解。

图2  FVP2可控降解模型的神经网络结构(a), 超声时间、超声温度、超声功率密度和 FVP2 溶液浓度对 FVP2 特性粘度(b)和分子量(c)影响的响应面图

定向降解金针菇多糖

为检验模型精度，从模型中选取了三组新的水平组合，包括具有最低分子量的超声波条件组合(48.54 min, 29.17°C, 33.79 W/mL,1.17 mg/mL)和相同分子量但具有更低粘度的条件组合(37.40 min, 41.98°C, 50.30 W/mL, 1.14 mg/mL);为了比较不同梯度分子量的多糖的活性差异，在降解过程中随机选择组合(19.96 min, 55.77°C,49.77 W/mL, 1.03 mg/mL)，取三个平行实验的分子量和特征粘度的平均值，对模型进行测试。按照特性粘度降解程度的上升顺序为三个实验分别命名为FVP2U1 (1149.11 kDa, 1.78 dL/g)、FVP2U2 (618.91 kDa, 1.19 dL/g)和FVP2U3 (597.35 kDa, 0.48 dL/g)。利用训练好的神经网络模型对结果进行预测，并与实验结果进行对比，验证了基于人工神经网络的可控退化预测模型的准确性和稳定性。为便于操作，对超声实验条件稍作修改(表1)。结果表明，预测值与实际值的相对误差均低于5%，模型能够准确预测金针菇多糖的超声降解过程。

表1 可控降解模型的验证

理化结构

与超声前相比，超声降解后金针菇多糖分子量、特性粘度、粒径和电位降低，虽然超声降解金针菇多糖的单糖组成和糖苷键组成类型未发生改变，但其组成比例发生变化，具体表现为半乳糖、甘露糖、→3)-α-D-Galp(1→和→3,4)-α-D-Manp(1→含量升高，葡萄糖、岩藻糖、→6)-α-D-Glcp……(1→和β-L-Fucp(1→的含量降低。同时理化性质发生变化，超声后的金针菇多糖水合能力提高，结晶指数升高，表观粘度和粘弹性减弱，且改变程度随着特性粘度的降低而增大。

图3  FVP2及其超声降解多糖的红外光谱图(a), 水溶性指数(b), 持水力(c)和XRD衍射曲线。不同小写字母代表显著性差异 (p < 0.05)

表2  甲基化FVP2及其超声降解多糖的GC MS分析

抗氧化活性

超声降解提高了金针菇多糖的抗氧化能力 (ABTS、DPPH、·OH自由基清除能力)，降解后分子量越低，抗氧化效果越好。然而，分子量无显著差异的两种组分（FVP2U2和FVP2U3）具有不同的抗氧化能力，这可能是由于特性粘度不同所致。研究表明，特性粘度越低的多糖具有越强的抗氧化活性。超声改性前后金针菇多糖的抗氧化能力与其水化能力呈正相关，与其流变黏度和特性黏度呈负相关。提高溶解度和降低粘度可以提高多糖的生物利用度。超声后金针菇的功能特性得到改善，因此抗氧化活性增强。

图4 FVP2及其超声降解多糖的ABTS自由基(a), DPPH自由基(b)和·OH自由基(c)的清除活性

结果与展望

本研究建立了一种能够单独或同时预测金针菇多糖分子量和特性粘度的超声可控降解模型被建立，该模型预测能力良好。通过模型发现特性粘度会在分子量不再降低时继续降低，这可能是金针菇多糖的空间排列会在糖链断裂后继续被影响。在模型中预测并生产了相同分子量不同特性粘度 (FVP2U2, FVP2U3) 以及不同分子量范围 (FVP2U1) 的三种降解度金针菇多糖 (分子量：FVP2U1>FVP2U2=FVP2U3; 特性粘度:FVP2U1>FVP2U2>FVP2U3)。之前的争论是关于分子量和特性粘度单独对于多糖功能特性的影响，本研究发现，在分子量无显著性变化的情况下，特性粘度的改变对于金针菇多糖的抗氧化活性仍有影响。未来将进一步通过模型研究金针菇多糖的结构与活性间复杂的关系以及超声作用机制。

论 文 信 息

题目：Study on the physicochemical properties and antioxidant activities of Flammulina velutipes polysaccharide under controllable ultrasonic degradation based on artificial neural network

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.129382

期刊：International Journal of Biological Macromolecules

发表时间：2024.01

通讯作者：Liyan Zhao

通讯作者单位：南京农业大学