硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的微波法制備工藝及其性能研究*

曾曉漫，劉倍毓，鐘耕，2，彭佳瑩，夏玉紅

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400716) 2(重慶市魔芋工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的微波法制備工藝及其性能研究*

曾曉漫1，劉倍毓1，鐘耕1，2，彭佳瑩1，夏玉紅1

1(西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400716) 2(重慶市魔芋工程技術(shù)研究中心，重慶，400715)

魔 芋葡甘聚糖通過(guò)微波加熱引入親水的羧甲基基團(tuán)及疏水的硬脂酸基團(tuán)進(jìn)行復(fù)合改性，從而改善其理化性質(zhì)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。采用單因素試驗(yàn)研究硬脂酸甲脂及氫氧化鈉的用量、微波反應(yīng)時(shí)間和溫度對(duì)硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯取代度的影響，在此基礎(chǔ)上通過(guò)四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)確定最佳工藝參數(shù)并研究所得產(chǎn)物的理化性質(zhì)。得出最佳改性條件:硬脂酸甲脂用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量5.85% ～6.36%，反應(yīng)溫度85.9～87.5℃，反應(yīng)時(shí)間10.1～10.4 min條件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能;相比羧甲基魔芋葡甘聚糖，產(chǎn)品的黏度有所提高，抗堿性能力增強(qiáng)，乳化能力提高且穩(wěn)定，是一種優(yōu)良的乳化劑。

微 波，硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯，工藝，性能

魔芋(konjac)屬天南星科魔芋屬(Amorphophallus B lume)多年生草本塊莖植物［1］。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，簡(jiǎn)稱KGM)是一種從魔芋塊莖中提取的中性雜多糖，其具有吸水、保濕、膠凝、成膜、乳化等性能及降血糖、降血脂、提高免疫力等特殊的生理功能［2］。然而天然KGM固有的一些缺陷限制了其發(fā)展，如溶脹速率慢、溶膠透光率低和穩(wěn)定性差等［3］，因此，對(duì)KGM進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男孕揎?，可使之適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)的廣泛需要。

田炳壽［4］等人采用非均相?；ㄖ苽淞?個(gè)系列的長(zhǎng)鏈脂肪酸魔芋葡甘聚糖酯(KGME)。研究表明，適宜取代度的KGME具有較強(qiáng)的乳化能力和較好的乳化穩(wěn)定性能，且表現(xiàn)出良好的抗鹽和抗酸性能，可望成為食品等工業(yè)的一種高效能的大分子乳化劑。目前對(duì)硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯(SCMK)的相關(guān)研究還未見(jiàn)報(bào)道，在KGM結(jié)構(gòu)上引入親水的羧甲基基團(tuán)和疏水的硬脂酸基團(tuán)，使其具有兩親性，因此復(fù)合改性的SCMK可能具備比KGM和CMK(羧甲基魔芋葡甘聚糖)更優(yōu)越的應(yīng)用性能。

黃永春［5］等人發(fā)現(xiàn)，微波輻射對(duì)魔芋葡甘聚糖的極性羥基通過(guò)分子偶極作用和分子的高速振動(dòng)產(chǎn)生熱效應(yīng)，使得其在低水分含量的條件下即能迅速獲得能量，發(fā)生水解或降解。夏玉紅等［6］對(duì)CMK的微波干法制備工藝進(jìn)行了探索，該工藝簡(jiǎn)便、能耗低、反應(yīng)效率高且不污染環(huán)境。以上研究使得KGM的化學(xué)改性走綠色工藝道路成為可能，因此，本研究采用半干法經(jīng)微波加熱，在比較溫和的溫度條件下制備硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯得出優(yōu)化改性條件，并對(duì)產(chǎn)品的基本理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋粉(符合NY/T494－2002中普通魔芋微粉標(biāo)準(zhǔn))，由重慶里茂農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有限公司提供。氯乙酸、硬脂酸甲酯(SCRC)、氫氧化鈉、濃鹽酸、無(wú)水乙醇、氯化鋰、硝酸銀、酚酞、甲醇、氯化鈉、冰醋酸等試劑除特別注明外均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SHA-C型往復(fù)式水浴恒溫振蕩器，江蘇正基儀器有限公司;HH-4型恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司:MAS-Ⅱ微波反應(yīng)器，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司;HANNA 211酸度計(jì)，上海雷磁儀器廠;FA1004型電子天平，上海精科天平廠;172F-6020型干燥箱，上海精密實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)型循環(huán)水真空泵，鄭州市滎陽(yáng)華盛儀器廠;HL-2021型粉碎機(jī)，上海海林電器有限公司;NDJ-5S型數(shù)字式粘度計(jì)，上海精密儀器有限公司;Spectrum 100紅外光譜分析儀，美國(guó)Perkin Elmer公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 硬脂酸-羧甲基葡甘聚糖的制備方法

CMK的制備方法見(jiàn)文獻(xiàn)［6］，經(jīng)測(cè)定其取代度可達(dá)0.48，產(chǎn)品的水溶性和溶液穩(wěn)定性都得到改善。

將一定量CMK和硬脂酸甲酯的甲醇溶液混合均勻后噴入一定量的NaOH溶液，邊噴邊攪拌，充分混勻后，送入微波反應(yīng)器中，在一定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間后，用體積分?jǐn)?shù)50%的乙醇溶液洗去副反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)和未參與反應(yīng)的硬脂酸甲酯，并小心滴加醋酸調(diào)節(jié)pH值到中性，重復(fù)洗滌3次后，濾去洗液，將濾餅粉碎進(jìn)入40℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥，干燥后的物料經(jīng)粉碎過(guò)40目篩后得到的淡黃色粉末即為SCMK。

1.3.2 硬脂酸-羧甲基葡甘聚糖基團(tuán)取代度(degree of substitution，DS)的測(cè)定［7－8］

準(zhǔn)確稱取純凈干燥的SCMK樣品1.000 0 g于250 mL碘量瓶中，加入50 mL去離子水，再加入25 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液，置于搖瓶柜中振蕩50 min;加入2滴酚酞指示劑，用0.01 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)HCl滴定至粉紅色剛好消失，記錄消耗的鹽酸體積數(shù)V1;同時(shí)用CMK做空白實(shí)驗(yàn):即精確稱取1.000 0 g干燥的CMK樣品，加入25 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液，置于搖瓶柜中振蕩50 min;加入2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸滴定至粉紅色剛好消失，記錄消耗的鹽酸體積數(shù)V0。

根據(jù)下面公式計(jì)算硬脂酸基團(tuán)的取代度(DS)

式中:V0，滴定空白用去的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積，mL;V1，滴定樣品用去的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的體積，mL;c，標(biāo)準(zhǔn)鹽酸的摩爾濃度，mol/L;m:樣品的質(zhì)量，g;162，葡甘聚糖結(jié)構(gòu)單元的摩爾分子量;267，硬脂酸基 CH3(CH2)16CO—的摩爾分子量。

1.3.3 四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)確定SCMK最佳改性條件

以取代度為0.48的CMK為原料，分別對(duì)硬脂酸甲酯的用量，NaOH的用量、微波反應(yīng)時(shí)間、微波反應(yīng)溫度對(duì)SCMK基團(tuán)取代度的影響進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上采用四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 SCMK四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)因素水平表

1.3.4 SCMK理化性質(zhì)研究

1.3.4.1 表觀黏度(η)的測(cè)定［9］

稱取1.0 g SCMK分散于99 mL蒸餾水中，在60℃水浴條件下溶脹1 h，冷卻至25℃，即配置成1%濃度的SCMK水溶液，然后用NDJ-5型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在25℃恒溫下測(cè)定溶液的表觀黏度。

1.3.4.2 SCMK抗酸堿性能的測(cè)定［10］

分別稱取CMK、SCMK樣品，將其各配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1 % 的 溶液，調(diào)節(jié) p H 值為 3 、5、7、9、11，在60℃水浴條件下溶脹1 h，冷卻至室溫(25℃)重新恒定pH值，測(cè)定不同pH值條件下溶液的黏度。1.3.4.3 SCMK 乳 化性能的測(cè)定方法［11－13］

準(zhǔn)確稱取1.000 0 g SCMK于250 mL燒杯中，再加入50 mL水，85℃水浴加熱震蕩50 min，使SCMK充分溶脹，得到溶脹均勻的乳液，趁熱加入緩慢加入10 mL大豆色拉油，邊加邊攪拌，整個(gè)過(guò)程在2 min內(nèi)完成，25℃下恒溫，超聲波乳化10 min，形成乳狀液。將此乳狀液轉(zhuǎn)移至20 mL刻度離心管中，25℃下恒溫放置24 h，記錄乳化層高度和液體總高度，然后將離心管放置48 h，記錄乳化層高度和液體總高度。按下式計(jì)算乳化能力EC(emulsion capacity)和乳化穩(wěn)定性ES(emulsion stability)。

1.3.5 紅外光譜分析

將待測(cè)樣品于105℃干燥，冷卻后，采用KBr壓片法，樣品與KBr按質(zhì)量1∶100比例充分研磨、混勻、壓片后在450～4 000 cm－1區(qū)間掃描。

2 結(jié)果與分析

2.1 四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)確定SCMK最佳改性條件

2.1.1 SCMK四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)結(jié)果及方差分析

對(duì)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各個(gè)因素與硬脂酸取代度之間的多元二次回歸方程。

在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項(xiàng)后的簡(jiǎn)化方程式如下:

表2 SCMK四元二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

對(duì)二次回歸方程式(2)進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn)，F(xiàn)2=17.8190 7，P＜0.01達(dá)極顯著水平，方程回歸系數(shù)R2=0.923 1，表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較好;失擬性檢驗(yàn)F=3.774 83，P＞0.05不顯著，說(shuō)明試驗(yàn)設(shè)計(jì)所選因素正確，該回歸方程無(wú)失擬因素存在，回歸模型與實(shí)測(cè)值能較好地?cái)M合。

正交實(shí)驗(yàn)確定的最佳反應(yīng)條件為:NaOH添加量為6%，反應(yīng)溫度85℃，反應(yīng)時(shí)間10 min。

二次回歸方程各系數(shù)的方差分析結(jié)果表明，SCRC添加量、微波反應(yīng)時(shí)間、微波反應(yīng)溫度對(duì)硬脂酸取代度有極顯著影響(P＜0.01);NaOH的添加量對(duì)硬脂酸的取代度有顯著影響(P＜0.05)。由回歸方程的各個(gè)系數(shù)絕對(duì)值的大小可以判定四個(gè)因素對(duì)SCMK硬脂酸取代度的影響大小順序?yàn)?SCRC添加量＞微波作用的時(shí)間＞微波作用的溫度＞NaOH的添加量。

2.1.2 工藝參數(shù)的優(yōu)化和模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

SCRC用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量在5.85% ～6.36%，反應(yīng)溫度在85.9～87.5℃，反應(yīng)時(shí)間在10.1～10.4 min條件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能。

對(duì)各個(gè)參數(shù)優(yōu)化范圍的下限值對(duì)模型預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，重復(fù)5次，其平均值為0.021 4，說(shuō)明所得的數(shù)學(xué)模型具有較好的預(yù)測(cè)能力。

2.2 SCMK理化性質(zhì)研究

2.2.1 不同樣品黏度和黏度穩(wěn)定性

由圖1可知，KGM的起始黏度為34 166 mPa·s，而取代度為0.48的CMK的黏度降至了600 mPa·s以下，這可能是由于反應(yīng)過(guò)程中，在堿和醚化劑的作用下，KGM的分子鏈部分?jǐn)嗔眩肿淤|(zhì)量減小。SCMK引入硬脂酸基團(tuán)后，隨著取代度的提高，黏度逐漸增大，這可能是由于硬脂酸基團(tuán)部分增加了分子鏈的長(zhǎng)度。當(dāng)放置24 h后，KGM的黏度大大降低，48 h變稀，而CMK和SCMK黏度基本穩(wěn)定。

圖1 SCMK黏度和黏度穩(wěn)定性變化

2.2.2 SCMK的抗酸堿性能

從圖2可知，溶液pH值的變化影響CMK和SCMK的黏度。CMK在pH值為3～11內(nèi)變化很大，在酸性環(huán)境中黏度降到100(mPa.s)以下，在堿性環(huán)境中的黏度比在酸性環(huán)境中的黏度要大。而SCMK的黏度在pH值為3～5時(shí)大大降低，在pH值7～11內(nèi)，黏度基本保持穩(wěn)定。這說(shuō)明SCMK比CMK的抗堿性增強(qiáng)，而CMK和SCMK均不耐酸。

圖2 SCMK的抗酸性能

2.2.3 不同取代度SCMK的乳化能力和乳化穩(wěn)定性

由圖3可以看出，硬脂酸的取代度SCMK的乳化能力影響較大，隨著取代度的增加，SCMK的乳化能力和乳化穩(wěn)定性也隨之增加。當(dāng)取代度為0.008時(shí)，SCMK乳化體系放置48 h后，其乳化層減少較多，而取代度大于0.014的SCMK乳化體系放置48h后仍比較穩(wěn)定。

圖3 不同取代度SCMK的乳化能力和乳化穩(wěn)定性

2.3 SCMK的紅外光譜分析

圖4是 K GM、CMK和 S CMK的紅外光譜圖，KGM與CMK的紅外光譜之間顯示了明顯的差異。與KGM相比，CMK的紅外光譜圖上在1 325.38、2 340.20 cm－1處出現(xiàn)了明顯的羧基C＝O和—OH的吸收峰;1 622～1 627 cm－1處為C＝O的吸收峰，而CMK紅外圖譜上此段吸收峰明顯增強(qiáng)，表明羧甲基基團(tuán)已經(jīng)連接到KGM分子上。

圖4 SCMK的紅外光譜分析

3 結(jié)論

本研究利用微波在比較溫和的條件下采用半干法制備硬酯酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯，微波法制備SCMK的工藝研究判定4個(gè)因素對(duì)SCMK硬脂酸取代度的影響大小順序?yàn)?SCRC添加量＞微波作用的時(shí)間 ＞微波作用的溫度 ＞NaOH的添加量。當(dāng)SCRC用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量在5.85%～6.36%，反應(yīng)溫度在85.9～87.5℃，反應(yīng)時(shí)間在10.1～10.4 min條件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能。在此條件下產(chǎn)品易溶于水形成穩(wěn)定的透明溶液，黏度在CMK的基礎(chǔ)上有所提高;產(chǎn)品抗堿不耐酸;其乳化能力增強(qiáng)，且隨取代度及pH值的變化而改變。

對(duì)硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的性質(zhì)研究表明，其溶液保濕性、穩(wěn)定性、抗堿性、乳化性等性質(zhì)均比未改性的魔芋葡甘聚糖優(yōu)良，可望在食品添加劑和環(huán)境友好型材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

［1］ 汪 超，李斌，謝筆鈞，等.魔芋葡甘聚糖羧甲基化方法改進(jìn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005，21(5):140 －144.

［2］ Z hang Y Q，Xie B J，Gan X.Advance in the applications of konjac glucomannan and its derivatives［J］.Carbohydrate Polymers，2005，60:27 －31.

［3］ 劉 愛(ài)紅.魔芋葡甘聚糖及衍生物的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.山西化工，2007，27(3):26 －28.

［4］ 田 炳壽，董常明，駱定法，等.長(zhǎng)鏈脂肪酸魔芋葡甘聚糖酯的制備及乳化性能研究［J］.高分子學(xué)報(bào)，1999(3):326－331.

［5］ 黃 永春，謝清若，何仁，等.微波輔助H2O2降解魔芋葡甘聚糖的研究［J］.食品科學(xué)，2005，26(8):97 －199.

［6］ 夏 玉紅，律冉，鐘耕，等.微波法制備羧甲基魔芋葡甘聚糖的工藝及產(chǎn)物性能研究［J］.食品科學(xué)，2010，14:47－52.

［7］ 史巧.微波法硬脂酸玉米淀粉酯的制備及應(yīng)用［D］.無(wú)錫:江南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［8］ B iawas A，Shogrenr L，Selling G，et al.Rapid and environmentally friendly preparation of starch esters［J］.Carbohygrate Polymers，2008，13(1):1 －5.

［9］ 李斌，汪超，吳良志.魔芋葡甘聚糖凝膠溶脹一溶解特性研究［J］.食品科技，2003(7):3－6.

［10］ 尉芹，馬希漢，陳本文.幾種改性魔芋葡甘露聚糖的生產(chǎn)工藝度其性能的研究［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，11(1):86－90.

［11］ Yasumatsu K，Sawada，Moritaka S，et al.Whipping and emulsifying properties of soybean products［J］.Agri Biol Chem，1972，36:719 －721.

［12］ 張萬(wàn)福.食品乳化劑［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，1993:292－300.

［13］ Crooks P A，Collett J H，Withington R.The determination of the hydrophile-hydrophobe proton ratio in a series of polyoxyethylene sorbitan esters［J］.Pharmaceutical Acta Helvetiae，1974，49(7):274 －276.

Studies on Stearate-carboxymethyl Konjac Glucomannan Preparation by Microwave Heating and Its Properties

Zeng Xiao-man1，Liu Bei-yu1，Zhong Geng1，2，Peng Jia-ying1，Xia Yu-hong1
1(School of Food Science，Southwest University，Chongqing 400716，China)2(Engineering Technique Research Center of Chongqing for Konjac，Chongqing 400715，China)

In order to improve the physic-chemical properties of Konjac glucomannan and extend its application field，konjac glucomannan was modified with hydrophilic carboxymethyl group and hydrophobic stearate group by microwave .The effects of the amounts of the methyl stearate，sodium hydroxide，microwave reaction time，and the temperature on the degree of substitution(DS)were studied by single factor experiments.Based on these studies，the optimum reaction parameters of preparing SCMK were obtained by revolving orthogonal combinatorial design experiment，and its physical-chemical properties were investigated.The results showed that the amount of the methyl stearate，the amount of the sodium hydroxide，reaction temperature and time were about 14.0% ～14.4%，5.85% ～6.36%，85.9 ～87.5℃ and 10.1 ～10.4min，respectively.The percentage of SCMK with DS value of 0.020 was more than 95%.Compared with the carboxymethyl konjac glucomannan，the viscosity of the SCMK increased，the ability of anti-alkaline and emulsifying capacity and its stability improved.SCMK is a better emulsifier.

microwave，stearate-carboxymethl konjac glucomannan，processing，properties

碩士研究生(鐘耕教授為通訊作者)。

*重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC，2009BB1249)資助

2010－10－08，改回日期:2010－11－29