菊粉酸降解動(dòng)力學(xué)研究

許 威，羅登林*，陳瑞紅，劉建學(xué)

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

菊粉酸降解動(dòng)力學(xué)研究

許 威，羅登林*，陳瑞紅，劉建學(xué)

(河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003)

通過考察溫度、溶液pH值及水分含量對(duì)菊粉酸降解的影響，探索菊粉酸水解規(guī)律。結(jié)果表明：菊粉水溶液在pH 5.0～7.0、溫度低于100℃時(shí)具有良好的穩(wěn)定性；但當(dāng)pH值低于4.0時(shí)，菊粉出現(xiàn)明顯的水解反應(yīng)。菊粉溶液在不同溫度和pH值下的酸降解動(dòng)力學(xué)表明，其水解反應(yīng)遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。利用菊粉凝膠特性考察水分含量與菊粉酸降解的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)相同pH值(pH＝3)條件下，水分含量越高，菊粉降解速率越快，凝膠中菊粉降解速率低于菊粉水溶液降解速率。

菊粉；酸降解；動(dòng)力學(xué)

菊粉，又稱菊糖，平均聚合度2～60，是一種植物性貯藏性多糖，由D-果糖通過β(1→2)糖苷鍵連結(jié)而成的線性直鏈混合多糖，末端有一個(gè)葡萄糖殘基[1-3]。在我國(guó)菊芋(俗稱洋姜)和歐洲菊苣中含量豐富。

菊粉主要構(gòu)成單位是果糖，因此，利用菊粉取代傳統(tǒng)淀粉來生產(chǎn)高純度果糖具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、果糖純度高等明顯優(yōu)勢(shì)。目前菊粉降解生產(chǎn)高果糖漿的方法主要有酸水解法和酶水解法。酸水解法主要使用硫酸、鹽酸或有機(jī)酸降解菊粉，水解條件也不盡相同，一般條件為：pH1～4、溫度60～100℃、水解時(shí)間由5min到幾小時(shí)[4-5]。近年來，在原有的基礎(chǔ)上又衍生出新的降解菊粉的方法，如以強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂作為固體酸催化水解菊粉[6]，利用高壓CO2-水混合體系來創(chuàng)造的酸性環(huán)境來水解菊粉，然后減壓排除CO2即可[7]。酸水解法成本低，時(shí)間短，反應(yīng)穩(wěn)定和易控，但反應(yīng)完后需中和和脫鹽，存在一定的環(huán)境污染。菊粉酶水解采用的酶包括內(nèi)切型和外切型兩種，酶水解法工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，但存在水解時(shí)間長(zhǎng)、酶不耐高溫和價(jià)格高等瓶頸性問題[8-9]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)產(chǎn)菊粉酶菌株的選育和酶降解方面的文獻(xiàn)報(bào)道很多，而對(duì)酸降解菊粉缺乏研究。酸降解作為一種常用的方法，具有高效、成本低廉、易于工業(yè)化生產(chǎn)等明顯優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)以鹽酸為催化劑，研究不同酸度、溫度及水分對(duì)菊粉降解的影響規(guī)律，為實(shí)際菊粉酸降解制備高果糖漿的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

菊粉(平均聚合度10，80℃條件下干燥直到恒質(zhì)量)昆山拓豐有限公司。

酒石酸鉀鈉、3,5-二硝基水楊酸、硫酸、苯酚均為分析純。

722分光光度計(jì)、PHS-25C數(shù)顯酸度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；HH-S恒溫水浴鍋 江蘇金壇市億通有限公司。

1.2 方法

1.2.1 菊粉含量的測(cè)定

還原糖含量的測(cè)定：采用3,5-二硝基水楊酸法(DNS)[10]。移取0.2mL菊粉液于25mL刻度試管，加2mL DNS溶液，100℃水浴5min，冷卻到室溫，定容后于540nm波長(zhǎng)測(cè)定吸光度，計(jì)算還原糖含量。

總糖含量的測(cè)定：采用硫酸-苯酚法[11]。取1mL菊粉液，分別加入1mL 5%的苯酚溶液和5mL的濃硫酸，100℃水浴15min，冷卻到室溫于490nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，計(jì)算總糖含量。

菊粉含量測(cè)定：總糖含量減去還原糖含量即為菊粉含量[12]。

1.2.2 菊粉的熱穩(wěn)定性

配制0.3g/100mL的菊粉溶液，移取20mL于25mL具塞試管中。將試管置于水浴20、40、60、80、100℃中1h后，取出冷卻到室溫。測(cè)定菊粉液中還原糖的含量，每個(gè)水平做3個(gè)平行。

1.2.3 菊粉的酸降解性

移取20mL 0.3g/100mL菊粉液到25mL具塞試管中，用HCl溶液分別調(diào)節(jié)菊粉液pH值至1.0～7.0，然后把菊粉液置于20～100℃水浴中各1h，取出冷卻至室溫，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至7.0后，定容后測(cè)定還原糖含量。

1.2.4 菊粉的酸水解動(dòng)力學(xué)

分別配制1g/100mL菊粉液，移取20mL于25mL具塞試管中，用酸度計(jì)將pH值準(zhǔn)確調(diào)至2.0、3.0、4.0，分別置于50、60、70、80、90℃水浴中，每隔一定時(shí)間測(cè)定菊粉含量，分析不同酸度及溫度條件下菊粉含量隨時(shí)間的變化。

1.2.5 菊粉凝膠中的酸降解

以pH值為3.0的水溶液分別配制含菊粉量為40g/100mL、50g/100mL、60g/100mL菊粉凝膠，并將凝膠在室溫條件下陳化30min，同時(shí)與pH 3.0 的0.5g/100mL菊粉水溶液置于50℃條件下進(jìn)行酸水解，分別在不同時(shí)間取出凝膠于50℃條件下干燥，凝膠厚度不超過2mm，至恒質(zhì)量后研磨配制0.5g/100mL溶液，測(cè)定其還原糖含量，并與0.5g/100mL菊粉水溶液中含量比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊粉的熱穩(wěn)定性

圖1 不同溫度條件下0.3g/100mL菊粉液中還原糖含量變化Fig.1 Change in reducing sugar concentration in 0.3g/100mL inulin solution with increasing thermal treatment temperature

由圖1可知，溫度對(duì)還原糖含量的變化影響不顯著(P＝0.2047)。溫度低于80℃時(shí)，還原糖含量幾乎沒有變化，當(dāng)上升至100℃時(shí)，還原糖含量略有上升，與20℃相比增加了5.7%。這說明菊粉具有較好的熱穩(wěn)定性，不會(huì)因?yàn)榧庸み^程中高溫導(dǎo)致其加工特性的改變。Bohm等[13]研究表明菊粉在100～195℃熱處理1h后，菊粉出現(xiàn)明顯的降解反應(yīng)，如195℃條件熱處理1h后，菊粉殘余量?jī)H為30%左右。

2.2 酸度對(duì)菊粉降解的影響

圖2 不同pH值條件下0.3g/100mL菊粉的降解Fig.2 Degradation of 0.3 g/100 mL inulin at different pH values

圖3 50℃時(shí)0.3g/100mL菊粉酸降解隨時(shí)間的變化Fig.3 Degradation of 0.3 g/100 mL inulin at 50 ℃

由圖2可知，酸度可誘導(dǎo)并加速菊粉的降解速率(P＝0.01)。在pH5.0～7.0范圍內(nèi)，即使溫度升高至100℃，菊粉基本不水解；在pH3.0～5.0范圍內(nèi)，只有溫度高于50℃時(shí)，菊粉才發(fā)生水解，當(dāng)溫度超過80℃時(shí)，其水解速率明顯加快；當(dāng)pH值低于3.0時(shí)，即使是在室溫條件下菊粉也發(fā)生水解反應(yīng)，溫度越高，水解速率越快(P＝0.01)，這與Dickerson等[14]研究結(jié)果一致。溫度升高，反應(yīng)速率加快歸因于高溫下分子運(yùn)動(dòng)加快，分子碰撞機(jī)會(huì)增加，反應(yīng)活化能降低，反應(yīng)更易發(fā)生，這與蔗糖和淀粉的水解反應(yīng)相似[15-16]。由圖3可知，在相同溫度(50℃)條件下，pH2.0時(shí)水解反應(yīng)速率與時(shí)間近似線性關(guān)系，在0.5h時(shí)達(dá)平衡；而pH 3.0時(shí)，需4h才達(dá)平衡；在pH4.0時(shí)，則反應(yīng)超過27h仍未達(dá)平衡，且反應(yīng)速率較低。

2.3 菊粉的酸降解動(dòng)力學(xué)

不同溫度及酸度條件下的動(dòng)力學(xué)方程及速率常數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。1g/100mL菊粉溶液的酸水解表現(xiàn)為一級(jí)反應(yīng)，菊粉溶液含量的對(duì)數(shù)值與時(shí)間具有良好的線性關(guān)系。在相同酸度條件下，溫度越高，降解速率常數(shù)越大；當(dāng)溫度相同時(shí)，pH值越低，降解速率越大。菊粉水解過程中，由酸起著催化劑的作用，催化菊粉降解，生成果糖和不同聚合度的低聚果糖產(chǎn)物，在這過程中，水也參與了反應(yīng)。表明pH值對(duì)速率常數(shù)影響顯著(P＝0.05)。

表1 1g/100mL菊粉溶液在不同溫度及 pH值條件下降解動(dòng)力學(xué)分析Table 1 Dynamics of 1 g/100 mL inulin degradation at different levels of temperature and pH

2.4 水分含量對(duì)菊粉酸降解的影響

由圖4可知，菊粉凝膠中菊粉含量越高，水分含量就越低，菊粉水解速率也越小。水分存在的多少直接影響菊粉的水解速率和水解程度。水分含量越高，菊粉水解速率越快，水解程度也越高，但凝膠水解速度一直低于水溶液中菊粉水解速率。這可能是因?yàn)樗羌仁蔷辗劢到夥磻?yīng)的參與者，也為其水解反應(yīng)提供溶劑環(huán)境。與蔗糖等物質(zhì)水解一樣，只有在水溶液條件下，菊粉才能順利降解成低聚果糖。

圖4 水分含量對(duì)菊粉酸降解的影響Fig.4 Effect of water content on inulin hydrolysis

2.5 菊粉酸降解過程

綜合各因素對(duì)菊粉酸降解的影響，再借鑒淀粉等酸降解及低聚糖的反應(yīng)特點(diǎn)[17-18]，可推斷出菊粉酸降解反應(yīng)遵循如下過程：

其中：GFn為菊粉；F為果糖；G為葡萄糖；GF為蔗糖；GF2為蔗果三糖；GF3為蔗果四糖。

以上反應(yīng)能體現(xiàn)菊粉的酸降解規(guī)律，能很好地解釋以上酸度、溫度及水含量對(duì)菊粉降解的影響，符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

3 結(jié) 論

3.1 菊粉在pH 5.0～7.0的水溶液中非常穩(wěn)定，即使溫度達(dá)100℃，菊粉基本不水解；在pH 3.0～5.0范圍內(nèi)，只有溫度高于50℃時(shí)，菊粉才發(fā)生水解；當(dāng)pH＜3.0時(shí)，即使是在室溫條件下菊粉也能發(fā)生水解反應(yīng)，溫度越高，水解速率越快。

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Kinetic Studies on Acid Catalyzed Hydrolysis of Inulin

XU Wei，LUO Deng-lin*，CHEN Rui-hong，LIU Jian-xue
(College of Food and Bioengineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China)

The effects of temperature, pH and water content on inulin hydrolysis were studied to understand the acid catalyzed hydrolysis process of inulin for industrial production of high-fructose syrup. The results showed that inulin solution had a good thermal stability at a pH value in the range of 5.0－7.0 and a temperature below 100 ℃, while inulin degradation started to occur when the pH was lower than 4.0. The acid catalyzed hydrolysis dynamics of inulin at different levels of temperature and pH showed that the reaction followed the first-order kinetics well. The relation between inulin gel degradation induced by acid and water content was also investigated. At the same pH, the higher water content, the faster inulin hydrolysis, and the degradation rate of inulin was lower in gel than in aqueous solution.

inulin；acid hydrolysis；dynamics

TS245.4

A

1002-6630(2012)15-0095-04

2011-07-16

河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2008B550002)

許威(1985—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：toxuwei1986@163.com

*通信作者：羅登林(1976—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槌暭夹g(shù)與農(nóng)產(chǎn)品深加工。E-mail：luodenglin@sohu.com