玉米麩質(zhì)中水提阿拉伯木聚糖凝膠的性能研究

林 超，楊 成

（江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無錫214122）

作為最主要的非淀粉多糖之一，阿拉伯木聚糖主要存在于谷物的細(xì)胞壁中。其基本結(jié)構(gòu)是以β-（1→4）-D-吡喃木糖殘基基為線型主鏈，通過C（O）-2、C（O）-3或C（O）-2，3糖苷鍵連接α-L-阿拉伯呋喃糖基取代物[1]。在部分阿拉伯糖基的（O）-5位上存在著以酯鍵相連接的阿魏酸[2]。而帶有阿魏酸的阿拉伯木聚糖（WEAX）在能產(chǎn)生自由基的試劑（如過氧化物酶（POX）/H2O2、漆酶、錳過氧化物酶和化學(xué)氧化劑等）存在下時(shí)，通過阿魏酸分子間發(fā)生共價(jià)交聯(lián)，形成二聚物或三聚物，反應(yīng)會(huì)使溶液粘度上升，最終可以導(dǎo)致凝膠的形成[3-4]。由于WEAX凝膠具有無毒，反應(yīng)迅速，高吸水率，良好的生物相容性，對(duì)pH和電解質(zhì)濃度變化的穩(wěn)定性，并且能夠在放置一定時(shí)間仍然保持不縮水等優(yōu)點(diǎn)[1]，并且作為天然來源的多糖，來源廣泛并具有多種生物活性，將其應(yīng)用于食品、藥品和化妝品等領(lǐng)域已經(jīng)成為近年研究熱點(diǎn)。Izydorczyk等[5]使用過氧化物酶/H2O2體系研究了不同小麥中阿拉伯木聚糖凝膠的流變性能。Carvajal-Millan等[6]利用小幅振蕩流變儀研究了阿拉伯木聚糖在漆酶/O2體系存在下形成凝膠的過程，而阿拉伯木聚糖作為蛋白質(zhì)的載體，不同結(jié)構(gòu)和流變性能也影響著凝膠運(yùn)載蛋白質(zhì)的能力[7]。但是，對(duì)于水提玉米麩質(zhì)阿拉伯木聚糖凝膠的研究仍然較少，另一方面，不同氧化交聯(lián)體系對(duì)阿拉伯木聚糖凝膠的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，也沒有得到很好的研究。本文主要通過采用兩種不同的氧化膠凝體系制備玉米麩質(zhì)中水可提阿拉伯木聚糖凝膠，研究了不同氧化體系對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)、流變性、熱穩(wěn)定性和溶脹性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

過氧化物酶P8125、漆酶38429、α-淀粉酶A3403、蛋白質(zhì)酶P1236 均購(gòu)于Sigma公司；30%過氧化氫、正己烷、無水乙醇 為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

S-4800型掃描電子顯微鏡 日本日立公司；AR1000型流變儀 英國(guó)TA公司；TGA/SDTA 851E型熱重分析儀 瑞士Mettler Toledo公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 玉米麩質(zhì)中阿拉伯木聚糖的提取[8]稱取一定量的玉米麩皮，經(jīng)正己烷處理，得到去油脂玉米麩皮，將去油脂玉米麩皮倒入水中，調(diào)節(jié)pH至7，加熱煮沸，待降溫至90℃左右，加入α-淀粉酶，除去麩皮中所含淀粉，調(diào)節(jié)pH至6，加入蛋白質(zhì)酶P-1236，除去麩皮中所含蛋白質(zhì)；離心分離，收集上層清液與第1次洗滌清液，用4倍體積的無水乙醇沉淀，過濾，濾渣45℃烘干，研磨，得到阿拉伯木聚糖（WEAX）。

1.2.2 WEAX凝膠的制備[9-10]稱取一定量的玉米麩皮WEAX，配制成3%（w/v）的溶液，分別加入過氧化氫酶（每克WEAX中加入10U POX）和3%（w/w）過氧化氫（每克WEAX中加入100μL H2O2），在25℃下混合均勻，靜置，形成由過氧化物酶/H2O2體系制備的凝膠。

另稱取一定量的玉米麩皮WEAX，配制成3%（w/v）的溶液，加入漆酶（每毫克WEAX中加入0.1U漆酶），在25℃下混合均勻，靜置，形成由漆酶/O2體系制備的凝膠。

1.2.3 掃描電鏡 分別將冷凍干燥后的WEAX凝膠經(jīng)噴金操作后，使用掃描電子顯微鏡拍攝，得到其結(jié)構(gòu)形態(tài)。

1.2.4 凝膠流變學(xué)的測(cè)定 稱取一定量的WEAX，配制成3%（w/v）的溶液，分別加入上述過氧化物酶/H2O2體系和漆酶/O2體系后，迅速混合均勻，并快速取適量樣品于測(cè)試臺(tái)上，待平行板穩(wěn)定后，刮去多余樣品，加蓋防止水分蒸發(fā)，按如下條件進(jìn)行測(cè)試。流變儀條件[11]：選用40mm，1°的不銹鋼平行板，板間距為1mm，頻率為1.0Hz，應(yīng)變?yōu)?%，溫度為25℃，反應(yīng)時(shí)間為1h。

1.2.5 凝膠溶脹性的測(cè)定 將WEAX凝膠放入冰箱中冷凍24h后，稱重，記為Wi，在25℃下，分別浸入去離子水和0.1mol/L鹽酸中，每隔15min取出凝膠，用濾紙吸取凝膠表面多余溶劑后稱重，記為Ws，持續(xù)3h，所得數(shù)據(jù)可以用以下公式測(cè)定其溶脹性[12]：

1.2.6 凝膠熱穩(wěn)定性的測(cè)定 稱取一定量的冷凍干燥后的WEAX凝膠，使用TGA/SDTA 851E熱重分析儀進(jìn)行熱穩(wěn)定性的測(cè)定，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)條件：氮?dú)鉃?0mL/min，升溫速率為10℃/min，從30℃線性升溫至250℃.

2 結(jié)果與分析

2.1 WEAX凝膠的流變性能

圖1為過氧化物酶/H2O2體系所制備的WEAX凝膠（3%，w/v）的貯存模量G’、損耗模量G”和損耗角δ隨時(shí)間的變化。在本實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)開始時(shí)貯存模量G’就已經(jīng)達(dá)到了30Pa，并高于損耗模量G”，這說明凝膠形成速度快，在等待流變儀穩(wěn)定時(shí)溶液就已經(jīng)發(fā)生氧化膠凝反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過程中，G’緩慢增加最終達(dá)到91Pa，而損耗模量G”則一直保持在1Pa左右，G’大于G”，由此也說明凝膠的形成。牟振坤等[13]研究不同品質(zhì)類型小麥阿拉伯木聚糖流變性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶/H2O2體系的酶促氧化反應(yīng)進(jìn)程很快，而不同來源的阿拉伯木聚糖的凝膠能力也有明顯差別，2%（w/v）的WEAX凝膠的貯存模量G’從6.4Pa到167Pa不等。同時(shí)，損耗角δ的減小，也說明凝膠彈性成分比例的升高和形成更廣泛的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。

圖1 過氧化物酶/H2O2體系所制備的WEAX凝膠（3%w/v）的流變性能Fig.1 Monitoring the δ，storageand loss modulus of WEAX solution during gelation by peroxidase/H2O2system

圖2為漆酶/O2體系所制備的WEAX凝膠（3%，w/v）的貯存模量G’、損耗模量G”和損耗角δ隨時(shí)間的變化。相比于過氧化物酶/H2O2體系所制備的WEAX凝膠，本實(shí)驗(yàn)條件下，漆酶/O2體系所制備的WEAX凝膠的形成曲線更為平穩(wěn)，在實(shí)驗(yàn)記錄開始時(shí)貯存模量G’為4Pa，經(jīng)過一個(gè)快速升高的過程，在大約1500s到達(dá)穩(wěn)定區(qū)域，最終達(dá)到83Pa，略小于過氧化物酶/H2O2體系的凝膠。而損耗模量G”也是由反應(yīng)開始時(shí)的0.08Pa，快速上升最終到達(dá)3Pa。馬福敏等[15]研究漆酶對(duì)阿拉伯木聚糖粘度影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，漆酶催化反應(yīng)時(shí)具有無須雙底物和催化反應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，而Carvajal-Millan等[6]研究了漆酶/O2體系所制備的小麥中WEAX凝膠（1%，w/v）形成過程時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似的形成曲線，在實(shí)驗(yàn)過程中，貯存模量G’達(dá)到約14.6Pa，而凝膠的強(qiáng)度與阿拉伯木聚糖的來源和濃度都有關(guān)系[5，13]。

圖2 漆酶/O2體系所制備的WEAX凝膠（3%w/v）的流變性能Fig.2 Monitoring the δ，storage and loss modulus of WEAX solution during gelation by peroxidase/H2O2system

2.2 阿拉伯木聚糖凝膠的掃描電鏡圖

從圖3（a）可以看出，POX/H2O2體系凝膠的結(jié)構(gòu)中空洞的部分是水凝膠經(jīng)過冷凍干燥后水分干燥后留下的，具體放大如圖3（b）所示，可以看出凝膠的空間結(jié)構(gòu)并不規(guī)律，很可能由于凝膠形成速度太快導(dǎo)致。而漆酶/O2體系的WEAX凝膠的結(jié)構(gòu)由于相對(duì)平穩(wěn)的反應(yīng)速度，具有類似于蜂巢的規(guī)律空間結(jié)構(gòu)，而由圖3（d）中可以看出，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的平均內(nèi)徑大約為100μm左右，這種相對(duì)規(guī)律的結(jié)構(gòu)可能更有利于活性物質(zhì)的運(yùn)載與釋放[8]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，凝膠的平均內(nèi)徑在263～331nm之間，而WEAX凝膠的結(jié)構(gòu)主要與阿拉伯木聚糖的結(jié)構(gòu)和阿魏酸含量有關(guān)[10]。

圖3 POX/H2O2體系凝膠和漆酶/O2體系凝膠的掃描電鏡圖Fig.3 SEM of lyophilized WEAX hydrogel prepared by peroxidase/H2O2system and laccase/O2system

2.3 阿拉伯木聚糖凝膠的熱穩(wěn)定性

WEAX凝膠的熱穩(wěn)定性如圖4所示，圖4反映了WEAX凝膠在30～250℃下的重量改變，在30～100℃之間，POX/H2O2體系和漆酶/O2體系的WEAX凝膠均有10%左右的重量下降，這種重量的變化，可能是由于自由水的蒸發(fā)和結(jié)合水的解吸所致，據(jù)Cozic C[16]中報(bào)道一般100℃以下為自由水的蒸發(fā)，而高于100℃時(shí)，一般為結(jié)合水的解吸，所以這10%的變化應(yīng)該為自由水的蒸發(fā)。而在200℃以上，2個(gè)樣品均在250℃左右發(fā)生了分解，與文獻(xiàn)報(bào)道的木聚糖的分解一致[17]，而漆酶/O2體系的WEAX凝膠比POX/H2O2體系的略高，結(jié)合2.2中電鏡圖，可能是由于漆酶/O2體系的凝膠具有更好的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖4 POX/H2O2體系凝膠和漆酶/O2體系凝膠的熱穩(wěn)定性分析Fig.4 Thermogravimetric analysis of lyophilised WEAX hydrogel by peroxidase/H2O2system and prepared by laccase/O2system

2.4 阿拉伯木聚糖凝膠的溶脹性能

兩種氧化交聯(lián)體系的WEAX凝膠的溶脹性能如圖5所示，在實(shí)驗(yàn)3h時(shí)，POX/H2O2體系的凝膠在水中的溶脹率遠(yuǎn)大于在鹽酸中，在水中達(dá)到了大約230%，而在鹽酸中只有40%左右。原因可能是WEAX凝膠在酸性條件下，木糖、阿拉伯糖中的羥基或阿魏酸上的甲基均可以與質(zhì)子發(fā)生結(jié)合，發(fā)生質(zhì)子化作用，阻礙水分子的進(jìn)入。Imren D等[18]研究表明，水凝膠在酸性條件下的質(zhì)子化作用會(huì)導(dǎo)致氫鍵的形成（如質(zhì)子結(jié)合了羥基等官能團(tuán)），阻礙了凝膠的溶脹。而漆酶/O2體系的WEAX凝膠與POX/H2O2體系有著類似的情況，3h時(shí)，水中的溶脹性達(dá)到了約110%，而在鹽酸中只有約25%。據(jù)有關(guān)研究表明[19-20]，阿魏酸在不同酶體系下，氧化形成二聚物和三聚物的量不同，同時(shí)，所形成聚合物的優(yōu)勢(shì)構(gòu)型也有區(qū)別，而從SEM中可以看出，漆酶/O2體系的WEAX凝膠具有更小的孔隙，更密集的結(jié)構(gòu)，可能不利于凝膠的溶脹，從而反映在溶脹性小于POX/H2O2體系的凝膠。

圖5 POX/H2O2體系凝膠與漆酶/O2體系凝膠在不同溶液中的溶脹性能Fig.5 Swelling of WEAX hydrogels prepared by peroxidase/H2O2 system and prepared by laccase/O2system in different solution

3 結(jié)論

分別使用過氧化物酶（POX）/H2O2體系和漆酶/O2體系制備阿拉伯木聚糖凝膠。相比于漆酶/O2體系，過氧化物酶/H2O2體系所制備的凝膠具有更短的凝膠化時(shí)間，并且由于質(zhì)子化作用，兩種體系的凝膠在鹽酸中的溶脹性遠(yuǎn)小于在水中的溶脹性。漆酶/O2體系凝膠具有更規(guī)律的微觀結(jié)構(gòu)，可能更有利于蛋白質(zhì)和藥物釋控的應(yīng)用。

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