普魯蘭多糖的吸濕、保濕性及其黏度穩(wěn)定性

孫芳艷，王 萌，王建梓，郝華璇，殷海松，喬長(zhǎng)晟，

（1. 工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457；2. 天津北洋百川生物技術(shù)有限公司，天津 300457）

普魯蘭多糖的吸濕、保濕性及其黏度穩(wěn)定性

孫芳艷1，王 萌1，王建梓1，郝華璇2，殷海松1，喬長(zhǎng)晟1，2

（1. 工業(yè)發(fā)酵微生物教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)生物工程學(xué)院，天津 300457；2. 天津北洋百川生物技術(shù)有限公司，天津 300457）

通過將普魯蘭多糖與透明質(zhì)酸以及甘油進(jìn)行對(duì)比，對(duì)普魯蘭多糖的吸濕和保濕性能進(jìn)行了研究，并對(duì)其吸濕過程作了初步的動(dòng)力學(xué)分析.同時(shí)研究不同黏度普魯蘭多糖的保濕性以及溫度、pH和 Na+濃度對(duì)普魯蘭多糖黏度穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明：普魯蘭多糖在相對(duì)濕度 81%，時(shí)其吸濕、保濕效果與透明質(zhì)酸不相上下，其吸濕過程符合二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上；質(zhì)量濃度為1，mg/mL的普魯蘭多糖（黏度為42.7，mPa·s）保濕性能最佳.普魯蘭多糖黏度受溫度、pH以及離子濃度的影響較小，表明其具有較好的黏度穩(wěn)定性.因此，這為普魯蘭多糖在食品中作為持水劑、增稠劑和穩(wěn)定劑以及在化妝品中作為保濕因子提供了一定的理論依據(jù).

普魯蘭多糖；吸濕性；保濕性；黏度穩(wěn)定性

普魯蘭多糖（pullulan）又名茁霉多糖、普魯蘭糖，是出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）菌株在其生長(zhǎng)過程中通過糖發(fā)酵途徑合成的一種胞外中性多糖.其分子將麥芽三糖作為基本單位，兩端再以α-1，6-糖苷鍵將其連接，反復(fù)聚合形成高分子直鏈多糖，α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵的比例為 2∶1［1］.干燥的普魯蘭多糖是一種易溶于水的白色粉末，溶液無膠凝作用且黏稠穩(wěn)定.普魯蘭多糖的黏結(jié)、成膜以及阻氧性能極佳，且具有易自然降解等獨(dú)特的理化和生物學(xué)性質(zhì)，對(duì)人體無毒無害，是一種有極大應(yīng)用開發(fā)價(jià)值和前景的多功能新型生物制品［2］.

保濕是化妝品不可或缺的功效，皮膚的濕度是保證皮膚年輕化的最基本的條件.透明質(zhì)酸（HA）是目前自然界中發(fā)現(xiàn)的保濕性能最好的物質(zhì)［3］，被國(guó)際化妝品行業(yè)公認(rèn)為最理想的天然保濕因子，但是HA制備方法的局限性使其價(jià)格居高不下，難以滿足市場(chǎng)需求，尋找合適的透明質(zhì)酸替代品一直是研究熱點(diǎn)［4］.此外，多糖物質(zhì)的黏性對(duì)發(fā)揮活性功效也會(huì)產(chǎn)生很大影響.

目前，普魯蘭多糖作為保濕功效性添加劑在化妝品中的應(yīng)用研究較淺，本實(shí)驗(yàn)以實(shí)驗(yàn)室提取干燥的普魯蘭多糖為研究對(duì)象，以HA、甘油為對(duì)照，研究普魯蘭多糖的吸濕、保濕性，進(jìn)一步研究其吸濕動(dòng)力學(xué)以及黏度穩(wěn)定性，旨在為低成本生產(chǎn)的普魯蘭多糖在食品工業(yè)和化妝品行業(yè)的應(yīng)用提供一定理論依據(jù).

1　材料與方法

1.1原料與試劑

普魯蘭多糖，本實(shí)驗(yàn)室提取所得（Mw=2.0× 105）；透明質(zhì)酸（HA，化妝品級(jí)），山東福瑞達(dá)生物化工有限公司；甘油（分析純），湖北化工科技開發(fā)公司；其他化學(xué)試劑均為分析純.

1.2儀器

101-0 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，北京愛格森自動(dòng)化有限公司；S21-3型磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；FG2-FiveGoTM型便攜式 pH計(jì)，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；SHZ-GWX型數(shù)顯恒溫振蕩水浴鍋，金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠；FA2104A型電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司.

1.3普魯蘭多糖吸濕、保濕性測(cè)定

1.3.1普魯蘭多糖吸濕性的測(cè)定

以具有吸濕性的 HA、甘油為對(duì)照，測(cè)定普魯蘭多糖的吸濕性.將普魯蘭多糖、HA、甘油置于 105，℃烘箱中 3，h，再將樣品移至干燥器中，冷卻至室溫后分別稱取各樣品 1，g于干凈玻璃培養(yǎng)皿中（直徑6，cm），25，℃條件下將培養(yǎng)皿置于相對(duì)濕度為81%，（飽和硫酸銨溶液）的干燥器中，每隔 3，h稱量 1次. 每個(gè)樣品作3 組平行.按式（1）計(jì)算吸濕率.

式中：mt為t小時(shí)后培養(yǎng)皿和樣品的質(zhì)量，g；m0為質(zhì)量恒定的培養(yǎng)皿和樣品的質(zhì)量，g；m為樣品質(zhì)量，g.

1.3.2普魯蘭多糖保濕性的測(cè)定

將1.3.1中吸濕24，h后的樣品移至干燥器（裝有硅膠）中進(jìn)行保濕實(shí)驗(yàn)，每 3，h稱量 1次培養(yǎng)皿的質(zhì)量，按式（2）計(jì)算樣品的保濕率.

式中：m0為質(zhì)量恒定的培養(yǎng)皿和樣品的質(zhì)量，g；ma為 a小時(shí)后培養(yǎng)皿和樣品的質(zhì)量，g；mb為放入干燥器前培養(yǎng)皿和樣品的初始質(zhì)量，g.

1.4不同質(zhì)量濃度普魯蘭多糖保濕性的測(cè)定

采用 NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測(cè)定普魯蘭多糖溶液不同質(zhì)量濃度（0.4、0.6、0.8、1.0、1.2，mg/mL）的絕對(duì)黏度.25，℃下分別吸取 10，mL不同質(zhì)量濃度普魯蘭多糖溶液置于質(zhì)量恒定的敞口玻璃皿中，放入相對(duì)濕度為 43%，的密閉干燥器（飽和碳酸鈉溶液）中.每3，h稱 1次玻璃皿質(zhì)量，每個(gè)樣品作 3組平行，計(jì)算保濕率.

1.5普魯蘭多糖黏度穩(wěn)定性

采用NDJ-1型旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)測(cè)定普魯蘭多糖溶液的絕對(duì)黏度，探究溫度、Na+濃度和pH對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響［5-6］.

1.5.1溫度對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響

將 1.0，mg/mL普魯蘭多糖溶液置于水浴鍋中，5～95，℃（每 5，℃為一梯度）水浴 20，min后測(cè)溶液的黏度，每個(gè)樣品作 3組平行，測(cè)定溫度對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響.

1.5.2pH對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響

將 1.0，mg/mL普魯蘭多糖溶液 pH分別調(diào)節(jié)至1、3、5、7、9、11、13，靜置 20，min后測(cè)溶液的黏度，每個(gè)樣品作3組平行，測(cè)定pH對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響.

1.5.3Na+濃度對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響

向 40，mL 1.0，mg/mL普魯蘭多糖溶液中分別加入 0.6、1.2、1.8、2.4、3.0，mol/L NaCl溶液 20，mL，混勻，空白組加入 20，mL蒸餾水，靜置 20，min后測(cè)溶液的黏度，每個(gè)樣品作 3組平行，測(cè)定 Na+濃度對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響.

1.6數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Origin軟件整理數(shù)據(jù)，用ANOVA 進(jìn)行方差分析，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示.

2　結(jié)果與分析

2.1普魯蘭多糖的吸濕、保濕性

普魯蘭多糖、HA和甘油的吸濕性，如圖 1所示.在高相對(duì)濕度（81%，）環(huán)境下，前 12，h，3 種樣品吸濕率都隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著升高，吸濕快慢順序?yàn)楦视停綡A＞普魯蘭多糖；12～15，h，3種樣品吸濕率都有小幅的增大；但是15，h之后，樣品的吸濕率基本達(dá)到穩(wěn)定，其中 HA和普魯蘭多糖的吸濕率相近，甘油則高于二者.

圖1　普魯蘭多糖、HA和甘油的吸濕性Fig.1 Moisture absorbing capacities of pullulan，HA and glycerin

普魯蘭多糖、HA和甘油的保濕性，如圖 2所示.甘油、普魯蘭多糖和HA在干燥環(huán)境下的保濕率都隨時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì).在前6，h樣品保濕率的下降快慢順序?yàn)楦视停酒蒸斕m多糖＞HA；在后6，h甘油的保濕率明顯下降，HA和普魯蘭多糖的保濕率趨于平穩(wěn)，但HA的保濕性略高于普魯蘭多糖.

圖2　普魯蘭多糖、HA和甘油的保濕性Fig.2 Moisture retaining capacities of pullulan，HA and glycerin

影響高分子物質(zhì)吸濕、保濕性能的根本原因在于其物質(zhì)結(jié)構(gòu)中親水基團(tuán)的數(shù)量及其親水性的強(qiáng)弱.由圖1、2可知，甘油作為傳統(tǒng)保濕劑表現(xiàn)出較好的吸濕性、保濕性，但保濕性卻明顯低于普魯蘭多糖和 HA.這可能是由于甘油分子中雖然存在大量羥基導(dǎo)致其吸濕性能很強(qiáng)，但與水形成的氫鍵結(jié)合力較弱，水分子容易離去導(dǎo)致其保濕性能較差.

普魯蘭多糖和 HA這兩種生物多糖由于分子質(zhì)量較大且都含有親水基團(tuán)使其具有吸濕、保濕特性.在吸濕、保濕性能方面普魯蘭多糖與 HA相近，但普魯蘭多糖的價(jià)格卻只有HA的10%，，因此，完全可以作為HA的替代品，應(yīng)用于保濕化妝品行業(yè).

2.2普魯蘭多糖的吸濕動(dòng)力學(xué)

由圖 1 可以看出，初始階段時(shí)普魯蘭多糖、HA和甘油的吸水速率較快，9，h后吸水速率逐漸變慢，15，h 時(shí)基本達(dá)到平衡，為了進(jìn)一步了解這 3種樣品的吸濕性能，分別采用一級(jí)和二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程來擬合吸濕實(shí)驗(yàn).

一級(jí)吸附的動(dòng)力學(xué)方程式［7］

式中：qe為達(dá)到吸附平衡時(shí)的吸水量，mg/g；q為時(shí)間t時(shí)的吸水量，mg/g；k1為一級(jí)速率常數(shù)，min-1；t為時(shí)間，min.一級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合得到的結(jié)果見圖 3 和表1.

圖3　普魯蘭多糖、HA和甘油的一級(jí)擬合曲線Fig.3　Moisture absorption kinetic curve of first-order model of pullulan，HA and glycerin

表1　一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型的吸附速率常數(shù)Tab.1 Adsorption constant of first-order model

由表1可知，qe/exp和qe/cal之間差距較大，說明普魯蘭多糖、HA和甘油對(duì)水分的吸收不符合一級(jí)吸附動(dòng)力學(xué).現(xiàn)轉(zhuǎn)用二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模擬，二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程式［8］

式中：qe為達(dá)到吸附平衡時(shí)的吸水量，mg/g；q為時(shí)間t 時(shí)的吸水量，mg/g；k2為二級(jí)速率常數(shù)，min-1.二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合得到的結(jié)果見圖4和表2.

由表2可知，用二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)擬合后曲線的相關(guān)系數(shù)都高于 0.99，且 qe/exp和 qe/cal更為接近，這說明用二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合普魯蘭多糖、甘油和HA的吸濕過程更準(zhǔn)確，表明是化學(xué)作用在控制它們的吸濕過程.普魯蘭多糖（相對(duì)濕度81%，）的吸附方程式為

式中：t為時(shí)間，min；q為時(shí)間t時(shí)的吸水量，mg/g.

圖4　普魯蘭多糖、HA和甘油的二級(jí)擬合曲線Fig.4 Moisture absorption kinetic curve of second-order model of pullulan，HA and glycerin

表2　二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)模型的吸附速率常數(shù)Tab.2 Adsorption constant of second-order model

2.3不同質(zhì)量濃度普魯蘭多糖的保濕性

普魯蘭多糖質(zhì)量濃度與黏度的關(guān)系如圖 5所示.普魯蘭多糖的黏度與質(zhì)量濃度呈線性正相關(guān).這可能是由于普魯蘭多糖分子之間的交聯(lián)度以及聚合度隨著質(zhì)量濃度的增大而增大，從而提高了多糖溶液的黏度.

圖5　普魯蘭多糖質(zhì)量濃度與黏度的關(guān)系Fig.5 Effects of pullulan concentration on viscosity

不同黏度普魯蘭多糖的保濕率結(jié)果見表3.由表3可知：同一黏度普魯蘭多糖隨時(shí)間延長(zhǎng)，保濕率逐漸減小.當(dāng)普魯蘭多糖放置 3，h，不同黏度普魯蘭多糖保濕率幾乎相同；放置 6，h后，不同黏度普魯蘭多糖保濕率差異明顯.低黏度普魯蘭多糖保濕率降低速率大于高黏度普魯蘭多糖，且當(dāng)溶液的黏度為42.7，mPa·s，即質(zhì)量濃度為 1，mg/mL時(shí)，普魯蘭多糖保濕率不隨質(zhì)量濃度的增加而變化，保濕率幾乎不變，說明普魯蘭多糖的最佳保濕黏度為 42.7，mPa·s，即質(zhì)量濃度為1，mg/mL.這可能是由于隨普魯蘭多糖質(zhì)量濃度的增加，普魯蘭多糖溶液中的羥基也在不斷增多，普魯蘭多糖與溶液中水分子形成氫鍵增多，持水能力增強(qiáng)，保濕性增強(qiáng).

表3　不同黏度普魯蘭多糖的保濕率Tab.3 Moisture retaining capacity of pullulan with different viscosities

2.4普魯蘭多糖黏度穩(wěn)定性

2.4.1溫度對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響

溫度對(duì)普魯蘭多糖溶液黏度的影響如圖 6所示.普魯蘭多糖溶液的黏度幾乎不受溫度變化的影響，黏度變化范圍小于 4，mPa·s.當(dāng)溫度低于室溫時(shí)黏度有所波動(dòng)，但是在高溫環(huán)境下黏度幾乎不受影響，這說明普魯蘭多糖溶液黏度具有較好的熱穩(wěn)定性.這可能是由于普魯蘭多糖本身呈線性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其黏度比其他多糖低很多，熱作用未對(duì)其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此黏度的穩(wěn)定性較高.

2.4.2pH對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響

pH對(duì)普魯蘭多糖溶液黏度的影響如圖 7所示.由圖7可知：普魯蘭多糖溶液黏度在pH 3～11范圍內(nèi)穩(wěn)定性較高；當(dāng)pH＜3或pH＞11時(shí)，溶液黏度迅速下降.這可能是由于在pH＜3或pH＞11環(huán)境下，大量的 H+和 OH-會(huì)破壞普魯蘭多糖的結(jié)構(gòu)，使多糖的聚合度降低，進(jìn)一步減小多糖溶液的黏度.

圖6　溫度對(duì)普魯蘭多糖溶液黏度的影響Fig.6 Effects of temperature on pullulan viscosity stability

圖7　pH對(duì)普魯蘭多糖溶液黏度的影響Fig.7 Effects of pH on pullulan viscosity stability

2.4.3Na+濃度對(duì)普魯蘭多糖黏度的影響

離子濃度對(duì)普魯蘭多糖溶液黏度的影響如圖 8所示.由圖 8可知，Na+的濃度并不影響普魯蘭多糖溶液的黏度，說明即使在電解質(zhì)溶液中普魯蘭多糖也表現(xiàn)出較好的黏度穩(wěn)定性.因此當(dāng)普魯蘭多糖用作食品添加劑時(shí)其效果不會(huì)因鹽分的存在而發(fā)生變化.

圖 8 離子濃度對(duì)普魯蘭多糖溶液黏度的影響Fig.8 Effects of ion concentration on pullulan viscosity stability

3　結(jié) 論

普魯蘭多糖的吸濕、保濕性能和 HA相近，可作為HA的替代品用于化妝品中；甘油表現(xiàn)出較好的吸濕性能，但保濕效果卻不理想.用二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合普魯蘭多糖、甘油和HA的吸濕過程曲線的相關(guān)系數(shù)均高于0.99，表明是化學(xué)作用在控制樣品的吸濕過程.質(zhì)量濃度為 1，mg/mL的普魯蘭多糖（黏度為42.7，mPa·s）保濕性能最佳.普魯蘭多糖溶液黏度受溫度、離子濃度的影響較小，表現(xiàn)出很好的黏度穩(wěn)定性，并且在較廣pH范圍（pH 3～11）內(nèi)黏度較穩(wěn)定.因此，這為普魯蘭多糖在食品中作為持水劑、增稠劑和穩(wěn)定劑以及在化妝品中作為保濕因子提供了一定的理論依據(jù).

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責(zé)任編輯：郎婧

Viscosity Stability and Moisturizing Performance of Pullulan

SUN Fangyan1，WANG Meng1，WANG Jianzi1，HAO Huaxuan2，YIN Haisong1，QIAO Changsheng1，2
（1.Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology，Ministry of Education，College of Biotechnology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China；2.Tianjin Peiyang Biotrans Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China）

By comparing hyaluronic acid and glycerin，the moisture absorbing and retaining capacities of pullulan were investigated.Kinetic analysis of moisture absorption process of pullulan was carried out.In addition，the moisture retaining capacity of pullulan with different viscosity and the effects of temperature，pH and Na+concentration on the viscosity stability of pullulan were examined.Under atmospheric condition of RH 81%，，the moisture absorbing and retaining capacities of pullulan were similar to those of hyaluronic acid，and its moisture absorption process meets the mode of second-order adsorption kinetic equation with correlation coefficient higher than 0.99.The optimal concentration for moisture retention was 1，mg/mL（42.7，mPa·s）.The viscosity of pullulan has good stability to temperature，pH and ion concentration.This research has provided a theoretical basis for using pullulan as a water-absorbing agent，thickener and stabilizer in food，as well as a moisturizer factor in cosmetics.

pullulan；moisture absorbing capacity；moisture retaining capacity；viscosity stability

O636

A

1672-6510（2016）04-0020-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150165

2015-10-16；

2015-11-23

天津市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（14ZCZDTG00025）

孫芳艷（1992—），女，甘肅人，碩士研究生；通信作者：?jiǎn)涕L(zhǎng)晟，教授，qiaochangsheng@tust.edu.cn.