水力空化對果膠粘度的影響及其凝膠色譜表征

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(1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,廣西柳州 545006;2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室,廣西柳州 545006;3.廣西高校糖資源加工重點實驗室,廣西柳州 545006)

水力空化對果膠粘度的影響及其凝膠色譜表征

毛善巧1,2,3,楊鋒1,2,3,黃永春1,2,3,黃承都1,2,3,*

(1.廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院,廣西柳州 545006;2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室,廣西柳州 545006;3.廣西高校糖資源加工重點實驗室,廣西柳州 545006)

為探明水力空化對果膠粘度及分子量分布的影響,通過空化裝置產(chǎn)生空化效應(yīng)并作用于果膠溶液,研究不同pH、溫度、入口壓力、初始濃度、作用時間下水力空化處理前后果膠粘度的變化,以粘度的下降率來衡量水力空化對果膠的作用效果,并采用凝膠色譜法(gel permeation chromatography,GPC)對空化處理前后的果膠分子量分布進行比較分析。結(jié)果表明,當(dāng)溶液pH為5,溫度為50 ℃,入口壓力為0.1 MPa,果膠濃度為1 g/L,處理時間為60 min時,果膠粘度下降率達15.76%。經(jīng)GPC分析發(fā)現(xiàn),果膠相對平均分子量由70515 Da下降至57408 Da。所以用水力空化處理果膠可以有效降低果膠粘度及其分子量,為果膠降解提供了一個新方法。

水力空化,果膠,粘度,分子量分布

果膠是一種雜多糖[1],廣泛存在于植物相鄰細胞壁的中膠層[2-3]。因其具有良好的凝膠、增稠、穩(wěn)定等性能而被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)[4];也因其能防止紫外線輻射,具有保護皮膚、養(yǎng)顏美容的作用被用于化妝品行業(yè)[5-6];除此之外,果膠還可用作造紙和紡織的施膠劑、制備超帶離心膜和電滲析膜、制備鉛蓄電池中的硫酸溶膠[7]等。因此對果膠的研究與開發(fā)具有良好的應(yīng)用前景。

果膠作為大分子多糖,分子量是其重要指標(biāo)之一,目前獲取果膠分子質(zhì)量及多分散性指數(shù)信息的分析方法有高效體積排阻色譜法[8]、凝膠法[9]、光散射法[10]等。與高分子量果膠相比,低分子量的果膠在其生物學(xué)活性的應(yīng)用上具有獨特的優(yōu)勢。因此,對果膠進行改性成為了近些年關(guān)于果膠的研究熱點,而目前用于果膠改性的方法主要有化學(xué)方法和酶法[5-7],化學(xué)方法主要是依賴于高溫、酸、堿等,既費時又污染環(huán)境;酶法比較昂貴且難以控制。因此,尋找對果膠的新的改性或者降解技術(shù)十分有意義。

水力空化是空化的一種[11],其對化工過程的強化原理與超聲空化相同,但其能量利用率明顯高于超聲空化,更具工業(yè)化的優(yōu)勢[12]。超聲波降解大分子物質(zhì)的主要機理是機械性斷鍵作用以及自由基的氧化還原反應(yīng)[13-14],而張麗芬[15]等人的研究發(fā)現(xiàn)，超聲波空化效應(yīng)引起的自由基效應(yīng)不是導(dǎo)致果膠降解的主要因素,機械效應(yīng)是引起超聲波降解果膠的主要原因。水力空化的降解機理[16]主要分為:“水相燃燒”反應(yīng)機理、自由基反應(yīng)機理以及機械作用。目前已有水力空化降解殼聚糖[17-19]的研究,但目前利用水力空化處理果膠的研究尚未見報道。本實驗以粘度法測定水力空化對果膠的影響,并以凝膠色譜法比較分析空化處理前后果膠的分子量,為探索降解果膠的新方法提供參考依據(jù),同時豐富水力空化技術(shù)的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

果膠 生化試劑(99%)CAS號:9000-69-5,成都市西亞化工股份有限公司;葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品系列 Waters公司;冰醋酸 分析純,成都市科龍化工試劑廠;三水合乙酸鈉 分析純，臺山市粵僑試劑塑料有限公司;鹽酸 分析純,西隴化工股份有限公司;氫氧化鈉 分析純,天津市科密歐試劑有限公司;實驗室用水 為超純水和去離子水。

DV-II+型Brookfield粘度計 美國Brookfield公司;Waters 1515pump系列高效液相色譜儀 具有針孔進樣器,配Waters 2414示差折光檢測,美國Waters公司;色譜柱:Ultrahydrogel 1000A,500A,250A(300 mm×7.8 mm)三根按排阻極限由大到小串聯(lián)使用 美國Waters公司；空化裝置 本實驗室自制，如圖1所示,水泵把液體輸送到撞擊流實驗裝置,產(chǎn)生強烈的物理效應(yīng),然后進入到空化器,空化器結(jié)構(gòu)根據(jù)文獻[17]設(shè)計,當(dāng)液體流經(jīng)空化器時因管徑的變小使得流速隨之增大,形成低壓,當(dāng)壓強低于液體蒸氣壓時形成空化氣泡,當(dāng)進入壓力較高區(qū)域后由于壓強突然變大而使氣泡潰滅,從而產(chǎn)生空化效應(yīng)。通過調(diào)節(jié)閥門的大小,可控制流量和空化器入口的壓力。

圖1 空化裝置示意圖Fig.1 Diagram of homemade cavitation device注:1.溶液貯筒；2.循環(huán)水槽；3.水泵；4.閥門； 5.真空壓力表；6.空化器；7.撞擊實驗裝置。

1.2分析方法

1.2.1 果膠粘度下降率計算 參照劉雪[20]的方法,用Brookfield粘度計配2號轉(zhuǎn)子在室溫(25 ℃)、轉(zhuǎn)速為100 r/min下測定果膠溶液粘度。并計算空化前后果膠粘度下降率,計算公式如下:

式中:ηr-粘度下降率,%;η0-空化前溶液黏度,mPa·s;ηt-空化后溶液黏度,mPa·s。

1.2.2 色譜條件 參照文獻[21]中的色譜條件改進如下:按排阻極限由大到小將Ultrahydrogel 1000A,500A,250A(尺寸均為300 mm×7.8 mm)三根色譜柱串聯(lián);流動相為pH=5的乙酸乙酸鈉緩沖液(V1 mol/L乙酸∶V1 mol/L乙酸鈉∶V水=14.1∶5.9∶980);柱溫30 ℃;檢測池溫度30 ℃;流速0.6 mL/min,進樣量20 μL。流動相使用前經(jīng)0.22 μm有機濾膜過濾。

1.3實驗方法

1.3.1 溶液pH對果膠粘度的影響 稱取2.00 g果膠,將果膠粉末平鋪于2000 mL的燒杯底,緩慢加入去離子水,用玻璃棒將結(jié)塊的果膠搗碎,再用磁力攪拌器攪拌至果膠完全溶解。用1 mol/L的鹽酸和1 mol/L氫氧化鈉溶液將得到的1 g/L的果膠溶液的pH調(diào)節(jié)至4、5、6、7、8,在0.4 MPa壓力下,保持溫度為50 ℃,通過空化裝置循環(huán)60 min,測定空化處理前后各果膠溶液的粘度,計算粘度的下降率。

1.3.2 溶液溫度對果膠粘度的影響 按上述方法配制濃度為1 g/L的果膠溶液,將果膠溶液的pH調(diào)節(jié)至5,在0.4 MPa壓力下,控制溫度分別為30、40、50、60、70、80 ℃,通過空化裝置循環(huán)60 min,測定空化處理前后各果膠溶液的粘度,計算粘度的下降率。

1.3.3 入口壓力對果膠粘度的影響 按上述方法配制濃度為1 g/L的果膠溶液,將果膠溶液的pH調(diào)節(jié)至5,分別在0.1、0.2、0.3、0.4、0.45 MPa壓力下,保持溫度為50 ℃,通過空化裝置循環(huán)60 min,測定空化處理前后各果膠溶液的粘度,計算粘度的下降率。

1.3.4 初始濃度對果膠粘度的影響 按上述方法配制濃度分別為1、2、3、4、5 g/L的果膠溶液,將果膠溶液的pH調(diào)節(jié)至5,在0.1 MPa壓力下,保持溫度為50 ℃,通過空化裝置循環(huán)60 min,測定空化處理前后各果膠溶液的粘度,計算粘度的下降率。

1.3.5 空化時間對果膠粘度的影響 按上述方法配制濃度為1 g/L的果膠溶液,將果膠溶液的pH調(diào)節(jié)至5,在0.1 MPa壓力下,控制溫度分別為50 ℃,分別通過空化裝置循環(huán)10、20、30、40、50、60 min,測定空化處理前后各果膠溶液的粘度,計算粘度的下降率。

1.3.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 將一系列不同分子量的葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)樣品:T1(Mw=5200),T2(Mw=11600),T3(Mw=23800),T4(Mw=48600),T5(Mw=148000),T6(Mw=273000),T7(Mw=410000),T8(Mw=668000)溶解于流動相中,各標(biāo)準(zhǔn)液的濃度均為0.5 g/L,在1.2.2中所述色譜條件下測定各標(biāo)樣,進樣前均經(jīng) 0.22 μm有機濾膜過濾。

1.3.7 凝膠色譜表征分析 將pH為5、溫度為50 ℃、壓力為0.1 MPa、濃度為1 g/L、空化處理60 min的果膠溶液與未經(jīng)空化處理的果膠溶液均稀釋至0.5 g/L,在1.2.2中所述色譜條件下,經(jīng) 0.22 μm有機濾膜過濾后進樣,根據(jù)保留時間以及回歸方程分別計算果膠分子量,比較分析果膠分子量分布的變化。

1.4數(shù)據(jù)處理

色譜圖和標(biāo)準(zhǔn)曲線來源于工作站Breeze Version 3.30;運用Origin 8.0處理數(shù)據(jù)并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1溶液pH對果膠粘度的影響

由圖2可知,水力空化處理對果膠粘度的影響較大,這是因為果膠溶液在處理過程中,水力空化在大范圍內(nèi)形成一個比較均勻的空化強化場,并產(chǎn)生機械效應(yīng),在強大的剪切力和空化作用下[22],果膠的分子鏈發(fā)生斷裂[15],致使溶液粘度降低。當(dāng)溶液pH小于5時,果膠粘度下降率較大,當(dāng)pH在5～7時,果膠粘度下降率明顯變小,當(dāng)pH為8時,果膠處于堿性環(huán)境,可能此時更有利于空化形成,使果膠的糖苷鍵發(fā)生斷裂[17],導(dǎo)致粘度變得更低,粘度下降率稍微回升。本文考察pH的范圍在4～8,發(fā)現(xiàn)pH為4時降解率最高。

圖2 pH對果膠粘度的影響Fig.2 Effect of pH on the viscosity of pectin

2.2溶液溫度對果膠粘度的影響

由圖3可知,溶液溫度對果膠粘度有影響,果膠粘度下降率隨溫度升高而增大,這是因為當(dāng)溫度升高時,表面張力降低,空化變得容易[17],同時空化強度增大,果膠分子鏈斷裂的幾率也增大,分子量逐漸降低,溶液粘度下降。由圖3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度小于50 ℃時,粘度下降率變化較快,雖然溫度繼續(xù)升高可以增加果膠粘度下降率,但50 ℃效率較高,可以節(jié)約能量。

圖3 溫度對果膠粘度的影響Fig.3 Effects of temperature on the viscosity of pectin

2.3入口壓力對果膠粘度的影響

由圖4可知,果膠粘度下降率隨著入口壓力的增大而降低,這是因為壓力升高時,通過空化裝置的流量降低,機械效應(yīng)減弱,空化產(chǎn)生的剪切力也隨之減弱[23],而機械效應(yīng)是引起超聲波降解果膠的主要原因[15],在水力空化處理過程中,其機理也是一致的,所以隨著壓力減小,通過空化裝置的流量增大,果膠受到的剪切力越強,粘度下降越明顯。在本實驗考察的壓力范圍內(nèi),當(dāng)入口壓力為0.1 MPa時,果膠粘度下降率最大。

圖4 壓力對果膠粘度的影響Fig.4 Effect of pressure on the viscosity of pectin

2.4初始濃度對果膠粘度的影響

在一定濃度范圍內(nèi),隨著果膠濃度增大,果膠溶液本身的粘度也越大,在圖5中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)果膠濃度增大時,果膠粘度下降率變小了,這是因為較高粘度的溶液導(dǎo)致空化產(chǎn)生困難,一定條件的空化作用產(chǎn)生的機械效應(yīng)也是有限的。果膠濃度增大,相對來說,體系中大分子鏈總數(shù)較多,若空化作用剪切的分子鏈數(shù)量不變,則斷裂的分子鏈比例變小,使得粘度下降率變小。本實驗考察果膠初始濃度為1～5 g/L,發(fā)現(xiàn)濃度為1 g/L時,果膠粘度下降率最大。

圖5 初始濃度對果膠粘度的影響Fig.5 Effect of initial concentration on the viscosity of pectin

2.5空化時間對果膠粘度的影響

由圖6可知,果膠粘度下降率隨著時間增長而變大,在溶液空化60 min內(nèi),果膠粘度下降率上升緩慢,這是因為在一定范圍內(nèi),處理時間越長,斷裂的分子鏈數(shù)量積累量越多,但處理一定時間后,果膠粘度越來越小,水力空化對果膠大分子鏈的剪切效率降低,所以粘度下降率變化平緩。

圖6 空化時間對果膠粘度的影響Fig.6 Effect of cavitation time on the viscosity of pectin

2.6標(biāo)準(zhǔn)曲線

將1.3.6中所述不同分子量葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品依次進樣,在工作中將色譜圖在同一坐標(biāo)系重疊,重疊圖如圖7所示。根據(jù)凝膠滲透色譜分離原理[24-25]:當(dāng)含有不同大小分子的樣品通過具有多孔結(jié)構(gòu)的凝膠構(gòu)成的固定相時,大分子首先被洗脫出來,小分子后被洗脫出來,用于溶解樣品的溶劑分子的分子量最小,可充分的進入凝膠的所有孔洞,因此最后從柱子中流出,使具有不同分子量大小的樣品得以分離。所以圖7中按保留時間從小到大,分別是T8～T1的葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖。根據(jù)葡聚糖標(biāo)樣分子量的對數(shù)Y與其對應(yīng)的凝膠色譜的保留時間t的關(guān)系,經(jīng)三階線性擬合,得到回歸曲線,如圖8所示?；貧w方程為:Y=-0.0017t3+0.12t2-3.02t+30.9,R2=0.9994。

圖7 葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品凝膠滲透色譜圖Fig.7 Gel permeation chromatogram of dextran standard sample注:按保留時間從小到大依次為 T8、T7、T6、T5、T4、T3、T2、T1的色譜圖。

圖8 葡聚糖分子量標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.8 The standard curve of dextran molecular weight

2.7凝膠色譜表征

將pH為5、溫度為50 ℃、濃度為1 g/L的果膠溶液在0.1 MPa壓力下空化處理60 min后,粘度下降率達15.76%。按照1.3.7中所述方法取樣并進行凝膠滲透色譜分析,果膠分子量分布色譜圖如圖9所示,色譜峰峰形良好,水力空化處理前后果膠的保留時間33.087 min延長至33.131 min,根據(jù)回歸方程計算出果膠分子量由70515降低至57408,說明水力空化可有效降低果膠分子量。

圖9 處理前后果膠凝膠滲透色譜圖Fig.9 Gel permeation chromatography before and after pectin treatment

3 結(jié)論

本文采用一種新方法處理果膠,即通過水力空化裝置產(chǎn)生空化效應(yīng)并作用于果膠溶液。研究了不同pH、溫度、入口壓力、初始濃度、作用時間等條件下水力空化處理前后果膠粘度的下降率,并用凝膠色譜法對空化處理前后的果膠分子量分布進行比較分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)果膠溶液pH為5,溫度為50 ℃,入口壓力為0.1 MPa,濃度為1 g/L,處理時間為60 min時,果膠粘度下降率達15.76%,果膠相對平均分子量由70515下降至57408。

說明用水力空化處理果膠可以有效降低果膠粘度及其分子量,而且相比傳統(tǒng)的化學(xué)法和酶法降解果膠,更有簡單、環(huán)保、廉價等優(yōu)勢。

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Effectofhydrodynamiccavitationontheviscosityofpectinandcharacterizationbygelpermeationchromatography

MAOShan-qiao1,2,3,YANGFeng1,2,3,HUANGYong-chun1,2,3,HUANGCheng-du1,2,3,*

(1.Department of Biological and Chemical Engineering,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China; 2.Guangxi Key Laboratory of Green Processing of Sugar Resources,Liuzhou 545006,China; 3.Key Laboratory for Processing of Sugar Resources of Guangxi Higher Education Institutes,Liuzhou 545006,China)

In order to find out the effect of hydraulic cavitation on the viscosity and molecular weight distribution of pectin,the cavitation effect was generated by the cavitation device and acted on the pectin solution. The change of pectin viscosity before and after hydrodynamic cavitation treatment was studied under different pH,temperature,inlet pressure,initial concentration and reaction time. The effect of hydrodynamic cavitation on pectin was evaluated by the decreasing rate of viscosity. The molecular weight distribution of pectin before and after treatment was analyzed by gel permeation chromatography(GPC). The results showed that when the pH of the solution was 5,the temperature was 50 ℃,the pressure of the population was 0.1 MPa,the concentration of pectin was 1 g/L and the treating time was 60 min,the viscosity of the pectin decreased by 15.76%. The GPC analysis showed that the relative average molecular weight of pectin decreased from 70515 to 57408. So the pectin treated by hydraulic cavitation can effectively reduce the viscosity of pectin and its molecular weight,which provided a new method for pectin degradation.

hydrodynamic cavitation;pectin;viscosity;molecular weight distribution

2017-04-18

毛善巧(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：糖資源加工技術(shù)及過程強化，E-mail：398019986@qq.com。

*

黃承都(1977-)，男，博士，研究方向:糖資源加工技術(shù)及過程強化，E-mail:gx-hcd@163.com。

廣西高等學(xué)校高水平創(chuàng)新團隊及卓越學(xué)者計劃資助(桂教人〔2014〕7號)；廣西科技大學(xué)創(chuàng)新團隊支持計劃資助；廣西高校糖資源加工重點實驗室開放課題(2015TZYKF04)。

TS202

A

1002-0306(2017)21-0065-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.21.013