普魯蘭酶改性瓜爾膠及其與黃原膠復配性能研究

張煥仕，雷 鵬，朱昌玲，趙 飛，劉 暢，孫達峰

(1.南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 211111；2. 昆明食用菌研究所，云南 昆明 650223)

瓜爾膠作為一種功能性植物多糖已在食品、醫(yī)藥、涂料、造紙、日化等領域廣泛應用[1,2]。為了得到更多的應用效果，工業(yè)上還經(jīng)常將瓜爾膠與其它多糖膠復配使用。復配膠是將兩種或兩種以上的多糖膠按特定比例復合而成的。通過復配，可以發(fā)揮各種單一多糖膠的互補作用，從而擴大多糖膠的使用范圍或提高其使用功能，同時降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟效應[3]。在實際研究中發(fā)現(xiàn)，瓜爾膠在與黃原膠以及其它一些多糖復配時，往往不會產(chǎn)生協(xié)同增效的結果，其復配膠的流體效應往往差強人意[4]。刺槐豆膠與黃原膠及其它多糖膠復配時卻能顯著提高復配膠的性能，并能形成熱可逆凝膠用于特殊食品領域[5-7]。刺槐豆膠與瓜爾膠都是由半乳甘露聚糖組成的多糖膠，其主鏈均有D-甘露糖通過β-1,4糖苷鍵連接形成甘露聚糖，在某些甘露糖上D-半乳糖通過α-1,6糖苷鍵形成側鏈而構成多分枝的半乳甘露聚糖[8,9]。糖單元中甘露糖與半乳糖的摩爾比值因植物品種不同而有差異。刺槐豆膠中的半乳糖與甘露糖比值一般為1∶4[10]，而瓜爾膠中半乳糖與甘露糖的比值一般為1:2[11]。早期研究認為，在刺槐豆膠多糖中，由于側鏈半乳糖所占比例較少，主鏈上能形成相對較長的未被改性的甘露聚糖序列段，這些未被改性的甘露聚糖序列段更容易與其它多糖發(fā)生互作效應。而瓜爾膠中每隔兩個甘露糖單元就會有一個甘露糖接枝半乳糖，這種甘露聚糖的高頻改性結構阻礙了主鏈未被改性的甘露糖單元與其它多糖的互作效應[12,13]。因此瓜爾膠不易與其它多糖協(xié)同復配產(chǎn)生增強效應與其半乳糖側鏈的比例較大有關。目前，刺槐豆膠價格是瓜爾膠價格5倍以上，如果能減少瓜爾膠側鏈半乳糖的含量，提高瓜爾膠改性后與其它多糖膠的復配能力，對于降低復配膠的生產(chǎn)成本將具有重要經(jīng)濟意義。

盡管瓜爾膠半乳甘露聚糖的脫支化能夠通過特異性α-半乳糖苷酶實現(xiàn)，然而目前α-半乳糖苷酶生產(chǎn)成本極高，不適用于規(guī)?；苽涿撝Ч蠣柲z。普魯蘭酶是淀粉脫支酶，可以專一性切開支鏈淀粉分支中的α-1,6糖苷鍵，從而產(chǎn)生包含α-1,4糖苷鍵的直鏈淀粉?？紤]到一些糖苷酶對底物選擇并不存在絕對特異性，本研究考察了普魯蘭酶對瓜爾膠多糖的脫支效應，并研究了改性后瓜爾膠與黃原膠的復配性能，為瓜爾膠高效利用提供技術支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

瓜爾膠粉、黃原膠粉均為市售，普魯蘭酶(酶活力3600 U/mL)，諾維信(中國)投資有限公司。

HH-2數(shù)顯恒溫水浴器(金壇市江南儀器廠)；JJ-1大功率攪拌器(常州國華電器有限公司)；EL204分析天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；AR-G2高級旋轉流變儀，美國TA儀器有限公司；NDJ-5S旋轉粘度儀(上海昌吉地質儀器有限公司)。pH-25型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)。

1.2 試驗方法

(1)酶催化瓜爾膠脫支試驗

配制1%瓜爾膠多糖溶液，預攪拌過夜，使其充分水合。然后按照100 U/g瓜爾膠的量加入普魯蘭酶，控制反應溫度為60℃，pH為5.0，分別在反應開始后的1 h，3 h，5 h，7 h取樣測定瓜爾膠的粘度、分子量以及甘露糖和半乳糖含量。對普魯蘭酶改性后的瓜爾膠進行紅外光譜表征，并與天然瓜爾膠多糖的紅外圖譜比較。

(2)去分支改性瓜爾膠與黃原膠的復配性能考察

將普魯蘭酶改性后的瓜爾膠與黃原膠按照1:1的比例復配，借助流變儀考察瓜爾膠改性前后復配膠的性能變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主要用 Grapher 11.0作圖軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

2 結果與討論

2.1 普魯蘭酶處理對瓜爾膠分子量、粘度以及半乳糖含量的影響

由表1可以看出，普魯蘭酶確實能催化瓜爾膠多糖的去分支化，隨著酶催化反應時間延長，瓜爾膠側鏈半乳糖含量由最初的33%降低到21%。處理5 h以后，普魯蘭酶對瓜爾膠多糖的催化效應達到相對飽和，催化反應不再繼續(xù)。甘露糖與半乳糖的比例也由2.03∶1提高到3.76∶1，半乳糖含量降低了12%。同時，本研究也發(fā)現(xiàn)，普魯蘭酶不僅降低了瓜爾膠中半乳糖含量，也降低了瓜爾膠分子量及粘度。經(jīng)普魯蘭酶改性5 h后，瓜爾膠分子量下降了29.4%，1%溶液的粘度下降了26.4%。

2.2 普魯蘭酶改性瓜爾膠的紅外圖譜

將普魯蘭酶處理5 h后的瓜爾膠用乙醇沉降凍干后，測定其紅外圖譜，并與天然瓜爾膠紅外圖譜比較。如圖1所示。兩種多糖樣品在～3400、～3000、～2000、～1600、～1380、～1025 、～870、～810 cm-1附近均有吸收峰，其中810及870 cm-1處分別是α-型和β-型糖苷鍵構型的特征峰，在1000～700 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰是甘露糖結構的特征峰，酶法改性瓜爾膠多糖與半乳甘露聚糖的特征紅外光譜吸收峰相同。這表明普魯蘭酶改性并未改變多糖主鏈的主體結構和糖苷鍵構型，只是降低了分子中側鏈半乳糖含量。

表1 普魯蘭酶處理對瓜爾膠分子量、粘度及半乳糖含量的影響

圖1 天然瓜爾膠(A)與改性瓜爾膠(B)的紅外圖譜Fig. 1 Infrared spectra of natural guar (A) and modified guar (B)

2.3 普魯蘭酶法改性后瓜爾膠多糖溶液的流變學特性

由圖2A可知，瓜爾膠溶液呈現(xiàn)出了典型的高分子生物聚合物的流變學特性：在流變儀低轉速區(qū)，瓜爾膠溶液的流變學性質主要受黏性模量主導，而在流變儀高轉速區(qū)，瓜爾膠溶液則主要受彈性模量主導。圖2B為經(jīng)普魯蘭酶改性后的瓜爾膠溶液，盡管其瓜爾膠結構中半乳糖含量降低，但改性后的瓜爾膠仍表現(xiàn)出高分子生物聚合物的流變學特性，與天然瓜爾膠溶液的流變學性質相似。這一結果表明，普魯蘭酶處理只是降低了半乳糖含量，并沒有改變瓜爾膠的流變學性質。

2.4 瓜爾膠及普魯蘭酶改性瓜爾膠與黃原膠復配后的流變學特性

由圖3A可以看出，在流變儀轉速由0.1 ～ 100 rad/s范圍內(nèi)，隨著轉速增加，黃原膠溶液(1%)的彈性模量和黏性模量均逐漸增大，并且彈性模量始終大于黏性模量，這與瓜爾膠溶液在高轉速后黏性模量大于彈性模量是不同的。黃原膠的流變特性呈現(xiàn)出了具有較強網(wǎng)絡結構的弱凝膠特點。由圖3B可知，天然瓜爾膠與黃原膠按照1∶1復配后，復配膠溶液(1%)在流變儀轉速范圍內(nèi)，隨著轉速增加，復配膠溶液(1%)的彈性模量和黏性模量均逐漸增大，并且彈性模量始終大于黏性模量。復配膠溶液的彈性模量及黏性模量在不同轉速時其值均接近于黃原膠。因此，天然瓜爾膠-黃原膠復配膠的流變性質是受黃原膠影響所致，兩者復配并沒有起到協(xié)同增強效果。由圖3C可知，普魯蘭酶改性瓜爾膠-黃原膠復配膠溶液的彈性模量在測定轉速范圍內(nèi)始終大于其黏性模量，且受轉速影響較小，即使在低轉速時復配膠仍具有較高彈性模量，甚至比同等轉速下的黃原膠及天然瓜爾膠的彈性模量高出一個數(shù)量級。因此，普魯蘭酶改性瓜爾膠與黃原膠復配時呈現(xiàn)出顯著協(xié)同增效效應。

圖2 天然瓜爾膠(A)及普魯蘭酶改性瓜爾膠(B)的彈性模量(G')和黏性模量(G")Fig. 2 Elastic modulus (G') and viscosity modulus (G") of natural guar (A) and pullulanase-modified guar (B)

圖3 黃原膠(A)、天然瓜爾膠-黃原膠復配膠(B)、普魯蘭酶改性瓜爾膠-黃原膠復配膠(C)的流變學特性Fig. 3 Rheological properties of xanthan gum (A), natural guar gum-xanthan gum compound (B), pullulanase-modified guar gum-xanthan gum compound (C)

2.5 天然瓜爾膠及改性瓜爾膠與黃原膠復配后的屈服應力對比

本研究通過動態(tài)應力掃描法研究了天然瓜爾膠及改性瓜爾膠與黃原膠復配后的屈服應力，結果如表2所示。

表2 天然瓜爾膠及改性瓜爾膠與黃原膠復配后的屈服應力

屈服應力是考察凝膠材料商業(yè)價值的重要參考指標。盡管天然瓜爾膠-黃原膠復配溶液的彈性模量也大于黏性模量，卻呈現(xiàn)出較低屈服應力。在圖3B中，天然瓜爾膠-黃原膠復配后，其彈性模量隨攪拌轉速的增加迅速提高。這可能是由于天然瓜爾膠與黃原膠形成了較弱的網(wǎng)絡結構，隨著攪拌速度提高，這些較弱的網(wǎng)絡結構被打斷。而改性瓜爾膠-黃原膠復配膠則表現(xiàn)出了較強的屈服應力，說明改性瓜爾膠與黃原膠相互作用形成了較強的網(wǎng)絡結構。

由圖4可知，與天然瓜爾膠-黃原膠復配膠相比，改性瓜爾膠-黃原膠復配膠能在更高的壓力范圍內(nèi)維持較高的彈性模量，這一結果再一次說明改性瓜爾膠與黃原膠復配具有協(xié)同增效作用，并且具有更高的商業(yè)價值。

2.6 改性瓜爾膠-黃原膠中黃原膠濃度對復配膠性能的影響

在改性瓜爾膠與黃原膠復配時，黃原膠濃度對復配膠性能起著至關重要的作用。由5A可以看出，在不同配比的復配膠中，彈性模量始終大于黏性模量；彈性模量受黃原膠比例影響較為顯著，隨著黃原膠比例增加，復配膠彈性模量逐漸增大，當黃原膠比例為50%時，復配膠的彈性模量最大；復配膠黏性模量受黃原膠比例的影響則相對較小。據(jù)報道，復配膠彈性模量的增加是由于兩種復配高聚物相互作用形成網(wǎng)絡結構的影響。圖5B也表明，隨著復配膠中黃原膠比例增加，復配膠屈服應力逐漸增大，當復配比例為1∶1時，復配膠屈服應力達到最大值，繼續(xù)增加黃原膠比例則會降低復配膠屈服應力。

圖4 不同復配膠的屈服應力圖譜Fig. 4 Yield stress spectra of different compounds

2.7 混合溫度對復配膠性能的影響

黃原膠溶液中黃原膠分子在低溫條件時呈有序排列狀態(tài)，高溫條件時則呈無序排列狀態(tài)。黃原膠在水溶液中的變態(tài)溫度為52℃。如圖6所示，為改性瓜爾膠-黃原膠復配膠(復配比例1∶1)在不同溫度下的彈性模量。隨著混合溫度由20℃到60℃，復配膠彈性模量逐漸增大，并且在60℃時彈性模量最大。這可能是因為提高溫度可以使溶液中的黃原膠分子由有序狀態(tài)轉變?yōu)闊o序狀態(tài)，而處于無序狀態(tài)的黃原膠分子更容易與脫出了半乳糖側鏈的瓜爾膠分子發(fā)生互作效應，從而有利于形成結構更強的復配凝膠。

圖5 黃原膠濃度對復配膠性能的影響(攪拌轉速1 rad/s)Fig. 5 Effects of xanthan gum concentration on properties of compound (stirring speed 1 rad / s)(A. 動態(tài)頻率掃描測試；B. 動態(tài)應力掃描測試)(A. Dynamic frequency sweep test; B. Dynamic stress sweep test)

3 結論

盡管用普魯蘭酶催化半乳甘露聚糖的研究并不多，并且催化反應也非特異性的，但無論在成本上還是在催化效果上，普魯蘭酶都是獲得半乳糖含量較低的半乳甘露聚糖的有效途徑。本研究表明，普魯蘭酶改性后的瓜爾膠在與黃原膠復配成凝膠的過程中呈現(xiàn)出了令人滿意的流變學特性?？紤]到普魯蘭酶易于制備、價格便宜的特點，利用普魯蘭酶改性瓜爾膠及其它植物多糖具有重要的研究意義和經(jīng)濟價值。

圖6 混合溫度對復配膠彈性模量的影響Fig. 6 Effect of mixing temperature on elastic modulus of compound