皂莢和美國(guó)肥皂莢多糖膠的制備及性質(zhì)比較

琚斯怡, 郭常酉, 朱妙馨, 劉彥濤, 蔣建新*

(1.北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院；林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程研究中心, 北京 100083;2.寧夏大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院, 寧夏 銀川 750021)

皂莢(GleditsiasinensisLam.)為豆科多年生木本植物[1]，主要分布在溫帶與亞熱帶，平原、丘陵和山區(qū)都能生長(zhǎng)，具有復(fù)雜的多種多樣的生態(tài)屬性，且根系發(fā)達(dá)，具有耐旱、節(jié)水、耐寒、固氮和抗病蟲(chóng)害等優(yōu)點(diǎn)，是營(yíng)造水土保持林和防風(fēng)固沙林的優(yōu)良生態(tài)樹(shù)種之一[2]。美國(guó)肥皂莢(Gymnocladusdioicus(L.) K.Koch)為豆科肥皂莢屬落葉喬木，原產(chǎn)美國(guó)中部和東部，能適應(yīng)廣泛的土壤環(huán)境，耐寒抗旱，病蟲(chóng)害少，多作園林綠化和防護(hù)林樹(shù)種栽植。皂莢和美國(guó)肥皂莢是理想的木本植物多糖膠原料資源，其種子中含有豐富的多糖，可以從種子胚乳分離提取得到多糖膠。皂莢多糖膠的1%水溶液在表觀(guān)黏度、自然抗生物降解能力、穩(wěn)定性等方面優(yōu)于瓜爾膠，可作為增稠劑、黏合劑、穩(wěn)定劑等應(yīng)用于食品、石油、造紙、印染和選礦等多種工業(yè)中[3]。近年來(lái)，皂莢多糖膠資源的開(kāi)發(fā)利用受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注和重視[4-6]。由于美國(guó)肥皂莢的種子相較于皂莢非常飽滿(mǎn)，且有關(guān)美國(guó)肥皂莢多糖膠的研究較為少見(jiàn)，因此，本研究選擇皂莢和美國(guó)肥皂莢2種皂莢作為原料，采用光波烘烤對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理，機(jī)械分離法結(jié)合微水固相制備2種多糖膠，探究烘烤時(shí)間對(duì)多糖膠表觀(guān)黏度和組分的影響，以期為皂莢多糖膠的應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

皂莢和美國(guó)肥皂莢，2017年11月摘自北京林業(yè)大學(xué)校園，將皂莢種子保存在陰涼干燥處，備用。皂莢種子含水率為10.66%，美國(guó)肥皂莢種子含水率為9.83%。D-(+)-半乳糖和D-(+)-甘露糖標(biāo)準(zhǔn)品，購(gòu)于美國(guó)Sigma-Aldrich公司。無(wú)水乙醇、丙酮、無(wú)水乙醚、濃硫酸、無(wú)水碳酸鈣，均為市售分析純。

SKD-200型自動(dòng)凱氏定氮儀、 SKD- 08S2型紅外智能消化爐，上海沛歐分析儀器有限公司; L-550臺(tái)式低速離心機(jī);FW100高速萬(wàn)能粉碎機(jī);格蘭仕微波爐;電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)；LVDV-III Ultra型流變儀(配備有一個(gè)小樣本適配器SC13R，使用SC4-31號(hào)轉(zhuǎn)子)，美國(guó)Brookfield公司；Agilent 1260型高效液相色譜(HPLC)儀，美國(guó)Agilent公司。

1.2 皂莢多糖膠的制備及提純

1.2.1光波烘烤法制多糖膠原膠粉 參考文獻(xiàn)[7]制備方法，采用光波烘烤法對(duì)皂莢和美國(guó)肥皂莢進(jìn)行預(yù)處理。具體操作如下：將100 g種子放入微波爐中，光波照射烘烤不同的時(shí)間(4、6或8 min)后，立即將其使用高速萬(wàn)能粉碎機(jī)迅速(時(shí)間不超過(guò)3 s)分離成種皮、胚乳和胚3部分，篩選得到胚乳片。烘烤4、6和8 min得皂莢多糖膠胚乳片得率分別為(35.54±0.16)%、(33.84±0.21)%和(33.74±0.19)%，烘烤4、6和8 min得到美國(guó)肥皂莢多糖膠的胚乳片得率分別為(41.21±0.42)%、(38.39±0.55)%和(38.65±0.75)%。將胚乳以微水固相[8]的方法按固液比1∶1(g∶mL)加入100 mL去離子水，40 ℃恒溫水浴并適當(dāng)攪拌至水合完全，此時(shí)胚乳吸水潤(rùn)脹后比表面積增大，便于對(duì)其用三輥機(jī)進(jìn)行壓片，破壁增黏。隨后50 ℃下烘干，粉碎制粉，過(guò)篩，選取粒徑≤0.154 mm樣品在80 ℃下烘干5 h平衡水分得到多糖膠原膠粉，用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

1.2.2多糖膠的純化 參考文獻(xiàn)中的方法[9-10]，準(zhǔn)確稱(chēng)取3.0 g多糖膠原膠粉于500 mL去離子水中，磁力攪拌3 h溶解得到多糖膠液。冷卻至室溫后離心，取上清液，向上清液中加入500 mL無(wú)水乙醇得到多糖沉淀，靜置過(guò)夜。將其離心分離得到固體沉淀，沉淀依次用無(wú)水乙醇、丙酮和無(wú)水乙醚洗滌 3次，3 000 r/min下離心15 min，并回收溶劑。脫水后的固體沉淀進(jìn)行真空干燥，研磨至粒徑≤0.154 mm，得到純化后的多糖膠粉，用于分析和表征。

1.3 產(chǎn)物分析與表征

1.3.1表觀(guān)黏度測(cè)定 精確稱(chēng)取0.500 g多糖膠原膠粉，用1.5 mL乙醇分散，加入去離子水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的膠液，在80 ℃恒溫水浴中磁力攪拌30 min，使膠液均勻分散，然后在室溫下靜置2.5 h使其冷卻并充分水合。用流變儀在30 ℃條件下測(cè)定2種皂莢多糖膠液在不同剪切速率下的黏度。

為研究皂莢多糖膠的流變性能，采用Power-Law流體模型[11]對(duì)多糖膠液流變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合：

τ=k·Dn

(1)

式中：τ—剪切應(yīng)力，Pa；k—稠度指數(shù)，Pa·sn；D—剪切速率，s-1；n—流動(dòng)指數(shù)，無(wú)量綱。

1.3.2蛋白質(zhì)含量的測(cè)定 根據(jù)Kjeldah[8]的方法，分別測(cè)定2種皂莢多糖膠粉中的蛋白質(zhì)含量。

1.3.3水不溶物的測(cè)定 分別稱(chēng)取1.0 g多糖膠粉，用3 mL乙醇分散，然后加水至200 g配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的膠液。30 ℃下磁力攪拌3 h，使膠液均勻分散。準(zhǔn)確稱(chēng)取50 g分散后的膠液， 3 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心30 min，倒出上層清液，加水至50 g，洗滌、攪勻、離心15 min，重復(fù)操作2次。最后將水不溶性的殘余物置于105 ℃烘箱中，直至質(zhì)量恒定。

1.3.4半乳糖及甘露糖含量測(cè)定 采用硫酸水解法[12]對(duì)多糖膠粉進(jìn)行水解，使用HPLC測(cè)定水解液中甘露糖和半乳糖的含量，從而得到多糖膠中半乳甘露聚糖的含量，根據(jù)式(2)計(jì)算甘露糖/半乳糖的質(zhì)量比(M/G)值及半乳甘露聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(y，%)。所有的測(cè)定至少進(jìn)行3次，取平均值。

y= (ρ×V×0.9)/m× 100%

(2)

式中：ρ—液相測(cè)得水解液中半乳糖(甘露糖)的質(zhì)量濃度，g/L；V—水解液體積，L； 0.9—脫水校正系數(shù)(162/180)；m—原料絕干質(zhì)量，g。

HPLC為Agilent 1260型系統(tǒng)，配備有Aminex HPX-87P柱子(300 mm×7.8 mm，Bio-Rad公司)和G4260型ELSD蒸發(fā)光散射檢測(cè)器。色譜條件：柱溫75 ℃，檢測(cè)器蒸發(fā)溫度50 ℃，霧化溫度80 ℃，進(jìn)樣量5 μL，流動(dòng)相為雙蒸水，流速0.6 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變特性

光波烘烤預(yù)處理不同時(shí)間后，2種皂莢多糖膠液的表觀(guān)黏度隨剪切速率的變化曲線(xiàn)如圖1所示。應(yīng)用Power-Law模型[11]計(jì)算得到的多糖膠的流變性能列于表1。

圖1 皂莢(a)和美國(guó)肥皂莢(b)多糖膠水溶液的黏度變化曲線(xiàn)

由圖1可知，隨著剪切速率的增加，皂莢和美國(guó)肥皂莢多糖膠水溶液的表觀(guān)黏度均呈下降趨勢(shì)。對(duì)于皂莢，經(jīng)過(guò)不同時(shí)長(zhǎng)的光波烘烤預(yù)處理所得多糖膠液的表觀(guān)黏度差異不大，烘烤6 min所得膠液的黏度稍高。而對(duì)于美國(guó)肥皂莢而言，烘烤6 min比4 min所得膠液的表觀(guān)黏度大，但是烘烤8 min膠液的黏度沒(méi)有繼續(xù)增加，反而有所下降。這可能是因?yàn)槎虝r(shí)間(4 min)烘烤預(yù)處理種子脫殼不完全，胚乳分離不徹底，膠粉純度不夠高，從而導(dǎo)致較低的表觀(guān)黏度；而較長(zhǎng)時(shí)間(8 min)的烘烤預(yù)處理會(huì)使膠片過(guò)度熟化，多糖結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞，從而發(fā)生表觀(guān)黏度的下降。

用稠度指數(shù)(k)來(lái)表征液體的表觀(guān)黏度，k值越大，表觀(guān)黏度越大。由表1中k值可知，隨著光波烘烤時(shí)間的增長(zhǎng)，皂莢和美國(guó)肥皂莢多糖膠的表觀(guān)黏度均呈先增大后減小的趨勢(shì)，這一規(guī)律與文獻(xiàn)[7]中烘炒時(shí)間對(duì)皂莢多糖膠黏度的影響是類(lèi)似的。另外，流動(dòng)指數(shù)(n)可顯示流體在一定流速范圍內(nèi)的非牛頓性程度，n<1時(shí)，即為假塑性流體。從表1數(shù)據(jù)看出，2種皂莢多糖膠的水溶液均為假塑性流體，溶液表觀(guān)黏度隨剪切速率的增加而降低(剪切稀釋)，這與其他研究[13-14]中觀(guān)察到多糖膠的流變現(xiàn)象是一致的。對(duì)2種皂莢多糖膠來(lái)說(shuō)，烘烤6 min預(yù)處理得到的多糖膠液的假塑性程度最強(qiáng)(n偏離1的程度最大)。6 min烘烤預(yù)處理的皂莢和美國(guó)肥皂莢多糖膠在剪切速率5.1 s-1下的表觀(guān)黏度分別為461.90和703.85 mPa·s。

表1 不同皂莢多糖膠的流變參數(shù)

2.2 皂莢多糖膠的組分

2.2.1蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)是多糖膠重要的組成成分之一，其含量對(duì)多糖膠的各個(gè)方面都有重要影響，如在對(duì)多糖進(jìn)行改性應(yīng)用時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)參與改性，導(dǎo)致產(chǎn)品的純度降低而影響產(chǎn)品性能。皂莢屬植物種子的胚主要由蛋白質(zhì)組成，其占種子總蛋白質(zhì)質(zhì)量的70%[15]，而種皮中幾乎不含蛋白質(zhì)。皂莢和美國(guó)肥皂莢多糖膠經(jīng)過(guò)光波烘烤預(yù)處理4、6、8 min后所含蛋白質(zhì)如表2所示。從表2可見(jiàn)，皂莢多糖膠的蛋白質(zhì)含量隨著預(yù)處理時(shí)間延長(zhǎng)而增加，這是因?yàn)楹婵緯r(shí)間影響種皮的脫除，烘烤4 min后種皮有明顯殘留，因此導(dǎo)致了蛋白質(zhì)測(cè)量值較低；而烘烤6和8 min，種皮只有極少量殘留，因此測(cè)得蛋白質(zhì)含量會(huì)較高且2者接近。而美國(guó)肥皂莢多糖膠，烘烤不同時(shí)間后蛋白質(zhì)的含量基本不變且在烘烤時(shí)間6或8 min 時(shí)低于皂莢多糖膠，可能是由于美國(guó)肥皂莢胚乳片較薄，種皮殘留也比皂莢少，容易受到高溫的影響發(fā)生理化性質(zhì)的變化，從而使測(cè)得的蛋白質(zhì)含量降低。

表2 不同烘烤時(shí)間下2種皂莢多糖膠的組分

2.2.2水不溶物 多糖膠中的水不溶物主要包括灰分、未脫除完全的種殼中的纖維素以及水不溶性多糖等，這些水不溶物的存在會(huì)影響產(chǎn)品的顏色尤其是透明度，從而影響消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的接受程度。不同烘烤時(shí)間預(yù)處理得到的皂莢和美國(guó)肥皂莢多糖膠的水不溶物含量亦見(jiàn)表2。從表中可以看出，隨烘烤時(shí)間的增加皂莢多糖膠的水不溶物含量先增加后減少，而美國(guó)肥皂莢多糖膠的趨勢(shì)則相反，即水不溶物含量隨烘烤時(shí)間延長(zhǎng)先減少后增加；4和6 min預(yù)處理?xiàng)l件下的皂莢多糖膠的水不溶物含量均高于美國(guó)肥皂莢多糖膠，而8 min條件下卻低于美國(guó)肥皂莢多糖膠。這是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤時(shí)，多糖發(fā)生降解，相對(duì)分子質(zhì)量小的水溶性多糖降解生成水不溶物，水不溶物含量相對(duì)升高；相對(duì)分子質(zhì)量大的水不溶性多糖降解，除了水不溶物，部分成為水溶性多糖，從而使水不溶物含量相對(duì)降低。美國(guó)肥皂莢膠中，相對(duì)分子質(zhì)量小的水溶性多糖降解表現(xiàn)更明顯；而在皂莢膠中，相對(duì)分子質(zhì)量大的水不溶性多糖降解表現(xiàn)更明顯，導(dǎo)致了8 min預(yù)處理?xiàng)l件下皂莢多糖膠的水不溶物含量低于美國(guó)肥皂莢多糖膠。

2.2.3半乳甘露聚糖 烘烤不同時(shí)間預(yù)處理后得到的皂莢多糖膠和美國(guó)肥皂莢多糖膠的半乳甘露聚糖含量和M/G值如表3所示。

表3 不同烘烤時(shí)間下2種皂莢多糖膠中的糖

從表中可以看出，純化前的皂莢多糖膠中，隨著光波烘烤預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)半乳甘露聚糖含量提高。這是因?yàn)? min烘烤預(yù)處理后種子種殼不易脫除，雜質(zhì)多；而6和8 min烘烤后種殼脫除更完全，雜質(zhì)更少，因此得到的半乳甘露聚糖含量也更高。美國(guó)肥皂莢，烘烤8 min預(yù)處理得到的半乳甘露聚糖的含量低于6 min，這可能是美國(guó)肥皂莢對(duì)高溫更敏感，分解程度更大，部分分解得到的相對(duì)分子質(zhì)量小的半乳甘露聚糖膠未收集到。此外，從表中可以看出相較于純化前，純化后的半乳甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯提高，均在80%左右；純化后的M/G值明顯低于純化前的，均在3.0左右，接近商用塔拉膠(M/G值為3)[16]。Jian等[17]對(duì)皂莢進(jìn)行烘烤預(yù)處理及純化后得到的多糖膠中半乳甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.3%，M/G值為4.5，與本研究中得到的值相差較大，不同的多糖純化方法以及植物的生長(zhǎng)條件和經(jīng)歷的過(guò)程可能是出現(xiàn)這種差異的原因[17]。

3 結(jié) 論

3.1以皂莢和美國(guó)肥皂莢為原料，先經(jīng)光波烘烤預(yù)處理，然后機(jī)械分離后通過(guò)微水固相法制皂莢多糖膠，結(jié)果顯示：隨著光波烘烤時(shí)間的增長(zhǎng)，2種多糖膠的表現(xiàn)黏度均先增大后減，烘烤6 min后，2種皂莢多糖膠的表觀(guān)黏度均為最高值，在剪切速率5.1 s-1條件下分別為461.90和703.85 mPa·s；光波烘烤4、6和8 min的2種多糖膠水溶液的表觀(guān)黏度均隨著剪切速率的增加而降低，且流動(dòng)指數(shù)均小于1，表明它們具有假塑性。

3.2隨烘烤時(shí)間增加，皂莢多糖膠中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變大，烘烤8 min時(shí)可達(dá)4.66%，而美國(guó)肥皂莢多糖膠中的蛋白質(zhì)幾乎不變，均在4.08%；多糖膠中水不溶物含量有所變化，8 min烘烤皂莢多糖膠中含水不溶物最低，約32.30%，而美國(guó)肥皂莢6 min烘烤后制得的多糖膠中水不溶物最低，約32.50%。純化前的原多糖膠中，皂莢隨著光波烘烤預(yù)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，半乳甘露聚糖含量也提高；而對(duì)美國(guó)肥皂莢，8 min烘烤預(yù)處理時(shí)半乳甘露聚糖的含量低于6 min。純化后的多糖膠中半乳甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(79%～83%)普遍明顯高于原多糖膠中半乳甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)(67%～77%)，純化后的多糖膠中甘露糖/半乳糖(M/G)值在3.0左右，明顯低于原多糖膠中M/G值(3.7左右)。