微水固相法對皂莢多糖的陽離子化改性工藝研究

朱昌玲， 雷 鵬， 張鋒倫

(中華全國供銷合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 211111)

皂莢(GleditsiasinensisLam.)又名皂莢樹、皂角、豬牙皂等，皂莢樹是理想的木本植物多糖原料資源[1-3]。皂莢多糖是存儲性多糖，存在于種子胚乳細胞壁。皂莢種子的內(nèi)胚乳質(zhì)量占種子組成的30%～40%，而內(nèi)胚乳中聚糖(主要為半乳甘露聚糖)質(zhì)量分數(shù)高達70%左右[4-5]。半乳甘露聚糖中每個糖單體平均有 3個活性羥基，可以在一定的條件下通過羥基官能團進行化學反應?；瘜W改性在半乳甘露聚糖分子中引入親水基團，提高了親水性和溶脹速度，同時降低了水不溶物含量，使半乳甘露聚糖性能更加優(yōu)良，應用更加廣泛[6]。

微水固相法是基于半乳甘露聚糖吸水膨脹特點提出的一種創(chuàng)新性化學改性方法，是將皂莢多糖微水吸脹的過程與反應試劑的滲入過程進行耦合，也就是在吸水膨脹過程中同步進行化學改性反應。該工藝對微水吸脹后的皂莢種子胚乳片進行壓延破壁和擠壓質(zhì)構處理，胚乳片呈蓬松多孔雪花片狀，解決了溶劑法或干法反應中試劑與物料接觸面小等缺點，大幅度提高了反應效率，降低了生產(chǎn)成本[7]。本研究以皂莢種子胚乳片為原料，以3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨為醚化劑，考察了氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)、醚化劑質(zhì)量分數(shù)、反應溫度及反應時間對陽離子皂莢多糖黏度和取代度的影響，以期為陽離子皂莢多糖的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考，從而推進皂莢多糖的高效應用。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

皂莢種子胚乳片，由河北涉縣供銷社提供；NaOH，工業(yè)級；95%(體積分數(shù))乙醇，食品級；無水乙醇，分析純；3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨(純度69%)；均為市購。

捏合機，自制；三輥式壓片機，自制；萬能粉粹機；PHS-25型pH計，上海儀電科學儀器科技有限公司；NDJ-5S旋轉黏度計，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司；H/T16MM臺式高速離心機，湖南赫西儀器裝備有限公司；FTIR- 650傅里葉變換紅外光譜儀，廣州科曉科學儀器有限公司；LVDV-Ⅲ Ultra型流變儀，美國Brookfield公司。

1.2 皂莢多糖的陽離子化改性路線

采用皂莢多糖的陽離子改性Williamson醚化反應，即皂莢多糖分子與陽離子醚化劑3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨發(fā)生雙分子親核取代反應[8-9]，具體見下圖。皂莢多糖在堿性環(huán)境下形成皂莢多糖氧負離子，然后作為親核試劑進攻醚化劑環(huán)上的中心碳原子，形成陽離子皂莢多糖。

1.3 微水固相法對皂莢多糖的陽離子化改性工藝

稱取皂莢種子胚乳片500 g，加入250 mL一定質(zhì)量分數(shù)NaOH溶液，在35 ℃下攪拌堿化30 min，使胚乳片充分溶脹，將已完全溶脹的胚乳片進行壓片處理，使用三輥式壓片機將胚乳片壓制成雪花片狀，再加入500 mL一定質(zhì)量分數(shù)的3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨溶液作為醚化劑，在捏合機中進行改性反應，控制反應溫度和反應時間。反應結束后，即得陽離子皂莢多糖，用75%乙醇洗滌反應產(chǎn)物至中性，抽濾、干燥、粉碎，備用待測。

1.4 反應條件對產(chǎn)物黏度和取代度的影響

1.4.1NaOH質(zhì)量分數(shù) 固定醚化劑溶液質(zhì)量分數(shù)為69%、反應溫度為60 ℃、反應時間為4 h，考察NaOH質(zhì)量分數(shù)(10%、 20%、 30%、 40%、 50%)對產(chǎn)品黏度和取代度的影響。

1.4.2醚化劑質(zhì)量分數(shù) 固定NaOH質(zhì)量分數(shù)為40%、反應溫度為60 ℃、反應時間為4 h，考察醚化劑質(zhì)量分數(shù)(30%、 40%、 50%、 60%、 69%)對產(chǎn)品黏度和取代度的影響。

1.4.3反應溫度 固定NaOH質(zhì)量分數(shù)為40%、醚化劑質(zhì)量分數(shù)為60%、反應時間為4 h，考察反應溫度(40、 50、 60、 70、 80 ℃)對產(chǎn)品黏度和取代度的影響。

1.4.4反應時間 固定NaOH質(zhì)量分數(shù)為40%、醚化劑質(zhì)量分數(shù)為60%、反應溫度為60 ℃，考察反應時間(1、 2、 3、 4、 5、 6 h)對產(chǎn)品黏度和取代度的影響。

1.5 測定方法

1.5.1含水率 按GB 5009.3—2016直接干燥法測定。

1.5.2黏度 參照SY/T 5764—2007《壓裂用植物膠用技術要求》所述的方法進行測定。首先，分別配制質(zhì)量分數(shù)為1.0%的陽離子皂莢多糖溶液，然后將配制好的溶液緩慢攪勻后，用旋轉黏度計測量其黏度。

具體配制方法：量取500 mL的蒸餾水倒入燒杯中，低速啟動攪拌器，緩慢加入3.0 g不同含水率的待測多糖(粉粹、過0.09 mm篩)，攪拌至完全溶解，加蓋置于25 ℃水浴鍋中，恒溫2 h。

1.5.3水不溶物 參照SY/T 5764—2007進行測定。按1.5.2節(jié)所述的方法配制待測溶液，配置成質(zhì)量分數(shù)為0.4%的陽離子皂莢多糖溶液500 mL。在質(zhì)量恒定(精確到0.1 mg)的離心管中稱取配置好的溶液50.20 g，將離心管放入離心機中，在3 000 r/min的速度下離心30 min，傾倒出上層溶液；加入蒸餾水至50 mL，用玻璃棒攪拌洗滌，再離心20 min，再傾倒出上層溶液，如此洗滌3次；將離心管放入恒溫干燥箱中，在105 ℃烘2 h后取出放干燥器中冷卻20 min，稱量，再烘干1 h，冷卻，稱量，直至質(zhì)量恒定。

水不溶物的計算公式如下：

式中:η—水不溶物，%；m—稱取的陽離子皂莢多糖樣品質(zhì)量，g；m2—水不溶物和稱量瓶總質(zhì)量，g；m1—稱量瓶干質(zhì)量，g；w—樣品含水率，%。

1.5.4取代度 取代度是指多糖分子中每個葡萄糖單元上的羥基被取代的平均數(shù)。制備陽離子皂莢多糖所使用的陽離子試劑是3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨。因此，可以通過測定皂莢多糖與陽離子試劑反應后的產(chǎn)物分子中氮元素含量的增加值來確定皂莢多糖分子中葡萄糖苷元上的羥基被取代的量，從而計算出取代度[8]。

1.5.5紅外光譜表征 將皂莢種子胚乳片、陽離子皂莢多糖(反應條件為NaOH質(zhì)量分數(shù)40%、醚化劑質(zhì)量分數(shù)60%、反應溫度60 ℃、反應時間4 h時產(chǎn)物，其黏度為1 196.2 mPa·s、取代度為0.151)粉粹，過0.09 mm篩，備用。再分別精密稱取1.5 mg備用樣品與15.0 mg KBr混合研磨均勻，壓片后在傅里葉變換紅外光譜儀上進行紅外光譜測試，掃描波數(shù)范圍在400～4000 cm-1[10-11]。

1.5.6核磁共振氫譜表征 將一定量的陽離子化改性前后的皂莢多糖純品分別溶于D2O中，在293 K溫度下進行核磁共振儀分析(600 Hz)[12]。

1.5.7表觀黏度測試 將1 g陽離子皂莢多糖樣品(粉粹、過0.09 mm篩)用3 mL無水乙醇進行潤濕，再迅速倒入97 mL的蒸餾水中，在60 ℃下水浴磁力攪拌，使樣品達到最大程度的水合。用流變儀(LV4號轉子)在20.0 ℃條件下測定溶液在不同剪切速率下的表觀黏度[13]。

2 結果與討論

2.1 反應條件對陽離子皂莢多糖黏度和取代度的影響

2.1.1NaOH質(zhì)量分數(shù) 反應體系中的堿是不直接參與反應的，主要是為了活化反應基團，堿的作用有2種：一是對皂莢多糖分子上的羥基進行堿化活化；二是對陽離子醚化劑進行活化，使其產(chǎn)生環(huán)氧基團。堿的用量不足會導致反應基團不能充分活化，反應不能最大程度進行[14]。

NaOH質(zhì)量分數(shù)對陽離子皂莢多糖黏度和取代度的影響如表1所示。隨著NaOH質(zhì)量分數(shù)的增加，反應產(chǎn)物的黏度出現(xiàn)明顯的降低，說明堿用量對皂莢多糖的相對分子質(zhì)量有顯著的影響。這是因為NaOH會導致皂莢多糖的分子鏈斷裂，隨著用量的增加，皂莢多糖的分子結構被破壞得更嚴重，最終導致相對分子質(zhì)量逐步下降，進而降低了皂莢多糖溶液黏度。為了得到較高分子質(zhì)量的陽離子皂莢多糖，保留產(chǎn)物高分子植物多糖的基本性能。本實驗中，NaOH的質(zhì)量分數(shù)為40%時，產(chǎn)物具有較高的黏度和取代度值。

表1 反應條件對改性產(chǎn)物黏度和取代度的影響Table 1 Effect of reaction conditions on viscosity and substitution of modified products

2.1.2醚化劑質(zhì)量分數(shù) 醚化劑質(zhì)量分數(shù)對產(chǎn)物黏度和取代度的影響如表1所示。3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨是一種廣泛使用的季銨鹽型陽離子醚化劑。隨著其用量增大，產(chǎn)物取代度逐漸增加；而醚化劑用量的加大，為了維持反應體系的堿性狀態(tài)，NaOH的用量也是需要增加的，這會造成產(chǎn)物黏度逐漸降低。本實驗結果表明：醚化劑質(zhì)量分數(shù)60%為優(yōu)，有利于在較低成本下獲得較高黏度和取代度的陽離子皂莢多糖。

2.1.3反應溫度 由表1可知，隨著反應溫度的提高，產(chǎn)物黏度逐漸降低；而取代度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，反應溫度為60 ℃時取代度最高。這是由于提高反應溫度，增加了Na+向皂莢多糖內(nèi)部擴散的速率，以及皂莢多糖氧負離子與醚化劑的有效碰撞率，因此增大了醚化反應的速率，提高了產(chǎn)物的取代度。不過反應溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)物分解的副反應也會更加劇烈，所以取代度又呈現(xiàn)下降趨勢。同時，反應溫度的不斷升高也會引起皂莢多糖分子的降解，使產(chǎn)物相對分子質(zhì)量降低，黏度下降，并造成醚化反應不穩(wěn)定。因此，本實驗最佳反應溫度為60 ℃。

2.1.4反應時間 反應時間對產(chǎn)品黏度和取代度的影響見表1。由表1可知，反應時間越長，反應產(chǎn)物的黏度越低，特別是反應時間超過4 h后，產(chǎn)物的黏度下降更為顯著，因此控制反應時間十分重要。這可能是在降解反應與醚化反應的競爭中，醚化反應時間為3～4 h對醚化取代有利，而反應時間進一步延長則對降解反應有利。另外，隨著反應時間的增加，取代度增大，當反應時間超過4 h后，取代度變化則不再顯著。因此確定最優(yōu)反應時間為4 h。

綜上所述，確定了皂莢多糖的陽離子改性條件：皂莢種子胚乳片500 g、 40% NaOH溶液250 mL、 60% 3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨溶液500 mL、反應溫度60 ℃和反應時間4 h。該條件下制備的皂莢多糖陽離子改性產(chǎn)品經(jīng)檢測：含水不溶物2.81%，黏度為1 196.2 mPa·s(1%的水溶液，25 ℃)，取代度為0.151。

2.2 紅外光譜表征

皂莢多糖、陽離子皂莢多糖紅外圖譜如圖1所示。從圖中可以看出，皂莢多糖的特征吸收峰3422 cm-1處為O—H伸縮振動，2926 cm-1處為C—H伸縮振動，1652 cm-1處為C—O伸縮振動。與皂莢多糖相比，陽離子皂莢多糖還有許多新特征峰，如1489 cm-1處是季銨基團上C—H伸縮振動吸收峰，1420 cm-1處是C—N的伸縮振動，913 cm-1為C—N彎曲振動的中強吸收峰，2360 cm-1處是NH4+的振動吸收峰，這些特征峰的出現(xiàn)表明了陽離子醚化劑和皂莢多糖發(fā)生了反應，季銨基團成功地引入到皂莢多糖上，證實了季銨型陽離子皂莢多糖的生成[15]。

2.3 核磁共振氫譜表征

皂莢多糖、陽離子皂莢多糖以D2O為溶劑的核磁共振氫譜圖見圖2。

1.皂莢多糖Gleditsia polysaccharide; 2.陽離子皂莢多糖cationic Gleditsia polysaccharide

圖3 不同質(zhì)量分數(shù)陽離子皂莢多糖水溶液 表觀黏度隨剪切速率的變化Fig.3 Variation of viscosity of different mass fraction cationic Gleditsia sinensis polysaccharide aqueous solution with shear rate

由圖2可知，皂莢多糖和陽離子皂莢多糖的譜圖中均出現(xiàn)的化學位移(δ)3.9～4.5處寬而廣的峰為皂莢多糖結構上氫質(zhì)子峰；陽離子皂莢多糖由于季銨基團的引入，其譜圖中δ3.44處出現(xiàn)了季銨基團上甲基的氫質(zhì)子峰，由此可以證明產(chǎn)物實現(xiàn)了季銨型陽離子化反應[11]。

2.4 陽離子皂莢多糖表觀黏度測試

不同質(zhì)量分數(shù)陽離子皂莢多糖水溶液的表觀黏度隨剪切速率的變化結果見圖3。由圖3可知，隨著剪切速率增大，陽離子皂莢多糖水溶液的表觀黏度下降，表現(xiàn)出剪切變稀的特點，符合假塑性流體特征。當剪切速率增大到一定程度時，陽離子皂莢多糖水溶液的表觀黏度趨于恒定。陽離子皂莢多糖水溶液的表觀黏度隨著質(zhì)量分數(shù)增大而增大，當陽離子皂莢多糖質(zhì)量分數(shù)增加到1.5%時，其表觀黏度急劇增大。這是因為陽離子皂莢多糖水溶液的質(zhì)量分數(shù)增大，其分子鏈之間距離減小，在水溶液中更易互相纏結形成網(wǎng)狀結構，導致其表觀黏度大幅度上升。

3 結 論

3.1以皂莢種子胚乳片為原料，以3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨為醚化劑，采用微水固相工藝對皂莢多糖進行陽離子化改性；通過單因素試驗考察了氫氧化鈉質(zhì)量分數(shù)、醚化劑質(zhì)量分數(shù)、反應溫度及反應時間對反應產(chǎn)物黏度和取代度的影響，確定了最優(yōu)反應條件：皂莢種子胚乳片500 g、質(zhì)量分數(shù)為40%的NaOH溶液250 mL、質(zhì)量分數(shù)為60%的3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨溶液500 mL、反應溫度60 ℃和反應時間4 h。在該條件下制備的陽離子皂莢多糖產(chǎn)品含水不溶物2.81%、黏度1 196.2 mPa·s(1%的水溶液，25 ℃)、陽離子取代度0.151。

3.2紅外光譜、核磁共振氫譜的表征結果均證明皂莢多糖實現(xiàn)了季銨型陽離子化反應；陽離子皂莢多糖的表觀黏度測試結果符合皂莢多糖的假塑性流體特征，說明產(chǎn)物仍然具備皂莢多糖的大分子聚糖膠特性。