預(yù)處理溫度對(duì)圓皂莢多糖膠制備與性能的影響

蔣建新， 朱莉偉， 張 偉， 李先平

(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 )

植物多糖膠是由甘露糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等單糖及其相應(yīng)的糖醛酸按一定比例組成的天然高分子物質(zhì)，具有較高的黏性，能與水結(jié)合形成膠體溶液，相對(duì)分子質(zhì)量介于50 000～500 000之間。各種植物多糖膠的結(jié)構(gòu)單元類似，呈線形且有分支，具有較好的水溶性和交聯(lián)性，且在低濃度下能形成高黏度的水溶液，因其獨(dú)特的流變性質(zhì)，在食品醫(yī)藥、石油鉆采、紡織印染、制漿造紙和兵工炸藥等行業(yè)中被廣泛用作增稠劑、穩(wěn)定劑、膠凝劑和絮凝劑等[1]。在食品加工中，植物多糖膠用于面制品中可防止黏結(jié)、保水、增加筋力及延長(zhǎng)上貨架時(shí)間，植物多糖膠賦予冰淇淋滑溜和糯性的口感以及減緩產(chǎn)品溶化。此外，植物多糖膠還具有降血糖、降血脂、抗輻射、潤(rùn)腸減肥、與微生物多糖形成凝膠等特性，這些功能決定了植物多糖膠不可替代的地位。草本植物多糖膠生產(chǎn)量約占植物多糖膠的70%以上，但是草本植物多糖膠原料的種植需要占用大量耕地。不僅如此，受天氣、種植條件和政治等多種因素的影響，草本植物多糖膠資源量一直很不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響著相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。我國(guó)木本多糖膠資源發(fā)展迅速，并初步形成了原料資源基地。皂莢、野皂莢等木本植物根系發(fā)達(dá)，耐旱、耐熱、抗寒、抗污染、抗逆性強(qiáng)，能較好地改良土壤，是營(yíng)造水土保持林、防風(fēng)固沙林的優(yōu)良生態(tài)樹(shù)種。木本植物種子中含多糖膠40%左右，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重需要，木本多糖膠資源將會(huì)進(jìn)一步得到發(fā)展，木本多糖膠也將在植物多糖膠中逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。關(guān)于皂莢資源利用[2]、皂莢多糖膠制備[3-5]、多糖改性[6-8]、多糖性質(zhì)[9-11]及應(yīng)用研究[12-14]已有較多的報(bào)道，皂莢資源活性組分多、含量高，其高效利用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)價(jià)值，其中皂莢多糖膠工業(yè)化制備首選烘炒預(yù)處理工藝結(jié)合機(jī)械分離法。本研究以高產(chǎn)的圓皂莢種子為原料，在前期分離方法比較研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了烘炒過(guò)程中預(yù)處理溫度對(duì)圓皂莢多糖膠得率、多糖膠化學(xué)組成、半乳甘露聚糖相對(duì)分子質(zhì)量及單糖比例、多糖膠流變學(xué)性質(zhì)及凝膠性能的影響，以期為皂莢多糖膠工業(yè)化制備與應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與儀器

圓皂莢莢果為山西絳縣林業(yè)局所提供，收獲時(shí)間為2017年12月。經(jīng)手工剝離從豆莢中得到皂莢種子，陰干儲(chǔ)存?zhèn)溆茫徽７N子的含水量為9.3%。標(biāo)準(zhǔn)單糖包括(+)-D-甘露糖、(+)-D-半乳糖和(+)-D-葡萄糖，購(gòu)自美國(guó)Fluka公司；葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)分子質(zhì)量樣品DXT3k、DXT25k、DXT160k、DXT760k和DXT1185k，購(gòu)自日本TosoHaas公司。

DL-I-15馬弗爐；DHG-9145A真空干燥箱；Agilent 1200凝膠滲透色譜(GPC)，美國(guó)Agilent公司；LVDV-Ⅲ+型流變儀，美國(guó)Brookfield公司；Waters 2695 高效液相色譜(HPLC)儀(配備Aminex HPX-87P柱子和2414 RID示差折光檢測(cè)器)，美國(guó)Waters公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1圓皂莢種子胚乳分離及多糖膠制備 將質(zhì)量約100 g(精確至0.1 g)的圓皂莢種子置于烘炒爐中加熱預(yù)處理，預(yù)處理溫度分別為145、155、165和175 ℃，預(yù)處理時(shí)間4 min，隨后將種子迅速轉(zhuǎn)移至粉碎機(jī)中快速擊打。從粉碎沖擊后的樣品中篩分出胚乳片，在(100±3) ℃的鼓風(fēng)加熱干燥箱中烘至質(zhì)量恒定，稱質(zhì)量。將烘干后的胚乳粉碎通過(guò)0.125 mm孔徑的篩網(wǎng)，通過(guò)烘炒法在預(yù)處理溫度145、155、165和175 ℃條件下分離所得的圓皂莢多糖膠分別標(biāo)記為PG1、PG2、PG3和PG4。

1.2.2圓皂莢半乳甘露聚糖制備 將1 g(精確至0.000 1 g)圓皂莢多糖膠加入20 mL體積分?jǐn)?shù)為80%的乙醇中，煮沸10 min。之后使用G3砂芯漏斗過(guò)濾收集樣品，并用乙醇、丙酮和乙醚依次洗滌。之后，向樣品中加入100 mL的去離子水，在磁力攪拌下水合1 h。將所得的多糖膠溶液在1 000 r/min下離心20 min，以除去水不溶物。

向收集到的上清液中加入2倍體積的冷丙酮(4 ℃)，使溶解多糖發(fā)生沉淀。過(guò)濾收集沉淀，并將沉淀重新溶解于100 mL溫度為80 ℃的熱水中，再于4 000 r/min下離心1.5 h，進(jìn)一步除去不溶性雜質(zhì)。分離收集上清液，并向其中加入2倍體積的無(wú)水乙醇，從而將半乳甘露聚糖沉淀出來(lái)。反復(fù)用無(wú)水乙醇和丙酮洗滌沉淀后，將多糖沉淀進(jìn)行真空干燥，得到皂莢半乳甘露聚糖(GM)，備用。

1.2.3圓皂莢多糖膠凝膠的制備 將多糖膠與黃原膠以質(zhì)量比7 ∶3混合后，在恒速攪拌下分散到去離子水中，使分散液中聚合物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。磁力攪拌下水合約30 min后，將二元混合物加熱至60 ℃并恒溫15 min后，迅速傾倒至直徑45 mm、高度35 mm的容器中。在室溫下靜置24 h形成凝膠狀物。

1.3 分析方法

1.3.1圓皂莢多糖膠的化學(xué)組成分析 圓皂莢多糖膠GM含量、水不溶物含量、水分含量、灰分含量測(cè)定及計(jì)算按照GB/T 31742—2015進(jìn)行[15]。根據(jù)美國(guó)分析化學(xué)家協(xié)會(huì)AOAC 979.09方法，通過(guò)凱氏定氮法測(cè)定多糖膠中粗蛋白含量，將2 g(精確至0.000 1 g)多糖膠在灰化后進(jìn)行蒸餾，轉(zhuǎn)換系數(shù)為 6.25。根據(jù)AOAC 920.39C方法，將1 g(精確至0.000 1 g)多糖膠在無(wú)水乙醚中抽提8 h后進(jìn)行粗脂肪含量的測(cè)定，通過(guò)差值計(jì)算得出碳水化合物的含量。

1.3.2圓皂莢GM的單糖組成測(cè)定 準(zhǔn)確稱量300 mg (精確至0.000 1 g)的絕干樣品于耐壓瓶中，加入3 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的硫酸。首先在30 ℃水浴振蕩條件下加熱反應(yīng)1 h，期間每隔10 min用玻璃棒攪拌一次。振蕩反應(yīng)結(jié)束后，向耐壓瓶中加入84 mL的去離子水使硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%，然后置于121 ℃的高壓滅菌鍋中水解反應(yīng)1 h。水解后，取適量水解液于離心管中并用無(wú)水碳酸鈣中和。采用高效液相色譜儀進(jìn)行單糖分析，使用Aminex HPX-87P分析柱 (300 mm×7.8 mm)對(duì)水解液進(jìn)行分離，柱溫75 ℃，分離時(shí)間30 min。

1.3.3圓皂莢GM的分子質(zhì)量分布 凝膠滲透色譜(GPC)配備有PL Aquagel-OH柱子(300 mm×7.5 mm，8 μm)用于測(cè)定皂莢GM的重均分子質(zhì)量(Mw)和數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.2% 的皂莢GM水溶液，并用0.45 μm的濾膜過(guò)濾。在分子質(zhì)量測(cè)定過(guò)程中，色譜柱的運(yùn)行溫度為40 ℃，流動(dòng)相由5 mmol/L、pH值7.0的磷酸緩沖液和20 mmol/L的氯化鈉溶液組成，流速為0.5 mL/min。使用一系列不同分子質(zhì)量的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)柱子進(jìn)行校準(zhǔn)，平均相對(duì)誤差在3.8%～5.6%范圍內(nèi)，最大誤差為7.3%。使用Agilent GPC數(shù)據(jù)分析軟件(B.01.01版本)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到Mn、Mw、Z均分子質(zhì)量(Mz)、黏均分子質(zhì)量(Mp)和多分散指數(shù)(Pi)。

1.3.4圓皂莢多糖膠的流變學(xué)性質(zhì)分析 采用配備有小量樣品適配器(轉(zhuǎn)子號(hào)SC4-31)的流變儀在25 ℃ 下對(duì)圓皂莢多糖膠的流變性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的黏度均為表觀黏度。設(shè)置流變儀的剪切速率在3 min內(nèi)由0 s-1線性上升至85 s-1，測(cè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%多糖膠溶液的表觀黏度隨剪切速率的變化，并使用Rheocalc V 3.2軟件擬合剪切應(yīng)力與剪切速率之間的關(guān)系，獲得Power-law模型參數(shù)。

1.3.5圓皂莢多糖膠的凝膠凍膠性能測(cè)定 使用Brookfield質(zhì)構(gòu)儀(TexturePro CT V1.2 Build 9軟件)對(duì)所制備的凝膠樣品進(jìn)行凝膠強(qiáng)度測(cè)定。參數(shù)如下：負(fù)載單元4 500 g，探頭為T(mén)A5圓柱形探頭(φ12.7 mm×35 mm)，以0.5 mm/s的測(cè)試速度執(zhí)行一個(gè)單壓縮循環(huán)至4 mm的目標(biāo)形變量，然后立即返回到起始位置。

配制0.6%多糖膠水溶液500 mL，加入0.3%四硼酸鈉100 mL，攪拌，在長(zhǎng)形燒杯或量筒中測(cè)定φ6 mm鋼球自上而下行走20 cm所需的時(shí)間(s)，乘以系數(shù)66 600得到凍膠黏度(mPa·s)。

1.4 計(jì)算方法

手工剝離胚乳方法參考文獻(xiàn)[16]進(jìn)行，圓皂莢胚乳提取率(η)及半乳甘露聚糖得率(y)的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)～式(2)：

η=m1/m0×100%

(1)

y=η×ω1/ω0×100%

(2)

式中：m0—種子經(jīng)手工剝離得到的胚乳質(zhì)量，g；m1—種子經(jīng)烘炒法得到的胚乳質(zhì)量，g；ω0—種子中GM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；ω1—烘炒法胚乳中GM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 胚乳得率及多糖膠化學(xué)組成

烘炒法從種子中分離提取胚乳的原理是利用皂莢種子各組分硬度的差異，高溫使種殼變脆，使種殼與胚乳之間的糊粉層連接減弱。烘炒過(guò)的種子在機(jī)械沖擊中損壞，脆度較高而硬度較低的種殼和胚在擊打中變?yōu)樗閴K，而硬度較高的胚乳卻能較好的保持完整性，因此可以通過(guò)篩分操作將胚乳從胚和種殼的碎片中分離出來(lái)。烘炒預(yù)處理分離工藝簡(jiǎn)潔高效，得到的胚乳為淡黃色，胚乳形狀較完整且胚乳提取率高。表1為預(yù)處理溫度對(duì)圓皂莢胚乳得率及多糖膠組成的影響。由表可知，隨著預(yù)處理溫度提高，胚乳得率降低。當(dāng)預(yù)處理溫度165 ℃處理4 min時(shí)，圓皂莢胚乳得率達(dá)到92.7%，GM得率為38.5%。

表1 預(yù)處理溫度對(duì)圓皂莢胚乳得率及多糖膠化學(xué)組成的影響

由圓皂莢多糖膠(PG1、PG2、PG3和PG4)的化學(xué)組成測(cè)定結(jié)果可以看出，皂莢多糖膠中蛋白質(zhì)含量較高，主要來(lái)源于種殼和胚中的一些物質(zhì)及多糖膠存在的結(jié)構(gòu)蛋白和酶。種子中胚的主要組成物質(zhì)為蛋白質(zhì)，胚中所含蛋白質(zhì)的量占種子中總蛋白含量的70%以上。多糖膠中含有蛋白質(zhì)，表明結(jié)構(gòu)蛋白和酶的存在或者被胚中的雜質(zhì)所污染[17]。烘炒預(yù)處理溫度與化學(xué)組成之間有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系。當(dāng)預(yù)處理溫度相對(duì)較低(145 ℃)時(shí)，種子中的部分種皮、胚等與胚乳沒(méi)有充分分離，因此PG1多糖膠的水不溶物含量、粗蛋白及粗脂肪含量相對(duì)較高。預(yù)處理溫度升高，皂莢多糖膠雜質(zhì)(粗蛋白、水不溶物等)含量降低，但過(guò)高的預(yù)處理溫度會(huì)使皂莢胚乳變脆，從而導(dǎo)致胚乳得率和GM得率降低。皂莢多糖膠中碳水化合物含量也與之前報(bào)道的商品瓜爾膠和刺槐豆膠相接近。

2.2 半乳甘露聚糖單糖組成及其GPC分析

根據(jù)Wientjes等所報(bào)道的方法對(duì)皂莢多糖膠進(jìn)行了純化制備GM[18]，綜合考慮多糖膠的純度、熱穩(wěn)定性、流變性以及提純步驟的成本和簡(jiǎn)易程度，本研究所選的提純方法最適于生物應(yīng)用。已有研究對(duì)瓜爾膠的提純方法進(jìn)行了比較[19]，不同提純方法所得瓜爾膠的甘露糖與半乳糖比值(M/G)在1.6～2.5范圍內(nèi)變化，而未純化瓜爾膠的M/G為1.7，M/G取決于多糖膠的純化方法。

不同預(yù)處理溫度所得圓皂莢多糖膠的GM單糖組成如表2所示。

表2 圓皂莢半乳甘露聚糖單糖組成及分子質(zhì)量分布

從表2可知，多糖膠由甘露糖(M)和半乳糖(G)2種單糖組成，M/G值隨著預(yù)處理溫度升高而提高，過(guò)高的預(yù)處理溫度會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的側(cè)鏈半乳糖降解，預(yù)處理溫度175 ℃時(shí)得到的PG4中M/G為5.29。M/G 值還與胚乳分離方法及多糖純化方法有關(guān)[20-21]。有研究報(bào)道，產(chǎn)地為北京的皂莢多糖膠的M/G為2.6[22]，與本研究中圓皂莢多糖膠的M/G值也有較大差異。因此，多糖膠的M/G值取決于植物品種、生長(zhǎng)環(huán)境、制備過(guò)程、純化方法等多種因素。

圓皂莢半乳甘露聚糖的分子質(zhì)量測(cè)定結(jié)果表明：預(yù)處理溫度對(duì)分子質(zhì)量有一定的影響，溫度過(guò)高(175 ℃)，分子質(zhì)量下降，且多分散指數(shù)(Pi=Mw/Mn)增大；不同預(yù)處理溫度下，Mw在3.276×106～3.339×106u范圍內(nèi)變化。多糖膠的分子質(zhì)量高于瓜爾膠(0.697×106～0.940×106u)和刺槐豆膠(LBG)(0.856×106～1.20×106u)[20, 23]。預(yù)處理溫度較高時(shí)，Pi較高是因?yàn)槎嗵堑姆蔷|(zhì)性，由于在提取、純化過(guò)程中或者溶液配制中攪拌造成樣品中的大分子部分破壞，即發(fā)生了熱降解或者機(jī)械降解等。較低的Mn值和較高的Pi值表明在純化的多糖膠中存在大量低分子質(zhì)量組分。分子質(zhì)量和M/G對(duì)皂莢多糖膠溶液的流變性質(zhì)具有一定影響，多糖膠較高的M/G值會(huì)導(dǎo)致較高的增稠性能。

2.3 多糖膠流變性質(zhì)

在不同剪切速率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的圓皂莢多糖膠溶液的流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在剪切速率5～85 s-1的變化范圍內(nèi)，多糖膠溶液的黏度數(shù)據(jù)和Power-law擬合的模型參數(shù)列于表3。

a.表觀黏度apparent viscosity； b.剪切應(yīng)力shear stress

經(jīng)模型擬合得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的多糖膠溶液的流動(dòng)指數(shù)(n值)介于0.77～0.83之間，均小于1，且由圖1(a)可知多糖膠的表觀黏度隨剪切速率上升而下降，說(shuō)明多糖膠溶液為假塑性流體，假塑性反映出半乳甘露聚糖分子鏈間具有交錯(cuò)的分子相互作用。在低能量水平下，半乳甘露聚糖長(zhǎng)鏈分子趨于線圈構(gòu)象，這些線圈可以發(fā)生交錯(cuò)。通過(guò)簡(jiǎn)單的氫鍵也可以形成額外的分子間橋連。由圖1(b)可知，隨著剪切速率提高，剪切應(yīng)力逐漸增加，從而使分子鏈發(fā)生變形，破壞了分子間連接造成表觀黏度下降[24]。不同預(yù)處理溫度尤其是較高溫度下得到的圓皂莢多糖膠的表觀黏度、稠度指數(shù)明顯增加，而流動(dòng)指數(shù)有所下降。

表3 25 ℃時(shí)圓皂莢多糖膠溶液的流變學(xué)參數(shù)

在低剪切速率下的表觀黏度值可以反映出產(chǎn)品的口感，高剪切速率下的表觀黏度可以反映產(chǎn)品在加工過(guò)程中(例如由泵輸送時(shí))的質(zhì)感。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的皂莢多糖膠溶液中可以明顯地觀察到剪切稀釋行為，175 ℃預(yù)處理溫度的圓皂莢多糖膠(PG4)黏度變化顯著。

2.4 多糖膠凝膠性能

圓皂莢多糖膠、刺槐豆膠和黃原膠等多糖各自都不具備凝膠性，但是有些GM和黃原膠以一定比例混合后，即可制備出黏彈性的水凝膠，二元共混水凝膠的凝膠強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，隨著預(yù)處理溫度的提高，凝膠強(qiáng)度增大。圓皂莢多糖膠中PG4具有最高的M/G值，為5.29，與黃原膠之間協(xié)同增效作用最顯著，該結(jié)果與前述的化學(xué)組成及流變學(xué)性質(zhì)一致。多糖的凝膠性可以改善和控制食品的結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)，為食品加工的多樣性提供了條件。多糖之間存在的協(xié)同作用，可以增強(qiáng)食品的流變學(xué)性質(zhì)，改善產(chǎn)品質(zhì)量，并降低生產(chǎn)成本。圓皂莢多糖膠與黃原膠的凝膠強(qiáng)度略高于刺槐豆膠與黃原膠的凝膠強(qiáng)度，因此，圓皂莢多糖膠可以在食品添加劑中作為刺槐豆膠的替代品。

表4 不同多糖膠與黃原膠共混(7 ∶3)時(shí)的凝膠性能

GM分子中的甘露糖上C-2、C-3羥基以及半乳糖上C-3、C- 4羥基屬于順式鄰位羥基，能與絡(luò)合劑中過(guò)渡金屬離子交聯(lián)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高黏彈性凍膠，這種凍膠具有特殊的物理、化學(xué)性能，能使溶解性和不溶解性的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物均勻地分散于其中，且具有一定的抗剪切能力，從而大大提高和擴(kuò)大多糖膠的應(yīng)用性能和使用范圍。多糖膠凍膠在油田水基壓裂液中可用作傳遞壓力和攜帶砂粒的良好載體、用作漿膠炸藥的膠凝劑和用作選礦工業(yè)的絮凝劑、滑石抑浮劑等。最常見(jiàn)的交聯(lián)劑是硼酸鹽，硼酸鹽中的硼離子與GM中順式鄰位羥基發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。不同聚合物鏈的交聯(lián)作用能形成凍膠，單一聚合物也能與硼酸鹽離子形成凍膠；GM分子中半乳糖側(cè)鏈比主鏈甘露糖基更易與硼離子形成絡(luò)合物。由表4可以看出，隨著預(yù)處理溫度提高，凍膠黏度增大，但過(guò)高的預(yù)處理溫度(175 ℃)使多糖膠分子質(zhì)量下降導(dǎo)致凍膠黏度下降，圓皂莢多糖膠與硼離子作用形成凍膠的黏度值均大于30 000 mPa·s，達(dá)到油田壓裂液稠化劑使用標(biāo)準(zhǔn)，凍膠還可應(yīng)用于沙土保水劑和土壤改良劑。

3 結(jié) 論

3.1采用烘炒預(yù)處理法從圓皂莢種子中分離制備多糖膠，結(jié)果表明：烘炒法簡(jiǎn)潔高效，胚乳形狀較完整且胚乳得率高；隨著預(yù)處理溫度的提高(145～175 ℃)，胚乳得率逐漸降低，在165 ℃烘炒4 min時(shí)，胚乳得率達(dá)到92.7%，半乳甘露聚糖(GM)得率為38.5%。

3.2隨著預(yù)處理溫度的升高，GM中甘露糖/半乳糖(M/G值)逐漸提高，過(guò)高的預(yù)處理溫度會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的側(cè)鏈半乳糖降解，GM分子質(zhì)量下降，多分散指數(shù)增大。質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的圓皂莢多糖膠溶液的流動(dòng)指數(shù)(n值)介于0.77～0.83之間，說(shuō)明多糖膠溶液為假塑性流體，表觀黏度隨剪切速率的上升而下降。隨著預(yù)處理溫度的提高，多糖膠與黃原膠之間協(xié)同增效作用顯著增強(qiáng)，凝膠強(qiáng)度增大。多糖膠與硼離子作用形成凍膠的黏度值超過(guò)油田壓裂液稠化劑使用標(biāo)準(zhǔn)(30 000 mPa·s)。