皂莢多糖的普魯蘭酶脫分支改性研究

朱昌玲，雷 鵬，張峰倫，張煥仕

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

半乳甘露聚糖是工業(yè)上有著廣泛用途的植物多糖膠，其水溶液為假塑性流體，大分子在自然狀態(tài)下呈纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因而它常被用作增稠劑、穩(wěn)定劑、乳化劑、黏結(jié)劑和調(diào)理劑等[1]。半乳甘露聚糖型植物合成系統(tǒng)中酶的專一性及活力、底物的量等因素共同決定了甘露聚糖殘基被取代的概率，因此同種植物的半乳糖和甘露糖的比值保持不變，不同的植物種子有各自固定的比值。半乳甘露聚糖膠分子結(jié)構(gòu)中的糖基比值有差別，其分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)和水不溶物含量也不同，從而導(dǎo)致不同植物的半乳甘露聚糖膠理化性質(zhì)有差異[2]，為了達(dá)到更理想的理化性質(zhì)，需要對(duì)半乳甘露聚糖進(jìn)行脫支化改性。半乳糖苷酶和甘露聚糖酶是半乳甘露聚糖改性和水解最常用的酶[1]。盡管半乳甘露聚糖的脫支化能夠通過特異性的半乳糖苷酶實(shí)現(xiàn)[3]，但目前半乳糖苷酶生產(chǎn)成本高，不適用于規(guī)?；苽涿撝О肴楦事毒厶恰Ｔ砬v(GleditsiasinensisLam.)又名皂莢樹、皂角、豬牙皂等。皂莢樹在我國(guó)分布廣，有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值、藥用價(jià)值、生態(tài)價(jià)值、木材價(jià)值，同時(shí)皂莢也是理想的木本植物多糖膠原料資源[4-8]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)皂莢多糖膠的開發(fā)力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，其功能化改性的相關(guān)研究仍相對(duì)較少。本研究以皂莢多糖為原料，考察了普魯蘭酶對(duì)皂莢多糖的脫支效應(yīng)，并研究了改性后皂莢多糖與黃原膠的復(fù)配性能，以期為大幅度提升多糖膠資源系列產(chǎn)品附加值和綜合利用效益奠定理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

皂莢多糖(GSP)、黃原膠，市購(gòu)；半乳糖、甘露糖，均為AR級(jí)，市購(gòu)；普魯蘭酶(酶活力3 600 U/mL)，諾維信(中國(guó))投資有限公司；其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純或生化試劑。

1.2 主要儀器與設(shè)備

TAGEL凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀，上海保圣生物科技有限公司；6890氣相色譜儀，美國(guó)Agilent公司，配帶氫火焰離子化檢測(cè)器，CR- 6A數(shù)據(jù)處理機(jī)；FTIR- 650傅里葉變換紅外光譜儀，廣州科曉科學(xué)儀器有限公司；ARES流變擴(kuò)展儀，美國(guó)TA公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1酶催化脫支試驗(yàn) 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的GSP溶液，攪拌使其充分水合；按照200 U/g(以GSP的質(zhì)量計(jì))加入普魯蘭酶，在溫度60 ℃、pH值5.0下進(jìn)行反應(yīng)制得改性皂莢多糖(MGSP)。實(shí)驗(yàn)中分別在反應(yīng)2、 4、 6、 8 h后取樣測(cè)定樣品黏度以及甘露糖和半乳糖含量。

1.3.2復(fù)配膠的制備方法 按比例稱取一定量的MGSP(普魯蘭酶脫分支改性6 h的樣品)和黃原膠，用蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的復(fù)配膠液，攪拌均勻后，再放入30 ℃水浴中完全溶解。

1.4 分析方法

1.4.1黏度的測(cè)定方法 參照Q/SH 0050—2007壓裂用瓜爾膠和羥丙基瓜爾膠技術(shù)要求所述的方法進(jìn)行測(cè)定。具體操作如下：量取300 mL的蒸餾水倒入500 mL的燒杯中，低速啟動(dòng)攪拌裝置，緩慢加入3.00 g GSP或MGSP(絕干質(zhì)量)，攪拌至完全溶解，加蓋置于25 ℃水浴鍋中，恒溫2 h，制得1%的GSP或MGSP溶液。將配制好的溶液緩慢攪勻后，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量其黏度。

1.4.2甘露糖、半乳糖的測(cè)定方法 用糖腈乙酰酯衍生物氣相色譜法測(cè)定單糖[9]。

1.4.3紅外光譜分析 精密稱取1.5 mg樣品粉末與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(jìn)行紅外光譜測(cè)試，掃描波數(shù)范圍400～4000 cm-1[10]。

1.4.4流變特性測(cè)定方法 采用ARES流變擴(kuò)展儀測(cè)定彈性模量和黏性模量。參數(shù)為50 mm平板、平行板間距1.5 mm；根據(jù)不同樣品應(yīng)力掃描結(jié)果，以保證所有的測(cè)量都在樣品的線性黏彈范圍之內(nèi)進(jìn)行[11-12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 酶處理對(duì)皂莢多糖的黏度及半乳糖含量的影響

皂莢多糖(GSP)經(jīng)普魯蘭酶處理后得到改性皂莢多糖(MGSP)，其黏度和半乳糖含量變化見表1。

表1 普魯蘭酶處理對(duì)GSP的黏度及半乳糖含量的影響

由表1可以看出，普魯蘭酶能催化GSP去分支化，降低其多糖分子中的半乳糖含量。隨著酶催化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，GSP的側(cè)鏈半乳糖含量逐漸降低，處理6 h以后，普魯蘭酶對(duì)GSP的催化效應(yīng)達(dá)到相對(duì)飽和，催化反應(yīng)幾乎不再繼續(xù)。GSP中甘露糖與半乳糖的質(zhì)量比也由2.55 ∶1提高到3.27 ∶1，半乳糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了17%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，普魯蘭酶不僅降低了GSP中半乳糖的含量，也降低了GSP溶液的黏度。經(jīng)普魯蘭酶改性6 h后，1%GSP溶液的黏度下降了57.6%。后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇普魯蘭酶改性6 h的樣品。

2.2 改性皂莢多糖的紅外光譜分析

a.GSP; b.MGSP圖1 樣品的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of samples

GSP、MGSP的FT-IR圖譜見圖1。由圖可以看出，樣品在3430、 2920、 1640、 1380、 1080、 870和810 cm-1附近均有吸收峰，其中，810及870 cm-1處是甘露糖的吸收峰[10,13]，并且MGSP與GSP的特征紅外光譜吸收峰一致，這表明GSP的普魯蘭酶脫分支改性并未改變多糖主鏈的主體結(jié)構(gòu)和糖苷鍵的構(gòu)型，只是降低了分子鏈中側(cè)鏈半乳糖的含量。

2.3 溶液的流變學(xué)特性

GSP、MGSP溶液的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)見圖2。由圖可知，GSP溶液呈現(xiàn)出了典型的天然高分子的流變學(xué)特性：在流變儀的低頻區(qū)，溶液的流變學(xué)性質(zhì)主要受黏性模量的主導(dǎo)，而在流變儀的高頻區(qū)，溶液則同時(shí)受到彈性模量和黏性模量主導(dǎo)。經(jīng)普魯蘭酶脫分支改性后的MGSP溶液，盡管其分子結(jié)構(gòu)中半乳糖含量降低，但MGSP溶液仍表現(xiàn)出高分子生物聚合物的流變學(xué)特性，與GSP溶液的流變學(xué)性質(zhì)相似。以上結(jié)果表明：普魯蘭酶處理只是降低了半乳糖的含量，并沒有改變GSP溶液的流變學(xué)性質(zhì)。

圖2 GSP(a)和MGSP(b)溶液的彈性模量和黏性模量

2.4 與黃原膠復(fù)配后的流變學(xué)特性

將GSP和MGSP分別與黃原膠復(fù)配(質(zhì)量比1 ∶1)，其復(fù)配溶液的流變學(xué)特性情況見圖3。由圖可知，GSP與黃原膠按照質(zhì)量1 ∶1復(fù)配后，復(fù)配膠溶液(1%)在流變儀測(cè)試范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增加，復(fù)配膠溶液的彈性模量和黏性模量均逐漸增大，不同于復(fù)配前GSP溶液在流變儀低頻區(qū)受黏性模量主導(dǎo)的特性，復(fù)配膠呈現(xiàn)彈性模量始終大于黏性模量的特性，表明復(fù)配多糖具有了凝膠特性。MGSP與黃原膠復(fù)配膠溶液的彈性模量在測(cè)定頻率范圍內(nèi)也始終大于其黏性模量，不同的是，該復(fù)配膠受轉(zhuǎn)速影響較小，即使在低頻率時(shí)，該復(fù)配膠就具有較高的彈性模量，甚至比同等轉(zhuǎn)速下的GSP高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，MGSP與黃原膠復(fù)配時(shí)，呈現(xiàn)出了顯著的協(xié)同增效效應(yīng)；但MGSP自身的彈性模量隨轉(zhuǎn)速變化不大，這說明復(fù)配膠呈現(xiàn)出了一種較高彈性強(qiáng)凝膠的特性[14]。

2.5 不同復(fù)合比例對(duì)MGSP-黃原膠性能的影響

MGSP與黃原膠按不同質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，復(fù)合膠性能見表2。

a.GSP-黃原膠GSP-xanthan gum; b.MGSP-黃原膠MGSP-xanthan gum

表2 不同復(fù)合比例對(duì)MGSP-黃原膠復(fù)合膠性能的影響

從表2可以看出，在MGSP與黃原膠復(fù)配時(shí)，復(fù)配比例對(duì)復(fù)配膠的性能起著至關(guān)重要的作用。在不同配比的復(fù)配膠中，彈性模量始終大于黏性模量；彈性模量受復(fù)配比例影響較為顯著，隨著MGSP質(zhì)量的增加，復(fù)配膠的彈性模量逐漸增大，當(dāng)MGSP質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合膠的60%時(shí)，復(fù)配膠的彈性模量最大，為112.3 Pa；復(fù)配膠的黏性模量受復(fù)配比例的影響則相對(duì)更大一些。據(jù)報(bào)道，復(fù)配膠彈性模量的增加是由于兩種復(fù)配高聚物相互作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響[15-16]。

綜上所述，普魯蘭酶改性后的皂莢多糖在與黃原膠復(fù)配成凝膠的過程中呈現(xiàn)出了令人滿意的流變學(xué)特性?？紤]到普魯蘭酶易于制備、價(jià)格便宜，因此利用普魯蘭酶改性皂莢多糖，對(duì)于推進(jìn)皂莢多糖膠的商業(yè)應(yīng)用范圍及價(jià)值提升、開發(fā)新型增稠劑均具有重要的研究意義和經(jīng)濟(jì)意義[15]。

3 結(jié) 論

3.1通過普魯蘭酶對(duì)皂莢多糖進(jìn)行去分支化改性，獲得了改性皂莢多糖；酶處理6 h后，改性皂莢多糖含半乳糖為23.4%，黏度為2 110 mPa·s,而皂莢多糖含半乳糖為28.2%，黏度為4 976 mPa·s，可以看出，改性反應(yīng)不僅降低了皂莢多糖中半乳糖的含量，也降低了皂莢多糖溶液的黏度。

3.2紅外光譜分析表明：皂莢多糖的普魯蘭酶修飾并未改變多糖主鏈的主體結(jié)構(gòu)和糖苷鍵的構(gòu)型，只是降低了分子鏈中側(cè)鏈半乳糖的含量。

3.3普魯蘭酶改性后的皂莢多糖與黃原膠復(fù)配時(shí)，呈現(xiàn)出了顯著的協(xié)同增效效應(yīng)。另外，復(fù)配膠呈現(xiàn)出了一種較高彈性強(qiáng)凝膠的特性。在改性皂莢多糖與黃原膠復(fù)配時(shí)，復(fù)配比例對(duì)復(fù)配膠的性能起著至關(guān)重要的作用。隨著改性皂莢多糖比例增加，復(fù)配膠的彈性模量逐漸增大，當(dāng)m(改性皂莢多糖) ∶m(黃原膠)為6 ∶4時(shí)，復(fù)配膠的彈性模量最大(112.3 Pa)；黏性模量受復(fù)配比例的影響相對(duì)更大一些。