β-甘露聚糖酶降解對魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)、黏度性質(zhì)的影響*

唐曉東

（陜西省安康市農(nóng)業(yè)科學研究院，陜西 安康 725000）

魔芋又名蒟蒻，是一種生長在低緯度、高海拔山區(qū)的多年生草本植物， 在中國僅產(chǎn)于陜南秦巴丘陵地區(qū)和川、渝、鄂、滇、黔等地。 魔芋中的主要活性成分是魔芋葡甘聚糖，又稱魔芋多糖[1]。 成熟的鮮魔芋塊莖中魔芋葡甘聚糖的含量達10%~30%，干魔芋塊莖中魔芋葡甘聚糖的含量則高達55%~60%[2]。 魔芋葡甘聚糖屬于可溶性半纖維素， 因其具有持水、增稠、穩(wěn)定、懸浮、膠凝、成膜等多種獨特的理化性質(zhì)而應用到多種領(lǐng)域。 但是魔芋葡甘聚糖同樣也存在著分子量較大、溶解度低、溶膠穩(wěn)定性差、流動性差等缺點，這些缺點在一定程度上限制了其應用范圍，促使人們對魔芋葡甘聚糖的改性進行深入的研究[3-4]。聚合物的降解是改性的一種結(jié)果， 它可以是化學改性、物理改性或生物改性，也可以是兩種或三種方法結(jié)合的結(jié)果[5]。 目前，最常見魔芋葡甘聚糖降解方法有酶解法、微波或超聲波輔助降解法、機械力作用降解法、輻照降解法或是這些方法的組合[6-7]。

常用于魔芋葡甘聚糖降解的酶有纖維素酶、β-甘露糖酶和葡聚糖酶， 不同種類的酶對魔芋葡甘聚糖的降解條件和效果不同， 本文以魔芋葡甘聚糖為原料， 主要分析研究經(jīng)過β-甘露聚糖酶降解后，魔芋葡甘聚糖的結(jié)構(gòu)、分子量和黏度性質(zhì)變化。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

魔芋葡甘聚糖， 購于陜西省寶雞市康迪特魔芋制品有限公司；經(jīng)β-甘露聚糖酶降解后的魔芋葡甘聚糖，自制；Nicolet iS20 紅外光譜儀，德國Bruker 公司；馬爾文2000 激光粒度分析儀，歐美克儀器有限公司；Waters 1525 液相色譜儀， 美國沃特斯公司；Q2000 差示掃描量熱儀， 美國TA 公司；RVA-Tec-Master 快速黏度分析儀，波通瑞華科學儀器（北京）有限公司；FEIQ45 掃描電鏡，日本日立集團。

1.2 方法

1.2.1 顆粒粒徑測定

樣品處理： 將樣品均勻裝入量杯后加入40~60 mL 水，超聲處理2 min，并適當攪拌使樣品分散均勻，立即倒入進樣池中，當遮光比在8%~15%之間，且綠柱穩(wěn)定即可分析。

測定方法： 將激光粒度分析儀打開預熱0.5 h后，打開軟件和循環(huán)進樣系統(tǒng)。 新建樣品信息參數(shù)，調(diào)節(jié)粒度測試儀器上兩黑色對中旋鈕，使零環(huán)30 以上，一環(huán)20 以下，且零和一環(huán)差距最大。測試完保存文件后，打開循環(huán)進樣系統(tǒng)排放閥放水，并往循環(huán)進樣器加水至光能分布圖全部綠柱消失， 即表明清洗干凈。粒徑分析結(jié)果由軟件自動計算獲得。每個樣品平行測定三次取平均值。

1.2.2 分子量及分子量分布的測定

樣品處理：取2 mg 樣品，加1 mL 水，過0.22μm水相濾膜，備用。

測定方法：凝膠滲透色譜法（GPC）。 儀器：Waters 1525 液相色譜儀， 色譜柱為PL aquagel-OH MIXED 8 μm，300×7.5 mm；檢測器：示差折光檢測器 （RID）。 進樣量50 μL， 流動相為0.05 M 無水Na2SO4水溶液，流速1.0 mL/min，柱溫30 ℃，柱壓3.3 MPa，運行時間20 min。

1.2.3 傅立葉紅外光譜分析（FT-IR）

樣品處理： 將樣品固體粉末加入到KBr 粉末中，碾碎并攪拌均勻，用壓片機將樣品壓成薄片。

測定方法： 將壓好的樣品薄片放置在傅立葉紅外光譜儀中，測定樣品的紅外吸收光譜，掃描的波長范圍為400~4 000 cm-1，測試前需要扣除背景。

1.2.4 黏度的測定

樣品處理：用蒸餾水配制5%（w/w，以干基計）的樣品溶膠28 g，置于快速黏度分析儀（RVA）的專用測量杯中。

測定方法：采用快速黏度分析儀（RVA）測定樣品的黏度性質(zhì)。 測定的具體程序參數(shù)如表1 所示。

1.2.5 掃描電鏡觀察（SEM）

樣品噴金處理： 取少量樣品均勻分散于帶雙面膠的樣品銅臺上，然后進行噴金處理。

測定方法： 掃描時將帶有樣品的銅臺置于掃描電鏡中，觀察顆粒表面形貌，選擇適宜的觀察倍數(shù)，挑取分離的、具有代表性的樣品進行拍攝。

2 結(jié)果與分析

2.1 顆粒粒徑分析

通過激光粒度分析儀的測定， 得到的魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的顆粒粒徑分布情況如圖1 所示，圖中可以看出，經(jīng)過酶降解后魔芋葡甘聚糖的粒徑分布與原魔芋葡甘聚糖基本相同，差異不大。表2 為魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的顆粒粒徑測定結(jié)果，從表中可以看出，魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解之后，顆粒的粒徑范圍分布沒有變化（10~1 000 μm），但是魔芋葡甘聚糖顆粒的平均粒徑減小，這可能與酶降解后，降解產(chǎn)物經(jīng)過攪拌、醇沉、烘干及粉碎等過程有關(guān)。

表1 快速黏度分析儀黏度測定程序參數(shù)

圖1 魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的顆粒粒徑分布

表2 魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的顆粒粒徑測定結(jié)果 μm

2.2 分子量及分子量分布的分析

通過凝膠色譜分析數(shù)據(jù)后可得三個重要參數(shù)依次為：重均分子量（Mw）、數(shù)均分子量（Mn）、多分散性指數(shù)PD。 其中，多分散性指數(shù)（PD）=重均分子量（Mw）與數(shù)均分子量（Mn）之商。 數(shù)均分子量（Mn）是指在化學組成相同但是聚合度不同的同系混合物中，是按照分子數(shù)目不同平均的統(tǒng)計分子量。重均分子量（Mw）是指在化學組成相同但是分子量不同的同系混合物中， 是對分子量不同的分子重量平均的統(tǒng)計平均分子量。 高聚物天然化合物通常是由不同聚合度、不均一分子量的同系化合物組合而成的，其分子量不均一性常用多分散性指數(shù)（PD）來表示。 多分散性指數(shù)（PD）是表示聚合物分子量分布的最簡單的方法，PD 愈大， 表明分子量分布得愈寬， 愈分散；PD 愈小，表明分子量分布得愈窄，愈集中。

通過waters 高效液相色譜儀對魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的樣品進行測定，魔芋葡甘聚糖降解前后分子量的分布情況如圖2 所示， 圖中可以看出， 經(jīng)過酶降解后魔芋葡甘聚糖的分子量分布與原魔芋葡甘聚糖基本相同，差異不大。表3 為魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的分子量測定結(jié)果，從表中可以看出，魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解之后， 重均分子量 （Mw）、 數(shù)均分子量（Mn）和平均分子量（Mz）明顯降低，重均分子量由107 萬，降低到3.94 萬，降低了96.3%，數(shù)均分子量由65.5 萬（CK），降低到1.66 萬，降低了97.5%。

圖2 魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的分子量分布

2.3 傅立葉紅外光譜分析

紅外光譜圖中的每一個吸收峰都代表著分子鏈中相應基團的振動形式， 所以紅外光譜是對聚合物結(jié)構(gòu)解析最常見、最有效方法之一；紅外光譜可分為400~1 300 cm-1和1 300~4 000 cm-1兩個部分，其中400~1 300 cm-1部分為吸收譜帶數(shù)目較多的部分，稱為指紋區(qū)。1 300~4 000 cm-1部分為官能團特征吸收峰出現(xiàn)較多的部分，稱為官能團區(qū)。對于同種官能團而言， 它們在不同的物質(zhì)的紅外光譜圖中具有幾乎相同的特征頻率， 分子鏈其它部分的變化對其特征頻率的改變影響較小。因此，可以根據(jù)紅外光譜圖中吸收峰的位置強弱、 形狀等來確定物質(zhì)官能團結(jié)構(gòu)的變化。

根據(jù)相關(guān)的紅外光譜分析理論， 結(jié)合魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)研究的有關(guān)理論， 對魔芋葡甘聚糖各紅外光譜吸收峰進行歸類分析，結(jié)果如表4 所示：

魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的樣品進行紅外光譜測定結(jié)果如圖3 所示。由圖可知，魔芋葡甘聚糖降解前后的紅外光譜圖曲線幾乎一致，原因是在β-甘露聚糖酶降解過程中沒有新官能團的加入，魔芋葡甘聚糖的骨架沒有改變，但是部分基團的吸收峰值發(fā)生了變化：3 450 cm-1和955 cm-1分別為羥基和β-1,4 糖苷鍵振動吸收峰， 降解后的魔芋葡甘聚糖在這兩點的吸收峰要低于原魔芋葡甘聚糖的吸收峰， 原因是β-甘露聚糖酶的作用位點β-1,4 糖苷鍵，酶解作用引起β-1,4 糖苷鍵的斷裂導致羥基和糖苷鍵數(shù)目減少。

表3 魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的分子量 g/mol

表4 魔芋葡甘聚糖的紅外光譜吸收峰歸屬

圖3 魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的紅外光譜圖

2.4 黏度性質(zhì)分析

通過快速黏度分析儀對魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的樣品進行黏度測定結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，魔芋葡甘聚糖降解前后的黏度曲線是一致的，加熱3 min 左右，黏度迅速上升并很快達到最大，然后黏度緩慢下降，最后隨著溫度的下降黏度再次驟升。 兩者的差異在于，酶解之后，魔芋葡甘聚糖的黏度值明顯降低，在相同的條件下，原葡甘聚糖黏度最大值可達11 800 cP，降解后魔芋葡甘聚糖的黏度最大值是513 cP，黏度降低了95.6%。對于多數(shù)聚合物而言，分子量越小，形成溶液分子間的相互作用就越弱，其黏度就越小；此外，分子鏈的纏繞方式變得簡單，這就是導致黏度減小的原因。

2.5 形貌觀察分析

采用掃描電鏡對魔芋葡甘聚糖酶解前后顆粒的表觀形態(tài)結(jié)構(gòu)做了研究。結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，兩者的顆粒形態(tài)較為一致，均為不規(guī)則橢圓形，表面光滑程度一致，都有一定的凹陷和劃痕，這可能與兩者均經(jīng)過粉粹處理有關(guān)。 相比原魔芋葡甘聚糖， 酶解后魔芋葡甘聚糖的顆粒形態(tài)與大小較為散亂、參差，顆粒明顯減小，這與2.1 顆粒粒徑測定結(jié)果是一致的，可能原因是降解過程中分子鏈斷裂，而魔芋葡甘聚糖顆粒是由大量的分子鏈纏繞構(gòu)成，分子鏈是維持魔芋葡甘聚糖顆粒結(jié)構(gòu)的重要因素。

圖4 魔芋葡甘聚糖經(jīng)β-甘露聚糖酶降解前后的黏度曲線圖

3 結(jié)論與討論

通過凝膠滲透色譜 （GPC）、 傅立葉紅外光譜（FT-IR）、掃描電鏡（SEM）和黏度測定等方法來分析β-甘露聚糖酶降解對魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)和黏度性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，降解后魔芋葡甘聚糖的主鏈骨架沒有明顯變化，但部分基團數(shù)目發(fā)生變化，魔芋葡甘聚糖顆粒變得散亂、參差，顆粒粒徑、分子量均明顯變小，黏度降低了95.6%。 總體而言，β-甘露聚糖酶降解對魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響不大， 但明顯改變了其黏度性質(zhì)。

近年來，為了提高魔芋葡甘聚糖的各種性能，研究人員對魔芋葡甘聚糖的改性做了大量的研究，其分子降解作為一種重要的改性手段，引起了廣泛的關(guān)注，并取得了一些突破性進展[8-9]，但也存在一些問題，如多數(shù)研究僅限于一種方法的降解，沒有研究協(xié)同降解， 所以通常情況降解的效果不是很明顯，且由于降解產(chǎn)物成分很復雜，加大了后期分離、純化難度。 因此，協(xié)同降解方法的探索將成為魔芋葡甘聚糖降解方法探索的一個新方向；魔芋葡甘聚糖的結(jié)構(gòu)是其活性的基礎(chǔ)，因此，結(jié)構(gòu)研究對其活性方面研究有深遠意義，魔芋葡甘聚糖的構(gòu)效關(guān)系研究是一個重要的方向； 在理論研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)一些具有特殊功能的魔芋葡甘 聚糖類產(chǎn)品，將具有重要實際意義。