油茶籽粕多糖超聲輔助鹽酸降解工藝及動力學(xué)的研究

方 芳， 楊 丹， 張 超， 文焱炳， 楊建安

(長沙理工大學(xué)化學(xué)與食品工程學(xué)院1，長沙 410114 ) (貴州省化工研究院2，貴陽 550002)

多糖(Polysaccharide)是一類由不少于10個單糖分子通過糖苷鍵結(jié)合而成的多羥基醛或者酮的高分子聚合物[1]。油茶籽粕是油茶籽經(jīng)機(jī)械榨油后的副產(chǎn)物，其中含有多糖、殘油、茶皂素、蛋白質(zhì)等多種有用物質(zhì)[2]。研究表明，油茶籽粕中含有的油茶籽粕多糖(COP，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～40%)具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗腫瘤、抗菌等多方面的生物活性作用[3]。COP的分子質(zhì)量是影響COP生物活性的關(guān)鍵因素。COP分子質(zhì)量過大，就會導(dǎo)致COP不利于穿過細(xì)胞屏障進(jìn)入生物體內(nèi)，從而影響其在體內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)作用[4]。另外，COP的分子質(zhì)量與COP的溶解度和特性黏度等有重要關(guān)系，溶解度和特性黏度也直接影響COP的生物學(xué)活性和實(shí)際應(yīng)用[5]。

降低COP分子質(zhì)量的主要方法是降解修飾。通過不同方式的降解，可以獲得不同分子大小的多糖，從而導(dǎo)致多糖的理化特性、空間結(jié)構(gòu)和生物活性發(fā)生改變，因此對于改善和提高天然植物多糖的生物活性具有重要意義[6]。目前，COP的降解技術(shù)主要包括化學(xué)、物理降解和酶水解[7]?；瘜W(xué)降解效率高但有環(huán)境污染和復(fù)雜的后處理問題，而且容易水解過度，產(chǎn)率低[8,9]。酶降解法需要使用的各種酶成本較高，從而限制了它的工業(yè)應(yīng)用。物理降解則因其容易控制降解過程和程度，易獲得小分子質(zhì)量產(chǎn)物，易獲得目標(biāo)分子質(zhì)量，且不易引入新雜質(zhì)，不影響其原有的生物活性等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)之一[10,11]。物理降解方法包括超聲、微波、熱處理和伽馬射線等。其中，超聲波降解因?yàn)槠淇焖?、溫和、環(huán)境友好等特點(diǎn)已經(jīng)獲得了相當(dāng)?shù)闹匾暎挥休p微的結(jié)構(gòu)破壞就可提高多糖的生物活性[12,13]。但超聲降解效率低，降解速度慢[14]。作為一種高效可行的COP降解技術(shù)，既要具有顯著的降解效果，還需要具有高效的降解速率[15]。目前多糖的超聲降解研究較少。因此，本研究將超聲降解和化學(xué)降解結(jié)合起來，優(yōu)勢互補(bǔ)，采用超聲輔助鹽酸降解COP，以多糖特性黏度為指標(biāo)，研究超聲功率、鹽酸濃度、多糖濃度、超聲溫度4個主要影響因素對其降解效果的影響，建立COP的降解動力學(xué)模型，并進(jìn)行降解動力學(xué)分析，探究COP降解參數(shù)對降解速率的影響規(guī)律，旨在為油茶籽粕多糖超聲輔助鹽酸降解方法的建立提供支持，并為進(jìn)一步進(jìn)行油茶籽粕多糖構(gòu)效關(guān)系的研究及其在醫(yī)藥保健食品領(lǐng)域中的更廣泛應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油茶籽粕餅、石油醚、氯仿、吡啶、乙醇等其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

SB25-12DTD(600 W)功率可調(diào)加熱型超聲波清洗機(jī)， 85-2型恒溫磁力攪拌器，RE-201D旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀， DZF-6010真空干燥箱。

1.3 方法

1.3.1 COP的制備

油茶籽粕經(jīng)干燥、粉碎、石油醚脫脂，在料液比1∶8(g/mL)、時間2 h、溫度70 ℃的條件下，采用95%乙醇對茶皂素進(jìn)行脫除，離心收集沉淀。將沉淀(脫除茶皂素的粉末)按固液比1∶10加入蒸餾水，在75 ℃攪拌浸提3 h，離心后取上層清液(COP水提液)旋蒸濃縮至原來體積的1/4，用Sevag法除去蛋白并重復(fù)操作8～10次，直到COP溶液和蛋白混合液交界處無白色渾濁，收集上清液即為脫蛋白后的COP溶液，濃縮后加入4倍體積95%乙醇，4 ℃條件下醇沉24 h后再離心，收集沉淀冷凍干燥即得COP。

1.3.2 COP降解工藝實(shí)驗(yàn)

在不同超聲功率(100、150、200、250、400 W) 下，選用不同HCl濃度(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mol/L)，建立不同COP質(zhì)量濃度(1、2、3、4、5 mg/mL)反應(yīng)體系，在溫度分別為20、30、40、50、60 ℃時，超聲30 min(超聲頻率40 kHz)，反應(yīng)結(jié)束后將水解液調(diào)節(jié)pH至中性，以降解后的油茶籽粕多糖(D-COP)的特性黏度為指標(biāo)，考察超聲功率、鹽酸濃度、COP濃度、超聲溫度對COP降解效果的影響。

1.3.3 D-COP特性黏度的測定

在COP溶液中，COP分子的旋轉(zhuǎn)和屈伸會占用大量空間，導(dǎo)致COP分子間碰撞頻率增加，產(chǎn)生的摩擦量也隨之增加，特性黏度也相應(yīng)增加。因此，通過特性黏度的變化可以間接反映COP分子質(zhì)量的降低程度和超聲輔助鹽酸降解的作用效果，且COP溶液的特性黏度與分子質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系，分子質(zhì)量越大，特性黏度越大，分子質(zhì)量越小，特性黏度越小[9]。

D-COP特性黏度計(jì)算公式[5]：

ηr=ts/t0，ηsp=ηr-1

(1)

(2)

式中：ηr為相對黏度；ηsp為增比黏度；ts為樣品測定時間；t0為溶劑測定時間；[η]為特性黏度；C為樣品濃度。

1.3.4 降解動力學(xué)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以超聲功率、鹽酸濃度、COP濃度、超聲溫度為影響因素，建立COP的降解動力學(xué)模型，進(jìn)行降解動力學(xué)分析，探究COP降解參數(shù)對降解速率的影響規(guī)律。

作為一種高效可行的COP降解技術(shù)，既要具有顯著的降解效果，還需要具有高效的降解速率。多糖特性黏度與其分子質(zhì)量大小直接相關(guān)，反映降解技術(shù)對COP的降解效果；降解動力學(xué)分析反映降解技術(shù)的降解速率。兩者綜合分析對研究降解技術(shù)在COP上應(yīng)用的可行性具有重要價值。

超聲輔助鹽酸降解對COP的降解反應(yīng)是使COP分子鏈發(fā)生斷裂，導(dǎo)致COP生成低聚合度的片段。因此，假設(shè)此降解反應(yīng)服從無規(guī)則一級降解反應(yīng)，則根據(jù)聚合度建立降解動力學(xué)模型。則降解反應(yīng)服從方程見式(3)。

(3)

平均分子質(zhì)量與平均聚合度的關(guān)系見式(4)：

(4)

合并式(3)和式(4)得降解動力學(xué)模型，見式 (5)。

(5)

又由于MarkHouwink方程見式 (6)：

(6)

式中：η為絕對黏度；k′為0.059 6；α為0.73。

合并式 (5) 和式 (6) 得降解動力學(xué)模型，見式(7)。

(7)

式中：ηt為降解時間為t時COP絕對黏度；η0為COP原料絕對黏度；k″為不同條件下的動力學(xué)降解常數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件對油茶籽粕多糖降解效果的影響

2.1.1 超聲功率對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

超聲功率對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖1所示。當(dāng)降解時間小于120 min時，D-COP的特性黏度隨降解時間的增加而顯著降低。當(dāng)降解時間在120 min后，D-COP特性黏度的降低速度均趨于緩慢。此外，超聲功率與降解效果呈正相關(guān)關(guān)系，降解效果隨超聲功率的增大而增強(qiáng)。當(dāng)降解時間達(dá)到180 min時，超聲功率為100、150、200、250、400 W的D-COP的特性黏度從755.44 dL/g分別下降到177.52、154.44、120.72、95.03、68.12 dL/g，降解率分別為76.50%、79.56%、84.02%、87.42%、91.00%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是超聲功率越大，降解能量越足，強(qiáng)化了超聲波的空化效應(yīng)，從而增加了斷裂COP化學(xué)鍵的能量，引起降解作用加強(qiáng)，與此同時，空化效應(yīng)的增強(qiáng)也加大了分子基團(tuán)中分子間力的破壞作用，使分子擺脫約束，最終導(dǎo)致COP特性黏度降低。

圖1 超聲功率對COP特性黏度的影響

2.1.2 鹽酸濃度對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

鹽酸濃度對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖2所示。當(dāng)降解時間在30～150 min范圍內(nèi)時，D-COP的特性黏度隨著降解時間的增加而顯著降低。而當(dāng)降解時間達(dá)到150 min及以后時，D-COP的特性黏度的降低速度均趨于緩慢。此外，鹽酸濃度與降解效果呈正相關(guān)關(guān)系，降解效果隨鹽酸濃度的增大而加強(qiáng)。當(dāng)降解時間達(dá)到180 min時，鹽酸濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L的D-COP的特性黏度從755.44 dL/g分別下降到165.84、101.15、86.23、79.56、68.12 dL/g，降解率分別為78.05%、86.61%、88.59%、89.47%、91.00%。

2.1.3 多糖濃度對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

COP濃度對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖3所示。當(dāng)降解時間在30～120 min范圍內(nèi)時，D-COP的特性黏度隨降解時間的增加而顯著降低。當(dāng)降解時間再增加，D-COP的特性黏度的降低趨于穩(wěn)定。此外，COP溶液濃度與降解效果呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)降解時間達(dá)到180 min時，COP質(zhì)量濃度為1、2、3、4、5 mg/mL的D-COP的特性黏度分別從755.44、800.54、807.67、852.34、865.54 dL/g分別下降到68.12、81.54、99.86、111.65、130.66 dL/g，降解率分別為91.00%、89.81%、87.64%、86.90%、84.90%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)超聲功率與鹽酸濃度不變時，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的總能量是恒定的，導(dǎo)致破壞COP糖苷鍵的數(shù)量也是恒定的，當(dāng)COP濃度增加時，單位質(zhì)量的COP溶液中COP的分子增多，其對單位時間內(nèi)產(chǎn)生的能量的消耗量也不斷增加，導(dǎo)致降解效果反而不好。

圖2 鹽酸濃度對COP特性黏度的影響

圖3 COP質(zhì)量濃度對COP特性黏度的影響

圖4 超聲溫度對COP特性黏度的影響

2.1.4 超聲溫度對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

超聲溫度對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖4所示。當(dāng)降解時間在30～120 min范圍內(nèi)時，D-COP的特性黏度隨降解時間的增加而顯著降低。當(dāng)降解時間再增加，D-COP的特性黏度的降低趨于平緩。此外，超聲溫度與降解效果呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)降解時間達(dá)到180 min時，超聲溫度為20、30、40、50、60 ℃的D-COP的特性黏度從755.44 dL/g分別下降到209.56、161.29、112.41、85.74、68.12 dL/g，降解率分別為72.26%、78.65%、85.12%、88.65%、91.00%。造成這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)溫度升高時，單位質(zhì)量的COP溶液中COP的分子變的更活躍，導(dǎo)致反應(yīng)加快，降解效果提升。

2.2 降解動力學(xué)分析

2.2.1 不同超聲功率條件下降解動力學(xué)分析

鹽酸濃度0.5 mol/L，超聲溫度60 ℃，COP濃度1 mg/mL，超聲功率分別為100、150、200、250、400 W為條件，進(jìn)行降解動力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在不同超聲功率條件下，(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化如圖5所示，不同超聲功率條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k"如表1所示。不同超聲功率下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α和時間擬合曲線的R2均大于0.9，具有良好的線性關(guān)系。因此，不同超聲功率下，本降解體系反應(yīng)符合一級動力學(xué)反應(yīng)規(guī)律。由式 (7) 可得動力學(xué)降解常數(shù)k″與多糖降解速率成正比，因此，COP的降解速率隨著超聲功率的增加而不斷升高。

圖5 不同超聲功率條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化

表1 不同超聲功率條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k″

2.2.2 不同鹽酸濃度條件下降解動力學(xué)分析

體系中鹽酸濃度會直接影響降解效果，在COP質(zhì)量濃度1 mg/mL，超聲功率400 W，超聲溫度60 ℃，鹽酸濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L時進(jìn)行降解動力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在不同鹽酸濃度條件下(1/ηt)1/α- (1/η0)1/α隨降解時間的變化如圖6所示，不同鹽酸濃度條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k"如表2所示。不同鹽酸濃度下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α和時間擬合曲線的R2均大于0.9，且具有良好的線性關(guān)系。因此，不同鹽酸濃度下，本降解體系反應(yīng)符合一級動力學(xué)反應(yīng)規(guī)律，COP的降解速率隨鹽酸濃度的增加大而不斷提高。

圖6 不同鹽酸濃度條件下(1/ηt)1/α- (1/η0)1/α隨降解時間的變化

表2 不同鹽酸濃度條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k″

2.2.3 不同多糖濃度條件下降解動力學(xué)分析

以鹽酸濃度0.5 mol/L，超聲功率400 W，超聲溫度60 ℃，COP質(zhì)量濃度分別為1、2、3、4、5 mg/mL為條件，進(jìn)行降解動力學(xué)實(shí)驗(yàn)，不同COP濃度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化見圖7，不同COP濃度條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k"如表3所示。不同COP濃度下(1/ηt)1/α- (1/η0)1/α和降解時間擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，具有良好的線性關(guān)系。因此，不同COP濃度下，本降解體系反應(yīng)符合一級動力學(xué)反應(yīng)規(guī)律。COP的降解速率隨著COP濃度的升高而不斷下降。

圖7 不同COP質(zhì)量濃度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化

表3 不同COP濃度條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k″

2.2.4 不同超聲溫度條件下降解動力學(xué)分析

以COP質(zhì)量濃度1 mg/mL，鹽酸濃度0.5 mol/L，超聲功率400 W，超聲溫度分別為20、30、40、50、60 ℃為條件，進(jìn)行降解動力學(xué)實(shí)驗(yàn)，不同超聲溫度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化見圖8，不同超聲溫度條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k″如表4所示。不同超聲溫度下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α和降解時間擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，具有良好的線性關(guān)系。因此，不同超聲溫度下，本降解體系反應(yīng)符合一級動力學(xué)反應(yīng)規(guī)律，COP的降解速率隨著超聲溫度的升高而不斷升高。

圖8 不同超聲溫度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化

表4 不同超聲溫度條件下的動力學(xué)降解速率常數(shù)k″

2.2.5 降解活化能

COP超聲輔助鹽酸作用下的降解表觀活化能(Ea) 可以通過Arrhenius方程得到式(8)：

lnk= lnA-Ea/RT

(8)

式中：A為Arrhenius常數(shù)；R為氣體常數(shù)，8.314 J/mol K；T為絕對溫度/K。

以表4數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制lnk與1/T之間的關(guān)系曲線，結(jié)合Arrhenius方程，可計(jì)算出超聲輔助鹽酸降解COP反應(yīng)的活化能Ea為49.53 kJ/mol，初步認(rèn)為超聲輔助鹽酸降解方法優(yōu)于酶解法[13]。

3 結(jié)論

超聲輔助鹽酸降解油茶籽粕多糖符合一級動力學(xué)反應(yīng)方程。超聲功率、鹽酸濃度、超聲溫度與多糖的降解效果呈正相關(guān)關(guān)系，降解效果隨超聲功率、鹽酸濃度、超聲溫度的增大而增強(qiáng)；COP溶液濃度與多糖的降解效果呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，降解效果隨COP溶液濃度的增大而減弱。

以動力學(xué)方程為基礎(chǔ)，通過Arrhenius方程，計(jì)算出超聲輔助鹽酸降解COP反應(yīng)的活化能為49.53 kJ/mol。通過動力學(xué)分析及特性黏度的綜合評價表明，超聲輔助鹽酸降解COP是一種高效可行的降解技術(shù)，既有顯著的降解效果，又有高效的降解速率。