向日葵果膠鋅的制備及其結(jié)構(gòu)表征

京晶,劉國強(qiáng),楊凱斌,李寶毅,翟麗軍,白雪麗*

(1.太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系,山西 太原 030008;2.南開大學(xué) 化學(xué)學(xué)院 先進(jìn)能源材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實驗室,天津 300071 )

鋅是維持生命必不可少的一種微量元素,在人體正常細(xì)胞功能和新陳代謝中發(fā)揮著重要作用。鋅元素具有降低血糖水平、促進(jìn)骨骼的生長和形成、提高機(jī)體免疫力等功能[1]。缺乏鋅元素會導(dǎo)致身體生長缺陷、神經(jīng)功能障礙、性腺機(jī)能減退、阻礙骨骼生長等一系列疾病[2]。據(jù)世界衛(wèi)生組織報道,缺鋅是一種普遍存在的現(xiàn)象。人體自身對鋅元素的儲存能力較低,因此通常情況下人類通過外界來獲取鋅元素。然而受經(jīng)濟(jì)水平和飲食文化的影響,無法保證每個人都具有合理的膳食結(jié)構(gòu)。無機(jī)鋅補(bǔ)充劑(硝酸鋅、硫酸鋅、氯化鋅)中鋅的生物利用度低、容易對人體消化道造成刺激;有機(jī)鋅(葡萄糖酸鋅口服液)長期服用會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)且仍對消化道有一定的刺激作用[3]。近年來,多糖鋅因具有穩(wěn)定性高、生物利用率高、副作用較小等特點(diǎn)而被廣泛研究。目前國內(nèi)外研究的多糖鋅有生姜皮多糖鋅[4]、羅耳阿太菌多糖鋅[5]、南瓜皮多糖鋅[6]等。

向日葵是全球重要的油料作物之一,在收獲種子后,向日葵盤被作為垃圾丟棄在田地里或者直接進(jìn)行焚燒,造成環(huán)境污染。而向日葵盤中含有大量的低酯果膠,是一種陰離子多糖,主鏈由α-1,4-半乳糖醛酸組成,側(cè)鏈中含有大量的羥基和羧基[7],與金屬離子具有較強(qiáng)的結(jié)合能力。果膠在食品方面可被用作膠凝劑、添加劑、穩(wěn)定劑[8];在生物醫(yī)學(xué)方面也有很廣泛的應(yīng)用,如:抗氧化劑和治療糖尿病、胃腸疾病、高血壓、癌癥的藥物等[9]。但對于向日葵果膠和微量元素的制備及結(jié)構(gòu)表征的報道較少。

以向日葵果膠和硫酸鋅為原料制備向日葵果膠鋅,通過單因素和響應(yīng)面試驗法確定向日葵果膠鋅的最佳制備工藝,并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的表征,為多功能新型補(bǔ)鐵劑的開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

向日葵果膠,南京鑫越源生物科技有限公司;硫酸鋅、檸檬酸鈉、氫氧化鈉、鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 mg/L),上海阿拉丁試劑有限公司。

BSD-TX27臺式恒溫?fù)u床,上海博迅醫(yī)療生物儀器股份有限公司;LG10-2.4A高速離心機(jī),北京醫(yī)用離心機(jī)廠;DHG-9145A電熱鼓風(fēng)干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;Tensor 27傅里葉紅外光譜儀,瑞士布魯克公司;Bruker D8 Advance X射線衍射儀,瑞士布魯克公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 向日葵果膠鋅的制備工藝

采用硫酸鋅法制備向日葵果膠鋅。在50 mL 10 g/mL向日葵果膠溶液加入0.25 g檸檬酸鈉,再加入一定體積的硫酸鋅溶液混合,設(shè)計不同的反應(yīng)時間、反應(yīng)pH值和反應(yīng)溫度將混合液置于恒溫?fù)u床中進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后,趁熱將溶液放入離心機(jī)進(jìn)行分離(6 000 r/min,10 min),待上清液降到室溫,倒入2倍體積的95%乙醇溶液中進(jìn)行醇沉24 h,將固體放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥24 h,研成粉末,最后得到向日葵果膠鋅粉末。

1.2.2 向日葵果膠鋅的單因素實驗

在反應(yīng)pH值為7,溫度為80 ℃的條件下,考察反應(yīng)時間分別為20,50,80,110 min,對果膠鋅螯合率的影響;在反應(yīng)時間為70 min,溫度為80 ℃的條件下,考察pH值分別為5,6,7,8,9對果膠鋅螯合率的影響;在反應(yīng)時間為70 min,反應(yīng)pH值為7的條件下,考察反應(yīng)溫度為40,60,80,100,120 ℃對果膠鋅螯合率的影響。按“1.2.1”步驟進(jìn)行操作,每組實驗重復(fù)3次。

1.2.3 響應(yīng)面試驗

在單因素實驗的基礎(chǔ)上,采用3因素3水平的響應(yīng)面試驗,以反應(yīng)時間(A)、反應(yīng)pH值(B)、反應(yīng)溫度(C)為影響因素,以螯合率(Y)為響應(yīng)值,用Design 8.0.6軟件,以Box-Behnken設(shè)計響應(yīng)面試驗方案,對向日葵果膠鋅的制備工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計因素及水平見表1。

表1 響應(yīng)面試驗因素水平表

1.2.4 螯合率的計算

將1 000 mg/L的鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液分別稀釋成質(zhì)量濃度為5,10,20,50,100,200,500 μg/L的鋅溶液,用ICP-MS測定,其標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為:y= 254.369 4x+ 196.866 7,R2= 1.000 0。用5%硝酸溶液稀釋上清液,用ICP-MS測定鋅離子的含量,并計算螯合率。

1.2.5 FTIR分析

將樣品粉末與溴化鉀按質(zhì)量比1∶300混合,在研缽中研磨,壓成薄片,用傅里葉紅外光譜儀在波長為4 000～400 cm-1,分辨率為2 cm-1條件下進(jìn)行掃描,并記錄譜圖。

1.2.6 XRD分析

用X射線衍射儀(XRD)對樣品進(jìn)行測定,掃描范圍為5°～80°,掃描速度為5°/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實驗結(jié)果

2.1.1 反應(yīng)時間對螯合率的影響

不同反應(yīng)時間對螯合率的影響如圖1所示。由圖1可知,隨著時間的延長,螯合率先逐漸增大又緩慢下降,當(dāng)?shù)竭_(dá)90 min時達(dá)到最大值。反應(yīng)時間過短果膠與鋅元素反應(yīng)不徹底,導(dǎo)致螯合率下降;反應(yīng)時間過長,可能會出現(xiàn)一些副產(chǎn)物從而使得螯合率下降。因此選擇90 min為響應(yīng)面試驗中心點(diǎn)。

圖1 反應(yīng)時間對螯合率的影響

2.1.2 pH值對螯合率的影響

不同pH值對螯合率的影響如圖2所示。由圖2可知,在pH值5～8范圍內(nèi),螯合率隨pH值呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)pH值=8時,螯合率達(dá)到最大值,當(dāng)pH值>8時,螯合率開始下降,可能是因為在堿性條件下,Zn2+與OH-會生成沉淀,影響反應(yīng)的進(jìn)行使得螯合率下降。因此選擇pH值=8為響應(yīng)面試驗中心點(diǎn)。

圖2 pH值對螯合率的影響

2.1.3 溫度對螯合率的影響

不同反應(yīng)溫度對螯合率的影響如圖3所示。由圖3所知,螯合率隨著溫度的增加先上升后下降,當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時,螯合率達(dá)到最大值,當(dāng)溫度大于100 ℃時螯合率開始降低,可能是因為溫度的升高會促進(jìn)溶液中離子的運(yùn)動,使更多的結(jié)合位點(diǎn)暴露在溶液中,加快螯合的速度,但是溫度過高,溶液中的離子振動劇烈,不利于反應(yīng)的進(jìn)行,導(dǎo)致螯合率又發(fā)生下降。因此選擇100 ℃為響應(yīng)面試驗中心點(diǎn)。

圖3 反應(yīng)溫度對螯合率的影響

2.2 響應(yīng)面試驗結(jié)果

2.2.1 響應(yīng)面模型的建立

在上述單因素實驗優(yōu)化的基礎(chǔ)上,選擇反應(yīng)時間(A)、pH值(B)、溫度(C)為自變量,螯合率(Y)為響應(yīng)值,并用Design-Expert8.0.6軟件進(jìn)行分析,試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2。對實驗結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析,得到的二次回歸方程為:Y=92.52-0.91A-4.92B-1.86C+3.67AB-0.40AC+4.43BC-3.29A2-7.41B2-5.48C2。

表2 響應(yīng)面試驗設(shè)計方案及結(jié)果

表3 回歸模型方差分析表

由表3可知,各因素對螯合率影響的順序為:B(pH值)> C(溫度)>A(時間),其中B達(dá)到極顯著水平;二次項B2和C2均為極顯著,A2為顯著;交互項因素BC為極顯著,AB和AC達(dá)到顯著水平。

2.2.2 響應(yīng)面圖分析

各因素之間相互作用的等高線圖和響應(yīng)面曲線圖見圖4。通過等高線圖和響應(yīng)面圖可直觀地判斷出各交互因素之間對響應(yīng)值的影響程度,交互項因素對響應(yīng)值的影響程度越大,等高線圖趨于橢圓形,響應(yīng)面曲線圖較陡;交互項因素對響應(yīng)值的影響程度越小,等高線圖趨于圓形,響應(yīng)面曲線圖較平緩。由圖4可知,C中等高線圖呈橢圓形,響應(yīng)面曲線圖較陡,因此,BC的交互作用影響最顯著,這與表3分析結(jié)果一致。

圖4 各交互因素對向日葵果膠鋅螯合率的等高線圖和響應(yīng)面曲線圖

2.2.3 響應(yīng)面模型的驗證試驗

由軟件Design 8.0.6預(yù)測得到的最佳工藝參數(shù)為:反應(yīng)時間81.51 min,pH值7.45,溫度92.41 ℃,螯合率為94.41%。為了考慮實際操作方便,選擇反應(yīng)時間85 min,pH值8,溫度95 ℃為制備條件進(jìn)行三次平行驗證實驗,在該條件下得到螯合率為93.8%±0.41%,與預(yù)測值接近,說明該模型可靠。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 紅外光譜分析

圖5為向日葵果膠和向日葵果膠鋅的紅外光譜圖。圖中3 422 cm-1附近為-OH伸縮振動吸收峰,在向日葵果膠鋅圖中-OH吸收峰減弱,2 925 cm-1處為C-H伸縮振動吸收峰,1 757和1 612 cm-1分別為酯基和羧基中的C=O伸縮振動吸收峰,而在向日葵果膠鋅譜圖中1 757 cm-1處的吸收峰明顯消失,有可能是因為果膠中的-OH和C=O與鋅離子發(fā)生了螯合;1 170～988 cm-1為C-O的伸縮振動吸收峰,向日葵果膠鋅與果膠紅外譜圖中相比明顯減弱,復(fù)合物中857 cm-1附近出現(xiàn)新的峰可能是Zn-O彎曲振動吸收峰[10];向日葵果膠鋅在800～400 cm-1峰形與果膠譜圖中比較發(fā)生了明顯的改變,可能是因為果膠和鋅發(fā)生螯合所導(dǎo)致的。這些變化表明已成功制備向日葵果膠鋅。

圖5 向日葵果膠和向日葵果膠鋅的紅外光譜圖

2.3.2 XRD分析

圖6為向日葵果膠和向日葵果膠鋅的XRD譜圖,向日葵果膠鋅在5°～40°處有較多尖銳的衍射峰,表明向日葵果膠鋅呈結(jié)晶型;而向日葵果膠沒有明顯的衍射峰,說明向日葵果膠呈無定型。兩種物質(zhì)在XRD譜圖中這些明顯的變化表明向日葵果膠鋅已被成功制備。

圖6 向日葵果膠和向日葵果膠鋅的XRD圖

3 結(jié)論

1)通過響應(yīng)面實驗結(jié)果可知:單因素對螯合率的影響順序為B(pH值)> C(溫度)>A(時間);交互項因素對螯合率的影響順序為BC>AB>AC。

2)制備向日葵果膠鋅的最佳制備工藝條件為反應(yīng)時間85 min,pH值8,溫度95 ℃;在該條件下向日葵果膠鋅的螯合率為93.8%±0.41%。

3)FTIR、XRD分析結(jié)果表明向日葵果膠鋅中Zn-O鍵的形成且呈結(jié)晶型,證明了向日葵果膠鋅成功制備,為開發(fā)一種新型鋅補(bǔ)充劑提供了理論依據(jù)。