高酰基結冷膠的溶膠和凝膠特性研究及結構初步分析

孟岳成，盧 晶，江一菲，邱 蓉

(浙江工商大學食品與生物工程學院，浙江 杭州 310035)

結冷膠是繼黃原膠之后開發的新一代微生物多糖，它是在有氧條件下由少動鞘脂單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)產生的。我國于1996年批準其作為食品增稠劑、穩定劑使用[1]。不管在溶膠還是凝膠狀態下，結冷膠都能呈現出優越的流變特性和功能特性。目前，市售商品化結冷膠主要有高酰基結冷膠和低酰基結冷膠兩種，但由于兩者的不同結構導致流變及功能特性上的差異。近20年來，國外對高酰基結冷膠進行了一系列研究，Chandrasekaran等[2]用X射線衍射方法提出了高酰基結冷膠的分子模型，Noda等[3]通過原子力顯微鏡對高酰基結冷膠的凝膠機理進行了探討，Mao等[4]對高低酰基結冷膠復配體系進行了研究，相比之下，國內對高酰基結冷膠的研究尤其是機理方面的研究較少，成堅等[5]研究了濃度、溫度、熱處理溫度、熱處理時間、剪切速率、剪切時間、靜置時間等對結冷膠LT100溶液流變特性的影響。本實驗通過對高酰基結冷膠特性的研究以及結構的初步分析，旨在為高酰基結冷膠在國內食品工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高酰基結冷膠 LT100(HA)、低酰基結冷膠 Kelcogel(LA) 美國 CP Kelco 公司。

氫氧化鈉、鹽酸、酚酞、鹽酸羥胺、三氯化鐵、氯化乙酰膽堿、甲醇、冰乙酸等均為分析純 匯普化工儀器有限公司。

1.2 儀器與設備

90-1型強力磁力攪拌器 杭州儀表電機有限公司；UV2500紫外-可見分光光度計 日本島津公司；傅里葉紅外光譜儀 美國熱電公司；DHZ-C大容量恒溫振蕩器 太倉市實驗設備廠；Bruker 500 AVANCEⅢ 核磁共振波譜儀 瑞士Bruker公司；TA-XT2i 物性儀 英國Stable Micro System公司；Brookfield DV-Ⅱ+Pro旋轉黏度計 Brookfield Engineering Laboratories公司。

1.3 方法

1.3.1 表觀黏度測定

準確稱取一定量的高酰基結冷膠，溶解于70℃蒸餾水中，磁力攪拌器攪拌至完全溶解，室溫冷卻，靜置2h后，一定轉速條件下用2號轉子測定表觀黏度[5]。

1.3.2 凝膠強度測定

準確稱取一定量的高酰基結冷膠，溶解于70℃蒸餾水中，磁力攪拌器攪拌至完全溶解，加入一定質量濃度的鹽離子，混勻，迅速冷卻，靜置2h后，利用質構儀測定凝膠強度[6]。

1.3.3 酰基含量測定

準確稱取一定量樣品于250mL具塞三角瓶中，加水50mL，使樣品溶解，加幾滴酚酞指示劑，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至粉紅色剛好不褪為止；再準確加入25.0mL 0.5mol/L NaOH溶液，經一定溫度和時間振蕩后，用0.3mol/L HCl標準溶液滴定體系中過量的堿直到粉紅色剛好消失，記下所用HCl溶液的體積V1(mL)；另外，用同一種HCl溶液標定0.5mol/L NaOH溶液作空白，記下所耗HCl溶液體積V2(mL)。計算公式[7]如下：

式中：c為HCl溶液的濃度/(mol/L)；m為樣品質量/g。

1.3.4 紅外光譜掃描分析

在紅外燈照下，取lm g完全干燥的高酰基結冷膠，與100～200mg完全干燥的KBr粉末在瑪瑙研缽中研磨均勻，壓片后在400～4000cm-1波數范圍內進行紅外掃描。

1.3.5 核磁共振1H-NMR分析

取樣品7mg溶于1.0mL D2O中，利用Bruker 500 AVANCEⅢ核磁共振儀進行測定。

2 結果與分析

2.1 高酰基結冷膠在低質量濃度下的溶膠特性

2.1.1 膠體質量濃度對溶液表觀黏度的影響

由圖1可知，在質量濃度為0.05～0.08g/100mL時，表觀黏度隨質量濃度增加趨勢較緩，而在質量濃度大于0.08g/100mL時，表觀黏度迅速增加，這可能是由于質量濃度低時，結冷膠分子鏈間的交互作用比較弱，而隨著質量濃度的增加，分子間相互作用加強，因此在轉速不變的情況下測得的表觀黏度迅速增加。

圖1 高酰基結冷膠質量濃度對溶液表觀黏度的影響Fig.1 Effect of HA gellan gum concentration on colloidal viscosity of the solution

2.1.2 轉速對溶液表觀黏度的影響

圖2 轉速對溶液表觀黏度的影響Fig.2 Effect of rotation speed on colloidal viscosity of HA gellan gum solution

由圖2可知，質量濃度為0.1g/100mL的高酰基結冷膠溶液在較低轉速下表觀黏度很高，隨著轉速的增加，表觀黏度呈下降趨勢，由計算機擬合的冪律方程可知該流體具有剪切稀變的性質，呈現假塑性流體的特性。

2.2 高酰基結冷膠在高質量濃度下的凝膠特性

2.2.1 Ca2+質量濃度及高低酰基結冷膠復配對凝膠強度的影響

圖3 Ca2+質量濃度及高低酰基結冷膠復配對凝膠強度的影響Fig.3 Effects of Ca2+ concentration and HA/LA ratio on gel strength of HA/LA mixed gellan gum solution

由圖3可知，隨著Ca2+質量濃度增大，復配膠的凝膠強度增大，當Ca2+質量濃度達到0.04g/100mL之后凝膠強度不再升高。根據結冷膠凝膠理論，這是由于低酰基結冷膠由陽離子誘導形成凝膠，其羧基側鏈由于靜電相互作用而互相排斥，這阻礙了螺旋的緊密聚集，而陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用，一個陽離子連接一對羧基，因此隨著陽離子質量濃度的提高，凝膠強度也隨之提高；但過多的陽離子又會阻礙結冷膠雙螺旋結構的有序聚集，減弱凝膠，所以當質量濃度超過一定限度，又會使凝膠強度下降[8]。

高低酰基結冷膠的比例對復配膠的凝膠強度有較明顯的影響，低酰基結冷膠的含量越高，復配膠體的凝膠強度越大，而增加高酰基結冷膠含量時，復配膠的硬度會相應減小。這是由于高酰基結冷膠酰基的空間位阻作用阻止了雙螺旋鏈間的接近聚合，導致凝膠性質減弱或改變[9]。

圖4 高酰基結冷膠的質量濃度對凝膠強度的影響Fig.4 Effect of HA gellan gum concentration on its gel strength

2.2.2 膠體質量濃度對凝膠強度的影響由圖4可知，凝膠強度隨著質量濃度的增加而增加。高酰基結冷膠凝膠形成是由于其分子鏈之間相互交聯形成空間網絡結構，質量濃度增加使得分子交聯增強，形成的網絡結構越致密，故表現出凝膠強度的增強。

2.3 高酰基結冷膠酰基含量的測定

圖5 高酰基結冷膠酰基含量的測定結果Fig.5 Acyl content of HA gellan gum shaked for different times at different temperatures

由圖5可知，隨著溫度的升高，所測得酰基含量明顯增高，在25℃條件下振蕩60min酰基含量基本沒有增加，而60℃、20min酰基基本脫除。這是由于在常溫條件下，高酰基結冷膠分子鏈長，在空間形成三級或四級網狀結構，多數酰基被包埋其中，使堿不能充分與之作用。高溫條件下，高酰基結冷膠分子一方面由于獲取熱能，加快分子的振動，分子鏈發生伸展，使包埋的酰基暴露出來，增加了反應的概率；另一方面，伸展的長分子鏈被堿作用斷開，形成較短的分子鏈，使更多的酰基暴露出來，進一步促進反應的進行，隨著時間的推移，堿與酰反應充分，從而最終將酰基全部脫除[7]。

2.4 紅外光譜掃描分析

圖6 高酰基結冷膠的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of HA gellan gum

由圖6可知，在3700～3200cm-1處出現一個吸收較強的寬峰，3629.78cm-1和3423.84cm-1為羥基(—OH)的伸縮振動；在3000～2800cm-1范圍出現的2928.25cm-1的吸收峰較弱，為C—H的伸縮振動。這兩組吸收峰是糖的特征吸收峰。1725.74cm-1和1624.39cm-1是—C＝O的吸收峰，表明該結構中含有酰基。

2.5 核磁共振1H-NMR分析

圖7 高酰基結冷膠氫譜譜圖Fig.7 NMR spectrum of HA gellan gum

根據圖7可以分析出：共振頻率對應的化學位移分別為：5.360、3.915、3.797、3.659、3.601、3.363、1.266，δ5.360為糖端基C1質子信號，δ3.915～3.363為糖非端基質子信號，δ1.266為鼠李糖上的甲基。δ5.360表明組成高酰基結冷膠的單糖的異頭碳只有α型存在。

3 結 論

高酰基結冷膠在低質量濃度時呈溶膠狀態，溶膠是假塑性流體，表觀黏度隨膠體濃度增加而增加。質量濃度較高時形成凝膠，凝膠的凝膠強度受離子質量濃度影響顯著。結冷膠具有良好的復配性，高低酰基結冷膠復配可形成硬度不同的結冷膠，通過改變高低酰基結冷膠在復合膠中的比例可以調節復合膠的性質，得到滿足需要的各種復配產品，組織結構可從脆性到黏彈性方面任意調節，這些特性在實際應用中有重大的意義[10]。

紅外光譜掃描和核磁共振技術驗證了高酰基結冷膠中酰基和羥基等特征基團以及高酰基結冷膠線性四糖重復單位中鼠李糖的存在，為今后的進一步研究提供基礎。

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