乙醇阻溶體積分?jǐn)?shù)對(duì)魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)及性能影響

陳士勇，汪 超,2,*，靳貞亮，周興才，鐘曉玲，宋 娟，姜發(fā)堂,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 .武漢力誠生物科技有限公司，湖北 武漢 430068)

乙醇阻溶體積分?jǐn)?shù)對(duì)魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)及性能影響

陳士勇1，汪 超1,2,*，靳貞亮1，周興才1，鐘曉玲1，宋 娟1，姜發(fā)堂1,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 .武漢力誠生物科技有限公司，湖北 武漢 430068)

運(yùn)用激光粒度儀考察不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下的KGM粒度變化，分析其流變性能差異，并探討阻溶劑乙醇對(duì)KGM結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果顯示：KGM的比表面積隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大，其相對(duì)應(yīng)的中位徑、峰值黏度和溶脹速率隨之降低，反映出乙醇阻溶體積分?jǐn)?shù)影響其性能的變化。SEM、FT-IR及X-ray分析表明高體積分?jǐn)?shù)的乙醇能促使KGM分子鏈之間形成的氫鍵作用加強(qiáng)，局部有序?qū)盈B排列的結(jié)構(gòu)，與其性能大小相印證。

魔芋葡甘聚糖；乙醇溶液；阻溶；結(jié)構(gòu)；性能

魔芋(Amorphallus konjac K.Koch)屬天南星科多年生草本塊莖植物，其主要成分魔芋葡甘聚糖(KGM)是由D-吡喃葡萄糖和D-吡喃甘露糖以1:1.6～1:1.8通過β-(1→4)糖苷鍵連接的多糖[1-2]，每隔19個(gè)糖殘基含有一個(gè)乙酰基團(tuán)[3]。KGM它具有良好的保水、膠凝、增稠和成膜等多種特性，已廣泛應(yīng)用于食品[4-5]、生物醫(yī)藥[6]、化妝及包裝[7]等領(lǐng)域。

多糖的分離純化是研究其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系及生物活性的基礎(chǔ)。目前純化KGM的方法主要有乙醇沉淀[8]、銅絡(luò)合法[9]、改進(jìn)乙醇提取法[10]等多種方法。采用乙醇作為純化KGM的阻溶劑，因其純化條件溫和、無毒、成本低而倍受青睞。然而乙醇體積分?jǐn)?shù)的大小會(huì)致使阻溶液的極性發(fā)生變化，這將影響KGM的結(jié)構(gòu)與性能。目前關(guān)于KGM在不同乙醇體積分?jǐn)?shù)中的結(jié)構(gòu)及性能的研究鮮見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用激光粒度儀考察不同乙醇體積分?jǐn)?shù)下的KGM粒度變化，分析其流變性能差異，并探討阻溶劑乙醇對(duì)KGM結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋微粉(花魔芋，特級(jí)粉)購于上海北連食品有限公司。

無水乙醇(國(guó)產(chǎn)分析純) 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

BT-9300H 激光粒度分布儀 丹東市百特儀器有限公司；NDJ-8S 型旋轉(zhuǎn)數(shù)顯黏度計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；JSM-5610LV 掃描電鏡 日本電子公司；NEXVS傅立葉紅外光譜儀 美國(guó)Nicolet公司；D/MAX HIB X-射線衍射儀 日本理學(xué)株式會(huì)社。

1.3 方法

1.3.1 KGM粉阻溶處理

以不同體積分?jǐn)?shù)乙醇為阻溶劑，參照易春艷等[11]的純化方法阻溶處理制備KGM微粉，改變阻溶劑中乙醇體積分?jǐn)?shù)，并于室溫下電動(dòng)攪拌器攪拌24h以上，經(jīng)鼓風(fēng)干燥獲得乙醇阻溶處理的KGM微粉。

1.3.2 KGM粒度測(cè)定

采用激光粒度分布儀，以不同體積分?jǐn)?shù)乙醇溶液為作為各組實(shí)驗(yàn)背景扣除，然后測(cè)定KGM在不同體積分?jǐn)?shù)乙醇溶液中的中位徑(D50)、比表面積(S)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，并求其平均值。

1.3.3 紅外測(cè)定

準(zhǔn)確稱取純化后的定量KGM，加定量的KBr壓片制樣，采用島津FT-IR紅外光譜儀分析。

1.3.4 掃描電鏡觀察

準(zhǔn)確稱取純化后的K G M粉置于銅臺(tái)噴金(厚度20nm)，真空度為13.3Pa，加速電壓為30kV，觀察其表面微觀形貌。

1.3.5 X-射線

采用廣角衍射儀D/MAX HIB測(cè)試，以無水乙醇固定樣品，測(cè)試條件：C u kα輻射，管壓3 0 k V，管流50mA，掃描速率5°/min，2θ從5～50°掃描范圍，狹縫寬度0.3mm，步長(zhǎng)0.02°，濾波片Ni，溫度20℃，濕度70%。

2 結(jié)果與分析

2.1 KGM的粒徑分布

由圖1可知，KGM的粒度分布總體呈正態(tài)分布。KGM在較低乙醇體積分?jǐn)?shù)30%中的粒度分布相對(duì)較寬，在乙醇體積分?jǐn)?shù)90%時(shí)分布明顯較窄，可見乙醇體積分?jǐn)?shù)的大小直接影響了KGM的粒徑分布。

圖1 KGM粒徑分布圖。Fig.1 Diameter distribution of KGM particles

2.2 KGM中位徑(D50)、比表面積(S)與乙醇體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

圖2 KGM的D50、S與φ乙醇的相關(guān)性Fig.2 Correlation of D50and S with φalcoholof KGM

圖2 顯示了不同體積分?jǐn)?shù)乙醇溶液中KGM的D50與S變化。隨乙醇體積分?jǐn)?shù)提高，D50與S的遞增趨勢(shì)均符合二次多項(xiàng)式變化，且D50由116μm(乙醇體積分?jǐn)?shù)30%)降低至69μm(乙醇體積分?jǐn)?shù)90%)，對(duì)應(yīng)的S由24.26m2/kg增至32.38m2/kg。D50和S產(chǎn)生的顯著變化，可能是低乙醇體積分?jǐn)?shù)體系中KGM與乙醇共同競(jìng)爭(zhēng)水分，使得KGM能獲取少量水分達(dá)到一定程度的潤(rùn)脹；而高體積分?jǐn)?shù)乙醇可有效爭(zhēng)奪水分而致使KGM嚴(yán)重脫水，局部KGM分子之間相互堆砌發(fā)生內(nèi)聚收縮。

2.3 溶脹速率(v)、峰值黏度(ηmax)與乙醇體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性

圖3 KGMηm a x、v與φ乙醇的相關(guān)性Fig.3 Correlation ofηmax and vmax with φalcohol of KGM

經(jīng)不同體積分?jǐn)?shù)乙醇阻溶處理后的KGM在水溶液中溶脹后的ηmax，v與乙醇體積分?jǐn)?shù)的相關(guān)性見圖3。ηmax與v均隨乙醇體積分?jǐn)?shù)梯度升高而呈線性遞減，且乙醇體積分?jǐn)?shù)升至90%時(shí)，ηmax降低了17.89%，v減慢了1.8倍。KGM流變性能的顯著降低，可能是高體積分?jǐn)?shù)乙醇可促使KGM分子鏈進(jìn)行內(nèi)聚收縮而導(dǎo)致其氫鍵相互作用增強(qiáng)，影響了KGM的水合程度和效率。

2.4 FI-IR分析

圖4 KGM的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectrum of KGM

圖4 為經(jīng)不同乙醇體積分?jǐn)?shù)阻溶處理后的KGM紅外光譜圖，圖譜均顯示了3400cm-1附近的多糖-OH吸收峰，1721cm-1的乙酰基團(tuán)特征峰，880cm-1和808cm-1的吡喃葡萄糖與β-D吡喃甘露糖吸收峰[12]。說明阻溶處理并未改變KGM的一級(jí)結(jié)構(gòu)。隨乙醇體積分?jǐn)?shù)提高，-OH振動(dòng)峰明顯增強(qiáng)，這可能是分子間氫鍵相互作用增強(qiáng)的結(jié)果。

2.5 SEM分析

圖5 KGM粉微觀形貌圖(×5000)Fig.5 Micro-morphology of KGM powder (×5000)

圖5 顯示了經(jīng)不同乙醇體積分?jǐn)?shù)阻溶處理后KGM的SEM圖。未經(jīng)阻溶處理的魔芋精粉，其表面結(jié)構(gòu)褶皺較為明顯；30%乙醇體積分?jǐn)?shù)處理可見KGM表面局部形成塌陷，隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增大其表面略顯飽滿平整。這可能是較低乙醇體積分?jǐn)?shù)能促使KGM部分潤(rùn)脹并有效浸出其表層附著的小分子雜質(zhì)，形成局部塌陷；而較高乙醇體積分?jǐn)?shù)可爭(zhēng)奪水分致使KGM脫水，局部KGM分子之間相互堆砌發(fā)生內(nèi)聚收縮。

2.6 X-Ray分析

圖6 KGM粉X射線圖Fig.6 X-ray diffraction patterns of KGM powder

圖6 為經(jīng)不同乙醇體積分?jǐn)?shù)阻溶處理后KGM的X射線圖，4個(gè)圖譜均呈現(xiàn)形狀相似的彌散峰，且隨乙醇體積分?jǐn)?shù)提高，其彌散峰衍射強(qiáng)度略有增強(qiáng)。這可能是高體積分?jǐn)?shù)乙醇可致使KGM分子內(nèi)聚收縮，KGM分子之間氫鍵相互作用增強(qiáng)，而誘導(dǎo)局部形成有序的短程結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

3.1 KGM的比表面積隨乙醇體積分?jǐn)?shù)增加而逐漸增大，其相對(duì)應(yīng)的中位徑、峰值黏度和溶脹速率隨之降低，反映出乙醇阻溶體積分?jǐn)?shù)對(duì)其性能的影響。

3.2 SEM、FT-IR及X-ray分析表明高體積分?jǐn)?shù)的乙醇體積分?jǐn)?shù)能促使KGM分子鏈之間形成氫鍵作用加強(qiáng)，局部有序?qū)盈B排列的結(jié)構(gòu)，與其性能大小相印證。

3.3 高體積分?jǐn)?shù)的乙醇對(duì)于KGM結(jié)構(gòu)深層次的影響尚待進(jìn)一步研究。

[1]NISHINARI K. Konjac glucomannan[J]. Developments in Food Science, 2000, 41: 309-330.

[2]KANAME K, KOHSAKU O, KENICHI H. Constitution of konjac glucomannan: chemical analysis and13C NMR spectroscopy[J]. Carbohydrate Polymers, 2003, 53: 183-189.

[3]郭振楚, 韓永生, 封惠俠, 等. 三種多糖的光譜鑒定、化學(xué)改性及活性[J]. 光譜學(xué)分析, 1999, 19(1):25-27.

[4]OSBURN W N, KEETON J T. Evaluation of low-fat sausage containing desinewed lamb and konjac gel[J]. Meat Science, 2004, 68(2): 221-233.

[5]龐杰, 謝建華, 張甫生, 等. 可食性葡甘聚糖復(fù)合抑菌膜及其應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2004, 20(3): 157-162.

[6]WEN Xian, WANG Ting, WANG Zhiyong, et al. Preparation of konjac glucomannan hydrogels as DNA-controlled release matrix International [J]. Journal of Biological Macromolecules, 2008, 42(3): 256-263.

[7]XU X, LI B, KENNEDY J F, et al. Characterization of konjac glucomannangellan gum blend films and their suitability for release of nisin incorporated therein[J]. Carbohydrate Polymers, 2007, 70(2): 192-197.

[8]唐貴丹, 張偉敏, 鐘耕. 乙醇沉淀法對(duì)魔芋葡甘露聚糖純化研究概況[J]. 中國(guó)食品添加劑, 2007, 18(3): 41-45.

[9]劉廷國(guó), 王洋, 夏俊, 等. 純化方法對(duì)魔芋葡甘聚糖結(jié)構(gòu)及性能的影響[J]. 林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè), 2005, 25(3): 71-75.

[10]陳林, 王志賢, 馬妮. 魔芋葡甘露聚糖的純化及羧甲基化改性研究[J]. 云南民族大學(xué):自然科學(xué), 2005, 14(2): 133-135.

[11]易春艷, 李佳鳳, 余愛農(nóng), 等. 花魔芋葡甘露聚糖的含量測(cè)定[J]. 食品工業(yè)科技, 2006, 27(4): 177-181.

[12]宋純清, 徐任生. 番紅花化學(xué)成分研究: III. 番紅花花粉中的番紅花新苷甲和乙的結(jié)構(gòu)[J]. 化學(xué)學(xué)報(bào), 1991, 49(9): 917-920.

Influence of Alcohol Treatment at Various Concentrations on the Structure and Properties of Konjac Glucomannan

CHEN Shi-yong1，WANG Chao1,2,*，JIN Zhen-liang1，ZHOU Xing-cai1，ZHONG Xiao-ling1，SONG Juan1，JIANG Fa-tang1,2
(1. College of Bioengineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China；2. Wuhan Licheng Biotechnology Co. Ltd., Wuhan 430068, China)

The change of KGM particle size in different alcohol concentration (φalcohol) was detected by using laser particle size analyzer, and the differences in rheological performance as well as the effect of alcohol inhibitor solvent on the structure of KGM were investigated. The results showed that the specific surface area of KGM increased with φalcoho, while the medium diameter, peak viscosity (ηmax) and swelling rate reduced, which implied that the concentration of alcohol inhibitor affects the performance of KGM. SEM, FT-IR and X-ray analysis showed that high concentration of alcohol could promote the hydrogen bonds among the molecules chains of KGM, producing a sequentially overlapped structure in part, which can be evidenced by its performance.

konjac glucomannan；alcohol /solution；solvent resistance；structure；performance

TQ929.2

A

1002-6630(2011)03-0073-03

2010-03-19

武漢市“晨光計(jì)劃”項(xiàng)目(20065004116-52)；湖北省教育廳項(xiàng)目(20063036)

陳士勇(1984—)，男，碩士研究生，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)研究。E-mail：chenshiyong8409@126.com

*通信作者：汪超 (1978—)，男， 副教授，博士，主要從事天然產(chǎn)物化學(xué)研究。E-mail：wangchao5412@163.com