不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的流變特性

姚 雪，羅學剛，韓本超，賀 攀

（西南科技大學生物質材料教育部工程研究中心，四川 綿陽 621010）

研究開發

不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的流變特性

姚 雪，羅學剛，韓本超，賀 攀

（西南科技大學生物質材料教育部工程研究中心，四川 綿陽 621010）

探討了堿存在下不同分子量魔芋葡甘露低聚糖（KOGM）的流變特性。采用高級旋轉流變儀和凝膠滲透色譜-靜態光散射聯用儀（SEC-MALS）測定魔芋葡甘露低聚糖的分子量、相關分子參數和流變性質。SEC-MALS分析結果表明，隨KOGM分子量的下降，均方根旋轉半徑迅速減小，相對剛性參數β從0.38增加到0.80，即分子鏈由半柔順性鏈向短小的剛性鏈轉變。流變分析結果表明，所形成凝膠的儲能模量G'和耗能模量G''均隨著KOGM相對分子量、KOGM 濃度和堿濃度的增加而增加，損耗因子 tanδ則相應減少，即形成凝膠的彈性和穩定性增加。

魔芋葡甘聚糖；魔芋葡甘露低聚糖；流變特性；動態黏彈性

魔芋是天南星科魔芋屬多年生草本植物，其主要活性成分魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一種水溶性的天然高分子多糖，可廣泛應用于環保、食品、醫藥、化工以及生物領域[1-4]。KGM相對分子質量為200 000～2 000 000，其特性黏度可達1320 mL/g，這是食品工業中使用的黏度最高的多糖之一[5]。分子量和黏度過大、溶解度過小等缺點限制了天然 KGM 的應用，因此，天然KGM 的可控降解即不同分子量的魔芋葡甘露低聚糖的制備和分析已成為研究熱點[5-7]。

魔芋葡甘露低聚糖（konjac oligo-glucomannan，KOGM）是由KGM通過生物酶、酸或輻照等方法降解而得到的分子量低于天然KGM的各種不同分子量的低聚糖。不同分子量 KOGM 的流變特性大不相同，因此對它們的研究有望為KGM的應用領域提供更加理想的原料和添加劑。目前對天然KGM流變特性及凝膠性質的研究較多[8-10]，但對于不同分子量KOGM的研究較少，并且用于研究的KOGM的分子量范圍也是有限的[11-13]。本文通過作者課題組自制的不同分子量的KOGM，系統研究了它們的流變特性，期望為不同分子量 KOGM 的應用提供一定的理論參考。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

魔芋精粉，由四川綿陽安縣都樂魔芋制品有限公司提供，KGM含量≥95%；β-甘露聚糖酶，由四川禾本生物工程有限公司提供，酶活力≥3291 u/g；磷酸氫二鈉、檸檬酸、尿素、無水乙醇，購自成都科隆化工試劑有限公司，分析純。

主要儀器：德國Haake公司的RS6000旋轉流變儀；美國Agilent公司1100/1200高效液相色譜系統與美國Wyatt Technology公司的十八角度靜態激光散射儀聯用。

1.2 不同分子量魔芋葡甘聚糖的制備

將配置好的不同濃度的新鮮酶液1 mL加入到99 mL 不同pH值的緩沖溶液中于不同溫度下在集熱式恒溫加熱攪拌器中保溫10 min；磁力攪拌作用下加入一定量已烘干至恒重的魔芋精粉，于不同的溫度下準確酶解一段時間，取出，煮沸滅酶10 min；4000 r/min離心20 min，取上清液，用無水乙醇沉淀后常溫烘干，研磨過篩得到不同分子量的KOGM粉末。

本研究中主要是通過加酶量、緩沖液pH值、酶解溫度、底物濃度和反應時間這5個因素的控制來得到不同分子量的降解產物。

1.3 SEC-MALS分析

儀器：美國Agilent公司的1100/1200高效液相色譜系統與美國Wyatt Technology公司的十八角度靜態激光散射儀聯用。

測試條件：將未降解的葡甘聚糖與低聚糖粉體配制成 1 mg/mL溶液，色譜柱為 PL aquagel-OH MIXED 8 μm，300 mm×7.5 mm；檢測器為示差折光檢測器（RID）與十八角度靜態光散射激光檢測器（18 angles），激光波長 658 nm；流動相為 0.1 mol/L硝酸鈉溶液，流速1 mL/min，進樣量50 μL，進樣時間15 min，柱溫35 ℃。KGM在0.1 mol/L硝酸鈉溶液中的折光指數增值（dn/dc值）的測定：將1×10－3g/mL的KGM溶液稀釋成濃度為1×10－4g/mL、2×10－4g/mL、4×10－4g/mL、8×10－4g/mL、1×10－3g/mL的稀溶液，依次進樣。測得dn/dc值為1.331 mL/g。

分析軟件：美國 Wyatt Technology公司 Astra軟件。

1.4 流變學性質的測定

采用RS6000旋轉流變儀（德國HAAKE公司）對降解產物的流變性質進行測定，選用C60/1°的錐板，測試溫度為25 ℃，間隙設置為0.052 mm。

2 結果與討論

2.1 天然 KGM和不同分子量 KOGM的SEC-MALS分析

表1為天然KGM和降解后不同分子量KOGM的SEC-MALS分析結果。天然KGM是一種分子量分布較窄的多糖，分散系數D=Mw/Mn值接近1，經過酶降解以后，分子鏈有不同程度的斷裂，因此分散系數仍然會有所增加[6，14-16]。均方根旋轉半徑（Rg）的大小反映了高分子在溶液中的空間尺寸，空間尺寸的大小在一定情況下和高分子的分子量成正比關系。降解后 KOGM 的分子量變小，因此均方根旋轉半徑也變小[17]。構象指數β在 0.3左右時表明高分子鏈卷曲成球狀，在0.5～0.6時表明高分子屬于柔順性鏈，在1左右時表明高分子為棒狀或剛性鏈[18-19]。由表1可知，天然KGM是一種具有一定剛性的半柔順性鏈，到其分子量降低約一半時，構象指數變化不大，即仍維持這種具有一定剛性的半柔順性的分子特征。但當分子量降低到2.854×104時，β值接近1，表明此時葡甘露低聚糖分子鏈呈棒狀或剛性[20-21]，這是由于分子量降低、分子鏈過短而不易發生扭曲纏繞等造成。

2.2 流變曲線

圖 1（a）、圖 1（b）分別給出了不同分子量 KOGM剪切應力、黏度與剪切速率的關系曲線圖，Mw=4.234×105以上的 KOGM 表現出非牛頓流體的特征，剪切開始時，剪切應力隨剪切速率的增大而迅速增加，當增大到一定值時，約20 Pa，增大趨勢減小，并且這種現象隨分子量的增加而表現得更加顯著。這是因為分子本身以及分子鏈之間相互的卷曲、纏結作用，這種作用在處于低速率切變區時，外加的剪切力作用速度緩慢，高分子鏈之間的纏結點在受到外力破壞后能夠立即回復起來，所以黏度仍然會表現得很大；當切變速率增大到一定的臨界值后，鏈纏結點被破壞的速度大于重建的速度，KGM 凝膠結構遭到破壞，黏度開始下降；當體系中大多數分子完成取向后，體系黏度下降到一定值且趨于穩定，即發生了剪切變稀的現象[22-25]。相對分子質量小于4.234×105的KGM的1%水溶液與牛頓流體的特征相似，這是因為 KOGM 分子鏈過短以至于分子鏈間形成的氫鍵少，纏結得不夠牢固，但增大濃度，也能表現出剪切變稀的特征。

表1 SEC-MALS分析結果

圖1 不同分子量KOGM剪切應力、黏度與剪切速率的變化關系

非牛頓流體的剪切應力與剪切速率的關系可由式（1）表示。

式中，K為稠度系數；n為流動指數。

用最小二乘法對數據擬合如表2所示。由表2可知，隨著KGM 分子量的降低，n值逐漸增大并接近1，n與1相差越大，說明流體假塑性越強，反之則接近牛頓流體；此外，隨分子量的降低，稠度系數k也逐漸下降[22]。原因是KGM分子量越大，分子鏈之間形成的氫鍵越多、纏結得越緊，因此表現出越明顯的假塑性。

2.3 KOGM分子量對流變性質的影響

圖 2是不同分子量的魔芋葡甘聚糖的頻率掃描結果。其中，儲能模量G'用來表征材料的彈性特征，代表了材料受到應力發生形變后恢復原樣的的能力；損耗模量G''用來表示材料的黏性特征，描述了材料產生形變時轉變成剪切熱的現象，代表著KGM 抵抗流動的能力；損耗因子 tanδ是耗能模量G''與儲能模量G'之比，能夠用來表示材料彈性的大小。

表2 流變數據擬合表

由圖2可知，隨振蕩頻率的增加，不同分子量的KOGM的G'和G''都逐漸增大，并且分子量越大，G'和G''也越大。這是因為頻率增加，KOGM 分子鏈段在短時間內來不及運動，凝膠體系的應變減小，從而使儲能模量G'增加；損耗模量G''增加的原因可能是由于摩擦和熱損耗在高頻下的增加[11，13，26]。分子量越大的 KOGM 其損耗因子越大，這是因為當分子量增大時，分子之間的纏結程度增大，形成氫鍵數量較多，加強了三維網絡結構的強度，增加了凝膠的黏彈性。因此，在1%濃度下的KOGM溶液，其分子量越高，損耗因子越小，即彈性越大，凝膠性質也越穩定。

2.4 KOGM濃度對流變性能的影響

圖3是KOGM-2（Mw=8.272×105）的頻率掃描結果。由圖可知，KOGM濃度越大，分子鏈排列越緊密，互相穿插并形成氫鍵的可能性越大，其儲能模量G'和耗能模量G''越大，而損耗因子越小，即同等條件下，KOGM濃度越大，所形成的凝膠黏彈性越大。

2.5 堿濃度對不同分子量流變性能的影響

圖2 不同分子量KOGM的頻率掃描圖

圖 4是 1%KOGM-6（Mw=4.234×105）在不同堿濃度下形成凝膠的頻率掃描圖。1% KOGM-6的起始pH值為6.01，加入20 μL Na2CO3（0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L）后pH值分別為9.85、10.02、10.59 和 11.04。堿濃度為 0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L時，所形成凝膠的G'和G''隨堿濃度的增大，損耗因子則減小，即隨堿濃度的增加，形成凝膠的彈性越強。堿濃度2.0 mol/L時所形成的凝膠比堿濃度1.5 mol/L形成的凝膠彈性稍差，應該是由于高pH值環境下，KOGM分子量降低造成的[11]。

2.6 溫度掃描

圖3 不同濃度KOGM-2的頻率掃描圖

圖 5（a）～圖 5（c）是不同分子量 KOGM的損耗因子和G'、G''隨溫度的變化曲線，分子量越大，損耗因子越小，其彈性越大，流動性越大，越接近固體的特征；并且隨溫度升高，損耗因子有所增加，這可能是加熱使 KOGM分子運動能量增加的緣故，導致整個體系的流動性增加。Mw=6.012×105和Mw=4.234×105，隨溫度增加，損耗因子有所上升后又開始下降，是由于溫度升高導致其水分散失，分子量越小水分散失得越厲害，損耗因子也就減少得越多。由此可見，分子量越大，KOGM 持水能力越好，當分子量在9.391×105及其以上時，KOGM可以表現出相當好的持水力；當Mw=4.234×105及其以下時，KOGM的持水力相當差。G'和G''的變化也正好說明了這點。

圖4 1%KOGM-6不同堿濃度下的頻率掃描圖

圖5（d）是不同分子量KOGM的黏度隨溫度的變化曲線，分子量越大，黏度越大；并且隨溫度增加，黏度都有所減小，是因為溫度在小幅的增加，導致分子熱運動能力增加，流動性隨之增加的緣故。Mw=4.234×105的黏度下降后又有所增加也是由于水分散失的緣故。

圖5 不同分子量KOGM的溫度掃描圖

3 結 論

（1）SEC-MALS分析結果表明，通過酶催化降解后得到的產物分子量分散系數有所增加。此外，隨著 KOGM 分子量的降低，均方根旋轉半徑也隨之減小，構象指數β逐漸增大至接近 1，即隨KOGM分子量的降低，其分子鏈所占的空間體積減小，并逐漸從半柔順性鏈過渡到棒狀或具有剛性的分子鏈。

（2）在濃度為1%的不同分子量的KOGM溶液中，當KOGM相對分子質量在4.234×105以上時，隨分子量的增加，溶液的假塑性越強；當KOGM相對分子質量小于 4.234×105時，溶液呈現近似牛頓流體的特征。

（3）流變分析結果表明，儲能模量G'和損耗模量G''都隨著KOGM分子量、KOGM濃度和堿濃度的增加而增加，損耗因子則相應地減小，此時分子鏈之間纏結越緊密，形成氫鍵越多，形成的三維網絡凝膠結構也越穩定。

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Rheological properties of konjac oligo-glucomannan with various molecular weights

YAO Xue，LUO Xuegang，HAN Benchao，HE Pan
（Engineering Research Center of Biomass Materials，Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

Rheological property of konjac oligo-glucomannan（KOGM）with various molecular weights in the presence of alkali（sodium carbonate）was studied by dynamic viscoelastic measurements.Molecular weight and other molecular parameters of KOGM were determined by SEC-MALS. The results show that radius of gyration（Rg）decreases and the relative stiffness parameter（β）increases from 0.38 to 0.80 with the decrease of molecular weight（Mw），which means KOGM chains become short and stiff. The storage shear modulusG' and the loss shear modulusG'' increase and loss factor tanδdecrease with the increasing of KOGMMw，KOGM concentration and alkali concentration，which indicates that the gels get more elastic and stable.

konjac glucomannan；konjac oligo-glucomannan；rheological property；dynamic viscoelasticity

O 636.1

A

1000–6613（2011）11–2495–07

2011-06-21；修改稿日期2011-08-01。

國家“十一五”科技支撐計劃項目（2007BAE42B04）。

姚雪（1986—），女，碩士研究生。聯系人：羅學剛，教授，博士生導師。E-mail lxg@swust.edu.cn。