壓力協同溫度控制天然阿拉伯膠的熟化改性研究*

袁朝圣 朱祥 蘇磊 余雪 史倩

（鄭州輕工業學院，河南鄭州450002）

壓力協同溫度控制天然阿拉伯膠的熟化改性研究*

袁朝圣**朱祥 蘇磊 余雪 史倩

（鄭州輕工業學院，河南鄭州450002）

阿拉伯膠由于具有良好的溶解性、穩定性、乳化性等優異性能，被廣泛的應用于生物、醫藥、食品和工業領域。以天然阿拉伯膠為研究對象，分別考察了壓力、溫度和處理時間對阿拉伯膠熟化的影響。結果表明，溫度是阿拉伯膠熟化改性的主要影響因素，溫度越高阿拉伯膠的平均分子量越大，在100℃條件下處理，12 h后平均分子量可達到2.8×107g/mol；超高壓不能改變阿拉伯膠的熟化程度，但是能夠明顯的縮短熟化時間，提高改性效率；紅外光譜檢測結果表明，高壓沒有改變阿拉伯膠組分。試驗結果將為天然阿拉伯膠的改性提供一種新的方法和途徑。

高溫高壓；阿拉伯膠；平均分子量；熟化

阿拉伯膠來源于豆科金合歡樹種（Acacia trees）的粘稠滲出物，經干燥而得。凝膠滲透色譜（GPC）分離阿拉伯膠可以得到3種餾分：阿拉伯半乳聚糖（AG）、阿拉伯半乳聚糖蛋白復合物（AGP）和糖蛋白（GP）。其中AGP能夠在空氣/水或者油/水界面處形成高彈的膜，被認為是阿拉伯膠具有良好表面活性（乳化）的原因。Schmitt等發現在水體系中，阿拉伯膠與β－乳球蛋白的相互作用受兩者質量比、PH值和離子強度的強烈影響。Weinbreck等發現，在該條件下體系相分離速度最快，最終分離出的靜電復合物體積和密度最大。最近，Saphwan等研究發現，“熟化”處理的阿拉伯膠分子量明顯提高，AGP組分含量明顯增加，粘度也大大提高。因此形成的聚集體可以有效提高“熟化”阿拉伯膠的表面活性，進而提高乳化性能。

超高壓處理（High pressure processing，HPP）能夠很好的保持食品原有的色香味，是目前一項公認的具有發展前景的加工技術。本研究以阿拉伯膠為研究對象，通過控制壓強、溫度和加熱時間3個變量，分別對阿拉伯膠在不同條件下進行處理，并對回收的樣品進行分析和檢測，揭示壓力、溫度和加熱時間對阿拉伯膠分子量的影響規律，為阿拉伯膠的改性研究提供一種新的思路和途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

阿拉伯膠，顆粒狀，來源于刺槐，平均分子量約為5.5×105g/mol，西格瑪-奧德里奇公司（Sigma-Aldrich Co.LLC）（中國）。阿拉伯膠在使用前先將固體顆粒中的雜質挑出，倒入適量固體顆粒于研缽中手動研磨成粉末。

高壓設備為自制兩面頂壓機和內徑為20 mm的碳化物硬質合金活塞圓筒模具，如圖1所示。設備最高壓力可達到5 GPa。圓筒的外圍采用纏繞式電阻絲為整個裝置提供加熱，最高可到500℃。壓力是通過活塞上受到的壓力和活塞的直徑計算得到，并忽略了活塞壁與圓筒內壁之間的摩擦力的影響。溫度是采用NiCr-NiSi熱電偶測量由數顯溫度表直接得到，圖中測量點與樣品之間的溫度差在試驗前已經進行了標定。采用waters-1515型凝膠滲透色譜儀（Gel permeation chromatography，GPC）對回收樣品進行分子量的測量；采用DSC進行熱力學參數測量；采用紅外光譜（Bruker，70V）進行結構的表征。

圖1 活塞圓筒模具及樣品組裝方式示意圖

1.2 試驗過程

1.2.1 溫度對阿拉伯膠熟化的影響

將鋁盒（包含樣品）置于活塞圓筒高壓模具中，先將樣品加壓至0.1 MPa，然后加熱至40℃、60℃、80℃、100℃，并在此溫度下保持2 h。為了對比壓力的影響，還進行了250 MPa下的對照試驗。

1.2.2 阿拉伯膠熟化的時間效應

取原始的阿拉伯膠樣品，按照上述步驟將樣品放置好。先將樣品加壓至0.1 MPa，然后升溫至100℃，在此溫度下分別保持4 h、6 h、8 h、10 h、12 h，最后降溫卸壓，取出樣品。同時，在壓力為250 MPa下重復上述試驗過程，獲得高壓下的對照試驗。

1.2.3 壓力對阿拉伯膠熟化的影響

在上述試驗的基礎上，得出阿拉伯膠熟化的溫度、時間條件。采用最優的溫度和時間條件，考察不同壓力條件對阿拉伯膠分子量的影響。按照上述步驟將樣品放置好，然后將樣品分別加壓至預定壓力0.1 MPa、250 MPa、500 MPa、750 MPa、1 000 MPa，并升溫至100℃，在此溫度和壓力下保持12 h，最后降溫，卸壓，取出樣品。

2 結果與討論

2.1 阿拉伯膠的熟化隨溫度變化的曲線

不同溫度和壓力下阿拉伯膠的分子量測試結果見表1。根據表1繪制出阿拉伯膠分子量隨加熱溫度變化的曲線，見圖2。由圖2可知，對于0.1 MPa和250 MPa壓力下處理的樣品，其平均分子量在40℃～80℃的處理范圍內基本保持在5.0×104g/mol～55×104g/mol，當處理溫度達到100℃時，其平均分子量有明顯的變化。這些結果表明，阿拉伯膠的平均分子量對高溫處理比較敏感，特別是溫度為100℃時尤為明顯。另外，0.1 MPa和250 MPa壓力下，平均分子量的變化趨勢相同，且相差不大，表明壓力對平均分子量的影響并不明顯。

表1 不同溫度和壓力條件下阿拉伯膠的平均分子量檢測結果

圖2 不同壓力下阿拉伯膠分子量隨加熱溫度變化的曲線

2.2 阿拉伯膠的熟化隨時間變化的曲線

不同處理時間時阿拉伯膠平均分子量的測量結果見表2。根據表2繪制出處理時間與平均分子量的變化曲線，見圖3。由表2和圖3可知，100℃熱處理時，低壓（0.1MPa）處理樣品和高壓（250MPa）處理樣品的平均分子量均隨熱處理時間的增加而增加；8 h～12 h時平均分子量急劇增大。試驗結果表明，阿拉伯膠的平均分子量具有處理時間效應。另外，對比常壓和高壓處理的樣品的平均分子量，發現相同處理時間下，高壓處理的樣品的平均分子量較高，表明高壓下平均分子量的增加速度更快，高壓能夠縮短熟化時間。

2.3 高壓對阿拉伯膠熟化的影響

在100℃條件下，不同壓力處理12 h后樣品的平均分子量見表3。根據表3繪制處理壓力與平均分子量的變化關系圖，見圖4。由圖4可知，隨壓力的升高，阿拉伯膠的平均分子量沒有明顯變化，0.1 MPa壓力下樣品的平均分子量與1 000 MPa處理壓力下幾乎相等。結果表明，樣品的處理溫度和時間相同時，高壓不能明顯的提高阿拉伯膠的平均分子量。這可能是由于100℃時，阿拉伯膠的平均分子量增加的較快，12 h的處理已經使阿拉伯膠中阿拉伯半乳聚糖蛋白復合物（AGP）達到了平衡。因此，高壓不能提高阿拉伯膠的平均分子量，但是能夠縮短熱處理的時間，提高處理效率。

表2 不同時間和壓力條件下阿拉伯膠的分子量檢測結果

圖3 不同處理時間下阿拉伯膠平均分子量的變化曲線

表3 不同壓力下阿拉伯膠的平均分子量檢測結果

2.4 高壓處理后阿拉伯膠的紅外光譜分析

在100℃條件下，不同壓力下處理樣品12h，高壓處理后樣品的紅外光譜圖見圖5。其中，3423cm-1處吸收峰為阿拉伯膠中多糖上的羥基，2 926 cm-1為阿拉伯膠中的烷基。由圖5可知，高壓處理前后，紅外光譜的峰型和強度基本沒有改變，也沒有其他新峰的出現，表明高壓沒有破壞阿拉伯膠中的化合鍵，改變組成阿拉伯膠的組分。

圖4 不同壓力下阿拉伯膠的平均分子量的變化曲線

圖5 高壓處理后阿拉伯膠的紅外光譜

3 結論

采用控制變量法，初步探索了溫度、壓力和處理時間對阿拉伯膠熟化的改性規律。研究發現，溫度是提高阿拉伯膠平均分子量的主要因素，在100℃條件下處理，12 h后平均分子量可達到2.8×107g/mol；相同溫度和壓力條件下，延長處理時間有利于提高其平均分子量；相對于常壓，高壓不能明顯提高阿拉伯膠的平均分子量，但是高壓能夠縮短相同條件下的處理時間，提高了效率。這些結果為高溫高壓技術研究生物大分子材料的改性提供了新的思路和方法。

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Combined effect of ultra high pressure and temperature on ageing modification of arabic gum*

YUAN Chao-sheng**ZHU Xiang SU Lei YU Xue SHI Qian
（Zhengzhou university of light industry，Henan Zhengzhou450002，China）

Arabic gum has been widely used for its good solubility，stability，and emulsification properties in food，pharmaceutics，biology，and industry fields.The article focused on the native arabic gum and discussed the aging modification of arabic gum induced by temperature，high pressure，and processing time.The research results showed that temperature was the main influence factor for aging modification of arabic gum，and its average molecular weight increased with the temperature increasing.After annealed under 100℃for 12 hours，the average molecular weight of arabic gum could increased to2.8×107g/mol.Furthermore，high pressure could not change the degree of maturation of arabic gum，but could improve efficiency at the ripening process.The results of IR indicated that the covalent bonds between the molecules of arabic gum was not destroyed by high pressure.The research will provide a new approach and method for the modification of arabic gum.

high temperature-high pressure；arabic gum；average molecular weight；ageing

TS255.1

A

1673-6044（2014）04-0024-04

10.3969/j.issn.1673-6044.2014.04.008

河南省教育廳科學技術研究重點項目（12B 140018）。

**袁朝圣，男，1980年出生，2011年畢業于西南交通大學材料學專業，博士，講師。

2014-10-21