葡甘露聚糖微波法磷酸酯化改性研究

李堅斌，陳小云，張 帆，陸登俊，廖文敏

葡甘露聚糖微波法磷酸酯化改性研究

李堅斌，陳小云，張 帆，陸登俊，廖文敏

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 5300 04）

采用Na2HPO4與NaH2PO4質量比為2∶1的混合鹽為酯化劑對葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）進行磷酸酯化改性，以酯化取代度為指標，微波 法改 性的最佳工藝條件為反應溫度60 ℃、微波輻射 時間7 min、pH4.0、磷酸鹽的質量分數30%、微波功率 800 W，獲到酯化取代度為0.055 4的葡甘露聚糖磷酸單酯（konjac glucomannan phosphate，KGMP）。紅外光譜表明，KGM主鏈分子上引入磷酸基團，得到KGMP。電鏡掃描顯示，KGMP顆粒體積大，結構更緊密。

葡甘露聚糖；磷酸酯化；微波改性

葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一種可再生的農業初級產品，也是天然的多糖聚合物，來源穩定豐富，性能優勢明顯，被大量用作工業原材料，廣泛用于食品、醫藥、造紙、紡織等領域[1-2]。由于KGM分子質量大、水溶性差、水溶膠不穩定，尤其是在高溫和冷凍條件下穩定性極差[3]，使其應用受到限制，為了改善其性能，擴大應用范圍，不少人對其進行過化學改性研究[4-11]，但對KGM磷酸改性的研究比較少。

微波作為一種頻率非常高的電磁波，具有高效、節能、清潔等加熱特點，將給酯化反應帶來積極的影響，工藝過程得到簡化，顯著地減少了能耗，環保節能[12-13]。KGM易與磷酸鹽反應生成葡甘露聚糖磷酸酯[14-16]，改性后的產物各項性能都得到了明顯改善，產物質量得到提高，為擴大KGM的應用范圍開辟了新的途徑。本實驗研究KGM的微波法磷酸酯化改性工藝，并對改性前后的產品進行了結構表征，為KGM的進一步開發和應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉（編號NUKON-M，純度95.4%） 北海多環保健品有限公司。

UV-2802H型紫外-可見分光光度計 尤尼柯（上海）儀器有限公司；78HW-1型恒溫磁力攪拌器 杭州儀表電機廠；pHS-3C型酸度計 上海雷磁儀器廠；Nexus470紅外光譜儀 美國HP公司；S-3400N掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司；XH-100A型微波催化合成/萃取儀（控溫） 北京祥鵠科技發展有限公司。

1.2 方法

1.2.1 KGM微波磷酸酯化改性

稱取一定量的KGM，分散于Na2HPO4與NaH2PO4的質量比為2∶1的磷酸鹽水溶液中浸泡，充分攪拌，過濾，濾餅在50℃以下干燥至含水量10%。然后，在微波中進行固相酯化反應，用多次乙醇溶液洗滌后，得到葡甘露聚糖磷酸單酯（konjac glucomannan phosphate，KGMP）。

1.2.2 取代度（degree of substitution，DS）測定

KGMP的磷酸酯化DS的測定主要依據結合磷的含量[17]，結合磷的含量是由總磷減去游離磷的含量得到的。產物總磷含量采用GB/T 12092—1989《淀粉及其衍生物磷總含量測定方法》[18]方法進行測定，游離磷測定是用鹽酸溶解試樣，過濾后取濾液進行鉬酸銨顯色反應，查標準曲線計算得到。DS的計算公式為[18]：

1.2.3 單因素試驗

固定試驗條件，KGM的質量為10.0 g，選取反應溫度（40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0 ℃）、反應時間（1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 h）、pH值（3、4、5、6、7、8、9）、酯化劑用量（以正磷酸鹽與KGM干質量的比表示，分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%）、催化劑用量（與KGM的干質量比分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%）、微波功率（400、500、600、700、800、900、1 000 W）和微波輻射時間（1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0 min）7 個主要影響因素為研究對象，以KGMP的DS為指標，固定其中6個因素的數值不變，考察單一因素對DS的影響。

1.2.4 正交試驗

選擇反應溫度、pH值、磷酸鹽用量、微波功率和微波輻射時間5 個主要影響因素，依據單因素結果列出正交試驗因素水平表，以KGMP的DS為指標，進行L16（45）正交試驗。

1.2.5 紅外光譜

采用KBr壓片法，按比例分別取一定量干燥后的KGM、KGMP粉末，在瑪瑙研缽中，與KBr研磨混合，置于配有ATR附件的傅里葉紅外光譜儀上測試，掃描波數范圍為650～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描累加32次。

1.2.6 電鏡掃描

在紅外燈照射下將干燥后的樣品粉末固定在雙面導電膠上，在真空下對樣品進行離子濺射噴金處理，用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 反應溫度對產物DS的影響

圖 1 反應溫度對DS的影響Fig.1 Effect of reaction temperature on DS

由圖1可知，隨著溫度的升高，DS先增加后降低。因為溫度升高有利于KGM分子間氫鍵的斷裂，使反應正向進行。溫度為60.0 ℃時，DS達到最大。繼續加熱，溶膠開始變稀，產物糊化分解，DS下降。在酯化反應中溫度直接影響著產物的DS，因此，將反應溫度選擇為60.0 ℃。

2.1.2 反應時間對產物DS的影響

圖 2 反應時間對DS的影響Fig.2 Effect of reaction time on DS

由圖2可知，隨著反應時間的延長，DS先增加后降低。當反應時間為3.0 h，DS最大。隨著反應時間的延長，DS下降，因為反應時間較長時，產物會發生糊化褐變，DS下降。酯化反應時間同樣影響著產物的DS，故反應時間控制在2.5～3.0 h較適宜。

2.1.3 pH值對產物DS的影響

圖 3 pH值對DS的影響Fig.3 Effect of pH on DS

由圖3可知，DS隨著pH值的增加先升后降，當pH值較低時，KGM水解為單糖，減弱KGM分子間的相互作用力，有利于酯化反應，故酯化反應在酸性條件下比較穩定。隨著pH值的增大，磷酸鹽的分布和存在形式不同，不利于酯化反應的進行，DS降低。因此，選擇pH值為5.0。

2.1.4 酯化劑用量對產物DS的影響

圖 4 磷酸鹽用量對DS的影響Fig.4 Effect of phosphate dosage on DS

由圖4可知，隨著酯化劑磷酸鹽的增加，DS增大。因為KGM分子的羥基基團是固定不變的，其活性取決于接近羥基的磷酸鹽的量，當酯化劑的加入量達到40%時，產物DS的增加平緩，反應基本趨于平衡。如果繼續增加磷酸鹽的加入量，會使產物中游離磷含量增多，給洗滌過程帶來困難，從而影響產品質量。故反應中磷酸鹽用量為40%～50%合適。

2.1.5 催化劑用量對產物DS的影響

圖 5 尿素用量對DS的影響Fig.5 Effect of urea dosage on DS

由圖5可知，DS隨著尿素用量的增加而增加。當尿素用量達到6%時，產物DS增加緩慢，酯化反應達到飽和。尿素在KGM酯化反應中起到催化作用，能促使KGM分子中的葡萄糖殘基打開氫鍵，游離出羥基，提高了KGM和磷酸鹽間的反應效率[18]。故在酯化反應中，催化劑尿素的適宜用量為6%。

2.1.6 微波功率對微波改性DS的影響

由圖6可知，DS隨微波功率的增加而增大，因為KGM高分子對微波具有吸收作用，微波能量可使分子運動由原來雜亂無章運動變成有序的高頻振動[19]，促進酯化反應正向進行，從而提高了產品的DS。當功率達到800 W時，繼續增大微波功率，DS增加緩慢，反應達到飽和。因此，選擇反應的微波功率為800 W。

圖 6 微波功率對DS的影響Fig.6 Effect of microwave power on DS

2.1.7 微波輻射時間對微波改性DS的影響

圖 7 微波輻射時間對DS的影響Fig.7 Effect of microwave radiate time on DS

由圖7可知，DS隨微波輻射時間的延長先升后降。當微波輻射時間較短時，DS隨輻射時間的延長而增大，因為在酯化反應中，微波輻射屬于“無溫度梯度”的加熱方式[20]，可以提高分子的熱能，降低反應的活化能，加速反應向正方向進行，因此DS增大。當微波輻射時間為7.0 min時，DS達到最大。繼續延長微波輻射時間，DS隨之降低，可能是因為微波輻射時間過長時，會引起KGM自身的降解，不利于反應的進行。因此，選擇微波輻射的時間為7.0 min。

2.2 正交試驗結果

選擇反應時間為3 h，催化劑尿素的用量為6%，結果如表1所示。

由表1和表2可知，微波改性的最優組合A2B3C1D1E3，即反應溫度60 ℃、微波輻射時間7 min、pH 4.0、磷酸鹽用量30%、微波功率800 W；各因素對DS影響的主次順序反應溫度（A）＞微波輻射時間（B）＞微波功率（E）＞pH值（C）＞磷酸鹽用量（D）。按照此最佳工藝條件進行驗證實驗，最終所得的KGMP，DS為0.055 4，由此可以確定制備KGMP的最佳工藝。

表 1 L16（45）微波改性的正交試驗設計及結果Table 1 L16(45) orthogonal array design and experimental results for microwave-assisted modification of KGM

表 2 微波改性方差分析表Table 2 Analysis of variance of microwave-assisted modificationTable 2 Analysis of variance of microwave-assisted modification

2.3 KGMP的紅外光譜表征

圖 8 KGM紅外譜圖Fig.8 Infra-red spectrum of KGM

圖 9 KGMP紅外譜圖Fig.9 Infrared spectrum of KGMP

KGM和在上述最優條件下獲得的KGMP（DS為0.055 4）的紅外光譜圖如圖8、9所示。

由圖8和圖9可知，KGM的紅外光譜圖中3 428 cm-1左右處是羥基的伸縮振動峰，2 887 cm-1左右是C—H伸縮振動吸收峰，1 728 cm-1左右處是羰基C=O伸縮振動峰，說明KGM多糖鏈上存在乙酰基，1 643 cm-1處為KGM多糖分子內氫鍵的吸收峰，1 024 cm-1左右處是C—O的振動吸收峰，876 cm-1左右為甘露糖C2和C4處的C—H變角振動峰，808 cm-1左右是吡喃甘露糖的特征吸收峰[21]。

KGMP的譜圖中保留了876 cm-1和808 cm-1左右的兩個吸收峰，說明改性過程中未改變多糖主鏈的一級結構，2 9 29 cm-1附近的O—H伸縮振動峰消失，說明KGM的羥基發生反應[13]。1 630 cm-1左右的吸收峰加強，是磷酰基P=O的伸縮振動吸收帶[14]，P=O在不同結構的化合物中位置分布很寬，在1 630 cm-1附近出現，說明反應引入了磷酸基團。因此，在酯化反應的過程中，KGM主鏈分子上引入了磷酸基團，得到KGMP。

2.4 KGMP的表面形貌

圖 10 KGM（A）和KGMP（B）的電鏡掃描圖（×5 000）Fig.10 SEM photographs of KGM and KGMP (× 5 000)

由圖10可見，KGM粉末含有大顆粒，表面結構無序、松散；KGMP粉末表面結構比KGM的更緊密、平整、均勻。可能是因為KGM大分子與磷酸基團發生了部分的酯化取代作用，分子內部作用力增大，結合更緊密，從而使分子排列更緊密整齊。

3 結 論

以Na2HPO4和NaH2PO4混合鹽為改性試劑對KGM進行了磷酸酯化改性，通過微波改性獲得了高DS的KGMP粉末。微波法改性反應時間短，顯著地提高了產品的DS，工藝過程得到簡化，大大減少了能耗，具有高效、節能、環保等特點，將給酯化反應帶來積極的影響，微波改性新方法具備非常明顯的優勢。

微波法改性的最佳工藝條件為反應溫度60 ℃、微波輻射時間7 min、pH 4.0、磷酸鹽用量30%、微波功率800 W、催化劑用量6%，獲得酯化DS為0.055 4的KGMP。紅外光譜研究表明，KGM主鏈分子上引入磷酸基團，得到KGMP。電鏡掃描顯示，KGMP結構更緊密。

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Microwave-Assisted Modification of Konjac Glucomannan by Phosphoric Acid Esterification

LI Jianbin, CHEN Xiaoyun, ZHANG Fan, LU Dengjun, LIAO Wenmin
(Institute of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Using a mixture (2:1, by mass) of Na2HPO4and NaH2PO4as the esterifying agent, konjac glucomannan (KGM) was esterified with phosphate. Based on degree of substitution (DS), the optimum conditions for microwave-assisted modification of konjac glucomannan were determined as follows: temperature, 60 ℃； microwave radiation time, 7 min； pH, 4.0； phosphate dosage, 30%, and microwave power, 800 W. Glucomannan phosphate monoester with a degree of substitution of 0.055 4 was acquired. Infrared spectroscopic studies showed that phosphate groups were introduced onto the main chain of the KGM molecules, confirming the formation of KGMP. Scanning electron microscopic (SEM) examination displayed that the particle size of KGMP was bigger and its structure was more compact.

konjac glucomannan； phosphoric acid esterification； microwave-assisted modification

TQ423.24

A

1002-6630（2015）08-0019-05

10.7506/spkx1002-6630-201508004

2014-06-22

國家自然科學基金地區科學基金項目（31160326）；廣西自然科學基金項目（2011GXNSFA018058）

李堅斌（1970—），女，教授，博士，研究方向為糖類物質的生物利用及污染控制。E-mail：lijb0771@126.com