普魯蘭多糖的吸濕、保濕性及其黏度穩定性

孫芳艷，王 萌，王建梓，郝華璇，殷海松，喬長晟，

（1. 工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津 300457；2. 天津北洋百川生物技術有限公司，天津 300457）

普魯蘭多糖的吸濕、保濕性及其黏度穩定性

孫芳艷1，王 萌1，王建梓1，郝華璇2，殷海松1，喬長晟1，2

（1. 工業發酵微生物教育部重點實驗室，天津科技大學生物工程學院，天津 300457；2. 天津北洋百川生物技術有限公司，天津 300457）

通過將普魯蘭多糖與透明質酸以及甘油進行對比，對普魯蘭多糖的吸濕和保濕性能進行了研究，并對其吸濕過程作了初步的動力學分析.同時研究不同黏度普魯蘭多糖的保濕性以及溫度、pH和 Na+濃度對普魯蘭多糖黏度穩定性的影響.結果表明：普魯蘭多糖在相對濕度 81%，時其吸濕、保濕效果與透明質酸不相上下，其吸濕過程符合二級吸附動力學模型，相關系數達到0.99以上；質量濃度為1，mg/mL的普魯蘭多糖（黏度為42.7，mPa·s）保濕性能最佳.普魯蘭多糖黏度受溫度、pH以及離子濃度的影響較小，表明其具有較好的黏度穩定性.因此，這為普魯蘭多糖在食品中作為持水劑、增稠劑和穩定劑以及在化妝品中作為保濕因子提供了一定的理論依據.

普魯蘭多糖；吸濕性；保濕性；黏度穩定性

普魯蘭多糖（pullulan）又名茁霉多糖、普魯蘭糖，是出芽短梗霉（Aureobasidium pullulans）菌株在其生長過程中通過糖發酵途徑合成的一種胞外中性多糖.其分子將麥芽三糖作為基本單位，兩端再以α-1，6-糖苷鍵將其連接，反復聚合形成高分子直鏈多糖，α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵的比例為 2∶1［1］.干燥的普魯蘭多糖是一種易溶于水的白色粉末，溶液無膠凝作用且黏稠穩定.普魯蘭多糖的黏結、成膜以及阻氧性能極佳，且具有易自然降解等獨特的理化和生物學性質，對人體無毒無害，是一種有極大應用開發價值和前景的多功能新型生物制品［2］.

保濕是化妝品不可或缺的功效，皮膚的濕度是保證皮膚年輕化的最基本的條件.透明質酸（HA）是目前自然界中發現的保濕性能最好的物質［3］，被國際化妝品行業公認為最理想的天然保濕因子，但是HA制備方法的局限性使其價格居高不下，難以滿足市場需求，尋找合適的透明質酸替代品一直是研究熱點［4］.此外，多糖物質的黏性對發揮活性功效也會產生很大影響.

目前，普魯蘭多糖作為保濕功效性添加劑在化妝品中的應用研究較淺，本實驗以實驗室提取干燥的普魯蘭多糖為研究對象，以HA、甘油為對照，研究普魯蘭多糖的吸濕、保濕性，進一步研究其吸濕動力學以及黏度穩定性，旨在為低成本生產的普魯蘭多糖在食品工業和化妝品行業的應用提供一定理論依據.

1　材料與方法

1.1原料與試劑

普魯蘭多糖，本實驗室提取所得（Mw=2.0× 105）；透明質酸（HA，化妝品級），山東福瑞達生物化工有限公司；甘油（分析純），湖北化工科技開發公司；其他化學試劑均為分析純.

1.2儀器

101-0 型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；NDJ-1型旋轉式黏度計，北京愛格森自動化有限公司；S21-3型磁力攪拌器，上海司樂儀器有限公司；FG2-FiveGoTM型便攜式 pH計，梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；SHZ-GWX型數顯恒溫振蕩水浴鍋，金壇市國旺實驗儀器廠；FA2104A型電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司.

1.3普魯蘭多糖吸濕、保濕性測定

1.3.1普魯蘭多糖吸濕性的測定

以具有吸濕性的 HA、甘油為對照，測定普魯蘭多糖的吸濕性.將普魯蘭多糖、HA、甘油置于 105，℃烘箱中 3，h，再將樣品移至干燥器中，冷卻至室溫后分別稱取各樣品 1，g于干凈玻璃培養皿中（直徑6，cm），25，℃條件下將培養皿置于相對濕度為81%，（飽和硫酸銨溶液）的干燥器中，每隔 3，h稱量 1次. 每個樣品作3 組平行.按式（1）計算吸濕率.

式中：mt為t小時后培養皿和樣品的質量，g；m0為質量恒定的培養皿和樣品的質量，g；m為樣品質量，g.

1.3.2普魯蘭多糖保濕性的測定

將1.3.1中吸濕24，h后的樣品移至干燥器（裝有硅膠）中進行保濕實驗，每 3，h稱量 1次培養皿的質量，按式（2）計算樣品的保濕率.

式中：m0為質量恒定的培養皿和樣品的質量，g；ma為 a小時后培養皿和樣品的質量，g；mb為放入干燥器前培養皿和樣品的初始質量，g.

1.4不同質量濃度普魯蘭多糖保濕性的測定

采用 NDJ-1型旋轉式黏度計測定普魯蘭多糖溶液不同質量濃度（0.4、0.6、0.8、1.0、1.2，mg/mL）的絕對黏度.25，℃下分別吸取 10，mL不同質量濃度普魯蘭多糖溶液置于質量恒定的敞口玻璃皿中，放入相對濕度為 43%，的密閉干燥器（飽和碳酸鈉溶液）中.每3，h稱 1次玻璃皿質量，每個樣品作 3組平行，計算保濕率.

1.5普魯蘭多糖黏度穩定性

采用NDJ-1型旋轉式黏度計測定普魯蘭多糖溶液的絕對黏度，探究溫度、Na+濃度和pH對普魯蘭多糖黏度的影響［5-6］.

1.5.1溫度對普魯蘭多糖黏度的影響

將 1.0，mg/mL普魯蘭多糖溶液置于水浴鍋中，5～95，℃（每 5，℃為一梯度）水浴 20，min后測溶液的黏度，每個樣品作 3組平行，測定溫度對普魯蘭多糖黏度的影響.

1.5.2pH對普魯蘭多糖黏度的影響

將 1.0，mg/mL普魯蘭多糖溶液 pH分別調節至1、3、5、7、9、11、13，靜置 20，min后測溶液的黏度，每個樣品作3組平行，測定pH對普魯蘭多糖黏度的影響.

1.5.3Na+濃度對普魯蘭多糖黏度的影響

向 40，mL 1.0，mg/mL普魯蘭多糖溶液中分別加入 0.6、1.2、1.8、2.4、3.0，mol/L NaCl溶液 20，mL，混勻，空白組加入 20，mL蒸餾水，靜置 20，min后測溶液的黏度，每個樣品作 3組平行，測定 Na+濃度對普魯蘭多糖黏度的影響.

1.6數據統計分析

采用Origin軟件整理數據，用ANOVA 進行方差分析，結果以“平均值±標準差”表示.

2　結果與分析

2.1普魯蘭多糖的吸濕、保濕性

普魯蘭多糖、HA和甘油的吸濕性，如圖 1所示.在高相對濕度（81%，）環境下，前 12，h，3 種樣品吸濕率都隨放置時間的延長而顯著升高，吸濕快慢順序為甘油＞HA＞普魯蘭多糖；12～15，h，3種樣品吸濕率都有小幅的增大；但是15，h之后，樣品的吸濕率基本達到穩定，其中 HA和普魯蘭多糖的吸濕率相近，甘油則高于二者.

圖1　普魯蘭多糖、HA和甘油的吸濕性Fig.1 Moisture absorbing capacities of pullulan，HA and glycerin

普魯蘭多糖、HA和甘油的保濕性，如圖 2所示.甘油、普魯蘭多糖和HA在干燥環境下的保濕率都隨時間的延長而呈下降趨勢.在前6，h樣品保濕率的下降快慢順序為甘油＞普魯蘭多糖＞HA；在后6，h甘油的保濕率明顯下降，HA和普魯蘭多糖的保濕率趨于平穩，但HA的保濕性略高于普魯蘭多糖.

圖2　普魯蘭多糖、HA和甘油的保濕性Fig.2 Moisture retaining capacities of pullulan，HA and glycerin

影響高分子物質吸濕、保濕性能的根本原因在于其物質結構中親水基團的數量及其親水性的強弱.由圖1、2可知，甘油作為傳統保濕劑表現出較好的吸濕性、保濕性，但保濕性卻明顯低于普魯蘭多糖和 HA.這可能是由于甘油分子中雖然存在大量羥基導致其吸濕性能很強，但與水形成的氫鍵結合力較弱，水分子容易離去導致其保濕性能較差.

普魯蘭多糖和 HA這兩種生物多糖由于分子質量較大且都含有親水基團使其具有吸濕、保濕特性.在吸濕、保濕性能方面普魯蘭多糖與 HA相近，但普魯蘭多糖的價格卻只有HA的10%，，因此，完全可以作為HA的替代品，應用于保濕化妝品行業.

2.2普魯蘭多糖的吸濕動力學

由圖 1 可以看出，初始階段時普魯蘭多糖、HA和甘油的吸水速率較快，9，h后吸水速率逐漸變慢，15，h 時基本達到平衡，為了進一步了解這 3種樣品的吸濕性能，分別采用一級和二級吸附動力學方程來擬合吸濕實驗.

一級吸附的動力學方程式［7］

式中：qe為達到吸附平衡時的吸水量，mg/g；q為時間t時的吸水量，mg/g；k1為一級速率常數，min-1；t為時間，min.一級動力學擬合得到的結果見圖 3 和表1.

圖3　普魯蘭多糖、HA和甘油的一級擬合曲線Fig.3　Moisture absorption kinetic curve of first-order model of pullulan，HA and glycerin

表1　一級吸附動力學模型的吸附速率常數Tab.1 Adsorption constant of first-order model

由表1可知，qe/exp和qe/cal之間差距較大，說明普魯蘭多糖、HA和甘油對水分的吸收不符合一級吸附動力學.現轉用二級吸附動力學模擬，二級吸附動力學方程式［8］

式中：qe為達到吸附平衡時的吸水量，mg/g；q為時間t 時的吸水量，mg/g；k2為二級速率常數，min-1.二級動力學擬合得到的結果見圖4和表2.

由表2可知，用二級吸附動力學擬合后曲線的相關系數都高于 0.99，且 qe/exp和 qe/cal更為接近，這說明用二級動力學模型擬合普魯蘭多糖、甘油和HA的吸濕過程更準確，表明是化學作用在控制它們的吸濕過程.普魯蘭多糖（相對濕度81%，）的吸附方程式為

式中：t為時間，min；q為時間t時的吸水量，mg/g.

圖4　普魯蘭多糖、HA和甘油的二級擬合曲線Fig.4 Moisture absorption kinetic curve of second-order model of pullulan，HA and glycerin

表2　二級吸附動力學模型的吸附速率常數Tab.2 Adsorption constant of second-order model

2.3不同質量濃度普魯蘭多糖的保濕性

普魯蘭多糖質量濃度與黏度的關系如圖 5所示.普魯蘭多糖的黏度與質量濃度呈線性正相關.這可能是由于普魯蘭多糖分子之間的交聯度以及聚合度隨著質量濃度的增大而增大，從而提高了多糖溶液的黏度.

圖5　普魯蘭多糖質量濃度與黏度的關系Fig.5 Effects of pullulan concentration on viscosity

不同黏度普魯蘭多糖的保濕率結果見表3.由表3可知：同一黏度普魯蘭多糖隨時間延長，保濕率逐漸減小.當普魯蘭多糖放置 3，h，不同黏度普魯蘭多糖保濕率幾乎相同；放置 6，h后，不同黏度普魯蘭多糖保濕率差異明顯.低黏度普魯蘭多糖保濕率降低速率大于高黏度普魯蘭多糖，且當溶液的黏度為42.7，mPa·s，即質量濃度為 1，mg/mL時，普魯蘭多糖保濕率不隨質量濃度的增加而變化，保濕率幾乎不變，說明普魯蘭多糖的最佳保濕黏度為 42.7，mPa·s，即質量濃度為1，mg/mL.這可能是由于隨普魯蘭多糖質量濃度的增加，普魯蘭多糖溶液中的羥基也在不斷增多，普魯蘭多糖與溶液中水分子形成氫鍵增多，持水能力增強，保濕性增強.

表3　不同黏度普魯蘭多糖的保濕率Tab.3 Moisture retaining capacity of pullulan with different viscosities

2.4普魯蘭多糖黏度穩定性

2.4.1溫度對普魯蘭多糖黏度的影響

溫度對普魯蘭多糖溶液黏度的影響如圖 6所示.普魯蘭多糖溶液的黏度幾乎不受溫度變化的影響，黏度變化范圍小于 4，mPa·s.當溫度低于室溫時黏度有所波動，但是在高溫環境下黏度幾乎不受影響，這說明普魯蘭多糖溶液黏度具有較好的熱穩定性.這可能是由于普魯蘭多糖本身呈線性結構導致其黏度比其他多糖低很多，熱作用未對其結構產生影響，因此黏度的穩定性較高.

2.4.2pH對普魯蘭多糖黏度的影響

pH對普魯蘭多糖溶液黏度的影響如圖 7所示.由圖7可知：普魯蘭多糖溶液黏度在pH 3～11范圍內穩定性較高；當pH＜3或pH＞11時，溶液黏度迅速下降.這可能是由于在pH＜3或pH＞11環境下，大量的 H+和 OH-會破壞普魯蘭多糖的結構，使多糖的聚合度降低，進一步減小多糖溶液的黏度.

圖6　溫度對普魯蘭多糖溶液黏度的影響Fig.6 Effects of temperature on pullulan viscosity stability

圖7　pH對普魯蘭多糖溶液黏度的影響Fig.7 Effects of pH on pullulan viscosity stability

2.4.3Na+濃度對普魯蘭多糖黏度的影響

離子濃度對普魯蘭多糖溶液黏度的影響如圖 8所示.由圖 8可知，Na+的濃度并不影響普魯蘭多糖溶液的黏度，說明即使在電解質溶液中普魯蘭多糖也表現出較好的黏度穩定性.因此當普魯蘭多糖用作食品添加劑時其效果不會因鹽分的存在而發生變化.

圖 8 離子濃度對普魯蘭多糖溶液黏度的影響Fig.8 Effects of ion concentration on pullulan viscosity stability

3　結 論

普魯蘭多糖的吸濕、保濕性能和 HA相近，可作為HA的替代品用于化妝品中；甘油表現出較好的吸濕性能，但保濕效果卻不理想.用二級動力學模型擬合普魯蘭多糖、甘油和HA的吸濕過程曲線的相關系數均高于0.99，表明是化學作用在控制樣品的吸濕過程.質量濃度為 1，mg/mL的普魯蘭多糖（黏度為42.7，mPa·s）保濕性能最佳.普魯蘭多糖溶液黏度受溫度、離子濃度的影響較小，表現出很好的黏度穩定性，并且在較廣pH范圍（pH 3～11）內黏度較穩定.因此，這為普魯蘭多糖在食品中作為持水劑、增稠劑和穩定劑以及在化妝品中作為保濕因子提供了一定的理論依據.

［1］ Mishra B，Vuppu S，Rath K. The role of microbial pullulan，a biopolymer in pharmaceutical approaches：A review［J］. Journal of Applied Pharmaceutical Science，2011，1（6）：45-50.

［2］ Prajapati V D，Jani G K，Khanda S M. Pullulan：An exopolysaccharide and its various applications［J］. Carbohydrate Polymers，2013，95（1）：540-549.

［3］ 崔媛，段潛，李艷輝. 透明質酸的研究進展［J］. 長春理工大學學報：自然科學版，2011，34（3）：101-106.

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［7］ 汪劍煒，畢丹霞，楊柳林，等. 透明質酸與兩種甲殼素類新保濕劑的吸濕/保濕動力學［J］. 商丘師范學院學報，2007，23（3）：13-17.

［8］ Ho Y S，Mckay G. Pseudo-second order model for sorption processes［J］. Process Biochemistry，1999，34（5）：451-465.

責任編輯：郎婧

Viscosity Stability and Moisturizing Performance of Pullulan

SUN Fangyan1，WANG Meng1，WANG Jianzi1，HAO Huaxuan2，YIN Haisong1，QIAO Changsheng1，2
（1.Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology，Ministry of Education，College of Biotechnology，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China；2.Tianjin Peiyang Biotrans Co.，Ltd.，Tianjin 300457，China）

By comparing hyaluronic acid and glycerin，the moisture absorbing and retaining capacities of pullulan were investigated.Kinetic analysis of moisture absorption process of pullulan was carried out.In addition，the moisture retaining capacity of pullulan with different viscosity and the effects of temperature，pH and Na+concentration on the viscosity stability of pullulan were examined.Under atmospheric condition of RH 81%，，the moisture absorbing and retaining capacities of pullulan were similar to those of hyaluronic acid，and its moisture absorption process meets the mode of second-order adsorption kinetic equation with correlation coefficient higher than 0.99.The optimal concentration for moisture retention was 1，mg/mL（42.7，mPa·s）.The viscosity of pullulan has good stability to temperature，pH and ion concentration.This research has provided a theoretical basis for using pullulan as a water-absorbing agent，thickener and stabilizer in food，as well as a moisturizer factor in cosmetics.

pullulan；moisture absorbing capacity；moisture retaining capacity；viscosity stability

O636

A

1672-6510（2016）04-0020-05

10.13364/j.issn.1672-6510.20150165

2015-10-16；

2015-11-23

天津市科技支撐計劃資助項目（14ZCZDTG00025）

孫芳艷（1992—），女，甘肅人，碩士研究生；通信作者：喬長晟，教授，qiaochangsheng@tust.edu.cn.