皂莢多糖的普魯蘭酶脫分支改性研究

朱昌玲，雷 鵬，張峰倫，張煥仕

(中華全國供銷合作總社南京野生植物綜合利用研究所，江蘇 南京 211111)

半乳甘露聚糖是工業上有著廣泛用途的植物多糖膠，其水溶液為假塑性流體，大分子在自然狀態下呈纏繞的網狀結構，因而它常被用作增稠劑、穩定劑、乳化劑、黏結劑和調理劑等[1]。半乳甘露聚糖型植物合成系統中酶的專一性及活力、底物的量等因素共同決定了甘露聚糖殘基被取代的概率，因此同種植物的半乳糖和甘露糖的比值保持不變，不同的植物種子有各自固定的比值。半乳甘露聚糖膠分子結構中的糖基比值有差別，其分子的精細結構和水不溶物含量也不同，從而導致不同植物的半乳甘露聚糖膠理化性質有差異[2]，為了達到更理想的理化性質，需要對半乳甘露聚糖進行脫支化改性。半乳糖苷酶和甘露聚糖酶是半乳甘露聚糖改性和水解最常用的酶[1]。盡管半乳甘露聚糖的脫支化能夠通過特異性的半乳糖苷酶實現[3]，但目前半乳糖苷酶生產成本高，不適用于規模化制備脫支半乳甘露聚糖。皂莢(GleditsiasinensisLam.)又名皂莢樹、皂角、豬牙皂等。皂莢樹在我國分布廣，有較好的經濟價值、藥用價值、生態價值、木材價值，同時皂莢也是理想的木本植物多糖膠原料資源[4-8]。目前，國內對皂莢多糖膠的開發力度遠遠不足，其功能化改性的相關研究仍相對較少。本研究以皂莢多糖為原料，考察了普魯蘭酶對皂莢多糖的脫支效應，并研究了改性后皂莢多糖與黃原膠的復配性能，以期為大幅度提升多糖膠資源系列產品附加值和綜合利用效益奠定理論與技術基礎。

1 材料與方法

1.1 主要材料與試劑

皂莢多糖(GSP)、黃原膠，市購；半乳糖、甘露糖，均為AR級，市購；普魯蘭酶(酶活力3 600 U/mL)，諾維信(中國)投資有限公司；其它試劑均為國產分析純或生化試劑。

1.2 主要儀器與設備

TAGEL凝膠強度測定儀，上海保圣生物科技有限公司；6890氣相色譜儀，美國Agilent公司，配帶氫火焰離子化檢測器，CR- 6A數據處理機；FTIR- 650傅里葉變換紅外光譜儀，廣州科曉科學儀器有限公司；ARES流變擴展儀，美國TA公司。

1.3 實驗方法

1.3.1酶催化脫支試驗 配制質量分數1%的GSP溶液，攪拌使其充分水合；按照200 U/g(以GSP的質量計)加入普魯蘭酶，在溫度60 ℃、pH值5.0下進行反應制得改性皂莢多糖(MGSP)。實驗中分別在反應2、 4、 6、 8 h后取樣測定樣品黏度以及甘露糖和半乳糖含量。

1.3.2復配膠的制備方法 按比例稱取一定量的MGSP(普魯蘭酶脫分支改性6 h的樣品)和黃原膠，用蒸餾水配制成質量分數為1%的復配膠液，攪拌均勻后，再放入30 ℃水浴中完全溶解。

1.4 分析方法

1.4.1黏度的測定方法 參照Q/SH 0050—2007壓裂用瓜爾膠和羥丙基瓜爾膠技術要求所述的方法進行測定。具體操作如下：量取300 mL的蒸餾水倒入500 mL的燒杯中，低速啟動攪拌裝置，緩慢加入3.00 g GSP或MGSP(絕干質量)，攪拌至完全溶解，加蓋置于25 ℃水浴鍋中，恒溫2 h，制得1%的GSP或MGSP溶液。將配制好的溶液緩慢攪勻后，用旋轉黏度計測量其黏度。

1.4.2甘露糖、半乳糖的測定方法 用糖腈乙酰酯衍生物氣相色譜法測定單糖[9]。

1.4.3紅外光譜分析 精密稱取1.5 mg樣品粉末與15.0 mg KBr混合研磨均勻，壓片后在傅里葉變換紅外光譜儀上進行紅外光譜測試，掃描波數范圍400～4000 cm-1[10]。

1.4.4流變特性測定方法 采用ARES流變擴展儀測定彈性模量和黏性模量。參數為50 mm平板、平行板間距1.5 mm；根據不同樣品應力掃描結果，以保證所有的測量都在樣品的線性黏彈范圍之內進行[11-12]。

2 結果與討論

2.1 酶處理對皂莢多糖的黏度及半乳糖含量的影響

皂莢多糖(GSP)經普魯蘭酶處理后得到改性皂莢多糖(MGSP)，其黏度和半乳糖含量變化見表1。

表1 普魯蘭酶處理對GSP的黏度及半乳糖含量的影響

由表1可以看出，普魯蘭酶能催化GSP去分支化，降低其多糖分子中的半乳糖含量。隨著酶催化反應時間的延長，GSP的側鏈半乳糖含量逐漸降低，處理6 h以后，普魯蘭酶對GSP的催化效應達到相對飽和，催化反應幾乎不再繼續。GSP中甘露糖與半乳糖的質量比也由2.55 ∶1提高到3.27 ∶1，半乳糖質量分數降低了17%。同時發現，普魯蘭酶不僅降低了GSP中半乳糖的含量，也降低了GSP溶液的黏度。經普魯蘭酶改性6 h后，1%GSP溶液的黏度下降了57.6%。后續實驗選擇普魯蘭酶改性6 h的樣品。

2.2 改性皂莢多糖的紅外光譜分析

a.GSP; b.MGSP圖1 樣品的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectra of samples

GSP、MGSP的FT-IR圖譜見圖1。由圖可以看出，樣品在3430、 2920、 1640、 1380、 1080、 870和810 cm-1附近均有吸收峰，其中，810及870 cm-1處是甘露糖的吸收峰[10,13]，并且MGSP與GSP的特征紅外光譜吸收峰一致，這表明GSP的普魯蘭酶脫分支改性并未改變多糖主鏈的主體結構和糖苷鍵的構型，只是降低了分子鏈中側鏈半乳糖的含量。

2.3 溶液的流變學特性

GSP、MGSP溶液的彈性模量(G′)和黏性模量(G″)見圖2。由圖可知，GSP溶液呈現出了典型的天然高分子的流變學特性：在流變儀的低頻區，溶液的流變學性質主要受黏性模量的主導，而在流變儀的高頻區，溶液則同時受到彈性模量和黏性模量主導。經普魯蘭酶脫分支改性后的MGSP溶液，盡管其分子結構中半乳糖含量降低，但MGSP溶液仍表現出高分子生物聚合物的流變學特性，與GSP溶液的流變學性質相似。以上結果表明：普魯蘭酶處理只是降低了半乳糖的含量，并沒有改變GSP溶液的流變學性質。

圖2 GSP(a)和MGSP(b)溶液的彈性模量和黏性模量

2.4 與黃原膠復配后的流變學特性

將GSP和MGSP分別與黃原膠復配(質量比1 ∶1)，其復配溶液的流變學特性情況見圖3。由圖可知，GSP與黃原膠按照質量1 ∶1復配后，復配膠溶液(1%)在流變儀測試范圍內，隨著轉速增加，復配膠溶液的彈性模量和黏性模量均逐漸增大，不同于復配前GSP溶液在流變儀低頻區受黏性模量主導的特性，復配膠呈現彈性模量始終大于黏性模量的特性，表明復配多糖具有了凝膠特性。MGSP與黃原膠復配膠溶液的彈性模量在測定頻率范圍內也始終大于其黏性模量，不同的是，該復配膠受轉速影響較小，即使在低頻率時，該復配膠就具有較高的彈性模量，甚至比同等轉速下的GSP高出一個數量級。因此，MGSP與黃原膠復配時，呈現出了顯著的協同增效效應；但MGSP自身的彈性模量隨轉速變化不大，這說明復配膠呈現出了一種較高彈性強凝膠的特性[14]。

2.5 不同復合比例對MGSP-黃原膠性能的影響

MGSP與黃原膠按不同質量比進行復配，復合膠性能見表2。

a.GSP-黃原膠GSP-xanthan gum; b.MGSP-黃原膠MGSP-xanthan gum

表2 不同復合比例對MGSP-黃原膠復合膠性能的影響

從表2可以看出，在MGSP與黃原膠復配時，復配比例對復配膠的性能起著至關重要的作用。在不同配比的復配膠中，彈性模量始終大于黏性模量；彈性模量受復配比例影響較為顯著，隨著MGSP質量的增加，復配膠的彈性模量逐漸增大，當MGSP質量分數為復合膠的60%時，復配膠的彈性模量最大，為112.3 Pa；復配膠的黏性模量受復配比例的影響則相對更大一些。據報道，復配膠彈性模量的增加是由于兩種復配高聚物相互作用形成網絡結構的影響[15-16]。

綜上所述，普魯蘭酶改性后的皂莢多糖在與黃原膠復配成凝膠的過程中呈現出了令人滿意的流變學特性。考慮到普魯蘭酶易于制備、價格便宜，因此利用普魯蘭酶改性皂莢多糖，對于推進皂莢多糖膠的商業應用范圍及價值提升、開發新型增稠劑均具有重要的研究意義和經濟意義[15]。

3 結 論

3.1通過普魯蘭酶對皂莢多糖進行去分支化改性，獲得了改性皂莢多糖；酶處理6 h后，改性皂莢多糖含半乳糖為23.4%，黏度為2 110 mPa·s,而皂莢多糖含半乳糖為28.2%，黏度為4 976 mPa·s，可以看出，改性反應不僅降低了皂莢多糖中半乳糖的含量，也降低了皂莢多糖溶液的黏度。

3.2紅外光譜分析表明：皂莢多糖的普魯蘭酶修飾并未改變多糖主鏈的主體結構和糖苷鍵的構型，只是降低了分子鏈中側鏈半乳糖的含量。

3.3普魯蘭酶改性后的皂莢多糖與黃原膠復配時，呈現出了顯著的協同增效效應。另外，復配膠呈現出了一種較高彈性強凝膠的特性。在改性皂莢多糖與黃原膠復配時，復配比例對復配膠的性能起著至關重要的作用。隨著改性皂莢多糖比例增加，復配膠的彈性模量逐漸增大，當m(改性皂莢多糖) ∶m(黃原膠)為6 ∶4時，復配膠的彈性模量最大(112.3 Pa)；黏性模量受復配比例的影響相對更大一些。