硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的微波法制備工藝及其性能研究*

曾曉漫，劉倍毓，鐘耕，2，彭佳瑩，夏玉紅

1(西南大學食品科學學院，重慶，400716) 2(重慶市魔芋工程技術研究中心，重慶，400715)

硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的微波法制備工藝及其性能研究*

曾曉漫1，劉倍毓1，鐘耕1，2，彭佳瑩1，夏玉紅1

1(西南大學食品科學學院，重慶，400716) 2(重慶市魔芋工程技術研究中心，重慶，400715)

魔 芋葡甘聚糖通過微波加熱引入親水的羧甲基基團及疏水的硬脂酸基團進行復合改性，從而改善其理化性質，擴大其應用范圍。采用單因素試驗研究硬脂酸甲脂及氫氧化鈉的用量、微波反應時間和溫度對硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯取代度的影響，在此基礎上通過四元二次通用旋轉組合設計確定最佳工藝參數并研究所得產物的理化性質。得出最佳改性條件:硬脂酸甲脂用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量5.85% ～6.36%，反應溫度85.9～87.5℃，反應時間10.1～10.4 min條件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能;相比羧甲基魔芋葡甘聚糖，產品的黏度有所提高，抗堿性能力增強，乳化能力提高且穩定，是一種優良的乳化劑。

微 波，硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯，工藝，性能

魔芋(konjac)屬天南星科魔芋屬(Amorphophallus B lume)多年生草本塊莖植物［1］。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，簡稱KGM)是一種從魔芋塊莖中提取的中性雜多糖，其具有吸水、保濕、膠凝、成膜、乳化等性能及降血糖、降血脂、提高免疫力等特殊的生理功能［2］。然而天然KGM固有的一些缺陷限制了其發展，如溶脹速率慢、溶膠透光率低和穩定性差等［3］，因此，對KGM進行適當的改性修飾，可使之適應現代工業的廣泛需要。

田炳壽［4］等人采用非均相酰化法制備了4個系列的長鏈脂肪酸魔芋葡甘聚糖酯(KGME)。研究表明，適宜取代度的KGME具有較強的乳化能力和較好的乳化穩定性能，且表現出良好的抗鹽和抗酸性能，可望成為食品等工業的一種高效能的大分子乳化劑。目前對硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯(SCMK)的相關研究還未見報道，在KGM結構上引入親水的羧甲基基團和疏水的硬脂酸基團，使其具有兩親性，因此復合改性的SCMK可能具備比KGM和CMK(羧甲基魔芋葡甘聚糖)更優越的應用性能。

黃永春［5］等人發現，微波輻射對魔芋葡甘聚糖的極性羥基通過分子偶極作用和分子的高速振動產生熱效應，使得其在低水分含量的條件下即能迅速獲得能量，發生水解或降解。夏玉紅等［6］對CMK的微波干法制備工藝進行了探索，該工藝簡便、能耗低、反應效率高且不污染環境。以上研究使得KGM的化學改性走綠色工藝道路成為可能，因此，本研究采用半干法經微波加熱，在比較溫和的溫度條件下制備硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯得出優化改性條件，并對產品的基本理化性質和結構進行了研究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋粉(符合NY/T494－2002中普通魔芋微粉標準)，由重慶里茂農產品開發有限公司提供。氯乙酸、硬脂酸甲酯(SCRC)、氫氧化鈉、濃鹽酸、無水乙醇、氯化鋰、硝酸銀、酚酞、甲醇、氯化鈉、冰醋酸等試劑除特別注明外均為分析純。

1.2 儀器與設備

SHA-C型往復式水浴恒溫振蕩器，江蘇正基儀器有限公司;HH-4型恒溫水浴鍋，金壇市富華儀器有限公司:MAS-Ⅱ微波反應器，上海新儀微波化學科技有限公司;HANNA 211酸度計，上海雷磁儀器廠;FA1004型電子天平，上海精科天平廠;172F-6020型干燥箱，上海精密實驗儀器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)型循環水真空泵，鄭州市滎陽華盛儀器廠;HL-2021型粉碎機，上海海林電器有限公司;NDJ-5S型數字式粘度計，上海精密儀器有限公司;Spectrum 100紅外光譜分析儀，美國Perkin Elmer公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 硬脂酸-羧甲基葡甘聚糖的制備方法

CMK的制備方法見文獻［6］，經測定其取代度可達0.48，產品的水溶性和溶液穩定性都得到改善。

將一定量CMK和硬脂酸甲酯的甲醇溶液混合均勻后噴入一定量的NaOH溶液，邊噴邊攪拌，充分混勻后，送入微波反應器中，在一定溫度下反應一段時間后，用體積分數50%的乙醇溶液洗去副反應產生的物質和未參與反應的硬脂酸甲酯，并小心滴加醋酸調節pH值到中性，重復洗滌3次后，濾去洗液，將濾餅粉碎進入40℃的鼓風干燥箱中干燥，干燥后的物料經粉碎過40目篩后得到的淡黃色粉末即為SCMK。

1.3.2 硬脂酸-羧甲基葡甘聚糖基團取代度(degree of substitution，DS)的測定［7－8］

準確稱取純凈干燥的SCMK樣品1.000 0 g于250 mL碘量瓶中，加入50 mL去離子水，再加入25 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液，置于搖瓶柜中振蕩50 min;加入2滴酚酞指示劑，用0.01 mol/L的標準HCl滴定至粉紅色剛好消失，記錄消耗的鹽酸體積數V1;同時用CMK做空白實驗:即精確稱取1.000 0 g干燥的CMK樣品，加入25 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液，置于搖瓶柜中振蕩50 min;加入2滴酚酞指示劑，用0.1 mol/L的標準鹽酸滴定至粉紅色剛好消失，記錄消耗的鹽酸體積數V0。

根據下面公式計算硬脂酸基團的取代度(DS)

式中:V0，滴定空白用去的標準鹽酸的體積，mL;V1，滴定樣品用去的標準鹽酸的體積，mL;c，標準鹽酸的摩爾濃度，mol/L;m:樣品的質量，g;162，葡甘聚糖結構單元的摩爾分子量;267，硬脂酸基 CH3(CH2)16CO—的摩爾分子量。

1.3.3 四元二次通用旋轉組合設計確定SCMK最佳改性條件

以取代度為0.48的CMK為原料，分別對硬脂酸甲酯的用量，NaOH的用量、微波反應時間、微波反應溫度對SCMK基團取代度的影響進行單因素試驗。在單因素實驗基礎上采用四元二次通用旋轉組合設計優化工藝參數(見表1)。

表1 SCMK四元二次通用旋轉組合設計因素水平表

1.3.4 SCMK理化性質研究

1.3.4.1 表觀黏度(η)的測定［9］

稱取1.0 g SCMK分散于99 mL蒸餾水中，在60℃水浴條件下溶脹1 h，冷卻至25℃，即配置成1%濃度的SCMK水溶液，然后用NDJ-5型旋轉黏度計在25℃恒溫下測定溶液的表觀黏度。

1.3.4.2 SCMK抗酸堿性能的測定［10］

分別稱取CMK、SCMK樣品，將其各配置成質量分數為 1 % 的 溶液，調節 p H 值為 3 、5、7、9、11，在60℃水浴條件下溶脹1 h，冷卻至室溫(25℃)重新恒定pH值，測定不同pH值條件下溶液的黏度。1.3.4.3 SCMK 乳 化性能的測定方法［11－13］

準確稱取1.000 0 g SCMK于250 mL燒杯中，再加入50 mL水，85℃水浴加熱震蕩50 min，使SCMK充分溶脹，得到溶脹均勻的乳液，趁熱加入緩慢加入10 mL大豆色拉油，邊加邊攪拌，整個過程在2 min內完成，25℃下恒溫，超聲波乳化10 min，形成乳狀液。將此乳狀液轉移至20 mL刻度離心管中，25℃下恒溫放置24 h，記錄乳化層高度和液體總高度，然后將離心管放置48 h，記錄乳化層高度和液體總高度。按下式計算乳化能力EC(emulsion capacity)和乳化穩定性ES(emulsion stability)。

1.3.5 紅外光譜分析

將待測樣品于105℃干燥，冷卻后，采用KBr壓片法，樣品與KBr按質量1∶100比例充分研磨、混勻、壓片后在450～4 000 cm－1區間掃描。

2 結果與分析

2.1 四元二次通用旋轉組合設計確定SCMK最佳改性條件

2.1.1 SCMK四元二次通用旋轉組合設計結果及方差分析

對表2中的實驗數據進行分析，得到各個因素與硬脂酸取代度之間的多元二次回歸方程。

在α=0.05顯著水平下剔除不顯著項后的簡化方程式如下:

表2 SCMK四元二次通用旋轉組合設計方案及結果

對二次回歸方程式(2)進行回歸顯著性檢驗，F2=17.8190 7，P＜0.01達極顯著水平，方程回歸系數R2=0.923 1，表明試驗數據之間的相關性較好;失擬性檢驗F=3.774 83，P＞0.05不顯著，說明試驗設計所選因素正確，該回歸方程無失擬因素存在，回歸模型與實測值能較好地擬合。

正交實驗確定的最佳反應條件為:NaOH添加量為6%，反應溫度85℃，反應時間10 min。

二次回歸方程各系數的方差分析結果表明，SCRC添加量、微波反應時間、微波反應溫度對硬脂酸取代度有極顯著影響(P＜0.01);NaOH的添加量對硬脂酸的取代度有顯著影響(P＜0.05)。由回歸方程的各個系數絕對值的大小可以判定四個因素對SCMK硬脂酸取代度的影響大小順序為:SCRC添加量＞微波作用的時間＞微波作用的溫度＞NaOH的添加量。

2.1.2 工藝參數的優化和模型預測準確性驗證

SCRC用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量在5.85% ～6.36%，反應溫度在85.9～87.5℃，反應時間在10.1～10.4 min條件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能。

對各個參數優化范圍的下限值對模型預測的結果進行實驗驗證，重復5次，其平均值為0.021 4，說明所得的數學模型具有較好的預測能力。

2.2 SCMK理化性質研究

2.2.1 不同樣品黏度和黏度穩定性

由圖1可知，KGM的起始黏度為34 166 mPa·s，而取代度為0.48的CMK的黏度降至了600 mPa·s以下，這可能是由于反應過程中，在堿和醚化劑的作用下，KGM的分子鏈部分斷裂，分子質量減小。SCMK引入硬脂酸基團后，隨著取代度的提高，黏度逐漸增大，這可能是由于硬脂酸基團部分增加了分子鏈的長度。當放置24 h后，KGM的黏度大大降低，48 h變稀，而CMK和SCMK黏度基本穩定。

圖1 SCMK黏度和黏度穩定性變化

2.2.2 SCMK的抗酸堿性能

從圖2可知，溶液pH值的變化影響CMK和SCMK的黏度。CMK在pH值為3～11內變化很大，在酸性環境中黏度降到100(mPa.s)以下，在堿性環境中的黏度比在酸性環境中的黏度要大。而SCMK的黏度在pH值為3～5時大大降低，在pH值7～11內，黏度基本保持穩定。這說明SCMK比CMK的抗堿性增強，而CMK和SCMK均不耐酸。

圖2 SCMK的抗酸性能

2.2.3 不同取代度SCMK的乳化能力和乳化穩定性

由圖3可以看出，硬脂酸的取代度SCMK的乳化能力影響較大，隨著取代度的增加，SCMK的乳化能力和乳化穩定性也隨之增加。當取代度為0.008時，SCMK乳化體系放置48 h后，其乳化層減少較多，而取代度大于0.014的SCMK乳化體系放置48h后仍比較穩定。

圖3 不同取代度SCMK的乳化能力和乳化穩定性

2.3 SCMK的紅外光譜分析

圖4是 K GM、CMK和 S CMK的紅外光譜圖，KGM與CMK的紅外光譜之間顯示了明顯的差異。與KGM相比，CMK的紅外光譜圖上在1 325.38、2 340.20 cm－1處出現了明顯的羧基C＝O和—OH的吸收峰;1 622～1 627 cm－1處為C＝O的吸收峰，而CMK紅外圖譜上此段吸收峰明顯增強，表明羧甲基基團已經連接到KGM分子上。

圖4 SCMK的紅外光譜分析

3 結論

本研究利用微波在比較溫和的條件下采用半干法制備硬酯酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯，微波法制備SCMK的工藝研究判定4個因素對SCMK硬脂酸取代度的影響大小順序為:SCRC添加量＞微波作用的時間 ＞微波作用的溫度 ＞NaOH的添加量。當SCRC用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量在5.85%～6.36%，反應溫度在85.9～87.5℃，反應時間在10.1～10.4 min條件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能。在此條件下產品易溶于水形成穩定的透明溶液，黏度在CMK的基礎上有所提高;產品抗堿不耐酸;其乳化能力增強，且隨取代度及pH值的變化而改變。

對硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的性質研究表明，其溶液保濕性、穩定性、抗堿性、乳化性等性質均比未改性的魔芋葡甘聚糖優良，可望在食品添加劑和環境友好型材料領域得到廣泛應用。

［1］ 汪 超，李斌，謝筆鈞，等.魔芋葡甘聚糖羧甲基化方法改進研究［J］.農業工程學報，2005，21(5):140 －144.

［2］ Z hang Y Q，Xie B J，Gan X.Advance in the applications of konjac glucomannan and its derivatives［J］.Carbohydrate Polymers，2005，60:27 －31.

［3］ 劉 愛紅.魔芋葡甘聚糖及衍生物的應用研究進展［J］.山西化工，2007，27(3):26 －28.

［4］ 田 炳壽，董常明，駱定法，等.長鏈脂肪酸魔芋葡甘聚糖酯的制備及乳化性能研究［J］.高分子學報，1999(3):326－331.

［5］ 黃 永春，謝清若，何仁，等.微波輔助H2O2降解魔芋葡甘聚糖的研究［J］.食品科學，2005，26(8):97 －199.

［6］ 夏 玉紅，律冉，鐘耕，等.微波法制備羧甲基魔芋葡甘聚糖的工藝及產物性能研究［J］.食品科學，2010，14:47－52.

［7］ 史巧.微波法硬脂酸玉米淀粉酯的制備及應用［D］.無錫:江南大學碩士學位論文，2006.

［8］ B iawas A，Shogrenr L，Selling G，et al.Rapid and environmentally friendly preparation of starch esters［J］.Carbohygrate Polymers，2008，13(1):1 －5.

［9］ 李斌，汪超，吳良志.魔芋葡甘聚糖凝膠溶脹一溶解特性研究［J］.食品科技，2003(7):3－6.

［10］ 尉芹，馬希漢，陳本文.幾種改性魔芋葡甘露聚糖的生產工藝度其性能的研究［J］.西北林學院學報，1996，11(1):86－90.

［11］ Yasumatsu K，Sawada，Moritaka S，et al.Whipping and emulsifying properties of soybean products［J］.Agri Biol Chem，1972，36:719 －721.

［12］ 張萬福.食品乳化劑［M］.北京:中國輕工業出版社，1993:292－300.

［13］ Crooks P A，Collett J H，Withington R.The determination of the hydrophile-hydrophobe proton ratio in a series of polyoxyethylene sorbitan esters［J］.Pharmaceutical Acta Helvetiae，1974，49(7):274 －276.

Studies on Stearate-carboxymethyl Konjac Glucomannan Preparation by Microwave Heating and Its Properties

Zeng Xiao-man1，Liu Bei-yu1，Zhong Geng1，2，Peng Jia-ying1，Xia Yu-hong1
1(School of Food Science，Southwest University，Chongqing 400716，China)2(Engineering Technique Research Center of Chongqing for Konjac，Chongqing 400715，China)

In order to improve the physic-chemical properties of Konjac glucomannan and extend its application field，konjac glucomannan was modified with hydrophilic carboxymethyl group and hydrophobic stearate group by microwave .The effects of the amounts of the methyl stearate，sodium hydroxide，microwave reaction time，and the temperature on the degree of substitution(DS)were studied by single factor experiments.Based on these studies，the optimum reaction parameters of preparing SCMK were obtained by revolving orthogonal combinatorial design experiment，and its physical-chemical properties were investigated.The results showed that the amount of the methyl stearate，the amount of the sodium hydroxide，reaction temperature and time were about 14.0% ～14.4%，5.85% ～6.36%，85.9 ～87.5℃ and 10.1 ～10.4min，respectively.The percentage of SCMK with DS value of 0.020 was more than 95%.Compared with the carboxymethyl konjac glucomannan，the viscosity of the SCMK increased，the ability of anti-alkaline and emulsifying capacity and its stability improved.SCMK is a better emulsifier.

microwave，stearate-carboxymethl konjac glucomannan，processing，properties

碩士研究生(鐘耕教授為通訊作者)。

*重慶市自然科學基金項目(CSTC，2009BB1249)資助

2010－10－08，改回日期:2010－11－29