葡甘露聚糖微波法磷酸酯化改性研究

李堅(jiān)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(jiān)斌，陳小云，張 帆，陸登俊，廖文敏

（廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西 南寧 5300 04）

采用Na2HPO4與NaH2PO4質(zhì)量比為2∶1的混合鹽為酯化劑對葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM）進(jìn)行磷酸酯化改性，以酯化取代度為指標(biāo)，微波 法改 性的最佳工藝條件為反應(yīng)溫度60 ℃、微波輻射 時間7 min、pH4.0、磷酸鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(tuán)，得到KGMP。電鏡掃描顯示，KGMP顆粒體積大，結(jié)構(gòu)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(nóng)業(yè)初級產(chǎn)品，也是天然的多糖聚合物，來源穩(wěn)定豐富，性能優(yōu)勢明顯，被大量用作工業(yè)原材料，廣泛用于食品、醫(yī)藥、造紙、紡織等領(lǐng)域[1-2]。由于KGM分子質(zhì)量大、水溶性差、水溶膠不穩(wěn)定，尤其是在高溫和冷凍條件下穩(wěn)定性極差[3]，使其應(yīng)用受到限制，為了改善其性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，不少人對其進(jìn)行過化學(xué)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(jié)能、清潔等加熱特點(diǎn)，將給酯化反應(yīng)帶來積極的影響，工藝過程得到簡化，顯著地減少了能耗，環(huán)保節(jié)能[12-13]。KGM易與磷酸鹽反應(yīng)生成葡甘露聚糖磷酸酯[14-16]，改性后的產(chǎn)物各項(xiàng)性能都得到了明顯改善，產(chǎn)物質(zhì)量得到提高，為擴(kuò)大KGM的應(yīng)用范圍開辟了新的途徑。本實(shí)驗(yàn)研究KGM的微波法磷酸酯化改性工藝，并對改性前后的產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征，為KGM的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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(huán)保健品有限公司。

UV-2802H型紫外-可見分光光度計(jì) 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(jī)廠；pHS-3C型酸度計(jì) 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(fā)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(zhì)量比為2∶1的磷酸鹽水溶液中浸泡，充分?jǐn)嚢瑁^濾，濾餅在50℃以下干燥至含水量10%。然后，在微波中進(jìn)行固相酯化反應(yīng)，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(jù)結(jié)合磷的含量[17]，結(jié)合磷的含量是由總磷減去游離磷的含量得到的。產(chǎn)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(jìn)行測定，游離磷測定是用鹽酸溶解試樣，過濾后取濾液進(jìn)行鉬酸銨顯色反應(yīng)，查標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到。DS的計(jì)算公式為[18]：

1.2.3 單因素試驗(yàn)

固定試驗(yàn)條件，KGM的質(zhì)量為10.0 g，選取反應(yīng)溫度（40.0、50.0、60.0、70.0、80.0、90.0 ℃）、反應(yīng)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(zhì)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(zhì)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(biāo)，固定其中6個因素的數(shù)值不變，考察單一因素對DS的影響。

1.2.4 正交試驗(yàn)

選擇反應(yīng)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(jù)單因素結(jié)果列出正交試驗(yàn)因素水平表，以KGMP的DS為指標(biāo)，進(jìn)行L16（45）正交試驗(yàn)。

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(shù)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(dǎo)電膠上，在真空下對樣品進(jìn)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(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物DS的影響

圖 1 反應(yīng)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?yàn)闇囟壬哂欣贙GM分子間氫鍵的斷裂，使反應(yīng)正向進(jìn)行。溫度為60.0 ℃時，DS達(dá)到最大。繼續(xù)加熱，溶膠開始變稀，產(chǎn)物糊化分解，DS下降。在酯化反應(yīng)中溫度直接影響著產(chǎn)物的DS，因此，將反應(yīng)溫度選擇為60.0 ℃。

2.1.2 反應(yīng)時間對產(chǎn)物DS的影響

圖 2 反應(yīng)時間對DS的影響Fig.2 Effect of reaction time on DS

由圖2可知，隨著反應(yīng)時間的延長，DS先增加后降低。當(dāng)反應(yīng)時間為3.0 h，DS最大。隨著反應(yīng)時間的延長，DS下降，因?yàn)榉磻?yīng)時間較長時，產(chǎn)物會發(fā)生糊化褐變，DS下降。酯化反應(yīng)時間同樣影響著產(chǎn)物的DS，故反應(yīng)時間控制在2.5～3.0 h較適宜。

2.1.3 pH值對產(chǎn)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(dāng)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(yīng)，故酯化反應(yīng)在酸性條件下比較穩(wěn)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(yīng)的進(jìn)行，DS降低。因此，選擇pH值為5.0。

2.1.4 酯化劑用量對產(chǎn)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?yàn)镵GM分子的羥基基團(tuán)是固定不變的，其活性取決于接近羥基的磷酸鹽的量，當(dāng)酯化劑的加入量達(dá)到40%時，產(chǎn)物DS的增加平緩，反應(yīng)基本趨于平衡。如果繼續(xù)增加磷酸鹽的加入量，會使產(chǎn)物中游離磷含量增多，給洗滌過程帶來困難，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。故反應(yīng)中磷酸鹽用量為40%～50%合適。

2.1.5 催化劑用量對產(chǎn)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(dāng)尿素用量達(dá)到6%時，產(chǎn)物DS增加緩慢，酯化反應(yīng)達(dá)到飽和。尿素在KGM酯化反應(yīng)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(yīng)效率[18]。故在酯化反應(yīng)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?yàn)镵GM高分子對微波具有吸收作用，微波能量可使分子運(yùn)動由原來雜亂無章運(yùn)動變成有序的高頻振動[19]，促進(jìn)酯化反應(yīng)正向進(jìn)行，從而提高了產(chǎn)品的DS。當(dāng)功率達(dá)到800 W時，繼續(xù)增大微波功率，DS增加緩慢，反應(yīng)達(dá)到飽和。因此，選擇反應(yīng)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(dāng)微波輻射時間較短時，DS隨輻射時間的延長而增大，因?yàn)樵邗セ磻?yīng)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(yīng)的活化能，加速反應(yīng)向正方向進(jìn)行，因此DS增大。當(dāng)微波輻射時間為7.0 min時，DS達(dá)到最大。繼續(xù)延長微波輻射時間，DS隨之降低，可能是因?yàn)槲⒉ㄝ椛鋾r間過長時，會引起KGM自身的降解，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。因此，選擇微波輻射的時間為7.0 min。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

選擇反應(yīng)時間為3 h，催化劑尿素的用量為6%，結(jié)果如表1所示。

由表1和表2可知，微波改性的最優(yōu)組合A2B3C1D1E3，即反應(yīng)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(yīng)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(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，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(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)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(yōu)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(nèi)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(jié)構(gòu)，2 9 29 cm-1附近的O—H伸縮振動峰消失，說明KGM的羥基發(fā)生反應(yīng)[13]。1 630 cm-1左右的吸收峰加強(qiáng)，是磷酰基P=O的伸縮振動吸收帶[14]，P=O在不同結(jié)構(gòu)的化合物中位置分布很寬，在1 630 cm-1附近出現(xiàn)，說明反應(yīng)引入了磷酸基團(tuán)。因此，在酯化反應(yīng)的過程中，KGM主鏈分子上引入了磷酸基團(tuán)，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(jié)構(gòu)無序、松散；KGMP粉末表面結(jié)構(gòu)比KGM的更緊密、平整、均勻。可能是因?yàn)镵GM大分子與磷酸基團(tuán)發(fā)生了部分的酯化取代作用，分子內(nèi)部作用力增大，結(jié)合更緊密，從而使分子排列更緊密整齊。

3 結(jié) 論

以Na2HPO4和NaH2PO4混合鹽為改性試劑對KGM進(jìn)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(yīng)時間短，顯著地提高了產(chǎn)品的DS，工藝過程得到簡化，大大減少了能耗，具有高效、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，將給酯化反應(yīng)帶來積極的影響，微波改性新方法具備非常明顯的優(yōu)勢。

微波法改性的最佳工藝條件為反應(yīng)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(tuán)，得到KGMP。電鏡掃描顯示，KGMP結(jié)構(gòu)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(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目（31160326）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2011GXNSFA018058）

李堅(jiān)斌（1970—），女，教授，博士，研究方向?yàn)樘穷愇镔|(zhì)的生物利用及污染控制。E-mail：lijb0771@126.com