交聯(lián)威蘭膠的制備及性能研究

陳倩雯 童群義

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

微生物多糖是微生物代謝產(chǎn)生的多糖物質(zhì)，具有獨(dú)特的理化特性且安全無毒性，在食品工業(yè)中，其作為食品添加劑已成為熱點(diǎn)。威蘭膠(Welan Gum，WG)是由產(chǎn)堿桿菌Sphingomonas sp. ATCC 31555分泌的可溶性胞外多糖[1]，商品名的編號為S-130。它的結(jié)構(gòu)骨架(圖1)與結(jié)冷膠類似，包括L-甘露糖、L-鼠李糖、D-葡萄糖、D-葡萄糖酸，側(cè)鏈為L-甘露糖(連接幾率為1/3)或L-鼠李糖(連接幾率為2/3)，且骨架重復(fù)單元還含有大量乙酰基或甘油基團(tuán)[2]，是寶貴的天然高分子材料。WG有許多性質(zhì)優(yōu)于黃原膠，例如WG的水溶液在相同的條件下顯示出更高的黏彈性[3]。黃原膠在高溫條件下容易熱氧化降解，黏度損失嚴(yán)重，在130 ℃ 左右黏度很小，它的應(yīng)用受到一定限制。相對于黃原膠，WG具有更好的耐熱性(比黃原膠耐溫極限值高近30 ℃)[3]、耐剪切性、耐鹽性及優(yōu)良的流變特性，使其在食品、石油開采[4]、建筑[5]等領(lǐng)域主要作為增稠劑、懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑及粘合劑等使用[1,6]，在食品領(lǐng)域可應(yīng)用于果汁、冷凍食品及烘焙制品等，具有廣泛的應(yīng)用開發(fā)價值。

對黃原膠進(jìn)行化學(xué)改性，可以很好地改善其耐溫性能，但WG的耐溫性仍好于改性后黃原膠的，因此對WG進(jìn)行化學(xué)改性，提高其耐溫性，可以進(jìn)一步擴(kuò)大WG在食品及其他領(lǐng)域的應(yīng)用。目前中國對WG化學(xué)改性的研究很少，限制了WG的應(yīng)用。朱瑾等[7]在研究土豆淀粉交聯(lián)改性時發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)劑中的官能團(tuán)與淀粉中的羥基反應(yīng)，可使淀粉分子之間以化學(xué)鍵相連的形式形成空間交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而有效提高了相應(yīng)土豆淀粉膠粘劑的黏度。WG分子中含有大量的羥基，通過交聯(lián)劑和羥基之間的反應(yīng)，將分子之間緊密連接，可以改善WG的性質(zhì)。因此，選擇合適的化學(xué)交聯(lián)劑，通過化學(xué)改性提高WG的流變學(xué)特性、耐溫耐鹽特性，為食品膠在食品中的應(yīng)用提供理論參考，對推動WG潛在的應(yīng)用領(lǐng)域及在國內(nèi)外市場的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

威蘭膠：河北鑫合生物有限公司；

環(huán)氧氯丙烷、氫氧化鈉、無水乙醇、濃鹽酸：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

圖1 威蘭膠的分子結(jié)構(gòu)Figure 1 The molecular structure of welan gum

1.1.2 主要儀器設(shè)備

數(shù)字黏度計：SNB-2型，上海天美天平儀器有限公司；

分析天平：FB224型，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；

電熱恒溫干燥箱：202型，北京市光明醫(yī)療儀器廠；

流變儀：DHR-3型，美國沃特世公司；

掃描電子顯微鏡：Quanta 200型，荷蘭Fei公司；

冷凍干燥機(jī)：FreeZone?型，照生有限公司。

1.2 方法

1.2.1 交聯(lián)威蘭膠的單因素試驗(yàn) 以環(huán)氧氯丙烷(EPC)為交聯(lián)劑，探究最佳制備交聯(lián)威蘭膠(cWG)的條件。取2.5 g WG溶于500 mL蒸餾水中，充分?jǐn)嚢?，用均質(zhì)機(jī)均質(zhì)使WG充分溶解后用1 mol/L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH，加入一定量EPC反應(yīng)，繼續(xù)攪拌一段時間后用1 mol/L的鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH 7.0。整個反應(yīng)保持溫度一致。反應(yīng)完成后，用無水乙醇洗滌3次，在60 ℃的烘箱中干燥24 h后即得到cWG樣品，將樣品研磨成粉后保存?zhèn)溆?。配置?.5%膠溶液，在25 ℃下用SNB-2型數(shù)字黏度計測定膠體溶液表觀黏度，根據(jù)量程選擇3號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為0.6 r/min。

(1) 交聯(lián)劑用量：在40 ℃，pH 11的條件下，以EPC作為交聯(lián)劑反應(yīng)4 h，通過測定表觀黏度探究EPC添加量對WG溶液黏度的影響。

(2) 反應(yīng)溫度：在pH 11，EPC添加量12 μL/g的條件下，改變反應(yīng)溫度反應(yīng)4 h后，通過測定表觀黏度探究反應(yīng)溫度對WG溶液黏度的影響。

(3) 反應(yīng)pH：在40 ℃，EPC添加量12 μL/g，反應(yīng)4 h的條件下，改變反應(yīng)pH值，通過測定表觀黏度探究反應(yīng)pH對WG溶液黏度的影響。

(4) 反應(yīng)時間：在40 ℃，EPC添加量12 μL/g，pH 8的條件下，改變反應(yīng)時間，通過測定表觀黏度探究反應(yīng)時間對WG溶液黏度的影響。

1.2.2 流變性能 高分子水溶液的流變性能用DHR-3型旋轉(zhuǎn)流變儀測量。測量流變曲線時采用速率控制(CR)模式，設(shè)置剪切速率γ為0.1～300.0 s-1。頻率掃描采用振蕩(OSC)模式，首先在1 Hz下進(jìn)行應(yīng)力掃描，確定溶液體系的線性黏彈區(qū)，然后選擇線性黏彈區(qū)內(nèi)某應(yīng)力值，進(jìn)行頻率掃描，頻率范圍為0.01～20.00 Hz。上述試驗(yàn)溫度為25 ℃。

1.2.3 高溫處理后黏度測定 取WG和cWG分別配制成0.5% 的溶液，在121 ℃高溫下處理 1 h，冷卻至25 ℃后用SNB-2型數(shù)字黏度計測定表觀黏度。根據(jù)量程選擇3號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為1.5 r/min。按式(1)計算黏度損失率。

(1)

式中：

c——黏度損失率，%；

m1——高溫處理前膠體溶液的黏度，Pa·s；

m2——高溫處理后膠體溶液的黏度，Pa·s。

1.2.4 掃描電子顯微鏡 取WG和cWG分別配置成0.5%的溶液，放入-80 ℃的冰箱中凍藏，在快速凍結(jié)水分后放入冷凍干燥機(jī)凍干。將凍干后的樣品置于掃描電子顯微鏡下觀察，并拍攝不同放大倍數(shù)的圖片。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理與分析 使用軟件Excel_2007、Origin 85對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 交聯(lián)劑用量對WG黏度的影響 由圖2可知，WG水溶液的黏度隨著EPC添加量的增大而增大，當(dāng)EPC添加量大于12 μL/g時，繼續(xù)增加EPC的添加量，cWG水溶液的黏度增加緩慢，考慮到生產(chǎn)成本，選擇EPC添加量為12 μL/g進(jìn)行下一步優(yōu)化。

圖2 環(huán)氧氯丙烷用量對威蘭膠黏度的影響Figure 2 The effect of epichlorohydrin on welan gum’s viscosity

2.1.2 反應(yīng)溫度對WG黏度的影響 由圖3可知，當(dāng)反應(yīng)溫度為40 ℃時，交聯(lián)反應(yīng)后的膠體溶液黏度值達(dá)到最高值，溫度過高會導(dǎo)致WG分子鏈堿降解程度增大從而黏度降低[8]。

圖3 反應(yīng)溫度對威蘭膠黏度的影響Figure 3 The effect of reactive temperature on welan gum’s viscosity

2.1.3 pH對WG黏度的影響 由圖4可知，制備cWG的最佳pH值為8，pH值過高，EPC在堿性條件下開環(huán)，交聯(lián)反應(yīng)不斷進(jìn)行，反而不利于WG溶液體系黏度的增加。

圖4 反應(yīng)pH對威蘭膠黏度的影響Figure 4 The effect of reactive pH on welan gum’s viscosity

2.1.4 反應(yīng)時間對WG黏度的影響 由圖5可知，WG溶液黏度隨反應(yīng)時間的延長而增加，反應(yīng)4 h后WG溶液黏度增加緩慢，考慮生產(chǎn)成本，最終選擇反應(yīng)時間為4 h。

綜合以上單因素探究結(jié)果，最佳制備cWG的條件為：EPC添加量12 μL/g、pH值8、反應(yīng)溫度40 ℃、反應(yīng)4 h。

圖5 反應(yīng)時間對威蘭膠黏度的影響Figure 5 The effect of reactive time on welan gum’s viscosity

2.2 流變性

2.2.1 靜態(tài)流變性質(zhì) 圖6為0.5%的WG和cWG溶液黏度隨剪切速率變化的關(guān)系圖。cWG在低剪切速率下的黏度要高于WG，說明交聯(lián)有利于提高溶液黏度。其中剪切速率為0.1～1.0 s-1時黏度降低幅度最大，剪切速率>10.0 s-1后黏度變化不大。黏度隨剪切速率的增大而迅速減少，溶液具有明顯的剪切變稀現(xiàn)象，是典型的假塑性流體特征?？赡苁嵌嗵欠肿渔溤谥饾u變大的剪切力的破壞下，原本相互纏繞的復(fù)雜結(jié)構(gòu)被破壞，從而黏度迅速下降。圖7為WG和cWG溶液剪切應(yīng)力隨剪切速率變化的關(guān)系圖。剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大，在同一剪切速率下，cWG溶液所需的剪切應(yīng)力要大于WG溶液，因?yàn)轲ざ仍酱?，所需要的破壞纏結(jié)結(jié)構(gòu)的剪切力就越大。

圖6 WG和cWG溶液的表觀黏度隨剪切速率的變化Figure 6 Variation of apparent viscosity with shear rate for WG and cWG

圖7 WG和cWG溶液剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化Figure 7 Variation of shear stress with shear rate for WG and cWG

2.2.2 動態(tài)流變特性 由圖8可知，應(yīng)變值在0.1%～10.0% 時，所有樣品均呈現(xiàn)出線性黏彈特性，因此選擇5%的應(yīng)變百分值作為動態(tài)頻率掃描的參數(shù)。

圖9、10為WG和cWG在恒定的應(yīng)力或應(yīng)變下，樣品隨頻率變化測得的黏彈性行為。圖9為儲能(彈性)模量G′隨頻率變化的關(guān)系圖，圖10為損耗(黏性)模量G″隨頻率變化的關(guān)系圖。2個樣品的動態(tài)模量G′和G″都隨頻率的增加而增加，且tan<1，呈現(xiàn)出典型的弱凝膠動態(tài)流變學(xué)圖譜[9]。G′>G″，表明溶液以彈性為主。且cWG溶液的G′和G″均大于WG溶液，即交聯(lián)可以增加WG的彈性。同時G′?G″， 表明溶液中可能存在類凝膠結(jié)構(gòu)[10]。

圖8 WG和cWG溶液的應(yīng)變掃描Figure 8 Strain sweep curves of WG and cWG

圖9 WG和cWG溶液G′隨頻率變化Figure 9 Variation of G′ with frequency for WG and cWG

圖10 WG和cWG溶液G″隨頻率變化Figure 10 Variation of G″ with frequency for WG and cWG

2.2.3 濃度對交聯(lián)威蘭膠水溶液流變性的影響 圖11是濃度為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%的cWG溶液黏度隨剪切速率變化的關(guān)系圖，溶液黏度隨cWG濃度的增加而增加，呈現(xiàn)正相關(guān)性，隨濃度升高，多糖分子間距縮小，分子鏈自身或者相互之間的纏繞越復(fù)雜[3,11]，零剪切黏度就越高。

2.2.4 pH對交聯(lián)威蘭膠水溶液流變性的影響 以濃度為0.5% 的WG和cWG溶液體系為研究對象，考察了在不同剪切速率下(0.1，1.0，10.0 s-1)不同pH對溶液黏度的影響，結(jié)果見圖12。由圖12可知，WG和cWG的溶液體系受pH影響較小，在低剪切速率0.1 s-1下，只有cWG在偏堿的條件下，黏度有略微的下降，但下降不明顯。說明兩者在pH 2～12條件下有很好的耐酸堿性，與文獻(xiàn)[12～13]報道吻合。

2.2.5 鹽離子濃度對交聯(lián)威蘭膠水溶液流變性的影響 以濃度為0.5%的WG和cWG溶液體系為研究對象，考察了在不同剪切速率下(0.1，1.0，10.0 s-1)不同NaCl濃度對溶液黏度的影響，結(jié)果見圖13。由圖13可知，當(dāng)剪切速率為0.1 s-1時，WG溶液黏度在NaCl濃度1.0%和cWG溶液黏度在NaCl濃度為5.0%～10.0%時，有略微上升，可能是膠體本身是陰離子多糖，加入電解質(zhì)有利于增強(qiáng)大分子之間的締合度，在中和負(fù)電子以后多余電荷會使分子再一次纏結(jié)[14]從而提升黏度。WG溶液在NaCl濃度>5.0%時，cWG溶液在 NaCl濃度大于10.0%時黏度開始迅速下降，說明高濃度NaCl會降低體系的黏度，總的來說，交聯(lián)有利于提高威蘭膠的耐鹽性。當(dāng)剪切速率為1.0 s-1時，cWG溶液黏度略大于WG溶液。當(dāng)剪切速率為10.0 s-1時，WG和cWG的溶液黏度很低，差別不大。

圖11 不同濃度cWG黏度隨剪切速率變化

Figure 11 The viscosity of crosslinked welan gum varied with the shear rate at different concentrations

圖12 不同剪切速率下WG和cWG溶液黏度隨pH的變化

Figure 12 Changes of viscosity of WG and cWG solution with pH at different shear rates

圖13 不同剪切速率下WG和cWG的溶液黏度隨 NaCl濃度的變化

Figure 13 Changes of viscosity of WG and cWG solution with different concentration of NaCl at different shear rates

2.3 溫度對交聯(lián)威蘭膠水溶液表觀黏度的影響

以濃度為0.5%的WG和cWG溶液體系為研究對象進(jìn)行耐溫性測試。在25 ℃條件下，測得WG的表觀黏度為19.37 Pa·s，經(jīng)過121 ℃處理1 h后WG溶液的黏度為11.48 Pa·s，黏度損失率為40.74%；交聯(lián)威蘭膠的黏度從23.27 Pa·s 下降到14.77 Pa·s，黏度損失率為36.52%。WG在高溫條件下，易氧化分解，cWG經(jīng)高溫處理后，其黏度維持能力高于WG，說明交聯(lián)可以提高WG的耐熱性，耐溫性的提高可以促進(jìn)其在食品工業(yè)中(例如烘焙、果汁加工[15]等)的應(yīng)用。

2.4 掃描電子顯微鏡

如圖13所示，WG和cWG溶液均形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但cWG溶液形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更緊密，孔洞更少，可能是CWG溶液抗剪切和耐溫耐鹽性能增強(qiáng)的原因之一。

圖14 WG和cWG溶液凍干后的掃描電鏡圖Figure 14 Scanning electron micrographs of WG and CWG(300×)

3 結(jié)論

WG作為一種新型的微生物多糖膠，有巨大的潛在應(yīng)用價值。本試驗(yàn)以環(huán)氧氯丙烷作為交聯(lián)劑，通過對WG的交聯(lián)改性，使WG擁有了更優(yōu)越的黏彈性，有利于cWG在食品或者其他工業(yè)中用于物料的泵送以及穩(wěn)定分散體系。交聯(lián)提高了WG的耐鹽性和耐溫性，同時交聯(lián)維持了WG耐酸堿的能力，這些性質(zhì)都能很好地被應(yīng)用于食品行業(yè)中。以化學(xué)改性提高WG的耐熱性，不僅方法簡單，而且生產(chǎn)成本較低，有良好的應(yīng)用前景。本試驗(yàn)只研究了部分WG改性后的性質(zhì)，還有更多性質(zhì)需要進(jìn)行探究，從而為食品及其他行業(yè)威蘭膠的應(yīng)用提供理論依據(jù)。