預處理溫度對圓皂莢多糖膠制備與性能的影響

蔣建新， 朱莉偉， 張 偉， 李先平

(北京林業大學 材料科學與技術學院；林業生物質材料與能源教育部工程研究中心，北京 100083 )

植物多糖膠是由甘露糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等單糖及其相應的糖醛酸按一定比例組成的天然高分子物質，具有較高的黏性，能與水結合形成膠體溶液，相對分子質量介于50 000～500 000之間。各種植物多糖膠的結構單元類似，呈線形且有分支，具有較好的水溶性和交聯性，且在低濃度下能形成高黏度的水溶液，因其獨特的流變性質，在食品醫藥、石油鉆采、紡織印染、制漿造紙和兵工炸藥等行業中被廣泛用作增稠劑、穩定劑、膠凝劑和絮凝劑等[1]。在食品加工中，植物多糖膠用于面制品中可防止黏結、保水、增加筋力及延長上貨架時間，植物多糖膠賦予冰淇淋滑溜和糯性的口感以及減緩產品溶化。此外，植物多糖膠還具有降血糖、降血脂、抗輻射、潤腸減肥、與微生物多糖形成凝膠等特性，這些功能決定了植物多糖膠不可替代的地位。草本植物多糖膠生產量約占植物多糖膠的70%以上，但是草本植物多糖膠原料的種植需要占用大量耕地。不僅如此，受天氣、種植條件和政治等多種因素的影響，草本植物多糖膠資源量一直很不穩定，嚴重影響著相關行業的發展。我國木本多糖膠資源發展迅速，并初步形成了原料資源基地。皂莢、野皂莢等木本植物根系發達，耐旱、耐熱、抗寒、抗污染、抗逆性強，能較好地改良土壤，是營造水土保持林、防風固沙林的優良生態樹種。木本植物種子中含多糖膠40%左右，隨著經濟發展和環境保護的雙重需要，木本多糖膠資源將會進一步得到發展，木本多糖膠也將在植物多糖膠中逐步占據主導地位。關于皂莢資源利用[2]、皂莢多糖膠制備[3-5]、多糖改性[6-8]、多糖性質[9-11]及應用研究[12-14]已有較多的報道，皂莢資源活性組分多、含量高，其高效利用具有顯著的經濟效益和生態價值，其中皂莢多糖膠工業化制備首選烘炒預處理工藝結合機械分離法。本研究以高產的圓皂莢種子為原料，在前期分離方法比較研究的基礎上，系統研究了烘炒過程中預處理溫度對圓皂莢多糖膠得率、多糖膠化學組成、半乳甘露聚糖相對分子質量及單糖比例、多糖膠流變學性質及凝膠性能的影響，以期為皂莢多糖膠工業化制備與應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑與儀器

圓皂莢莢果為山西絳縣林業局所提供，收獲時間為2017年12月。經手工剝離從豆莢中得到皂莢種子，陰干儲存備用；整粒種子的含水量為9.3%。標準單糖包括(+)-D-甘露糖、(+)-D-半乳糖和(+)-D-葡萄糖，購自美國Fluka公司；葡聚糖標準分子質量樣品DXT3k、DXT25k、DXT160k、DXT760k和DXT1185k，購自日本TosoHaas公司。

DL-I-15馬弗爐；DHG-9145A真空干燥箱；Agilent 1200凝膠滲透色譜(GPC)，美國Agilent公司；LVDV-Ⅲ+型流變儀，美國Brookfield公司；Waters 2695 高效液相色譜(HPLC)儀(配備Aminex HPX-87P柱子和2414 RID示差折光檢測器)，美國Waters公司。

1.2 實驗方法

1.2.1圓皂莢種子胚乳分離及多糖膠制備 將質量約100 g(精確至0.1 g)的圓皂莢種子置于烘炒爐中加熱預處理，預處理溫度分別為145、155、165和175 ℃，預處理時間4 min，隨后將種子迅速轉移至粉碎機中快速擊打。從粉碎沖擊后的樣品中篩分出胚乳片，在(100±3) ℃的鼓風加熱干燥箱中烘至質量恒定，稱質量。將烘干后的胚乳粉碎通過0.125 mm孔徑的篩網，通過烘炒法在預處理溫度145、155、165和175 ℃條件下分離所得的圓皂莢多糖膠分別標記為PG1、PG2、PG3和PG4。

1.2.2圓皂莢半乳甘露聚糖制備 將1 g(精確至0.000 1 g)圓皂莢多糖膠加入20 mL體積分數為80%的乙醇中，煮沸10 min。之后使用G3砂芯漏斗過濾收集樣品，并用乙醇、丙酮和乙醚依次洗滌。之后，向樣品中加入100 mL的去離子水，在磁力攪拌下水合1 h。將所得的多糖膠溶液在1 000 r/min下離心20 min，以除去水不溶物。

向收集到的上清液中加入2倍體積的冷丙酮(4 ℃)，使溶解多糖發生沉淀。過濾收集沉淀，并將沉淀重新溶解于100 mL溫度為80 ℃的熱水中，再于4 000 r/min下離心1.5 h，進一步除去不溶性雜質。分離收集上清液，并向其中加入2倍體積的無水乙醇，從而將半乳甘露聚糖沉淀出來。反復用無水乙醇和丙酮洗滌沉淀后，將多糖沉淀進行真空干燥，得到皂莢半乳甘露聚糖(GM)，備用。

1.2.3圓皂莢多糖膠凝膠的制備 將多糖膠與黃原膠以質量比7 ∶3混合后，在恒速攪拌下分散到去離子水中，使分散液中聚合物總質量分數為1.0%。磁力攪拌下水合約30 min后，將二元混合物加熱至60 ℃并恒溫15 min后，迅速傾倒至直徑45 mm、高度35 mm的容器中。在室溫下靜置24 h形成凝膠狀物。

1.3 分析方法

1.3.1圓皂莢多糖膠的化學組成分析 圓皂莢多糖膠GM含量、水不溶物含量、水分含量、灰分含量測定及計算按照GB/T 31742—2015進行[15]。根據美國分析化學家協會AOAC 979.09方法，通過凱氏定氮法測定多糖膠中粗蛋白含量，將2 g(精確至0.000 1 g)多糖膠在灰化后進行蒸餾，轉換系數為 6.25。根據AOAC 920.39C方法，將1 g(精確至0.000 1 g)多糖膠在無水乙醚中抽提8 h后進行粗脂肪含量的測定，通過差值計算得出碳水化合物的含量。

1.3.2圓皂莢GM的單糖組成測定 準確稱量300 mg (精確至0.000 1 g)的絕干樣品于耐壓瓶中，加入3 mL質量分數為72%的硫酸。首先在30 ℃水浴振蕩條件下加熱反應1 h，期間每隔10 min用玻璃棒攪拌一次。振蕩反應結束后，向耐壓瓶中加入84 mL的去離子水使硫酸質量分數為4.0%，然后置于121 ℃的高壓滅菌鍋中水解反應1 h。水解后，取適量水解液于離心管中并用無水碳酸鈣中和。采用高效液相色譜儀進行單糖分析，使用Aminex HPX-87P分析柱 (300 mm×7.8 mm)對水解液進行分離，柱溫75 ℃，分離時間30 min。

1.3.3圓皂莢GM的分子質量分布 凝膠滲透色譜(GPC)配備有PL Aquagel-OH柱子(300 mm×7.5 mm，8 μm)用于測定皂莢GM的重均分子質量(Mw)和數均分子質量(Mn)。配制質量分數為 0.2% 的皂莢GM水溶液，并用0.45 μm的濾膜過濾。在分子質量測定過程中，色譜柱的運行溫度為40 ℃，流動相由5 mmol/L、pH值7.0的磷酸緩沖液和20 mmol/L的氯化鈉溶液組成，流速為0.5 mL/min。使用一系列不同分子質量的聚苯乙烯標準品對柱子進行校準，平均相對誤差在3.8%～5.6%范圍內，最大誤差為7.3%。使用Agilent GPC數據分析軟件(B.01.01版本)進行數據處理，得到Mn、Mw、Z均分子質量(Mz)、黏均分子質量(Mp)和多分散指數(Pi)。

1.3.4圓皂莢多糖膠的流變學性質分析 采用配備有小量樣品適配器(轉子號SC4-31)的流變儀在25 ℃ 下對圓皂莢多糖膠的流變性質進行測定，本實驗中所測得的黏度均為表觀黏度。設置流變儀的剪切速率在3 min內由0 s-1線性上升至85 s-1，測定質量分數0.5%多糖膠溶液的表觀黏度隨剪切速率的變化，并使用Rheocalc V 3.2軟件擬合剪切應力與剪切速率之間的關系，獲得Power-law模型參數。

1.3.5圓皂莢多糖膠的凝膠凍膠性能測定 使用Brookfield質構儀(TexturePro CT V1.2 Build 9軟件)對所制備的凝膠樣品進行凝膠強度測定。參數如下：負載單元4 500 g，探頭為TA5圓柱形探頭(φ12.7 mm×35 mm)，以0.5 mm/s的測試速度執行一個單壓縮循環至4 mm的目標形變量，然后立即返回到起始位置。

配制0.6%多糖膠水溶液500 mL，加入0.3%四硼酸鈉100 mL，攪拌，在長形燒杯或量筒中測定φ6 mm鋼球自上而下行走20 cm所需的時間(s)，乘以系數66 600得到凍膠黏度(mPa·s)。

1.4 計算方法

手工剝離胚乳方法參考文獻[16]進行，圓皂莢胚乳提取率(η)及半乳甘露聚糖得率(y)的計算公式見式(1)～式(2)：

η=m1/m0×100%

(1)

y=η×ω1/ω0×100%

(2)

式中：m0—種子經手工剝離得到的胚乳質量，g；m1—種子經烘炒法得到的胚乳質量，g；ω0—種子中GM的質量分數，%；ω1—烘炒法胚乳中GM的質量分數，%。

2 結果與討論

2.1 胚乳得率及多糖膠化學組成

烘炒法從種子中分離提取胚乳的原理是利用皂莢種子各組分硬度的差異，高溫使種殼變脆，使種殼與胚乳之間的糊粉層連接減弱。烘炒過的種子在機械沖擊中損壞，脆度較高而硬度較低的種殼和胚在擊打中變為碎塊，而硬度較高的胚乳卻能較好的保持完整性，因此可以通過篩分操作將胚乳從胚和種殼的碎片中分離出來。烘炒預處理分離工藝簡潔高效，得到的胚乳為淡黃色，胚乳形狀較完整且胚乳提取率高。表1為預處理溫度對圓皂莢胚乳得率及多糖膠組成的影響。由表可知，隨著預處理溫度提高，胚乳得率降低。當預處理溫度165 ℃處理4 min時，圓皂莢胚乳得率達到92.7%，GM得率為38.5%。

表1 預處理溫度對圓皂莢胚乳得率及多糖膠化學組成的影響

由圓皂莢多糖膠(PG1、PG2、PG3和PG4)的化學組成測定結果可以看出，皂莢多糖膠中蛋白質含量較高，主要來源于種殼和胚中的一些物質及多糖膠存在的結構蛋白和酶。種子中胚的主要組成物質為蛋白質，胚中所含蛋白質的量占種子中總蛋白含量的70%以上。多糖膠中含有蛋白質，表明結構蛋白和酶的存在或者被胚中的雜質所污染[17]。烘炒預處理溫度與化學組成之間有一定的關聯關系。當預處理溫度相對較低(145 ℃)時，種子中的部分種皮、胚等與胚乳沒有充分分離，因此PG1多糖膠的水不溶物含量、粗蛋白及粗脂肪含量相對較高。預處理溫度升高，皂莢多糖膠雜質(粗蛋白、水不溶物等)含量降低，但過高的預處理溫度會使皂莢胚乳變脆，從而導致胚乳得率和GM得率降低。皂莢多糖膠中碳水化合物含量也與之前報道的商品瓜爾膠和刺槐豆膠相接近。

2.2 半乳甘露聚糖單糖組成及其GPC分析

根據Wientjes等所報道的方法對皂莢多糖膠進行了純化制備GM[18]，綜合考慮多糖膠的純度、熱穩定性、流變性以及提純步驟的成本和簡易程度，本研究所選的提純方法最適于生物應用。已有研究對瓜爾膠的提純方法進行了比較[19]，不同提純方法所得瓜爾膠的甘露糖與半乳糖比值(M/G)在1.6～2.5范圍內變化，而未純化瓜爾膠的M/G為1.7，M/G取決于多糖膠的純化方法。

不同預處理溫度所得圓皂莢多糖膠的GM單糖組成如表2所示。

表2 圓皂莢半乳甘露聚糖單糖組成及分子質量分布

從表2可知，多糖膠由甘露糖(M)和半乳糖(G)2種單糖組成，M/G值隨著預處理溫度升高而提高，過高的預處理溫度會導致不穩定的側鏈半乳糖降解，預處理溫度175 ℃時得到的PG4中M/G為5.29。M/G 值還與胚乳分離方法及多糖純化方法有關[20-21]。有研究報道，產地為北京的皂莢多糖膠的M/G為2.6[22]，與本研究中圓皂莢多糖膠的M/G值也有較大差異。因此，多糖膠的M/G值取決于植物品種、生長環境、制備過程、純化方法等多種因素。

圓皂莢半乳甘露聚糖的分子質量測定結果表明：預處理溫度對分子質量有一定的影響，溫度過高(175 ℃)，分子質量下降，且多分散指數(Pi=Mw/Mn)增大；不同預處理溫度下，Mw在3.276×106～3.339×106u范圍內變化。多糖膠的分子質量高于瓜爾膠(0.697×106～0.940×106u)和刺槐豆膠(LBG)(0.856×106～1.20×106u)[20, 23]。預處理溫度較高時，Pi較高是因為多糖的非均質性，由于在提取、純化過程中或者溶液配制中攪拌造成樣品中的大分子部分破壞，即發生了熱降解或者機械降解等。較低的Mn值和較高的Pi值表明在純化的多糖膠中存在大量低分子質量組分。分子質量和M/G對皂莢多糖膠溶液的流變性質具有一定影響，多糖膠較高的M/G值會導致較高的增稠性能。

2.3 多糖膠流變性質

在不同剪切速率下，質量分數為0.5%的圓皂莢多糖膠溶液的流變實驗結果如圖1所示。在剪切速率5～85 s-1的變化范圍內，多糖膠溶液的黏度數據和Power-law擬合的模型參數列于表3。

a.表觀黏度apparent viscosity； b.剪切應力shear stress

經模型擬合得到質量分數0.5%的多糖膠溶液的流動指數(n值)介于0.77～0.83之間，均小于1，且由圖1(a)可知多糖膠的表觀黏度隨剪切速率上升而下降，說明多糖膠溶液為假塑性流體，假塑性反映出半乳甘露聚糖分子鏈間具有交錯的分子相互作用。在低能量水平下，半乳甘露聚糖長鏈分子趨于線圈構象，這些線圈可以發生交錯。通過簡單的氫鍵也可以形成額外的分子間橋連。由圖1(b)可知，隨著剪切速率提高，剪切應力逐漸增加，從而使分子鏈發生變形，破壞了分子間連接造成表觀黏度下降[24]。不同預處理溫度尤其是較高溫度下得到的圓皂莢多糖膠的表觀黏度、稠度指數明顯增加，而流動指數有所下降。

表3 25 ℃時圓皂莢多糖膠溶液的流變學參數

在低剪切速率下的表觀黏度值可以反映出產品的口感，高剪切速率下的表觀黏度可以反映產品在加工過程中(例如由泵輸送時)的質感。在質量分數為0.5%的皂莢多糖膠溶液中可以明顯地觀察到剪切稀釋行為，175 ℃預處理溫度的圓皂莢多糖膠(PG4)黏度變化顯著。

2.4 多糖膠凝膠性能

圓皂莢多糖膠、刺槐豆膠和黃原膠等多糖各自都不具備凝膠性，但是有些GM和黃原膠以一定比例混合后，即可制備出黏彈性的水凝膠，二元共混水凝膠的凝膠強度測定結果見表4。由表4可以看出，隨著預處理溫度的提高，凝膠強度增大。圓皂莢多糖膠中PG4具有最高的M/G值，為5.29，與黃原膠之間協同增效作用最顯著，該結果與前述的化學組成及流變學性質一致。多糖的凝膠性可以改善和控制食品的結構和質構，為食品加工的多樣性提供了條件。多糖之間存在的協同作用，可以增強食品的流變學性質，改善產品質量，并降低生產成本。圓皂莢多糖膠與黃原膠的凝膠強度略高于刺槐豆膠與黃原膠的凝膠強度，因此，圓皂莢多糖膠可以在食品添加劑中作為刺槐豆膠的替代品。

表4 不同多糖膠與黃原膠共混(7 ∶3)時的凝膠性能

GM分子中的甘露糖上C-2、C-3羥基以及半乳糖上C-3、C- 4羥基屬于順式鄰位羥基，能與絡合劑中過渡金屬離子交聯形成網狀結構的高黏彈性凍膠，這種凍膠具有特殊的物理、化學性能，能使溶解性和不溶解性的有機物、無機物均勻地分散于其中，且具有一定的抗剪切能力，從而大大提高和擴大多糖膠的應用性能和使用范圍。多糖膠凍膠在油田水基壓裂液中可用作傳遞壓力和攜帶砂粒的良好載體、用作漿膠炸藥的膠凝劑和用作選礦工業的絮凝劑、滑石抑浮劑等。最常見的交聯劑是硼酸鹽，硼酸鹽中的硼離子與GM中順式鄰位羥基發生絡合反應。不同聚合物鏈的交聯作用能形成凍膠，單一聚合物也能與硼酸鹽離子形成凍膠；GM分子中半乳糖側鏈比主鏈甘露糖基更易與硼離子形成絡合物。由表4可以看出，隨著預處理溫度提高，凍膠黏度增大，但過高的預處理溫度(175 ℃)使多糖膠分子質量下降導致凍膠黏度下降，圓皂莢多糖膠與硼離子作用形成凍膠的黏度值均大于30 000 mPa·s，達到油田壓裂液稠化劑使用標準，凍膠還可應用于沙土保水劑和土壤改良劑。

3 結 論

3.1采用烘炒預處理法從圓皂莢種子中分離制備多糖膠，結果表明：烘炒法簡潔高效，胚乳形狀較完整且胚乳得率高；隨著預處理溫度的提高(145～175 ℃)，胚乳得率逐漸降低，在165 ℃烘炒4 min時，胚乳得率達到92.7%，半乳甘露聚糖(GM)得率為38.5%。

3.2隨著預處理溫度的升高，GM中甘露糖/半乳糖(M/G值)逐漸提高，過高的預處理溫度會導致不穩定的側鏈半乳糖降解，GM分子質量下降，多分散指數增大。質量分數0.5%的圓皂莢多糖膠溶液的流動指數(n值)介于0.77～0.83之間，說明多糖膠溶液為假塑性流體，表觀黏度隨剪切速率的上升而下降。隨著預處理溫度的提高，多糖膠與黃原膠之間協同增效作用顯著增強，凝膠強度增大。多糖膠與硼離子作用形成凍膠的黏度值超過油田壓裂液稠化劑使用標準(30 000 mPa·s)。