油茶籽粕多糖超聲輔助鹽酸降解工藝及動力學的研究

方 芳， 楊 丹， 張 超， 文焱炳， 楊建安

(長沙理工大學化學與食品工程學院1，長沙 410114 ) (貴州省化工研究院2，貴陽 550002)

多糖(Polysaccharide)是一類由不少于10個單糖分子通過糖苷鍵結合而成的多羥基醛或者酮的高分子聚合物[1]。油茶籽粕是油茶籽經機械榨油后的副產物，其中含有多糖、殘油、茶皂素、蛋白質等多種有用物質[2]。研究表明，油茶籽粕中含有的油茶籽粕多糖(COP，質量分數為20%～40%)具有降血糖、降血脂、抗氧化、抗腫瘤、抗菌等多方面的生物活性作用[3]。COP的分子質量是影響COP生物活性的關鍵因素。COP分子質量過大，就會導致COP不利于穿過細胞屏障進入生物體內，從而影響其在體內發揮生物學作用[4]。另外，COP的分子質量與COP的溶解度和特性黏度等有重要關系，溶解度和特性黏度也直接影響COP的生物學活性和實際應用[5]。

降低COP分子質量的主要方法是降解修飾。通過不同方式的降解，可以獲得不同分子大小的多糖，從而導致多糖的理化特性、空間結構和生物活性發生改變，因此對于改善和提高天然植物多糖的生物活性具有重要意義[6]。目前，COP的降解技術主要包括化學、物理降解和酶水解[7]。化學降解效率高但有環境污染和復雜的后處理問題，而且容易水解過度，產率低[8,9]。酶降解法需要使用的各種酶成本較高，從而限制了它的工業應用。物理降解則因其容易控制降解過程和程度，易獲得小分子質量產物，易獲得目標分子質量，且不易引入新雜質，不影響其原有的生物活性等優點，目前已成為國內外關注的熱點之一[10,11]。物理降解方法包括超聲、微波、熱處理和伽馬射線等。其中，超聲波降解因為其快速、溫和、環境友好等特點已經獲得了相當的重視，只有輕微的結構破壞就可提高多糖的生物活性[12,13]。但超聲降解效率低，降解速度慢[14]。作為一種高效可行的COP降解技術，既要具有顯著的降解效果，還需要具有高效的降解速率[15]。目前多糖的超聲降解研究較少。因此，本研究將超聲降解和化學降解結合起來，優勢互補，采用超聲輔助鹽酸降解COP，以多糖特性黏度為指標，研究超聲功率、鹽酸濃度、多糖濃度、超聲溫度4個主要影響因素對其降解效果的影響，建立COP的降解動力學模型，并進行降解動力學分析，探究COP降解參數對降解速率的影響規律，旨在為油茶籽粕多糖超聲輔助鹽酸降解方法的建立提供支持，并為進一步進行油茶籽粕多糖構效關系的研究及其在醫藥保健食品領域中的更廣泛應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

油茶籽粕餅、石油醚、氯仿、吡啶、乙醇等其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

SB25-12DTD(600 W)功率可調加熱型超聲波清洗機， 85-2型恒溫磁力攪拌器，RE-201D旋轉蒸發儀， DZF-6010真空干燥箱。

1.3 方法

1.3.1 COP的制備

油茶籽粕經干燥、粉碎、石油醚脫脂，在料液比1∶8(g/mL)、時間2 h、溫度70 ℃的條件下，采用95%乙醇對茶皂素進行脫除，離心收集沉淀。將沉淀(脫除茶皂素的粉末)按固液比1∶10加入蒸餾水，在75 ℃攪拌浸提3 h，離心后取上層清液(COP水提液)旋蒸濃縮至原來體積的1/4，用Sevag法除去蛋白并重復操作8～10次，直到COP溶液和蛋白混合液交界處無白色渾濁，收集上清液即為脫蛋白后的COP溶液，濃縮后加入4倍體積95%乙醇，4 ℃條件下醇沉24 h后再離心，收集沉淀冷凍干燥即得COP。

1.3.2 COP降解工藝實驗

在不同超聲功率(100、150、200、250、400 W) 下，選用不同HCl濃度(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mol/L)，建立不同COP質量濃度(1、2、3、4、5 mg/mL)反應體系，在溫度分別為20、30、40、50、60 ℃時，超聲30 min(超聲頻率40 kHz)，反應結束后將水解液調節pH至中性，以降解后的油茶籽粕多糖(D-COP)的特性黏度為指標，考察超聲功率、鹽酸濃度、COP濃度、超聲溫度對COP降解效果的影響。

1.3.3 D-COP特性黏度的測定

在COP溶液中，COP分子的旋轉和屈伸會占用大量空間，導致COP分子間碰撞頻率增加，產生的摩擦量也隨之增加，特性黏度也相應增加。因此，通過特性黏度的變化可以間接反映COP分子質量的降低程度和超聲輔助鹽酸降解的作用效果，且COP溶液的特性黏度與分子質量呈正相關關系，分子質量越大，特性黏度越大，分子質量越小，特性黏度越小[9]。

D-COP特性黏度計算公式[5]：

ηr=ts/t0，ηsp=ηr-1

(1)

(2)

式中：ηr為相對黏度；ηsp為增比黏度；ts為樣品測定時間；t0為溶劑測定時間；[η]為特性黏度；C為樣品濃度。

1.3.4 降解動力學

在單因素實驗的基礎上，以超聲功率、鹽酸濃度、COP濃度、超聲溫度為影響因素，建立COP的降解動力學模型，進行降解動力學分析，探究COP降解參數對降解速率的影響規律。

作為一種高效可行的COP降解技術，既要具有顯著的降解效果，還需要具有高效的降解速率。多糖特性黏度與其分子質量大小直接相關，反映降解技術對COP的降解效果；降解動力學分析反映降解技術的降解速率。兩者綜合分析對研究降解技術在COP上應用的可行性具有重要價值。

超聲輔助鹽酸降解對COP的降解反應是使COP分子鏈發生斷裂，導致COP生成低聚合度的片段。因此，假設此降解反應服從無規則一級降解反應，則根據聚合度建立降解動力學模型。則降解反應服從方程見式(3)。

(3)

平均分子質量與平均聚合度的關系見式(4)：

(4)

合并式(3)和式(4)得降解動力學模型，見式 (5)。

(5)

又由于MarkHouwink方程見式 (6)：

(6)

式中：η為絕對黏度；k′為0.059 6；α為0.73。

合并式 (5) 和式 (6) 得降解動力學模型，見式(7)。

(7)

式中：ηt為降解時間為t時COP絕對黏度；η0為COP原料絕對黏度；k″為不同條件下的動力學降解常數。

2 結果與討論

2.1 工藝條件對油茶籽粕多糖降解效果的影響

2.1.1 超聲功率對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

超聲功率對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖1所示。當降解時間小于120 min時，D-COP的特性黏度隨降解時間的增加而顯著降低。當降解時間在120 min后，D-COP特性黏度的降低速度均趨于緩慢。此外，超聲功率與降解效果呈正相關關系，降解效果隨超聲功率的增大而增強。當降解時間達到180 min時，超聲功率為100、150、200、250、400 W的D-COP的特性黏度從755.44 dL/g分別下降到177.52、154.44、120.72、95.03、68.12 dL/g，降解率分別為76.50%、79.56%、84.02%、87.42%、91.00%。造成這種現象的原因可能是超聲功率越大，降解能量越足，強化了超聲波的空化效應，從而增加了斷裂COP化學鍵的能量，引起降解作用加強，與此同時，空化效應的增強也加大了分子基團中分子間力的破壞作用，使分子擺脫約束，最終導致COP特性黏度降低。

圖1 超聲功率對COP特性黏度的影響

2.1.2 鹽酸濃度對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

鹽酸濃度對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖2所示。當降解時間在30～150 min范圍內時，D-COP的特性黏度隨著降解時間的增加而顯著降低。而當降解時間達到150 min及以后時，D-COP的特性黏度的降低速度均趨于緩慢。此外，鹽酸濃度與降解效果呈正相關關系，降解效果隨鹽酸濃度的增大而加強。當降解時間達到180 min時，鹽酸濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L的D-COP的特性黏度從755.44 dL/g分別下降到165.84、101.15、86.23、79.56、68.12 dL/g，降解率分別為78.05%、86.61%、88.59%、89.47%、91.00%。

2.1.3 多糖濃度對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

COP濃度對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖3所示。當降解時間在30～120 min范圍內時，D-COP的特性黏度隨降解時間的增加而顯著降低。當降解時間再增加，D-COP的特性黏度的降低趨于穩定。此外，COP溶液濃度與降解效果呈負相關關系。當降解時間達到180 min時，COP質量濃度為1、2、3、4、5 mg/mL的D-COP的特性黏度分別從755.44、800.54、807.67、852.34、865.54 dL/g分別下降到68.12、81.54、99.86、111.65、130.66 dL/g，降解率分別為91.00%、89.81%、87.64%、86.90%、84.90%。造成這種現象的原因可能是當超聲功率與鹽酸濃度不變時，單位時間內產生的總能量是恒定的，導致破壞COP糖苷鍵的數量也是恒定的，當COP濃度增加時，單位質量的COP溶液中COP的分子增多，其對單位時間內產生的能量的消耗量也不斷增加，導致降解效果反而不好。

圖2 鹽酸濃度對COP特性黏度的影響

圖3 COP質量濃度對COP特性黏度的影響

圖4 超聲溫度對COP特性黏度的影響

2.1.4 超聲溫度對油茶籽粕多糖特性黏度的影響

超聲溫度對油茶籽粕降解多糖特性黏度的影響如圖4所示。當降解時間在30～120 min范圍內時，D-COP的特性黏度隨降解時間的增加而顯著降低。當降解時間再增加，D-COP的特性黏度的降低趨于平緩。此外，超聲溫度與降解效果呈正相關關系。當降解時間達到180 min時，超聲溫度為20、30、40、50、60 ℃的D-COP的特性黏度從755.44 dL/g分別下降到209.56、161.29、112.41、85.74、68.12 dL/g，降解率分別為72.26%、78.65%、85.12%、88.65%、91.00%。造成這種現象的原因可能是當溫度升高時，單位質量的COP溶液中COP的分子變的更活躍，導致反應加快，降解效果提升。

2.2 降解動力學分析

2.2.1 不同超聲功率條件下降解動力學分析

鹽酸濃度0.5 mol/L，超聲溫度60 ℃，COP濃度1 mg/mL，超聲功率分別為100、150、200、250、400 W為條件，進行降解動力學實驗，在不同超聲功率條件下，(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化如圖5所示，不同超聲功率條件下的動力學降解速率常數k"如表1所示。不同超聲功率下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α和時間擬合曲線的R2均大于0.9，具有良好的線性關系。因此，不同超聲功率下，本降解體系反應符合一級動力學反應規律。由式 (7) 可得動力學降解常數k″與多糖降解速率成正比，因此，COP的降解速率隨著超聲功率的增加而不斷升高。

圖5 不同超聲功率條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化

表1 不同超聲功率條件下的動力學降解速率常數k″

2.2.2 不同鹽酸濃度條件下降解動力學分析

體系中鹽酸濃度會直接影響降解效果，在COP質量濃度1 mg/mL，超聲功率400 W，超聲溫度60 ℃，鹽酸濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mol/L時進行降解動力學實驗，在不同鹽酸濃度條件下(1/ηt)1/α- (1/η0)1/α隨降解時間的變化如圖6所示，不同鹽酸濃度條件下的動力學降解速率常數k"如表2所示。不同鹽酸濃度下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α和時間擬合曲線的R2均大于0.9，且具有良好的線性關系。因此，不同鹽酸濃度下，本降解體系反應符合一級動力學反應規律，COP的降解速率隨鹽酸濃度的增加大而不斷提高。

圖6 不同鹽酸濃度條件下(1/ηt)1/α- (1/η0)1/α隨降解時間的變化

表2 不同鹽酸濃度條件下的動力學降解速率常數k″

2.2.3 不同多糖濃度條件下降解動力學分析

以鹽酸濃度0.5 mol/L，超聲功率400 W，超聲溫度60 ℃，COP質量濃度分別為1、2、3、4、5 mg/mL為條件，進行降解動力學實驗，不同COP濃度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化見圖7，不同COP濃度條件下的動力學降解速率常數k"如表3所示。不同COP濃度下(1/ηt)1/α- (1/η0)1/α和降解時間擬合曲線的相關系數R2均大于0.9，具有良好的線性關系。因此，不同COP濃度下，本降解體系反應符合一級動力學反應規律。COP的降解速率隨著COP濃度的升高而不斷下降。

圖7 不同COP質量濃度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化

表3 不同COP濃度條件下的動力學降解速率常數k″

2.2.4 不同超聲溫度條件下降解動力學分析

以COP質量濃度1 mg/mL，鹽酸濃度0.5 mol/L，超聲功率400 W，超聲溫度分別為20、30、40、50、60 ℃為條件，進行降解動力學實驗，不同超聲溫度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化見圖8，不同超聲溫度條件下的動力學降解速率常數k″如表4所示。不同超聲溫度下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α和降解時間擬合曲線的相關系數R2均大于0.9，具有良好的線性關系。因此，不同超聲溫度下，本降解體系反應符合一級動力學反應規律，COP的降解速率隨著超聲溫度的升高而不斷升高。

圖8 不同超聲溫度條件下(1/ηt)1/α-(1/η0)1/α隨降解時間的變化

表4 不同超聲溫度條件下的動力學降解速率常數k″

2.2.5 降解活化能

COP超聲輔助鹽酸作用下的降解表觀活化能(Ea) 可以通過Arrhenius方程得到式(8)：

lnk= lnA-Ea/RT

(8)

式中：A為Arrhenius常數；R為氣體常數，8.314 J/mol K；T為絕對溫度/K。

以表4數據為基礎，繪制lnk與1/T之間的關系曲線，結合Arrhenius方程，可計算出超聲輔助鹽酸降解COP反應的活化能Ea為49.53 kJ/mol，初步認為超聲輔助鹽酸降解方法優于酶解法[13]。

3 結論

超聲輔助鹽酸降解油茶籽粕多糖符合一級動力學反應方程。超聲功率、鹽酸濃度、超聲溫度與多糖的降解效果呈正相關關系，降解效果隨超聲功率、鹽酸濃度、超聲溫度的增大而增強；COP溶液濃度與多糖的降解效果呈負相關關系，降解效果隨COP溶液濃度的增大而減弱。

以動力學方程為基礎，通過Arrhenius方程，計算出超聲輔助鹽酸降解COP反應的活化能為49.53 kJ/mol。通過動力學分析及特性黏度的綜合評價表明，超聲輔助鹽酸降解COP是一種高效可行的降解技術，既有顯著的降解效果，又有高效的降解速率。