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乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响

发布日期:2014-11-01 10:24:10
乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响研究
乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响:
乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannaiij KGM)是商业上唯一可靠的葡甘聚糖来源, 广泛应用于食品、医药、化工等领域,其分子链上含量甚微的乙酰基(每19个糖残 基上才有1个乙酿基)对其空间构象、分子间的组装行为有重要的影响。KGM与黄 原胶(Xanthan)是多糖间协同增效作用的典型代表。本文通过均相脱乙酰制备得到 脱乙酰度(DegreeofDeacetylation,DD)从低至高的系列样品,对脱乙酰魔芋葡甘 聚糖(Deacetylated Konjac Glucomannan,DKGM)的制备方法、结构变化、流变性 能、凝胶和成膜特性,以及其与黄原胶共混物性能的变化进行了研究。区别于完全 脱乙酰的过往研究,本文试图描述KGM脱乙酰过程中的细微变化规律,为发掘KGM 的新用途提供依据。
主要研究内容与结果如下:
1.筛选获得Na2C03作为脱乙酰剂,25°C下对KGM溶胶进行脱乙酰改性,获得 了 DD从0.00%到75.49%的DKGM样品。随DD的增大,样品的结晶度和热稳定性 增加,疏水性增强,吸水量大大降低,酶解速率被延缓。部分脱乙酰KGM在需要 高KGM添加量的食品制造方面,具有应用前景。
2.无论是否进行脱乙酰改性,KGM均表现出非牛顿流体的特性。随着DD的增 大,KGM溶胶的零剪切粘度呈增加趋势,分子间作用增强,但屈应力表现为:低脱 乙酰度〈未脱乙酰〈高脱乙酰度样品。63.79%是1%KGM溶胶发生凝胶转变的临界 脱乙酰度。随着DD的增大,溶液的弹性模量(G’)显著增大;相转变点向低频移 动;Tm向低温移动;时间扫描测试中高DD的KGM样品弹性模量随时间的延长持 续增大,组装行为表现出更为明显的刺激-相应性,具有作为智能凝胶材料应用的潜 力。
3.KGM与Xanthan共混溶胶同样表现出非牛顿流体的特性,其动态黏弹性质的 变化趋势与单一 KGM相似。KGM分子链上的一部分乙酰基脱除后,其与Xanthan 的有序组装得以加强,表现出更为明显的协同效应;但当DD超过KGM自身的溶 胶-凝胶转变点以后,或因KGM自身簇集的增强,其与Xanthan的有序组装反而被 抑制,体现出两类相变行为的复杂耦合效应。
4.随着DD的增大,KGM凝胶的硬度、咀嚼度和回复性呈增大趋势,弹性、
内聚性无显著变化,黏附性则不断减小。表明DKGM越来越倾向于更为有序的组装, 从而加强了凝胶的网络结构,降低了凝胶的持水性。KGM与黄原胶共混凝胶的特性 表明,二者协同凝胶作用也随着KGM脱乙酰度的增加而增强,并且加入黄原胶后, 离子型多糖的次级作用可以改善脱乙酰KGM凝胶的持水性能。
5.DKGM膜的晶型结构、官能团分布与相同脱乙酰度的冻干粉末差别不大,而 受到组装方式和热历史的差别的影响,热稳定性明显不同。在溶剂挥发,浓度提高 的过程中,DKGM溶胶的DD越高,溶胶-凝胶转变发生的就越快,继而导致分子链 的运动和组装受到限制,宏观表现为膜微观形貌的粗糙度增大,力学性能、吸湿、 溶胀、水蒸气透过性能等与KGM膜相比出现较大的区别。适度减少乙酰基的含量 可以显著提高膜的耐水性、拉伸强度、吸湿性和透光率,但过度脱乙酰则会因KGM 对刺激的响应性过为敏感,而影响成膜过程中的组装进程,降低膜的均一性和机械 强度。
6.KGM的脱乙酰度在38.45%左右,DKGM-Xanthan共混膜的断裂强度、透光
率和溶胀性达到最大值,吸湿性最小,相容性最好。红外图谱显示,KGM脱乙酰度 较低时两种多糖之间有较强的氢键相互作用。若DD继续增大,KGM更倾向于发生 自身分子链的簇集,不利结构完整的共混膜的形成,出现与Xanthan相分离的行为, 表现为SEM观测中出现相分离形貌,透明度下降,XRD测试中出现由KGM自身 分子簇集组装形成的结晶峰,TGA测试显示热稳定性增加。
第一章前言
乙酰基(acetyl)存在于很多天然或合成化合物中,既包括小分子的乙酰水杨 酸、对乙酰氨基酚、乙酰胆碱等,也有大分子的蛋白质、多糖等。乙醜基的结构虽 然很简单,却可以对化合物的理化性质与生物学活性造成很大的影响。蛋白质的乙 酰化修饰是研究最早的蛋白质修饰方法之一,和磷酸化修饰、甲基化修饰等一样可 以对细胞内的各类通路进行精确的调节与控制。继对核酸、蛋白质的研究热潮之后, 多糖作为生命大分子的地位越来越受到重视。影响多糖活性的因素包括主链性质、 支链性质以及分子高级结构。小分子基团的引入与移除可以改变糖链的性质与高级 结构,从而影响到多糖的理化性质和生物活性。
和蛋白质一样,多糖链上也有乙酰基的存在,并且乙酰基的类型、与糖残基的 链接位点、含量多少都会对多糖的性质产生很大影响。多糖链上的乙1基有0-乙酰 基与N-乙酿基两种。前者如葡甘聚糖、结冷胶、芦荟多糖、白芨多糖等,后者的代 表则是壳聚糖。N-乙酰基与多糖对细胞的的粘附性有关(张亚红,2007),可能是糖链 电负性的改变导致的。一般而言,糖残基的C-3位羟基酯化连接有乙酰基时多糖的 抗肿瘤活性最强,酯化位点在C-5位上时活性显著减弱,而轻基全部酯化后活性消 失,推测这可能是由于乙酰基改变了多糖分子的定向性和横次序,从而改变了糖链 的空间排布,结构的改变导致了生理活性的相应变化(方积年,1986)。乙酰基的数目 与多糖的溶解性存在着一定的相关性,经过乙酰化处理的纤维素可以溶解于多种有 机溶剂,而甲壳素则需要脱除50%的乙酰基才能成为具有水溶性的壳聚糖,目前更 有研究发现,对于魔芋葡甘聚糖而言,乙酰基数目的增大或减少均有损与其良好的 亲水性,似乎只在一个极为狭窄的乙酰度范围内多糖才具有水溶性(Gao and Nishinari,2004a» b; Huang et al.,2002)。乙酰化程度还可以影响到多糖之间的协同作 用、多糖的凝胶性、结晶性以及热稳定性等等(Lin etal.,2010;李斌和谢笔钧,2002; 王鹏等,2005;朱黎萍,2008)。
1魔芋葡甘聚糖中的乙酰基
1.1魔芋葡甘聚糖的结构
自然界中含有丰富的葡甘露聚糖,其中最为重要的一种是从天南星科植物魔芋 的块莲中提取的魔芋葡甘聚糖,它是一种水溶性膳食纤维,是日本、中国和东南亚 一些国家的一种传统食物原料。魔芋葡甘聚糖由D-葡萄糖与D-甘露糖通过 糖苷键按1: 1.6或1: 1.4的摩尔比连接而成,魔芋的品种、栽培环境以及多糖的提 取方法都可能会导致其组成比例在一定范围内的变化。主链上每19个糖残基有1个 乙酰基通过酯键与C6相连,由于原料来源与处理方法的不同,主链糖残基乙酰化 程度不同((Maekaji,1978;寺岡千恵子和前梶健治,2007)。而关于支链的链接方式 则存在分歧,Maeda (1980)认为在甘露糖的C-3位上存在有支链,Katsuraya等人 (Katsuraya et al.,2003; Zhang et al.,2005)通过核磁共振和分析认为支链在主链葡糖 基的C-6位有P-(l—6)糖苷键链接的支链。根据主流研究结论,魔芋葡甘聚糖的一 级结构如图1-1所示。
 
魔芋葡甘聚糖的分子量可以达到105至106数量级,李斌(2002)研究得到中国产 花魔芋来源的KGM重均分子量、分布宽度指数、多分散系数分别为1.03X106、 2.1xl〇5、1.04;链径、链长、支化度分别为0.74nm、1054mn和0.02。25°C水溶液 中的Mark-Houwink方程为[n]=5.96xl(T2Mwa73, a=0.73,表明水溶液中其分子链 为伸展的有一定刚性半柔顺直链分子。X射线衍射显示KGM分子链为伸展的二折 螺旋形结构,结晶度16.1%,主要呈无定形状态,远程无序,近程有序。分子链的
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远程结构影响着KGM分子链的柔顺性,使其水溶液具有高弹性(范江洋,2007;刘锋, 2010)。
1.2魔芋葡甘聚糖中的乙酰基对性能的影响
1.2.1凝胶性
魔芋葡甘聚糖凝胶特性的应用历史悠久,可以追溯到公元250-306年《蜀都赋》 的记载,将KGM溶液与碱一起加热可以形成热不可逆的弹性凝胶。Maekaji(1978) 通过红外吸取光谱首先证实,KGM凝胶的形成与其分子链上乙酰基的变化密切相 关。KGM加碱处理后,红外吸取光谱中位于1730 cm'1左右的乙酰基上裁基的振动 吸取峰显著减弱或消失,每克KGM可消耗0.33mm〇l的碱,同时生成相当数量的乙 酸,反应活化能为lOkcahnor1; Maekaji还认为KGM乙酰基的含量与其凝胶的形 成之间存在着量化关系,完全脱除乙酰基的KGM的最低凝胶浓度约为0.5%,而当 浓度在8%以上时,不进行碱处理就可以自发形成凝胶。除乙酰基含量外,KGM凝 胶的性质还会受到原料分子量、反应体系的浓度、脱乙酰剂的种类以及反应温度等 诸多因素的影响(Alonso-Sande et al.,2009)。
近年来有关KGM脱乙酰凝胶机理的研究较为活跃,研究者们运用动态粘弹、 固态核磁、荧光探针、AFM以及CD等诸多方法手段研究了 KGM脱乙酰凝胶机理 (Chenetal.,2011;李斌和谢笔钧,2002,2005;朱黎萍,2008)。脱乙酰KGM凝胶不同 于氢键驱动的其他凝胶多糖,温度条件对凝胶的影响极为有限,说明氢键不可能是 凝胶形成的唯一驱动力。尽管KGM分子中缺乏显著的疏水侧基,但却显示出一定 的疏水特性(Yin et al.,2008)。Sundari等有关糖环疏水面堆积导致微疏水区形成的推 测为KGM这样的不含有疏水取代基团的凝胶中疏水相互作用的存在提供了理论依 据(Sundari and Balasubramanian^ 1997)。Chen Jian 和朱黎萍(Chenj Li and Li,2011;朱 黎萍,2008)认为,氢键和疏水相互作用在KGM凝胶的形成中均发挥了作用,而对 于脱乙酰KGM凝胶而言,疏水相互作用的地位更为重要,脱乙酰度的提高有助于 凝胶形成中疏水相互作用的加强。
当KGM浓度较高时,或者低浓度下与黄原胶等其他胶体共混的条件下,碱都 不是形成凝胶的必需条件。庞杰(1999)等认为脱除乙酰基后,KGM分子间的空间 位阻效应减弱,由于氢键等分子间作用力,分子发生聚集,在分子间形成节点或网 络结构,即形成凝胶。
1.2.2溶解性
KGM具有良好的水溶性,而以由糖昔键线性连接的葡聚糖(纤维素) 和甘露聚糖由于分子内和分子间存在大量的氢键缔合而不溶于水。有研究者认为 KGM分子上存在的支链阻碍了分子间缔合,并增加了溶剂化作用(HwangandKokini, 1991);另一种观点则认为KGM的水溶性是分子上存在的乙酰基赋予的,乙酰基的 空间位阻效应阻碍了 KGM分子内和分子间氢键的形成(Dea et al.,1977; Dea and Morrison,1975)。后一种观点越来越得到广泛的认可,乙酰基的存在赋予生物大分子 以水溶性的现象普遍存在,并且KGM经碱处理后因为乙酰基脱除,7JC溶性大大降 低。
1.2.3结晶性
Sakuada (1933)等发现,天然KGM的X-射线衍射分析结果显示为近似无定形 状态的a-光谱,而对KGM进行乙醇脱水、加热或脱乙酰处理溶解性下降后,转变 为P-光谱(结晶性)。Yui等发现乙酰基的存在对KGM的结晶化进行并无阻碍作用, 并进一步比较了未经任何处理和经退火处理的乙酷化的KGM,其纤维的衍射分别为 三股螺旋和双股螺旋结构(Yui et al.,1992)。之后大量的对不同状态的天然或脱乙酰 KGM 的 X-射线衍射和 NMR 研究(Chandrasekaran,1998; Gidley et al.,1991; Yui, 0^^^311£18311【〇,1992)进一步证实乙酰基与结晶区域无关,据此,]^811111311等推测, KGM结晶部分由是由缺乏乙酰基的链段组成的(Nishinarietal.,1992)。联系到脱乙 酰改性对凝胶形成的促进作用,可以猜测,乙酰基缺乏链段增多,体系的空间位阻 减小,将有利于分子内和分子间缔合区域的形成。
1.2.4成膜性
魔芋葡甘聚糖具有很好的成膜性能,可以单独或与多种天然和合成高分子共混 形成具有一定透明度的膜材料。KGM单一膜在应用中的最大问题是水溶性过强,遇  
水迅速溶蚀,通过对KGM进行适当的化学修饰或共混改性可以调节膜材料的性能, 以适应更广泛的应用需要。
KGM经碱改性后膜的性能发生显著改变,使用NaOH对KGM溶胶进行处理, 随加碱量的增加,拉伸强度成“S”型变化趋势,即先迅速增大,达到峰值后又明显 回落;断裂伸长率和吸湿增重均呈减小趋势,吸湿增重最多可以减少一半以上,材 料的耐水性大大提高。李波(李波和谢笔钧,2005;王文果,2006)等认为这一变化说明 乙酿基的脱除导致了 KGM分子链的聚集态结构发生了变化。
2度芋葡甘聚糖涉及乙酿基的改性
2.1乙酰化改性
KGM的乙酰化是利用乙酰化剂与KGM糖残基上的羟基发生酯化发应,增加分 子链上乙酰基的含量。常用的乙醜化试剂是醋酸酐,以卩比啶(Gao and Nishinari,2004b; Koroskenyi and McCarthy, 2001)或甲擴酸(Lin and He,2010)作为反应的催化剂。乙醜 基的存在通常被认为可以赋予生物大分子以水溶性,如乙酰化的纤维素和淀粉具有 水溶性,水溶性的半纤维素脱乙酰后丧失水溶性。对于具有良好水溶性的KGM而 言,吸水率随乙酰度的增加明显递减,羟基的乙酰基取代度达到3,吸水量可以从 105.4g/g 减至 1.0g/g(Koroskenyi and McCarthy,2001)。
2.2脱乙酰改性
在诸多改性方法中,脱乙酰是一种制备最为简单,反应最为温和,对原料性质 改变也相对较大的修饰方法。在KGM水溶液中加入过量的碱并适度加热即发生脱 乙酰反应生成热不可逆凝胶,乙酰基的脱除程度与加碱量具有剂量关系。由于强碱 可能会引起其他副反应,故多采用Na2C03、Ca(OH)2等弱碱。水溶液体系具有反应 温和、产物均一、污染小的优点,但由于KGM高粘度的特点,反应物的浓度受到 限制,反应效率较低。
潘志东在固相条件下加入碱作为脱乙酰剂,利用机械力的活化作用对KGM进 行脱乙酰改性(贺珂等,2009;潘志东,2011),振动球磨作用下,KGM颗粒减小,分 子缺陷増多,导致反应位点的暴露增加,反应物脱离热力学平衡状态,反应的活化
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能降低。经机械力脱乙酰的KGM水溶性反而增大,可能是反应不均匀以及产物的 缺陷增加导致的。刘峰等人利用KGM在乙醇溶液中不能溶解只能溶胀的特性,采 用反向悬浮法制备脱乙酰KGM,获得了具有不同脱乙酰度的KGM粉末样品,样品 的溶解性随乙酰基的减少而减弱(Chens Li and Li,2011;刘锋,2010)。这两种方法的 优点在于可以一次性制备大量样品,但另一方面,获得的产物不够均匀,可能难以 准确反应乙酰基数目对KGM性质的影响。
2.3改性产物的应用
对KGM的乙酰基进行增加或脱除的改性,其改性产物在食品、医药、化工领 域都有应用价值。
Koroskenyi等利用醋酸酐在NaOH的活化作用下对KGM进行改性,可以得到 安全无毒的乙酰化产物,大大降低了多糖的亲水性,有望开发成为保健品或药物载 体(Koroskenyi and McCarthy,2001)。加入抑菌剂的脱乙酰KGM膜材料作为可食性膜 材料可以用于食品的包装和保鲜(王文果,2006)。反相悬浮可控脱乙酰技术制得的 DKGM亲水性降低,疏水大大增强,对单宁有极强的吸附能力,可以在碱性条件下 循环使用,是一种高效的生物质单宁吸附材料(Liu etal., 2010;刘锋,2010)。脱乙酰 KGM凝胶呈中性,弹性强,透明性好,电内渗低,是凝胶电泳基质的可选材料。朱 黎萍等将脱乙酰KGM与琼脂糖共混凝胶作为DNA凝胶电泳分离基质,较单一的琼 脂糖凝胶电内渗值显著降低,高电压下扩散系数的增大而引起的条带增宽现象得到 抑制,DNA迁移率有所增大,电泳较短时间即能获得高分辨率的图像(朱黎萍,2008)。 Alvarez(Alvarez-Mancefiido et al.,2008a, b)和 Penroj (Penroj et al.,2005)分别利用 KGM分子上乙酰基数目对其与其他多糖共混性能的影响,将乙酰化程度不同的 KGM分别与黄原胶和卡拉胶共混,将得到的共混凝胶用于小分子药物的控释。 Alvarez比较了三种不同来源的,分子量和组成非常相近,仅乙酰基含量不同的KGM 与Xanthan共混凝胶的性质,发现总浓度0.5%的乙酰化程度较高的KGM与Xanthan 1: 1共混物可以在生理温度下形成凝胶,用于药物的控释;而乙酰基含量极少的 KGM与Xanthan共混物不能形成凝胶(Alvarez-Mancefiido et al.,2008a)。对于共混多 糖压片的研究发现(Alvarez-Manceflido et al.,2008b):乙酸化程度较高的KGM与 Xanthan共混多糖对0-甘露聚糖酶较为敏感,在24h内可以完全释放负载药物;而
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乙酰基含量极少的KGM与Xanthan共混压片溶胀性差,对0 -甘露聚糖酶的响应大 大降低。Penroj (2005)的研究发现,KGM经脱乙酰改性,与卡拉胶的协同性增强, 共混凝胶的弹性有所提高,且受温度的影响较小。
3魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混体系
共混是改变单一高分子缺陷,修饰应用性能的绿色、有效方式,。共混多糖的协 效类型主要取决于两个方面,一是多糖分子链的柔顺性和拓扑结构的区别(Schorseh 过〇1.,1997);二是多糖分子离子性质的影响(八11皿1>16过〇1.,1994)。其中,魔芋葡甘聚 糖与黄原胶是多糖间协同增效作用的典型代表,协同机理的研究已经较为明确。
3.1黄原胶的结构
黄原胶是一种应用广泛的微生物胞外多糖,由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖 醛酸、乙酸以及丙酮酸组成“五糖重复单元”,分子比2.8: 3: 2: 1.7: 0, 51-0.63。 其分子的一级结构由P-1,4糖苷键链接的D-葡萄糖主链和含三个糖单元的侧链组 成,侧链则由D-甘露糖和一个D-葡萄糖醛酸交替链接而成,分子比2: 1。以a-1,
3键与主链相连的甘露糖中部分在C-6位点连接有乙酰基基团,部分侧链末端的甘 露糖4、6位C上以缩醛形式连接一个丙酮酸基团。二级结构是由侧链绕主链骨架 反向缠绕,通过氢键、静电力和空间位阻效应维持的的棒状螺旋结构。双螺旋又可 以依靠微弱的共价键形成三维网状立体结构(Mao et al.,2012)。
天然黄原胶在水溶液中具有较为规整的螺旋结构;经长时间热处理后螺旋链变 为伸展的无规线团,该温度成为构象转变温度;冷却后则出现螺旋和线团结构共存 的体系(Mao etal.,2012)。其有序-无序转变温度(Tffl)随离子强度的提高而升高(詹 东风,1997)。黄原胶在许多苛刻的条件下(pH、温度、盐)都具有较好的稳定性。 在10-80°C范围内或pH2-12之间水溶液的粘度几乎没有变化,当pH大于9或小于3 时会分别脱去乙酰基和丙酮酸基团,但对粘度的影响也非常有限。黄原胶还不能被 人体消化道内的酶降解。
3.2魔芋葡甘聚糖与黄原胶的协同机理
KGM与Xanthan均为非凝胶多糖,若在大于黄原胶Tm的温度下对共混物进行 处理,待体系降至室温则可以形成凝胶。室温下共混物虽不能形成凝胶,但粘度远 高于两种单一溶胶粘度之和;若加入盐使黄原胶的Tm增大,则混合物加热也无法凝 胶(詹东风,1997)。可见黄原胶的分子构象对共混物的凝胶性有重要影响,Xanthan 处于无规线团状态时共混物的分子间的相互作用更强。其凝胶机理如图所示,KGM 与Xanthan的分子主链具有相似的结构,共混时部分链段发生嵌合,形成三维凝胶 网络。当Xanthan处于双螺旋结构时,暴露出的主链链段较少,相互作用有限;在 Tm以上进行处理,无规线团结构更为松散,有利于两种高分子主链的簇集,形成三 维网状结构,温度降低后形成热可逆凝胶(Mao etal.,2012)。
Double helix of Xanthan
 
Disordered Xanthan
Figl-2. The schematic representation of the binding of KGM to Xanthan (G and M stand for glucose and mannose residues,respectively).
3.3魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混体系的应用
KGM与Xanthan共混凝胶在食品加工中有广泛的应用,可以作为增稠剂、乳化 稳定剂、保水剂等。KGM与Xanthan均是天然高分子,本身即是食品原料,具有良 好的生物相容性,并且均不能被胃与小肠中的酶降解,KGM只有在到达结肠后,才 可以被结肠中微生物产生的P-甘露聚糖酶所降解(魏钊华,2010)。近来,有许多研究 者尝试将这两种多糖应用于结肠定位药物载体的研制。范江洋等分别研究了单一 KGM和Xanthan以及两者共混物制备的结肠定位包芯片对西咪替丁的释放效果, KGM在模拟结肠液中表现出良好的酶响应性,但多糖的亲水性导致其在胃和小肠模 拟液中阻滞作用不够,药物提前释放;Xanthan可以减少药物的泄露,但无酶响应性。  
共混多糖可以达到良好的结肠定位效果(Alvarez-Mancefiido et al.,2008aj b; Fan et al., 2008)。还可以通过改变共混凝胶的pH值改变其凝胶-溶胶转变温度,获得人体体温 响应的释放基质(Agoub et al.,2007)。Zhang 等("Vlng qing et al.,2010)发现 KGM 与 Xanthan的共混凝胶具有良好的生物粘附和控释性能,在粘膜胶粘剂和透皮给药系统 上具有潜在的应用价值。
4本课题研究目的、主要研究内容、意义与创新点
4.1目的
本实验室在魔芋葡甘聚糖的化学改性、物理共混、凝胶机理以及相行为的研究 中积累了一些经验和方法。魔芋葡甘聚糖的脱乙酰改性是一种制备相对简单,而对 原料物性改变相对很大的修饰方法。
现有的研究常常将其乙酰基完全脱除,尚未关注乙酰基逐渐减少过程中,KGM 的性能的变化特点和趋势,更未涉及脱乙酰魔芋葡甘聚糖微观分子结构和分子间相 互作用力的变化对在各类条件下的组装行为及由此决定的材料性能的影响。
黄原胶与魔芋葡甘聚糖的协同作用是天然高分子协同增效现象的一个典型范 例,但对不同乙酰基含量的魔芋葡甘聚糖与黄原胶的共混体系缺乏研究。乙酰基数 目的改变是可以进一步增加协效性,还是相反的会削弱协效性,抑或在KGM的某 个脱乙酰度具有特异性?这些问题尚无答案,缺乏有关对这两类凝胶共存条件下复 杂组装行为的阐述。
基于如上两点大家迫切希望探究的问题,论文拟按照以下技术路线开展研究, 以初步揭示脱乙酰进程对魔芋葡甘聚糖组装行为及其性能的影响。 
 
4.2主要研究内容
1采用水溶液均相法制备不同脱乙酰度魔芋葡甘聚糖,探讨脱乙酰剂、反应温度、 反应时间等因素对产物的影响,确定脱乙酰剂与终产物乙酰基含量的剂量关系,对 脱乙酰产物进行初步分析。
2制备不同脱乙酰度魔芋葡甘聚糖并与黄原胶共混,分别采用流变学和质构的方法 探讨不同乙酰基含量对魔芋葡甘聚糖及其与黄原胶复合体系溶胶-凝胶特性的影响。
3将不同脱乙酰度魔芋葡甘聚糖流延成膜,对膜材料的性质进行测定,考察乙酰基 含量对膜材料性能及结构的影响。
4制备脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混膜,对两者的协同效果与相容性进行探讨, 对乙酰基影响二者协同作用的机制进行讨论。
4.3意义与创新点
1系统研究了均相脱乙酰过程中魔芋葡甘聚糖的溶胶、凝胶、成膜特性,为深 入了解魔芋脱乙醜过程中可能发生的效应提供直接的信息,也可能为科学利用魔芋 葡甘聚糖上微量乙酿基的显著调控作用,生产所需要的特定产物提供可靠依据。
2、系统研究了脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混产物的的溶胶、凝胶、成膜特 性,一方面可以引导这类共混材料的应用,另一方面也为深入了解二者协效性的相 关机制提供新的视角。
3、揭示脱乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单一相变及其多相变耦合中组装行为的影 响,为食物大分子对食品质地的影响的研究提供参考。
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第二章脱乙酰魔芋葡甘聚糖的均相制备与结构表征 1引言
魔芋葡甘聚糖是我国的一种特色资源,是自然界中已知的粘度最高的植物胶之 一(李斌和谢笔钧,2005),在食品、医药、日化等领域有广泛的应用。KGM主链由 D-葡萄糖与D-甘露糖通过p-(l—4)糖苷键按1: 1.6或1: 1.7的摩尔比连接而成, Maeda认为在甘露糖的C-3位上以卩-(1—3)糖苷键连接有11 — 16个甘露糖的支链 (Maedaetal., 1980),主链上约每19个糖残基有1个乙酰基通过酯键与六位碳相连, 主链糖残基乙酰化程度为5%?10%((Maekaji, 1978;寺岡千恵子和前梶健治,2007)。
KGM中乙酰基数量虽然不多,但对分子的形貌、分子链的空间构象、理化性质 以及生物活性有重要的影响,脱乙酰改性的重要性早已引起了人们的关注。初期的 研究多使用过量的碱作为脱乙酰剂,在水溶液的均相体系中将KGM分子链上的乙 酰基彻底脱除(李斌和谢笔钧,2002;王文果,2006;朱黎萍,2008)。随着研究的深入, 人们认识到糖残基分布不过10%的乙酰基对KGM性质的影响具有一定的复杂性, 含量渐变的过程中性质的变化也可能具有一定的规律性。有研究者将非均相体系、 固相体系引入到梯度脱乙酰的KGM的制备中来,探讨了性质随含量的变化趋势 (ChenandLi,2011;刘锋,2010;潘志东,2011)。但在固相和非均相体系中,KGM分 子链处于结晶态或半舒展的状态,可供反应的乙酰基位点难以完全暴露出来,反应 物的均一性难以证实,有可能导致分析结果的偏差。
本章以碱作为脱乙酰剂,采用水溶液均相法对KGM进行处理,探讨反应的影 响因素,制备得到不同脱乙酰度(DD)的KGM样品;对样品吸水性、酶解性能的 变化进行测定,并利用FT-IR、TGA、XRD等手段对产物进行表征。
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2材料与方法
2.1实验材料 2.1.1材料与试剂
魔芋胶食品级湖北强森魔芋科技有限企业
p-甘露聚糖酶食品级百福进出口贸易企业
无水乙醇AR国药集团化学试剂有限企业
NaH2P04AR国药集团化学试剂有限企业
Na2HP04AR国药集团化学试剂有限企业
NaOHAR国药集团化学试剂有限企业
Ca(OH)2AR国药集团化学试剂有限企业
Na2〇〇3AR国药集团化学试剂有限企业
HC1AR国药集团化学试剂有限企业
KOHAR国药集团化学试剂有限企业
酚酞BS中国医药集团上海化学试剂企业
2.1.2主要仪器
精密增力电动搅拌器JJ-1常州国华电器有限企业
电热干燥箱DL102 型天津市实验仪器厂
电子分析天平BSA124S-CW德国Sartorius企业
电子天平BL310德国Sartorius企业
离心机TDL-5A上海化工机械厂有限企业
数显恒温振荡器SHZ-82A国华电器有限企业
数显恒温水浴锅HH-4国华电器有限企业
真空冷冻干燥机Beto2_8LD德国CHRIST
数显pH计UB-7北京赛多利斯仪器系统有限企业
傅立叶红外光谱仪NEXUS 470美国Nicolet企业
扫描电镜X-650日本Hitachi企业
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D/MAX-EIA日本 Rigaku 企业
X-射线衍射仪 热重分析仪
TGA-20000美国 PREISER 企业
2.2实验方法 2.2.1魔芋胶的纯化
称取适量魔芋胶于烧杯中,加入浓度为45%(v/v)乙醇,机械搅拌lh使其充分溶 胀后真空栗抽滤,随后再依次用75%、95%以及无水乙醇重复以上洗漆步骤。将所 得产物放置于自然条件下挥干乙醇,用研体适当研磨,得到白色粉末状样品。将所 得粉末过100目筛,置于40°C下真空干燥8h,用自封袋密封保存。
2.2.2DKGM脱乙酰度的测定
经脱乙酰反应后魔芋葡甘聚糖分子中脱除掉的乙醜基与反应前分子中的乙酰基 含量的比值即为魔芋葡甘聚糖的脱乙酰度,其测定方法参考(Chen et al.,2011; Gao and Nishinari,2004a; Koroskenyi and McCarthy, 2001)等测定其他多糖脱乙醜度的方 法并加以改进。具体操作步骤如下:使用分析天平精确称取l.OOOg待测样品于三角 烧瓶中,加入50ml 50%(v/v)乙醇溶液,50°C下水浴lh使其充分溶胀,加入lml 0.5mol/L KOH溶液,震荡均勻,封口膜密封防止水分蒸发,之后将三角烧瓶置于30°C 数显恒温水浴振荡器中皂化48h。皂化完毕,待样品溶液冷却至室温,滴加酚酞作 为滴定指示剂,用0.02mol/L的标准HC1溶液滴定未被消耗的碱,对每组样品重复 三次上述实验,实验结果取平均值。
经2.2.1方法纯化后的魔芋胶中总乙酰基的含量按式2-1计算:
 
式(2-1与2-2)中:
 
魔芋葡甘聚糖脱乙酰度按式2-2计算
(式 2-1)
(式 2-2)
V—空白实验组所消耗的盐酸标准溶液的体积(ml)
Vi——纯化后的魔芋胶所消耗的盐酸标准溶液的体积(ml)
V2—实验组所消耗的盐酸标准溶液的体积(ml) co—纯化后的魔芋胶的水分含量(%)
0)1—-实验组魔芋胶的水分含量(%)
2.2.3均相脱乙酰反应的影响因素
精确称取适量碱,加入到蒸馈水中,待碱完全溶解后加入魔芋胶,使溶液中KGM 的浓度为1% (w/w),室温下机械搅拌2h,得到均匀的KGM溶液。上述溶液在水 浴锅中反应一段时间后,加入相同体积的无水乙醇,充分搅拌后4000r/min离心 lOmin,得到絮状沉淀,对获得的沉淀用无水乙醇重复洗涤2次,再依次用2倍体积 的蒸溜水和2倍体积的无水乙醇交替洗漆,直至洗脱液pH为7。将沉淀物置于真空 冷冻干燥机中冷冻干燥40h,最终获得的絮状样品密封保存于干燥器中。
2.2.4不同脱乙酰度KGM的制备
精确称取适量Na2C03,加入到蒸馏水中,待碱完全溶解后加入魔芋胶,使溶液 中KGM的浓度为1% (w/w),室温下机械搅拌2h,得到均匀的KGM溶液。上述 溶液在室温下(25°C)中反应10h后,加入相同体积的无水乙醇,充分搅拌后4000r/min 离心lOmin,得到絮状沉淀,对获得的沉淀用无水乙醇重复洗涤2次,再依次用2 倍体积的蒸馏水和2倍体积的无水乙醇交替洗漆,直至洗脱液pH为7。将沉淀物置 于真空冷冻干燥机中冷冻干燥40h,最终获得的海绵状样品密封保存于干燥器中。
通过改变加入的Na2C03的质量,可以获得一组梯度脱乙酰度的KGM样品,依 次标记为DKO、DK1、DK2、DK3、DK4,经测定,对应的脱乙酰度分别为:0.00%、 37.30%、45.67%、63.79%、75.49%。
2.2.5DKGM吸水性测定
精确称取2.3.4方法制得的不同脱乙酰度的干燥样品DKO、DK1、DK2、DK3、 DK4各l.Og,放入离心管中,称重。加入去离子水,静止lh后,将混合物3500r/min 离心20min。小心移除上层清夜,再次对离心管及其中沉淀称重。对每组样品重复 三次上述实验,实验结果取平均值。
吸水性按式2-3计算:
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Water absorbency (g/g) = (m_i.〇m。)(式 2-3 )
式(2-3)中:
m〇——离心前离心管与样品总质量(g) m—离心后离心管与沉淀总质量(g)
2.2.6 DKGM酶解性测定
精确称取2.3.4方法制得的不同脱乙酰度的干燥样品DKO、DK1、DK2、DK3、 DK4各10g于离心管中,称重。加入50ml含有甘露聚糖酶的pH为7.0的磷酸缓冲 液,酶活为O.llOU.mT1。37°C下置于100r/min的摇床中孵育20min,加热到80°C, 保持lOmin使酶失活,终止酶解。3500r/min离心20min,小心移除上层清夜,将离
心管烘干后再次称重。对每组样品重复三次上述实验,实验结果取平均值。
酶解性按式2-4计算:
Degradation rate (%) =~^^xl〇〇%(式 2-4)
式(2-4)中:
mi——酶解前离心管与干燥样品总质量(g) m2——离心后离心管与沉淀总质量(g)
2.3不同脱乙酰度KGM的结构表征 2.3.1傅立叶变换红外光谱(FT-IR)
将2.3.4方法制得的不同脱乙酰度的干燥样品与KBr按约1: 100比例充分混合 研磨后,20Mpa压力下压片3min。用NicoletNEXUS-470型傅立叶红外光谱仪对压 好的片进行扫描,扫描光谱范围为^OOcnfUoOcm'仪器分辨率lecirf1,扫描次 数32,每个样品先以空气为背景进行扫描,扣除背景,经由OMNIC分析App包分 析获得数据结果。
2.3.2热重分析(TGA)
采用PREISER TGA-20000型热重分析仪对样品的热稳定性进行研究。将2.3.4
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方法制得的不同脱乙酰度的样品60°C真空干燥24h,使水分含量平衡。在氮气条件 下,以10°C/min的速度升温,测定温度为30°C-500°C,记录失重曲线。
2.3.3X射线衍射(XRD)
将2.3.4方法制得的不同脱乙酰度的干燥样品研磨成粉末,过100目筛,采用 Rigaku D/MAXRB型X-射线衍射仪对粉末的结晶性进行测定。测定条件为:Cu耙, 2〇°〇,电压4〇1^,管流4〇11^,步长〇.〇2°,扫描速度1〇°/〇1111,扫描角度(20)5-6〇°。
3结果与分析
3.1 KGM均相碱脱乙酰反应影响因素的研究
由式2-1计算可知经2.2.1方法纯化后的魔芋胶中总乙酰基的含量为 0.372mmol/g,即完全脱除lgKGM中的乙酰基需要消耗0.372mmol的0『。该结果 与Maekaji和Chen (Chen et al., 2011; Maekaji,1978)等人的研究较为接近。按照化学 剂量关系计算,相当于 HlKGM: mNaOH= 77: 1、mKGM: m〇a(〇H>= 82: 1、mKGM: niNa2C〇3= 57:1时,各种碱所提供OH•与乙酰基摩尔比为1:1。
KGM的脱乙酰反应实质上是酯的水解反应。在碱性条件下,6位碳原子上的酷 键水解为羟基,同时生成一分子的乙酸,乙酸被体系中的碱中和成盐。反应过程如 图所示:
 
Fig2-1. The schematic representation of the deacetylation reaction of KGM.
反应体系中oir的浓度会直接影响到脱乙酰反应的速率和程度,本节对碱的种 类及添加量对KGM脱乙酰度(DD)的影响进行了初步探讨。由于KGM具有良好 的水溶性,在较低的浓度下即可形成粘稠的溶胶,而当浓度大于4%,溶胶流动性极 低,会大幅降低反应体系的均勻性和反应速率。而若反应物浓度太低,则脱乙酰KGM 的制备效率又大大降低。故将KGM水溶液的浓度设定为1% (w/w)。选取了 NaOH、
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Ca(OH)2以及Na2C03三种不同强弱的碱,参照文献(刘锋,2010)中的方法,设计碱提 供的OH_与魔芋葡甘聚糖中乙酰基的物质的量之比为:0,0.25: 1,0.5: 1,1: 1, 2: 1,得到的反应产物的DD显著小于同样条件下的非均相反应。这是因为均相体 系中脱乙酰反应活化能11.8 kcal/mol (Maekaji, 1978)远高于非均相体系3.72 kcal/mol(Chen, Li and Li,2011),非均相体系中乙醇的存在可以促进水解反应的进行。 为了使反应向正方向进行,需要添加过量的碱,最终确定为0, 1: 1,1.5: 1,2: 1, 2.5: 1。
80
S
Q
40
20
 
1:11.5:12:1
n(OH ): n(acetyl groups)
2.5:1
图2-2碱的种类及添加量对KGM脱乙酰反应的影响 (KGM 浓度 1% (w/w),温度 25°C,时间 12h)
3.1.1碱的种类及添加量对KGM脱乙酰度的影响
Fig. 2-2 Effect of the type and concentration of alkali on the deacetylation of KGM
(CKGM1%(W/W)、T25°C、tl2h)
图2-2显示了碱的种类及添加量对KGM脱乙酰度的影响,随着碱的添加量的 增加,脱乙酰度显著增加。不同的碱对脱乙酰反应的影响不同,乙酰基脱除量的大 小按照碱性强弱的顺序变化,Na0H>Ca(0H)2>Na2C03。这是因为脱乙酰反应的实 质为酯的水解,碱的强弱决定了其水解能力的大小,设计投入的OIT虽然相同,但 实际上弱碱将缓慢提供,而对于强碱,KGM始终处于较高浓度的OIT氛围。在室 温下要脱除全部的乙醜基十分困难,即使添加过量(11(0兄):11〇〇61)^1'〇1^)=2.5:1) 的强碱也只能达到93.4%的脱乙酰度。传统KGM凝胶的制备中通常采用Ca(OH)2
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和Na2C03等弱碱,得到的凝胶的强度优于用强碱,可能是因为前者不易对分子链的 其他结构造成破坏,后者则可能造成了分子链的断裂等其他变化。为了更好的研究 乙酰基的数量对KGM性能的影响,而尽量不引起分子链的降解,考虑到纯碱脱乙 酰效率与强碱差异不大,后续实验采用Na2C03作为脱乙酰剂。
3.1.2反应温度对KGM脱乙酰度的影响
 
图2-3反应温度对KGM脱乙酰反应的影响 (Na2C03, KGM浓度 1% (w/w), n(OH-):n(乙酰基)=1: 1,时间 2h)
Fig. 2-3 Effect of reaction temperature on the deacetylation of KGM (CKGM (w^w)» n(〇H"):n(acetylgroups)=l: 1, t2h)
图2-3显示了反应温度对KGM脱乙酰度的影响,加热有利于脱乙酰反应的进 行。当使用碱性较弱的Na2C03时,根据化学计量关系,即使添加脱除全部乙酰基所 需的碱的量,25°C下反应2h也只能达到34.05%的脱乙酰度,但当反应温度升高到 55°C,脱乙酰度可以增加一倍以上。温度升高会导致反应体系粘度减小,碱电离程 度增加,反应体系的热运动加剧,有利于反应物的接触,加快了 OET对KGM分子 链上酯键的进攻的频率。但在实验中也发现,在较高温度下,由于脱乙酰反应的速 率大大增加,在反应体系粘度出现明显下降之前,碱浓度较高的区域的KGM会迅 速脱除大量的乙酰基,并缠结起来,这就导致反应产物的脱乙酰度不均一,反应体 系中同时出现絮凝态的高脱乙酰度产物,以及脱乙酰度较低的液态产物,因此为保 证反应的均匀性,选择25°C作为反应温度。
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10
 
4
12
3.1.3反应时间对KGM脱乙酰度的影响
Time (h)
图2-4反应时间对KGM脱乙酰反应的影响 (Na2C03, KGM 浓度 1% (w/w), n(OH-):n(乙酰基)=1: 1,温度 25aC)
Fig. 2-4 Effect of reaction time on the deacetylation of KGM (QKGM1%(W/W), n(OH~):n(acetylgroups)=l: 1,
由图2-4可知,反应产物的脱乙酰度随反应时间的延长而增加。在最初的2h里,
反应速率较大,脱乙酰度达到33.36%。之后随着时间的增加,DD增加缓慢,在反 应进行到第24小时时,DD在22h内仅增加了 5.6%。这样的反应规律与非均相脱乙 醜基本是一致的(Chen etal,2011)。酯键的生成和水解反应均为亲核取代反应,是 可逆反应。虽然过量的碱可以中和脱乙酰反应生成的乙酸,使反应向正方向进行, 但随着反应的进行,体系中的氢氧根和KGM分子上的乙酰基都在减少,亲核取代 反应反应变得越来越困难。另一方面,KGM脱除乙酰基后,分子链倾向于聚集,阻 碍了 OIT对残留的酯键的进攻。
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08 6 4 2
1
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3.2脱乙酰度对KGM吸水性的影响
0 1■1■1i11■
DKODK1DK2DK3DK4
图2-S脱乙酰度对KGM吸水性的影响
(DKO, DK1,DK2, DK3 和 DK4 的脱乙酰度分别为 0•00%,37J0%,45.67%,63.79%,75.49%) Fig. 2-5 Effect of DD on the water absorbency of KGM (The DD of DKO, DK1, DK2, DK3 and DK4 are 0.00%, 37.30%, 45.67%, 63,79% and 75.49%
respectively)
图2-5显示,KGM的吸水性与其乙酰基的多少密切相关,随着乙酰基基团的减 少,KGM的吸水性显著减弱。当脱乙酰度较小时(<45.67%)吸水性变化相对缓 慢,当乙酰基脱除量达到45.67%以上,DKGM的吸水性急剧下降。对于KGM亲水 性与其乙酰基的关系有多种不同的认识和说明。最初的研究集中在KGM乙酰化的 改性产物上,在氢氧化钠的催化作用下使用醋酸酐对KGM进行改性,随着乙酰基 的增加,吸水性减弱,从改性前的105.4g/g降低至1.0g/g(Koroskenyi and McCarthy, 2001)。Chen和Liu等采用非均相法制得的脱乙酰改性产物的吸水性则随着乙酰基含 量的减少而减少(Chen et al.,2011; Liu et al.,2010)。本节采用水溶液均相法制得的不 同脱乙酰度的KGM在吸水性上表现出与后者相同的变化趋势,说明均相和非均相 脱乙酰改性对吸水性的影响一致,排除了非均相反应中由于KGM溶胀不完全,分 子不能完全伸展而可能导致的乙酰基脱除不均匀的产物对吸水性测试的结果的千 扰。
上述变化在某种程度上使得魔芋葡甘聚糖从一种纯粹的水溶性膳食纤维变成了 水难溶甚至水不溶性膳食纤维,使得其在食品配方上应用时,可能因其吸水性降低
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而更多的添加,从而提高食品中膳食纤维的含量,同时因其水溶性的不同,而可能 对其生物活性产生影响。
1008060 (承)£al UOHBI3s6©a
Tf
 
3.3脱乙酰度对KGM酶解性的影响
DKODK1DK2DK3DK4
图2-6脱乙酸度对KGM酶解性的影响
(DKO, DK1,DK2, DK3 和 DK4 的脱乙酰度分别为 0.00%,3730%,45.67%,63.79%,75.49%) Fig. 2-6 Effect of DD on the enzyme degradation rate of KGM (The DD of DKO, DK1, DK2, DK3 and DK4 are 0.00%, 37.30%, 45.67%, 63,79% and 75.49%
respectively)
KGM是膳食纤维的一种,人体本身并不能产生对其有降解作用的酶。有研究 (Nishinari and Zhang,2004;梅婷,2012)证明37°C下KGM在较宽的pH范围内都可以 保持高粘度特性,说明生理条件下,其降解并不明显,KGM在体内的降解主要是后 期在结肠中由微生物引发的。一部分微生物可以代谢产生甘露聚糖酶,将KGM降 解为低聚糖和寡糖,从而被人体吸取。
图2-6显示了脱乙酿改性后KGM的酶解性的变化。37°C下,甘露聚糖酶的作 用下,KGM高粘度的水溶液快速稀化。随着DD的增加,酶解速率减慢,脱乙酰度 超过63.79%,酶解速率降低了 14.84 %。乙酰基脱除后,空间位阻减小,原本在水 溶液中呈现伸展状态的KGM分子链倾向于重排、卷聚,减少了酶解位点的暴露。 并且由图2-5可知,随着脱乙酰度的增加,KGM的吸水性也大大降低,从而也阻碍 了酶的渗入和接触。但当在酶液中放置的时间足够长,脱乙酰后的KGM仍可以被 降解,乙酰基的脱除只能延缓其降解。根据酶解性的差异,不同脱乙酰KGM可望
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在结肠靶向药物制备中,作为药物或营养素载体,满足不同释放速率的要求。同样, KGM作为膳食纤维应用中,这一特性或可影响到其活性的发挥,当然,这需要进一 步的研究。
 
DK4
DK3
DK2
DK1
DK0
40003500 3000 2500200015001000500
3.4不同脱乙酰度KGM结构表征 3.4.1傅立叶变换红外光谱(FT-IR)
Wavenumberg (cm-1)
图2-7不同脱乙酰度魔芋葡甘聚糖的FWR图谱
(DK0,DK1,DK2,DK3 和 DK4 的脱乙酰度分别为 0•00%,37.30%,45.67%,63.79%,75.49%) Fig. 2-7 FT-IR spectra of KGM with different deacetylation degree (The DD of DKO, DK1, DK2, DK3 and DK4 are 0.00%, 37.30% , 45.67%, 63.79% and 75.49%
respectively)
在KGM的红外光谱图中,S^Ocnf1附近的宽吸取峰为多糖化合物的羟基伸缩 振动吸取峰;2925-2891cm' 1380cm-1和1065CHT1附近的吸取峰代表CH和CH2的 伸缩振动;位于WMcnf1附近的则是分子内氢键的吸取峰;nSScnf1附近是多糖乙 醜基上羰基的伸缩振动峰,可以用于表征乙酰基的存在;和810cm4两个峰 则是KGM中甘露糖的特征吸取峰。
图2-7显示了不同脱乙酰度KGM红外特征图谱的变化。可以发现,从样品DK0 到DK4,1733cm—1处的乙酰基特征峰逐渐减弱,表明成功制备了梯度脱乙酰的KGM。
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其中DK3和DK4的脱乙酰度分别为63.79%, 75.49%,已几乎观察不到乙酰基中羰 基的伸缩振动峰,但事实上分子中还有乙酰基的残留,这与之前的研究相符(Chen et al., 2011)。孟俊杰等人的研究发现,随着乙酰基的减少,位于3400 cr^1的羟基伸缩 振动的吸取峰会逐渐增强、增宽,推测是由于乙酰基被羟基取代所致(Chen etal.,2011; Liu etal., 2010;孟俊杰etal.,2010)。而本实验的结果却与此相反,3400 enf1附近 的宽峰峰强随着脱乙酰度的增加而有所减弱,峰宽基本没变。脱乙酰之后酯键断裂, -OH虽有所增加,但暴露反而减少。这可能是因为,在孟俊杰等人的研究中,非均 相反应中脱除的主要是表面乙酰基,且反应后处于乙醇溶液中或是呈粉末态的KGM 处于结晶态,未发生分子的重排,IR观测到的是外部的基团,故-OH峰呈增强的趋 势。而均相反应中,C6位发生酯的水解反应后,由于空间位阻的变化,分子重新缠 结,反而使-OH的暴露减少。
经脱乙酰处理后,除乙酰基特征峰外,其它峰的分布几乎没有变化,说明反应 前后分子主链结构基本保持了不变。
3.4.2热重分析(TGA)
)00 0 0 0 0 8 6 4 2
(%) S—
DK0
DK1
DK2
DK3
DK4
0
0100200300400500
Temperature (°C)
图2-8不同脱乙酰度魔芋葡甘聚糖的TGA图谱 (DKO, DK1, DK2, DK3 和 DK4 的脱乙酰度分别为 0.00%,37.30%,45.67%,63.79%,75.49%) Fig. 2-8 TGA thermograms of KGM with different dcacetylation degree (The DD of DKO, DK1, DK2, DK3 and DK4 are 0.00%, 37.30% , 45.67%, 63.79% and 75.49%
respectively)
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图2-8是对不同脱乙酰度KGM进行热重分析的结果。由起始的30°C到250°C, 质量的减少由样品中游离水的蒸发导致,由于所有样品经过预处理,水分含量较为 接近,故失重速率基本一致。
从250°C到50(TC,样品失重分为两个阶段。
第一阶段,250°C —320°C,失重速率为低DD%<未脱乙酰<高00%,该阶段的 失重主要是结合水的丧失所致。KGM在脱乙酰度较低时亲水能力仍较强,故水分减 少较慢;高脱乙酰样品亲水性差,迅速失去结合水。
第二阶段,320°C-500 °C,为糖环的降解和大分子链瓦解的复杂过程(孟俊杰,潘 志东and王燕民,2010),脱乙酰样品的热稳定性均高于未改性样品。从320°C到 350°C,失重速率与脱乙酰度成负相关;最终质量损失(320°C之后)表现为 DKGM<KGM,但并非严格与脱乙酰度的高低相关。说明乙酰基含量的多少对KGM 微观结构有复杂的影响。脱乙酰度为75.49%的样品较未改性的KGM最终质量损失 减少了 5.3%。
3.4.3X射线衍射(XRD)
 
51015202530354045
26(°)
图2-9不同脱乙酰度鹰芋葡甘聚糖的XRD图谱 (DKO, DK1,DK2, DK3 和 DK4 的脱乙敢度分别为0•00%,37.30%,45.67%,63.79%,75,49%) Fig. 2-9 The XRD patterns of KGM with different deacetylation degree (The DD of DKO, DK1, DK2, DK3 and DK4 are 0.00%, 37.30% , 45,67%, 63.79% and 75.49%
respectively)
24
DK4 DK3 DK2 DK1 DK0 
图2-9显示了不同脱乙酰度KGM的X衍射图谱。未经脱乙酰改性的KGM在20 为20°至30°之间出现一个较大的弥散峰,说明天然的KGM为无定形的非晶态结构, 并存在大量有缺陷或不完整的微晶结构,即结晶特性长程无序,短程有序(汪超, 2005;姚闽娜,2010)。经脱乙酰改性后,在20为12.1°和21.05°可以观察到两个较 强衍射峰的出现,并且峰强随着脱乙酰度的增加而增加。说明乙酰基含量的变化改 变了分子的相互作用和空间构象,局部分子链排列的规整性增强。
4本章小结
本章的实验结果证明选择Na2C03作为脱乙酰基,25°C在水溶液中对KGM进行 脱乙酰改性,通过控制碱的加入量可以获得具有较宽脱乙醜度分布范围的反应均勻 的DKGM样品。反应温和无污染,无有毒试剂的残留,可以保证其在食品、医药领 域应用的安全性。
反应前后样品的红外光谱中除乙酰基特征峰依次减弱外,其特征峰几乎没有变 化,说明反应前后分子主链结构基本保持了不变。DKGM的热失重率较改性前有所 降低。无定形态的天然KGM经脱乙酰后,X射线衍射结果中出现了两个较强的衍 射峰,且峰强随着脱乙酰度的增加而增加,说明乙酰基含量的变化改变了分子的相 互作用和空间构象,局部分子链排列的规整性增强,这一结果不同于过往的对KGM 进行的非均相脱乙酰结果(Chen and Li,2011),暗示了水溶液均相脱乙酰过程中KGM 组装行为的特殊性。
KGM的吸水性随分子链上乙酰基数目的减少而显著降低,为Chen (2011)等 所做的推论提供了依据:当KGM上乙酰基含量在天然KGM所含有的乙酰基数量 附近的极小范围内时,KGM的溶解性较好,一旦偏离该范围较大,其溶解性将迅速 降低。KGM的酶解性与吸水性的变化趋势一致,脱乙酰并不能完全阻止0-甘露聚 糖酶对KGM的降解作用,这种有限的抑制作用可能是吸水性能的降低导致的。
水溶液均相脱乙酰改性过程中随着乙酰基数目的减少,分子间相互作用发生了 改变,重新进行组装,将魔芋葡甘聚糖从一种具有良好水溶性的膳食纤维变成水难 溶甚至不溶,可以实现其在食品中的大量添加,从而提高食品中膳食纤维的含量。 根据酶解性的差异,有望将脱乙酰改性的KGM开发作为结肠定位的药物或营养素 的释放载体,通过控制乙酰基的脱除程度来调节KGM的溶胀和释放速率。
25
第三章乙酰基含量对魔芋葡甘聚糖及其与黄原胶共混
物溶胶-凝胶特性的影响
1引言
很多研究者已经证实乙醜基的存在与否对KGM分子形貌和分子链空间构型有 显著的影响,在宏观性能上表现为乙酰基数目改变前后多糖流变性能与凝胶特性的 变化(Gao and Nishinari,2004a;刘锋,2010; Chen et aL,2011; Du et al.,2012)。但尚 鲜有研究关注到乙酰基逐渐脱除过程中的变化规律。
KGM与Xanthan在水溶液中具有强协同效果,在低浓度下即可以形成热可逆凝 胶,两者的协同机理也较为清晰,已在前言中进行了先容。有研究者发现,共混多 糖的pH值会改变多糖的协同作用。在酸性条件下(pH4.0-3.5),Xanthan分子链上 的丙酮酸基团减少,螺旋结构被破坏,共混多糖在室温下即可协同形成凝胶,达到 生理温度(37°C)则出现凝胶-溶胶转变,得到一种“入口可融”的凝胶产品(Agoubet al.,2007)。卡拉胶也是一种与KGM具有协同作用的凝胶,Penroj等研究了 KGM脱 除乙酰基后两者协同作用的变化(Penroj et al., 2005),对KGM进行脱乙酰改性可以 提高共混凝胶的融化温度,增强凝胶的弹性。吴成东等对KGM进行乙酰化改性, 研究了乙酰基含量对KGM与Xanthan协同作用的影响,发现KGM分子链上的乙酰 基通过空间位阻效应和对分子间氢键的削弱抑制了多糖的协同作用(吴成东,2008)。 现有研究(朱黎萍,2008;陈建,2009)已经证实,KGM乙酰基逐渐脱除的过程中 发生了复杂的组装行为,KGM分子构象的变化很有可能会对其与Xanthan的共混性 质造成影响。
本章采用流变仪和质构仪分析乙酰基逐渐减少的过程中KGM由于分子间相互 作用和组装行为导致的流变和凝胶等宏观性能的变化趋势及对与黄原胶共混体系协 同作用的影响,从而为研究生物大分子溶胶-凝胶的转变提供参考,为其作为食品粘 合剂、增稠剂、悬浮剂、脂肪模拟物等的应用提供优化参数。
前章均相制备不同脱乙酰度(DD)的KGM样品,DKO、DK1、DK2、DK3、 DK4,对应的脱乙酰度分别为:0.00%、37.30%、45.67%、63.79%、75.49%。本章
26
中脱乙酰KGM溶胶和凝胶以及DKGM与Xanlhan共混凝胶的制备采用同样的碱比 例和反应条件,可制得DD近似的KGM样品。而与Xanthan共混溶胶的制备中, 由于DD较高KGM与Xanthan共混后协同作用较强,不再适用低DD的共混物的测 试条件,难以进行比较,故仅制备4个不同DD的溶胶样品,标记为DKXO, DKX1, DKX2, DKX3,其中 KGM 的脱乙酰度分别为 0.00%、37.30%、45.67%、63.79%。 凝胶的制备中,依据每克KGM0.372mmol乙酰基的测定值,对反应物浓度等进行换 算,调整碱的加入量,可得到DD相近的各组样品。
2材料与方法
2.1实验材料
2.1.1材料与试剂
魔芋胶食品级湖北强森魔芋科技有限企业
黄原胶食品级河南世纪美食品添加剂有限企业
Na2C03AR国药集团化学试剂有限企业
2.1.2主要仪器
流变仪AR2000美国TA企业
质构分析仪TA-XT plus美国TA企业
数显恒温水浴锅HH-4国华电器有限企业
精密电动搅拌器JJ-1国华仪器有限企业
冰箱BC/BD-190S青岛海尔特种电冰柜有限企业
电子分析天平BSA124S-CW德国Sartorius企业
电子天平BL310德国Sartorius企业
2.2实验方法 2.2.1魔芋胶的纯化
同第二章2.2.1
27
2.2.2DKGM溶胶的制备
准确称取不同质量的Na2C03(第二章2.2.4)加入99g蒸馏水中,使用精密电动搅 拌器搅拌至均勻溶解后,缓慢加入lgKGM,室温下搅拌2h,得到浓度为1% (w/w) 的均匀溶胶,静置过夜。标记为DKO, DK1, DK2, DK3, DK4。
2.2.3DKGM/Xanthan复配溶胶的制备
KGM与Xanthan具有很好的协同作用,并且在质量比接近的状态下协同作用最 佳(吴成东,2008),故将两者比例设定为1: 1。两者的协同作用会大大增加混合溶胶 的粘性,在实验室条件下为了使混合溶胶容易混合均匀,故适将多糖的浓度适当降 低至0.75%。
准确称取不同质量的Na2C03加入蒸馏水中,使用精密电动搅拌器搅拌至均匀溶 解后再缓慢加入KGM,使终浓度为0.75% (w/w),室温下搅拌2h,得到梯度脱乙 酰的均勻溶胶,静置过夜。
使用蒸馏水溶解黄原胶,室温下机械搅拌3h,得到浓度为0.75% (w/w)的均 勻溶胶。
将上述步骤制得的浓度均为0.75% (w/w)的DKGM溶液与黄原胶溶液按照1:1 比例共混,机械搅拌30min,静止待用。标记为DKXO, DKX1,DKX2, DKX3。
2.2.4DKGM凝胶的制备
准确称取不同质量的Na2C03加入蒸馏水中,使用精密电动搅拌器搅拌至均匀溶 解后再缓慢加入KGM,使终浓度为4% (w/w),室温下搅拌lOmin,静置过夜。将 充分溶胀的KGM溶胶装填于测试杯中,使样品厚度为2cm。将测试杯用保鲜膜密 封,80°C下水浴2h,冷却至室温,既得到不同脱乙酰度的魔芋葡甘聚糖凝胶。标记 为 DGO,DG1,DG2,DG3, DG4。
2.2.5DKGM/Xanthan复配凝胶的制备
由于两种多糖具有强烈的协同凝胶性能,故适当将混合凝胶浓度降低至2%。准 确称取不同质量的Na2C03加入蒸馏水中,使用精密电动搅拌器搅拌至均匀溶解后再 缓慢加入KGM,使终浓度为2% (w/w),室温下搅拌2h,得到均匀溶液,将Xanthan
28 
加入蒸馏水中,室温下机械搅拌3h,同样配置2% (w/w)溶液备用。将上述两种溶 胶按1: 1比例在烧杯中混合,充分搅拌30min后,保鲜膜密封,80°C下水浴2h。 趁热将混合溶胶装入测试杯中,控制样品厚度为2cm,冷却至室温,既得到脱乙酰 魔芋葡甘聚糖与黄原胶的共混凝胶。标记为:DXGO, DXG1,DXG2, DXG3, DXG4。
2.2.6DKGM溶胶的流变测试
采用AR2000型流变仪对DKGM溶胶进行流变学测试。选用40mm, 2°07’的锥 板,板间距0.052 mm。
(1)稳态剪切扫描
剪切速率0.01-100 s'恒温25°C下进行测试。
(2)振荡模式下的形变扫描
形变范围2.8608x1 (T3-60%,扫描频率1.0 s4。
(3) 振荡模式下的频率扫描~
扫描频率0.1-628.3rad/s,根据应变扫描结果确定剪切应变2%。
(4)振荡模式下的温度扫描
扫描温度10-HKTC,升温速率5/min,根据应变扫描结果确定剪切应变2%,剪 切速率1.0rad/s。在样品边缘覆盖一层甲基硅油防止水分散失。
'i.产
(5)振荡模式下的时间扫描
扫描温度60°C,扫描时间lh,根据应变扫描结果确定剪切应变2%,剪切速率 l.Orad/s。在样品边缘覆盖一层甲基硅油防止水分散失。
2.2.7DKGM/Xanthan复配溶胶的流变测试
采用AR2000型流变仪对DKGM溶胶进行流变学测试。选用40mm平板,板间 距1.0 mm。动态模式下应变设为0.2%。
测试模式与其他参数同2.2.6。
2.2_8 DKGM凝胶的质构特性测定
采用英国TA企业的XT-plus型质构分析仪对不同脱乙酰度的魔芋葡甘聚糖凝 胶进行全质构分析(Testure profile analysis,TPA)。
29
使用直径5mm的平底柱形探头(P/0.5),样品凝胶置于统一规格的凝胶杯中进行 测试。测试参数条件为:TPA测试模式;测前速度1.0mm/s;测试速度1.0mm/s;测 后速度1.0mm/S;压缩程度30%;自动触发模式;触发力5g;两次测试停留间隔5s; 数据采集速率200pps。比较不同脱乙酰度魔芋葡甘聚糖凝胶的硬度,粘附性,弹性, 粘聚性,咀嚼度和回复性等指标。每组样品重复测量3次,最终结果取平均值。
Hardness (硬度):对样品进行第一次压缩时的最大峰值。
Adhesiveness (黏附性):探头离开样品时接触面产生的吸引力。结果为负值, 取其绝对值作图。
Springiness (弹性):经压缩发生形变的样品在外力去除后回复到形变之前的状 态(高度或体积)的能力。
Cohesiveness (内聚性):两次压缩所做功的比值,表示样品内部的粘合力。
Chewiness (咀嚼度):用于描述固体样品在模拟吞咽状态下咀嚼至可吞咽状态 时所需的能量,为硬度、粘聚性以及弹性的综合。
Resilience (回复性):第一次压缩循环过程中探头返回时样品释放的弹性能量 与压缩时探头所消耗的能量之比。
2.2.9DKGM/Xanthan复配凝胶的质构特性测定
测试模式与参数同2.2.8。
30
3结果与分析
3.1 DKGM溶胶稳态剪切模式分析
 
〇204060801001E-30X)10.1110100
Shear rate (1/s)Siearrate (1/s)
AB
图3-1不同脱乙敢魔芋葡甘聚糖溶液稳态剪切模式曲线
(DKO, DK1,DK2, DK3 和 DK4 的脱乙酰度分别为 0.00%,37*30%,45.67%,63.79%,75.49%) Fig. 3-1 The steady state flow curves of 1% KGM solutions with different deacetylation degree (The DD of DKO, DK1, DK2, DKS and DK4 are 0.00%, 37.30%, 45.67%, 63.79% and 75.49%
respectively)
图3-1分别显示了不同脱乙酰度KGM浓度为1% (w/w)的水溶液剪切应力和 粘度与剪切速率的关系。所有样品都呈现出非牛顿流体的性质,即剪切应力与剪切 速率呈非线性关系,且应力低于牛顿流体的线性关系,具有假塑性。在低剪切速率 下,剪切应力迅速增大,增大到约75Pa后,增大速率开始减缓,而达到高剪切速率 后应力的变化趋于平稳,几乎停止变化。而体系的粘度在剪切速率较低时 C0.01-0.02s_1)出现一个平台或屈应区域,之后则随剪切速率的增大而减小,最终 在高剪切速率下稳定。这是因为KGM水溶液中存在有大量的氢键,分子链的流动 性较差,即使在较低的浓度下(1%以下)也具有极高的粘度。稳态剪切模式中外界 对其施加了一个稳定增大的剪切力,氢键被破坏,分子链间的作用力减弱,流动性 增强,表观粘度下降呈现剪切变稀的现象,同时剪切应力则快速增大。剪切速率极 低时(o.osy以内),原有氢键的破坏与新的氢键的形成同时发生,后者抵消了前者, 使得体系的网络结构得以暂时维持构,流动对结构没有影响,故服从牛顿定律。屈 应力的大小表现为低脱乙醜度<未脱乙酰<高脱乙酰,可见,随着乙酰基脱除量的 增加,多糖分子的组装行为出现了从无序到有序的渐变。而剪切速率增大到一定的 临界值后,链缠结点被破坏的速度大于重建的速度,分子的线团结构无法恢复,粘 度持续下降。最终大分子的取向达到极限状态,取向程度不再随的增大而变化,粘 度最终维持在较低值,不再随剪切速率的增大而变化,流体又服从牛顿定律。
上述变化过程也即非牛顿流体实际流动行为的三个区,称为第一牛顿区、假塑 区和第二牛顿区。第一牛顿区由于剪切速率很低,,称零切粘度;第二牛顿区的粘 度rf称无穷剪切粘度。n*5的大小与分子链柔性和分子间作用力有关。从DK0到DK4, 随着脱乙酰度的增大,起始的零剪切粘度呈增加趋势,这说明经脱乙酰改性后体系 的分子缠结程度变大,KGM分子间作用增强,凝胶性提高。
非牛顿流体的流动曲线符合幂律公式〇=K/,但该方程只适合于描述具有很小 屈服应力且流变行为没有依时性的物质。而DKGM由于分子缠结,在剪切过程中会 出现一个粘度升高或保持稳定区域,由幂率模型得出的参数不适用于样品第一牛顿 区行为的描述。故最终选择了比较全面的、多参数的Cross流变方程进行对比:
(ri-Tioo) /(ri〇 -n〇〇)=l/[l+(ky)m]
式中T10和分别为极低和极高剪切速率时粘度的渐进值,k为具有时间量纲的 常数,m为无量纲常数,反映流体非牛顿性的强弱。
随着脱乙酰度的增大,零剪切粘度和无穷剪切粘度均逐渐增大。该变化可以用 陈建、朱黎萍(Chen etal., 2011;朱黎萍,2008)等人提出的乙酰基KGM的凝胶机 理进行说明,即随着DD的增加,分子间及分子内空间位阻减小,有利于KGM分 子缔合。而k逐渐增大,表明剪切稀化越来越明显。这似乎与rio和如的变化趋势是 相反的。事实上,可能是脱乙酰后,KGM分子更容易簇集,而与水分子的氢键作用 则在减弱,均匀体系向两相体系转变,从而表现出更容易剪切稀化的现象。利用乙 酰基含量与KGM假塑性的关系,在食品应用上,可以根据需要对乙酰基的含量进 行调整,以达到需要的k值。
32 
表3_1不脱乙酰度KGM稳态剪切结果Cross方程拟合 Table 3-1 Parameters of Cross Equation
Concentration
1%Cross Model
(Tl-Tl〇〇) /〇!〇-T]〇〇)=l/[l+〇q〇m]
Tlo (Pa*s)ri„(Pa«s)k(s)mSx
DKO206.11.488E-73.1950.85108.374
DK1183.11.205E-82.6900.85987.012
DK2183.92.217E-72.7110.86147.581
DK3512.64.879E-714.710.795520.76
DK4745.98.467E-322.640.815418.33
3.2DKGM溶胶动态粘弹模式分析
DK4
DK3
DK2
DK1
DKO
^ <J ^<3 <^<3 <<^<1 <J<J<J<J<3 <j <J<J<3<<J<< <J<J<<<<3<<<J <3
4
r*▼▼
G)厶厶厶厶厶么办/^么厶厶厶厶厶厶厶厶厶厶厶厶么么厶厶么厶厶厶厶么么厶厶么厶厶么
§▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲▲ b(
〇〇〇〇0^°〇0〇〇000〇0000〇0〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇 a〇 aaaDa0〇DQa〇〇aaa a〇a〇cja〇D〇aD〇oaaaoo〇a
Strasi
Fig. 3-2不同脱乙酰魔芋葡甘聚糖溶液应变扫描模式曲线
为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位
Fig. 3-2 The strain sweep data of G* (solid) and G" (open) of 1% KGM solutions with different
deacetylation degree
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping.
黏弹性(viscoelasticity)是反应高聚物流变性能的重要指标。储能模量(G')是
指样品受到应力而产生形变后回复到起始状态的能力,反应了弹性(固体)性能; 损耗模量(G")则是指样品受到应力后产生的剪切热的多少,反应了样品抵抗形变
的能力,也就是粘性(液体)性能;损耗角(S)反应了体系粘弹性的大小。tgS=G"/
33
G', tgS越大则粘性性质占优势,体系的流体特征较显著,tgS越小则弹性性质占优 势,固体特征更强(梅婷,2012)。
对样品施加外力,在样品的形变较小,或形变速度足够慢的情况下,聚合物的 分子缠结可以保持在平衡状态附近。此时流变测试结果反应的是分子水平上的动态 过程。这个形变区域也就是所谓的线性黏弹区。此时施加的应力能产生成比例的应 变,两者为线性关系。只有在线性粘弹区的测量才可以获得物质的特性常数,因此 进行动态粘弹测试时必须首先确定线性粘弹区,以选择合适的应力或应变,使动态 震荡实验在线性粘弹区内进行且产生的响应足够大。
图3-2显示了不同脱乙酰度KGM应变范围为2.8608E-3%至60%的动态黏弹扫 描结果。所有样品均具有较宽的线性黏弹区,其中未经改性的KGM (DK0)在扫描 范围内G”均大于G’,说明室温下,浓度为1% (w/w)时KGM尚不能形成足够的 分子缠聚,流体性质处于主导。随着DD%的增加,G”与G’的差值逐渐减小,DD% 为63.79%时,G’=G”,粘性和弹性达到平衡,说明DK3的乙酰基含量为1% KGM 从溶胶向凝胶转变的临界点。DD为75.49%的DK4的G’则远远超过G”,体系表现 出较强的弹性行为。DD从0到45.67%的变化过程中G”与G’的差值出现了先减小 再增大的波动,说明在较低的脱乙酰度范围内KGM的溶胶-凝胶变化趋势有所反复, 尚待进一步研究确定。
DK4
DK3
〇000888〇〇0〇〇〇〇〇〇〇〇〇0〇〇〇〇〇〇〇〇
 
i▲‘
888〇°°
DK2
DK1
3D;
3n〇gaaB〇CQ
cjaSBBBSDaGcmDaaoDGaDGC^
 
ang. frequency (rad/s)
Fig. 3-3不同脱己酰魔芋葡甘聚糖溶液频率扫描模式曲线 为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位
Fig. 3-3 Frequency dependence of G9 (solid) and G" (open) of 1% KGM solutions with different
deacetylation degree
34
DKO
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping
图3-3显示了 1%不同脱乙酰度KGM的溶胶储能模量与损耗模量随频率的变化 关系。可以发现不同脱乙酰度的样品均表现为典型的浓溶液行为,说明体系中分子 链之间的缠结是瞬时而非永恒的。在低频下,长周期震荡导致分子链间的缠结点打 开,G” >G’,变现出液体性质;高频率下体系中分子链缺少移动的时间,分子链 彼此缠结成暂时的网络结构,G’ >G’’,行为类似固体(Clark and Ross-Murphy,1987)。 各样品之间,模量与频率的关系的变化不十分显著,这与Luo等人的研究结果有所 不同(Luoetal.,2012),乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,而在吴成东的实验中出现了相似的现象(吴成东,2008),可见 DKGM模量对频率的依赖性与脱乙酰方式、溶剂类别以及溶胶浓度都有很大的关 系。本实验采用水溶液均相脱乙醜,测试样品为1%的水溶液,可以相对较好的反映 DKGM的特性。G’与G”均随震荡频率的增大而增加,低频率下G”>G’,在2rad/s 左右,G’超过了 G”,发生了溶胶一凝胶性质的转变。随着脱乙酰度的增大,G’=G” 的凝胶转变点有向低频移动的趋势,说明分子链间网络结构有一定的加强。
 
DK2
35
b
 
Ten^>erature ("C)
图3-4不同脱乙酿魔芋葡甘聚糖溶液温度扫描曲线 为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位 Fig. 3-4 Temperature dependence of G9 (solid) and Gw (open) of 1% KGM solutions with
different deacetylation degree
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping
图3-4显示了储能模量和损耗模量对脱乙酰度、温度的依存关系。溶链温度(Tm) 定义为CT在加热过程中获得最小值时所对应的温度。
对于DK0和DK1,随着温度的增加,G’和G”逐渐减小,过程中G’始终小于G”, 且在温度达到Tm之前二者差值越来越大,即tg5=G7G’始终大于1,并在温度达到 Tm之前随温度的升高而增大,宏观的粘性性质占优势。DD达到45.67%之后,在扫 描温度范围内,G’和G”出现了交点,随着DD的进一步增加,在扫描范围内G’逐 渐超过了 G”,两者的下降也越来越轻微,甚至在高温下反而超过起始值,随温度的 增加,tgS=G"/G’从等于1逐渐变小,弹性和热稳定性均随脱乙酰度增大而增强。
 
(ed) =°-PUBbBi
 
3 2 10 K ^ K K D D D D
|,|,j,|,|
01000200030004000
Time (s)
图3-5不同脱乙酰魔芋葡甘聚糖溶液时间扫描曲线 为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位 Fig. 3-5 Time dependence of G9 (solid) and G,5 (open) of 1% KGM solutions with different
deacetylation degree
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping
36
朱黎萍等人认为脱乙酰KGM的凝胶机理是(朱黎萍,2008):乙酰基的脱除导致, KGM分子中疏水微区的形成,疏水作用和氢键共同支撑了 DKGM的凝胶网络结构, 而其中又以疏水相互作用的贡献为主。这也就可以说明,对于KGM,随着温度的增 加,由于氢键受到了破坏,G’的减小速率快于G”。温度达到一定值后G’重新增加 可能是凝胶失水导致的。DD增大后,由于疏水相互作用的增强,凝胶网络更为稳 定,G’和G”的下降均变缓,G’>G”,且Tm相应增大。经脱乙酰改性,KGM的凝 胶性明显增强,脱乙酰度越高,发生凝胶转变的温度越低。 
go o o
2 8 4 1 1
{(Dd) bpueo
bG"
 
0 _
L^I—I_I«—I1—ii 卿酵"1_I
DKO DK1 DK2 DK3 DK4 图3-6鹰芋葡甘聚糖时间扫描lh的储能模量(GO和损耗模量(G”)与脱乙酰度的关系
Fig. 3-6 The G9 and G" at lh obtained from Fig. 3-5 as a function of DD 图3-5显示了在l.Orad/s的扫描频率下不同脱乙酰度KGM溶胶的储能模量(G’) 和损耗模量(G”)对时间的依赖性。从DKO到DK3,在测试时间内G’与G”的数值 均与X轴保持平行,G”大于G’,说明在一定时间范围内体系具有良好的液体性质 并处于非常稳定的状态。随着DD的增加,G”与G’的差值逐渐减小,在63.79%时, 终于出现了 G’=G”,粘性和弹性达到平衡,体系出现了从溶胶向凝胶的转变。当 DD增大到75.49%后,G’不仅远远超过G’’,且随扫描时间的延长,二者均稳定增大, 体系表现出不断增强的弹性行为,分子链间的相互作用不断增大,凝胶网络结构不 断增强。对时间扫描的结果进行进一步分析(图3-6),第60min时,从DK0到DK3, G’与G”大小较为接近,总体均呈增大趋势,但增加幅度有限,而DK4的模量值发 生了突变,显著增大,且G’增幅远大于G”。这可能是因为,当DD较低时,分子 链间的相互作用以氢键为主,在lrad/s的频率下氢键的破坏与形成保持这稳定。当 DD较高时,输水作用对凝胶体系的贡献远远超过了氢键相互作用,并且在长时间 的小幅振荡下,过量的碱进一步脱除了乙酰基基团,分子进一步簇集,导致了储能 模量与损耗模量差值的增大。
37
<ea> MsansJedMS
 
t . 1 . - , I
测侧测SOO
 
 
3.3DKGM/Xanthan复配溶胶稳态剪切模式分析
02040«0801Q01S-30.010.1116100
Shear rate ilfst)Sliearrate (!/$>
AB
图3-7不同脱乙敢魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混溶液稳态剪切模式曲线
(DKXO, DKX1,DKX2 和 DKX3 中 KGM 的脱乙酰度分别为 0.00%, 37.30%,45.67%,
63.79%)
Fig. 3-7 The steady state flow curves of 1% KGM and Xanthan mixed solutions (The DD of the KGM in DKX0, DKX1, DKX2 and DKX3 are 0.00%, 37^0%, 45.67% and
63.79% respectively)
共混的两种及两种以上物质的相容性对共混体系的粘度有一定影响。表现为: 由两种不相容、未经交联的高聚物组成的共混体系,其中一种组分为连续相,另一 组分为分散相,体系通常有较低的粘度,并且共混体系中量较大、粘度较低的高聚 物往往容易成为连续相。当共混的髙聚物相容性良好时,体系呈现两相共连续结构, 此时体系粘度出现极大值。
图3-7显示了经不同程度脱乙酰后的KGM与黄原胶共混体系的稳态剪切结果。 黄原胶溶液是一种典型的假塑性流体,因为在高剪切速率下,黄原胶的双螺旋网络 结构解聚成无规则线团结构;当剪切力消失后,双螺旋网络又可以重新形成,溶液 黏度瞬间恢复(吴成东,2008;梁申,2010)。由于黄原胶与魔芋有很强的协同作用, 为得到稳定的数据,故将共混物的浓度适当降低成0.75%,共混后,在低剪切速率 下体系的黏度(表3-2)大大增加,远高于表3-1中1%的KGM。且KGM脱乙酰度 相同的单一组与共混组相比,共混体系的零剪切黏度与无穷剪切黏度远高于表3-1 中相对应的数值。这说明KGM与黄原胶的良好协同作用受KGM脱乙酰作用的影 响而加强。而对共混的各组进行分析,DKX3的零剪切黏度与无穷剪切黏度虽然高 于DK3 (表3-1 ),但较DKX2与DKX1出现了下降,大家推测,脱乙酰改性后KGM
38
与Xanthan协同作用有所增强,这种加强作用在低脱乙酰度(DD=37.30%、45.67%)
更为明显,而当KGM的DD增大到63.79%,又出现了轻微的回落。
表3-2不脱乙醜度KGM与Xanthan混合溶胶稳态剪切结果Cross方程拟合 Table 3-2 Parameters of Cross Equation
Cross Model
Concentration
(n-n®) /(n〇-n®)=i/[i+(ky)m]
u./:r/〇T]〇 (Pa*s)ric〇(Pa«s)k(s)mSx
DKXO1.116E41.456E-615650.83499.239
DKX18.513E60.40482.465E60.83765.148
DKX29.246 E60.30327.261 E60.828222.13
DKX37.199 E67.656E-42.864E60.829317.74
3.4 DKGM/Xanthan复配溶胶动态粘弹模式分析
(ed) bTJiCD
%AAAA^AA£jLAAAAAAikAkAAAAAAAAAAAikAAA
~l^V^AAAAA)i%A.|AAAAAAAAAAAiA/^AA<SAAAAAAA^^
〉〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇。°^
DKX2
DKX1
DKX3
DKXO
•■■_■麵■籣 «im_■鏖■■議■審
1E-4
1E-3
0.01
0.1
ixicx2〇a3DaDDcxiGDDQaDaaaa〇DaoaoooaDaaaD〇o〇3
Strain
Fig. 3-8不同脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混溶液应变扫描模式曲线 为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位 Fig. 3-8 The strain sweep data of G9 (solid) and G" (open) of 1% KGM and Xanthan mixed
solutions
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping.
根据凝胶模量与应变的依赖关系将凝胶划分为强凝胶和弱凝胶两种。在较低或 中等剪切频率下,若凝胶的线性粘弹范围大于25%,即在此形变范围内储能模量和
39
损耗模量保持恒定或成线性趋势增加,则此凝胶属于强凝胶;若应变超过5%后,凝 胶的模量就表现出较强的应变依赖性,则此凝胶属于弱凝胶(Ross-Murphy and Shatwell,1993)。
 
DKX3
/WVWWWWVWVWWWwvvWvWV
由图3-7可以发现,KGM与Xanthan混合凝胶的线性黏弾范围随着KGM乙酰 基含量的减少逐渐变窄,最大的DKX0也仅为1%。说明总浓度为0.75%的混合凝胶 为弱凝胶。参照图3-2, DKGM凝胶的线性粘弹范围较混合凝胶显著更宽,但并不 意味这DKGM凝胶强度比混合凝胶的更大,事实上DKGM凝胶是“伪凝胶”,与黄 原胶共混后才因为二者的协同作用成为所谓的“真凝胶”,该分析见图3-9。混合凝胶 的应变扫描中储能模量始终大于损耗模量,两者的差值随KGM脱乙酰度的增大进 —步拉大,且变化幅度远大于图3-2。有此可见乙酰基的减少不仅没有影响KGM与 Xanthan的协同作用,共混凝胶的固体性能显著加强,两种凝胶的协同作用也有被放 大的效果。
DKX0
DKX1
 
!〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇〇000000000000〇〇〇〇〇° SBBBBBMMMMSSSSSSSSSSSSSSSB 吨
 
DKX2
〇°
1
b
*〇
CS
0.1t10too
ang.frequency Crad/s)
Fig. 3_9不同脱乙酰麋芋葡甘聚糖与黄原胶共混溶液频率扫描模式曲线 为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位 Fig. 3-9 Frequency dependence of G9 (solid) and G" (open) of 1% KGM and Xanthan mixed
solutions
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping.
DKGM与Xanthan共混凝胶的储能模量始终大于损耗模量,且对振荡频率的依 赖较小,根据Alvarez等人的理论(Alvarez-Mancefiidoetal.,2008a),这种在一定范围
内储能模量和损耗模量与振荡频率相互独立的凝胶被成为真凝胶。而DKGM凝胶虽 然出现了 G’>G”的凝胶转变点,但它们的大小与频率有较强的依赖关系(图3-3),
40 
W
 
DKX3
DKX1
DKXO
Fig.3-10不同脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混溶液温度扫描模式曲线
为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位
为伪凝胶。Alvarez等人在对对三种不同来源的KGM与黄原胶的共混溶胶流变性能 的测定时,发现分子量相似的三种KGM中不含乙酰基基团的一个表现出完全不同 于另外两个的性质,与黄原胶共混后不能形成真凝胶,据此得出了脱乙酰改性会降 低KGM与黄原胶协同作用的结论。而在本实验研究表明,对同一种KGM进行不 同脱乙酰度处理,与黄原胶的协同作用不仅未被削弱,反而随KGM脱乙酰度的增 加而增强。大家认为这两者并不矛盾,其原因是完全脱乙酰的KGM早已突破了溶 胶-凝胶转变的临界脱乙酰度(本文实验1%KGM溶胶的临界脱乙酰度是63.79%), 亲水性下降,分子内和分子间极易发生自卷曲和簇集,从而自我形成凝胶,表现出 与黄原胶的不再协同,而本研究釆取的样品均在此临界脱乙酰度以下,暴露更多的 不含乙酰基的链短更易和黄原胶的螺旋结构组装,这将为Alvarez等人的研究提供 对比。这同时也证明,尽管脱乙酰基反应可以是一个渐进的过程,可以为单一KGM 材料提供某种渐进的性能表现,但并不能肯定在更为复杂的系统中,依然表现为性 能的渐进,这也凸显出本文细致研究脱乙酰过程中细微变化规律的重要意义。
Fig. 3-10 Temperature dependence of (solid) and Gn (open) of 1% KGM and Xanthan mixed
solutions
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping.
不同脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混溶液温度扫描模式曲线见图3-10,可见 在升温过程中,大致存在3个阶段:
第一阶段,随着温度的升高G”保持稳定,G’平稳下降,凝胶性能减弱;
41
第二阶段,G’迅速下降,G”有微弱的减小。乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,维系凝胶的氢键被破坏,凝胶性能 迅速下降;
第三阶段,脱乙酰度较低时体系KGM与黄原胶的的共混凝胶主要由氢键作用 来维系,在某一温度后,储能模量G’下降趋于平稳,表明此时维系凝胶的氢键基本 被破坏,此即为凝胶-溶胶转变温度,体系在高温下呈流体性质,G’=G”,均不再变 化;对于脱乙酰度较高的样品,除了氢键之外还有疏水相互作用的驱动力,在趋向 高温过程中,贡献了更高的G’(图3-4),因此也可以保持一定的固体性质,G’始终 大于G’’,且变化有序,说明体系仍是均一的状态,有可能是Xanthan的无规线团结 构穿插于在疏水相互作用驱动下簇集在一起的DKGM的凝胶网络中。
 
b -〇 m
DKX3
 
〇 —
g DKX1
酬腿W腿WMW卿腿■___剛,DKXO
 
Fig. 3-11不同脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混溶液时间扫描模式曲线 为避免数据点重叠,在Y轴方向平移10a单位 Fig. 3-11 Time dependence of G5 (solid) and Gw (open) of 1% KGM and Xanthan mixed
solutions
The data are shifted along vertical axes by 10a to avoid overlapping.
图3-11显示了在l.Omd/s的扫描频率下不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混溶胶 的储能模量(G’)和损耗模量(G”)对时间的依赖性。KGM脱乙酰度较低时,在
42
对DKGM溶胶动态粘弹模式分析发现,加热有可以降低DKGM的临界凝胶浓 度,且KGM经脱乙酰后由热可逆凝胶转变为了热不可逆凝胶(Luo etal.,2012)。而 大家在本次实验中则发现,在80°C下,将黄原胶混入已经呈凝胶态的DKGM中, 体系重新变溶胶状态,而冷却后又成为凝胶。也就是说黄原胶可以将DKGM从热不 可逆凝胶转变为热可逆凝胶。
测试时间内G’与G”几乎重合并始终保持不变。说明0.75%的共混溶胶的液体性质与 固体性质共存,体系在一定时间范围内保持稳定的状态。随着DD%的增加,G’与G” 的差值增大,体系的凝胶性迅速增强,分子链间的相互作用不断增大,凝胶网络结 构不断增强。与图3-5进行比较,在与黄原胶共混后,DKGM在时间扫描中变现出 的流变性能的变化趋势被显著放大。DKX2和DKX3储能模量随时间的进一步增大 可能是体系中水分散失的原因所致。
iupieH
 
 
MM3
ssd-supds
 
 
^ ^ ^ ^ ^ « O O o o o C
 
3.5DKGM凝胶质构特性分析
图3-12不同脱乙默度KGM凝胶的全质构分析 (DGO, DG1,DG2, DG3 和 DG4 的脱乙醜度分别为0.00%,37.30%,45.67%,63.79%,75.49%) Fig. 3-12 TPAdata of KGM gels with different deacetylation degree (The DD of DGO, DG1, DG2, DG3 and DG4 are 0.00%, 37.30%, 45.67%, 63.79% and 75.49%
respectively)
KGM具有很好的亲水性,在低浓度下为溶胶状态,浓度増大到一定值后才能形 成凝胶,或经脱乙酰改性则可以降低凝胶浓度。本实验对4%的KGM进行脱乙酰改 性,制得梯度脱乙酰的凝胶,采用全质构分析测定凝胶性质。图3-12显示了分子中 乙酰基含量对KGM凝胶的硬度、黏附性、弹性、内聚性、咀嚼度以及回复性的影 响。随着KGM脱乙酰度的增加,凝胶的硬度在轻微下降后一致保持迅速上升的趋 势,说明随着乙醜基含量的减少,体系的凝胶性在增强,分子链间的相互作用更加 强烈,形成的三维网络结构更加紧密和稳定。黏附性则随着脱乙酰度的増大而显著
43 
华中农业大学2013届硕士研究生学位论文
减小,这可能是因为乙酰基脱除后凝胶网络结构加强,吸水和持水能力下降导致的。 弹性和内聚性受到分子的柔顺性、凝胶的持水能力等多个因素的影响,随着脱乙醜 度的增加,一方面,分子间相互作用增强,凝胶的网络结构越来越致密;另一方面 凝胶的持水力有所下降,并且随着乙酰基基团的减少,由于空间位阻等原因,魔芋 葡甘聚糖的双螺旋结构不能充分展开,两方面的原因导致乙酰基的含量对弹性和内 聚性的影响较小(王臻,2012)。凝胶的咀嚼度反应了凝胶的固体性质,由硬度、内 聚性以及弹性通过运算得到的间接参数,故变化趋势与硬度类似。随着乙酰基基团 的减少,DKGM分子更容易簇集,簇集后的分子链具有回到初始的具有较大熵值的 线团状态的趋向(朱黎萍,2008),分子链将产生一种弹性回复力,促使压缩后的分 子链段进行构象重排,故回复性成增大趋势。
3.6DKGM/Xanthan复配凝胶质构特性分析
 
 
0X60 DXG1 0X62 0XG3 OXG4OXGO OXG! DXG2 DX03 0XG4DXGO OXGt 0XG2 DXGS QXG4
图3-13 Xanthan与不同脱乙敢度KGM混合凝胶的全质构分析 (DXGO, DXG1,DXG2, DXG3 和 DXG4 中 KGM 的脱乙酰度分别为 0.00%, 37.30%,45.67%,
63.79%, 75.49%)
Fig. 3-13 TPA data of Xanthan and KGM mixed gels (The DD of the KGM in DXGO, DXG1, DXG2, DXG3 and DXG4 are 0.00%, 37.30%, 45.67%,
63.79% and 75.49% respectively)
图3-12显示了黄原胶与脱乙酰度不同的魔芋葡甘聚糖的共混凝胶的全质构分析 结果,包括凝胶的硬度、黏附性、弹性、内聚性、咀嚼度以及回复性。由于KGM 与黄原胶具有非常好的协同作用,在低浓度(1%)下即可形成热可逆凝胶,当多糖
44 
浓度较高时,二者混合后凝胶强度过大,难以体现出乙酰基含量对凝胶性能的影响, 故将多糖总浓度定为2%。除黏附性外,混合凝胶的各项指标的变化趋势与DKGM 凝胶相似,随着KGM脱乙酿度的增大总体成增加趋势,说明乙酰基的减少同样有 利于混合凝胶网络结构的加强。黏附性也随着乙酰基的减少而增大,说明黄原胶的 加入增大了凝胶的持水性能。
4本章小结
DKGM及其与黄原胶共混溶胶均表现出非牛顿流体的特性。对于单一 KGM体系 而言,随着脱乙酰度的增大,起始的零剪切粘度呈增加趋势,分子缠结程度变大,KGM 分子间作用增强;屈应力表现为低脱乙酰度<未脱乙酰<高脱乙酰样品,随着乙酰基 脱除量的增加,多糖分子的组装行为出现了从无序到有序的渐变。共混多糖的协同作 用受KGM脱乙酰改性的影响而增强,这种加强作用在低脱乙酰度(DD=37.30%、 45.67%)更为明显,而当KGM的DD增大到63.79%,又出现了回落。
对KGM单一体系动态粘弹模式的分析显示,63.79%是1%魔芋葡甘聚糖溶液发 生溶胶-凝胶转变的临界脱乙酰度。DD在63.79%以下,溶胶始终表现为流体性质, 高于63.79%,溶胶的固体性质占主导。随着脱乙酰度的增大,溶液的弹性模量显著 增大;G’与G”交点向低频移动;Tm向低温移动;时间扫描中高脱乙酰度样品的储 能模量随时间的延长而继续增大。共混体系的动态黏弹性质的变化趋势与单一体系 相似,不同脱乙酰度样品组之间的区别更为显著。脱除KGM分子链上的一部分乙 酰基后其与Xanthan的协同作用得到了加强,虽然本实验所考察的共混体系中KGM 的DD范围有限,但根据现有结果,大家可以推测,当DD增大到KGM自身的溶 胶-凝胶转变点以上后,这种加强效果可能会因KGM自身分子链更多的簇集而回落, 这一推论尚有待进一步研究的证实。
随着脱乙酰度的增大,KGM凝胶的硬度、咀嚼度和回复性成增大趋势,弹性、 内聚性无显著变化,黏附性则不断减小。说明乙酰基的脱除一方面增强了凝胶的网 络结构,另一方面对凝胶的持水性有不良影响。KGM与黄原胶的协同作用不受KGM 中乙酰基含量的影响,反而会随着KGM脱乙酰度的增加而増强,黄原胶的加入有 利于改善脱乙酰KGM凝胶的持水性能。
45
第四章乙酰基含量对魔芋葡甘聚糖膜性能与结构的影响 1引言
可食性膜是以蛋白质、多糖等可食性天然高分子为原料,依靠分子间的相互作 用形成的薄膜,一般需要具有一定的阻水性,选择透气性以及较好的机械性能等(罗 学刚,2000)。魔芋葡甘聚糖就是一种具有较好成膜性能的多糖,有很多研究将其膜 材料应用于食品包装、保鲜(方育,2006)以及抑菌(Li etal.,2006),另外,KGM良好 生物相容性和亲肤性还使该膜材料在医用敷料的开发上具有潜在价值(彭世军和张 升辉,1999;王碧etal.,2006;叶晓,2006)。像许多天然高分子一样,KGM膜也具有 许多不足,如吸湿性强,机械强度差,溶蚀过快等,需要通过与其他高聚物物理共 混或进行化学改性加以解决。化学改性的效果通常优于物理改性,有酯化、接枝共 聚、氧化、醚化、碱化改性等,大部分化学改性方法都较为复杂,可能会残留有毒 性的试剂,碱法改性简单、无毒,且对膜性能改变较大。碱法改性脱除了 KGM分 子上的乙酰基,可以显著提高膜的耐水性和机械强度(李斌和谢笔钧,2005;王文果, 2006)。目前的研究多添加过量的碱,将KGM分子上的乙酰基全部脱除,而未有涉 及乙酰基残留数目与多糖膜性能的关系。大家推测,由于存在临界脱乙酰度,因此, 在成膜的组装过程中,不同脱乙酰度KGM分子组装成膜的方式可能有不同,特别 是溶剂挥发过程中浓度渐增,可能放大组装方式的差异,因此,本部分就这一猜测 进行证实研究。
本章通过控制碱的添加量制得脱乙酰度不同的系列KGM膜材料。对改性膜的 力学性能、吸湿性、溶胀性等进行测定,并利用FT-IR、SEM、XRD、TGA等检测 手段对膜的结构进行表征,探讨膜结构的变化对性能的影响。
46 
2材料与方法
2.1实验材料 2.1.1材料与试剂
魔芋胶食品级湖北强森魔芋科技有限企业
甘油AR国药集团化学试剂有限企业
乙二醇AR国药集团化学试剂有限企业
聚乙二醇AR国药集团化学试剂有限企业
山梨醇AR国药集团化学试剂有限企业
Na2C03AR国药集团化学试剂有限企业
无水CaCl2AR国药集团化学试剂有限企业
v:(.
2.1.2主要仪器
傅立叶红外光谱仪NEXUS 470美国Nicolet企业
扫描电镜X-650日本Hitachi企业
X-射线衍射仪D/MAX-DIA日本Rigaku企业
热重分析仪TGA-20000美国PREISER企业
分光光度计722E 型上海光谱仪器有限企业
螺旋测微仪Bjhbcz-001-X北京中西泰安技术服务有限企业
质构分析仪TA-XTplus美国TA企业
精密增力电动搅拌器JJ-1常州国华电器有限企业
电热干燥箱DL102 型天津市实验仪器厂
电子分析天平BSA124S-CW德国Sartorius企业
电子天平BL310德国Sartorius企业
离心机TDL-5A上海化工机械厂有限企业
47
2.2实验方法 2.2.1增塑剂的确定
在高分子聚合物中添加增塑剂可以改善化合物的性质。其作用机理是小分子(相 对于高分子聚合物而言)的增塑剂可以插入到高分子聚合物的分子链之间,通过屏 蔽、阻挡、增加距离等方式削弱聚合物分子链间的应力,增加分子链的移动性、降低 分子链的结晶度,从而使聚合物的塑性增加。通过调整增塑剂的种类和添加量可以 获得完整、柔韧、有具有一定拉伸强度和透明度的膜材料,而若选择不当或者添加 过量,则会出现反增塑现象,影响产品品质。常用的食品级增塑剂主要为多元醇类, 包括甘油、乙二醇、聚乙二醇、甘露醇、山梨醇等。本节探讨了增塑剂种类(甘油、 乙二醇、聚乙二醇和山梨醇)以及不同添加量对魔芋葡甘聚糖膜性能的影响。
2.2.2 DKGM膜的制备
表4.1模拟不同相对湿度环境的方法 Table 4.1 Simulation of Different Relative Humidity
Relative Humidity (RH)Methods
0%CaCl2
23%Saturated KAc Solutions
33%Saturated MgCl2 Solutions
43%Saturated K2CO3 Solutions
50%35.64% CaCl2 Solutions
68%Saturated CuCh Solutions
75%Saturated NaCl Solutions
80%Saturated (NH4)2 SO4 Solutions
85%Saturated KC1 Solutions
100%Distilled Water
精确称取不同质量的Na2C03,加入到蒸馏水中,加入适量KGM以及増塑剂, 室温下机械搅拌lh,250目滤布过滤除杂,获得KGM浓度为1% (wt)的均勻溶液。 3500r/min离心脱泡15min,称取175g溶液,流延法在塑料盘中成膜,40°C下干燥 20h。将得到的不同脱乙酰度的KGM膜至于相对湿度为0%的干燥器中平衡7天后 密封于HDPE袋中备用。根据加碱量从低到高依次记为a,b,c,d,e,由第二章
48
方法 2.2.2 测得脱乙酰度分别为 0.00%,38.45%,52.34%,70.86%和 86.57%。
2.2.3 DKGM膜的性能检测 2.2.3.1力学性能测定
不同脱乙酰度KGM膜的拉伸强度(Tensile strength, TS)和断裂伸长率 (Elongation at break, ELO)参考 ASTMD882—02、GB 13022-91 标准以及文献(鲍 士宝,2009;方育,2006),采用英国TA企业的XT plus型质构仪进行测定。将待测样 品膜裁成15x100mm的长条,在相对湿度为100%的环境中平衡24h。使用螺旋测微 器在待测样品上取均勻分布的5点测量厚度,结果取平均值。测试条件为:A/TG探 头,上下夹片间距50mm,拉伸速率lmm/s。每组样品平行测量5次,取平均值。
拉伸强度(TS):在轴向拉伸力的作用下,试样直至断裂为止所受的最大拉伸 应力与断裂面的面积之比。
/TylO-6 TS (MPa)=--
Ixw
其中:
F——最大拉伸载荷(N)
1——膜的宽度(m) w膜的厚度(m)
断裂伸长率(ELO):式样在拉伸试验中断裂时长度的增加值与其初始长度的比 值。
ELO (%)=L-~L〇 xlOO%
L〇
其中:
L〇——膜的初始长度(mm)
L一膜断裂前的最大长度(mm)
2.2.3.2吸湿性测定
将2.2.2制得的DKGM膜裁剪至40mmx40mm大小,置于称量瓶中称重。25。。 条件下将装有样品膜的称量瓶放在相对湿度为100%的干燥器中,待其质量恒定后再 次称重。每组样品重复5次上述实验,结果取平均值。
49
吸湿性按式3-1计算:
Moisture absorption quotiety (%) = —~x 100%(式 4-1)
mQ
式(4_1)中:
m〇—样品膜与称量瓶初始总质量(g) m—平衡后样品膜与称量瓶的总质量(g)
2.2.3.3溶胀性测定
将样品膜裁成2.5x2.5cm大小,60°C条件下干燥至恒重,称其质量(mi)作为 干膜重量。然后将各个样品膜分别放入pH为1的盐酸以及pH为6.8、7.4和11的 磷酸缓冲液中,2h后取出样品膜,用滤纸小心吸去表面水分后称重,重量记为m2。 溶胀性按式4-2计算:
Swelling ratio = -^2 ~mi)
^(式 4-2)
式(4^2)中:
mi样品膜初始质量(g)
m2—溶胀后样品膜的质量(g)
2.2.3.4水蒸汽透过系数测定
根据ASTM E96—2000以及GB1037-70标准,采用拟杯法测定样品膜的水蒸气 透过率。选用直径4cm,杯深5cm的塑料杯,各放入3g无水CaCl2(0°/〇RH)。将样 品膜裁剪为直径5cm的圆,覆盖于杯口,石蜡密封。将密封好的测试杯放入装有 1000ml蒸馏水的干燥器中(100%RH)。25°C下。每隔12h取出测试杯,精确称量质 量的变化。通过测量透过薄膜的蒸汽质量计算样品膜的水蒸气透过系数。每组样品 做5个平行,结果取平均值。已知25°C时纯水的蒸汽压为23.76mmHg。
水蒸气透过系数(WVP)按式4一3计算:
?x5,xAP(式 4-3)
式4—3中:
M——单位时间内透湿杯重量的增加量(g/h)
d—样品膜厚度(cm),用螺旋测微器对同一张膜上5个分布均匀的部位测量
50 
取平均值
S——有效面积,本试验中膜的面积12.56cm2 Ap—样品膜两侧的蒸汽压之差(mmHg)
25°C下,膜两侧的相对湿度梯度为100%,故AP为23.76mmHg。
2.2.3.5透油系数测定
用样品膜密封装有5ml色拉油的试管中,将试管倒置于滤纸上,乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,静置48h后对 滤纸进行称量,计算质量的变化,计算公式如下:
SxT
式中:PO--透油系数(g*mm/m2*h);
AM-滤纸质量的变化(g); d-膜厚(mm);
S--膜面积(m2);
T--放置时间(h)。
2.2.3.6透光率
将样品膜裁成10x20mm长条状,固定于比色皿表面,在490nm的波长下使用 722E型分光光度计测定其透光率。透光率T (%)大小可以间接表示膜的透明度。 以空比色皿作为对照组,每组重复5次上述实验,结果取平均值。
T=4?〇X100P/〇
A
其中:
A490——膜在490nm处的吸光值 A——空白在490nm处的吸光值
2.2.4 DKGM膜的结构表征 2.2.4.1傅立叶红外光谱(FT-IR)分析
用Nicolet NEXUS-470型傅立叶红外光谱仪对2.2.2方法制得的不同脱乙酰度的 魔芋葡甘聚糖膜进行红外扫描。将样品裁剪至合适大小,置于全反射样品台上夹紧, 扫描光谱范围为4000cm4-400cm'仪器分辨率Wcnf1,扫描次数32,每个样品先
51
以空气为背景进行扫描,扣除背景,经由OMN1C分析App包分析获得数据结果。
2.2.4.2扫描电镜(SEM)分析
采用日本Hitachi企业的X-650型扫面电子显微镜观察样品膜的表面形貌。将样 品膜裁剪成lOxlOmm大小,置于液氮中淬冷后掰断,断面喷金后在在O.IT真空度 下进行扫描,观察断面的形貌,放大倍数为5000,扫描电压25kV,束流5xl(T9mA, 工作距离10mm。
2.2.4.3 X-射线衍射(XRD)分析
采用RigakuD/MAXRB型X—射线衍射仪对2.2.2方法制得的不同脱乙酰度的魔 芋葡甘聚糖膜的结晶性进行测定。测定条件为:Cu靶,20°C,电压40kV,管流40mA, 步长〇.〇2°,扫描速度1〇°/111111,扫描角度(20)5-6〇°。
2.2A4热重(TG)分析
采用PREISER TGA-20000型热重分析伩对样品的热稳定性进行研究。在氮气条 件下,以10°C/min的速度升温,测定温度为30°C-500°C,记录失重曲线。
3结果与分析 3.1增塑剂的确定
本节探讨了山梨糖醇、甘油、乙二醇以及聚乙二醇四种食品级增塑剂对魔芋葡 甘聚糖膜性能的影响。不同增塑剂由于分子大小、结构、轻基数目以及极性等区别, 增塑效果也会有很大差别。由表4-1, 0.2%的甘油的增塑效果最好,可以获得平整的, 拉伸强度以及断裂伸长率相对较高的膜。这是因为甘油分子大小合适,具有三个羟 基,可以进入聚合物分子链间改变聚合物的刚性和分子间作用力,从而增大了断裂 伸长率,而拉伸强度则相应有所降低。确定添加0.2%的甘油作为增塑剂。
52
表4~1增塑剂对脱乙醜魔芋葡甘聚糖膜性能的影响 Table 4-1 Effect of plasticizers on the properties of deacetylated konjac glucomannan films
增塑剂
种类添加量
(%)拉伸强度 (TS/MPa)断裂伸长率 (ELO/%)揭膜难易皱缩性完整性
15.6475.34难无差
山梨糖醇0.112.3465.34难无差
0.29.2574.32难无差
0.57.5479.43较易少许较好
甘油0.114.6978.34较易无较好
0.213.6690.40易无好
0.510.0399.49易少许好
乙二醇0.115.4565.34难无差
0.213.7970.53难无较好
0.511.5686.34较易少许好
聚乙二醇0.114.8975.34较易少许较好
0.212.0387.53易严重好
0.59.2393.23易严重差
 
Fig. 4>1不同脱乙酰度KGM膜的拉伸强度与断裂伸长率
 
3.2性能检测 3.2.1力学性能
Fig. 4-1 The dependence of tensile strength and elongation at break of the KGM films
on the deacetylation degree
53
机械性能是膜材料应用的首先考虑因素,实验中发现,所制得的样品膜易吸取 空气中的水分而回软,且在含水量较低时拉伸强度和断裂伸长率均小于经放置而吸 湿的样品。这一性质不同于大部分多糖类膜材料,说明水分对于KGM膜是一种优 良的增塑剂,故在进行力学测试前样品均在100%相对湿度下平衡了 24h。测得膜的 厚度为 〇.〇3±0.005cm
图4-1显示了 KGM膜的拉伸强度和断裂伸长率与残留的乙酰基的多少的关系。 未经脱乙酰改性的KGM膜的拉伸强度和断裂伸长率分别为13.66MPa和90.4%,随 着分子上乙酰基基团的减少,拉伸强度显著增加,在DD = 70.86%时达到最大值 27.69MPa,之后降至21.56MPa;与拉伸强度不同的是,断裂伸长率总体呈下降趋势。 有此可见,乙酰基含量对膜的力学性能有显著影响,未经改性的KGM伸长率最高, 但强度较差,经脱乙酰后,强度可以提高一倍以上,但相应的会在一定程度上降低 伸长率。这是因为,随着乙酰基的减少,分子缠结增加,分子间作用力增强,导致 了拉伸强度的增大;而同时分子链的刚性增强,柔顺性有所降低,故断裂伸长率呈 减小的趋势。当脱乙酰度显著高于临界脱乙酰度时,体系呈凝胶状态,在水分挥发 过程中,分子运动性小影响分子间充分组装,从而拉伸强度反而下降。初步证明脱 乙酰的渐进过程未必会带来材料性能的渐进变化的猜想是成立的。
3.2.2吸湿性
 
Fig. 4>2不同脱乙酰度KGM膜的吸湿性
Fig. 4-2 The dependence of moisture absorption quotiety of the KGM films on the deacetylation
degree
54 
吸湿性是衡量膜亲水性的指标。脱乙酰度不同的KGM膜的吸湿性如图4-2所 示,膜的吸湿性呈波浪状的变化趋势,而与脱乙酰度不存在线性相关性。无论改性 与否,膜的吸湿性均能达到65%以上,具有很好的持水性。图4-1显示的力学性能 是样品膜在100%相对湿度条件下吸湿平衡后测得的,吸湿性较强的b、c同时也具 有较大的拉伸强度。这可能是因为乙酰基脱除后除疏水作用外,还有分子间氢键等 其他作用力的形成,故膜的疏水性呈现出复杂的变化趋势,但用于机械性能变化的 说明可用于此处说明。
16
pH琴7,4 mnnopHsii
 
Mil
IIISIU
 
3.2.3溶胀性
abode Fig.«不同脱乙酰度KGM膜在不同pH条件下的溶胀性
Fig. 4-3 The dependence of swelling ratio of the KGM films on the deacetylation degree at
different pH
图4-3显示了不同脱乙酰度KGM在不同pH环境下溶胀性能的变化。未经脱乙 酰的KGM膜在水中迅速溶解,故得不到数值;一旦将乙酰基脱除,即使脱乙酰度 低至38.45%,膜的水溶性也会大大降低,在不同pH值的溶液中浸泡若干小时也可 以保持完整,不会再被溶解。经过脱乙酰改性的KGM膜后在不同pH环境下表现出 一定的溶胀规律。相同DD%的样品,过髙或者过低的pH均使溶胀倍率增加,其原 因可能是离子化的因素驱动,在碱性环境中的溶胀率略高于酸性环境。相同pH环 境下不同DD%样品的吸水倍率也表现出相同的规律,这看起来似乎与随脱乙酰度增 高水溶性下降、疏水性增强的共识相矛盾,但实际上,正如拉伸强度所表现的,膜 材料形成过程中组装运动不一致,如髙脱乙醜度样品分子运动小组装不充分,导致
55
华中农业大学2013届硕士研究生学位论文
了高脱乙酰度膜材料反而在2h的处理过程中溶胀倍率更高。这一变化规律可用于改 善KGM膜作为释放基质在应用过程中,由于溶蚀过快而导致的强度剧降或崩解的 问题,利用脱乙酰度不同调节释放速度。
3.2.4水蒸汽透过系数
(Bibo)8-3xdAM
 
Tf
 
 
Fig. “不同脱乙酰度KGM膜的水蒸气M过系数
Fig. 4-4 The dependence of vapor permeance quotiety of the KGM films on the deacetylation
degree at different pH
水蒸气透过系数是衡量材料的水分透过能力的指标,可以极大的影响该材料所 包装的食品的货架期。由图4-4可以发现,随着分子上乙酰基基团的减少,KGM膜 的水蒸气透过系数总体呈下降的趋势,仅DD=38.45%的膜略高于未改性的对照。 吸湿性、溶胀性以及水蒸气透过系数三者的变化趋势均较接近,这是因为KGM本 身具有很好的亲水性,易吸取空气中的水分,从而成为转移水分的介质;再者,水 分子进入成膜的大分子之间,会削弱大分子之间的相互作用,导致膜的结构变得疏 松,进一步降低膜对水蒸气的阻挡作用。脱除乙醜基后,KGM的结晶程度增大,分 子间缠结加强,膜结构更为致密,故水蒸气的透过速系数相应减小。
2.0 I-
3.2.5透油系数
48h后,所有样品膜均无油透过,说明不同脱乙酰度的KGM膜都具有很好的耐 油性。KGM分子亲水性较强,亲油性较差,脱除乙酰基后,亲水性有所下降,但仍 表现出憎油性。
56 
3.2.6透光率
 
Fig.4~5不同脱乙醜度KGM膜的透光率(3L=490nm)
Fig. 4-5 The light transmittance of KGM films with different deacetylation degree (X=490nm)
图4-5是不同脱乙酰度KGM膜材料在490nm下测得的透光率。随着脱乙酰度 的增大,膜透光率无显著区别,均呈现出较为透明的状态。
3.3结构表征
3.3.1傅立叶红外光谱(FT-IR)分析
 
图4~7不同脱乙酰度KGM膜的红外图谱 Fig. 4-7 FT-ER. spectra of the KGM films with different deacetylation degree
图4-7显示了不同脱乙酰度KGM膜的在SOOO-lSOOcm—1的红外光谱。从a到b,
57 
随着乙酰基脱除量的增加,位于1730cm-1处的乙酰基裁基振动峰逐渐减弱,说明脱 乙酰改性取得了成功。1650cm_1左右出现的新的峰为未反应的Na2C03,在膜的制备 过程中,脱乙酰反应从KGM与碱接触起便开始发生,直至膜完全干燥后才会终止, 由第二章的单因素实验结果可知,乙酰基在反应的起始阶段脱除较快,之后反应速 率逐渐减慢,除非加入远远过量的碱或者在较高的温度下进行反应,否则乙酰基很 难被完全脱除。除上述消失和新增的两个吸取峰外,其他吸取峰的位置几乎没有变 化,乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,只在峰的强度上有所区别,这是膜对某些波长的光的透过率发生了改变所导致 的,说明虽然除乙酰基外不存在其他官能团的产生或消失。
3.3.2扫描电镜(SEM)分析
 
图4-8不同脱乙酰度KGM膜切面的微观形貌(X5000)
Fig.4-8 SEM images of the KGM films5 cross section with different deacetylation degree (x5000)
KGM具有良好的成膜性,可以用于制备吸水衬垫、保鲜涂膜(王文果,2006)剂 以及面膜等产品。脱乙酰改性前后,KGM膜的外形上没有明显变化,外观均表现出 均匀、平整、具有一定透明度。采用扫描电镜放大5000倍后再进行观察,则发现乙 酰基基团的变化不仅仅反应在红外图谱、结晶特性以及热力学特性上有所反应,对 膜在微观形貌上也造成了影响。由于流延成膜中气液界面或液固界面的影响,对断 面微观形貌的观察较表面更能够反应膜材料的真实形貌。未改性的KGM膜的截面 (图4-8 a)放大到5000倍仍十分平整均匀,少量脱除乙酰基后(图4-8 b,DD=38.45%;
58
c,DD=52.34%)截面可以观察到有取向的纹路,脱乙酰度进一步增加(图4-8d, DD=70.86%; e,DD=86.57%)则出现杂乱的层状结构。有机材料在高倍数长时间 扫描时,在电子束的轰击下会导致碳原子沉积在观察区域的表面而造成观察区域损 伤变形,故放大倍数受到了限制,不足以观察到膜上的孔隙。虽然通过SEM获取的 信息较为有限,但依然可以从物理图像上证实了因脱乙酰度不同导致的组装差异的 猜测,并由此产生了力学性质、吸湿、溶胀等诸多性能非渐进性变化。
3.3.3X-射线衍射(XRD)分析
 
26 (°)
图4-9不同脱乙酰度KGM膜的XRD图
Fig.4-9 XRD curves of the KGM films with different deacetylation degree
热风烘干的膜和冷冻干燥的粉末状样品由于干燥过程的不同,其组装方式不一 致,其结晶状态有一定的差别,但同一干燥方式下的各个样品之间的变化规律仍基 本相同。天然KGM为无定形结构,随着乙酰基脱除量的增加,在20=12°左右出现 新的结晶峰,此处的微晶结构是由上述分析中分子组装程度不同及脱乙酰度不同两 个因素共同决定。
59
80
 
o o
6 4
(0/0) ssros
 
3.3.4热重(TG)分析
2〇 - 
〇■1■1»1■1■1.
0100200300400500
Temperature (BC)
图4-10不同脱乙酰度KGM膜的TGA图 Fig,4-10 TGA curves of the KGM films with different deacetylation degree 图4-10是乙酰基含量不同的KGM膜的热重分析曲线,与第二章中乙酰基含量 十分接近的冻干样品的失重模式有显著区别,一方面是热历史的原因导致,另一方 面也可能与40°C长时间千燥中KGM可能发生的轻微降解有关。冻干过程中,游离 水由冰直接升华,高聚物的分子链在低温下热运动极为缓慢,来不及进行组装重排, 最大限度的保留了其特性;而热风干燥的过程中,聚合物溶液逐渐浓缩,直至完全 失水,性质受制备条件的影响较大。
30°C —150°C失重为样品中水分的散失造成的,脱乙酰度由0到最高(86.57%), 样品依次失重6.4%、16.1%、12.7%、12.5和12.5%,该阶段的失重速率相差较大, 反应了各样品对水的结合能力有所区别。150°C到40CTC,重量的减轻是增塑剂甘油 损失和多糖分解所致,由于各个样品的甘油含量相同,故质量损失的多少体现了样 品稳定性的区别。该阶段经脱乙酰的各个样品失重速率较为接近,而KGM的失重 速率相对较高。到400°C重量接近稳定时,各样品依次失重74.4%、77.6%、78.7%、 78.1°/。和78.2%。未脱乙酰的KGM膜表现出了最好的热稳定性,这看起来与脱乙酰 反应的机制相背离,但实际上残留碱的催化热降解作用不容忽略。
60 
4本章小结
本章通过对不同脱乙酰度KGM膜性能的测定,验证了大家有关不同脱乙酰度 KGM分子组装成膜的方式可能不同,特别是溶剂挥发过程中浓度渐增会放大组装差 异的推论,具体表现为:
未经改性的KGM断裂伸长率最高,但强度较差,经脱乙酰后,强度先随DD 增加而增大,在DD=70.86%时达到最大,可以提高一倍以上,DD进一步提高则出 现了下降。吸湿和水蒸气透过性变化相似,在低脱乙酰度达到最大值,之后随DD 的增加而减小。相同DD的样品,受离子化的因素驱动,过高或者过低的pH均使 溶胀倍率增加,在碱性环境中的溶胀率略高于酸性环境;相同pH条件下,溶胀倍 率随DD的增加成波浪状变化,中间DD值样品吸水倍率最低。
FT-IR、SEM、XRD、TGA结果也显示出因脱乙酰度不同导致的组装差异的现 象,乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,并由此产生了力学性质、吸湿、溶胀等诸多性能非渐进性变化。红外图谱显示 样品膜除乙酰基含量外在组成上无明显差异。膜截面物理图像显示随DD增大膜出 现了杂乱的层状结构。受成膜过程的影响结晶特性和热稳定性出现了不同于第二章 中冷冻干燥样品的变化。
61
第五章脱乙酰魔芋葡甘聚糖/黄原胶共混膜的制备与表征
1引言
魔芋葡甘聚糖与黄原胶是多糖协同作用的典型代表,两者在水溶液中具有很强 的相互作用。除水凝胶外,KGM/Xanthan共混膜也是研究的热点,李波等将KGM 与Xanthan按照6: 4的比例制得共混膜,其机械强度和耐水性介于单一的KGM膜 与脱乙酰KGM膜之间,XRD分析发现共混膜的结晶态与单一膜相似,均为无定形 态,没有形成新的结晶区,共混膜性能的改善是两种高分子间以次级键形成的三维 网络结构导致的(李波和谢笔钧,2000a,b)。KGM/Xanthan共混膜除在食品领域有所 应用外,作为控释基质在结肠定位药物的释放上的应用价值越来越受到关注,成为 近年的研究热点(Alvarez-Mancefiido et al., 2008a,b;范江洋,2007)。
通过第三章的研究,大家发现KGM分子上乙酰基的含量对KGM与Xanthan 的在溶胶及水凝胶状态下的协同作用有显著的影响,但大家基于第四章的猜测,也 可类比当成膜过程DKGM浓度増大的过程中,溶胶-凝胶转变的临界脱乙酰度将向 下移,因此与黄原胶共混成膜将是更为复杂的组装过程。本部分即利用机械强度检 测、FT-IR、SEM、XRD、TGA等手段研究了共混膜的机械强度、结构、结晶性能、 热稳定性等,探讨了 KGM分子上乙酰基的含量对KGM与Xanthan共混膜组装及其 性能的影响。
2材料与方法
2.1实验材料 2.1.1材料与试剂
魔芋胶食品级湖北强森魔芋科技有限企业
黄原胶食品级河南世纪美食品添加剂有限企业
甘油AR国药集团化学试剂有限企业
62
Na2C03AR国药集团化学试剂有限企业
无水CaCl2AR国药集团化学试剂有限企业
2.1.2主要仪器
傅立叶红外光谱仪NEXUS 470美国Nicolet企业
扫描电镜X-650日本Hitachi企业
X-射线衍射仪D/MAX-IIIA曰本Rigaku企业
热重分析仪TGA-20000美国PREISER企业
分光光度计722E 型上海光谱仪器有限企业
螺旋测微仪Bjhbcz-001-X北京中西泰安技术服务有限企业
精密增力电动搅拌器JJ-1常州国华电器有限企业
电热干燥箱DL102 型天津市实验仪器厂 ;
电子分析天平BSA124S-CW德国Sartorius企业
电子天平BL310德国Sartorius企业
2.2实验方法
2.2.1DKGM/Xanthan共混膜的制备
室温下,称量适量Xanthan于蒸馏水中,机械搅拌2h得浓度为0.5% (w/w)的 Xanthan水溶液。称取不同质量的Na2C03于蒸馏水中,机械搅拌30min,配置浓度 均为0.5%(w/w)KGM溶液。将上述KGM溶液于80°C水浴锅中快速机械搅拌30min。 取等量Xanthan溶液与之共混,加入3.5ml甘油,80°C水浴锅中快速机械搅拌30min 后停止搅拌,静止3h脱泡。将混合溶液流延成膜,在电热干燥箱中50°C条件下干 燥20h,密封于自封袋中,至于干燥器中保存。根据加碱量从低到高依次记为A、B、 C、D、E。A 至 E 脱乙酰度分别约为 0.00%, 38.45% ,52.34%,70.86%和 86.57%。
2.2.2DKGM/Xanthan共混膜的性能检测 2.2.2.1力学性能测定
测试方法同第四章2.2.3.1。
63 
2.2.2.2吸湿性测定
测试方法同第四章2.2.3.2。
2.2.2.3溶胀性测定
测试方法同第四章2.2.3.3。
2.2.2.4透光率
测试方法同第四章2.2.3.6。
2.2.3DKGM/Xanthan膜的结构表征
2.2.3.1傅立叶红外光谱(FT-IR)分析
将样品膜剪碎,与KBr—起研磨压片。测试方法通第四章2.2.4.1。
2.2.3.2扫描电镜(SEM)分析
测试方法通第四章2.2A2。
2.2.3.3X-射线衍射(XRD)分析
测试方法通第四章2.2.4.3。
2.2.3.4热重(TG)分析
测试方法通第四章2.2.4.4。
64
 
4
 
ion
拥4020
3结果与分析 3.1力学性能
A80.D£
Fig. 5»1不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜的拉伸强度与断裂伸长率 Fig. 5-1 The dependence of tensile strength and elongation at break of the DKGM and Xanthan
blend films on the KGM deacetylation degree
KGM与黄原胶共混后膜的拉伸强度较KGM膜有显著的减小,两者的水溶液虽 然有很好的协同作用,可以共混形成凝胶,成膜性能却较差。随着共混膜中KGM 乙酰基含量的减少,拉伸强度先有所增大,继而显著减小,不同于二者凝胶材料或 单一的DKGM膜材料。共混凝胶随脱乙酰度增加凝胶强度增大,单一 KGM膜的强 度仅在达到较高的脱乙酰度时下降,而此共混膜的断裂强度在低脱乙酰度时最大, 且与单独的KGM膜相比均大大降低。这一变化同样可由组装过程加以说明:所有 成膜材料在水挥发前均为凝胶,组装不充分,并且在成膜过程中水挥发溶质浓度越 来越高,DKGM与Xanthan越难以产生协同作用,特别是DKGM浓度的不断提高 导致了自身簇集,致使两类凝胶的相转变同时发生,高脱乙酰度KGM共混物组装 更不充分。受到脱乙酰导致的强度增强效应和难于组装导致的强度减弱效应的共同 影响,膜强度在脱乙酰度在较低的38.45%处达到最高。共混膜的断裂伸长率则与 KGM膜相差无几(图4-1 ),随KGM脱乙酰度的增大而减小,这是由脱乙酰后DKGM 分子的刚性增强与组装困难共同所致。
65
w;
§
 
Fig. 5«2不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜的吸湿性 Fig. 5-2 The dependence of moisture absorption quotiety of the DKGM and Xanthan blend films
on the KGM deacetylation degree
3.2吸湿性
由图5-2可以看出,随着KGM乙酰基含量的减少,其与黄原胶共混膜的吸湿 性先减后增,脱乙酰度较低时(5-2A)吸湿性可降低20%,高脱乙酰度的共混膜吸 湿率可达84%。将该结果与第四章4-2中KGM膜的吸湿性进行比较,可以发现, 黄原胶的加入导致不同脱乙酰度的样品之间吸湿性的差别大大增加,变化趋势完全 改变,其原因亦可推测如上所述的不同DKGM为组装行为差异所致,其中脱乙酰度 在较低的38.45%的膜吸湿性最低。
3.3溶胀性
olaul
8
4
e一藝議_
 
pH=7.4
謹州*11
 
pH*1
Fig. 5«3不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜在不同pH条件下的溶胀性 Fig. 5-3 The dependence of swelling ratio of the DKGM and Xanthan blend films on the KGM
deacetylation degree at different pH
66 
KGM具有良好的成膜性,但无论在任何pH环境下,未经改性的KGM膜(图 4-3 a)都会快速溶蚀,大大限制了其应用。而KGM与Xanthan的共混膜(图5-3 A) 的溶蚀速率则大大降低,这是因为二者共混后分子相互穿插缠结构成了凝胶网络结 构,在溶胀过程中一方面水分子摄入凝胶使其体积膨胀,另一方面,膨胀过程中分 子网络又受到应力抵抗进一步溶胀,最终这两种力达到了平衡。当KGM的脱乙酰 度相同时,共混膜在碱性环境中的溶胀倍率远高于中性和酸性环境,这基本可归结 于黄原胶为酸性多糖的原因。相同pH条件下,溶胀性随脱乙酰度的增加均表现为 先减后增的规律,亦可说明为上述复杂组装的差异性。
有趣的是,Xanthan的加入增强了共混膜溶胀对pH值的响应。这是可能因为 Xanthan分子链上的糖醛酸在碱性溶液中可以电离出更多的羧基阴离子,增大凝胶网 络的静电斥力从而增大吸水倍率。另一方面,在实验中还发现,虽然共混膜在碱性 环境下溶胀倍率远大于酸性环境,但溶胀后前者的完整性与凝胶的强度均优于后者, 原因尚待进一步研究。
3.4透光率
80 r-
 
ABODE Fig.5~4不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜的透光率(X=490mn)
Fig. 5-4 The light transmittance of the DKGM and Xanthan blend films (l=490nm)
两种或两种以上高聚物共混膜的透光率可以作为判断各组分相容性高低的辅助 手段。透光率差的膜,其组分的相容性一般也较差,这是因为发生在两相界面的光 的散射或发射会降低材料的均一性和透光率。图5-4是不同脱乙酰度的KGM与 Xanthan共混膜材料在490nm下测得的透光率。随着其中KGM的脱乙酰度的增大,
67
透光率先略微増大而后迅速下降,在低脱乙酰度时膜的透光性最好,可以达到 62.65%,略高于改性前的60.87%。而DD>52.34%后,透光率快速下降到32.74%。 透光率的变化说明脱除乙酰基后KGM与黄原胶的相容性变差。
3.5傅立叶红外光谱(FT_ER)分析
 
图5-5为KGM膜,Xanthan膜,以及不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜(A —E)的红外光谱。从A到E,随着乙酰基脱除量的增加,位于mOcm-1处的乙酰 基羰基振动峰逐渐减弱,直至消失,说明脱乙酰改性取得了成功。
值得注意的是表征氢键相互作用的3440CHT1—0H的伸缩振动峰,很明显的在A 和B膜材料中,该吸取峰明显的移向低波数,并且呈现出十分典型的氢键作用所导 致的宽而强的吸取峰,表明该两个脱乙酰度的DKGM与Xanthan形成了强烈的氢键 相互作用,尤其以未脱乙酰的KGM更为明显。而在更高脱乙酰度的膜材料,峰型 改变呈尖峰的趋势,吸取峰位置在高一些波数出现,表明分子间氢键作用不再明显。 这从分子水平上进一步证实组装的差异,也与透明度等性能表现一致。
 
图5-6不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜表面的微观形貌(X5000)
Fig.5-6 SEM images of the DKGM and Xanthan blend films* surfaces with different
deacetylation degree (x5000)
3.6扫描电镜(SEM)分析
扫描电镜(SEM)是观察分析两相及其以上聚合物相形为最直观最常用的方法 (Ye etal., 2006)。共混膜的均勻程度可以用于衡量混合物的相容性。一般而言,共混 膜均匀致密,则相容性较好;相容性差的则会因热力学的原因导致分子链的分离、 自卷,宏观变现为膜形貌粗糙。不同脱乙酰度KGM与黄原胶复合膜的表面形貌如 图5-6所示。从图中可以发现,未经改性的KGM与黄原胶共混膜(图5-6 A)光滑 平整,均一性很好,表现出极佳的相容性。而随着KGM脱乙酰度的增加,膜表面 粗糙的结构越来越多,最终出现了明显的两相分离的形貌,其原因前已述及。
69
3.7X-射线衍射(XRD)分析
 
图5>7不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜的XRD图 Fig. 5-7 XRD curves of the DKGM aad Xanthan blend films
天然KGM在20为21°左右有一个较大的弥散峰,为无定形态。乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响黄原胶除 20为21°处存在的相似的峰以外,在20=14.8°处有一尖锐的结晶峰。而两者共混 膜(图5-7A至C)的XRD图谱表现为两种纯物质的图谱的叠加,与文献(范江 洋,2007)报道一致,但其中14.8°的结晶峰有所减弱。另外,当乙酰基脱除较多 时(图5-7 D、E),共混膜XRD图谱中黄原胶在20=14.8°处的结晶峰消失,而 在20=12.5°处产生的新的结晶峰强度随KGM脱乙酰度的增大而增强,与DKGM 膜的结晶态变化(图4-9)呈相反趋势,说明在这样两类凝胶相转变的复杂体系 中,因DKGM簇集产生结晶反而增加,其机制目前尚无法推测。
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3.8热重(TG)分析
 
图5-8不同脱乙酰度KGM与黄原胶共混膜的TGA图 Fig. 5-8 TGA curves of the DKGM and Xanthan blend films
样品的失重可分成两个阶段。第一阶段,从30°C到150°C,失重是样品中水分 的散失造成的,在115°C时样品失重由大到小依次为C、B、A、E、D,差值仅2%, 说明各样品对水的结合能力相差不大。第二阶段,150°C到500°C,重量的减轻是增 塑剂甘油损失和多糖分解所致,由于各个样品的甘油含量相同,故质量损失的多少 体现了样品稳定性的区别。200°C到300°C各个样品质量迅速减小,该阶段失重速率 由高至低依次为低脱乙酰度、高脱乙酰度,以及未脱乙酰KGM与黄原胶的共混膜。 到450°C重量接近稳定时,各样品依次失重79.4%、81.6%、81.4°/。、77.7%和80%。 样品D表现出了最好的热稳定性,这可能是由于该脱乙酿度的KGM分子自组装最 为充分,结构最为致密所导致的,该结果与溶胀性以及电镜的观测到的规律一致。
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4本章小结
KGM的脱乙酰度在38.45%左右,其与Xanthan共混膜的断裂强度、透光率以 及溶胀性达到最大值,吸湿性最小,说明此时共混膜中两种成分之间的相互作用达 到了峰值,相容性最好,这可能是因为此脱乙酰度下脱乙酰魔芋葡甘聚糖分子链自 组装的程度适中,对两种多糖的协同起到了正面的作用。若脱乙酰度继续增大,KGM 更倾向于发生自身分子链的簇集,导致与Xanthan相分离行为的出现,反而使膜的 强度、透光率、溶胀性等下降。
脱乙酰度较低的共混膜的红外图谱显示,两种多糖之间有较强的氢键相互作用, 与膜性能的表现一致。SEM直观的反应出,随着KGM脱乙酰度的增加,两种多糖 逐渐出现了严重的相分离现象。KGM脱乙酰度较高的样品的X射线衍射结果中出 现了 KGM自身分子链簇集组装导致的结晶峰,加之样品的热稳定性较低脱乙酰组 的有所增大,说明在脱乙酰度较高的情况下KGM更倾向于发生自身分子链的簇集, 不利于结构完整的共混膜的形成。
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第六章结论
1结论
本文采用水溶液均相脱乙酰法,用Na2C03作为脱乙酰剂,制备了一系列脱乙酰 度逐渐增大的魔芋葡甘聚糖溶液,采用动态流变、全质构分析、力学性能测试、红 外光谱分析、X射线衍射、热重分析以及扫描电镜观测等手段考察了脱乙酰进程对 魔芋葡甘聚糖组装行为和性能的影响以及脱乙酰魔芋葡甘聚糖与黄原胶共混物的凝 胶和成膜性能,得出了以下结论。
1选择Na2C03作为脱乙酰剂,25°C在水溶液中对KGM进行脱乙酰改性,通过 控制碱的加入量可以获得具有较宽脱乙酰度分布范围的反应均匀的DKGM样品。 FT-IR结果说明除乙酰基逐渐较少外,反应前后分子主链结构保持了不变。DKGM 的热失重率较改性前有所降低。无定形态的天然KGM经脱乙酰后,X射线衍射结 果显示乙酰基含量的变化改变了分子链的相互作用和空间构象,局部分子链排列的 规整性增强,这一结果不同于过往的对KGM进行的非均相脱乙酰改性的结果,暗 示了水溶液均相脱乙酰过程中KGM组装行为的特殊性。KGM的吸水性随分子链上 乙酰基数目的减少而显著降低,酶解性与吸水性的变化趋势一致,脱乙酰并不能完 全阻止P -甘露聚糖酶对KGM的降解作用,这种有限的抑制作用可能是吸水性能的 降低导致的。乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,水溶性的降低可以实现KGM在食品中的大量添加;根据酶解性的差 异,则有望将经脱乙酰改性的KGM开发作为结肠定位的药物或营养素的释放载体, 通过控制乙酰基的脱除程度来调节KGM的溶胀和释放速率。
2 DKGM及其与黄原胶共混溶胶均表现出非牛顿流体的特性。对于单一 KGM 体系而言,随着脱乙酰度的增大,起始的零剪切粘度呈增加趋势,分子缠结程度变 大,分子间作用增强;屈应力表现为低脱乙酰度<未脱乙酰<高脱乙酰样品,随着 乙酰基脱除量的增加,多糖分子的组装行为出现了从无序到有序的渐变。共混多糖 的协同作用受KGM脱乙酰改性的影响而增强,这种加强作用在低脱乙酰度 (DD=37.30%、45.67%)更为明显,而当KGM的DD增大到63.79%,又出现了回 落。
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对KGM单一体系动态粘弹模式的分析显示,63.79%是1%魔芋葡甘聚糖溶液发 生溶胶-凝胶转变的临界脱乙酰度。DD在63.79%以下,溶胶始终表现为流体性质, 高于63.79%,溶胶的固体性质占主导。随着脱乙酰度的增大,溶液的弹性模量显著 增大;G’与G”交点向低频移动;Tm向低温移动;时间扫描中高脱乙酰度样品的储 能模量随时间的延长而继续增大。共混体系动态黏弹性质的变化趋势与单一体系相 似,不同脱乙酰度样品组之间的区别更为显著。脱除KGM分子链上的一部分乙酰 基后其与Xanthan的协同作用得到了加强,虽然本实验所考察的共混体系中KGM 的DD范围有限,但根据现有结果,大家可以推测,当DD增大到KGM自身的溶 胶-凝胶转变点以上后,这种加强效果可能会因KGM分子链发生更多的自身簇集而 回落,这一推论尚有待进一步研究的证实。
随着脱乙酰度的增大,KGM凝胶的硬度、咀嚼度和回复性成增大趋势,弹性、 内聚性无显著变化,黏附性则不断减小。说明乙酰基的脱除一方面增强了凝胶的网 络结构,另一方面对凝胶的持水性有不良影响。KGM与黄原胶的协同作用不受KGM 中乙醜基含量的影响,反而会随着KGM脱乙酰度的增加而增强,黄原胶的加入有 利于改善脱乙酰KGM凝胶的持水性能。
3对不同脱乙酰度KGM膜性能的测定结果,验证了大家有关不同脱乙酰度 KGM分子组装成膜的方式可能不同的推测,特别是溶剂挥发过程中由于浓度渐增会 放大组装差异的推论,具体表现为:
未经改性的KGM断裂伸长率最高,但强度较差。经脱乙酰后,强度先随DD 增加而增大,在DD=70.86%时达到最大,可以提高一倍以上,DD进一步提高则出 现了下降。吸湿和水蒸气透过性变化相似,在低脱乙酰度达到最大值,之后随DD 的增加而减小。相同DD的样品,受离子化的因素驱动,过高或者过低的pH均使 溶胀倍率增加,在碱性环境中的溶胀率略高于酸性环境;相同pH条件下,溶胀倍 率随DD的增加成波浪状变化,中间DD值样品吸水倍率最低。
FT-IR、SEM、XRD、TGA结果也显示出脱乙酰度不同导致的组装差异的现象, 并由此产生了力学性质、吸湿、溶胀等诸多性能的非渐进性变化。红外图谱显示样 品膜除乙酰基含量不同外,在组成上无明显差异。膜截面的物理图像显示,随DD 增大,膜出现了杂乱的层状结构。乙酰进程对魔芋葡甘聚糖单相变及多相变耦合中组装行为的影响,受成膜过程的影响,结晶特性和热稳定性出现了 不同于冷冻干燥样品的变化规律。
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4 KGM的脱乙酰度在38.45%左右时,其与Xanthan共混膜的断裂强度、透光率 达以及溶胀率到最大值,吸湿性最小,说明此时共混膜中两种成分之间的相互作用 达到了峰值,相容性最好,这可能是因为此脱乙酿度下脱乙酰魔芋葡甘聚糖分子链 自组装的程度适中,对两种多糖的协同起到了正面的作用。若脱乙酰度继续增大, KGM更倾向于发生自身分子链的簇集,导致与Xanthan相分离行为的出现,反而导 致共混膜的强度、透光率、溶胀性等下降。
脱乙酰度较低的共混膜的红外图谱显示两种多糖之间有较强的氢键相互作用, 与膜性能的表现一致。SEM直观的反应出,随着KGM脱乙酰度的增加,两种多糖 逐渐出现了严重的相分离现象。KGM脱乙醜度较高的样品的X射线衍射结果中出 现了 KGM自身分子链簇集组装导致的结晶峰,加之样品的热稳定性较低脱乙酰组 的有所增大,说明在脱乙酰度较高的情况下,KGM更倾向于发生自身分子链的簇集, 不利于形成结构完整的共混膜。
2展望
本研究还有诸多不足之处,需要进一步的深入探索。
1 KGM与黄原胶协同增效的原理虽然已经较为明晰,但KGM脱除乙酰基后两 者的协同作用有所改变,导致这一改变的相互作用和相行为尚有待深入研究。
2可对静态模式和动态模式的流变分析进一步深入,系统全面考虑胶体浓度、 降温过程、复配比例等的影响。
3可以根据凝胶的流变、质构特性和膜的性能、结构变化对DKGM基凝胶或膜 材料的释放性能加以进一步研究,开发成凝胶载体,或医用辅料。
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