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    β-甘露聚糖酶降解对魔芋葡甘聚糖结构、黏度性质的影响*

    时间：2023-01-14 17:45:07来源：百花范文网本文已影响人

    唐晓东

    （陕西省安康市农业科学研究院，陕西 安康 725000）

    魔芋又名蒟蒻，是一种生长在低纬度、高海拔山区的多年生草本植物， 在中国仅产于陕南秦巴丘陵地区和川、渝、鄂、滇、黔等地。

    魔芋中的主要活性成分是魔芋葡甘聚糖，又称魔芋多糖[1]。

    成熟的鲜魔芋块茎中魔芋葡甘聚糖的含量达10%~30%，干魔芋块茎中魔芋葡甘聚糖的含量则高达55%~60%[2]。

    魔芋葡甘聚糖属于可溶性半纤维素， 因其具有持水、增稠、稳定、悬浮、胶凝、成膜等多种独特的理化性质而应用到多种领域。

    但是魔芋葡甘聚糖同样也存在着分子量较大、溶解度低、溶胶稳定性差、流动性差等缺点，这些缺点在一定程度上限制了其应用范围，促使人们对魔芋葡甘聚糖的改性进行深入的研究[3-4]。聚合物的降解是改性的一种结果， 它可以是化学改性、物理改性或生物改性，也可以是两种或三种方法结合的结果[5]。

    目前，最常见魔芋葡甘聚糖降解方法有酶解法、微波或超声波辅助降解法、机械力作用降解法、辐照降解法或是这些方法的组合[6-7]。

    常用于魔芋葡甘聚糖降解的酶有纤维素酶、β-甘露糖酶和葡聚糖酶， 不同种类的酶对魔芋葡甘聚糖的降解条件和效果不同， 本文以魔芋葡甘聚糖为原料， 主要分析研究经过β-甘露聚糖酶降解后，魔芋葡甘聚糖的结构、分子量和黏度性质变化。

    1.1 材料与设备

    魔芋葡甘聚糖， 购于陕西省宝鸡市康迪特魔芋制品有限公司；
    经β-甘露聚糖酶降解后的魔芋葡甘聚糖，自制；
    Nicolet iS20 红外光谱仪，德国Bruker 公司；
    马尔文2000 激光粒度分析仪，欧美克仪器有限公司；
    Waters 1525 液相色谱仪， 美国沃特斯公司；
    Q2000 差示扫描量热仪， 美国TA 公司；
    RVA-Tec-Master 快速黏度分析仪，波通瑞华科学仪器（北京）有限公司；
    FEIQ45 扫描电镜，日本日立集团。

    1.2 方法

    1.2.1 颗粒粒径测定

    样品处理：
    将样品均匀装入量杯后加入40~60 mL 水，超声处理2 min，并适当搅拌使样品分散均匀，立即倒入进样池中，当遮光比在8%~15%之间，且绿柱稳定即可分析。

    测定方法：
    将激光粒度分析仪打开预热0.5 h后，打开软件和循环进样系统。

    新建样品信息参数，调节粒度测试仪器上两黑色对中旋钮，使零环30 以上，一环20 以下，且零和一环差距最大。测试完保存文件后，打开循环进样系统排放阀放水，并往循环进样器加水至光能分布图全部绿柱消失， 即表明清洗干净。粒径分析结果由软件自动计算获得。每个样品平行测定三次取平均值。

    1.2.2 分子量及分子量分布的测定

    样品处理：取2 mg 样品，加1 mL 水，过0.22μm水相滤膜，备用。

    测定方法：凝胶渗透色谱法（GPC）。

    仪器：Waters 1525 液相色谱仪， 色谱柱为PL aquagel-OH MIXED 8 μm，300×7.5 mm；
    检测器：示差折光检测器 （RID）。

    进样量50 μL， 流动相为0.05 M 无水Na2SO4水溶液，流速1.0 mL/min，柱温30 ℃，柱压3.3 MPa，运行时间20 min。

    1.2.3 傅立叶红外光谱分析（FT-IR）

    样品处理：
    将样品固体粉末加入到KBr 粉末中，碾碎并搅拌均匀，用压片机将样品压成薄片。

    测定方法：
    将压好的样品薄片放置在傅立叶红外光谱仪中，测定样品的红外吸收光谱，扫描的波长范围为400~4 000 cm-1，测试前需要扣除背景。

    1.2.4 黏度的测定

    样品处理：用蒸馏水配制5%（w/w，以干基计）的样品溶胶28 g，置于快速黏度分析仪（RVA）的专用测量杯中。

    测定方法：采用快速黏度分析仪（RVA）测定样品的黏度性质。

    测定的具体程序参数如表1 所示。

    1.2.5 扫描电镜观察（SEM）

    样品喷金处理：
    取少量样品均勻分散于带双面胶的样品铜台上，然后进行喷金处理。

    测定方法：
    扫描时将带有样品的铜台置于扫描电镜中，观察颗粒表面形貌，选择适宜的观察倍数，挑取分离的、具有代表性的样品进行拍摄。

    2.1 颗粒粒径分析

    通过激光粒度分析仪的测定， 得到的魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的颗粒粒径分布情况如图1 所示，图中可以看出，经过酶降解后魔芋葡甘聚糖的粒径分布与原魔芋葡甘聚糖基本相同，差异不大。表2 为魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的颗粒粒径测定结果，从表中可以看出，魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解之后，颗粒的粒径范围分布没有变化（10~1 000 μm），但是魔芋葡甘聚糖颗粒的平均粒径减小，这可能与酶降解后，降解产物经过搅拌、醇沉、烘干及粉碎等过程有关。

    表1 快速黏度分析仪黏度测定程序参数

    图1 魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的颗粒粒径分布

    表2 魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的颗粒粒径测定结果 μm

    2.2 分子量及分子量分布的分析

    通过凝胶色谱分析数据后可得三个重要参数依次为：重均分子量（Mw）、数均分子量（Mn）、多分散性指数PD。

    其中，多分散性指数（PD）=重均分子量（Mw）与数均分子量（Mn）之商。

    数均分子量（Mn）是指在化学组成相同但是聚合度不同的同系混合物中，是按照分子数目不同平均的统计分子量。重均分子量（Mw）是指在化学组成相同但是分子量不同的同系混合物中， 是对分子量不同的分子重量平均的统计平均分子量。

    高聚物天然化合物通常是由不同聚合度、不均一分子量的同系化合物组合而成的，其分子量不均一性常用多分散性指数（PD）来表示。

    多分散性指数（PD）是表示聚合物分子量分布的最简单的方法，PD 愈大， 表明分子量分布得愈宽， 愈分散；
    PD 愈小，表明分子量分布得愈窄，愈集中。

    通过waters 高效液相色谱仪对魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的样品进行测定，魔芋葡甘聚糖降解前后分子量的分布情况如图2 所示， 图中可以看出， 经过酶降解后魔芋葡甘聚糖的分子量分布与原魔芋葡甘聚糖基本相同，差异不大。表3 为魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的分子量测定结果，从表中可以看出，魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解之后， 重均分子量 （Mw）、 数均分子量（Mn）和平均分子量（Mz）明显降低，重均分子量由107 万，降低到3.94 万，降低了96.3%，数均分子量由65.5 万（CK），降低到1.66 万，降低了97.5%。

    图2 魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的分子量分布

    2.3 傅立叶红外光谱分析

    红外光谱图中的每一个吸收峰都代表着分子链中相应基团的振动形式， 所以红外光谱是对聚合物结构解析最常见、最有效方法之一；
    红外光谱可分为400~1 300 cm-1和1 300~4 000 cm-1两个部分，其中400~1 300 cm-1部分为吸收谱带数目较多的部分，称为指纹区。1 300~4 000 cm-1部分为官能团特征吸收峰出现较多的部分，称为官能团区。对于同种官能团而言， 它们在不同的物质的红外光谱图中具有几乎相同的特征频率， 分子链其它部分的变化对其特征频率的改变影响较小。因此，可以根据红外光谱图中吸收峰的位置强弱、 形状等来确定物质官能团结构的变化。

    根据相关的红外光谱分析理论， 结合魔芋葡甘聚糖结构研究的有关理论， 对魔芋葡甘聚糖各红外光谱吸收峰进行归类分析，结果如表4 所示：

    魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的样品进行红外光谱测定结果如图3 所示。由图可知，魔芋葡甘聚糖降解前后的红外光谱图曲线几乎一致，原因是在β-甘露聚糖酶降解过程中没有新官能团的加入，魔芋葡甘聚糖的骨架没有改变，但是部分基团的吸收峰值发生了变化：3 450 cm-1和955 cm-1分别为羟基和β-1,4 糖苷键振动吸收峰， 降解后的魔芋葡甘聚糖在这两点的吸收峰要低于原魔芋葡甘聚糖的吸收峰， 原因是β-甘露聚糖酶的作用位点β-1,4 糖苷键，酶解作用引起β-1,4 糖苷键的断裂导致羟基和糖苷键数目减少。

    表3 魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的分子量 g/mol

    表4 魔芋葡甘聚糖的红外光谱吸收峰归属

    图3 魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的红外光谱图

    2.4 黏度性质分析

    通过快速黏度分析仪对魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的样品进行黏度测定结果如图4所示。从图中可以看出，魔芋葡甘聚糖降解前后的黏度曲线是一致的，加热3 min 左右，黏度迅速上升并很快达到最大，然后黏度缓慢下降，最后随着温度的下降黏度再次骤升。

    两者的差异在于，酶解之后，魔芋葡甘聚糖的黏度值明显降低，在相同的条件下，原葡甘聚糖黏度最大值可达11 800 cP，降解后魔芋葡甘聚糖的黏度最大值是513 cP，黏度降低了95.6%。对于多数聚合物而言，分子量越小，形成溶液分子间的相互作用就越弱，其黏度就越小；
    此外，分子链的缠绕方式变得简单，这就是导致黏度减小的原因。

    2.5 形貌观察分析

    采用扫描电镜对魔芋葡甘聚糖酶解前后颗粒的表观形态结构做了研究。结果如图5 所示。从图中可以看出，两者的颗粒形态较为一致，均为不规则椭圆形，表面光滑程度一致，都有一定的凹陷和划痕，这可能与两者均经过粉粹处理有关。

    相比原魔芋葡甘聚糖， 酶解后魔芋葡甘聚糖的颗粒形态与大小较为散乱、参差，颗粒明显减小，这与2.1 颗粒粒径测定结果是一致的，可能原因是降解过程中分子链断裂，而魔芋葡甘聚糖颗粒是由大量的分子链缠绕构成，分子链是维持魔芋葡甘聚糖颗粒结构的重要因素。

    图4 魔芋葡甘聚糖经β-甘露聚糖酶降解前后的黏度曲线图

    通过凝胶渗透色谱 （GPC）、 傅立叶红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）和黏度测定等方法来分析β-甘露聚糖酶降解对魔芋葡甘聚糖结构和黏度性质的影响。结果表明，降解后魔芋葡甘聚糖的主链骨架没有明显变化，但部分基团数目发生变化，魔芋葡甘聚糖颗粒变得散乱、参差，颗粒粒径、分子量均明显变小，黏度降低了95.6%。

    总体而言，β-甘露聚糖酶降解对魔芋葡甘聚糖结构性质影响不大， 但明显改变了其黏度性质。

    近年来，为了提高魔芋葡甘聚糖的各种性能，研究人员对魔芋葡甘聚糖的改性做了大量的研究，其分子降解作为一种重要的改性手段，引起了广泛的关注，并取得了一些突破性进展[8-9]，但也存在一些问题，如多数研究仅限于一种方法的降解，没有研究协同降解， 所以通常情况降解的效果不是很明显，且由于降解产物成分很复杂，加大了后期分离、纯化难度。

    因此，协同降解方法的探索将成为魔芋葡甘聚糖降解方法探索的一个新方向；
    魔芋葡甘聚糖的结构是其活性的基础，因此，结构研究对其活性方面研究有深远意义，魔芋葡甘聚糖的构效关系研究是一个重要的方向；

    在理论研究的基础上，开发一些具有特殊功能的魔芋葡甘 聚糖类产品，将具有重要实际意义。

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