硫酸酯化亞麻膠的制備與分析

張澤生，張 蘭

（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

硫酸酯化亞麻膠的制備與分析

張澤生，張 蘭*

（天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院，天津300457）

采用氯磺酸-吡啶法，通過單因素和正交實(shí)驗(yàn)得出制備硫酸酯化亞麻膠的最佳工藝條件為：吡啶-氯磺酸比值為2，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間4h，此工藝條件下產(chǎn)物取代度為1.34。紅外光譜分析表明，該條件下其部分羥基已被硫酸基取代；酯化后的亞麻膠黏度降低，溶解度和透明度升高，掃描電鏡觀察到其表面結(jié)構(gòu)疏松程度也升高，但隨著取代度的升高，其透明度升高不明顯；酯化后的亞麻膠起泡性能明顯升高，但泡沫穩(wěn)定性降低，乳化性明顯下降。

亞麻膠，硫酸酯化，氯磺酸-吡啶法，分析

Abstract：Wolfrom method was used to prepare sulfated flaxseed gum.The optimal technical parameters were：pyridine/chlorosulfuric ratio 2，temperature 60℃ and reaction 4h，and the degree of substitution was 1.34.The infared spectrum showed that some hydroxyl was substituted by sulfate group.After being sulfated，the viscosity decreased，solubility and transparency increased，and the loosen degree increased by scanning electron microscope.But the transparency did not increase significantly with degree of substitution increasing.Foamability increased，but stability of foam decreased；emulsifying capacity decreased obviously.

Key words：flaxseed；sulfated derivative；Wolfrom method；analysis

亞麻，又稱胡麻，在我國新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、河北、黑龍江都有種植，資源十分豐富［1］。亞麻籽的主要成分為亞麻籽油和亞麻蛋白，還含有一定量的亞麻膠、木酚素、維生素和礦物質(zhì)等成分。其中，亞麻膠是一種以多糖為主，并含有少量蛋白質(zhì)及礦物元素的天然高分子復(fù)合膠［2］。亞麻膠作為膳食纖維，可替代脂肪，無毒，且對(duì)某些重金屬中毒有解毒效果，還具有減肥、防止結(jié)腸癌和直腸癌等保健功效［3］。由于亞麻膠具有增稠性、起泡性、乳化性、成膜性等功能特性，而被廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品、果凍、面制品等食品工業(yè)［4-7］。由于亞麻膠在應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)”現(xiàn)象，溶解速度慢，水不溶物含量高，而不能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)所要求的快速水合和溶脹。通過對(duì)亞麻膠進(jìn)行化學(xué)改性，如硫酸酯化、磷酸酯化、羧甲基化等，可以解決原膠在理化性能方面的缺點(diǎn)。目前，亞麻籽膠的羧甲基化改性已有報(bào)道，改性后亞麻籽膠的性能得到改善，并應(yīng)用于鉆井液體系，效果良好。亞麻膠多糖為吡喃型，因此本文采用Wolfrom法（氯磺酸-吡啶法）對(duì)亞麻膠進(jìn)行硫酸酯化并對(duì)其進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

亞麻膠 從亞麻粕（天津市尖峰天然產(chǎn)物研究開發(fā)有限公司提供）中提取、純化而得，即以料液比1∶21，在 pH2、浸提溫度 70℃下浸提 1h，濃縮醇沉，用Sevage法去除多余蛋白；三氯甲烷、正丁醇、氯磺酸、無水吡啶、無水甲酰胺、無水乙醇、硫酸鉀、三氯乙酸等 均為分析純；明膠 為生化試劑。

TDL-5-A型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；SHB-III循環(huán)水式多用真空泵 鄭州長城科工貿(mào)有限公司；RE2000A旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；JB90-D型電動(dòng)攪拌器 上海標(biāo)本模型廠；LGJ25冷凍干燥機(jī) 美國熱電集團(tuán)；UVmini-1240紫外/可見分光光度計(jì) 日本島津儀器公司；VECTOR 22傅立葉變換紅外光譜儀 德國布魯克儀器公司；JSM-6380掃描電子顯微鏡 日本電子公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 亞麻膠的硫酸酯化 將附有冷凝管和攪拌裝置的三頸燒瓶置于鹽水-冰浴中，加入吡啶，攪拌，使之充分冷卻，用滴液漏斗慢慢加入氯磺酸，滴加完畢，燒瓶中出現(xiàn)大量淡黃色固體。將亞麻膠粉末懸浮于無水甲酰胺中，以磁力攪拌器室溫下攪拌30min，然后逐漸加入制好的酯化試劑，在三頸燒瓶中水浴攪拌反應(yīng)，恒溫?cái)嚢韬罄渲潦覝兀瑢⒎磻?yīng)液置于冰水浴中冷卻至0℃，加入預(yù)先冷卻至0℃的4mol/L氫氧化鈉溶液中和溶液酸堿度，加無水乙醇至75%濃度，靜置，離心，沉淀復(fù)溶于水，蒸餾水透析，直到用濃度為5%的氯化鋇溶液滴入無白色沉淀生成為止。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮，冷凍干燥即得硫酸酯化亞麻膠。

1.2.2 亞麻膠硫酸酯中取代度的測定 采用硫酸鋇比濁法［8］測定其硫酸基含量。取代度公式：DS=（1.62×S%）/（32-1.02×S%），其中，DS為取代度，S%為硫含量。

1.2.3 硫酸酯化亞麻膠的分析

1.2.3.1 溶解度的測定 分別配制濃度為0.1%的改性前后的亞麻膠溶液，搖勻后移入離心管，于5000r/min轉(zhuǎn)速下離心10min，吸取上層清液于已稱重的稱量瓶中，于105℃下干燥至恒重，按下式計(jì)算溶解度：

溶解度（S）=液體中固體重/樣品總重×100%

1.2.3.2 透明度的測定 分別取改性前后亞麻膠0.10g（精確至0.01g）置于100mL容量瓶，加水溶解，并稀釋至刻度搖勻，用分光光度計(jì)于1cm吸收池中，在420nm下測透光率，以水透光率為100%。

1.2.3.3 黏度的測定 分別配制濃度為1%的改性前后的亞麻膠溶液，用DV-III型流變儀，選擇RV3轉(zhuǎn)子，測定其在25℃，100r/min轉(zhuǎn)速下的黏度。

1.2.3.4 起泡性的測定 分別配制濃度為1%的改性前后的亞麻膠溶液，高速攪動(dòng)發(fā)泡，測定發(fā)泡后的體積和泡沫穩(wěn)定時(shí)間，按下式計(jì)算發(fā)泡率和泡沫穩(wěn)定性：

發(fā)泡率（%）=（發(fā)泡后體積V1/發(fā)泡前體積V0）×100%

泡沫穩(wěn)定性（%）=（靜置1d后體積V2/發(fā)泡后體積 V1）×100%

1.2.3.5 乳化性的測定 配制濃度為1%（W/V）的改性前后的亞麻膠液，分別按油水比1/1、1/10加入大豆油，經(jīng)高速均質(zhì)機(jī)（10000r/min）分散2min，得到乳狀液。將乳化液轉(zhuǎn)移到100mL的具塞量筒中，間隔一定時(shí)間觀察分層情況。乳化穩(wěn)定性計(jì)算方法：同等條件下，以乳化層比例大小衡量乳化能力和乳化穩(wěn)定性。

乳化層比例（%）=［乳化液總量（mL）-游離水量（mL）］×100%

1.2.3.6 紅外光譜分析 分別取改性前后的亞麻膠樣品1mg，溴化鉀120mg，研磨，壓片后，在 VECTOR 22傅立葉變換紅外光譜儀上進(jìn)行紅外分析。儀器分辨率：4cm-1，掃描次數(shù)：16。

1.2.3.7 掃描電鏡分析 將亞麻膠和不同取代度的改性亞麻膠粉末粘貼在導(dǎo)電膠上，用洗耳球吹干多余未粘牢的粉末，待導(dǎo)電膠干透，進(jìn)行金屬鍍膜和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 吡啶-氯磺酸比值對(duì)酯化效果的影響

由圖1可知，隨著吡啶-氯磺酸比值的增大，產(chǎn)物的取代度（DS）先降低后增大，但增大的趨勢不明顯。由于磺化試劑的熔點(diǎn)較高，當(dāng)磺化試劑中吡啶的比例過低時(shí)，磺化試劑在反應(yīng)溫度下呈淡黃色固態(tài)，增多易產(chǎn)生板結(jié)，導(dǎo)致攪拌困難，不利于反應(yīng)的進(jìn)行。綜合考慮吡啶-氯磺酸比值對(duì)產(chǎn)物取代度的影響，選擇吡啶-氯磺酸比值為2較為合適。

圖1 吡啶-氯磺酸比值對(duì)酯化效果的影響

2.2 反應(yīng)溫度對(duì)酯化效果的影響

由圖2可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)物的取代度逐漸增大。反應(yīng)溫度低于60℃時(shí)，產(chǎn)物取代度明顯增大，高于60℃時(shí)，產(chǎn)物取代度增大不明顯。另外考慮到溫度過高可能導(dǎo)致多糖降解，由此選擇反應(yīng)溫度為60℃較為合適。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)酯化效果的影響

2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化效果的影響

由圖3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，產(chǎn)物的取代度先增大后減小并趨于穩(wěn)定。反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)，產(chǎn)物取代度達(dá)到最大，所以選擇反應(yīng)時(shí)間3h較為合適。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)酯化效果的影響

2.4 制備硫酸酯化亞麻膠的工藝優(yōu)化

表1 硫酸酯化正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

根據(jù)以上單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)L9（34）正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。由正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果可知，吡啶-氯磺酸比值（A）對(duì)亞麻膠酯化效果影響極顯著，反應(yīng)溫度（B）、反應(yīng)時(shí)間（C）對(duì)亞麻膠酯化效果影響顯著，即A＞C＞B＞D；并得出該法制備亞麻膠硫酸酯的最佳工藝條件為A2B2C3，即吡啶-氯磺酸比值為2，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間4h，此工藝條件下產(chǎn)物取代度為1.34。

表2 硫酸酯化正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 硫酸酯化正交方差分析表

2.5 硫酸酯化亞麻膠的分析

2.5.1 溶解度和黏度的分析 由表4可知，亞麻膠經(jīng)硫酸酯化后，其溶解度明顯升高。這是由于分子中引入親水的硫酸基團(tuán)，使硫酸酯化亞麻膠的親水性強(qiáng)于亞麻膠，同時(shí)降低了水不溶物的含量，使改性后的亞麻膠水溶性大大改善。而其粘度明顯降低，這可能是由于硫酸基的取代改變了亞麻膠多糖的一級(jí)結(jié)構(gòu)甚至高級(jí)結(jié)構(gòu)，并使其帶有大量的負(fù)電荷，從而使糖鏈的空間構(gòu)象變得舒展，暴露出較多的羥基，使極性增大，最終使亞麻膠黏度降低。

表4 改性前后亞麻膠的溶解度和黏度

2.5.2 透明度的分析 由圖4可知，亞麻膠經(jīng)硫酸酯化后，其透明度明顯增大，但隨著取代度的增大，硫酸酯化亞麻膠的透明度增大不明顯，這說明硫酸基的存在是影響硫酸酯化亞麻膠透明度的關(guān)鍵所在。

圖4 改性前后透明度分析

2.5.3 起泡性的分析 由表5可知，硫酸酯化亞麻膠發(fā)泡率明顯高于未改性亞麻膠，但泡沫穩(wěn)定性明顯低于未改性亞麻膠。可見，改性后亞麻膠的部分起泡性能得到了改善。

表5 改性前后亞麻膠的起泡性

2.5.4 乳化性的分析 由表6、表7可知，硫酸酯化亞麻膠的乳化能力較改性前明顯降低，而且油水比O/W越大，乳化性越差。硫酸酯化后導(dǎo)致亞麻膠結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其乳化性也隨之變化。

表6 改性前后亞麻膠的乳化性（O/W=1/1）

表7 改性前后亞麻膠的乳化性（O/W=1/10）

2.5.5 紅外光譜分析 由圖5可知，3400cm-1附近的糖特征峰（羥基的O-H的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生）偏向高波數(shù)，且峰變窄，這些變化說明由于硫酸基的取代改變了局部的空間位置情況，使分子間氫鍵相對(duì)減少，也說明羥基參與形成氫鍵數(shù)量減少，其原因可能是硫酸基的取代直接減少了羥基的數(shù)量。1042cm-1附近的吸收峰（羥基的O-H的變角振動(dòng)產(chǎn)生，也是吡喃環(huán)的醚鍵C-O-C振動(dòng)吸收峰）明顯減弱，1650cm-1附近的吸收峰（羰基的C=O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生）也有減弱的跡象，1248cm-1附近為硫酸基團(tuán)的S=O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，809cm-1附近為-O-SO3-的C-O-S伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，證明其中部分羥基已被硫酸基取代。

圖5 亞麻膠（紅色）和硫酸酯化亞麻膠（黑色）的紅外圖譜

2.5.6 掃描電鏡分析 在掃描電鏡下觀察不同取代度硫酸酯化亞麻膠微觀結(jié)構(gòu)，如圖6（1）～圖6（4）所示，其中（1）為未改性亞麻膠，（2）～（4）取代度逐漸增大，分別為0.53、0.83、1.29，可見改性后的亞麻膠呈現(xiàn)明顯的疏松狀態(tài)，形成了不同程度的交聯(lián)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且隨著取代度的增大，其疏松程度越明顯。同時(shí)這也說明，硫酸酯化導(dǎo)致亞麻膠的疏松狀態(tài)可能是影響其水溶性的原因之一。

圖6 不同取代度硫酸酯化亞麻膠微觀圖

3 結(jié)論

本文通過單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)，確定Wolfrom法制備硫酸酯化亞麻膠的最佳工藝條件為：吡啶-氯磺酸比值為2∶1，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時(shí)間4h，此工藝條件下產(chǎn)物取代度為1.34。

分析改性前后亞麻膠的功能特性變化，得出：亞麻膠經(jīng)硫酸酯化后，水溶性明顯得到改善，透明性也有改善，而黏度明顯降低，起泡性雖有提高，但泡沫穩(wěn)定性有所下降，乳化性明顯降低。通過酯化前后亞麻膠紅外圖譜分析，證明酯化后部分羥基已被硫酸基取代。掃描電鏡觀察得到，隨著取代度的增大，亞麻膠疏松程度越明顯。

［1］許暉，孫蘭萍.亞麻籽膠的研究進(jìn)展及在食品工業(yè)中的應(yīng)用［J］.中國調(diào)味品，2008（3）：18.

［2］劉勇，劉惠軍.新的天然植物膠—亞麻籽膠［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2001，27（4）：180-181.

［3］Oomah B D.Optimization of a spray drying process for flaxseed gum Inter［J］.Food Sci Tech，2001，36：135-143.

［4］Bemiller J N.Industrial Gums：polysaccharides and their deribatives［M］.New York：Academic Press，1993.

［5］王琴聲，孫曉冬，史峰山，等.亞麻籽膠在食品中的應(yīng)用一在果凍和冰淇淋中的應(yīng)用［J］.中國食品添加劑，2001（5）：51-53.

［6］陳海華，許時(shí)嬰，王璋，等.亞麻籽膠在低脂午餐肉中的應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（1）：254-258.

［7］孫曉冬，史峰山.亞麻籽膠在面制品中的應(yīng)用［J］.中國食品添加劑，2003（3）：64-65.

［8］叢建波，王長振，李妍，等.褐藻硫酸多糖硫酸含量測定——硫酸鋇比濁法研究［J］.解放軍藥學(xué)學(xué)報(bào)，2003（3）：2-5.

Study on preparation and analysis of sulfated flaxseed gum

ZHANG Ze-sheng，ZHANG Lan*
（Food Engineering and Biotechnology Department，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China）

TS201.1

A

1002-0306（2010）10-0139-04

2009-10-28 *通訊聯(lián)系人

張澤生（1956-），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：功能食品及配料的研究與開發(fā)，天然產(chǎn)物的生物活性及機(jī)理的研究。