氧化瓊脂的合成及性能表征

夏 凱 趙鏡琨 安興杰 劉 馨

(青島大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院 山東 青島:266071)

瓊脂又稱(chēng)瓊膠、洋菜、凍粉，按中華人民共和國(guó)藥典定義, 瓊脂是一種從某些海藻萃取的親水膠體[1]。瓊脂為多糖類(lèi)物質(zhì)，以半乳糖為基礎(chǔ)單位，在其分子的長(zhǎng)鏈上存在不同程度的硫酸酯基團(tuán)。瓊脂為可溶性植物纖維，它不溶于冷水，但能吸水膨脹，能溶于沸水，其溶液冷卻后形成膠凍(凝膠)[2]。瓊脂水溶液形成凝膠時(shí)不需要其他任何化學(xué)物質(zhì)的幫助，而且在相同的濃度時(shí)其水溶液所形成的膠凍的凝膠強(qiáng)度比其他任何膠凝劑所形成的膠凍的凝膠強(qiáng)度高。瓊脂由于具有很好的膠凝性和凝膠穩(wěn)定性,廣泛用于食品、醫(yī)藥、日用化工、生物工程等許多方面[3]。瓊脂早已被美國(guó)食品藥物管理?xiàng)l例列為公認(rèn)安全的產(chǎn)品，獲準(zhǔn)作為食品添加劑載入食品化學(xué)品藥典之中，被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織確認(rèn)為21世紀(jì)健康食品。目前對(duì)氧化瓊脂的報(bào)道極少，本文對(duì)自制的氧化瓊脂從凝膠性能、旋光度、粘度、冷凍干燥掃描電鏡、質(zhì)構(gòu)、熱重等方面進(jìn)行了性能表征。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

101A-1型干燥箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠；FD1冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀，中國(guó)海洋大學(xué)；WZZ-2A型自動(dòng)旋光儀，上海精科物理光學(xué)儀器廠；Brookfield LVT旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，美國(guó)Brookfield公司；掃描電子顯微鏡(JSM-840)，日本Jeol公司； TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀，英國(guó)Surrey公司；熱重分析儀，北京精儀高科儀器有限公司。

瓊脂(食品級(jí))；30%過(guò)氧化氫(AR)；氫氧化鈉(AR);硫酸亞鐵(AR)；鹽酸(AR)。

1.2 氧化瓊脂的制備工藝

在四口燒瓶中加入固含量為15%的瓊脂水分散液300g，加入適量催化劑硫酸亞鐵,開(kāi)動(dòng)攪拌并升溫到46℃，調(diào)節(jié)并保持pH值在7.5-7.8范圍內(nèi)后，在30min內(nèi)均勻滴加入30%雙氧水溶液2.25g，滴加完畢后繼續(xù)保溫反應(yīng)3h，反應(yīng)完成后降至室溫，并調(diào)pH至6.5-7，用適量還原劑消除過(guò)量雙氧水，過(guò)濾、洗滌、完全烘干，制得氧化瓊脂樣品1。在相同制備條件下，改變雙氧水用量為4.5g，制得氧化瓊脂樣品2。

1.3 氧化瓊脂的性能測(cè)試

1.3.1 氧化瓊脂的羧基含量測(cè)定

氧化瓊脂的羧基含量測(cè)定方法參照熱糊滴定法[4]。

1.3.2 氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強(qiáng)度

將氧化瓊脂與原料瓊脂分別配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%溶液，加熱溶解、冷卻后，測(cè)試凝膠溫度、凝膠再溶溫度、凝膠強(qiáng)度。凝膠溫度、再溶溫度測(cè)試方法參照Freile-Pelegrin and Robledo[5]。凝膠樣品室溫放置12h后，使用凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定凝膠強(qiáng)度。

1.3.3 旋光測(cè)試

精確稱(chēng)取0.01g氧化瓊脂(樣品2)于20mL蒸餾水中加熱溶解，用WZZ-2A型自動(dòng)旋光儀于不同溫度下測(cè)定旋光值。測(cè)試時(shí)，從70℃逐漸降溫，測(cè)試試管保持水浴恒溫10min后測(cè)定旋光值。原料瓊脂作對(duì)照試驗(yàn)。

1.3.4 粘度測(cè)試

分別稱(chēng)取1.50g瓊脂干粉和氧化瓊脂樣品，配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%的溶液，加熱溶解，恒溫水浴中從70℃逐漸降溫，測(cè)定不同溫度下的粘度值，繪制粘溫曲線。

1.3.5 冷凍干燥掃描電鏡

將氧化瓊脂與原料瓊脂分別配制為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.5%溶液，加熱完全溶解后，自然冷卻至室溫形成凝膠，繼續(xù)室溫放置12h，得到測(cè)試凝膠樣品。將測(cè)試凝膠樣品于-25℃預(yù)凍3h，然后用FD1冷凍干燥機(jī)進(jìn)行冷凍干燥(約36h)，將干燥完全后的樣品觀察面表層切割除去，然后用導(dǎo)電膠帶將樣品粘在掃描電鏡樣品臺(tái)上用離子濺射鍍膜儀進(jìn)行鍍金處理，處理好的樣品放入樣品盒掃描觀察。

1.3.6 質(zhì)構(gòu)性能測(cè)試

凝膠樣品(按1.3.3中所述方法制備)采用TA-XT2i質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測(cè)定，主要參數(shù)如下，運(yùn)行模式：Texture Profile Analysis(TPA)，測(cè)試速度：1.0 mm/s，壓縮比：50%，探頭圓柱表面積1.0 cm2，每個(gè)樣品測(cè)定3次。質(zhì)構(gòu)參數(shù)的具體定義如郝紅濤[6]所述。

1.3.7 熱重分析測(cè)試

將測(cè)試樣品放入恒濕干燥器中至少恒濕48h.然后稱(chēng)取樣品約10mg置于樣品池中，并在高純氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行熱重分析。熱重分析升溫范圍為25～600℃，升溫速率為5℃/min。氮?dú)饬魉贋?0mL/min。根據(jù)失重率與溫度的變化關(guān)系做出熱重曲線(TG)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強(qiáng)度

分別測(cè)試原料瓊脂和氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出：瓊脂氧化后，瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強(qiáng)度均有不同程度的下降，而且隨著氧化深度的增加，下降程度逐漸增大。這說(shuō)明氧化改性瓊脂會(huì)對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生影響。

表1 氧化瓊脂與原料瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強(qiáng)度測(cè)試

2.2 旋光度測(cè)試

瓊脂溶液形成凝膠的機(jī)理是由于分子間形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，并相互聚集而引起的[7]。當(dāng)瓊脂溶膠冷卻時(shí)，瓊脂分子相互作用形成雙螺旋體，進(jìn)一步冷卻，雙螺旋體進(jìn)一步聚集而生成較硬的凝膠。圖1為氧化瓊脂(樣品2)與原料瓊脂的旋光度隨溫度變化曲線圖。

圖1 氧化瓊脂與原料瓊脂的旋光度隨溫度變化圖

由圖1可以看出，瓊脂溶膠的旋光度為負(fù)值，說(shuō)明瓊脂分子組成中L-半乳糖組分要大于D-半乳糖組分，并且在相同溫度下原料瓊脂的旋光度比氧化瓊脂的旋光度大。當(dāng)溫度高于60℃時(shí)，瓊脂分子基本上是以單分子狀態(tài)存在，為隨機(jī)線團(tuán)，在水相中呈無(wú)序態(tài)，隨著溫度的降低，旋光度保持不變；當(dāng)溶液溫度進(jìn)一步降低到60℃以下時(shí)，瓊脂分子開(kāi)始相互作用形成雙螺旋體，并開(kāi)始相互聚集；此時(shí)溶液旋光度開(kāi)始隨著溫度下降而快速增大；當(dāng)溫度降低至40℃時(shí)，溶液旋光度達(dá)到最大值，溫度繼續(xù)下降，溶液旋光度變化不大。說(shuō)明此時(shí)溶液中由瓊脂分子形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成相互聚集，形成了硬凝膠。此外，從圖1中還可以看出，在溫度低于40℃時(shí)，原料瓊脂溶液的旋光度基本保持不變，而氧化瓊脂溶液在低于38℃時(shí)，其旋光度才基本保持不變，說(shuō)明氧化后，瓊脂的凝膠形成溫度降低。

2.3 表觀粘度測(cè)試

圖2為氧化瓊脂與原料瓊脂溶液的粘溫曲線圖。由圖2可以看出，隨著溫度的降低，三只樣品的溶液表觀粘度均逐漸變大。相同溫度時(shí)，氧化瓊脂溶液的表觀粘度小于原料瓊脂溶液的表觀粘度，而且羧基含量越大氧化瓊脂溶液的表觀粘度越小。在溫度高于50℃時(shí)，原料與氧化瓊脂溶液的表觀粘度增加很小，當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，三只樣品溶液的表觀粘度開(kāi)始隨溫度降低而急劇增加，說(shuō)明此溫度下，樣品溶液中瓊脂分子開(kāi)始形成凝膠，其中原料瓊脂溶液形成凝膠速度最快，氧化瓊脂1溶液次之，氧化瓊脂2溶液最慢。根據(jù)Plashchina等的理論研究，當(dāng)?η/?T→∞(η為表觀粘度)時(shí)，可認(rèn)為該溫度為凝膠形成溫度[8]。所以從圖2可以得出，原料瓊脂、氧化瓊脂1、氧化瓊脂2的凝膠形成溫度分別為39℃、38℃、37℃，這與表1中所測(cè)得的凝膠溫度基本符合。

圖2 氧化瓊脂與原料瓊脂的粘溫曲線圖

2.4 掃描電鏡分析

圖3是原料瓊脂與氧化瓊脂(樣品2)的凝膠冷凍干燥掃描電鏡圖。由圖3可以看出，原料瓊脂與氧化瓊脂的凝膠骨架結(jié)構(gòu)均為多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其孔隙是由瓊脂凝膠經(jīng)真空冷凍干燥后凝膠中的冰晶升華所產(chǎn)生的。對(duì)比圖3中(a)和(b)可以看出，瓊脂氧化后，其多孔凝膠骨架結(jié)構(gòu)的孔隙變小變密，致密的凝膠骨架結(jié)構(gòu)，具有更好的毛細(xì)作用[9]，從而使得氧化瓊脂具有更加良好的保水性能。

圖3 氧化瓊脂與原料瓊脂的凝膠冷凍干燥掃描電鏡圖

2.5 質(zhì)構(gòu)性能分析

由表2可以看出，隨著氧化瓊脂羧基含量的增加，凝膠樣品的硬度、脆性、彈性和咀嚼性都逐漸降低，而內(nèi)聚性卻逐漸增加。這說(shuō)明隨著氧化深度的增加，瓊脂凝膠抵抗外力，保持原有形狀能力減弱，在承受相同外力作用下，氧化瓊脂凝膠更容易破碎為小的碎片[10]，這點(diǎn)可由圖3所示的氧化瓊脂凝膠多孔骨架結(jié)構(gòu)隨氧化深度增加，其孔隙變小變密的結(jié)論給予支持。

表2 氧化瓊脂與原料瓊脂的質(zhì)構(gòu)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2.6 熱重分析

圖4是原料瓊脂與氧化瓊脂(樣品2)的熱重曲線圖。從圖4(a)可以看出，25～130℃，原料瓊脂失重率達(dá)18%，這主要是瓊脂所含水分的重量損失；溫度升至270℃后，失重率迅速增加，這是由瓊脂的降解所引起的；最終原料瓊脂的殘?jiān)|(zhì)量為20%。從圖4(b)可以看出，25～150℃，氧化瓊脂的失重率達(dá)20%，這部分的重量損失同樣為樣品所含的水分；溫度高于270℃后，氧化瓊脂同樣開(kāi)始降解；最終氧化瓊脂的殘?jiān)|(zhì)量為22%。比較2條曲線可以看出，瓊脂氧化后含濕率高，失水速率慢，保水性增強(qiáng)，而熱穩(wěn)定性基本不變。

圖4 氧化瓊脂與原料瓊脂的熱重曲線圖

3 結(jié)論

本文以雙氧水為氧化劑制備了氧化瓊脂，并測(cè)試了其性能。測(cè)試結(jié)果表明,氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度、凝膠強(qiáng)度隨羧基含量的增加而降低。氧化后瓊脂的水溶液的旋光度值與表觀粘度值均下降。氧化瓊脂凝膠具有更致密的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)。質(zhì)構(gòu)特性參數(shù)中硬度、脆性、彈性、咀嚼性隨氧化瓊脂的羧基含量增加而逐漸降低，而內(nèi)聚性卻逐漸增加。熱重分析顯示，瓊脂氧化后，其的熱穩(wěn)定性基本保持不變，但其保水性增強(qiáng)。

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