微波處理對果膠構(gòu)象的影響

,,, ,*

(1.江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,江西南昌 330100; 2.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047)

果膠是一種廣泛存在于高等植物初生細(xì)胞壁和中胞層的重要酸性雜多糖,在食品、醫(yī)藥、日化等行業(yè)作為添加劑(如凝膠劑、增稠劑、乳化劑等)和功能因子(如預(yù)防和減少癌癥、抗氧化和促進(jìn)腸道健康等)被廣泛應(yīng)用[1]。然而日常食品加工過程中的高溫、酸堿、酶解及各種機(jī)械作用(如高壓均質(zhì)、剪切、靜高壓、超聲等)常導(dǎo)致果膠降解和功能性質(zhì)下降,進(jìn)而制約其更大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用[2-3]。另一方面,果膠降解是解析其復(fù)雜大分子結(jié)構(gòu)和研究結(jié)構(gòu)與性質(zhì)間相互關(guān)系的重要手段[4]。由果膠降解制備得到的果膠低聚糖也具有更多生理活性[5]。因此,果膠的降解規(guī)律和機(jī)理備受研究人員的關(guān)注。

近年來,微波在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。微波輔助提取技術(shù)也已成功用于果膠的提取[6],然而研究發(fā)現(xiàn),微波處理會(huì)造成果膠的降解,如Guo等[7]發(fā)現(xiàn),采用超靜壓提取的果膠分子量為3.06×105Da,而采用微波提取的果膠分子量僅為1.23×105Da。然而,關(guān)于果膠微波降解的研究很少探討微波對果膠分子鏈構(gòu)象的影響。果膠為陰離子多糖,其分子鏈在溶液中會(huì)呈現(xiàn)不同的構(gòu)象(如柔性任意卷曲、緊湊球形和剛性棒狀)[8]。多糖的分子鏈構(gòu)象除了受到其本身性質(zhì)如分子質(zhì)量、分子修飾等的影響,溶劑、金屬離子、溫度、pH及物理場等外界條件都會(huì)對多糖大分子鏈構(gòu)象產(chǎn)生影響。Antoniou等[9]研究了多糖在不同溶劑中的構(gòu)象,結(jié)果表明在不同的溶劑中,多糖和溶劑的交聯(lián)作用不同,從而導(dǎo)致多糖在不同溶劑中有不同的構(gòu)象。Foschiatti等[10]研究表明,不同陽離子的存在導(dǎo)致了多糖鏈局部構(gòu)象的改變。Wang等[11]研究發(fā)現(xiàn),高溫可以誘導(dǎo)香菇多糖在NaCl溶液中的構(gòu)象由三螺旋變?yōu)閱温菪?從伸展的鏈構(gòu)象變?yōu)槔p結(jié)的鏈構(gòu)象。Nilsson等[12]發(fā)現(xiàn),高壓均質(zhì)造成帶支鏈的改性淀粉顯著的降解和構(gòu)象改變。本課題組先前研究發(fā)現(xiàn),微波處理造成果膠分子量的降低和粘度的降低[13]。本文主要通過測定特征粘度，SEC-MALLS法和動(dòng)靜態(tài)光散射法測定果膠構(gòu)象,進(jìn)一步對微波處理前后果膠構(gòu)象的變化進(jìn)行研究和表征,以期為微波處理造成果膠理化、功能性質(zhì)變化提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蘋果果膠 中國上海Sigma Aldrich公司,半乳糖醛酸含量 71.68%;氯化鈉 北京康普匯維科技有限公司 分析純;疊氮鈉 分析純,杭州百思生物技術(shù)有限公司;氯化鈉 北京邁瑞達(dá)科技有限公司 色譜純。

EX1103ZH電子分析天平 北京西杰天平儀器有限公司;烏式粘度計(jì) 上海正慧工貿(mào)有限公司;DW-86L390超低溫冰箱 青島澳柯瑪超低溫冷凍設(shè)備有限公司;2.5 L真空冷凍干燥機(jī) 美國Labconco公司;絕對分子量表征系統(tǒng) 美國Brookhaven有限公司;X85-2S型恒溫磁力攪拌器 上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;廣角靜動(dòng)態(tài)光散射儀 美國Brookhaven有限公司;XH-200A電腦微波固液相合成/萃取工作站 北京祥鵠科技發(fā)展有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 微波處理果膠 稱取果膠溶于100 mL的蒸餾水中,配制質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 g/100 mL(w/v)的果膠溶液,完全溶解后,移入三口燒瓶中,接通冷凝水,在微波條件680 W,100 ℃下,分別處理1、3、5、8、15、20、30 min。原果膠作為對照樣。

1.2.2 特性粘度的測定 特性粘度[η]采用烏氏粘度計(jì)方法進(jìn)行測定。將1.2.1中處理的樣品首先在-80 ℃冷凍,然后在預(yù)冷的凍干機(jī)中-80 ℃,0.04 mbar壓力下冷凍干燥。所得樣品重新溶于0.1 mol/L的NaCl溶液中。先測定溶劑0.1 mol/L NaCl溶液流出毛細(xì)管的時(shí)間,再取10 mL樣品加入烏氏粘度計(jì)中,記錄溶液從毛細(xì)管中流出的時(shí)間,用5 mL 0.1 mol/L的NaCl溶液稀釋4次至果膠溶液,分別記錄其流出毛細(xì)管的時(shí)間,用哈金斯(Huggins)公式[14](公式1)建立曲線外推至0得樣品特性粘度。測定前樣品和溶劑均過0.45 μm的水系濾膜,測試在25 ℃的恒溫條件下進(jìn)行。

ηsp/c=[η]+k×[η]2×c

式(1)

式(2)

式(3)

式(4)

式中:ηsp為增比粘度;[η]為特性粘度(dL/g);k為Huggins常數(shù);c為果膠濃度(g/mL);η為果膠溶液粘度(Pa·s);ηs為溶劑粘度(Pa·s);ηr為相對粘度;t1為樣品流出時(shí)間(s);t2為溶劑流出時(shí)間(s)。

1.2.4 動(dòng)靜態(tài)光散射法測定果膠構(gòu)象 取濃度為20 mg/mL經(jīng)微波處理不同時(shí)間后的果膠溶液,并過0.45 μm的水系濾膜,然后用已過濾膜的NaCl溶液分別稀釋至16、12、9、6、4、2、1 mg/mL,在波長633 nm下,選用角度30、45、60、75、90、105、120、135、150 °進(jìn)行靜態(tài)測試,得果膠溶液的Zimm圖及均方回轉(zhuǎn)半徑Rg。

取濃度為20 mg/mL經(jīng)微波處理不同時(shí)間后的果膠溶液,用0.1 mol/L的NaCl溶液稀釋至1 mg/mL,波長633 nm,角度90 °進(jìn)行動(dòng)態(tài)光散射測試,得到果膠溶液的流體力學(xué)半徑Rh。

計(jì)算ρ=Rg/Rh,用于表征分子鏈的構(gòu)象,ρ≈0.77時(shí),高分子為球狀構(gòu)象;ρ=1.0～1.1,高分子為松散的高支化鏈或聚合體;ρ=1.5～1.8,高分子為無規(guī)則線圈;ρ>2,高分子為伸展的剛性鏈[16]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次,采用SPSS 19.0中的方差分析(ANOVA)進(jìn)行差異顯著性分析,以p<0.05表示顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 微波處理對果膠特性粘度的影響

特性粘度是考察多糖構(gòu)象的一個(gè)重要參數(shù),能衡量既定溶劑中被單一聚合物鏈所占據(jù)的流體體積。由圖1可看出,隨著微波處理時(shí)間的延長,特性粘度降低。濃度0.5 g/100 mL的果膠,微波處理5、15、20、30 min,果膠的特性粘度從4.25 dL/g分別降低至3.35、3.10、2.97、2.85 dL/g。隨著微波處理時(shí)間的延長,分子間熱能變高,使果膠降解的程度變大,分子質(zhì)量變小,其特性粘度也越低[17]。且隨著樣品質(zhì)量濃度的增加,特性粘度的降低量減少,在微波處理30 min后,果膠質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、1.5、2.0 g/100 mL時(shí),樣品特性粘度從4.25 dL/g分別降低至2.85、2.94、3.57、3.65 dL/g。果膠質(zhì)量濃度低,單位分子接收到的能量大,所以容易發(fā)生降解[18],造成粘度下降更多。另一方面,果膠濃度越高,分子間的接觸及交聯(lián)程度越大,粘度越高,微波處理后溶液中分子間交聯(lián)轉(zhuǎn)變的機(jī)會(huì)更大,其特性粘度減少量更小。因此,在日常加工過程中,發(fā)現(xiàn)微波處理后果膠粘度的下降,可能不只是因?yàn)楣z的降解,還與果膠構(gòu)象的變化有關(guān)。

圖1 微波處理對不同質(zhì)量濃度果膠特性粘度的影響Fig.1 Effect of microwave treatment on the intrinsic viscosity of pectin of different mass concentrations

2.2 SEC-MALLS法表征果膠構(gòu)象

SEC-MALLS法測得的果膠溶液的數(shù)均分子量(Mn)、重均分子量(MW)、平均分子量(MZ)、多分散性系數(shù)(MW/Mn)和均方回轉(zhuǎn)半徑(Rg)如表1所示。從表1中可以看出,隨著微波處理時(shí)間的延長,果膠的分子質(zhì)量及Rg均降低,微波處理30 min后,MW由原果膠的31.38×104Da降低至4.76×104Da,證明微波處理導(dǎo)致了果膠的降解。原果膠及微波處理后的果膠Mn、MW及MZ的大小順序?yàn)镸n

表1 原果膠及微波處理不同時(shí)間果膠的Mn、MW、MZ、MW/Mn、RgTable 1 The Mn,MW,MZ,MW/Mn and Rg of original pectin and pectin treated by microwave for different period

圖2分別為微波處理不同時(shí)間后果膠溶液的Rg和MW的雙對數(shù)圖,斜率即為α值。從圖2中可以看出,原果膠及微波分別處理5、15、20、30 min后,α值分別為0.57、0.59、0.51、0.54、1.00,表明原果膠及微波處理5、15、20 min后,果膠分子鏈構(gòu)象為無規(guī)則線圈,而處理時(shí)間延長至30 min后,果膠分子的鏈構(gòu)象發(fā)生改變,變?yōu)閯傂园魻?。這可能是因?yàn)殚L時(shí)間微波處理不僅打斷了果膠分子的糖苷鍵,同時(shí)還改變了果膠分子間及分子內(nèi)的交互作用如氫鍵,從而導(dǎo)致果膠分子的鏈構(gòu)象發(fā)生改變。

圖2 原果膠及微波處理不同時(shí)間果膠的Mw和Rg的雙對數(shù)圖Fig.2 Logarithmic plot of the molecular weight(Mw)vs radius of gyration(Rg)of original pectin(A)and pectin treated by microwave for different period注:A:原果膠;B、C、D、E分別為微波處理5、15、20、30 min。

2.3 靜動(dòng)態(tài)光散射法表征果膠構(gòu)象

采用靜態(tài)光散射法測定不同濃度的果膠溶液,經(jīng)作Zimm圖可獲得樣品的均方回轉(zhuǎn)半徑(Rg),再結(jié)合動(dòng)態(tài)光散射獲得樣品的流體力學(xué)半徑Rh,可計(jì)算ρ值,Rg、Rh、ρ值如表2所示。原果膠的Zimm圖如圖3所示,結(jié)合表2可知,原果膠ρ=1.49,以無規(guī)則線圈形狀存在于NaCl溶液中。微波分別處理5、15、20 min后,ρ分別為1.48、1.51、1.56,仍以無規(guī)則線圈存在與NaCl溶液中,構(gòu)象沒有發(fā)生變化,微波處理時(shí)間延長至30 min后,ρ=2.12,果膠構(gòu)象變?yōu)樯煺沟膭傂枣湣Ｔ摻Y(jié)果與SEC-MALLS表征得到的果膠構(gòu)象變化一致。Tsaih等[19]報(bào)道,多糖分子量越小,分子越伸展,剛性越強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)中,微波造成果膠分子量降低,當(dāng)分子量降低到4.76×104Da時(shí),果膠表現(xiàn)出剛性。這可能是由于高分子量果膠更容易團(tuán)聚或含有更多的中性糖含量,從而更易卷曲,而低分子量果膠則表現(xiàn)得更加具有剛性[20]。由于果膠降解是非可逆過程,因此微波處理造成的果膠構(gòu)象變化也是不可逆的。另外,采用SEC-MALLS和靜態(tài)光散射都可以得到果膠的均方回轉(zhuǎn)半徑(Rg),對比表1和表2可以看出,使用靜態(tài)光散射法測得的Rg明顯大于SEC-MALLS法測得的結(jié)果,這可能是因?yàn)镾EC-MALLS僅在一個(gè)角度、單一濃度下檢測,而靜態(tài)光散射是不同濃度的果膠溶液在不同散射角下測得,該結(jié)果與Liu等[15]的報(bào)道一致。

表2 原果膠及微波處理不同時(shí)間果膠的Rh、Rg及ρ(Rg/Rh)Table 2 The Rh、Rg and ρ(Rg/Rh)of original pectin and pectin treated by microwave for different period

圖3 靜態(tài)光散射所得原果膠溶液的Zimm圖Fig.3 The Zimm figure of pectin solution by static light scattering

3 結(jié)論

特征粘度法測定結(jié)果表明,微波處理5、15、20、30 min,果膠的特性粘度從4.25 dL/g分別降低至3.35、3.10、2.97、2.85 dL/g,說明隨著微波處理時(shí)間的延長,特性粘度降低。采用SEC-MALLS法和靜動(dòng)態(tài)光散射法表征微波處理后果膠的構(gòu)象,結(jié)果表明,短時(shí)間的微波處理對果膠溶液的構(gòu)象不會(huì)產(chǎn)生影響,微波處理30 min后,果膠溶液的鏈構(gòu)象由無規(guī)則線圈變?yōu)閯傂园魻??；诠z“結(jié)構(gòu)-構(gòu)象-功能”之間的緊密聯(lián)系,微波處理后果膠構(gòu)象發(fā)生不可逆改變,可能進(jìn)一步影響其功能性質(zhì),這有待進(jìn)一步的深入探討。