微水固相法制備羥丙基皂莢多糖膠工藝研究

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(1. 南京野生植物綜合利用研究院, 江蘇 南京211111；2. 昆明食用菌研究所，云南 昆明650223)

皂莢是理想的木本植物多糖膠原料資源。研究表明，皂莢種子中，內(nèi)胚乳占種子組成的37.8%，而內(nèi)胚乳中聚糖含量高達(dá)68.6%[1]。但是，截至目前，對(duì)于皂莢多糖膠的功能性改性研究仍相對(duì)較少，開發(fā)力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。此外，在化學(xué)改性過程中，植物多糖膠的化學(xué)改性工藝通常是基于非均相反應(yīng)體系，反應(yīng)比表面積小，消耗大量溶劑，投入成本高，因此改性產(chǎn)品的價(jià)格一直居髙不下[2-3]。此外，由于多糖膠高粘度的特點(diǎn)，造成傳質(zhì)困難，反應(yīng)效率低，產(chǎn)品均一性不易控制，且多年來主要性能指標(biāo)難以突破，如水不溶物高于6%等[4]。因此，多糖膠在印染、日化、采礦等領(lǐng)域應(yīng)用受到限制。要突破理論與技術(shù)瓶頸，必須研發(fā)新型多糖膠改性理論與技術(shù)。

微水固相法是基于多糖膠吸水膨脹特點(diǎn)提出的創(chuàng)新植物多糖膠改性方法，是將多糖膠胚乳微水吸脹的過程與反應(yīng)試劑的滲入過程進(jìn)行耦合，多糖膠吸水膨脹過程中同步進(jìn)行改性反應(yīng)。微水吸脹后的胚乳片經(jīng)壓延破壁和擠壓質(zhì)構(gòu)處理后呈蓬松多孔雪花片狀，比表面積大幅度増加，從而與試劑的接觸面增加，滲透容易，可解決溶劑法或干法反應(yīng)試劑與物料接觸面小，滲透慢等缺點(diǎn)，提高反應(yīng)效率，同時(shí)也可減少副反應(yīng)，大幅降低試劑消耗[5]。本研究以皂莢胚乳片為原料，以環(huán)氧丙烷為改性試劑，利用微水固相法制備羥丙基皂莢多糖，并對(duì)改性反應(yīng)中的堿用量、改性試劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期實(shí)現(xiàn)羥丙基皂莢多糖的綠色制備，并為皂莢多糖微水固相改性工藝的推廣提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料、試劑、儀器

皂莢莢果由河北涉縣供銷社提供，皂莢胚乳片由干燥的皂莢種子經(jīng)我院自行研發(fā)的開片機(jī)開片后獲得。

試劑：環(huán)氧丙烷、無水乙醇、氫氧化鈉、乙酸均為分析純。

儀器：S65小型三輥研磨機(jī)(安徽博進(jìn)機(jī)械有限公司)、NICOLET iN10顯微紅外光譜儀(Thermo Fisher Scientific公司)、S-3400型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)。

1.2 皂莢多糖膠羥丙基化改性反應(yīng)原理[6]

圖1 皂莢多糖羥丙基改性反應(yīng)原理圖

1.3 羥丙基皂莢多糖微水固相法改性工藝流程

稱取皂英多糖膠胚乳片10 g，加入10 mL一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaOH溶液，在35 ℃下攪拌堿化30 min，使皂莢多糖膠乳片充分潤濕，再加入一定量的環(huán)丙烷，待胚乳片完全潤脹，以便醚化劑環(huán)丙烷能充分均勻地進(jìn)入到胚乳片中，之后將潤脹完全的胚乳片用三輥研磨機(jī)壓制成雪花片狀，再放入反應(yīng)器中進(jìn)行醚化反應(yīng)，控制反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，用乙酸將反應(yīng)產(chǎn)物pH中和至中性，經(jīng)過濾后將沉淀于60 ℃真空干燥，粉碎，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 羥丙基皂莢多糖取代度測定

采用分光光度法測定羥丙基取代度[7]，具體為：稱取羥丙基瓜爾膠樣品0.1 g，加入蒸餾水?dāng)嚢?0 min，并稀釋至100 mL。。吸取該溶液1 mL于25 mL容量瓶中，緩慢加入8 mL濃硫酸，混合均勻，在100 ℃水浴中加熱3 min后，立即放入冰水浴中冷卻，然后加入0.6 mL 3%的茚三酮水溶液，在25 ℃水浴中放置100 min，用濃硫酸稀釋至25 mL，混合均勻，靜置5 min，以試劑空白做參比，測量波長為586 nm的吸光值。以1,2-丙二醇為標(biāo)準(zhǔn)品制作標(biāo)準(zhǔn)曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線查得樣品對(duì)應(yīng)的丙二醇含量。參照鄒時(shí)英的報(bào)道計(jì)算羥丙基取代度[6]。

1.5 表觀粘度測定

準(zhǔn)確稱取1.0 g制備的羥丙基皂莢多糖，加入蒸餾水?dāng)嚢枞芙獠⒍ㄈ葜?00 mL，用NDJ-5S粘度計(jì)選擇合適的轉(zhuǎn)子測定溶液粘度。

1.6 水不溶物測定

水不溶物測定參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31742—2015中的規(guī)定進(jìn)行[8]。

1.7 羥丙基皂莢多糖表征

分別用NICOLET iN10 顯微紅外光譜儀、S-3400型掃描電子顯微鏡對(duì)制備的羥丙基皂莢多糖進(jìn)行紅外光譜標(biāo)準(zhǔn)及顆粒聚集形態(tài)表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 NaOH用量對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

根據(jù)1.3中的改性工藝，本研究考察了NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3%、4%、5%、6%、7%時(shí)，環(huán)丙烷用量為2 mL，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h的條件所制備的羥丙基皂莢多糖膠的性能，如表1所示。

表1 不同NaOH用量對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

羥丙基化皂莢多糖膠改性反應(yīng)體系中，必須加入堿液，以保持在堿性環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)。堿的作用有2種：一是和皂莢多糖膠分子進(jìn)行堿化反應(yīng)；二是作為催化劑。堿的加量不足不能充分降低改性皂莢多糖膠中水不溶物的含量；堿的加量過大，會(huì)破壞皂莢多糖膠的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致改性皂莢多糖膠粘度下降。堿加量越大，水不溶物含量降低越多，對(duì)粘度的影響也越大[9]。由表1可知，為了得到較低的水不溶物含量和較高的粘度的羥丙基皂莢多糖膠，按照皂莢多糖膠與堿液用量為1∶1時(shí)，NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最佳為6%。

2.2 環(huán)氧丙烷用量對(duì)產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

根據(jù)1.3中的改性工藝，本研究考察了NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%，環(huán)丙烷用量分別為1.2 mL、1.6 mL、2 mL、2.4 mL、2.8 mL時(shí)，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h的條件所制備的羥丙基皂莢多糖膠的性能，如表2所示。

表2 環(huán)氧丙烷用量對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

環(huán)氧丙烷用量對(duì)產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響表2所示。環(huán)氧丙烷是較好的醚化劑，其用量增大可以有效降低水不溶物含量，但是增加到一定量時(shí)，對(duì)水不溶物含量降低不明顯。另外，環(huán)氧丙烷用量增加促進(jìn)了醚化反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了產(chǎn)物的粘度和取代度，但當(dāng)環(huán)丙烷用量大于2.4 mL后，產(chǎn)物粘度反而降低，取代度也有所下降[10]。從經(jīng)濟(jì)反應(yīng)的角度考慮，當(dāng)環(huán)氧丙烷用量為2 mL時(shí)有利于在較低成本下獲得膠高質(zhì)量的改性皂莢多糖膠產(chǎn)物。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

反應(yīng)溫度對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響見表3。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

由表3可知，隨著反應(yīng)溫度的提高，羥丙基皂莢多糖膠水不溶物含量隨溫度升高而下降；粘度先呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，60 ℃時(shí)達(dá)到最高粘度，繼續(xù)升溫則導(dǎo)致粘度降低；羥丙基皂莢多糖膠取代度同樣隨溫度升高而增大，但當(dāng)溫度超過60 ℃以后，取代度變化不在顯著。這是由于提高反應(yīng)溫度，增加了Na+向皂莢多糖膠內(nèi)部擴(kuò)散的速率，以及Gleditsia sinensis Lam gum-O-Na+與環(huán)氧丙烷的有效碰撞率，因此增大了醚化反應(yīng)的速率，提高了羥丙基皂莢多糖膠取代度及粘度[11]。但是反應(yīng)溫度的升高也會(huì)引起皂莢多糖膠分子的降解，使產(chǎn)物分子量降低，粘度下降。綜合上表結(jié)果，最佳反應(yīng)溫度應(yīng)控制在60 ℃。

2.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響見表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)改性產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品性能的影響見表4。醚化時(shí)間越長，反應(yīng)產(chǎn)物中水不溶物含量越少；著醚化反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)物的粘度上升, 醚化時(shí)間超過4 h后，隨著醚化時(shí)間的延長, 產(chǎn)物的粘度反而下降。這可能由于，在降解反應(yīng)與醚化反應(yīng)的競爭中，醚化反應(yīng)時(shí)間3～4 h對(duì)醚化取代有利，醚化時(shí)間增長對(duì)鏈的分解有利。因此，控制醚化反應(yīng)時(shí)間十分重要。取代度隨反應(yīng)時(shí)間的變化與水不溶物相似，隨著反應(yīng)時(shí)間延長，取代度增大，但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過4 h后，取代度變化不再顯著。因此綜上確立最佳反應(yīng)時(shí)間為4 h。

2.5 羥丙基皂莢多糖膠紅外光譜表征

由圖2可以看出，本研究制備的羥丙基皂莢多糖膠與原皂莢多糖膠的紅外吸收峰一致。圖中2 970 cm-1(-CH3)和1 384 cm-1(-CH3)的出現(xiàn)證明了皂莢多糖膠與環(huán)氧丙烷確實(shí)發(fā)生醚化反應(yīng)，其分子中含有甲基[12-13]。

圖2 羥丙基皂莢多糖膠紅外圖譜

2.6 羥丙基皂莢多糖膠掃描電子顯微鏡表征

將經(jīng)丙基皂莢多糖膠和皂莢多糖膠進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析(圖3)，發(fā)現(xiàn)兩者的微觀形態(tài)一致，粒度分布差異并不大，說明改性并沒有對(duì)皂莢多糖膠的聚集形態(tài)造成影響。

圖3 皂莢多糖膠(A)及羥丙基皂莢多糖膠(B)掃描電鏡圖

3 結(jié) 論

本研究針對(duì)微水固相法羥丙基改性皂莢多糖膠工藝，分別考察了催化劑NaOH用量、醚化劑環(huán)氧丙烷用量、改性反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響。通過對(duì)各個(gè)工藝參數(shù)的研究，確立了微水固相法羥丙基改性皂莢多糖膠的最佳工藝，即：皂莢多糖膠胚乳片10 g, 加入10 mL 6% NaOH溶液, 在35 ℃下攪拌堿化30 min, 使皂莢多糖膠乳片充分潤濕, 再加入2 mL的環(huán)丙烷, 待胚乳片完全潤脹, 以便醚化劑環(huán)丙烷能充分均勻地進(jìn)入到胚乳片中, 之后將潤脹完全的胚乳片進(jìn)行壓片處理, 使用三輥研磨機(jī)將皂莢多糖膠的胚乳片壓制成雪花片狀, 放入反應(yīng)器中進(jìn)行醚化反應(yīng), 控制反應(yīng)溫度為60 ℃和反應(yīng)時(shí)間4 h。反應(yīng)結(jié)束后, 用乙酸將反應(yīng)產(chǎn)物pH中和至中性, 經(jīng)過濾后將沉淀于60 ℃真空干燥, 粉碎, 即制備得到羥丙基改性皂莢多糖膠粉。本工藝所制備的羥丙基皂莢多糖膠具有如下特性：水不溶物含量≤4.0%；表觀粘度(1%溶液)≥1 500 mPa·s；羥丙基取代度≥0.3；pH(1%溶液)6.5～7.5。

本研究創(chuàng)新性的采用微水固相法對(duì)皂莢多糖膠胚乳片進(jìn)行直接羥丙基化改性。本研究中改性皂莢多糖膠加工工藝的特點(diǎn)是：從皂莢多糖膠胚乳片即開始改性，使改性反應(yīng)在皂莢多糖膠壓片增粘加工中介入，將皂莢多糖膠原粉的壓片增粘生產(chǎn)與改性皂莢多糖膠的生產(chǎn)合為一體，去掉了皂莢多糖膠改性的后期加工，在皂莢多糖膠的生產(chǎn)中進(jìn)行改性，無二次加工，極大地簡化了工藝流程；去除了溶劑的使用，不存在由于回收溶劑而帶來的一系列復(fù)雜的工藝流程，使產(chǎn)品的成本大幅度降低；溶劑的去除也免去了改性反應(yīng)后產(chǎn)品的洗滌、干燥、粉碎，減少大量的能源損耗，為降低產(chǎn)品成本提供良好的前提；無試劑后處理過程，避免了由其帶來的污染，成功地繞開了制約改性皂莢多糖膠產(chǎn)品成本的瓶頸，從而可以很有效地控制成本，為生產(chǎn)和推廣高質(zhì)量改性皂莢多糖膠奠定了基礎(chǔ)。