不同生長(zhǎng)期龍爪槐半乳甘露聚糖的比較研究

范希平， 徐 偉， 裴瀅瑩， 朱莉偉， 蔣建新

(北京林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，林業(yè)生物質(zhì)材料與能源教育部工程中心，北京 100083)

龍爪槐是國槐的芽變品種，又稱垂槐，屬于豆科槐屬植物[1]，在我國各地區(qū)廣泛栽培，華北和黃土高原尤為多見，龍爪槐果實(shí)具有一定的藥用價(jià)值。與國槐相比，龍爪槐樹形較矮，大大節(jié)省了果實(shí)的采摘成本和人力消耗。龍爪槐果實(shí)胚乳內(nèi)含有大量的半乳甘露聚糖，其結(jié)構(gòu)是由β-D-1,4糖苷鍵連接的甘露糖主鏈和α-D-1,6糖苷鍵連接的半乳糖側(cè)鏈組成，其相對(duì)分子質(zhì)量介于5×105～5×106[2-5]。半乳甘露聚糖在低濃度下能形成高黏度流體，具有增稠性、乳化穩(wěn)定性、懸浮分散性和保水性等性能，廣泛應(yīng)用于石油鉆采、食品醫(yī)藥、紡織印染、兵工炸藥、日化陶瓷、建筑涂料、木材加工、造紙等領(lǐng)域[6-7]。目前提取半乳甘露聚糖的方法可分為水浸濃縮法和機(jī)械分離法。機(jī)械分離法是根據(jù)種子中種皮、內(nèi)胚乳及胚芽子葉三部分的物理性能的差異，即含半乳甘露聚糖的種子內(nèi)胚乳片比較堅(jiān)硬不易被粉碎而種皮和子葉較易被破碎，種子經(jīng)粉碎(或研磨)、篩分即可分離得到內(nèi)胚乳片，其聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過65%, 總糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過80%。所以分離出內(nèi)胚乳片，也就等于得到了一定純度的中間體，再經(jīng)水合、磨粉、滅菌得未提取的半乳甘露聚糖粉末，目前, 絕大多數(shù)工廠均采用機(jī)械分離法分離提取半乳甘露聚糖[6]。在龍爪槐生長(zhǎng)和成熟過程中，對(duì)其胚乳內(nèi)半乳甘露聚糖進(jìn)行基礎(chǔ)研究對(duì)工業(yè)化具有深遠(yuǎn)的意義。本研究通過機(jī)械分離法對(duì)不同生長(zhǎng)期龍爪槐半乳甘露聚糖進(jìn)行提取，并對(duì)其組成、水溶性和水不溶物含量以及流變特性進(jìn)行分析，以期對(duì)龍爪槐半乳甘露聚糖的工業(yè)化和高值化利用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

龍爪槐(Sophorajaponicavar.pendula)果實(shí)采摘于北京市東升八家郊野公園，采摘時(shí)間為龍爪槐開花后的第15、 17、 19、 21、 23周，每次采摘約20個(gè)果實(shí)。D-半乳糖和D-甘露糖均為標(biāo)準(zhǔn)品，美國Sigma公司。其他試劑均為市售分析純。

SHJ-I水浴恒溫磁力攪拌器；L-550臺(tái)式低速大容量離心機(jī)，長(zhǎng)沙市湘儀儀器有限公司；FA1004分析天平；LVDV-Ⅲ+流變儀，美國Brookfield公司；Waters e2695型高效液相色譜儀(配備A minex HPX-87P柱和RID示差折光檢測(cè)器)，美國Waters公司。

1.2 半乳甘露聚糖的分離提取

將每次采摘的果實(shí)分成4組。首先測(cè)量每個(gè)果實(shí)的長(zhǎng)和寬，然后將果實(shí)內(nèi)種子手工剝離得到種皮、胚乳和子葉3部分，之后將3部分置于105 ℃烘箱中烘干至質(zhì)量恒定，測(cè)定胚乳含水率及種子內(nèi)3部分的干質(zhì)量比例。將手工剝離的胚乳置于三輥機(jī)內(nèi)，壓碎，將壓碎后的胚乳進(jìn)行烘干、粉碎和過篩(取粒徑小于125 μm的部分)，得到未提純的半乳甘露聚糖。

1.3 半乳甘露聚糖的分析與測(cè)定

1.3.1流變性能測(cè)定 分別稱取0.03、 0.09和0.15 g(以干質(zhì)量計(jì)，下同)不同生長(zhǎng)期的龍爪槐半乳甘露聚糖，在80 ℃下水合30 min，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、 0.3%和0.5%的膠液。使用流變儀分別在25、 40、 55和70 ℃下進(jìn)行測(cè)試，剪切率在5 min 內(nèi)由0 s-1升高至85 s-1，測(cè)定不同生長(zhǎng)期的龍爪槐半乳甘露聚糖的表觀黏度和剪切應(yīng)力隨剪切率的變化，繪制黏度與剪切速率之間的關(guān)系曲線。在測(cè)試溫度25 ℃下，為研究不同生長(zhǎng)期龍爪槐半乳甘露聚糖的流變性能，采用冪律模型(式(1))對(duì)其流變曲線進(jìn)行擬合。

σ=k×γn

(1)

式中：σ—剪切力,Pa；γ—剪切率,s-1；k—稠度指數(shù),Pa·sn；n—流動(dòng)指數(shù)。

1.3.2水溶性物質(zhì)和水不溶物含量的測(cè)定 分別取0.15 g不同生長(zhǎng)期的龍爪槐半乳甘露聚糖，溶于30 mL去離子水中，并于30 ℃下不斷攪拌30 min，得到懸浮液。將懸浮液離心(4 000 r/min, 20 min)后取上清液(10 mL)，然后將水不溶物水洗3次。將水不溶物和上清液于105 ℃下烘干4 h直至質(zhì)量恒定。水溶性物質(zhì)和水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)式(2)和(3)計(jì)算：

(2)

(3)

式中：S—水溶性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；w—10 mL上清液的干質(zhì)量，g； 3—30 mL樣品取10 mL換算時(shí)的擴(kuò)大倍數(shù)； 0.15—龍爪槐半乳甘露聚糖的干質(zhì)量，g；T—水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m—水不溶物的干質(zhì)量，g。

1.3.3糖含量的測(cè)定 根據(jù)美國再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL/TP-510- 42618)測(cè)定半乳甘露聚糖中的單糖組成方法進(jìn)行改進(jìn)[8]，分別取0.15 g不同生長(zhǎng)期的龍爪槐半乳甘露聚糖置于耐壓瓶中，加入1.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為72%的H2SO4，在30 ℃下水解1 h并不斷攪拌，隨后加入42 mL的去離子水并置于高壓滅菌鍋中，于121 ℃下繼續(xù)水解1 h。水解完成后，水解液經(jīng)過碳酸鈣中和(pH值5～7)和陽離子吸附樹脂吸附后，進(jìn)行HPLC分析。HPLC配備色譜柱HPX-87P(300×7.8 mm)和示差折光檢測(cè)器，流動(dòng)相為超純水，流速為0.6 mL/min，柱溫和檢測(cè)器溫度分別為85和35 ℃。使用單糖D-半乳糖和D-甘露糖標(biāo)準(zhǔn)品建立峰面積和單糖濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，將HPLC分析得到的樣品中的單糖的峰面積代入標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到單糖質(zhì)量濃度，根據(jù)式(4)計(jì)算龍爪槐半乳聚糖和甘露聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，兩者之和即為半乳甘露聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

(4)

式中：P—龍爪槐半乳聚糖或甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；c—水解樣品中單糖(D-半乳糖或D-甘露糖)的質(zhì)量濃度，g/L； 0.9—單糖與聚糖的換算系數(shù)； 0.043 5—兩步酸水解體積，L。

2 結(jié)果與討論

2.1 龍爪槐果實(shí)的物理參數(shù)

龍爪槐果實(shí)和種子的顏色隨著采摘時(shí)間的增加而逐漸加深，這是由龍爪槐果實(shí)和種子不斷生長(zhǎng)和成熟造成的[9]。特別是在其開花后的23周,龍爪槐果實(shí)和種子顏色由綠色完全變?yōu)楹诤稚?。隨著龍爪槐果實(shí)的不斷生長(zhǎng)和成熟(19周到21周)，果實(shí)的長(zhǎng)和寬基本保持不變，而在23周，果實(shí)的長(zhǎng)度降低，可能是果實(shí)失水而收縮導(dǎo)致的。此外，每個(gè)種子的質(zhì)量逐漸降低(表1)，這可能與種子在生長(zhǎng)和成熟過程中脫水現(xiàn)象有關(guān)。在種子脫水過程中，種子水分減少而導(dǎo)致質(zhì)量降低，使種子趨于成熟[10]。由表1可知，在種子不斷成長(zhǎng)和成熟過程中，種子內(nèi)3部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持不變，說明了在龍爪槐半乳甘露聚糖生長(zhǎng)和成熟過程中，雖然水分減少，但不會(huì)對(duì)種子內(nèi)子葉、胚乳、種皮3部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生較大影響，在23周，龍爪槐種子內(nèi)子葉、胚乳和種皮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為48.34%、 29.37%和22.29%。

表1 不同生長(zhǎng)期龍爪槐果實(shí)的物理參數(shù)

2.2 龍爪槐半乳甘露聚糖中糖含量

從表2中可以看出，隨著龍爪槐果實(shí)的不斷生長(zhǎng)和成熟(從開花后的15周到23周)，其胚乳內(nèi)的甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，從64.24%增加至67.82%，這可能是由胚乳內(nèi)甘露糖基轉(zhuǎn)移酶誘導(dǎo)的甘露糖合成并積累引起的[11]。然而半乳聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻不斷降低，從13.50%降低至11.23%，這可能是由胚乳內(nèi)α-半乳糖苷酶催化水解甘露糖主鏈上的α-(1→6)連接的半乳糖側(cè)鏈導(dǎo)致的[12]，使得隨生長(zhǎng)期增加，純化的半乳甘露聚糖上半乳聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低。甘露聚糖不斷增加，半乳聚糖不斷減少，導(dǎo)致了甘露糖與半乳糖的比例(M/G值)不斷增加，從4.76增加到6.04。而M/G值是影響半乳甘露聚糖溶解性和流變性的重要因素[13-14]。與M/G值較低的半乳甘露聚糖(1～1.8)相比，M/G值較高的半乳甘露聚糖(2.7～4.0)不溶于冷水，但可以通過加熱來實(shí)現(xiàn)溶解[15-17]。在本實(shí)驗(yàn)中，M/G值使水溶性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，半乳甘露聚糖溶液黏度較大。此外，隨著龍爪槐果實(shí)的不斷生長(zhǎng)和成熟，龍爪槐胚乳內(nèi)半乳甘露聚糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不斷增加，從77.74%增加至79.05%，表明龍爪槐生長(zhǎng)過程中其胚乳內(nèi)半乳甘露聚糖不斷積累。Reid等[9]通過染色法在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，隨著豆科植物的生長(zhǎng)和成熟，胚乳內(nèi)半乳甘露聚糖是不斷沉積的過程，并將豆科植物中半乳甘露聚糖的生長(zhǎng)和成熟分為了4個(gè)階段：胚發(fā)育階段、半乳甘露聚糖沉積階段、半乳甘露聚糖沉積晚期和半乳甘露聚糖成熟階段。

表2 不同生長(zhǎng)期龍爪槐胚乳內(nèi)半乳甘露聚糖含量的變化

2.3 龍爪槐半乳甘露聚糖的流變學(xué)分析

2.3.1流變性分析 從圖1(a)可知，龍爪槐半乳甘露聚糖膠液的表觀黏度隨著生長(zhǎng)期的增加而不斷增加。這可能是因?yàn)樵邶堊鄙L(zhǎng)過程中，半乳甘露聚糖不斷積累和M/G值不斷增加引起的(表2)。McCleary等[18]也發(fā)現(xiàn)，半乳甘露聚糖更高的黏度是由更高的M/G值決定的[19]，可以代表每單位碳水化合物中有更多的β-(1→4)糖苷鍵連接的甘露糖主鏈和更少的α-(1→6)糖苷鍵連接的半乳糖側(cè)鏈。此外結(jié)合圖1(a)和(b)，隨著剪切率的增加，剪切應(yīng)力逐漸增加，使半乳甘露聚糖的分子鏈展開，進(jìn)而導(dǎo)致了半乳甘露聚糖黏度的降低，說明了龍爪槐半乳甘露聚糖溶液存在剪切稀釋行為和假塑性[20]。

圖1 不同生長(zhǎng)期龍爪槐半乳甘露聚糖的表觀黏度(a)和剪切應(yīng)力(b)隨剪切率的變化

基于流動(dòng)指數(shù)(n)，流體可分為3種不同的類型。當(dāng)n<1時(shí)，流體為假塑性流體并存在剪切稀釋行為；當(dāng)n=1時(shí)，流體為牛頓流體;當(dāng)n>1時(shí)，流體為剪切增稠流體[21]。不同生長(zhǎng)期龍爪槐半乳甘露聚糖在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，在25 ℃測(cè)試條件下，稠度指數(shù)(k)和流動(dòng)指數(shù)(n)如表3所示，可以發(fā)現(xiàn)所有樣品與冪律方程的吻合度均大于91%，說明龍爪槐半乳甘露聚糖流體擬合冪律方程[22](式(1))，流動(dòng)指數(shù)(n)均小于1，進(jìn)一步說明了龍爪槐半乳甘露聚糖膠液的假塑性行為[23]。如表3，隨著龍爪槐半乳甘露聚糖的積累，其稠度指數(shù)逐漸增加，從0.171 Pa·s0.87增加至0.584 Pa·s0.71。假塑性的增加會(huì)使半乳甘露聚糖稠度指數(shù)增加，從而使半乳甘露聚糖分子鏈間相互作用逐漸增加，最終會(huì)使半乳甘露聚糖黏度逐漸增加[24]。23周表觀黏度和M/G值(表2)最大，有望替代刺槐豆膠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

表3 不同生長(zhǎng)期龍爪槐半乳甘露聚糖膠液的冪律定律參數(shù)

2.3.2溫度及濃度對(duì)其流變行為的影響 在食品工業(yè)中，大多數(shù)的食品加工過程都會(huì)包含加熱過程，因此半乳甘露聚糖膠液黏度隨溫度變化的研究十分重要。例如，黃原膠可以在高溫下仍保持較高黏度，而許多水溶性多糖的黏度隨溫度升高而逐漸降低[25]。如圖2所示，開花后第23周的龍爪槐半乳甘露聚糖在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，測(cè)試溫度從25 ℃升高至70 ℃，膠液的表觀黏度逐漸降低。當(dāng)剪切率為50 s-1時(shí)，25 ℃下半乳甘露聚糖膠液的表觀黏度大約是40 ℃下半乳甘露聚糖膠液表觀黏度的2倍，說明龍爪槐半乳甘露聚糖膠體黏度存在溫度依賴性。這可能因?yàn)殡S著膠液溫度的升高，水分子的運(yùn)動(dòng)更加劇烈，有利于水分子釋放出的更多的HO·自由基，半乳甘露聚糖的糖苷鍵受到攻擊而使半乳甘露聚糖發(fā)生降解，從而使半乳甘露聚糖黏度降低。也可能是因?yàn)槟z液溫度升高導(dǎo)致了分子間熱運(yùn)動(dòng)增加，拉大了分子間相互距離而減弱了分子間相互作用力，導(dǎo)致了半乳甘露聚糖黏度的降低[26]，所以半乳甘露聚糖在高溫下工業(yè)應(yīng)用應(yīng)先進(jìn)行改性處理以保持更好的溫度穩(wěn)定性。

開花后第23周的龍爪槐半乳甘露聚糖(25 ℃)，隨著龍爪槐半乳甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，半乳甘露聚糖膠液的黏度逐漸增加(圖2(b))。

圖2 第23周龍爪槐半乳甘露聚糖膠液黏度隨溫度(a)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)(b,25 ℃)的變化

尤其是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的龍爪槐半乳甘露聚糖膠液，當(dāng)剪切速率由0 s-1增加至85 s-1時(shí)，半乳甘露聚糖的黏度從0.113 9 Pa·s降低至0.042 Pa·s。與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.3%半乳甘露聚糖膠液相比，0.5%的膠液剪切稀釋程度加劇，表現(xiàn)出更強(qiáng)的假塑性流體的特征。這可能因?yàn)辇堊卑肴楦事毒厶欠肿渔溨芯哂写罅苛u基，較高濃度下氫鍵的增強(qiáng)會(huì)形成更多的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使半乳甘露聚糖黏度增加[27]。濃度是工業(yè)生產(chǎn)中重要的參數(shù)之一，直接關(guān)聯(lián)著對(duì)生產(chǎn)原料的需求量和成本，所以得出結(jié)論半乳甘露聚糖表觀黏度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加可以為工業(yè)生產(chǎn)提供參考。

2.4 水溶性物質(zhì)和水不溶物含量

從表4中可以看出，隨著龍爪槐半乳甘露聚糖的不斷沉積和積累，龍爪槐半乳甘露聚糖的水溶性物質(zhì)的量逐漸降低，而水不溶物含量逐漸升高。在23周，水溶性物質(zhì)和水不溶物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為23.54%和75.87%。這可能是因?yàn)?3周的半乳甘露聚糖具有更高的M/G值(表2)，高的M/G值會(huì)導(dǎo)致半乳甘露聚糖呈現(xiàn)緊湊的包裹結(jié)構(gòu)，而使半乳甘露聚糖溶液難溶于水[28]。水溶性物質(zhì)和水不溶物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)(98.26%～99.21%)接近100%，表明水溶性物質(zhì)和水不溶物含量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。而受M/G值影響的水溶性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)中影響產(chǎn)品的性能。

表4 不同生長(zhǎng)時(shí)間龍爪槐半乳甘露聚糖的水溶性物質(zhì)和水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

3 結(jié) 論

3.1通過機(jī)械法得到未提純的龍爪槐果皮半乳甘露聚糖，制成不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)膠液，對(duì)不同生長(zhǎng)期的龍爪槐果皮中半乳甘露聚糖進(jìn)行了分析。半乳甘露聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)從77.74%增長(zhǎng)到79.05%，發(fā)現(xiàn)胚乳內(nèi)半乳甘露聚糖是逐漸積累的，而且因甘露聚糖增加(64.24%到67.82%)，半乳聚糖減小(13.50%到11.23%)，所得M/G值隨生長(zhǎng)期增加而增加，從4.76到6.04。

3.2不同生長(zhǎng)期龍爪槐果皮半乳甘露聚糖隨剪切率增加剪切應(yīng)力增加，表觀黏度增加，膠液表現(xiàn)為假塑性行為，稠度指數(shù)從0.171 Pa·s0.87增加到0.584 Pa·s0.71，說明半乳甘露聚糖分子鏈間的相互作用增加，稠度指數(shù)與表觀黏度成正相關(guān)。

3.3龍爪槐半乳甘露聚糖膠液隨著測(cè)試溫度的升高,表觀黏度逐漸降低；而隨膠液濃度的增加，表觀黏度逐漸增加。

3.4隨著龍爪槐半乳甘露聚糖的不斷沉積，龍爪槐半乳甘露聚糖的水溶性物質(zhì)逐漸從35.78% 降低到23.54%，水不溶物含量逐漸從62.48%升高到75.87%。