表面脫乙?；в笃细示厶堑闹苽浼拔侥懝檀寄芰?/h1>
2021-08-15 13:54:12羅媛羅立新賈克寒
食品工業(yè) 2021年7期
羅媛，羅立新，賈克寒
武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院（武漢 430072）
隨著社會的飛速發(fā)展，健康成為人們關(guān)注的重點，高血脂、高血壓、高血糖等慢性病逐步普遍化和低齡化，傳統(tǒng)藥物大量服用又會帶來不良反應(yīng)，這促使人們在中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中尋求解決的方法。魔芋是一種具有巨大地下球莖的天南星科多年生草本植物，其球莖中主要成分為魔芋葡甘聚糖（KGM）。KGM的主鏈?zhǔn)怯善咸烟呛透事短且?∶1.4/1∶1.6由β-1,4-糖苷鍵連接，甘露糖的C-3位置上以β-1,3鍵連接支鏈結(jié)構(gòu)，每32個糖殘基上有3個支鏈，平均每9～19個糖殘基有1個乙酰基團(tuán)[1-4]，乙?；鶊F(tuán)賦予其溶解特性[5]。
KGM可以在腸道表面成膜，平衡腸道內(nèi)糖類和油脂的吸收，也可通過裹挾或者吸附，減少腸道內(nèi)對于糖類、脂質(zhì)等物質(zhì)的吸收利用，其被細(xì)菌分解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以促進(jìn)腸道蠕動。魔芋葡甘聚糖作為一種天然可溶性的膳食纖維，具有潤腸通便[6]、平穩(wěn)血糖[7]、降低膽固醇[8]、減肥降脂[9]等功效。在高血脂人群中的使用效果十分顯著，孕婦和嬰幼兒便秘等方面因其安全性也很受關(guān)注。但魔芋葡甘聚糖在水中會迅速溶解，快速凝膠化，且1%（W/W）KGM溶液黏度可達(dá)30000 cps[4]，造成難以服用的問題。KGM研究主要集中于交聯(lián)后魔芋顆粒[10-11]、包埋魔芋顆粒[12]、復(fù)合膜[13]及魔芋葡甘聚糖酯化改性[14]等。利用簡單的醇堿工藝在室溫下脫除KGM顆粒表面的乙?；?，制備一種難溶或者不溶于水的表面脫乙?；в笃细示厶牵⊿Da-KGM）。開展酶解試驗及體外模擬吸附試驗，探究SDa-KGM的生物降解性和對高血脂的代表物膽固醇的吸附作用。表面脫乙酰化魔芋葡甘聚糖解決魔芋葡甘聚糖人體食用的難題，并保留有魔芋葡甘聚糖的生物降解性和安全特性，在體重控制、“三高”控制、孕婦和兒童便秘等方面具有相當(dāng)優(yōu)勢。
1 材料與方法
1.1 試劑與儀器
魔芋精粉（武漢纖濃生物科技有限公司）；纖維素酶（浙江一諾生物科技有限公司）；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
UV752紫外可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）；SHA-c數(shù)顯水浴恒溫振蕩器（常州博遠(yuǎn)實驗分析儀器廠）；JZ-2數(shù)顯離心機(jī)（金壇市洪科儀器廠）；85-2型恒溫磁力攪拌器（上海司樂儀器廠）；FA2004B分析天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司）；101-3型干燥箱（中國上海市實驗儀器總廠）；傅里葉紅外光譜儀iS10（美國Thermo公司）。
1.2 試驗方法
1.2.1 表面脫乙酰化魔芋葡甘聚糖（SDa-KGM）制備
稱取10.0 g魔芋精粉置于100 mL一定體積濃度的乙醇溶液中，在室溫下（25 ℃）充分溶脹0.5 h，加入適量的氫氧化鈉溶液，持續(xù)攪拌反應(yīng)一段時間后，抽濾，用乙醇反復(fù)洗滌、浸泡顆粒至pH中性，將樣品顆粒置于50 ℃烘箱中干燥至恒重，即得表面脫乙?；в笃细示厶钱a(chǎn)品顆粒，用SDa-KGM（乙醇體積濃度-NaOH量與KGM質(zhì)量比-反應(yīng)時間）來表示。
1.2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響
取10.0 g魔芋精粉分別加入到30%，40%，50%，60%和70%（V/V）乙醇的溶液中，溶脹充分后加入6 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，室溫下反應(yīng)1 h進(jìn)行脫乙酰化處理。
1.2.1.2 氫氧化鈉溶液添加量的影響
取10.0 g的魔芋精粉加入到40%乙醇的溶液中，溶脹充分后分別加入3.0，4.0，5.0，6.0和7.0 mL的1 mol/L氫氧化鈉溶液，室溫下反應(yīng)1 h進(jìn)行脫乙?；幚怼?/p>
1.2.1.3 反應(yīng)時間的影響
取10.0 g魔芋精粉加入到40%乙醇的溶液中，溶脹充分后加入6 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，室溫下分別反應(yīng)0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 h進(jìn)行脫乙?；幚?。
1.2.2 紅外測試
樣品采用KBr壓片法，在400～4000 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行紅外光譜掃描。
1.2.3 產(chǎn)品顆粒溶脹體積測定及結(jié)構(gòu)特征
顆粒溶脹體積測定：稱取10.000 g干燥的SDa-KGM固體粉末于100 mL具塞量筒中，加入100 mL去離子水使其溶脹，搖散使其溶脹均勻，靜置30 min記錄1次，直至溶脹體積穩(wěn)定。
孔隙率及骨架密度測定：SDa-KGM用去離子水充分浸濕后，用濾紙吸干顆粒間的水分，測定樣品的濕重（Ww，g）和體積（V，mL）。將樣品分別用乙醇、丙酮和乙醚反復(fù)多次洗滌，在50 ℃烘箱中干燥至恒重，測量樣品的干重（Wd，g）。固體試樣的骨架密度（ρg，g/mL）、平均孔容量（Vp，mL/g）和孔隙率（Pr，%）按式（1）～（3）計算。
1.2.4 SDa-KGM生物降解性
取0.050 g KGM/SDa-KGM于25 mL 4 g/L纖維素酶溶液中，在50 ℃水浴恒溫振蕩器中，分別反應(yīng)20，40，60，80，100和120 min，在沸水浴中10 min終止酶反應(yīng)。離心取1 mL上層清液，加入蒸餾水稀釋，加入3 mL 3,5-二硝基水楊酸試劑[15]，用752紫外分光光度計在500 nm處比色測定，以魔芋葡甘聚糖的含量表示KGM/SDa-KGM的水解程度。
1.2.5 SDa-KGM吸附膽固醇的等溫吸附性能
稱取一定量的表面脫乙?；疜GM加入到0.015，0.05，0.1，0.5，1.0，3和5 g/L的膽固醇溶液，在37 ℃水浴中振蕩一定時間后，離心，取上層清液，采用GB/T 5009.128—2003《食品中膽固醇的測定》[16]測定膽固醇濃度，計算SDa-KGM的吸附容量以衡量SDa-KGM吸附能力。
1.2.6 SDa-KGM吸附膽固醇的動力學(xué)附性能
稱取一定量的表面脫乙?；疜GM加入到3.0 g/L膽固醇溶液中，在37 ℃水浴中振蕩一定時間后，離心，取上層清液，采用GB/T 5009.128—2003《食品中膽固醇的測定》[16]以測定膽固醇濃度，計算SDa-KGM的吸附容量以衡量SDa-KGM吸附能力。
2 結(jié)果與分析
2.1 合成條件對KGM表面脫乙?；挠绊?/h3>
2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響
由圖1（a）可知，3416.03 cm-1和870.49 cm-1處分別為KGM的締合羥基伸縮振動吸收峰和β-D糖苷鍵特征吸收峰。在SDa-KGM紅外圖中這些特征峰明顯存在，說明SDa-KGM依然保持KGM的一級主鏈結(jié)構(gòu)。KGM紅外圖中1727.54 cm-1處代表乙?；小狢＝O的伸縮振動吸收峰，說明KGM有乙酰基的存在。起始階段隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增加，該吸收特征峰消失，乙醇體積分?jǐn)?shù)30%～50%時，紅外圖譜中乙?；奶卣魑辗逋耆?。乙醇體積分?jǐn)?shù)60%～70%時，乙?；卣魑辗逯匦鲁霈F(xiàn)。這是由于乙醇可以抑制KGM顆粒的溶脹，乙醇體積分?jǐn)?shù)越大，KGM顆粒溶脹體積就越小，與堿接觸的表面積也就越小，進(jìn)而影響KGM與堿的脫乙?；磻?yīng)。
由圖1（b）可知，10 g SDa-KGM干粉體積約10 mL，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增加，每10 g SDa-KGM顆粒在水溶液中的溶脹體積也從48 mL逐步增大到76 mL。這是由于脫乙?；潭鹊挠绊?，葡甘露聚糖主鏈上的乙酰基賦予其溶解特性，脫乙?；潭仍礁?，顆粒表面分子鏈之間的交聯(lián)就越緊密，SDa-KGM顆粒在水溶液中溶脹體積也就越小。
圖1 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)影響下SDa-KGM的紅外光譜圖（a）和在水溶液中的溶脹體積（b）
2.1.2 氫氧化鈉溶液添加量的影響
由圖2（a）可知，隨著1 mol/L氫氧化鈉溶液體積增加，乙?；闹饾u脫除。加入3～5 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液時，紅外圖中乙?；纳炜s振動吸收峰逐漸消失，加入6 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液時，紅外圖中乙?；奶卣魑辗逋耆?。魔芋葡甘聚糖中的乙?；且怎ユI的形式連接在糖殘基上，顆粒表面乙酰基的脫除實質(zhì)是酯的水解，所以氫氧化鈉溶液添加量的增加可以提高乙?；拿摮潭?。失去乙?；穆銧钅в笃细示厶怯捎诜肿又g形成氫鍵而產(chǎn)生部分結(jié)晶作用，以這種結(jié)晶為節(jié)點形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[19-20]而不溶于水。隨著氫氧化鈉溶液體積增加，SDa-KGM顆粒在水溶液中的溶脹體積先逐步減小后趨近不變，6 mL之后1 mol/L氫氧化鈉溶液量繼續(xù)加大，SDa-KGM顆粒在水中溶脹體積不再減小。
圖2 不同堿體積影響下SDa-KGM的紅外光譜圖（a）和在水溶液中的溶脹體積（b）
2.1.3 反應(yīng)時間的影響
由圖3（a）可知，隨著脫乙?；瘯r間延長，乙酰基逐步脫除。反應(yīng)時間0.5 h時，紅外圖譜中還存在微弱的乙?；奈辗?。反應(yīng)時間1.0 h時，乙?；卣魑辗逋耆АＳ蓤D3（b）可知，隨著反應(yīng)時間延長，SDa-KGM顆粒在水溶液中的溶脹體積逐步減小后趨近平緩。反應(yīng)時間0.5～1.0 h時，10 g SDa-KGM顆粒在水中溶脹體積從60 mL減小到54 mL，這與乙?；拇嬖谟嘘P(guān)。反應(yīng)時間1.0～2.5 h時，由于乙酰基特征吸收峰消失，SDa-KGM在水溶液中的溶脹體積不會隨著反應(yīng)時間延長而大幅下降。
圖3 不同反應(yīng)時間影響下SDa-KGM的紅外光譜圖（a）和在水溶液中的溶脹體積（b）
2.1.4 SDa-KGM的結(jié)構(gòu)特征
分別在乙醇體積分?jǐn)?shù)30%，40%，50%，60%，70%和90%制備結(jié)構(gòu)特征不同的SDa-KGM。隨反應(yīng)條件乙醇體積分?jǐn)?shù)增大，SDa-KGM產(chǎn)品顆粒在水溶液中的溶脹體積增大，孔隙率和孔容量也逐步增大，骨架密度逐步減小?？梢酝ㄟ^改變制備工藝條件乙醇體積分?jǐn)?shù)、加入NaOH的量、反應(yīng)時間，合成不同結(jié)構(gòu)特征的SDa-KGM產(chǎn)品。SDa-KGM（90-2.4%-1）顆粒在水溶脹體積最大到達(dá)7.10 mL/g，孔隙率為57.13%，孔容量達(dá)到6.777 mL/g，骨架密度為0.190 g/mL。如表1所示。
表1 不同乙醇體積濃度下產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征
2.2 SDa-KGM生物降解性
如圖4所示，其他制備條件一定，SDa-KGM（30-2.4%-1）在不同乙醇體積分?jǐn)?shù)中交聯(lián)最為緊密，水溶脹體積最小。纖維素酶水解SDa-KGM（30-2.4%-1）顆粒，開始酶解時，魔芋葡甘聚糖的百分含量隨時間增長而增加，酶解時間40 min時，SDa-KGM（30-2.4%-1）酶解溶液中有極少漂浮未酶解的SDa-KGM顆粒，酶解時間60 min時，SDa-KGM（30-2.4%-1）酶解溶液基本到達(dá)澄清，幾乎完全完成酶解。酶解時間60～80 min時，酶解的魔芋葡甘露聚糖含量基本穩(wěn)定，其含量為62.15%。
圖4 纖維素酶水解SDa-KGM和KGM
纖維素水解KGM趨勢和SDa-KGM（30-2.4%-1）基本一致，KGM酶解時間為40 min時基本完成酶解，時間略早于SDa-KGM（30-2.4%-1）酶解。其到達(dá)最大酶解程度時，魔芋葡甘聚糖含量為61.75%。試驗表明，纖維素水解SDa-KGM（30-2.4%-1）和KGM，魔芋葡甘聚糖含量均在62%左右，酶解程度基本一致，說明SDa-KGM（30-2.4%-1）還是保持KGM的生物降解性。SDa-KGM具有良好的生物降解性。
2.3 膽固醇等溫吸附曲線
如圖5所示，隨著膽固醇起始質(zhì)量濃度增加，3種SDa-KGM顆粒對于膽固醇的吸附容量先增大后減少。其中，膽固醇質(zhì)量濃度3 g/L時，3種脫乙?；潭炔煌念w粒均到達(dá)最大吸附量，SDa-KGM（30-2.4%-1）的最大吸附量為83.1790 mg/g，SDa-KGM（50-2.4%-1）的最大吸附量為86.0690 mg/g，而SDa-KGM（90-2.4%-1）最大吸附量則到達(dá)100.5189 mg/g。3種SDa-KGM對膽固醇的吸附量存在差異，并且膽固醇的起始質(zhì)量濃度對吸附容量的影響較大。膽固醇起始質(zhì)量濃度低時，SDa-KGM對膽固醇的吸附量也較低，并且3種SDa-KGM顆粒對膽固醇的吸附量差別不大。膽固醇質(zhì)量濃度小于1 g/L時，3種顆粒對膽固醇的吸附量基本接近，但膽固醇質(zhì)量濃度達(dá)到3 g/L后，SDa-KGM（90-2.4%-1）顆粒對于膽固醇的吸附呈現(xiàn)出優(yōu)勢。
圖5 SDa-KGM膽固醇等溫吸附曲線
利用lnqe對lnCe擬合，圖線性關(guān)系良好，SDa-KGM（90-2.4%-1）吸附膽固醇擬合式為lnqe=1.10468lnCe+3.14346，相關(guān)系數(shù)R=0.9855，符合Freundlich等溫吸附模型，且吸附過程中脫乙?；в笃细示厶菍δ懝檀嫉奈侥芰^強(qiáng)，屬于不均勻表面吸附。
2.4 膽固醇動力學(xué)吸附曲線
3種表面不同程度脫乙?；哪в笃暇厶穷w粒在3 g/L膽固醇的冰乙酸溶液中振蕩不同時間的吸附容量如圖6所示。3種脫乙酰顆粒吸附膽固醇的速度較快，隨著時間延長，吸附速率隨時間延長而逐漸減小，并且基本在90 min時到達(dá)吸附平衡狀態(tài)，SDa-KGM（30-2.4%-1）、SDa-KGM（50-2.4%-1）、SDa-KGM（90-2.4%-1）吸附膽固醇到達(dá)平衡時的吸附容量分別為80.2890，83.1790和103.5189 mg/g。SDa-KGM對膽固醇具有良好的吸附能力。隨孔隙率、孔容量的增大，其吸附性能略有增大。朱維維等[12]研究的不溶于水的殼聚糖包埋魔芋組合物在相同條件下達(dá)到吸附平衡，對膽固醇吸附容量為114.8 mg/g，與SDa-KGM（90-2.4%-1）對膽固醇吸附容量相接近，但SDa-KGM制備工藝條件及原料更為簡單。
圖6 SDa-KGM膽固醇動力學(xué)吸附曲線
SDa-KGM（90-2.4%-1）數(shù)據(jù)中，利用t/Q對t作圖線性關(guān)系良好，t/q=0.38903+0.00670t，相關(guān)系數(shù)R=0.9400，較吻合Lagergren準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，說明SDa-KGM吸附膽固醇不僅與溶液濃度有關(guān)，還受到化學(xué)吸附機(jī)理的控制，與脫乙?；潭纫灿幸欢P(guān)系。SDa-KGM顆粒溶脹體積大則與膽固醇的接觸面積大，有能力吸附更多的膽固醇。表面脫乙?；в笃细示厶穷w粒表面的乙酰基脫除后成為羥基，而羥基是一個親水基團(tuán)，會減少與膽固醇的結(jié)合。
3 結(jié)論
通過簡單的生產(chǎn)工藝解決KGM服用困難的難題。表面脫乙?；疜GM顆粒由于分子之間形成氫鍵而產(chǎn)生部分結(jié)晶作用，以結(jié)晶為節(jié)點形成顆粒表面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而成為不溶于水的顆粒。室溫下KGM表面脫乙?；囼灡砻?，影響SDa-KGM顆粒的溶脹體積因素為乙醇的體積分?jǐn)?shù)、氫氧化鈉與KGM的質(zhì)量比、反應(yīng)時間。從紅外分析可知，SDa-KGM依然保持了魔芋葡甘聚糖的一級主鏈結(jié)構(gòu)。纖維素水解試驗表明SDa-KGM還是保持了KGM原有的生物降解性。SDa-KGM在不同反應(yīng)條件下的結(jié)構(gòu)特征及水溶脹體積不同，對于減肥人群可以選擇相對在水中溶脹體積大的SDa-KGM顆粒攝入來達(dá)到飽腹感以減少食物攝入的目的。
SDa-KGM模擬體外試驗吸附三高代表物膽固醇，探究SDa-KGM對于消化道吸收的影響。SDa-KGM（90-2.4%-1）孔隙率為57.13%，孔容量達(dá)6.777 mL/g，骨架密度為0.190 g/mL，對膽固醇的吸附容量達(dá)103.5189 mg/g。SDa-KGM產(chǎn)品在控制“三高”方面很有前景，SDa-KGM通過改變反應(yīng)條件可以改變顆粒的結(jié)構(gòu)特征。隨著孔容量增加，SDa-KGM吸附膽固醇等能力也會有所增強(qiáng)。
表面脫乙酰化魔芋葡甘聚糖在模擬試驗中解決KGM服用困難的不足，表現(xiàn)出生物降解性、安全性及控制血脂等特性，在體重控制、“三高”控制、孕婦和兒童便秘等方面具有優(yōu)勢，為后續(xù)開發(fā)健康安全的降血脂藥物或健康食品提供思路及依據(jù)。
猜你喜歡
魔芋葡甘聚糖理化性質(zhì)及應(yīng)用前景食品安全導(dǎo)刊(2023年18期)2023-07-30 20:40:35 魔芋葡甘露聚糖脫乙?；z化研究及應(yīng)用陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(2022年5期)2022-11-09 10:42:10 機(jī)械力對魔芋葡甘聚糖影響研究農(nóng)產(chǎn)品加工(2022年4期)2022-03-11 09:48:18 制絲關(guān)鍵工藝參數(shù)對雜環(huán)化合物的影響云南化工(2020年4期)2020-05-19 09:15:24 淺析丙硫菌唑合成新工藝科海故事博覽·中旬刊(2020年3期)2020-03-15 05:49:04 魔芋產(chǎn)業(yè)化，打開致富新大門今日農(nóng)業(yè)(2019年14期)2019-09-18 01:21:42 氣相法檢測α-乙?；?α-氯-γ-丁內(nèi)酯的含量安徽化工(2018年5期)2018-10-23 03:22:34 葡甘聚糖/殼聚糖/水解膠原蛋白膠粘劑的二氧化鈦共混改性材料科學(xué)與工程學(xué)報(2016年1期)2017-01-15 13:33:46 巨魔芋金色少年(奇趣科普)(2016年9期)2016-10-21 07:26:49 魔芋腐乳發(fā)酵工藝優(yōu)化中國釀造(2016年12期)2016-03-01 03:08:27
羅媛，羅立新，賈克寒
武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院（武漢 430072）
隨著社會的飛速發(fā)展，健康成為人們關(guān)注的重點，高血脂、高血壓、高血糖等慢性病逐步普遍化和低齡化，傳統(tǒng)藥物大量服用又會帶來不良反應(yīng)，這促使人們在中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中尋求解決的方法。魔芋是一種具有巨大地下球莖的天南星科多年生草本植物，其球莖中主要成分為魔芋葡甘聚糖（KGM）。KGM的主鏈?zhǔn)怯善咸烟呛透事短且?∶1.4/1∶1.6由β-1,4-糖苷鍵連接，甘露糖的C-3位置上以β-1,3鍵連接支鏈結(jié)構(gòu)，每32個糖殘基上有3個支鏈，平均每9～19個糖殘基有1個乙酰基團(tuán)[1-4]，乙?；鶊F(tuán)賦予其溶解特性[5]。
KGM可以在腸道表面成膜，平衡腸道內(nèi)糖類和油脂的吸收，也可通過裹挾或者吸附，減少腸道內(nèi)對于糖類、脂質(zhì)等物質(zhì)的吸收利用，其被細(xì)菌分解產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以促進(jìn)腸道蠕動。魔芋葡甘聚糖作為一種天然可溶性的膳食纖維，具有潤腸通便[6]、平穩(wěn)血糖[7]、降低膽固醇[8]、減肥降脂[9]等功效。在高血脂人群中的使用效果十分顯著，孕婦和嬰幼兒便秘等方面因其安全性也很受關(guān)注。但魔芋葡甘聚糖在水中會迅速溶解，快速凝膠化，且1%（W/W）KGM溶液黏度可達(dá)30000 cps[4]，造成難以服用的問題。KGM研究主要集中于交聯(lián)后魔芋顆粒[10-11]、包埋魔芋顆粒[12]、復(fù)合膜[13]及魔芋葡甘聚糖酯化改性[14]等。利用簡單的醇堿工藝在室溫下脫除KGM顆粒表面的乙?；?，制備一種難溶或者不溶于水的表面脫乙?；в笃细示厶牵⊿Da-KGM）。開展酶解試驗及體外模擬吸附試驗，探究SDa-KGM的生物降解性和對高血脂的代表物膽固醇的吸附作用。表面脫乙酰化魔芋葡甘聚糖解決魔芋葡甘聚糖人體食用的難題，并保留有魔芋葡甘聚糖的生物降解性和安全特性，在體重控制、“三高”控制、孕婦和兒童便秘等方面具有相當(dāng)優(yōu)勢。
1 材料與方法
1.1 試劑與儀器
魔芋精粉（武漢纖濃生物科技有限公司）；纖維素酶（浙江一諾生物科技有限公司）；其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
UV752紫外可見分光光度計（上海佑科儀器儀表有限公司）；SHA-c數(shù)顯水浴恒溫振蕩器（常州博遠(yuǎn)實驗分析儀器廠）；JZ-2數(shù)顯離心機(jī)（金壇市洪科儀器廠）；85-2型恒溫磁力攪拌器（上海司樂儀器廠）；FA2004B分析天平（上海越平科學(xué)儀器有限公司）；101-3型干燥箱（中國上海市實驗儀器總廠）；傅里葉紅外光譜儀iS10（美國Thermo公司）。
1.2 試驗方法
1.2.1 表面脫乙酰化魔芋葡甘聚糖（SDa-KGM）制備
稱取10.0 g魔芋精粉置于100 mL一定體積濃度的乙醇溶液中，在室溫下（25 ℃）充分溶脹0.5 h，加入適量的氫氧化鈉溶液，持續(xù)攪拌反應(yīng)一段時間后，抽濾，用乙醇反復(fù)洗滌、浸泡顆粒至pH中性，將樣品顆粒置于50 ℃烘箱中干燥至恒重，即得表面脫乙?；в笃细示厶钱a(chǎn)品顆粒，用SDa-KGM（乙醇體積濃度-NaOH量與KGM質(zhì)量比-反應(yīng)時間）來表示。
1.2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響
取10.0 g魔芋精粉分別加入到30%，40%，50%，60%和70%（V/V）乙醇的溶液中，溶脹充分后加入6 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，室溫下反應(yīng)1 h進(jìn)行脫乙酰化處理。
1.2.1.2 氫氧化鈉溶液添加量的影響
取10.0 g的魔芋精粉加入到40%乙醇的溶液中，溶脹充分后分別加入3.0，4.0，5.0，6.0和7.0 mL的1 mol/L氫氧化鈉溶液，室溫下反應(yīng)1 h進(jìn)行脫乙?；幚怼?/p>
1.2.1.3 反應(yīng)時間的影響
取10.0 g魔芋精粉加入到40%乙醇的溶液中，溶脹充分后加入6 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液，室溫下分別反應(yīng)0.5，1.0，1.5，2.0和2.5 h進(jìn)行脫乙?；幚?。
1.2.2 紅外測試
樣品采用KBr壓片法，在400～4000 cm-1范圍內(nèi)進(jìn)行紅外光譜掃描。
1.2.3 產(chǎn)品顆粒溶脹體積測定及結(jié)構(gòu)特征
顆粒溶脹體積測定：稱取10.000 g干燥的SDa-KGM固體粉末于100 mL具塞量筒中，加入100 mL去離子水使其溶脹，搖散使其溶脹均勻，靜置30 min記錄1次，直至溶脹體積穩(wěn)定。
孔隙率及骨架密度測定：SDa-KGM用去離子水充分浸濕后，用濾紙吸干顆粒間的水分，測定樣品的濕重（Ww，g）和體積（V，mL）。將樣品分別用乙醇、丙酮和乙醚反復(fù)多次洗滌，在50 ℃烘箱中干燥至恒重，測量樣品的干重（Wd，g）。固體試樣的骨架密度（ρg，g/mL）、平均孔容量（Vp，mL/g）和孔隙率（Pr，%）按式（1）～（3）計算。
1.2.4 SDa-KGM生物降解性
取0.050 g KGM/SDa-KGM于25 mL 4 g/L纖維素酶溶液中，在50 ℃水浴恒溫振蕩器中，分別反應(yīng)20，40，60，80，100和120 min，在沸水浴中10 min終止酶反應(yīng)。離心取1 mL上層清液，加入蒸餾水稀釋，加入3 mL 3,5-二硝基水楊酸試劑[15]，用752紫外分光光度計在500 nm處比色測定，以魔芋葡甘聚糖的含量表示KGM/SDa-KGM的水解程度。
1.2.5 SDa-KGM吸附膽固醇的等溫吸附性能
稱取一定量的表面脫乙?；疜GM加入到0.015，0.05，0.1，0.5，1.0，3和5 g/L的膽固醇溶液，在37 ℃水浴中振蕩一定時間后，離心，取上層清液，采用GB/T 5009.128—2003《食品中膽固醇的測定》[16]測定膽固醇濃度，計算SDa-KGM的吸附容量以衡量SDa-KGM吸附能力。
1.2.6 SDa-KGM吸附膽固醇的動力學(xué)附性能
稱取一定量的表面脫乙?；疜GM加入到3.0 g/L膽固醇溶液中，在37 ℃水浴中振蕩一定時間后，離心，取上層清液，采用GB/T 5009.128—2003《食品中膽固醇的測定》[16]以測定膽固醇濃度，計算SDa-KGM的吸附容量以衡量SDa-KGM吸附能力。
2 結(jié)果與分析
2.1 合成條件對KGM表面脫乙?；挠绊?/h3>
2.1.1 乙醇體積分?jǐn)?shù)的影響
由圖1（a）可知，3416.03 cm-1和870.49 cm-1處分別為KGM的締合羥基伸縮振動吸收峰和β-D糖苷鍵特征吸收峰。在SDa-KGM紅外圖中這些特征峰明顯存在，說明SDa-KGM依然保持KGM的一級主鏈結(jié)構(gòu)。KGM紅外圖中1727.54 cm-1處代表乙?；小狢＝O的伸縮振動吸收峰，說明KGM有乙酰基的存在。起始階段隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增加，該吸收特征峰消失，乙醇體積分?jǐn)?shù)30%～50%時，紅外圖譜中乙?；奶卣魑辗逋耆?。乙醇體積分?jǐn)?shù)60%～70%時，乙?；卣魑辗逯匦鲁霈F(xiàn)。這是由于乙醇可以抑制KGM顆粒的溶脹，乙醇體積分?jǐn)?shù)越大，KGM顆粒溶脹體積就越小，與堿接觸的表面積也就越小，進(jìn)而影響KGM與堿的脫乙?；磻?yīng)。
由圖1（b）可知，10 g SDa-KGM干粉體積約10 mL，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)增加，每10 g SDa-KGM顆粒在水溶液中的溶脹體積也從48 mL逐步增大到76 mL。這是由于脫乙?；潭鹊挠绊?，葡甘露聚糖主鏈上的乙酰基賦予其溶解特性，脫乙?；潭仍礁?，顆粒表面分子鏈之間的交聯(lián)就越緊密，SDa-KGM顆粒在水溶液中溶脹體積也就越小。
圖1 不同乙醇體積分?jǐn)?shù)影響下SDa-KGM的紅外光譜圖（a）和在水溶液中的溶脹體積（b）
2.1.2 氫氧化鈉溶液添加量的影響
由圖2（a）可知，隨著1 mol/L氫氧化鈉溶液體積增加，乙?；闹饾u脫除。加入3～5 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液時，紅外圖中乙?；纳炜s振動吸收峰逐漸消失，加入6 mL 1 mol/L氫氧化鈉溶液時，紅外圖中乙?；奶卣魑辗逋耆?。魔芋葡甘聚糖中的乙?；且怎ユI的形式連接在糖殘基上，顆粒表面乙酰基的脫除實質(zhì)是酯的水解，所以氫氧化鈉溶液添加量的增加可以提高乙?；拿摮潭?。失去乙?；穆銧钅в笃细示厶怯捎诜肿又g形成氫鍵而產(chǎn)生部分結(jié)晶作用，以這種結(jié)晶為節(jié)點形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[19-20]而不溶于水。隨著氫氧化鈉溶液體積增加，SDa-KGM顆粒在水溶液中的溶脹體積先逐步減小后趨近不變，6 mL之后1 mol/L氫氧化鈉溶液量繼續(xù)加大，SDa-KGM顆粒在水中溶脹體積不再減小。
圖2 不同堿體積影響下SDa-KGM的紅外光譜圖（a）和在水溶液中的溶脹體積（b）
2.1.3 反應(yīng)時間的影響
由圖3（a）可知，隨著脫乙?；瘯r間延長，乙酰基逐步脫除。反應(yīng)時間0.5 h時，紅外圖譜中還存在微弱的乙?；奈辗?。反應(yīng)時間1.0 h時，乙?；卣魑辗逋耆АＳ蓤D3（b）可知，隨著反應(yīng)時間延長，SDa-KGM顆粒在水溶液中的溶脹體積逐步減小后趨近平緩。反應(yīng)時間0.5～1.0 h時，10 g SDa-KGM顆粒在水中溶脹體積從60 mL減小到54 mL，這與乙?；拇嬖谟嘘P(guān)。反應(yīng)時間1.0～2.5 h時，由于乙酰基特征吸收峰消失，SDa-KGM在水溶液中的溶脹體積不會隨著反應(yīng)時間延長而大幅下降。
圖3 不同反應(yīng)時間影響下SDa-KGM的紅外光譜圖（a）和在水溶液中的溶脹體積（b）
2.1.4 SDa-KGM的結(jié)構(gòu)特征
分別在乙醇體積分?jǐn)?shù)30%，40%，50%，60%，70%和90%制備結(jié)構(gòu)特征不同的SDa-KGM。隨反應(yīng)條件乙醇體積分?jǐn)?shù)增大，SDa-KGM產(chǎn)品顆粒在水溶液中的溶脹體積增大，孔隙率和孔容量也逐步增大，骨架密度逐步減小?？梢酝ㄟ^改變制備工藝條件乙醇體積分?jǐn)?shù)、加入NaOH的量、反應(yīng)時間，合成不同結(jié)構(gòu)特征的SDa-KGM產(chǎn)品。SDa-KGM（90-2.4%-1）顆粒在水溶脹體積最大到達(dá)7.10 mL/g，孔隙率為57.13%，孔容量達(dá)到6.777 mL/g，骨架密度為0.190 g/mL。如表1所示。
表1 不同乙醇體積濃度下產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征
2.2 SDa-KGM生物降解性
如圖4所示，其他制備條件一定，SDa-KGM（30-2.4%-1）在不同乙醇體積分?jǐn)?shù)中交聯(lián)最為緊密，水溶脹體積最小。纖維素酶水解SDa-KGM（30-2.4%-1）顆粒，開始酶解時，魔芋葡甘聚糖的百分含量隨時間增長而增加，酶解時間40 min時，SDa-KGM（30-2.4%-1）酶解溶液中有極少漂浮未酶解的SDa-KGM顆粒，酶解時間60 min時，SDa-KGM（30-2.4%-1）酶解溶液基本到達(dá)澄清，幾乎完全完成酶解。酶解時間60～80 min時，酶解的魔芋葡甘露聚糖含量基本穩(wěn)定，其含量為62.15%。
圖4 纖維素酶水解SDa-KGM和KGM
纖維素水解KGM趨勢和SDa-KGM（30-2.4%-1）基本一致，KGM酶解時間為40 min時基本完成酶解，時間略早于SDa-KGM（30-2.4%-1）酶解。其到達(dá)最大酶解程度時，魔芋葡甘聚糖含量為61.75%。試驗表明，纖維素水解SDa-KGM（30-2.4%-1）和KGM，魔芋葡甘聚糖含量均在62%左右，酶解程度基本一致，說明SDa-KGM（30-2.4%-1）還是保持KGM的生物降解性。SDa-KGM具有良好的生物降解性。
2.3 膽固醇等溫吸附曲線
如圖5所示，隨著膽固醇起始質(zhì)量濃度增加，3種SDa-KGM顆粒對于膽固醇的吸附容量先增大后減少。其中，膽固醇質(zhì)量濃度3 g/L時，3種脫乙?；潭炔煌念w粒均到達(dá)最大吸附量，SDa-KGM（30-2.4%-1）的最大吸附量為83.1790 mg/g，SDa-KGM（50-2.4%-1）的最大吸附量為86.0690 mg/g，而SDa-KGM（90-2.4%-1）最大吸附量則到達(dá)100.5189 mg/g。3種SDa-KGM對膽固醇的吸附量存在差異，并且膽固醇的起始質(zhì)量濃度對吸附容量的影響較大。膽固醇起始質(zhì)量濃度低時，SDa-KGM對膽固醇的吸附量也較低，并且3種SDa-KGM顆粒對膽固醇的吸附量差別不大。膽固醇質(zhì)量濃度小于1 g/L時，3種顆粒對膽固醇的吸附量基本接近，但膽固醇質(zhì)量濃度達(dá)到3 g/L后，SDa-KGM（90-2.4%-1）顆粒對于膽固醇的吸附呈現(xiàn)出優(yōu)勢。
圖5 SDa-KGM膽固醇等溫吸附曲線
利用lnqe對lnCe擬合，圖線性關(guān)系良好，SDa-KGM（90-2.4%-1）吸附膽固醇擬合式為lnqe=1.10468lnCe+3.14346，相關(guān)系數(shù)R=0.9855，符合Freundlich等溫吸附模型，且吸附過程中脫乙?；в笃细示厶菍δ懝檀嫉奈侥芰^強(qiáng)，屬于不均勻表面吸附。
2.4 膽固醇動力學(xué)吸附曲線
3種表面不同程度脫乙?；哪в笃暇厶穷w粒在3 g/L膽固醇的冰乙酸溶液中振蕩不同時間的吸附容量如圖6所示。3種脫乙酰顆粒吸附膽固醇的速度較快，隨著時間延長，吸附速率隨時間延長而逐漸減小，并且基本在90 min時到達(dá)吸附平衡狀態(tài)，SDa-KGM（30-2.4%-1）、SDa-KGM（50-2.4%-1）、SDa-KGM（90-2.4%-1）吸附膽固醇到達(dá)平衡時的吸附容量分別為80.2890，83.1790和103.5189 mg/g。SDa-KGM對膽固醇具有良好的吸附能力。隨孔隙率、孔容量的增大，其吸附性能略有增大。朱維維等[12]研究的不溶于水的殼聚糖包埋魔芋組合物在相同條件下達(dá)到吸附平衡，對膽固醇吸附容量為114.8 mg/g，與SDa-KGM（90-2.4%-1）對膽固醇吸附容量相接近，但SDa-KGM制備工藝條件及原料更為簡單。
圖6 SDa-KGM膽固醇動力學(xué)吸附曲線
SDa-KGM（90-2.4%-1）數(shù)據(jù)中，利用t/Q對t作圖線性關(guān)系良好，t/q=0.38903+0.00670t，相關(guān)系數(shù)R=0.9400，較吻合Lagergren準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，說明SDa-KGM吸附膽固醇不僅與溶液濃度有關(guān)，還受到化學(xué)吸附機(jī)理的控制，與脫乙?；潭纫灿幸欢P(guān)系。SDa-KGM顆粒溶脹體積大則與膽固醇的接觸面積大，有能力吸附更多的膽固醇。表面脫乙?；в笃细示厶穷w粒表面的乙酰基脫除后成為羥基，而羥基是一個親水基團(tuán)，會減少與膽固醇的結(jié)合。
3 結(jié)論
通過簡單的生產(chǎn)工藝解決KGM服用困難的難題。表面脫乙?；疜GM顆粒由于分子之間形成氫鍵而產(chǎn)生部分結(jié)晶作用，以結(jié)晶為節(jié)點形成顆粒表面的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而成為不溶于水的顆粒。室溫下KGM表面脫乙?；囼灡砻?，影響SDa-KGM顆粒的溶脹體積因素為乙醇的體積分?jǐn)?shù)、氫氧化鈉與KGM的質(zhì)量比、反應(yīng)時間。從紅外分析可知，SDa-KGM依然保持了魔芋葡甘聚糖的一級主鏈結(jié)構(gòu)。纖維素水解試驗表明SDa-KGM還是保持了KGM原有的生物降解性。SDa-KGM在不同反應(yīng)條件下的結(jié)構(gòu)特征及水溶脹體積不同，對于減肥人群可以選擇相對在水中溶脹體積大的SDa-KGM顆粒攝入來達(dá)到飽腹感以減少食物攝入的目的。
SDa-KGM模擬體外試驗吸附三高代表物膽固醇，探究SDa-KGM對于消化道吸收的影響。SDa-KGM（90-2.4%-1）孔隙率為57.13%，孔容量達(dá)6.777 mL/g，骨架密度為0.190 g/mL，對膽固醇的吸附容量達(dá)103.5189 mg/g。SDa-KGM產(chǎn)品在控制“三高”方面很有前景，SDa-KGM通過改變反應(yīng)條件可以改變顆粒的結(jié)構(gòu)特征。隨著孔容量增加，SDa-KGM吸附膽固醇等能力也會有所增強(qiáng)。
表面脫乙酰化魔芋葡甘聚糖在模擬試驗中解決KGM服用困難的不足，表現(xiàn)出生物降解性、安全性及控制血脂等特性，在體重控制、“三高”控制、孕婦和兒童便秘等方面具有優(yōu)勢，為后續(xù)開發(fā)健康安全的降血脂藥物或健康食品提供思路及依據(jù)。
猜你喜歡
食品安全導(dǎo)刊(2023年18期)2023-07-30 20:40:35
陜西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)(2022年5期)2022-11-09 10:42:10
農(nóng)產(chǎn)品加工(2022年4期)2022-03-11 09:48:18
云南化工(2020年4期)2020-05-19 09:15:24
科海故事博覽·中旬刊(2020年3期)2020-03-15 05:49:04
今日農(nóng)業(yè)(2019年14期)2019-09-18 01:21:42
安徽化工(2018年5期)2018-10-23 03:22:34
材料科學(xué)與工程學(xué)報(2016年1期)2017-01-15 13:33:46
金色少年(奇趣科普)(2016年9期)2016-10-21 07:26:49
中國釀造(2016年12期)2016-03-01 03:08:27
