预处理温度对圆皂荚多糖胶制备与性能的影响

蒋建新， 朱莉伟， 张 伟， 李先平

(北京林业大学 材料科学与技术学院；林业生物质材料与能源教育部工程研究中心，北京 100083 )

植物多糖胶是由甘露糖、葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等单糖及其相应的糖醛酸按一定比例组成的天然高分子物质，具有较高的黏性，能与水结合形成胶体溶液，相对分子质量介于50 000～500 000之间。各种植物多糖胶的结构单元类似，呈线形且有分支，具有较好的水溶性和交联性，且在低浓度下能形成高黏度的水溶液，因其独特的流变性质，在食品医药、石油钻采、纺织印染、制浆造纸和兵工炸药等行业中被广泛用作增稠剂、稳定剂、胶凝剂和絮凝剂等[1]。在食品加工中，植物多糖胶用于面制品中可防止黏结、保水、增加筋力及延长上货架时间，植物多糖胶赋予冰淇淋滑溜和糯性的口感以及减缓产品溶化。此外，植物多糖胶还具有降血糖、降血脂、抗辐射、润肠减肥、与微生物多糖形成凝胶等特性，这些功能决定了植物多糖胶不可替代的地位。草本植物多糖胶生产量约占植物多糖胶的70%以上，但是草本植物多糖胶原料的种植需要占用大量耕地。不仅如此，受天气、种植条件和政治等多种因素的影响，草本植物多糖胶资源量一直很不稳定，严重影响着相关行业的发展。我国木本多糖胶资源发展迅速，并初步形成了原料资源基地。皂荚、野皂荚等木本植物根系发达，耐旱、耐热、抗寒、抗污染、抗逆性强，能较好地改良土壤，是营造水土保持林、防风固沙林的优良生态树种。木本植物种子中含多糖胶40%左右，随着经济发展和环境保护的双重需要，木本多糖胶资源将会进一步得到发展，木本多糖胶也将在植物多糖胶中逐步占据主导地位。关于皂荚资源利用[2]、皂荚多糖胶制备[3-5]、多糖改性[6-8]、多糖性质[9-11]及应用研究[12-14]已有较多的报道，皂荚资源活性组分多、含量高，其高效利用具有显著的经济效益和生态价值，其中皂荚多糖胶工业化制备首选烘炒预处理工艺结合机械分离法。本研究以高产的圆皂荚种子为原料，在前期分离方法比较研究的基础上，系统研究了烘炒过程中预处理温度对圆皂荚多糖胶得率、多糖胶化学组成、半乳甘露聚糖相对分子质量及单糖比例、多糖胶流变学性质及凝胶性能的影响，以期为皂荚多糖胶工业化制备与应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂与仪器

圆皂荚荚果为山西绛县林业局所提供，收获时间为2017年12月。经手工剥离从豆荚中得到皂荚种子，阴干储存备用；整粒种子的含水量为9.3%。标准单糖包括(+)-D-甘露糖、(+)-D-半乳糖和(+)-D-葡萄糖，购自美国Fluka公司；葡聚糖标准分子质量样品DXT3k、DXT25k、DXT160k、DXT760k和DXT1185k，购自日本TosoHaas公司。

DL-I-15马弗炉；DHG-9145A真空干燥箱；Agilent 1200凝胶渗透色谱(GPC)，美国Agilent公司；LVDV-Ⅲ+型流变仪，美国Brookfield公司；Waters 2695 高效液相色谱(HPLC)仪(配备Aminex HPX-87P柱子和2414 RID示差折光检测器)，美国Waters公司。

1.2 实验方法

1.2.1圆皂荚种子胚乳分离及多糖胶制备 将质量约100 g(精确至0.1 g)的圆皂荚种子置于烘炒炉中加热预处理，预处理温度分别为145、155、165和175 ℃，预处理时间4 min，随后将种子迅速转移至粉碎机中快速击打。从粉碎冲击后的样品中筛分出胚乳片，在(100±3) ℃的鼓风加热干燥箱中烘至质量恒定，称质量。将烘干后的胚乳粉碎通过0.125 mm孔径的筛网，通过烘炒法在预处理温度145、155、165和175 ℃条件下分离所得的圆皂荚多糖胶分别标记为PG1、PG2、PG3和PG4。

1.2.2圆皂荚半乳甘露聚糖制备 将1 g(精确至0.000 1 g)圆皂荚多糖胶加入20 mL体积分数为80%的乙醇中，煮沸10 min。之后使用G3砂芯漏斗过滤收集样品，并用乙醇、丙酮和乙醚依次洗涤。之后，向样品中加入100 mL的去离子水，在磁力搅拌下水合1 h。将所得的多糖胶溶液在1 000 r/min下离心20 min，以除去水不溶物。

向收集到的上清液中加入2倍体积的冷丙酮(4 ℃)，使溶解多糖发生沉淀。过滤收集沉淀，并将沉淀重新溶解于100 mL温度为80 ℃的热水中，再于4 000 r/min下离心1.5 h，进一步除去不溶性杂质。分离收集上清液，并向其中加入2倍体积的无水乙醇，从而将半乳甘露聚糖沉淀出来。反复用无水乙醇和丙酮洗涤沉淀后，将多糖沉淀进行真空干燥，得到皂荚半乳甘露聚糖(GM)，备用。

1.2.3圆皂荚多糖胶凝胶的制备 将多糖胶与黄原胶以质量比7 ∶3混合后，在恒速搅拌下分散到去离子水中，使分散液中聚合物总质量分数为1.0%。磁力搅拌下水合约30 min后，将二元混合物加热至60 ℃并恒温15 min后，迅速倾倒至直径45 mm、高度35 mm的容器中。在室温下静置24 h形成凝胶状物。

1.3 分析方法

1.3.1圆皂荚多糖胶的化学组成分析 圆皂荚多糖胶GM含量、水不溶物含量、水分含量、灰分含量测定及计算按照GB/T 31742—2015进行[15]。根据美国分析化学家协会AOAC 979.09方法，通过凯氏定氮法测定多糖胶中粗蛋白含量，将2 g(精确至0.000 1 g)多糖胶在灰化后进行蒸馏，转换系数为 6.25。根据AOAC 920.39C方法，将1 g(精确至0.000 1 g)多糖胶在无水乙醚中抽提8 h后进行粗脂肪含量的测定，通过差值计算得出碳水化合物的含量。

1.3.2圆皂荚GM的单糖组成测定 准确称量300 mg (精确至0.000 1 g)的绝干样品于耐压瓶中，加入3 mL质量分数为72%的硫酸。首先在30 ℃水浴振荡条件下加热反应1 h，期间每隔10 min用玻璃棒搅拌一次。振荡反应结束后，向耐压瓶中加入84 mL的去离子水使硫酸质量分数为4.0%，然后置于121 ℃的高压灭菌锅中水解反应1 h。水解后，取适量水解液于离心管中并用无水碳酸钙中和。采用高效液相色谱仪进行单糖分析，使用Aminex HPX-87P分析柱 (300 mm×7.8 mm)对水解液进行分离，柱温75 ℃，分离时间30 min。

1.3.3圆皂荚GM的分子质量分布 凝胶渗透色谱(GPC)配备有PL Aquagel-OH柱子(300 mm×7.5 mm，8 μm)用于测定皂荚GM的重均分子质量(Mw)和数均分子质量(Mn)。配制质量分数为 0.2% 的皂荚GM水溶液，并用0.45 μm的滤膜过滤。在分子质量测定过程中，色谱柱的运行温度为40 ℃，流动相由5 mmol/L、pH值7.0的磷酸缓冲液和20 mmol/L的氯化钠溶液组成，流速为0.5 mL/min。使用一系列不同分子质量的聚苯乙烯标准品对柱子进行校准，平均相对误差在3.8%～5.6%范围内，最大误差为7.3%。使用Agilent GPC数据分析软件(B.01.01版本)进行数据处理，得到Mn、Mw、Z均分子质量(Mz)、黏均分子质量(Mp)和多分散指数(Pi)。

1.3.4圆皂荚多糖胶的流变学性质分析 采用配备有小量样品适配器(转子号SC4-31)的流变仪在25 ℃ 下对圆皂荚多糖胶的流变性质进行测定，本实验中所测得的黏度均为表观黏度。设置流变仪的剪切速率在3 min内由0 s-1线性上升至85 s-1，测定质量分数0.5%多糖胶溶液的表观黏度随剪切速率的变化，并使用Rheocalc V 3.2软件拟合剪切应力与剪切速率之间的关系，获得Power-law模型参数。

1.3.5圆皂荚多糖胶的凝胶冻胶性能测定 使用Brookfield质构仪(TexturePro CT V1.2 Build 9软件)对所制备的凝胶样品进行凝胶强度测定。参数如下：负载单元4 500 g，探头为TA5圆柱形探头(φ12.7 mm×35 mm)，以0.5 mm/s的测试速度执行一个单压缩循环至4 mm的目标形变量，然后立即返回到起始位置。

配制0.6%多糖胶水溶液500 mL，加入0.3%四硼酸钠100 mL，搅拌，在长形烧杯或量筒中测定φ6 mm钢球自上而下行走20 cm所需的时间(s)，乘以系数66 600得到冻胶黏度(mPa·s)。

1.4 计算方法

手工剥离胚乳方法参考文献[16]进行，圆皂荚胚乳提取率(η)及半乳甘露聚糖得率(y)的计算公式见式(1)～式(2)：

η=m1/m0×100%

(1)

y=η×ω1/ω0×100%

(2)

式中：m0—种子经手工剥离得到的胚乳质量，g；m1—种子经烘炒法得到的胚乳质量，g；ω0—种子中GM的质量分数，%；ω1—烘炒法胚乳中GM的质量分数，%。

2 结果与讨论

2.1 胚乳得率及多糖胶化学组成

烘炒法从种子中分离提取胚乳的原理是利用皂荚种子各组分硬度的差异，高温使种壳变脆，使种壳与胚乳之间的糊粉层连接减弱。烘炒过的种子在机械冲击中损坏，脆度较高而硬度较低的种壳和胚在击打中变为碎块，而硬度较高的胚乳却能较好的保持完整性，因此可以通过筛分操作将胚乳从胚和种壳的碎片中分离出来。烘炒预处理分离工艺简洁高效，得到的胚乳为淡黄色，胚乳形状较完整且胚乳提取率高。表1为预处理温度对圆皂荚胚乳得率及多糖胶组成的影响。由表可知，随着预处理温度提高，胚乳得率降低。当预处理温度165 ℃处理4 min时，圆皂荚胚乳得率达到92.7%，GM得率为38.5%。

表1 预处理温度对圆皂荚胚乳得率及多糖胶化学组成的影响

由圆皂荚多糖胶(PG1、PG2、PG3和PG4)的化学组成测定结果可以看出，皂荚多糖胶中蛋白质含量较高，主要来源于种壳和胚中的一些物质及多糖胶存在的结构蛋白和酶。种子中胚的主要组成物质为蛋白质，胚中所含蛋白质的量占种子中总蛋白含量的70%以上。多糖胶中含有蛋白质，表明结构蛋白和酶的存在或者被胚中的杂质所污染[17]。烘炒预处理温度与化学组成之间有一定的关联关系。当预处理温度相对较低(145 ℃)时，种子中的部分种皮、胚等与胚乳没有充分分离，因此PG1多糖胶的水不溶物含量、粗蛋白及粗脂肪含量相对较高。预处理温度升高，皂荚多糖胶杂质(粗蛋白、水不溶物等)含量降低，但过高的预处理温度会使皂荚胚乳变脆，从而导致胚乳得率和GM得率降低。皂荚多糖胶中碳水化合物含量也与之前报道的商品瓜尔胶和刺槐豆胶相接近。

2.2 半乳甘露聚糖单糖组成及其GPC分析

根据Wientjes等所报道的方法对皂荚多糖胶进行了纯化制备GM[18]，综合考虑多糖胶的纯度、热稳定性、流变性以及提纯步骤的成本和简易程度，本研究所选的提纯方法最适于生物应用。已有研究对瓜尔胶的提纯方法进行了比较[19]，不同提纯方法所得瓜尔胶的甘露糖与半乳糖比值(M/G)在1.6～2.5范围内变化，而未纯化瓜尔胶的M/G为1.7，M/G取决于多糖胶的纯化方法。

不同预处理温度所得圆皂荚多糖胶的GM单糖组成如表2所示。

表2 圆皂荚半乳甘露聚糖单糖组成及分子质量分布

从表2可知，多糖胶由甘露糖(M)和半乳糖(G)2种单糖组成，M/G值随着预处理温度升高而提高，过高的预处理温度会导致不稳定的侧链半乳糖降解，预处理温度175 ℃时得到的PG4中M/G为5.29。M/G 值还与胚乳分离方法及多糖纯化方法有关[20-21]。有研究报道，产地为北京的皂荚多糖胶的M/G为2.6[22]，与本研究中圆皂荚多糖胶的M/G值也有较大差异。因此，多糖胶的M/G值取决于植物品种、生长环境、制备过程、纯化方法等多种因素。

圆皂荚半乳甘露聚糖的分子质量测定结果表明：预处理温度对分子质量有一定的影响，温度过高(175 ℃)，分子质量下降，且多分散指数(Pi=Mw/Mn)增大；不同预处理温度下，Mw在3.276×106～3.339×106u范围内变化。多糖胶的分子质量高于瓜尔胶(0.697×106～0.940×106u)和刺槐豆胶(LBG)(0.856×106～1.20×106u)[20, 23]。预处理温度较高时，Pi较高是因为多糖的非均质性，由于在提取、纯化过程中或者溶液配制中搅拌造成样品中的大分子部分破坏，即发生了热降解或者机械降解等。较低的Mn值和较高的Pi值表明在纯化的多糖胶中存在大量低分子质量组分。分子质量和M/G对皂荚多糖胶溶液的流变性质具有一定影响，多糖胶较高的M/G值会导致较高的增稠性能。

2.3 多糖胶流变性质

在不同剪切速率下，质量分数为0.5%的圆皂荚多糖胶溶液的流变实验结果如图1所示。在剪切速率5～85 s-1的变化范围内，多糖胶溶液的黏度数据和Power-law拟合的模型参数列于表3。

a.表观黏度apparent viscosity； b.剪切应力shear stress

经模型拟合得到质量分数0.5%的多糖胶溶液的流动指数(n值)介于0.77～0.83之间，均小于1，且由图1(a)可知多糖胶的表观黏度随剪切速率上升而下降，说明多糖胶溶液为假塑性流体，假塑性反映出半乳甘露聚糖分子链间具有交错的分子相互作用。在低能量水平下，半乳甘露聚糖长链分子趋于线圈构象，这些线圈可以发生交错。通过简单的氢键也可以形成额外的分子间桥连。由图1(b)可知，随着剪切速率提高，剪切应力逐渐增加，从而使分子链发生变形，破坏了分子间连接造成表观黏度下降[24]。不同预处理温度尤其是较高温度下得到的圆皂荚多糖胶的表观黏度、稠度指数明显增加，而流动指数有所下降。

表3 25 ℃时圆皂荚多糖胶溶液的流变学参数

在低剪切速率下的表观黏度值可以反映出产品的口感，高剪切速率下的表观黏度可以反映产品在加工过程中(例如由泵输送时)的质感。在质量分数为0.5%的皂荚多糖胶溶液中可以明显地观察到剪切稀释行为，175 ℃预处理温度的圆皂荚多糖胶(PG4)黏度变化显著。

2.4 多糖胶凝胶性能

圆皂荚多糖胶、刺槐豆胶和黄原胶等多糖各自都不具备凝胶性，但是有些GM和黄原胶以一定比例混合后，即可制备出黏弹性的水凝胶，二元共混水凝胶的凝胶强度测定结果见表4。由表4可以看出，随着预处理温度的提高，凝胶强度增大。圆皂荚多糖胶中PG4具有最高的M/G值，为5.29，与黄原胶之间协同增效作用最显著，该结果与前述的化学组成及流变学性质一致。多糖的凝胶性可以改善和控制食品的结构和质构，为食品加工的多样性提供了条件。多糖之间存在的协同作用，可以增强食品的流变学性质，改善产品质量，并降低生产成本。圆皂荚多糖胶与黄原胶的凝胶强度略高于刺槐豆胶与黄原胶的凝胶强度，因此，圆皂荚多糖胶可以在食品添加剂中作为刺槐豆胶的替代品。

表4 不同多糖胶与黄原胶共混(7 ∶3)时的凝胶性能

GM分子中的甘露糖上C-2、C-3羟基以及半乳糖上C-3、C- 4羟基属于顺式邻位羟基，能与络合剂中过渡金属离子交联形成网状结构的高黏弹性冻胶，这种冻胶具有特殊的物理、化学性能，能使溶解性和不溶解性的有机物、无机物均匀地分散于其中，且具有一定的抗剪切能力，从而大大提高和扩大多糖胶的应用性能和使用范围。多糖胶冻胶在油田水基压裂液中可用作传递压力和携带砂粒的良好载体、用作浆胶炸药的胶凝剂和用作选矿工业的絮凝剂、滑石抑浮剂等。最常见的交联剂是硼酸盐，硼酸盐中的硼离子与GM中顺式邻位羟基发生络合反应。不同聚合物链的交联作用能形成冻胶，单一聚合物也能与硼酸盐离子形成冻胶；GM分子中半乳糖侧链比主链甘露糖基更易与硼离子形成络合物。由表4可以看出，随着预处理温度提高，冻胶黏度增大，但过高的预处理温度(175 ℃)使多糖胶分子质量下降导致冻胶黏度下降，圆皂荚多糖胶与硼离子作用形成冻胶的黏度值均大于30 000 mPa·s，达到油田压裂液稠化剂使用标准，冻胶还可应用于沙土保水剂和土壤改良剂。

3 结 论

3.1采用烘炒预处理法从圆皂荚种子中分离制备多糖胶，结果表明：烘炒法简洁高效，胚乳形状较完整且胚乳得率高；随着预处理温度的提高(145～175 ℃)，胚乳得率逐渐降低，在165 ℃烘炒4 min时，胚乳得率达到92.7%，半乳甘露聚糖(GM)得率为38.5%。

3.2随着预处理温度的升高，GM中甘露糖/半乳糖(M/G值)逐渐提高，过高的预处理温度会导致不稳定的侧链半乳糖降解，GM分子质量下降，多分散指数增大。质量分数0.5%的圆皂荚多糖胶溶液的流动指数(n值)介于0.77～0.83之间，说明多糖胶溶液为假塑性流体，表观黏度随剪切速率的上升而下降。随着预处理温度的提高，多糖胶与黄原胶之间协同增效作用显著增强，凝胶强度增大。多糖胶与硼离子作用形成冻胶的黏度值超过油田压裂液稠化剂使用标准(30 000 mPa·s)。