張煥仕，雷 鵬，朱昌玲，趙 飛，劉 暢，孫達(dá)峰

(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)

瓜爾膠作為一種功能性植物多糖已在食品、醫(yī)藥、涂料、造紙、日化等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1,2]。為了得到更多的應(yīng)用效果，工業(yè)上還經(jīng)常將瓜爾膠與其它多糖膠復(fù)配使用。復(fù)配膠是將兩種或兩種以上的多糖膠按特定比例復(fù)合而成的。通過(guò)復(fù)配，可以發(fā)揮各種單一多糖膠的互補(bǔ)作用，從而擴(kuò)大多糖膠的使用范圍或提高其使用功能，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，增加經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[3]。在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，瓜爾膠在與黃原膠以及其它一些多糖復(fù)配時(shí)，往往不會(huì)產(chǎn)生協(xié)同增效的結(jié)果，其復(fù)配膠的流體效應(yīng)往往差強(qiáng)人意[4]。刺槐豆膠與黃原膠及其它多糖膠復(fù)配時(shí)卻能顯著提高復(fù)配膠的性能，并能形成熱可逆凝膠用于特殊食品領(lǐng)域[5-7]。刺槐豆膠與瓜爾膠都是由半乳甘露聚糖組成的多糖膠，其主鏈均有D-甘露糖通過(guò)β-1,4糖苷鍵連接形成甘露聚糖，在某些甘露糖上D-半乳糖通過(guò)α-1,6糖苷鍵形成側(cè)鏈而構(gòu)成多分枝的半乳甘露聚糖[8,9]。糖單元中甘露糖與半乳糖的摩爾比值因植物品種不同而有差異。刺槐豆膠中的半乳糖與甘露糖比值一般為1∶4[10]，而瓜爾膠中半乳糖與甘露糖的比值一般為1:2[11]。早期研究認(rèn)為，在刺槐豆膠多糖中，由于側(cè)鏈半乳糖所占比例較少，主鏈上能形成相對(duì)較長(zhǎng)的未被改性的甘露聚糖序列段，這些未被改性的甘露聚糖序列段更容易與其它多糖發(fā)生互作效應(yīng)。而瓜爾膠中每隔兩個(gè)甘露糖單元就會(huì)有一個(gè)甘露糖接枝半乳糖，這種甘露聚糖的高頻改性結(jié)構(gòu)阻礙了主鏈未被改性的甘露糖單元與其它多糖的互作效應(yīng)[12,13]。因此瓜爾膠不易與其它多糖協(xié)同復(fù)配產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)與其半乳糖側(cè)鏈的比例較大有關(guān)。目前，刺槐豆膠價(jià)格是瓜爾膠價(jià)格5倍以上，如果能減少瓜爾膠側(cè)鏈半乳糖的含量，提高瓜爾膠改性后與其它多糖膠的復(fù)配能力，對(duì)于降低復(fù)配膠的生產(chǎn)成本將具有重要經(jīng)濟(jì)意義。

盡管瓜爾膠半乳甘露聚糖的脫支化能夠通過(guò)特異性α-半乳糖苷酶實(shí)現(xiàn)，然而目前α-半乳糖苷酶生產(chǎn)成本極高，不適用于規(guī)?；苽涿撝Ч蠣柲z。普魯蘭酶是淀粉脫支酶，可以專一性切開支鏈淀粉分支中的α-1,6糖苷鍵，從而產(chǎn)生包含α-1,4糖苷鍵的直鏈淀粉?？紤]到一些糖苷酶對(duì)底物選擇并不存在絕對(duì)特異性，本研究考察了普魯蘭酶對(duì)瓜爾膠多糖的脫支效應(yīng)，并研究了改性后瓜爾膠與黃原膠的復(fù)配性能，為瓜爾膠高效利用提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

瓜爾膠粉、黃原膠粉均為市售，普魯蘭酶(酶活力3600 U/mL)，諾維信(中國(guó))投資有限公司。

HH-2數(shù)顯恒溫水浴器(金壇市江南儀器廠)；JJ-1大功率攪拌器(常州國(guó)華電器有限公司)；EL204分析天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；AR-G2高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀，美國(guó)TA儀器有限公司；NDJ-5S旋轉(zhuǎn)粘度儀(上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司)。pH-25型pH計(jì)(上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)酶催化瓜爾膠脫支試驗(yàn)

配制1%瓜爾膠多糖溶液，預(yù)攪拌過(guò)夜，使其充分水合。然后按照100 U/g瓜爾膠的量加入普魯蘭酶，控制反應(yīng)溫度為60℃，pH為5.0，分別在反應(yīng)開始后的1 h，3 h，5 h，7 h取樣測(cè)定瓜爾膠的粘度、分子量以及甘露糖和半乳糖含量。對(duì)普魯蘭酶改性后的瓜爾膠進(jìn)行紅外光譜表征，并與天然瓜爾膠多糖的紅外圖譜比較。

(2)去分支改性瓜爾膠與黃原膠的復(fù)配性能考察

將普魯蘭酶改性后的瓜爾膠與黃原膠按照1:1的比例復(fù)配，借助流變儀考察瓜爾膠改性前后復(fù)配膠的性能變化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

主要用 Grapher 11.0作圖軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 普魯蘭酶處理對(duì)瓜爾膠分子量、粘度以及半乳糖含量的影響

由表1可以看出，普魯蘭酶確實(shí)能催化瓜爾膠多糖的去分支化，隨著酶催化反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，瓜爾膠側(cè)鏈半乳糖含量由最初的33%降低到21%。處理5 h以后，普魯蘭酶對(duì)瓜爾膠多糖的催化效應(yīng)達(dá)到相對(duì)飽和，催化反應(yīng)不再繼續(xù)。甘露糖與半乳糖的比例也由2.03∶1提高到3.76∶1，半乳糖含量降低了12%。同時(shí)，本研究也發(fā)現(xiàn)，普魯蘭酶不僅降低了瓜爾膠中半乳糖含量，也降低了瓜爾膠分子量及粘度。經(jīng)普魯蘭酶改性5 h后，瓜爾膠分子量下降了29.4%，1%溶液的粘度下降了26.4%。

2.2 普魯蘭酶改性瓜爾膠的紅外圖譜

將普魯蘭酶處理5 h后的瓜爾膠用乙醇沉降凍干后，測(cè)定其紅外圖譜，并與天然瓜爾膠紅外圖譜比較。如圖1所示。兩種多糖樣品在～3400、～3000、～2000、～1600、～1380、～1025 、～870、～810 cm-1附近均有吸收峰，其中810及870 cm-1處分別是α-型和β-型糖苷鍵構(gòu)型的特征峰，在1000～700 cm-1范圍內(nèi)的吸收峰是甘露糖結(jié)構(gòu)的特征峰，酶法改性瓜爾膠多糖與半乳甘露聚糖的特征紅外光譜吸收峰相同。這表明普魯蘭酶改性并未改變多糖主鏈的主體結(jié)構(gòu)和糖苷鍵構(gòu)型，只是降低了分子中側(cè)鏈半乳糖含量。

表1 普魯蘭酶處理對(duì)瓜爾膠分子量、粘度及半乳糖含量的影響

圖1 天然瓜爾膠(A)與改性瓜爾膠(B)的紅外圖譜Fig. 1 Infrared spectra of natural guar (A) and modified guar (B)

2.3 普魯蘭酶法改性后瓜爾膠多糖溶液的流變學(xué)特性

由圖2A可知，瓜爾膠溶液呈現(xiàn)出了典型的高分子生物聚合物的流變學(xué)特性：在流變儀低轉(zhuǎn)速區(qū)，瓜爾膠溶液的流變學(xué)性質(zhì)主要受黏性模量主導(dǎo)，而在流變儀高轉(zhuǎn)速區(qū)，瓜爾膠溶液則主要受彈性模量主導(dǎo)。圖2B為經(jīng)普魯蘭酶改性后的瓜爾膠溶液，盡管其瓜爾膠結(jié)構(gòu)中半乳糖含量降低，但改性后的瓜爾膠仍表現(xiàn)出高分子生物聚合物的流變學(xué)特性，與天然瓜爾膠溶液的流變學(xué)性質(zhì)相似。這一結(jié)果表明，普魯蘭酶處理只是降低了半乳糖含量，并沒(méi)有改變瓜爾膠的流變學(xué)性質(zhì)。

2.4 瓜爾膠及普魯蘭酶改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配后的流變學(xué)特性

由圖3A可以看出，在流變儀轉(zhuǎn)速由0.1 ～ 100 rad/s范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增加，黃原膠溶液(1%)的彈性模量和黏性模量均逐漸增大，并且彈性模量始終大于黏性模量，這與瓜爾膠溶液在高轉(zhuǎn)速后黏性模量大于彈性模量是不同的。黃原膠的流變特性呈現(xiàn)出了具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱凝膠特點(diǎn)。由圖3B可知，天然瓜爾膠與黃原膠按照1∶1復(fù)配后，復(fù)配膠溶液(1%)在流變儀轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增加，復(fù)配膠溶液(1%)的彈性模量和黏性模量均逐漸增大，并且彈性模量始終大于黏性模量。復(fù)配膠溶液的彈性模量及黏性模量在不同轉(zhuǎn)速時(shí)其值均接近于黃原膠。因此，天然瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠的流變性質(zhì)是受黃原膠影響所致，兩者復(fù)配并沒(méi)有起到協(xié)同增強(qiáng)效果。由圖3C可知，普魯蘭酶改性瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠溶液的彈性模量在測(cè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)始終大于其黏性模量，且受轉(zhuǎn)速影響較小，即使在低轉(zhuǎn)速時(shí)復(fù)配膠仍具有較高彈性模量，甚至比同等轉(zhuǎn)速下的黃原膠及天然瓜爾膠的彈性模量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，普魯蘭酶改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配時(shí)呈現(xiàn)出顯著協(xié)同增效效應(yīng)。

圖2 天然瓜爾膠(A)及普魯蘭酶改性瓜爾膠(B)的彈性模量(G')和黏性模量(G")Fig. 2 Elastic modulus (G') and viscosity modulus (G") of natural guar (A) and pullulanase-modified guar (B)

圖3 黃原膠(A)、天然瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠(B)、普魯蘭酶改性瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠(C)的流變學(xué)特性Fig. 3 Rheological properties of xanthan gum (A), natural guar gum-xanthan gum compound (B), pullulanase-modified guar gum-xanthan gum compound (C)

2.5 天然瓜爾膠及改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配后的屈服應(yīng)力對(duì)比

本研究通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)力掃描法研究了天然瓜爾膠及改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配后的屈服應(yīng)力，結(jié)果如表2所示。

表2 天然瓜爾膠及改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配后的屈服應(yīng)力

屈服應(yīng)力是考察凝膠材料商業(yè)價(jià)值的重要參考指標(biāo)。盡管天然瓜爾膠-黃原膠復(fù)配溶液的彈性模量也大于黏性模量，卻呈現(xiàn)出較低屈服應(yīng)力。在圖3B中，天然瓜爾膠-黃原膠復(fù)配后，其彈性模量隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加迅速提高。這可能是由于天然瓜爾膠與黃原膠形成了較弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著攪拌速度提高，這些較弱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被打斷。而改性瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠則表現(xiàn)出了較強(qiáng)的屈服應(yīng)力，說(shuō)明改性瓜爾膠與黃原膠相互作用形成了較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

由圖4可知，與天然瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠相比，改性瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠能在更高的壓力范圍內(nèi)維持較高的彈性模量，這一結(jié)果再一次說(shuō)明改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配具有協(xié)同增效作用，并且具有更高的商業(yè)價(jià)值。

2.6 改性瓜爾膠-黃原膠中黃原膠濃度對(duì)復(fù)配膠性能的影響

在改性瓜爾膠與黃原膠復(fù)配時(shí)，黃原膠濃度對(duì)復(fù)配膠性能起著至關(guān)重要的作用。由5A可以看出，在不同配比的復(fù)配膠中，彈性模量始終大于黏性模量；彈性模量受黃原膠比例影響較為顯著，隨著黃原膠比例增加，復(fù)配膠彈性模量逐漸增大，當(dāng)黃原膠比例為50%時(shí)，復(fù)配膠的彈性模量最大；復(fù)配膠黏性模量受黃原膠比例的影響則相對(duì)較小。據(jù)報(bào)道，復(fù)配膠彈性模量的增加是由于兩種復(fù)配高聚物相互作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。圖5B也表明，隨著復(fù)配膠中黃原膠比例增加，復(fù)配膠屈服應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)復(fù)配比例為1∶1時(shí)，復(fù)配膠屈服應(yīng)力達(dá)到最大值，繼續(xù)增加黃原膠比例則會(huì)降低復(fù)配膠屈服應(yīng)力。

圖4 不同復(fù)配膠的屈服應(yīng)力圖譜Fig. 4 Yield stress spectra of different compounds

2.7 混合溫度對(duì)復(fù)配膠性能的影響

黃原膠溶液中黃原膠分子在低溫條件時(shí)呈有序排列狀態(tài)，高溫條件時(shí)則呈無(wú)序排列狀態(tài)。黃原膠在水溶液中的變態(tài)溫度為52℃。如圖6所示，為改性瓜爾膠-黃原膠復(fù)配膠(復(fù)配比例1∶1)在不同溫度下的彈性模量。隨著混合溫度由20℃到60℃，復(fù)配膠彈性模量逐漸增大，并且在60℃時(shí)彈性模量最大。這可能是因?yàn)樘岣邷囟瓤梢允谷芤褐械狞S原膠分子由有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)，而處于無(wú)序狀態(tài)的黃原膠分子更容易與脫出了半乳糖側(cè)鏈的瓜爾膠分子發(fā)生互作效應(yīng)，從而有利于形成結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的復(fù)配凝膠。

圖5 黃原膠濃度對(duì)復(fù)配膠性能的影響(攪拌轉(zhuǎn)速1 rad/s)Fig. 5 Effects of xanthan gum concentration on properties of compound (stirring speed 1 rad / s)(A. 動(dòng)態(tài)頻率掃描測(cè)試；B. 動(dòng)態(tài)應(yīng)力掃描測(cè)試)(A. Dynamic frequency sweep test; B. Dynamic stress sweep test)

3 結(jié)論

盡管用普魯蘭酶催化半乳甘露聚糖的研究并不多，并且催化反應(yīng)也非特異性的，但無(wú)論在成本上還是在催化效果上，普魯蘭酶都是獲得半乳糖含量較低的半乳甘露聚糖的有效途徑。本研究表明，普魯蘭酶改性后的瓜爾膠在與黃原膠復(fù)配成凝膠的過(guò)程中呈現(xiàn)出了令人滿意的流變學(xué)特性?？紤]到普魯蘭酶易于制備、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，利用普魯蘭酶改性瓜爾膠及其它植物多糖具有重要的研究意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

圖6 混合溫度對(duì)復(fù)配膠彈性模量的影響Fig. 6 Effect of mixing temperature on elastic modulus of compound