任海偉，劉春霞，張紅建，姚寧芳，李志忠

(蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050)

菊粉的羧甲基化修飾及結(jié)構(gòu)表征*

任海偉，劉春霞，張紅建，姚寧芳，李志忠

(蘭州理工大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050)

采用NaOH-一氯乙酸反應(yīng)體系，異丙醇為溶劑對(duì)菊粉進(jìn)行羧甲基化修飾。以取代度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過單因素及正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化羧甲基化條件，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。結(jié)果表明:羧甲基化最佳條件為m(菊粉)∶m(一氯乙酸)∶m(氫氧化鈉)=2.75∶1.4∶1，堿化時(shí)間4 min，醚化時(shí)間15 min，該條件下取代度為0.41。紅外光譜與X-射線衍射分析表明羧甲基化工藝是可行的。

菊粉，羧甲基化，結(jié)構(gòu)表征，紅外光譜，X-射線衍射

菊芋(Helianthus tuberosu)俗稱洋姜，為菊科向日葵屬多年生宿根性草本植物，其塊莖富含菊粉，含量達(dá)15%～20%。菊粉是由D-呋喃果糖以β-(2-1)糖苷鍵連接而成的多聚直鏈果糖，是自然界天然存在的可溶性膳食纖維，衛(wèi)生部于2009年批準(zhǔn)其為新資源食品。菊粉具有多種藥理活性，增殖腸道雙歧桿菌，預(yù)防腸道感染;降低心血管疾病危害;促進(jìn)礦物質(zhì)吸收;防治便秘;防治骨質(zhì)疏松等［1－2］。

對(duì)糖類物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)修飾可以提高其生物活性或拓展其生物利用度。菊粉羧甲基化是將菊粉分子上的伯醇或仲醇基團(tuán)被羧甲基取代，可廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如用做阻垢劑及金屬離子螯合劑，在制糖工業(yè)中用作碳酸鈣結(jié)晶抑制劑，在印染過程中做洗除污染物的添加劑等［3－4］，羧甲基菊粉具有很好的開發(fā)前景。

本工作擬以菊芋菊粉為原料，在超聲波輔助條件下對(duì)菊粉進(jìn)行羧甲基化修飾，優(yōu)化菊粉羧甲基化的工藝參數(shù)，并利用紅外光譜和X-射線衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，為菊粉新資源的研究開發(fā)提供理論科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

菊粉，白銀熙瑞生物工程有限公司;1-(吡啶基偶氮)-2-萘酚(PAN)，天津市科密歐化學(xué)試劑開發(fā)中心;一氯乙酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、氫氧化鈉、異丙醇、甲醇、乙醇、丙酮等試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 主要儀器設(shè)備

真空干燥器，無錫市泰諾試驗(yàn)設(shè)備有限公司;酸度計(jì)，上海雷磁儀器廠;紫外可見分光光度計(jì)，上海精密科學(xué)儀器有限公司;Antaris紅外光譜儀，Thermo E-lectron公司;X-射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 菊粉的羧甲基化修飾

準(zhǔn)確稱取2.70 g菊粉置入裝有有機(jī)溶劑的燒瓶中，加入一定量NaOH研磨混勻，40℃條件下超聲(功率90 W)輔助堿化處理一段時(shí)間。然后加入1.38 g一氯乙酸和0.58 g NaOH混勻，滴加4mL反應(yīng)溶劑，超聲輔助(條件同上)進(jìn)行醚化反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物用甲醇洗滌至加入硝酸銀溶液中無沉淀為止，真空干燥得羧甲基菊粉(CMI)，備用。

1.3.2 取代度的測(cè)定

參照文獻(xiàn)［5］采用硫酸銅絡(luò)合滴定法。

1.3.3 紅外光譜分析

對(duì)菊粉和CMI進(jìn)行紅外光譜結(jié)構(gòu)表征。掃描范圍4 000～400cm－1，掃描次數(shù)32次，分辨率4cm－1。

1.3.4 X-射線衍射分析

操作條件:CuKα輻射，40kV×300mA，掃描范圍5°～80°，每步 0.02°，每步計(jì)數(shù)0.3 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)溶劑的選擇

溶劑種類對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響緣于極性和溶劑化作用，并且溶劑化作用隨溶劑極性的降低而減弱。對(duì)甲醇、乙醇和異丙醇3種溶劑而言，帶正電荷的氫與氧負(fù)離子會(huì)產(chǎn)生離子-偶極作用，降低氧負(fù)離子反應(yīng)活性，當(dāng)極性最小的異丙醇作溶劑時(shí)，溶劑化作用最弱，對(duì)氧負(fù)離子抑制作用最小，取代度最高(DS=0.42);丙酮作為非質(zhì)子型極性溶劑，負(fù)電荷部分伸出分子之外，正離子為溶劑化的主要對(duì)象，在此不影響氧負(fù)離子的反應(yīng)活性，但其沸點(diǎn)較低，反應(yīng)過程中蒸發(fā)較快，不利于溶劑的發(fā)揮［5］。故確定異丙醇作為反應(yīng)溶劑。

圖1 有機(jī)溶劑種類的選擇

2.2 羧甲基菊粉制備的單因素實(shí)驗(yàn)

2.2.1 堿化時(shí)間對(duì)取代度的影響

堿化反應(yīng)將菊粉分子上的羥基轉(zhuǎn)化為氧負(fù)離子活性中心，作為親核試劑與一氯乙酸反應(yīng)。由圖2可知，堿化時(shí)間為3.5 min時(shí)羧甲基菊粉的取代度達(dá)0.37，之后隨著時(shí)間延長(zhǎng)取代度呈下降趨勢(shì)。因?yàn)閴A化反應(yīng)屬可逆過程，菊粉是以糖苷鍵連接的多聚糖，時(shí)間過長(zhǎng)可能發(fā)生降解，進(jìn)而影響取代度。

圖2 堿化時(shí)間對(duì)取代度的影響

2.2.2 醚化時(shí)間對(duì)取代度的影響

圖3 醚化時(shí)間對(duì)取代度的影響

從圖3可以看出，隨著醚化反應(yīng)時(shí)間的增加，反應(yīng)逐漸進(jìn)行，取代度逐漸增大，20 min時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)取代度為0.41;之后隨著醚化時(shí)間的繼續(xù)增加，取代度降低，這可能是由于在堿性環(huán)境和加熱作用下醚鍵發(fā)生斷裂所致。

2.2.3 溶劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響

從圖4中可以看到，隨著異丙醇體積分?jǐn)?shù)的增大，取代度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且在體積分?jǐn)?shù)為95%時(shí)取代度最大(DS=0.35)。因?yàn)楫惐蓟旌先軇┲饕鸱稚⒁宦纫宜岵⑹蛊涑浞譂B透到菊粉分子的作用，體積分?jǐn)?shù)直接影響反應(yīng)進(jìn)程和取代度大小。

圖4 溶劑體積分?jǐn)?shù)對(duì)取代度的影響

2.2.4 NaOH用量對(duì)取代度的影響

菊粉羧甲基化為親核取代反應(yīng)，NaOH存在可以提高菊粉分子上的羥基親核反應(yīng)活性，從而加速反應(yīng)并提高反應(yīng)效率。從圖5可以看出，羧甲基菊粉取代度隨NaOH用量的增加而增大，因?yàn)镹aOH過少時(shí)會(huì)減少菊粉分子的活性中心，反應(yīng)不夠充分，但隨著NaOH量的增加，與菊粉羥基的碰撞機(jī)會(huì)增加，活化更充分，取代度逐漸增加。當(dāng)NaOH用量為0.40 g時(shí)取代度達(dá)0.42;此后隨著NaOH用量的增加，游離堿含量升高，一氯乙酸水解副反應(yīng)增多，使醚化劑過量消耗，利用率降低，降低取代度［6］。

圖5 NaOH用量對(duì)取代度的影響

2.3 正交試驗(yàn)優(yōu)化羧甲基菊粉制備工藝

羧甲基菊粉制備包括堿化和醚化反應(yīng)2個(gè)過程，其取代度受諸多因素的影響。在上述單因素結(jié)果基礎(chǔ)上，以羧甲基取代度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行4因素3水平正交實(shí)驗(yàn)(表1)，優(yōu)化制備工藝。

表1 因素水平表

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過極差分析 (表2)發(fā)現(xiàn)，各因素的主次關(guān)系為:堿化時(shí)間＞NaOH用量＞溶劑體積分?jǐn)?shù)＞醚化時(shí)間，最佳水平組合是A1B3C2D3。用SPSS軟件進(jìn)一步方差分析(表略)可知，上述4個(gè)因素對(duì)取代度的影響均不顯著(P＞0.05)。綜合考慮確定最佳組合為A1B3C2D3，即醚化時(shí)間15 min，堿化時(shí)間4 min，NaOH用量0.4 g，溶劑體積分?jǐn)?shù)100%。

為驗(yàn)證上述工藝的穩(wěn)定性，按優(yōu)選條件作3組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值得取代度為0.41，試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性良好。

2.4 紅外光譜分析

由圖6和圖7可知，菊粉分子中O—H伸縮振動(dòng)在3 421.28cm－1處有一強(qiáng)吸收峰，而菊粉經(jīng)羧甲基化后部分羥基被取代。羧甲基菊粉在1 300～1 650cm－1范圍出現(xiàn)羧酸鹽的特征吸收峰:1 606.25cm－1代表COO—伸縮振動(dòng)，1 404.94cm－1有與羰基相連的亞甲基的變形振動(dòng)峰。另外，1 034.94cm－1處為醚鍵的C—O伸縮振動(dòng)，934.90cm－1是果糖基呋哺環(huán)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)所造成的，770.63cm－1是呋哺環(huán)次甲基的橫向振動(dòng)造成的，說明羧甲基被引入到了菊粉分子中。

圖6 菊粉紅外光譜圖

圖7 羧甲基菊粉的紅外光譜圖

2.5 X-射線衍射分析

菊粉和CMI的x-衍射圖譜如圖8和圖9所示。譜圖中大量的小鋸紋一般是由統(tǒng)計(jì)波動(dòng)所引起，可忽略不計(jì)。菊粉的晶體結(jié)構(gòu)非常不規(guī)則，在x射線衍射譜圖上顯示近似無定型的光譜;而CMI由于羧甲基的引入在 2θ 為 8.3°、27.1°、31.8°、45.5°等位置均有較強(qiáng)的衍射峰。說明菊粉在O位不同程度羧甲基化后，削弱了菊粉分子中—OH間的氫鍵締合作用，破壞了菊粉的原有晶體結(jié)構(gòu)。

圖8 菊粉的x-衍射圖譜

3 結(jié)論

菊粉羧甲基化修飾的最佳條件是:m(菊粉)∶m(一氯乙酸)∶m(氫氧化鈉)=2.75∶1.4∶1，醚化時(shí)間15 min，堿化時(shí)間4 min，NaOH 用量0.4 g，異丙醇體積分?jǐn)?shù)100%。通過紅外光譜和X-射線衍射進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征證實(shí)，利用羧甲基化修飾方法對(duì)菊粉分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性是可行的。

圖9 羧甲基菊粉的x-衍射圖譜

［1］胡建鋒，邱樹毅.菊芋中提取菊粉的純化工藝研究［J］.食品工業(yè)科技，2010，31(5):270－273.

［2］魏凌云，王建華，鄭曉冬.菊粉研究的回顧與展望［J］.食品與發(fā)酵工業(yè)，2005，31(7):81－85.

［3］Dorine L Verraest，Joop A peters，Jan G Batelaan，et a1.Carboxymethylation of inulin［J］.Carbohydrate Research，1995，271:101－102.

［4］Dorine Lisa Verraest，Jan Gerardus Batelaan，Johannes Andreas Peters et al.Corboxymethyl Inulin［P］.US.5777090，1995－07－07.

［5］孫婷，呂榮文，張紅兵.羧甲基菊粉精細(xì)與專用化學(xué)品［J］.2007，15(19):10－14.

［6］孫婷.陰、陽(yáng)離子菊粉的合成及應(yīng)用性能研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

Carboxymethylation Modification of Inulin and Structural Characterization

Ren Hai-wei，Liu Chun-xia，Zhang Hong-jian，Yao Ning-fang，Li Zhi-zhong
(College of Life Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Carboxymethyl inulin(CMI)was prepared by ultrasonic-assisted method in NaOH-chloroacetic acid with isopropanol as the solvent.The effects of etherification time，alkalization time，solvent volume fraction and amount of NaOH on the degree of substitution(DS)of CMI were investigated.The suitable conditions were as follows∶m(inulin)∶m(chloroacetic acid)∶m(sodium hydroxide)=2.75∶1.4∶1，alkalization time 4 minutes，etherification time 15 minutes.The DS of CMI was obtained as 0.41 under the optimum reaction condition.Structure confirmation of CMI was identified by infrared spectroscopy(IR)and X-ray diffracttometry(X-RD)，which have proved that the modification method is feasible.

inulin，carboxymethylation，structural characterization，F(xiàn)T-IR，X-RD

碩士，講師。

*國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目資助

2010－07－15，改回日期:2010－09－15