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(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047;2.南昌市食品藥品檢驗所,江西南昌 330038)

乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精

李燕1,羅舜菁1,黃麗2,胡秀婷1,*,劉成梅1

(1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌330047;2.南昌市食品藥品檢驗所,江西南昌330038)

本文基于乙醇溶液對直鏈糊精的溶解規(guī)律,建立了乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精的方法。以平均多分散性DMa為評價指標,研究了直鏈糊精與乙醇溶液固液比、pH以及鹽(KCl)對直鏈糊精分級的影響。結果表明:當固液比為1∶100時,DMa最小,分級效果最佳;酸性、堿性及中性環(huán)境均適宜直鏈糊精分級,當pH為6.00時,分級效果最佳;而鹽的存在不利于直鏈糊精分級。因此,乙醇溶液逐步溶解分級法操作簡單,成本低,是一種有效分級獲得分子量分布窄的直鏈糊精的方法。

直鏈糊精,乙醇溶液,逐步溶解,分級,多分散性

Abstract:The object of this work was to establish a method of linear dextrin fractionated by alcohol gradient dissolution on basis of the solubility of linear dextrin in alcohol solution. The effects of ratios of linear dextrin to alcohol solution,pH and salt(KCl)on linear dextrin fractionation were investigated using the average molecular-weight dispersity(DMa)as an evaluation index. The results showed that the DMaof fractions was lowest when the ratio of linear dextrin to alcohol solution was 1∶100. It confirmed that the fractionation under this condition was best. Besides,this method of fractionation was applicable in the acidic,neutral,and alkaline environments. The dextrin fractionation at pH6.00 was optimal. However,the existence of salt was not favorable for the fractionation of dextrin. These results suggested that gradient alcohol dissolution,which was simple and low-cost,was an efficient method for fractionating linear dextrin into fractions with different molar masses of low DM.

Keywords:linear dextrin;alcohol solution;gradient dissolution;fractionation;molecular-weight dispersity

直鏈糊精(linear dextrin)是由數個或數十個葡萄糖單元通過α-1,4-糖苷鍵連接而成,其分子量小,具有較好的水溶性。與直鏈淀粉結構相似,直鏈糊精具有螺旋空間結構,具有良好的包埋特性,可包埋不同的客體,對包埋的客體起到保護或緩釋的效果[1]。此外,直鏈糊精可作為食品添加物應用于低脂低熱量食品中,添加直鏈糊精的食品具有良好的流變性、穩(wěn)定性和口感[2]。因此,直鏈糊精在食品、醫(yī)藥等領域具有廣泛的應用。分子量大小及分布是影響直鏈糊精性質與功能的關鍵因素,而目前經不同方法制備得到的直鏈糊精均存在分子量分布廣的問題[3-5],限制了與其相關的基礎研究和應用。因此,將直鏈糊精分級獲得分子量分布窄的直鏈糊精具有重要的意義。

目前,糊精的分級方法主要包括色譜法[6-8]、膜濾法[9]和醇逐步沉淀法[10-11]。色譜法和膜濾法均依賴于特殊的儀器設備、成本高,尚不適合大規(guī)模分級糊精。Bertoft等[12]利用醇沉淀法將糊精分成若干個不同的組分;Hu等[11]亦采用醇逐步沉淀法分級糊精,得到了分子量分布窄的糊精。然而,采用醇沉淀分級糊精時易出現“共沉”現象,降低了分級效果。Gelders等[13]發(fā)現低溫更利于糊精沉淀分級,且沉淀析出的糊精需通過低溫高速離心才能與溶液有效分離,這增加了該法的成本和操作難度。

糊精在乙醇溶液中的溶解性與分子量有關,分子量小的糊精優(yōu)先溶解,而分子量較大的糊精需在較低濃度的乙醇溶液中才能溶解,依此原理,可采用不同梯度濃度的乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精,該操作避免了醇沉淀分級易出現的“共沉”現象,且操作簡單、成本低,適宜應用于工業(yè)大規(guī)模生產。目前,尚未有關于采用乙醇溶液逐步溶解法分級糊精的報道,因此,本文旨在建立有效分級直鏈糊精的新方法——乙醇溶液逐步溶解法,獲得分子量分布窄的直鏈糊精。

圖1 乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精的流程圖Fig.1 The procedure of linear dextrin fractionation by gradient alcohol dissolution

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

糯玉米淀粉 山東福洋生物科技有限公司;普魯蘭酶 酶活力400 U/g，諾維信(中國)生物技術有限公司;無水乙醇、鹽酸、氫氧化鈉、氯化鉀等試劑 分析純，上?；瘜W試劑公司;硝酸鈉、疊氮鈉 色譜純，上海晶純生化科技股份有限公司。

AR224CN電子天平 奧豪斯儀器(上海)有限公司;HCJ-6D恒溫磁力攪拌水浴鍋 金壇市瑞華儀器有限公司;SHB-3型循環(huán)水多用真空泵 鄭州杜甫儀器廠;SY-5000型旋轉旋蒸儀 上海亞榮生化儀器廠;FE28 pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;1200 series高效液相色譜儀 安捷倫科技有限公司;BI-DNDC/GPC示差折射儀 美國布魯克海文儀器公司;BI-MwA多角度激光光散射儀 美國布魯克海文儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 直鏈糊精的制備 準確稱取50.0 g糯玉米淀粉,用pH為5.5的0.01 mol/L醋酸-醋酸鈉緩沖液將其配制成質量分數為2.0%的乳液,然后置于沸水浴中攪拌1 h至淀粉完全糊化。將淀粉糊冷卻至55 ℃,添加普魯蘭酶100 U/g(以淀粉干基重),于55 ℃水浴中酶解24 h,使糯玉米淀粉完全脫支。脫支結束后,將糊液沸水浴滅酶10 min,然后在4500×g離心20 min,上清液旋蒸,最后經真空冷凍干燥得到直鏈糊精。

1.2.2 直鏈糊精溶解性測定 配制乙醇與水體積比分別為5∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9和1∶10的乙醇溶液,按照直鏈糊精與乙醇溶液固液比(以下簡稱固液比)為1∶50的比例添加直鏈糊精,添加的直鏈糊精質量記為m,然后將直鏈糊精-乙醇溶液體系于燒杯中置于60 ℃水浴中攪拌,充分溶解,然后在8000×g下離心20 min,棄掉上清液,沉淀部分在40 ℃烘箱烘干,稱重,質量記為m1,根據下式計算每一濃度乙醇溶液下直鏈糊精的溶解性。

式(1)

1.2.3 乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精 乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精的流程如圖1所示。準確稱取2 g直鏈糊精,加入100 mL的乙醇與水體積比為3∶1的乙醇溶液中,在60 ℃水浴中攪拌4 h,使之充分溶解,然后在8000×g下離心20 min,將上清液旋轉蒸發(fā)除去乙醇和大部分的水,濃縮液收集,備用;向上述沉淀物添加100 mL乙醇與水體積比為2∶1的乙醇溶液,在60 ℃水浴中攪拌4 h,充分溶解,然后在8000×g下離心20 min,上清液旋轉蒸發(fā)除去乙醇和大部分的水,濃縮液收集,備用;重復上述步驟至乙醇與水體積比1∶1、1∶2、1∶5。將上述得到的濃縮液在真空冷凍下干燥,得到直鏈糊精級分分別命名為F3:1、F2:1、F1:1、F1:2和F1:5。最后,將剩余沉淀部分干燥,命名為>F1:5。此外,未分級直鏈糊精命名為Unf。各級分質量占直鏈糊精質量的比率為得率；所有級分得率的總和為累計得率。

1.2.4 直鏈糊精分級的工藝條件

1.2.4.1 固液比對直鏈糊精分級的影響 配制乙醇與水體積比為4∶1的乙醇溶液,用0.1 mol/L HCl溶液或0.1 mol/L NaOH溶液調節(jié)體系pH至7.00,KCl濃度為0 mol/L,按照固液比分別為1∶100、1∶50和1∶25加入直鏈糊精,然后按照1.2.3方法對直鏈糊精進行分級,考察不同固液比對直鏈糊精分級的影響。

1.2.4.2 pH對直鏈糊精分級的影響 配制乙醇與水體積比為4∶1的乙醇溶液,采用0.1 mol/L HCl溶液或0.1 mol/L NaOH溶液調節(jié)體系pH至4.02、6.00、7.00、8.01和10.02,KCl濃度為0 mol/L,按照固液比為1∶50加入直鏈糊精,然后按照1.2.3方法對直鏈糊精進行分級,考察pH對直鏈糊精分級的影響。

1.2.4.3 鹽對直鏈糊精分級的影響 配制含0.05、0.1、0.2 mol/L KCl的乙醇溶液(乙醇與水體積比為4∶1),調節(jié)pH為7.00,按照固液比為1∶50加入直鏈糊精,然后按照1.2.3方法對直鏈糊精進行分級,考察鹽對直鏈糊精分級的影響。

1.2.5 分子量的測定 參照文獻[14]的方法:配制流動相(含0.02% NaN3的0.1 mol/L NaNO3溶液),經0.45 μm微孔濾膜過濾,然后,超聲脫氣30 min;稱取適量分級得到的直鏈糊精,樣品經流動相充分溶解后,過0.45 μm微孔濾膜。測試條件:流速為0.5 mL/min,凝膠色譜柱為PL Aquagel-OH mixed,進樣量為100 μL,柱溫為35 ℃,MALLS的光源氣體使用氦氣和氖氣,波長632.8 nm,流動相的折光指數為1.336,直鏈糊精在溶液中的折光指數增量(dn/dc)為0.146,然后采用HPSEC-MALLS-RI系統測定各級分的重均分子量(Mw)、數均分子量(Mn)、峰值分子量(Mp)和多分散性(DM)。

其中,DM代表了糊精分子量的分散程度,公式為DM=Mw/Mn,通常Mw>Mn,因此DM>1,DM越接近1,表明糊精分子量分布越窄,分子量越均一。由于將直鏈糊精分為質量分布不均的幾個級分,為評估每組直鏈糊精分級的效果,建立了指標平均多分散性DMa,通過下式進行計算[15]。

式(2)

式中,DMa為每組中各級分的平均DM;DMi為每組中第i個級分的DM;Xi為每組中第i個級分的得率。

2 結果與分析

2.1 直鏈糊精在乙醇溶液中的溶解規(guī)律

Li[16]等在60 ℃下利用甲醇將木質素分為甲醇可溶與甲醇不溶兩種分級產物,并研究各組分結構與熱學性質。由于在常溫下直鏈糊精的溶解度較低,因此,后續(xù)分級實驗過程均在60 ℃下進行。直鏈糊精在不同濃度乙醇溶液中的溶解規(guī)律如圖2所示。當乙醇與水體積比為5∶1和4∶1時,直鏈糊精溶解性無明顯差別,然而隨著乙醇濃度的降低,直鏈糊精的溶解性逐漸升高。當乙醇與水體積比為1∶2時,溶解性達到63.8%,隨后增加緩慢且趨于穩(wěn)定。本文選擇乙醇與水體積比為3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶5的濃度對直鏈糊精進行分級。

圖2 直鏈糊精在乙醇溶液中的溶解曲線Fig.2 Solubility curves of linear dextrin in different alcohol aqueous solutions

2.2 固液比對直鏈糊精分級的影響

圖3 固液比對直鏈糊精分級的影響Fig.3 The influence of ratios of linear dextrin to alcohol solution on fractionation of linear dextrin注:柱狀圖表示得率,折線圖表示累計得率,圖5同。

當乙醇與水體積比為3∶1和2∶1時,得到的級分為淀粉酶解時添加的魯蘭酶酶液殘留物質,且吸水性強、粘度大,因此,未對其稱重及后續(xù)分析。由圖3可知,不同固液比下得到的各級分質量分布迥異。當固液比1∶100時,F1:1、F1:2、F1:5以及>F1:5的得率分別為12.9%、13.0%、4.9%和29.9%;當固液比為1∶50時,各級分得率依次為12.3%、13.2%、7.4%和35.2%;當固液比為1∶25時,各級分得率分別為13.6%、12.1%、7.6%、45.7%。由圖3可知,就得率而言,當固液比為1∶25時,總累計得率最大,即回收率最高。但過高的固液比會給該法分離過程帶來困難,因此未對更高的固液比進行分析。

圖4 固液比為1∶100糊精級分的HPSEC-MALLS-RIFig.4 HPSEC-MALLS-RI profiles of dextrin fractions obtained at the ratio of linear dextrin to alcohol solution at 1∶100注:實線表示MALLS圖,虛線表示RI圖,圖7同。

采用高效體積排阻色譜(HPSEC)聯合多角度激光檢測器(MALLS)和示差檢測器(RI)對各級分進行分析,未分級直鏈糊精與固液比為1∶100下分級的HPSEC-MALLS-RI如圖4所示。固液比為1∶50和1∶25的HPSEC-MALLS-RI類似,因此未給出。所有樣品詳細分子量信息見表1。當固液比為1∶100時,級分F1:1、F1:2、F1:5和>F1:5的Mp分別為3.177E+03、3.572E+03、4.958E+03和6.756E+03。表明隨著乙醇溶液濃度的降低,依次得到的直鏈糊精分子量逐漸增大。這是因為乙醇溶液對直鏈糊精的溶解性依賴于直鏈糊精分子量,分子量小的糊精先溶解,而分子量大的糊精需在濃度更低的乙醇溶液中才能溶解。此外,未分級直鏈糊精的DM為2.130,固液比為1∶100時,各級分的DM依次為1.090、1.015、1.011和1.018,均比未分級糊精的小,表明經分級后,直鏈糊精分子量分布變窄,分子量更均一。綜合考慮得率與分子量多分散性,以指標DMa評估整體分級效果,根據公式(2)計算固液比為1∶100、1∶50以及1∶25的DMa分別為1.032、1.066和1.051。由此可見,當固液比為1∶100時,所得級分的DMa值最小,分級效果最佳。

2.3 pH對直鏈糊精分級的影響

陳俊芳等[17]發(fā)現在強堿條件下,板栗淀粉顆粒發(fā)生明顯變化;Lee等[18]發(fā)現淀粉在酸或堿性條件下會發(fā)生部分降解,且直鏈淀粉比支鏈淀粉對溶液pH敏感性更強;此外,pH對淀粉的黏度、透光率等加工特性亦有不同影響[19]。研究表明,pH顯著影響淀粉的結構及理化性質。直鏈糊精作為淀粉的衍生物,且與直鏈淀粉結構相似,推測pH可能影響直鏈糊精的分級過程。圖5為不同pH下分級所得各糊精級分的質量分布。由圖5可知,不同pH下獲得的各級分質量分布不同。當體系pH分別為4.02、6.00、7.00、8.01和10.02時,直鏈糊精累計得率依次為67.9%、69.9%、68.1%、67.3%和76.6%。由此可見,當pH為10.02時,直鏈糊精回收率最高。

表1 不同固液比下各級分分子量與DMTable 1 Molecular weight and DM of fractions obtained by gradient alcohol dissolution at different ratios of linear dextrin to alcohol solution

圖5 pH對直鏈糊精分級的影響Fig.5 The influence of pH on fractionation of linear dextrin

圖6為pH6.00下各級分的HPSEC-MALLS,其它pH下得到各級分的圖與之相似,未給出。各級分的詳細分子量與DM見表2。由圖6可知,級分F1:1、F1:2、F1:5以及>F1:5的主峰依次向前移動,即Mp呈現逐漸增大的趨勢,與表2結果一致。表明隨著乙醇溶液濃度的降低,得到的直鏈糊精分子量逐漸增大。此外,各級分的DM(見表2)均比未分級直鏈糊精的DM(2.130)低,表明乙醇溶液逐步溶解法在酸性、中性和堿性條件下均適用,并得到理想的分級效果。同理,根據公式(2)計算pH4.02、6.00、7.00、8.01、10.02下各組分的DMa分別為1.052、1.029、1.066、1.044、1.111。由此可見,綜合考慮得率與DMa,當pH為6.00時,分級效果最佳。

表2 不同pH下各級分分子量與DMTable 2 Molecular weight and DM of fractions obtained by gradient alcohol dissolution at different pH

表3 不同KCl濃度下各級分分子量與DMTable 3 Molecular weight and DM of fractions obtained by gradient alcohol dissolution at different KCl concentrations

圖6 pH6.00下各級分的HPSEC-MALLSFig.6 HPSEC-MALLS profiles of fractions obtained at pH6.00

2.4 鹽對直鏈糊精分級的影響

研究表明,鹽能顯著影響淀粉的理化性質,包括糊化特性、流變學性質、透明度和溶解性等[20-24]。王冠青等[25]通過zeta電位分析儀探討了鹽離子與淀粉分子間的相互作用,結果表明,Na+吸附在淀粉分子周圍,降低了淀粉體系的電位,二者相互吸引。因此,推測鹽可能影響直鏈糊精的分級。當乙醇溶液體系中存在鹽時,僅級分F3:1為酶液中殘留物質,比無鹽環(huán)境多了級分F2:1。由此可見,鹽顯著影響直鏈糊精的分級。圖7為0.2 mol/L KCl下各級分的HPSEC-MALLS-RI,添加0.05 mol/L和0.1 mol/L KCl的HPSEC-MALLS-RI未給出。每個級分中KCl含量不同,未對每個級分進行稱重。

圖7 KCl濃度為0.2 mol/L時各級分HPSEC-MALLS-RIFig.7 HPSEC-MALLS-RI profiles of dextrin fractions obtained at 0.2 mol/L KCl

不同鹽濃度下各級分的分子量與DM見表3。由表3可知,當KCl濃度為0.05 mol/L時,F2:1、F1:1、F1:2、F1:5以及>F1:5的Mp分別8.976E+02、1.653E+03、2.715E+03、3.112E+03和6.159E+03,分子量逐漸增大,表明體系中鹽的存在并未改變直鏈糊精的溶解順序。此外,當KCl濃度為0.05 mol/L時,級分F1:1、F1:2和F1:5的Mw均低于未添加KCl時相應級分的Mw,相應的激光信號強度亦顯著降低,表明鹽的存在不利于大分子量直鏈糊精的溶解,降低了糊精的回收率。當鹽濃度達到0.2 mol/L時,級分F1:1、F1:2和F1:5的DM值偏高,表明分級效果下降。由此可見,鹽的存在不利于直鏈糊精分級,且鹽濃度越高,影響越顯著。

3 結論

本文建立了乙醇溶液逐步溶解分級直鏈糊精的方法,并探討了不同因素對分級過程的影響。結果表明,該方法是一種有效分級直鏈糊精得到分子量分布窄的糊精的方法。隨著乙醇溶液濃度的降低,得到的直鏈糊精分子量逐漸增大。當固液比為1∶100時,分級效果最好;其次,該分級方法在中性、酸性和堿性環(huán)境下均適用,當pH為6.00時,分級效果最佳;而鹽的存在不利于直鏈糊精分級,且濃度越高,影響越顯著。因此,乙醇溶液逐步溶解分級法操作簡單,成本低,是一種有效分級獲得分子量分布窄的直鏈糊精的方法。

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Fractionationoflineardextrinbygradientalcoholdissolution

LIYan1,LUOShun-jing1,HUANGLi2,HUXiu-ting1,*,LIUCheng-mei1

(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology of Nanchang University,Nanchang 330047,China;2.Nanchang Institute for Food and Drug Control,Nanchang 330038,China)

TS236.9

B

1002-0306(2017)18-0165-08

2017-03-13

李燕(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：食品加工新技術原理及應用，E-mail:1146970047@qq.com。

*通訊作者:胡秀婷(1987-)，女，博士，講師，研究方向：食品資源利用與開發(fā)，E-mail:xthu@ncu.edu.cn。

國家自然科學青年基金(31601425)。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.032