琚斯怡, 郭常酉, 朱妙馨, 劉彥濤, 蔣建新*

(1.北京林業(yè)大學 材料科學與技術學院；林業(yè)生物質材料與能源教育部工程研究中心, 北京 100083;2.寧夏大學 化學化工學院, 寧夏 銀川 750021)

皂莢(GleditsiasinensisLam.)為豆科多年生木本植物[1]，主要分布在溫帶與亞熱帶，平原、丘陵和山區(qū)都能生長，具有復雜的多種多樣的生態(tài)屬性，且根系發(fā)達，具有耐旱、節(jié)水、耐寒、固氮和抗病蟲害等優(yōu)點，是營造水土保持林和防風固沙林的優(yōu)良生態(tài)樹種之一[2]。美國肥皂莢(Gymnocladusdioicus(L.) K.Koch)為豆科肥皂莢屬落葉喬木，原產美國中部和東部，能適應廣泛的土壤環(huán)境，耐寒抗旱，病蟲害少，多作園林綠化和防護林樹種栽植。皂莢和美國肥皂莢是理想的木本植物多糖膠原料資源，其種子中含有豐富的多糖，可以從種子胚乳分離提取得到多糖膠。皂莢多糖膠的1%水溶液在表觀黏度、自然抗生物降解能力、穩(wěn)定性等方面優(yōu)于瓜爾膠，可作為增稠劑、黏合劑、穩(wěn)定劑等應用于食品、石油、造紙、印染和選礦等多種工業(yè)中[3]。近年來，皂莢多糖膠資源的開發(fā)利用受到國內外學者的普遍關注和重視[4-6]。由于美國肥皂莢的種子相較于皂莢非常飽滿，且有關美國肥皂莢多糖膠的研究較為少見，因此，本研究選擇皂莢和美國肥皂莢2種皂莢作為原料，采用光波烘烤對原料進行預處理，機械分離法結合微水固相制備2種多糖膠，探究烘烤時間對多糖膠表觀黏度和組分的影響，以期為皂莢多糖膠的應用研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

皂莢和美國肥皂莢，2017年11月摘自北京林業(yè)大學校園，將皂莢種子保存在陰涼干燥處，備用。皂莢種子含水率為10.66%，美國肥皂莢種子含水率為9.83%。D-(+)-半乳糖和D-(+)-甘露糖標準品，購于美國Sigma-Aldrich公司。無水乙醇、丙酮、無水乙醚、濃硫酸、無水碳酸鈣，均為市售分析純。

SKD-200型自動凱氏定氮儀、 SKD- 08S2型紅外智能消化爐，上海沛歐分析儀器有限公司; L-550臺式低速離心機;FW100高速萬能粉碎機;格蘭仕微波爐;電熱鼓風干燥機；LVDV-III Ultra型流變儀(配備有一個小樣本適配器SC13R，使用SC4-31號轉子)，美國Brookfield公司；Agilent 1260型高效液相色譜(HPLC)儀，美國Agilent公司。

1.2 皂莢多糖膠的制備及提純

1.2.1光波烘烤法制多糖膠原膠粉 參考文獻[7]制備方法，采用光波烘烤法對皂莢和美國肥皂莢進行預處理。具體操作如下：將100 g種子放入微波爐中，光波照射烘烤不同的時間(4、6或8 min)后，立即將其使用高速萬能粉碎機迅速(時間不超過3 s)分離成種皮、胚乳和胚3部分，篩選得到胚乳片。烘烤4、6和8 min得皂莢多糖膠胚乳片得率分別為(35.54±0.16)%、(33.84±0.21)%和(33.74±0.19)%，烘烤4、6和8 min得到美國肥皂莢多糖膠的胚乳片得率分別為(41.21±0.42)%、(38.39±0.55)%和(38.65±0.75)%。將胚乳以微水固相[8]的方法按固液比1∶1(g∶mL)加入100 mL去離子水，40 ℃恒溫水浴并適當攪拌至水合完全，此時胚乳吸水潤脹后比表面積增大，便于對其用三輥機進行壓片，破壁增黏。隨后50 ℃下烘干，粉碎制粉，過篩，選取粒徑≤0.154 mm樣品在80 ℃下烘干5 h平衡水分得到多糖膠原膠粉，用于后續(xù)實驗。

1.2.2多糖膠的純化 參考文獻中的方法[9-10]，準確稱取3.0 g多糖膠原膠粉于500 mL去離子水中，磁力攪拌3 h溶解得到多糖膠液。冷卻至室溫后離心，取上清液，向上清液中加入500 mL無水乙醇得到多糖沉淀，靜置過夜。將其離心分離得到固體沉淀，沉淀依次用無水乙醇、丙酮和無水乙醚洗滌 3次，3 000 r/min下離心15 min，并回收溶劑。脫水后的固體沉淀進行真空干燥，研磨至粒徑≤0.154 mm，得到純化后的多糖膠粉，用于分析和表征。

1.3 產物分析與表征

1.3.1表觀黏度測定 精確稱取0.500 g多糖膠原膠粉，用1.5 mL乙醇分散，加入去離子水配成質量分數(shù)為1%的膠液，在80 ℃恒溫水浴中磁力攪拌30 min，使膠液均勻分散，然后在室溫下靜置2.5 h使其冷卻并充分水合。用流變儀在30 ℃條件下測定2種皂莢多糖膠液在不同剪切速率下的黏度。

為研究皂莢多糖膠的流變性能，采用Power-Law流體模型[11]對多糖膠液流變曲線進行擬合：

τ=k·Dn

(1)

式中：τ—剪切應力，Pa；k—稠度指數(shù)，Pa·sn；D—剪切速率，s-1；n—流動指數(shù)，無量綱。

1.3.2蛋白質含量的測定 根據(jù)Kjeldah[8]的方法，分別測定2種皂莢多糖膠粉中的蛋白質含量。

1.3.3水不溶物的測定 分別稱取1.0 g多糖膠粉，用3 mL乙醇分散，然后加水至200 g配制成質量分數(shù)0.5%的膠液。30 ℃下磁力攪拌3 h，使膠液均勻分散。準確稱取50 g分散后的膠液， 3 000 r/min轉速下離心30 min，倒出上層清液，加水至50 g，洗滌、攪勻、離心15 min，重復操作2次。最后將水不溶性的殘余物置于105 ℃烘箱中，直至質量恒定。

1.3.4半乳糖及甘露糖含量測定 采用硫酸水解法[12]對多糖膠粉進行水解，使用HPLC測定水解液中甘露糖和半乳糖的含量，從而得到多糖膠中半乳甘露聚糖的含量，根據(jù)式(2)計算甘露糖/半乳糖的質量比(M/G)值及半乳甘露聚糖的質量分數(shù)(y，%)。所有的測定至少進行3次，取平均值。

y= (ρ×V×0.9)/m× 100%

(2)

式中：ρ—液相測得水解液中半乳糖(甘露糖)的質量濃度，g/L；V—水解液體積，L； 0.9—脫水校正系數(shù)(162/180)；m—原料絕干質量，g。

HPLC為Agilent 1260型系統(tǒng)，配備有Aminex HPX-87P柱子(300 mm×7.8 mm，Bio-Rad公司)和G4260型ELSD蒸發(fā)光散射檢測器。色譜條件：柱溫75 ℃，檢測器蒸發(fā)溫度50 ℃，霧化溫度80 ℃，進樣量5 μL，流動相為雙蒸水，流速0.6 mL/min。

2 結果與討論

2.1 流變特性

光波烘烤預處理不同時間后，2種皂莢多糖膠液的表觀黏度隨剪切速率的變化曲線如圖1所示。應用Power-Law模型[11]計算得到的多糖膠的流變性能列于表1。

圖1 皂莢(a)和美國肥皂莢(b)多糖膠水溶液的黏度變化曲線

由圖1可知，隨著剪切速率的增加，皂莢和美國肥皂莢多糖膠水溶液的表觀黏度均呈下降趨勢。對于皂莢，經過不同時長的光波烘烤預處理所得多糖膠液的表觀黏度差異不大，烘烤6 min所得膠液的黏度稍高。而對于美國肥皂莢而言，烘烤6 min比4 min所得膠液的表觀黏度大，但是烘烤8 min膠液的黏度沒有繼續(xù)增加，反而有所下降。這可能是因為短時間(4 min)烘烤預處理種子脫殼不完全，胚乳分離不徹底，膠粉純度不夠高，從而導致較低的表觀黏度；而較長時間(8 min)的烘烤預處理會使膠片過度熟化，多糖結構受到一定程度的破壞，從而發(fā)生表觀黏度的下降。

用稠度指數(shù)(k)來表征液體的表觀黏度，k值越大，表觀黏度越大。由表1中k值可知，隨著光波烘烤時間的增長，皂莢和美國肥皂莢多糖膠的表觀黏度均呈先增大后減小的趨勢，這一規(guī)律與文獻[7]中烘炒時間對皂莢多糖膠黏度的影響是類似的。另外，流動指數(shù)(n)可顯示流體在一定流速范圍內的非牛頓性程度，n<1時，即為假塑性流體。從表1數(shù)據(jù)看出，2種皂莢多糖膠的水溶液均為假塑性流體，溶液表觀黏度隨剪切速率的增加而降低(剪切稀釋)，這與其他研究[13-14]中觀察到多糖膠的流變現(xiàn)象是一致的。對2種皂莢多糖膠來說，烘烤6 min預處理得到的多糖膠液的假塑性程度最強(n偏離1的程度最大)。6 min烘烤預處理的皂莢和美國肥皂莢多糖膠在剪切速率5.1 s-1下的表觀黏度分別為461.90和703.85 mPa·s。

表1 不同皂莢多糖膠的流變參數(shù)

2.2 皂莢多糖膠的組分

2.2.1蛋白質 蛋白質是多糖膠重要的組成成分之一，其含量對多糖膠的各個方面都有重要影響，如在對多糖進行改性應用時，蛋白質會參與改性，導致產品的純度降低而影響產品性能。皂莢屬植物種子的胚主要由蛋白質組成，其占種子總蛋白質質量的70%[15]，而種皮中幾乎不含蛋白質。皂莢和美國肥皂莢多糖膠經過光波烘烤預處理4、6、8 min后所含蛋白質如表2所示。從表2可見，皂莢多糖膠的蛋白質含量隨著預處理時間延長而增加，這是因為烘烤時間影響種皮的脫除，烘烤4 min后種皮有明顯殘留，因此導致了蛋白質測量值較低；而烘烤6和8 min，種皮只有極少量殘留，因此測得蛋白質含量會較高且2者接近。而美國肥皂莢多糖膠，烘烤不同時間后蛋白質的含量基本不變且在烘烤時間6或8 min 時低于皂莢多糖膠，可能是由于美國肥皂莢胚乳片較薄，種皮殘留也比皂莢少，容易受到高溫的影響發(fā)生理化性質的變化，從而使測得的蛋白質含量降低。

表2 不同烘烤時間下2種皂莢多糖膠的組分

2.2.2水不溶物 多糖膠中的水不溶物主要包括灰分、未脫除完全的種殼中的纖維素以及水不溶性多糖等，這些水不溶物的存在會影響產品的顏色尤其是透明度，從而影響消費者對產品的接受程度。不同烘烤時間預處理得到的皂莢和美國肥皂莢多糖膠的水不溶物含量亦見表2。從表中可以看出，隨烘烤時間的增加皂莢多糖膠的水不溶物含量先增加后減少，而美國肥皂莢多糖膠的趨勢則相反，即水不溶物含量隨烘烤時間延長先減少后增加；4和6 min預處理條件下的皂莢多糖膠的水不溶物含量均高于美國肥皂莢多糖膠，而8 min條件下卻低于美國肥皂莢多糖膠。這是因為長時間高溫烘烤時，多糖發(fā)生降解，相對分子質量小的水溶性多糖降解生成水不溶物，水不溶物含量相對升高；相對分子質量大的水不溶性多糖降解，除了水不溶物，部分成為水溶性多糖，從而使水不溶物含量相對降低。美國肥皂莢膠中，相對分子質量小的水溶性多糖降解表現(xiàn)更明顯；而在皂莢膠中，相對分子質量大的水不溶性多糖降解表現(xiàn)更明顯，導致了8 min預處理條件下皂莢多糖膠的水不溶物含量低于美國肥皂莢多糖膠。

2.2.3半乳甘露聚糖 烘烤不同時間預處理后得到的皂莢多糖膠和美國肥皂莢多糖膠的半乳甘露聚糖含量和M/G值如表3所示。

表3 不同烘烤時間下2種皂莢多糖膠中的糖

從表中可以看出，純化前的皂莢多糖膠中，隨著光波烘烤預處理時間的延長半乳甘露聚糖含量提高。這是因為4 min烘烤預處理后種子種殼不易脫除，雜質多；而6和8 min烘烤后種殼脫除更完全，雜質更少，因此得到的半乳甘露聚糖含量也更高。美國肥皂莢，烘烤8 min預處理得到的半乳甘露聚糖的含量低于6 min，這可能是美國肥皂莢對高溫更敏感，分解程度更大，部分分解得到的相對分子質量小的半乳甘露聚糖膠未收集到。此外，從表中可以看出相較于純化前，純化后的半乳甘露聚糖質量分數(shù)明顯提高，均在80%左右；純化后的M/G值明顯低于純化前的，均在3.0左右，接近商用塔拉膠(M/G值為3)[16]。Jian等[17]對皂莢進行烘烤預處理及純化后得到的多糖膠中半乳甘露聚糖質量分數(shù)為36.3%，M/G值為4.5，與本研究中得到的值相差較大，不同的多糖純化方法以及植物的生長條件和經歷的過程可能是出現(xiàn)這種差異的原因[17]。

3 結 論

3.1以皂莢和美國肥皂莢為原料，先經光波烘烤預處理，然后機械分離后通過微水固相法制皂莢多糖膠，結果顯示：隨著光波烘烤時間的增長，2種多糖膠的表現(xiàn)黏度均先增大后減，烘烤6 min后，2種皂莢多糖膠的表觀黏度均為最高值，在剪切速率5.1 s-1條件下分別為461.90和703.85 mPa·s；光波烘烤4、6和8 min的2種多糖膠水溶液的表觀黏度均隨著剪切速率的增加而降低，且流動指數(shù)均小于1，表明它們具有假塑性。

3.2隨烘烤時間增加，皂莢多糖膠中的蛋白質質量分數(shù)變大，烘烤8 min時可達4.66%，而美國肥皂莢多糖膠中的蛋白質幾乎不變，均在4.08%；多糖膠中水不溶物含量有所變化，8 min烘烤皂莢多糖膠中含水不溶物最低，約32.30%，而美國肥皂莢6 min烘烤后制得的多糖膠中水不溶物最低，約32.50%。純化前的原多糖膠中，皂莢隨著光波烘烤預處理時間的延長，半乳甘露聚糖含量也提高；而對美國肥皂莢，8 min烘烤預處理時半乳甘露聚糖的含量低于6 min。純化后的多糖膠中半乳甘露聚糖質量分數(shù)(79%～83%)普遍明顯高于原多糖膠中半乳甘露聚糖質量分數(shù)(67%～77%)，純化后的多糖膠中甘露糖/半乳糖(M/G)值在3.0左右，明顯低于原多糖膠中M/G值(3.7左右)。