俸思潔,王玲華,梁瑞紅,陳　軍,劉　偉

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

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烷基化果膠的微波合成及其理化性質研究

俸思潔,王玲華,梁瑞紅*,陳軍,劉偉

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

為考察微波輔助果膠烷基化的可行性,本文研究了果膠與溴代己烷的比例、微波功率以及輻射時間對烷基化果膠取代度的影響,以及所得烷基化果膠的理化性質。結果表明:提高果膠與溴代己烷的比例、增加微波功率及輻射時間均有助于取代度的提高,但升高到一定程度后,均趨向平穩(wěn)。在功率為320 W,果膠:溴代己烷摩爾質量比為1∶1,反應時間為240 s時,取代度為4.81%,優(yōu)于傳統(tǒng)方法用時24 h所得衍生物的取代度(3.60%)。這說明微波輻射能有效降低果膠與溴代己烷的反應時間,提高烷基化取代度。且隨著取代度增大,微波輔助烷基化果膠比原果膠具有更高的表觀粘度、乳化性(EC)和乳化穩(wěn)定性(ES)。微波輔助烷基化果膠最大EC和ES能達57.29%和93.61%,優(yōu)于傳統(tǒng)方法制備的烷基化果膠和原果膠。

烷基化果膠,合成,微波輻射,表觀粘度,乳化性

果膠是一類由D-半乳糖醛酸殘基以α-1,4糖苷鍵連接組成的植物細胞壁復雜多糖,主要以原果膠、果膠和果膠酸等形態(tài)存在于植物體的細胞壁和細胞間層中[1];也是一種被公認的安全無毒且使用無任何限制的高分子多糖,常作為凝膠劑、增稠劑、組織改良劑、乳化劑和穩(wěn)定劑等廣泛應用于食品、醫(yī)藥和化妝品等行業(yè)。近些年,人們試圖對果膠的一些結構進行人為的修飾,來增強或者改變其功能性質,以滿足市場對創(chuàng)新和功能性產品的需求。因此,對果膠進行修飾的研究報道也越來越多。果膠自身的分子結構決定了化學修飾方法的多樣性,主要包括酰胺化[2-3]、季銨化[4-5]、硫酸化[6-8]和烷基化,其中果膠的烷基化即在果膠的C-6羧基基團或C-2、C-3羥基基團上引入烷基鏈,主要分為羧酸的烷基化以及羥基的烷基化。

本實驗室前期采用烷基化法制得的果膠,雖然其表觀粘度、乳化性及穩(wěn)定性有了很大的提高,但烷基化時間長達24 h[9]。自1986年首次報道微波合成技術以來[10-11],因其在溫和的反應條件下,能快速提高反應速率、提高產物純度和產率,且操作方便[12],而被廣泛地應用于有機合成領域。但微波用于果膠烷基化修飾的研究尚未見文獻報道。本實驗通過對微波輔助果膠烷基化反應的可行性、烷基化果膠產物結構與性質的變化研究,為擴大果膠及其衍生物的應用提供理論依據(jù)。

1　材料與儀器

1.1材料與試劑

柑橘果膠Sigma Aldrich公司;溴代己烷、己醇、十二烷、環(huán)戊烷和四丁基氫氧化銨(TBA+OH-)(25 wt%水溶液)阿拉丁試劑(上海)有限公司;無水乙醇、無水丙酮、氯化鈉、疊氮鈉、氫氧化鈉、二甲基亞砜DMSO等試劑均為國產分析純。

Agilent 6890型氣相色譜儀美國安捷倫公司;TDL-5-A型臺式離心機上海安亭科學儀器廠;Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀美國Thermo公司;Avance Ⅲ 600型核磁共振譜儀德國Brucker公司;Discovery DHR-2型流變儀美國TA公司;EX1103ZH型電子分析天平北京西杰天平儀器有限公司;DW-86L390型超低溫冰箱青島澳柯瑪超低溫冷凍設備有限公司;FreeZone?2.5 L型真空冷凍干燥機美國Labconco公司;SHB-3型循環(huán)水多用真空泵鄭州杜甫儀器廠;X85-2S型恒溫磁力攪拌器上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;SD101-0A型電熱恒溫鼓風干燥箱南通金石實驗儀器有限公司;V-1001型旋轉蒸發(fā)儀上海愛朗儀器廠;XW-80A型旋渦混合器上海精科實業(yè)有限公司;Ultra-Turrax T25 basic型分散機德國IKA公司。

1.2實驗方法

1.2.1烷基化果膠的合成

1.2.1.1微波合成參照文獻[13]進行果膠烷基化。具體方法如下:配制2%(w/v)的果膠溶液,在通風櫥中加入四丁基氫氧化銨(TBA+OH-)中和溶液pH至7。冷凍干燥后,稱取一定量的TBA-果膠粉末溶于二甲基亞砜(DMSO)中,配成2%的溶液。再加入一定量的溴代己烷,混合攪拌均勻后,樣品轉移到微波爐中,控制一定的微波條件進行反應。反應結束后放置在蒸餾水(6 h更換一次)中透析7 d以除去DMSO,旋轉蒸發(fā)后獲得的濃縮溶液用3倍體積70%的乙醇溶液(含1 mg/mL氯化鈉)沉淀出烷基化產物,在4℃下靜置24 h,確保果膠分子上的TBA+被過量的Na+取代。過濾后,先用75%的乙醇清洗,然后再用無水乙醇清洗,用氫氧化銀驗證至沒有氯離子,常溫常壓下干燥,即得到微波輔助烷基化果膠產物。

1.2.1.2常溫合成固定果膠(以半乳糖醛酸計算)與溴代己烷的摩爾質量比為1∶1,在室溫下攪拌反應24 h。其它條件和方法同1.3.1.1項。

1.2.2影響產物取代度(DS)的因素分析

1.2.2.1微波輻射功率對產物取代度的影響固定果膠(以半乳糖醛酸計算)與溴代己烷的摩爾質量比為1∶0.5,分別在微波輻射功率160、240、320、400、480和560 W下反應90 s,并分別測定產物的取代度,研究微波輻射功率對烷基化果膠取代度的影響,選擇最優(yōu)的輻射功率進行后續(xù)實驗。

1.2.2.2微波輻射時間對產物取代度的影響分別選取30、60、90、120、180、240 s的輻射時間,果膠(以半乳糖醛酸計算)與溴代己烷的摩爾質量比為1∶0.5和1∶1,在最優(yōu)的輻射功率下進行反應,并測定產物的取代度,研究果膠與溴代己烷的比例及微波輻射時間對產物取代度的影響。

1.2.3取代度的測定用氣相色譜法測定衍生物的取代度[14],色譜條件:色譜柱HP-5;載氣(氮氣)流速2.5 mL/min;檢測器:FID;進樣溫度為280℃;檢測器溫度為280℃;程序升溫以10℃/min從60升溫至200℃,在60、90、150℃保持1 min;進樣量2 μL;分流比為1∶10。

1.2.3.1標準曲線的繪制內標液的配制:稱取50 mg內標物十二烷于燒杯中,用環(huán)戊烷溶解,配成1 mg/mL的內標液。

標準液的配制:一定量的己醇與甲醇溶解定容,得到濃度為2 mg/mL的標準液。用移液管分別取己醇標準液1、2、3、4、5、6 mL于容量瓶中,用甲醇定容至10 mL。吸取1 mL標液和2 mL內標液混合均勻后進樣。以標準樣品的峰面積/內標物的峰面積為縱坐標,標準樣品的質量為橫坐標,繪制己醇的標準曲線,線性回歸。

1.2.3.2樣品取代度的測定100 mg的烷基化果膠加水攪拌至溶解,加入0.4 mol/L的NaOH反應4 h。加入內標液,持續(xù)劇烈攪拌,4800 r/min離心15 min后,溶液分層,取上層有機相過濾膜進樣,與標準曲線對照得到對應的己醇量。使用WPC6Sx來命名微波烷基化產物,PC6Sx來命名烷基化產物。其中W代表微波輻射,P代表果膠,C6代表共價連接的己烷,x代表取代度DS值。Pctrl則表示不加溴代烷其它步驟與獲得烷基化產物相同的對照組。

1.2.4產物分析

1.2.4.1FT-IR分析將一定量的干燥果膠樣品或烷基化果膠樣品與一定量的KBr粉末混合在瑪瑙研磨器中研磨至粉狀,在頻率范圍為4000～400 cm-1下進行紅外光譜掃描[15]。收集數(shù)據(jù)并繪制透射比(%)與波數(shù)的函數(shù)關系圖,用Ominic7.2軟件進行數(shù)據(jù)分析。

1.2.4.21H-NMR分析稱取10 mg的原果膠或烷基化果膠樣品溶解于0.5 mL的D2O中,在25℃條件下進行1H-NMR檢測[16]。

1.2.4.3表觀粘度的測定果膠溶于0.025 mol/L的氯化鈉溶液中,配制20 g/L的溶液,在室溫下攪拌18 h,3000 r/min下離心15 min以去除氣泡,測定前4℃冰箱中放置過夜[17]。采用Discovery DHR-2流變儀,溫度為(25±1)℃,在剪切速率0.001～10 s-1范圍內由低到高進行掃描,得到粘度隨剪切速率的變化曲線。

1.2.4.4乳化性分析乳化性質的測定參照文獻方法[18]。將果膠及其衍生物樣品溶解在蒸餾水中,配成濃度為0.5%(w/w)的溶液,加入0.02%的NaN3作為防腐劑,在溶液中緩緩加入植物油,使得油的質量分數(shù)為40%(w/w)?；旌弦河肬ltra-Turrax T25 basic分散機的最大轉速分散2 min,制備的乳液倒入15 mL的離心管中,在3000 r/min下離心5 min。測定乳液的總體積Wv和乳化層體積ELvi,乳化能力(EC)計算如下:

EC(%)=(ELvi/Wv)×100

式(1)

上述離心之后的乳液在室溫下靜置7 d,繼續(xù)上述實驗操作,離心后得到最終的乳化層體積ELvf,乳化穩(wěn)定性(ES)計算如下:

ES(%)=(ELvf/ELvi)×100

式(2)

1.2.5數(shù)據(jù)分析本文中所有實驗均重復3次,采用Origin 8.0和SPSS16.0對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,樣品平均值之間的差異性通過Duncan法比較(p<0.05)。

2　結果與分析

2.1微波輻射條件對取代度的影響

從圖1可看出,隨著微波功率的增加,烷基化果膠取代度顯現(xiàn)先升高后趨向平穩(wěn)的趨勢。在功率為160 W時取代度僅為0.66%,這可能是因為功率太低,微波不能提供足夠的能量進行反應[19];而隨后隨著功率的上升,微波提供的能量不斷增大,產物取代度隨之急劇上升,當提供的能量突破反應所需的活化能后,反應趨于平緩,在320 W時達到平穩(wěn)值,此時的取代度為2.90%。

圖1　微波輻射功率對取代度DS的影響Fig.1　Effect of mircowave power on the degree of substitution

圖2顯示,在任意輻射時間下,修飾物DS(果膠∶溴代己烷=1∶1)>DS(果膠∶溴代己烷=1∶0.5),可能是隨著溴代己烷使用量的增加,果膠與溴代己烷的接觸機會增大,反應越充分。隨著微波反應時間的延長,產物取代度不斷增大,而后增長趨勢變得平緩。對于果膠∶溴代己烷為1∶1的樣品,反應時間為30 s時DS就已經達到了2.96%,反應240 s時DS為4.81%,而傳統(tǒng)方法獲得的衍生物DS為3.60%,用時24 h。因此,微波輔助果膠烷基化在短時間內就能獲得高DS。本實驗選取DS為2.96%、3.85%以及4.81%的反應物進行后續(xù)實驗,分別命名為WPC6S2.96、WPC6S3.85和WPC6S4.81。

圖2　果膠與溴代己烷的比例以及微波輻射時間對產物取代度的影響Fig.2　Effect of mass ratio of pectin to bromohexane and reaction time on DS

2.2微波輔助烷基化果膠的結構表征

采用傅里葉紅外光譜對微波輔助烷基化果膠的化學結構進行分析,并與原果膠以及傳統(tǒng)方法獲得的烷基化果膠進行比較,其結果如圖3所示。果膠的特征吸收峰有:3450.8 cm-1(υ(OH))、2925.9 cm-1(υ(CH))、1744.6 cm-1(υ(C=O)COOMe和υ(COOH))、1620.4 cm-1(υas(COO-))、1150.1 cm-1(υ(COC))和1103.8 cm-1(υ(C-C))。其中,1744 cm-1吸收峰面積與1744、1620 cm-1處總吸收峰面積的比值常用來表示果膠的酯化度。從圖3中可以看出,三個微波輔助烷基化果膠樣品的這一比值隨著取代度的增加而增大,增長趨勢與傳統(tǒng)方法獲得的不同取代度衍生物趨勢相似,這表明在微波輔助下,果膠的羧酸基團與溴代己烷發(fā)生了酯化反應。且WPC6S3.85與傳統(tǒng)方法獲得的PC6S3.60紅外結構相似,表明微波輻射沒有破壞烷基化果膠的結構。

圖3　果膠及其微波輔助衍生物的紅外光譜圖Fig.3　FT-IR spectra of pectin and its microwave-assisted derivatives注:A:原果膠;B:Pctrl;C:WPC6S2.96;D:PC6S3.60; E:WPC6S3.85;F:WPC6S4.81。

由圖4可看出,1H-NMR主要由甲基和亞甲基質子信號峰表征,其中1.6 ppm為靠近羰基的亞甲基吸收峰,1.4～1.1 ppm范圍內為其余亞甲基的質子信號峰,0.8 ppm為烷基碳鏈中甲基的吸收峰。從圖中我們可以得知,原果膠1H-NMR圖譜中無1.6 ppm,1.4～1.1 ppm和0.8 ppm信號峰,這些信號峰在微波輔助烷基化果膠的1H-NMR圖譜中才出現(xiàn),且兩處的吸收峰強度隨著取代度增多而增強,有力地證明了微波輔助技術在烷基化果膠制備中的成功應用。

表1　果膠及其微波輔助衍生物的乳化能力(EC)和乳化穩(wěn)定性(ES)

圖4　果膠及其微波輔助衍生物的1H-NMR圖譜Fig.4　1.D proton NMR spectra of pectin and its microwave-assisted derivatives

注:a實驗數(shù)據(jù)采用均值±標準偏差,*同一行數(shù)據(jù),不同字母表示顯著性差異(Tukey test,p<0.05)。

2.3微波輔助烷基化果膠的表觀粘度

圖5為20 g/L果膠溶液25℃時的表觀粘度(η)與剪切速率(r)的對數(shù)關系圖。從圖中可以看出,原果膠的表觀粘度隨著剪切速率的增大而降低,溶液表現(xiàn)出典型的剪切變稀現(xiàn)象。然而三種微波輔助烷基化果膠在低剪切速率下,溶液的表觀粘度隨著剪切速率的增大先增加,表現(xiàn)出剪切稠化特性;隨后粘度隨剪切速率增大而降低。這可能是因為剪切速率的變化使得烷基化果膠分子內與分子間的疏水締合結構相互轉變引起的[20]。WPC6S2.96、WPC6S3.85和WPC6S4.81樣品在一定剪切速率下分子鏈擴張伸展,分子內的締合作用轉變成分子間的締合作用,溶液粘度增加;當剪切速率繼續(xù)增加時,分子間的疏水締合結構遭到剪切力破壞,表現(xiàn)為溶液粘度下降。在任意剪切速率下,微波輔助烷基化果膠的表觀粘度要大于原果膠的表觀粘度,且衍生物的粘度值隨著取代度的增大而增加。這種增大的幅度在低剪切速率下較明顯。當剪切速率較大時,烷基化果膠的分子間疏水締合能力遭到破壞導致分子鏈伸展,溶液粘度降低,表觀粘度差異性變小。

圖5　果膠及其微波輔助衍生物的表觀粘度Fig.5　Apparent viscosity of pectin and its microwave-assist derivatives

2.4微波輔助烷基化果膠的乳化性質

為了驗證微波輔助和傳統(tǒng)方法獲得的烷基化果膠性質方面是否相同,實驗還進行了微波輔助烷基化果膠的乳化性質的測定。分別用0.5%(w/w)的果膠及其衍生物溶液制備乳液,乳液離心之后分為三層,少量的油相分布在上層,底層是分散有烷基化果膠的水相,處于兩者之間的是乳化層。根據(jù)乳化層的體積計算出EC值和ES值,結果如表1所示,WPC6S2.96、WPC6S3.85和WPC6S4.81的乳化能力分別為49.93%、54.17%和57.29%,顯著大于未修飾果膠的EC(35.00%)。而在相似的取代度下(如PC6S3.60和WPC6S3.85),微波輔助烷基化果膠與傳統(tǒng)烷基化果膠具有相似的乳化能力和乳化穩(wěn)定性,表明微波能夠縮短反應時間,但不影響所得產物的功能性質。但通過微波輔助修飾,能得到比傳統(tǒng)方法取代度更好的產物WPC6S4.81,其具有最大的EC(57.29%)和ES(93.61%)。故微波輔助可以提高烷基化果膠的取代度,進而提高其乳化性質。

3　結論

本文研究了微波輻射功率以及輻射時間對烷基化果膠取代度的影響規(guī)律。結果表明,微波輻射技術可成功地應用于烷基化果膠的制備,顯著縮短反應時間,提高烷基化取代度;產物取代度隨功率增大急劇上升,后趨于平緩,在功率為320 W時達到平穩(wěn)值;反應時間僅240 s時取代度為4.81%,明顯大于傳統(tǒng)方法反應24 h時的取代度(3.60%);在相似取代度下,微波輔助烷基化果膠與傳統(tǒng)方法制備的果膠表現(xiàn)出相似的功能性質。

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Microwave-assisted alkylation of pectin and its properties

FENG Si-jie,WANG Ling-hua,LIANG Rui-hong*,CHEN Jun,LIU Wei

(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

In order to investigate the feasibility of microwave radiation for assisting alkylation of pectin,the influence of ratio of pectin to bromohexane,microwave power and radiation time on the degree of substitution(DS),as well as the physicochemical properties of alkylated pectin were studied.The results showed that the DS was increased first and reached a plateau value with the increase of the ratio,microwave power,and radiation time.When reaction took place at molar mass ratio of pectin to bromohexane 1∶1,and 320 W for 240 s,the DS reached 4.81%,which were superior to that obtained by 24 h traditional method(DS=3.60%).This results indicated that microwave radiation can improved the DS of alkylated pectin within a shorter processing time.With the increase of DS,microwave-assisted alkylated pectin had higher apparent viscosities,emulsifying capacity(EC)and emulsion stability(ES)compared with original pectin.The maximum EC and ES of microwave-assisted alkylated pectin could reach 57.29% and 93.61%,which was better than that of traditional prepared pectin and the original one.

alkylated pectin;synthesis;microwave radiation;apparent viscosities;emulsifying properties

2015-09-21

俸思潔(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：食品營養(yǎng)，E-mail：599730117@qq.com。

梁瑞紅(1966-)，女，博士，研究員，研究方向：天然產物的研發(fā)與開發(fā)，E-mail：liangruihong@ncu.edu.cn。

國家自然科學基金資助項目(31260386)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)07-0052-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.07.002