（有机化学专业论文）魔芋葡甘聚糖纯化及改性研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 石油资源日益枯竭，同时以石油为原料的非降解性合成高分子材料废弃物 造成的环境污染r 益严重，因此高分子科学与技术面临新的挑战。研究与开发 以天然高分子为原料的新材料己成为高分子科学的前沿领域之一。魔芋葡甘聚 糖( k o n j r eg l u c o m a n n a n ，简称k g m ) 作为一种天然高分子，是我国特产资源。 k g m 具有和纤维素类似的结构，但却具有纤维素所不具备的水溶解性，k g m 分子中含有丰富的羟基及可修饰乙酰基团，使其便于通过绿色工艺进行化学改 性。本文主要研究内容是： 1 从魔芋精粉出发，经过脱脂、脱蛋白、脱色、离心、沉淀等步骤纯化 得到具有良好水溶性的魔芋葡甘聚糖。 2 焦磷酸钠对魔芋葡甘聚糖进行酯化交联改性，反应最佳条件为焦磷酸 钠：魔芋葡甘聚糖= l ：8 ( w w ) ，反应p h 为3 ，反应温度为5 0 。c ，反应时间为2 h 。 改性k g m 溶胶透明度、粘度、冻融稳定性及抗菌性明显改善，并且改性k g m 膜耐洗刷性比未改性k g m 膜明显增强。 3 魔芋葡甘聚糖脱乙酰改性成膜，成膜适宜浓度为1 ( w t ) ，适宜d h 值为1 0 。与未改性膜相比，改性膜的强度、抗水性及耐洗刷性显著提高。用红 外光谱、x _ 射线分析了膜的结构，阐明了结构和功能的关系，并用k g m 膜和 脱乙酰k g m 膜对西红柿作了常温涂膜保鲜实验，结果表明脱乙酰k g m 膜对 西红柿有更好的保鲜作用。 4 魔芋葡甘聚糖与瓜尔豆胶共混成膜，当两者共混浓度为1 ( w t ) 时， 魔芋葡甘聚糖与瓜尔豆胶共混比例为6 0 4 0 条件下所得共混膜性能最佳。与纯 k g m 膜相比，共混膜的强度、抗水性、耐洗刷性、透明度指数各项性能明显 提高。用红外光谱和扫描电镜分析了膜的结构，阐明了结构和功能的关系。并 用纯k g m 膜和共混膜对葡萄作了常温涂膜保鲜实验，结果表明，共混膜对葡 萄具有更好的保鲜作用。 5 魔芋葡甘聚糖( 也称魔芋胶) 为非凝胶多糖，但与结冷胶按一定比例 共混可以得到凝胶，这是多糖分了间相互作用的结果。当总糖浓度为1 0 f w t ) ， 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 魔芋胶与结冷胶共混比例为4 0 6 0 ，制备温度为8 0 。c ，体系盐离子( c a2 + ) 浓度 为6 0 m m o i l 时可达到协同相互作用的最大值，从红外光谱图上分析了两种多 糖分子间相互作用机理。 6 硝酸铈铵引发n ，n 二亚乙基双丙烯酰胺与葡甘聚糖接枝共聚，并对其 反应规律进行了研究。这种共聚物有良好的水溶性，其水溶液粘度高，可用作 增稠剂。 关键词：魔芋葡甘聚糖；纯化；酯化交联；可食性膜；共混膜； 协同相互作用；凝胶化；接枝共聚 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t t h ep e t r o l e u mr e s o u r c e sa r eb e i n ge x h a u s t e d g r a d u a l l y , a n dt h ep r o b l e mo f e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n f r o mt h ew a s t e ra n dl i t t e ro f n o n d e g r a d a b l ep o l y m e r m a t e r i a l st h a ta r em a i n l yd e r i v e df r o mp e t r o l e u mr e s o u r c e sb e c o m e sm o r ea n dm o r e s e r i o u s t h e r e f o r e ，p o l y m e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf a c en e wc h a l l e n g e n o w d a y s ， r e s e a r c ha n de x p l o i t a t i o no fn e wm a t e r i a l sb a s e do nn a t u r a l p o l y m e r sh a v eb e c o m et h e f r o n to fp o l y m e rs c i e n c e k o n j a cg l u c o m a n n a n ( k g m ) i st h em a i nc o n t e n to ft h e l o c a lr e s o u r c ek o n j a ca sak i n do fn a t u r a lp o l y m e r k g mh a st h es i m i l a rs t r u c t u r et o c e l l u l o s e ，b u th a st h ew a t e rs o l u b i l i t yt h a ti sn o te m b o d i e db y c e l l u l o s e t h ea b u n d a n t h y d r o x y lg r o u p s i nk g mm o l e c u l e sa t e h i g ha c t i v e ，a n di tc o n t a i n sc e r t a i na m o u n t o f a c e t y lg r o u p s ，s ot h a tk g m i se a s et ob ec h e m i c a l l ym o d i f i e db yg r e e nt e c h n o l o g y t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w ： 1 k g mw i t hg o o dw a t e rs o l u b i l i t yh a sb e e ni s o l a t e df r o mk o n j a cf l o u r , t h r o u g h d e f a t t i n g 、d e p r o t e i n 、d e c o l o r 、u l t r a c e n t r i f u g e 、p r e c i p i t a t i o n e t c 2 + i ne s t e r i f i c a t i o na n dc r o s s l i n k i n gm o d i f i c a t i o no fk o n j a cg l u c o m a n n a n w i t hs o d i u mp y r o p h o s p h a t e ( n a 4 p 2 0 7 ，s p p ) ，b e s tr e s u l t sw e r eo b t a i n e di nt h e f o l l o w i n gc o n d i t i o n s ：s p p ：k g m = i ：8 ( w w ) ，p h = 3 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e5 0 。c ，a n d r e a c t i o nt i m e2 h m o d i f i e dk g mw a ss h o w nt ob es u p e r i o rt ot h er a wk o n j a c g l u c o m a n n a ni n ：v i s c o s i t y 、t r a n s p a r e n c y 、f r e e z e - t h a w s t a b i l i t y a n d f u n g i s t a s i s r e s i s t i n gw a t e r r u s ha b i l i t yo fm o d i f i e df i l mw a so b v i o u s l yi m p r o v e d 3 k o n i a cg l u c o m a n n a nw a sd e a c e t y lf o rm e m b r a n e s t h em e m b r a n e sm a d e f r o md e n a t u r e dk g ms h o w e db e t t e rt e n s i l es t r e n g t h 、w a t e rr e s i s t a n c ea n dr e s i s t i n g w a t e rr u s h t h a nt h a tf r o mu n d e u a t u r e dk g m b ym e a n so fi n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r o s c o p y 、x - r a y d i f f r a c t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p o fs t r u c t u r e sa n df u n c t i o n a l p r o p e r t i e sw a sd i s c u s s e d s t u d i e so nt h ec o n s e r v a t i o n o ft o m a t o e sb yp u r ek g m m e m b r a n ea n dm o d i f i e dk g mm e m b r a n ew e r ec a r r i e do u tu n d e rr o o mt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm o d i f i e d k o n j a c g l u c o m a n n a nm e m b r a n eh a db e t t e r f r e s h k e e p i n ga f f e c t i o n o nt o m a t o e s “i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 4 k o n i a cg l u c o m a n n a na n dg u a r a ng u m w e r eb l e n d e df o rm e m b r a n e s t h e r e w e r ee x c e l e n tp r o p e r t i e sw h i l et h eb l e n dc o n t e n tw a s1 ( w t ) a n dt h em i x e dr a t i oo f k g m a n dg u r a ng u mw a s6 0 4 0 t h eb l e n dm e m b r a n e ss h o w e db e t t e rp r o p e r t i e si n t e n s i l es t r e n i g t h 、w a t e rr e s i s t a n c e 、r e s i s t i n gw a t e rr u s ha n dt r a n s p a r e n c yi n d e xt h a n t h a to fp u r ek g m m e m b r a n e b ym e a n so fi n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p ya n d s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t h er e l a t i o n s h i po f s t r u c t u r e sa n df u n c t i o n a lp r o p e r t i e s w a sd i s c u s s e d s t u d i e so nt h ec o n s e r v a t i o no fg r a p e sb yp u r ek g mm e m b r a n ea n d b l e n dm e m b r a n e sw e r ec a r r i e do u tu n d e rr o o mt e m p e r a t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a t b l e n dm e m b r a n e sh a db e t t e rf r e s h k e e p i n ga f f e c t i o no ng r a p e s 5 k o n j a c g l u c o m a n n a ni sn o t g e l a t i o np o l y s a c c h a r i d e i t c a ng e tg e l a t i o nw h e n g e l l a ng u ma n dk g ma r em i x e db ys o m er a t i o t h i si st h es y n e r g i s t i ei n t e r a c t i o n r e s u l to fp o l y s a c c h a d d esm o l e c u l e s t h e r ew a ss y n e r g i s t i ci n t e r a c t i o nm a x i m u m w h i l et h em i x e dr a t i oo fk g ma n dg e l l a ng u mw a s4 0 6 0 ，t h et o t a lp o l y s a c c h a r i d e c o n c e n t r a t i o n 1 0 ( v e t ) ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e8 0 c a n ds a l ti o n i c ( c a2 + ) c o n c e n t r a t i o n 6 0 m m o l h i n t e r r a c f i o nm a c h a n i s mo ft w op o l y s a c c h a r i d em o l e c u l e sw a si n v e s t i g a t e db y i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y 6 ( n h 4 ) 2 c e ( n 0 3 ) 6 i n i t i a t e dg r a f tc o p o l y m e r i z a t i o no fn ，n - d i e t h y l e n e d i a c r y l a m i d eo n t ok o n j a cg l u c o m a n n a na n dt h ea c t i o nr o l ew a ss t u d i e d t h i sc o p o l y m e rw a s e a s yt od i s s o l v e i nw a t e nt h es o l u t i o nh a d h i g h e rv i s c o s i t y t h e r e f o r e ，t h ec o p o l y m e r w a sa g o o d t h i c k e n e ri ni n d u s t r i e s k e y w o r d s ：k o n j a cg l u c o m a n n a n ；p u r i f i c a t i o n ；e s t e r i f i c a t i o n a n dc r o s s l i n k i n g ；e d i b l e m e m b r a n e ；b l e n dm e m b r a n e ；s y n e r g i s t i ci n t e r a c t i o n ；g e l a t i o n ；g r a f t c o p 0 1 y m e r i z a t i o n 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：炙铝未b日期：捌年s 月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 作者签名：殳铝参b作者签名：彳乙锯矛b 日期：扣r 年岁月哆日 导师签名： 日期：年月 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本 人的学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章 程”中的规定享受相关权益。回童途塞握童后进丘；旦圭笙；旦二生；旦三生 筮查三i 作者签名：曩铝拗作者签名：袅孑秒 。期：幽j 年j 月哆日 导师签名： e l 期：年月 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s i i 引言 第一章综述 魔芋( a m o r p h o p h a l l u sk o n j a c ) 是天南星科魔芋属单子叶植物纲多年生草 本植物，俗称花伞把、花连杆等1 1 】。魔芋块茎主要成份为魔芋葡甘聚糖( k o n j a c g l u c o m a n n a n ，简称k g m ) ，成熟的鲜芋中k g m 的含量达1 0 3 0 ，鲜魔芋的 组成随生长期不同而异。我国魔芋资源丰富，种植历史已达两千年之久，主要 分布在湖北、云南、四川、贵州等省，且多在山区，亩产可达数千斤。魔芋葡 甘聚糖具有亲水性、凝胶性、成膜性、抗菌性、可食用性、低热值性等多种特 性和一些特殊的生理功能，可广泛应用于食品、医药、化工以及生物领域。作 为一种可再生天然资源，k g m 来源充足、可生物降解、具有化学可修饰的官 能团，并具有一定金属离子络合能力。因此近年来关于k g m 的结构、性质及 改性应用研究十分活跃。 1 2k g m 的化学结构和性质 k g m 的化学结构如图1 - 1 所示 pr严i - ipp 吨梵蜒薄性。 亡h | 0 h hh c o ” 图1 1 ：魔芋葡甘聚糖的化学结构 f i g 1 1 c h e m i c a ls t r u c t u r eo fk o n j a cg l u c o m a n n a n k g m 在酸性条件下分另u 经高峰淀粉酶、甘露聚糖酶和纤维素酶水解，其 产物经薄层色谱和凝胶电泳分析表明2 。5 ，k g m 是主链由d 甘露糖和d 一葡萄 糖以1 3 一t , 4 毗喃糖苷键连结的杂多糖。根据来源不同，k g m 分子中甘露糖和 葡萄糖的摩尔比为1 6 4 2 。在主链甘露糖的c 3 位上存在b 一1 , 3 键绐合的支链 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 结构，大约每3 2 个糖残基上有3 个左右支链，支链仅含几个残基，并且在某 些糖残基上有乙酰基团。约每1 9 个糖残基上有一个，以酯的方式相结合。常 见的k g m 中甘露糖和葡萄糖的摩尔比约为1 5 1 7 ( 通常为1 6 ) ，乙酰基团含 量为1 5 【6 j 。不同品种与来源的k g m 的分子量不同【7 】，一般来讲，其粘均分 子量约为7 8 1 0 5 ，光散射法测得k g m 的重均分子量为8 1 0 s 。2 6 2 1 0 6 1 8 , 9 1 。 天然的k g m 是由放射状排列的胶束组成的，其晶体结构有a 型( 非晶型) 和b 型( 结晶型) 两种【1 0 】。x 射线衍射表明，k g m 粒子显示近似无定形结构， 退火的纤维形式的k g m 在x 一射线衍射图上显示出伸展的二折螺旋形结构；魔 芋葡甘露聚糖三乙酸酯的纤维衍射型式呈伸展的三折螺旋形结构，利用计算机 程序进行构像分析表明，其有利的手性为左旋。k g m 详细的结构分析仍在继 续研究之中【1 1 】。 k g m 是一种中性多糖，为白色粉末状物质，无特殊味道，对水具有很强 的亲和力。能自动吸收水分而膨胀形成溶胶，吸水膨胀至8 0 1 0 0 倍仍能呈溶 胶状态，酸性条件卜i 溶胶性能良好，而偏碱性条件下则易发生凝沉现象。膨润 物中添加凝固剂氢氧化钠、氢氧化钙，可促进凝胶的形成而使之失去流动性。 随着凝固剂添加量增加，凝胶化速度加快，但凝固剂过多，则凝胶气泡难以排 出。若加入碱使其p h 值小于1 2 2 ，则可形成可逆性的凝胶，加碱p h 值大于 1 2 2 并进行加热则形成一种弹性凝胶，这种特性在其它多糖中是罕见的【1 。当 k g m 在1 5 以下时为软凝胶状态，3 5 以上时，凝胶气泡难以排除，以 1 6 4 3 2 9 较为理想。温度对凝胶的形成及特性有明显的影响，随温度上升， 凝胶粘度值下降，低温条件下( 8 - 1 0 ) 的粘度值几乎为高温下( 8 0 8 5 ) 的2 倍i ”】。对其液晶、流变学特性和温度特性研究【1 4 | 表明，k g m 在水溶液浓 度达7 ( w w ) 时形成液晶相，并且当浓度达到1 0 以上时完全各向异性。 k g m 对阳离子具有结合和交换能力，对有机物具有吸附和螫合作用i ”1 。 k g m 分子大小分布均匀程度与其流变性质、生物化学特征有很大关系。例如， 只有当k g m 的分子量达到8 1 0 5 _ 9 x1 0 5 ，它才有抑制动物血中胆固醇上升 的作用f ” 。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 k g m 改性研究进展 s m i t h i 切等在1 9 5 9 年就对k g m 的甲基醚等衍生物的制各、组成、结构有 过报道。7 0 8 0 年代，日本的n o b r u 和s u g i y a m a 等对k g m 的结构及性能作过 较详细的研究【1 8 】。近些年来，k g m 的改性研究更是得到了广泛而深入的开展。 1 3 1 一般化学改性 许时婴i ”j 等研究了白魔芋和花魔芋葡甘露聚糖的最适甲基化度为o 3 5 左 右，甲基化后的k g m 不仅水溶性增加而且极稳定。岸田【1 9 】等用乙酸钠对k g m 进行羧甲基化，郭振楚t2 0 j 等用一氯醋酸将k g m 羧甲基化，制得含9 9 以上羧 甲基的魔芋葡甘露聚糖，并就抑制白鼠血清和肝总胆固醇上升以及抗肿瘤活性 进行了试验，结果表明，改性魔芋葡甘聚糖的这种作用明显高于未改性。李乐 农【”溶崩羧甲基魔芋精粉进行柑橘保鲜，在整个储藏过程中，具有降低果实呼 吸强度，减少失水，降低腐烂率的作用。据报道，胡敏f 2 2 】等用n a h 2 p 0 4 和 n a 2 h p 0 4 干法处理k g m 使其改性产物具有一定的抗菌能力。张昌军【2 3 1 等用 磷酸二氢钠和磷酸氢二钠作为酯化剂，在尿素的催化下，加热使其发生磷酸酯 化反应，生成的k g m p 作为一种新型的有机高分子絮凝剂，可用于煮碱废液 处理。k g m 与水杨酸钠反应得到的葡甘聚糖水杨酸酯，该产物与k g m 相比 粘度、透明度、稳定性均增强，对青霉菌有明显的抑制效果。邱树毅等 “】用马 来酸酐与k g m 反应得到酯化度为0 2 8 0 3 0 的k g m m 产品，它对热、p h 稳定性好，粘度提高2 0 3 0 倍。田炳寿【2 5 】等用辛酸、月桂酸、棕榈酸等长链脂 肪酸将k g m 酯化，并将酯化产物用作乳化荆。结果表明，长链脂肪k g m 是 一种用量少，且具有一定抗盐和抗酸性能的高效非离子型大分子乳化剂。k g m 有抑菌能力，水溶胶脱水成膜后，薄膜均匀、透明、弹性大、强度高【2 q 。庞杰 f2 7 】等用六偏磷酸钠对k g m 进行干法改性，改性产物具有一定耐酸、耐高温能 力。k g m 用硫酸二甲酯处理时，其甲基取代度在o 3 1 4 元之间，产物溶于水， 得到粘性的透明溶液，取代度为0 4 5 时，产物的溶剂化作用最强，稳定性最好， 其粘度在3 0 。c 下保持4 d 而不改变i 。k g m 经氧化后再与二氧化硫反应生成 羟基磺酸化的糖具有极好的吸收能力【2 。k g m 与三氯氧磷( p o c l 3 ) 的交联化 学改性产物具有较好的稳定性、成膜性及抗张性能和抗菌能力1 3 0 l 。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 2 k g m 的复合改性 天然高分子化合物的复合改性主要包括接枝共聚、共混和互穿聚合物网络 ( i n t e r p e n e t r a t i n gp o l y m e rn e t w o r k s ，简称1 p n ) 等方法。谢笔钧【3 1 , 3 2 培研究了 k g m 与丙烯腈、丙烯酸丁酯的接枝共聚反应，使其接枝共聚物的性能都有不 同程度的改善。在铈离子引发下，k g m 与丙烯腈反应得接枝共聚物，其粘度 比k g m 提高2 - 4 倍，溶胶稳定性提高近4 倍，所得产物成膜更加均匀、细密、 气泡明显减。用硝酸铈铵作引发剂制备丙烯酰胺接枝魔芋葡甘聚糖( a k g m ) ， 用它与聚氨酯预聚物合成水溶性1 p n 涂料，并涂敷再生纤维素膜制备防水膜， 该涂层膜具有良好的力学性能、防水性和透光性1 3 3 】。用铈离子引发得到k g m 与丙烯酸丁酯的接枝共聚物，与k g m 相比，接枝共聚物水溶胶的粘度和对热、 对酸碱的稳定性都有明显的提高【3 4 。用焦磷酸铬锰三价锰离子引发k g m 与丙 烯酰胺( a m ) 接枝共聚，产物可用于增稠剂【”】。接枝共聚物兼有天然与合成 高分子的性质，其延展性、机械加工性能都有不同程度改善。 共混是开发高分子新材料的重要而简便的途径之一。据报道，用 7 ( w t ) k g m 水溶液与2 ( w t ) 壳聚糖( c h ) 乙酸水溶液共混，并在4 0 干燥4 小时制得透明的c h k g m 共混膜，试验结果表明该共混膜的热稳定性、干态 下的拉伸强度和断裂伸长率，均高于纯k g m 或纯c h 膜【3 6 1 。壳聚糖与k g m 共混后水溶性得到了明显改善，并可望用于水溶性药物辅料。通过实验发现【3 7 】， k g m 与黄原胶可以发生强烈地协同增稠作用，在1 ：1 0 至1 0 ：1 比例内均有协 同增效作用，且在1 ：1 比例时协同增效用最显著，可广泛用于各食品的制各。 在6 n a o h 4 硫脲体系中用5 ( w t ) c a c l 2 为凝固剂制备出纤维素k g m 共混 膜i ”l ，纤维素和k g m 在整个组成比范围都兼容，该体系提供了制备功能材料 的无污染价廉的绿色工艺。用4 5 ( w t ) k g m 与3 ( w t ) 海藻酸钠水溶液 共混所得共混液经干燥制得的共混膜【3 9 】，其力学性能、水分含量和水溶胀度高 于纯k g m 膜，其共混液的涂膜保鲜试验表明该共混膜有良好的保鲜效果。将 2 ( w t ) 的壳聚糖水溶液和7 ( w t ) 的k g m 水溶液按不同比例混合制备出 一系列壳聚糖k g m 共混膜【加j ，共混膜的力学性能和热稳定明显提高。 互穿聚合物网络是由两种或两种以上聚合物通过不同链之间的相互作用 和缠结而形成的聚合物复合体系，其中至少有一种聚合物为交联结构，不同聚 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 合物分子链之间相互作用能够产生一些特殊功能，因而i p n 技术引起人们广泛 关注。 研究表明1 4 “，用发烟硝酸、硫酸和五氧化二磷作为硝化试剂，由k g m 合 成了水不溶性硝化魔芋葡甘聚糖( n k g m ) 。用蓖麻油聚氨酯和1 0 4 0 的 n k g m 混合，在催化剂和扩链剂存在下，于5 0 固化5 - 6h 制得半i p n 膜， 当i p n 复合膜中n k g m 含量为2 0 ( w t ) 时，其力学性能和透光率均明显高 于纯聚氨酯膜，n k g m 对加速聚氨酯的同化和提高复合膜的拉伸强度起着重 要作用。 1 4 k g m 的应用研究进展 魔芋作为传统健康食品在我国有悠久的历史。近年来关于k g m 及其衍生 物在食品、生物、医学、化工等领域的研究应用日益引人注目。 1 4 1 食品方面 k g m 作为一种优良的膳食纤维逐渐在营养学领域受到重视。k g m 具有亲 水、增稠、乳化、胶凝、成膜、稳定性好等特性，可制作各种食品和食品添加 荆。利用k g m 的凝胶性可制造一系列以k g m 为主料的仿生食品。k g m 还作 各种食品饮料的增稠剂、稳定剂和澄清剂，广泛应用于食品工业。k g m 能促 进肠胃蠕动，帮助人体对蛋白质等营养物质的吸收和消化，具有很强的溶胀能 力，吸水量是k g m 自身重量的8 0 1 2 0 倍。k g m 是一种理想的高纤维、低热 量、低脂肪食物，具有降血压、减肥、保健之功效，被联合国卫生组织确定为 十大保健食品之一，称为当代新型绿色食a t 4 “。 1 4 2 医学领域 k g m 具有良好的生物兼容性、吸湿性、亲水性和可生物降解性，在液体 介质存在下，经冷冻干燥把k g m 制成千态凝胶，然后用辐照或其它方法灭菌 后，可作伤口包裹材料，有明显提高伤口愈合速度的作用【4 3 1 。由k g m 、n a c l 、 c a c l 2 、硼砂等配成的眼科治疗液能有效地治疗泪腺分泌物减少症，防止眼睛干 涩【州。由k g m 、三价硼酸盐和水等制备的人造生物兼容性胶状玻璃的水份含 量和透光率分别达9 6 和9 4 3 ，尤其适用于接触眼镜和医用光学设施【4 5 ，4 。 由k g m 、海藻酸钠和其它润滑剂、增塑剂等制备的膜材料1 4 ”，以及由k g m 硕士学位论文 m a s t e r sn l e s i s 和半乳甘露聚糖共混制备的凝胶材料可用于药物控制释放领域【4 8 】。与其它的片 剂药物包衣相比，魔芋凝胶表现出更好的增加硬度和提高药物与包衣分离性能 的效果【4 9 j 。现代医学实践证明，k g m 对一些癌症、高血脂、糖尿病、高血压、 胆石症等有明显的防治效果。低聚k g m 硫酸酯钠盐具有明显的抗血栓作用， 是一种有前途的类肝素药物【5 0 1 。 1 4 3 生化领域 k g m 制成高强度，稳定性好的不溶性载体后，可通过钛活化固定化葡萄 糖淀粉酶；还可对微生物细胞固定化【5 1 】。k g m 经不溶性处理制备成固定化载 体，用表氯醇一己二胺一戊二醛活化固定化环糊精葡基转移酶。k g m 和二乙基氨 基乙醇( d e a e ) 反应制各d e a e k g m 弱碱性阴离子交换树脂，吸附固定化 环糊精葡基转移酶1 5 “。d e a e k g m 树脂对牛血清蛋白有较高的吸附容量，可 以把羊血红血球超氧化物歧化酶粗酶制剂分离成几个组分 5 2 】。d e a e ，k g m 凝 胶能吸附9 2 9 5 的人体血凝因子v i i i ，用于工业色谱柱分离凝血因子v i i i 及 其它大分子蛋白质。k g m 经过乙酰化，再用表氯醇交联，制各具有网状结构 的大7 l 葡甘聚糖球粒，可用于g p c 填料，分离水溶性大分子1 5 3 。交联k g m 还可用作凝胶色谱固定相的添加剂，用于分离蛋白质、d n a 5 ”。 1 4 4 化工领域 k g m 是一种优良的化妆品基质，具有良好的吸水性和膨润性，可改善皮 肤对化妆品的接触，现已有魔芋美容及洗涤用品问世。据报道【5 5 , 5 6 5 7 】，羟丙基 化衍生物具有优良的流变性能、抗温性能和抗盐性能，用它作为油田钻井无固 相完井液完全满足现场作业要求，有望得到推广。在异丙醇中用硬脂酸和三氯 化磷的混合物改性k g m 后，其流体行为由假塑性转变为牛顿流体，改性k g m 能够与苯丙乳液产生协同效应，共混体系在较宽范围的温度、酸碱度范围内很 稳定，可以作为涂料增稠剂和流平剂【5 ”。用k g m 和次氯酸钙在硼酸钾水溶液 中形成包埋杀菌剂的凝胶，再将其切成小块放在多孔容器中并置于城市污水管 道中，能够防止藻类的生长。将k g m 水溶液和适量碱及表面活性剂混合，然 后喷洒在拆修的建筑物和道路表面，可防止施工中产生灰尘【5 9 】。以k g m 为基 材添加增塑剂，可制备出具有较好力学性能、透气性和一定防水性的膜材料1 6 0 j ， 该类材料具有可印刷性，可望开发成为新型无毒，无公害的可食性食品包装膜。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 用化学改性k g m 衍生物溶液对果蔬进行涂膜保鲜，显示出较好的保鲜效果。 1 5 研究目的 魔芋是我国的特产资源，魔芋中重要成份的魔芋葡甘聚糖是一种天然高分 子多糖，作为可再生资源，它的改性和利用一方面可节省大量石油资源，另一 方丽可以缓解大量非降解合成高分子材料废弃物造成的环境污染，k g m 及其 改性材料废弃后可以在自然环境中实现生物量的循环，是环境友好材料。自从 1 9 9 4 年美国和欧洲相继立法批准k g m 为健康食品及食品添加剂以来，国际市 场的魔芋需求量曰益增大。 目前，国际上很重视农副产品转化成工业品的研究与开发，这样可以提高 农副产品的价值。我国魔芋市场的现状是，重视魔芋精粉出口带来的经济效益 而忽视魔芋产品的深度开发，忽视了中囤本身这个潜在市场。我国对k g m 的 研究工作已开展十多年，主要研究内容集中在k g m 的结构，物理性质及一般 化学改性，深度改性及应用研究尚需进一步加强。本论文主要对魔芋葡甘聚糖 纯化、化学改性以及基于天然高分子的复合改性进行深入研究，从而为制备各 种用途的新材料提供新途径和科学数据及理论依据，以期充分利用我国特产资 源，实现农产品科技增值目的，提高经济和社会效益。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 1 引言 第二章魔芋葡甘露聚糖纯化及性能研究 魔芋精粉中约含4 0 8 0 的葡甘聚糖( k o n j a cg l u c o m a n n a n ，简称 k g m ) ，还含有少量蛋白质、食物纤维、淀粉、游离还原糖、氨基酸及少量无 机盐等6 13 。魔芋精粉中葡甘聚糖的含量高、分子量大，其精粉及其相应产品 的质量就好。由于魔芋葡甘聚糖及其改性产物水溶胶的高粘度、稳定性、乳化 性、高膨性、成膜性、凝胶性和特定的生物活性，使得它们在食品、医药、化 工、日化、造纸、纺织、石油和环保等领域具有很好的应用前景。因此，研究 魔芋葡甘聚糖的提纯方法具有重要的意义。魔芋葡甘露聚糖的提纯制备方法视 其研究目的而异，纯化后的产物依其溶解性可分为水溶性的和非水溶性的。本 章着重讨论水溶性k g m 的制备方法。 o h t s u k i 哺羽曾用再沉淀法由魔芋中提取k g m ，即对魔芋粉用5 0 乙醇浸 提、工业酒精脱水、烘干得k g m 粗粉：粗粉溶胀后再以甲醇做沉淀对此k g m 粗粉的水溶胶进行沉淀，得纯品k g m ，但是由此法获得的k g m 产品在水中 的溶解度很小，并且它的水溶液很不稳定；s u g i y a m a e ”】等也报道了一种获得水 溶性天然k g m 的方法，用5 0 的甲醇溶液浸沈魔芋粉的水溶胶，再经离心、 透析，然后低压冷冻干燥得k g m 精品，但经过重复实验证明由此种方法获得 的k g m 产品的水溶性仍不理想。 近年来水溶性k g m 的几种主要制备方法：n o r i k ok i s h l d a 等报道用5 0 乙醇提取除杂，干燥后配成水溶液，再经离心、透析、冷冻干燥后得纯化的葡 甘聚糖；吴贤聪等人”4 1 采取一种引入重金属离子纯化的方法，先将魔芋粉用 石油醚提取后，抽去石油醚得魔芋干粉，再加入n a o h 溶液( 4 0 ) 搅拌脱脂， 然后用h c i 溶液中和至p h = 7 ，再加乙醇沉淀后得魔芋葡甘聚糖；施般等“ 设计的纯化流程为先将魔芋粉加到乙醇和乙醚的混合液中回流过滤，滤渣用盐 酸水解过滤后，用8 0 乙醇洗涤，再加丙酮脱水，得纯品k g m ；莫湘涛等”1 应用生物酶法提取葡甘聚糖，在魔芋粉中加入a 一淀粉酶，液化灭菌、冷却、 加入糖化酶糖化灭菌，冷却后用乙醇沉淀法处理滤液，再经过滤、冷冻、干燥 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 得精制k g m 。 上述方法各有优点，但仍存在一些问题，主要不足是：工艺复杂，生产成 本高，不易于实验室操作；引入有毒的离子对环境有污染，且限制了魔芋可食 性膜的应用；引入酸水解，可能会将原料中多糖水解成单糖，破坏了魔芋多糖 结构的稳定性；应用生物酶法，虽然可将魔芋中主要杂质淀粉降解除去，但是 生物酶中可能混有少量分解葡甘聚糖的酶，因此它的选择降解性还不够理想。 本文在综合前人纯化k g m 的基础上，对各种方法的优缺点进行分析比较， 并加以改进，提出了一种设备简单、易操作、成本低且具有环保优点的提纯方 法。 2 2 实验部分 2 2 1 主要试剂及原料 魔芋粉 9 5 乙醇a r 无水乙醇a r 2 2 2 主要仪器 7 9 1 型磁力加热搅拌器 s h b 。i i i 循环水式多用真空泵 z f q 8 5 a 型旋转蒸发仪 d z f - 2 5 0 型真空干燥箱 a v a t a r 3 7 0 傅立叶红外光谱仪 c d r 4 p 差动热分析仪 w r t - 2 p 型热重分析仪 2 2 3 提纯方法设计 湖北恩施宏业魔芋公司 武汉江北化学试剂有限公司 武汉江北化学试剂有限公司 江苏金华仪器厂 郑州长城仪器厂 上海医械专机厂 郑州长城科工贸有限公司 美国n i c o l e t 公司 上海精密科学仪器有限公司 上海精密科学仪器有限公司 k g m 是分子较大的高分子，常温下长分子链缠绕在一起不利于在水中充 分解缠、溶胀。故在魔芋粉的溶胀过程中，应将水加热到一定温度，在搅拌的 条件下将其分批加入热水中以增加其溶胀程度；充分溶胀后的溶胶粘度很大， 加水稀释后才能进行抽滤除杂；k g m 长链大分子在水中解缠时，易将水分子 包覆其中，用乙醇为沉淀剂，在沉淀出产品的同时，可将包覆于k g m 中的水 9 硕士学位论文 m a s t e r s 1 1 t e s i s 分子充分溶解除去，从而提高产品的质量和产率。 依据以上几点，设计的提纯方法流程如下： 魔芋粉一溶胀一静置一稀释一抽滤一旋转蒸发浓缩一9 5 乙醇沉淀一无 水乙醇洗涤一风干一纯品k g m 。 2 2 4 实验条件的优化 本实验中，溶胀过程为最关键的一步，影响这一过程有两个因素：溶胀温 度和溶胀所需水的量，即溶胀浓度。 2 2 4 1 不同溶胀温度条件下的提纯 称取5 份约0 5 9 魔芋精粉，分别加入5 只盛有1 0 0 m l 蒸馏水的锥形瓶中， 保持锥形瓶中水温分别为：2 0 、4 0 。c 、6 0 、8 0 、1 0 0 ，加完后搅拌1h ， 使k g m 在水中充分溶胀，静置2h ，加入适量蒸馏水稀释使其分散均匀并用 3 g 玻璃砂漏斗抽滤上述溶胶，以除去溶胶中悬浮颗粒及不溶杂质，得到透明 滤液并旋转蒸发将其浓缩，以提高其浓度和粘度；再用9 5 乙醇做沉淀剂，分 批加入浓缩的k g m 溶胶中，不停搅拌，逐渐有白色絮状沉淀产生，继续加入 乙醇溶液，直至不再产生沉淀为止。用玻棒小心将此白色沉淀转移至烧杯中， 再用无水乙醇洗涤3 次，最后将此产品转移至表面皿中，自然风干至产品重量 恒定，计算产率。 2 2 4 2 不同溶胀用水量条件下的提纯 称取5 份约0 5 9 魔芋精粉，在5 只锥形瓶中分别加入蒸馏水量为：6 0 m l 、 8 0 m l 、1 0 0 m l 、1 2 0 m l 、1 4 0 m l ，保持水温均为6 0 。分别向锥形瓶中分批 加入称量好的魔芋精粉，加完后搅拌1h ，使其分散均匀并形成粘度均一的溶 胶，静置2h ，稀释，再用3 g 玻璃砂漏斗抽滤上述溶胶，以除去溶液中悬浮颗 粒及不溶杂质，得到透明滤液并旋转蒸发将其浓缩，从而增加其浓度和粘度。 用9 5 乙醇做沉淀剂，将乙醇分批加入浓缩后的k g m 溶胶中，不停用玻棒搅 拌，逐渐有白色絮状沉淀产生，继续加入乙醇溶液直至不再产生沉淀为止，用 玻棒小心将此白色沉淀其转移至烧杯中，再用无水乙醇洗涤3 遍，自然风干至 产品重量恒定，计算产率。 2 2 4 3 不同干燥方法下所得产品的表观性能 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 以乙醇作为沉淀剂沉淀出k g m 高分子，再用无水乙醇洗涤后，分别自然 烘干以及在真空干