（食品科学专业论文）魔芋葡甘露聚糖的改性及其质量控制的研究.pdf

摘要 摘要 本文旨在以魔芋葡甘露聚糖( k g m ) 为原料，开发适于饮料的功能性食品添加剂。 具体研究了超声波降解k g m 工艺、k g m 的乙酰化改性工艺、乙酰化魔芋葡甘露聚糖 ( k g m a ) 和k g m 的性质及其在乳饮料中的应用。在工艺研究的基础上，利用h a c c p 原理确定k g m 改性过程的关键质量控制点，以指导质量控制过程。 在超声波降解工艺研究中，首先通过单因素实验确定了各个单因素对降解的影响趋 势和取值范围：超声波功率( 2 5 0 - - - - 3 5 0w ) 、降解时间( 7 5 - 1 2 5m i n ) 、多糖浓度( 3 5g l 1 ) ；然后利用响应面对实验条件进行优化，确定了最佳降解条件为：超声波功率 3 0 0 w ，降解时间1 0 m i n 3 5 s ，多糖浓度4 9 l - 1 ，在此条件下，可得到分子量4 9 ，0 0 0 一1 7 0 ，0 0 0 d a 的k g m ，在芦荟多糖分子量分布范围( 5 ，0 0 0 - 2 0 0 ，0 0 0 d a ) l 为。 k g m a 制备工艺研究中，以羟胺比色法测定乙酰化度( d s ) ，以取代度、特性粘度为 指标，运用正交实验优化实验条件，确定了最佳乙酰化条件为：反应时间4 0 m i n ，反应 温度6 0 。c ，k g m 与乙酸酐的质量比1 1 ：l ，每克k g m 乙酰化催化剂用量o 6 9 。在此条件下， 可获得d s 为0 6 8 的k g m a ，与天然芦荟多糖的乙酰化度( o 仙8 ) 相近。 k g m a 物理化学性质的研究结果表明，其水溶液为假塑性流体，在p h 4 5 8 范围内 稳定，分子量对k g m ap h 稳定性影响的顺序为：3 0 0 ，0 0 0 1 5 0 ，0 0 0 5 0 ，0 0 0 ，d s 对k g m a p h 稳定性影响的顺序为：0 5 0 3 0 6 8 ，且分子量对p h 稳定性的影响大于乙酰化度；将 k g m a 应用于乳品饮料中，发现k g m a 的乙酰化度提高有利于乳品体系的稳定性，而分 子量降低不利于乳品体系的稳定性，k g m a 分子量在1 0 ，0 0 0 数量级以上、d s 在0 6 以上 较为合适：x 衍射测定发现，加入k g m a 的乳品体系固形物结晶度降低。 为了确保超声波可控降解k g m 及其乙酰化改性等关键工艺的有效实施，利用 h a c c p 原理对整个加工步骤中的潜在质量危害进行了系统分析，确定了四个关键质量 控制点( c q c p ) ：c q c p l 魔芋精粉验收；c q c p 2 配料、化学品和包装袋验收；c q c p 3 超声波降解；c q c p 4 乙酰化；并建立了相应的关键限值、监控程序、纠偏措施以及质量 控制计划表，完善了k g m a 新产品的策划和研发工作。 关键词：魔芋葡甘露聚糖；降解；乙酰化；质量控制；危害分析；x 一衍射；流变学特性； 关键质量控制点 a b s t r a c t t h i sp a p e ri s m a i n l yf o c u s e do nd e v e l o p i n gf u n c t i o n a la d d i t i v ef o rb e v e r a g eb y m 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 np o l y s a c c h a r i d e ( k g m ) i nt h i sp a p e r , d e g r a d a t i o no f k g m b yu l t r a s o n i c ，a c e t y l a t i n gm o d i f i c a t i o n ，t h ef u n c t i o n a l i t ya n da p p l i c a t i o no fk g m a n d k g m ai nt h e d a i r yp r o d u c t sw e r es t u d i e d b a s e d o nr e a s e a r c h i n gt h em o d i f i c a t i o n p r o c e s s ，c r i t i c a lq u a l i t yc o n t r o lp o i n t s ( c q c p ) w e r ec o n f i r m e db yh a c c ps y s t e m i nt 1 1 ep r o c e s so fd e g r a d a t i o no fk g m i n f l u e n c eo fr e a c t i o nc o n d i t i o n so nt h ed e g r e eo f d e g r a d a t i o nw e r es t u d i e d d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，s i n g l ef a c t o r s r a n g ew a sc o n f i r m e db y s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ：u l t r a s o n i cp o w e rw a s2 5 0t 0 3 5 0 w , d e g r a d a b l et i m ew a s7 5t o 12 5 m i n ，c o n c e n t r a t i o no fk g mw a s3t o5 9 l - 1 w h i 】er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db y r e s p o n s es u r f a c er e g r e s s i o ne x p e r i m e n ta n dt h eb e s td e g r a d a b l ec o n d i t i o n sw e r e u l t r a s o n i c p o w e rw a s3 0 0 w , d e g r a d a b l et i m ew a s10 m i n3 5 s c o n c e n t r a t i o no fk g m w a s4 9 l i nt h i s s e c t i o n ，t h em o l e c u l a rw e i g h t ( m w ) o fk g mw a s4 9 ，0 0 0t o17 0 ，0 0 0w h i c hi ss i m i l a rt oa l o e p o l y s a c c h r i d e i nt h ep r e p a r a t i o no fk g m a s e c t i o n ，d e g r e eo fa c e t y lw a sm e a s u r e db yh y d r o x y l a m i n e c o l o r i m e t r y w i t ht h ei n d i c a t o r so fd sa n dt 1 ，t h er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db y o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ：r e a c t i o nt i m ew a s4 0 m i n r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s6 0 ，m a s sr a t i o w a s1l ：1 - s o d i u ma c e t a t ew a s0 6 9 r a mp e rk g ma n dt h ed e g r e eo fa c e t y lw a s0 6 8w h i c hi s a l s os i m i l a rt oa l o ep o l y s a c c h r i d e k g m ai n f r a r e ds p e c t r as h o w s ：d u r i n ga c e t y l a t i o nr e a c t i o n p r o c e s s ，p r i m a r y s t r u c t u r eo fk g m aw a sn o tc h a n g e d ；b u tt h eq u a n t i t yo fa c e t y lw a s i n c r e a s e dt h a ts h o w sa e e t y l a t i o nr e a c t i o no c c u r r e d t h ek g m as o l u t i o nb e l o n g st op s e u d o p l a s t i cf l u i da n di tw a ss t a b l ew h e nt h ep hw a s 4 5t o8 5 a n dt h ei n f l u e n c eo fm wa n dd so nt h ep hs t a b i l i t yo fk g mw e r es t u d i e d r e s p e c t l y , t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：m wt ot h ep hs t a b i l i t y ：3 0 0 ，0 0 0 15 0 ，0 0 0 5 0 ，0 0 0 ，d st o p hs t a b i l i t y ：0 5 0 3 0 6 8a n dm o l e c u l a rw e i g h tw a sm o r ei m p o r t a n tf o r t h es t a b i l i t yt h a nd s d si n c r e a s ew a sg o o df o rt h es t a b i l i t y , b u tm o l e c u l a rw e i g h tw a sn o t w i t ht h em wa b o v e 10 ，0 0 0a n dd sa b o v e0 6 ，k g m aw a ss u i t a b l ef o rd i a r yp r o d u c t s t h ex - r a yd i f f r a c t i o n s h o w e dt h ec r y s t a ld e g r e eo ft h es o l i di nd i a r yw a sd e c r e a s e d h a c c ps y s t e mw a sa p p l i e di nt h ep r o c e s s i n go fm o d i f i c a t i o nq u a l i t yc o n t r o la n d p o t e n t i a lh a z a r da n a l y s i sw a sc a r r i e do u t t h e r ew e r ef o u rc r i t i c a lq u l i t yc o n t r o lp o i n t s ： ( c q c p i ，c h e c ka n da c c e p to fk g m ；c q c p 2 ，c h e c ka n da c c p t eo fc h e m i c a l sa n dp a k a g e m a t e r i a l s ；c q c p 3 ，d e g r a d a t i o n ；c q c p 4 ，a c e t y l a t i n g ；) a n d c r i t i c a l l i m i t s ，m o n i t o r i n g p r o c e d u r e s ，c o r r e c t i v ea c t i o n so fe a c hc q c p , q u a n l i t yc o n t r o lp l a nt a b l ew e r ea l s o e s t a b l i s h e ds ot h a tw e - c a ni m p r o v et h ep l a na n dr e s e a r c ho ft h en e wp r o d u c t k e y w o r d s ：k o n j a cg l u c o m a n n a np o l y s a c c h a r i d e ；d e g r a d a t i o n ；a c e t y l a t i o n ；q u a l i t yc o n t r o l ； h a z a r da n a l y s i s ；x - d i f f r a c t i o n ；r h e o l o g i c a lc h a r a c t e r ；c r i t i c a lq u a n l i t yc o n t r o lp o i n t l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是举人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 期：加艿、苫、tc 7 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件争磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 阻! 彝 导师签名：僻和 日 期：洲b g 。ff 7 第一章绪论 1 1 魔芋葡甘露聚糖简介 1 1 1 魔芋葡甘露聚糖的结构 第一章绪论 侧 a l 黼 o h a 一 图1 - 1 魔芋葡甘露聚糖的分子结构 f i g1 - 1m o l e c u l a rs t r u c t u r eo fk g m 魔芋为天南星科魔芋属植物( a m o r p h o p h a l l u sk o n j a c k k o c h ) 的球状块茎，主要化学成 分为魔芋葡甘露聚糖( k o n j a eg l u c o m a n n a np o l y s a c c h a r i d e ，简称k g m ) ，含量高达5 0 以上，粗蛋白质为9 7 ，1 6 种氨基酸含量为7 8 ，7 种人体必需氨基酸总量为2 5 ，还含 有镁、铁、钙、钾、钠、锰、铜等微量元素f l 】。k g m 又称魔芋多糖，是一种以黏液状葡 聚糖粒子形式存在于魔芋球茎中的线性高分子水溶性多糖。k g m 是一类由摩尔比为 1 ：1 6 - - 一1 7 的葡萄糖和甘露糖组成的天然植物中性多糖，其主链通过d 1 ，4 糖苷键聚合而 成，它在某些糖残基c 3 位上存在由d 1 ，3 糖苷键组成的支链，主链上每3 2 个糖残基有3 个 支链，每条支链仅有几个糖残基，大约每1 9 个糖残基上有一个以酯键结合的乙酰基1 2 圳。 k g m 的分子量为5 0 0 ，0 0 0 - 2 ，0 0 0 ，0 0 0 万d a ，随魔芋的品种、加工方法及原料储存时间而 变化。 1 1 2 魔芋葡甘露聚糖的物理化学比贡 ( 1 ) 流变性 魔芋葡甘聚糖易溶于水，不溶于甲醇、乙醇、丙酮、乙醚等有机溶剂。其水溶液为假 塑性液体，即有剪切变稀的性质1 5 。7 】。表观粘度随着剪切速率的增加而降低，k g m 溶液在 浓度为0 4 2 范围，其粘度的对数与浓度呈正相关，尤其当溶液浓度达到2 时，剪 切变稀现象特别明显；魔芋葡甘露聚糖的粘度会随温度的上升而逐渐下降，冷却后又上 升，但不能回到加热前的水平1 8 9 】。魔芋葡甘聚糖不耐8 0 c 以上的高温，如魔芋葡甘聚糖 溶胶在1 2 1 下保温0 5 h ，粘度约下降5 0 。水溶液的稳定性差，在2 5 下放置5 h 后，粘 度明显下降，2 4 h 后完全变稀；对p n 值敏感，在酸性条件下，溶胶性质良好，而在碱性 条件下易发生凝沉现象【l l 】。k o h y a m a 等t 1 叫观察了p h 对魔芋葡甘聚糖粘度等指标的影响。 结果表明，在p h3 以下和在p h1 1 5 以上粘度迅速下降，在p h3 - - 9 之间粘度较稳定。 ( 2 ) 增稠性 魔芋葡甘聚糖分子量大、水合能力强和不带电荷等特性决定了它优良的增稠性质。 l 的魔芋精粉的粘度达到数十帕斯卡秒( p a s ) ，高的达至l j 2 0 0 p a s 。与黄原胶、瓜尔胶、 江南大学硕士学位论文 刺槐豆胶等增稠剂相比，它属于非离子型，受体系中盐的影响很小l l 引。 魔芋葡甘聚糖与黄原胶、淀粉等增稠剂有协同增稠作用。若在1 黄原胶溶液中加 0 0 2 - 0 0 3 的魔芋精粉，粘度可增加2 3 倍1 1 2 j 。在增稠剂总量为5 时，4 5 变性玉 米淀粉和0 5 魔芋精粉糊化后的粘度比5 变性玉米淀粉的粘度高出4 6 , - - , 8 6 1 3 1 。 ( 3 ) 凝胶性 在食品工业中，许多食品需依赖于亲水胶体物的胶凝性质，形成一定的形状和一定 的质构，并保证所期望的融化温度和( 或) 增强风味的释放。明胶、卡拉胶、果胶和海藻 酸钠就是这类典型的亲水胶体物。魔芋葡甘聚糖具有独特的胶凝性能，在一定条件下可 以形成热可逆( 热不稳定) 凝胶和热不可逆( 热稳定) 凝胶。k g m 溶液的浓度在2 4 时， 在强烈的搅拌下剪切稀化，具有一定的流动性，静置后，流动性变小而逐渐形成热可逆 凝胶。k g m 与黄原胶、卡拉胶等存在强烈的协同作用，复配后可以形成热可逆凝胶。 在有k o h 、n a o h 、n a e c 0 3 、k 2 c 0 3 、k 3 p 0 4 等胶凝剂存在时加热，k g m 则能形成热不 可逆凝胶。 凝胶机理现已清楚：在碱性加热条件下，魔芋葡甘聚糖链上由乙酸与糖残基上羟基 形成的酯键发生水解，即脱去乙酰基。葡甘聚糖变为裸状，分子间则形成氢键而产生部 分结构结晶作用，以这种结晶为结节点形成了网状结构体，即凝胶。 1 1 3 魔芋葡甘露聚糖的功能性质 k g m 是一种非离子型水溶性高分子多糖，分子中含有大量羟基、羰基等亲水性基 团，能结合大量水分，通过氢键、分子偶极、诱偶极、瞬间偶极等作用力与水分子结合 形成很难自由运动的巨大分子，自动吸收水分膨胀形成溶胶，其水溶液为牛顿流体，在 凝胶食品中，k g m 大分子能形成网络结构，吸水量达到自身重量的8 0 1 2 0 倍仍能成溶 胶态【l ，是一种优良的食品增稠剂，在食品工业得到广泛的应用。 经国内外研究证实，魔芋葡甘聚糖是一种优良的水溶性膳食纤维，具有多种生理活 性，在机体中发挥着重要的作用，对营养不平衡有重要的调节作用，如防治便秘、降血脂、 降血糖、减肥、抗癌等。 1 、k g m 可提高肌体免疫能力，清除自由基、延缓衰老、增强免疫力、抑制肿瘤、 预防和治疗便秘、抑制自发性肝癌、结肠癌。 2 、降血糖，防治糖尿病。 k g m 可以增加饱腹感，减少食物摄入量，从而降低血糖水平；作为膳食纤维，k g m 可以改善末梢组织对胰岛素的感觉性，降低对胰岛素的需要，从而调节糖尿病者的血糖 水平。此外，k g m 分子量高，吸水后粘性大，能延缓葡萄糖的吸收，减轻胰岛的负担， 促使糖尿病人处于良性循环状态。刘红等学者通过建立小鼠四氧嘧啶糖尿动物模型，观 察k g m 对小鼠血糖的影响，结果表明k g m 对四氧嘧啶糖尿小鼠血糖具有防治作用【1 4 1 。 3 、减肥作用 k g m 不能被肠道内的消化酶水解，只能被大肠内的微生物作为碳源利用，属于低 热量食品；k g m 吸水性强，吸水后体积膨胀，产生饱腹感，从而在一定程度上起到控 制饮食的作用；k g m 具有润肠能便的作用，使部分未被吸收的营养物质随粪便排出， 2 第一章绪论 起到通便减肥的作用。阴格选等学者将k g m 精粉添加进高脂肪、高营养的饮料中饲喂 出生2 4 天的s d 大鼠，发现k g m 能减少脂肪的堆积，起减肥作用【1 4 】。 4 、k g m 能螯合胆固醇，降低血脂、抗脂肪肝作用，降低体内甘油三酯( t g ) 、总胆 固醇( t c ) 、低密度脂蛋白胆固醇( l d l c ) 水平；提高体内高密度脂蛋白胆固醇( h d l 。c ) 、 载脂蛋白a i 水平。 5 、k g m 抗细胞老化，能延长脑神经胶质细胞、心肌细胞和大、中动脉内膜内皮细 胞老化，改善心脑和血管功能。 1 2 魔芋葡甘露聚糖的研究现状 1 2 1 魔芋葡甘露聚糖的应用研究 k g m 是一种可溶性半纤维，具有胶溶、凝胶、成胶的性能，可用作食品原料。k g m 具有良好的吸水性、增稠性、成膜性、凝胶性等功能性质，广泛应用于食品、化工、医 药、纺织、环保、农业等领域。 魔芋的食用历史悠久，在中国西晋文学家左思著的蜀都赋中已有记载。之后魔芋 从中国传到日本，迄今仍是日本民间最喜食的风雅食品。魔芋食品不仅味美，而且有治 病、健身的功效，被誉为健康食品f 朋。 1 、在保健食品中的应用 作为保健食品，魔芋在中国和日本已有着外贸的食用历史。传统的魔芋的食品有片 状魔芋、丝状魔芋、魔芋豆腐、魔芋糕等，日本新研制出蔬菜魔芋。现代营养学研究表 明，k g m 作为一种优质的膳食纤维在保健食品领域越来越受到重视。 k g m 是一种优质的膳食纤维，具有多种生理功能，逐渐在营养学领域受到重视。 魔芋凝胶食品是一种理想的高纤维、低热量、低脂肪食物，具有降血压、减肥、保健等 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品。 2 、作为食品添加剂 k g m 是我国目前发现的功能性较齐全的全天然水溶性食用胶类，可用作增稠剂、 乳化剂、胶凝剂、悬浮剂、保水剂等。k g m 是一种非离子型水溶性多糖，能和大多数 离子型食用胶类共溶、增效，因此在食品添加剂中得到广泛应用。如可以用于乳制品、 豆制品中的稳定剂；固体饮料中的增稠剂、凝胶剂等【1 7 】。 1 9 9 7 年美国食品与药品管理局( f d a ) 批准k g m 作为食品添加剂，欧盟也在1 9 9 8 年批准k g m 用于食品，k g m 作为食品添加剂得以广泛的应用。 3 、用于仿生食品 仿生食品是食品行业的新兴产品。近年来，世界各国为了满足消费者的需要，竞相 开发出许多不同类型的营养丰富、食用方便、物美价廉的“人造食品 。k g m 脱乙酰基 后可形成稳定的、热不可逆的网状结构，是加工仿生食品的良好基料。张东华等学者利 用k g m 研制出仿生牛肉、仿生海产品。 4 、在食品保鲜中的应用 魔芋葡甘聚糖易形成膜，该膜对0 2 、c 0 2 、c 2 h 2 具有一定的选择渗透作用，可防止 江南大学硕士学位论文 水分蒸发，降低果蔬的呼吸强度，减少营养物质的损耗，而且具有抑制病菌和霉菌的功 能，因而可广泛地应用于食品保鲜。邹少强等学者的研究表明：在常温下保鲜龙眼时，利 用魔芋葡甘聚糖在其表面形成薄膜，常温( 2 9 - - 一3 1 1 ) 下贮藏1 0 天后，龙眼失重率为 2 5 6 ，好果率达8 2 8 6 ，基本上抑制了果皮褐变和失水，抑制了果肉腐烂变质，保持 了龙眼的原有品质，延长了贮藏期和货架寿命l l 引。 在魔芋葡甘聚糖中加人某些添加剂进行物理改性或化学改性，可以改变膜的柔软性、 透气性和透明度，改善机械性能，提高保鲜效果。k g m 溶胶还可以作为果蔬制品的保 鲜剂。新鲜果蔬经k g m 涂抹处理，可抑制水分挥发和营养物质的消耗，降低氧气进入 鲜品的速度，减弱鲜品的呼吸强度，同时还可抑制霉菌和病菌的入侵和蔓延，起到防腐 保鲜的作用【1 9 】。 此外，k g m 具有良好的生物相容性、亲水性、生物降解性，可应用于一些功能材 料。k g m 用作固定化载体、亲和层析载体，c p e r o l s 等利用k g m 溶胶制备干酪产品， 用来固定蛋白水解酶：周立用k g m 作为亲和层析的载体，效果比传统的s e p h a r o s e4 b 大大增加【2 0 - 2 1 1 。 1 2 2 魔芋葡甘露聚糖的改性研究 魔芋精粉是魔芋干燥、粉碎、筛选后的产品，主要成分是魔芋葡甘聚糖( k o n j a e g l u c o m a n n a n ，简称k g m ) ，具有吸水、保湿、胶凝、成膜等性能及降血糖、降血脂等 特殊的生理功能。在石油、纺织、建筑等工业领域中，利用魔芋精粉特定衍生物的吸水、 增稠、稳定等性能，均有广泛应用。但由于魔芋葡甘聚糖吸水性强，在水中的溶胀度高， 溶胶的溶解度低、稳定性差、流动性不好及稳定性差陋】，使其应用受到限制。近年来， 为其更广泛的应用，对k g m 的深入研究，研究者试图通过改性来拓宽k g m 的应用范 围，挖掘出k g m 所具有的潜在价值。 1 、物理改性 物理改性主要用于k g m 的纯化、凝胶、共混等。马惠玲、张院民等利用酒精溶液 浸泡和胶体磨的挤压作用对魔芋精粉进行处理睇3 。，k g m 表面覆盖的一层非葡甘聚糖成 分在浸泡和挤压下被去除，同时k g m 分子受到强烈挤压产生一定的交联效应，使魔芋 葡甘聚糖分子链部分降低或空间结构改变，产生了分子改性现象，其水溶性、粘度、成 膜性等明显提高。用机械共混方法使k g m 与其它组分进行物理共混，可增强魔芋精粉 的凝胶性能【2 4 粕】。如魔芋精粉在搅拌作用下加入大豆蛋白后进行热处理，使蛋白质变性， 紧密有序的结构变得松散无序，k g m 和大豆蛋白通过盐键和疏水相互作用形成凝胶， 研究表明这种相互作用形成的络合物是一种新型的胶凝剂：在机械作用和热作用及溶剂 的分散作用下：k g m 与壳聚糖、卡拉胶、黄原胶等的复配产物成膜性好，凝胶性强。 说明它们复配后产生了分子间的交联，增强了高分子的韧性。这种复配后的优良凝胶性 能和成膜性能可广泛地应用于食品行业和医药行业。如果冻、软糖的制备及潜在的医用 材料等【2 7 1 。 2 、化学改性 由k g m 的结构可知：k g m 分子中含有乙酰基和大量的羟基，可以方便的对其进 4 第一覃绪论 行脱乙酰基、醚化、酯化、接枝等化学处理。在k g m 的分子链上引入或脱掉一些基团， 使k g m 的分子结构发生改变，开发出多种具有特殊加工性能的k g m 的衍生物，即为 化学改性。 ( 1 ) 脱乙酰基改性：k g m 在温和的碱性条件下，脱掉乙酰基团。脱乙酰基后的葡甘 聚糖有利于分子间羟基的氢键相互交联及成膜性能的改变【2 8 1 。林晓艳等2 9 1 对k g m 去乙 酰基改性的条件及改性产物的成膜特性进行了研究：魔芋精粉浓度l ，c a ( o h ) 2 调节p h 为1 0 时，制膜效果较好，耐折度及抗张强度均有很大程度提高。当环境的p h 值超过 1 2 时，去乙酰基的溶胶中会出现絮状物，即发生了溶胶向凝胶的转变，其凝胶机理为： 在碱性加热条件下，魔芋葡甘聚糖分子链上由乙酸与糖基上羟基形成的酯键发生水解， 即脱去乙酰基，这样，葡甘聚糖变为裸状，分子间则形成氢键而产生部分结构结晶作用， 以这种结晶为结节点形成了网状结构体即凝胶。魔芋葡甘聚糖凝胶强度与交联剂、溶液 浓度等相关，具有温度升高、凝胶弹韧性上升、凝胶热不可逆等特性。魔芋葡甘聚糖经 凝胶化处理可制成固定化载体，可作凝胶色谱固定添加剂、柱分离组分等，在医学、食 品有广泛的应用前景。 ( 2 ) k g m 的交联化学改性 魔芋葡甘聚糖分子中存在多个可反应的羟基，可与多种交联剂发生交联反应。k g m 与具有两个或多个官能团的化学试剂起反应，使k g m 分子经基间联结在一起，所得的 衍生物称为交联k g m 。k g m 交联的形式有酰化交联、酯化交联和醚化交联等，化学反 应式如下： k g m o h + h o k g m r 。k g m o x k g m 目前在工业上应用于多糖的交联剂不多，主要有三偏磷酸钠、六偏磷酸钠、三氯氧 磷以及双官能团的醛类物质【3 0 l 。张升晖、宋新建等【3 1 1 对三氯氧磷为交联剂对魔芋精粉的 交联化学改性进行了研究，最佳的改性条件为：反应温度为5 0 - - 一60 c ，三氯氧磷用量为 每1 0 0 9 精粉6 m l ，p h 8 0 1 0 0 ，改性时间为4 0m i n ，其交联改性方法简便易行，反应快捷， 易于控制，产物的成膜性能、抗菌性能、耐水性能、抗剪切性能有显著提高。其原理是 经交联的k g m ，加强了分子间的氢键，使k g m 分子更紧密地结合在一起。适度交联的 k g m 具有合适的糊粘度。用硫酸二甲酯处理，k g m 甲基化产物，水溶性、稳定性均增 加。汪超等1 3 2 j 改进k g m 羧甲基化的方法制备的羧甲基葡甘露聚糖，可以得到较高粘度、 较高取代度的产品。牛春梅等【3 3 】以3 氯2 羟丙基三甲基氯化铵为醚化剂，制得系列季 铵盐阳离子魔芋葡甘聚糖，产物水溶性好，电荷量大。在食品工业中可用作增稠剂：在医 药工业中，可用作外科乳胶用品的润滑剂及赋形剂；在纺织工业中，可用作合成纤维上浆 及纺织品碱性印花、染色等，还可用作日化的爽身粉、粘合剂、水果保鲜膜等。工业上 可应用交联与其它化学反应结合制备复合变性k g m ，以拓宽其更广泛的应用。 ( 4 ) 酯化改性 将魔芋葡甘聚糖与酸或酸等在一定的条件下反应，即可生成相应的酯化产物。有关 魔芋葡甘聚糖的酷化改性研究我国进行的比较早，也比较多，较为成熟的是乙酰化k g m 、 马来酸酐酯化k g m 和磷酸酯化k g m 。马辉文等【3 5 】采用乙酰化的魔芋胶复配其它胶液 江南大学硕士学位论文 制成的复合魔芋胶有广泛的应用领域。胡慰望、谢笔均等f 3 8 j 对魔芋k g m 的马来酸酐 酯化和磷酸酯化进行了研究。磷酸酯化k g m 的结构如下： ooo j ii il | k g m o p o mk g m o p o k g mk g m o p o k g m ii o m0 mo k g m 磷酸一酯磷酸二酯 磷酸三酯 马来酸酐酯化k g m 的制备如下：一定量的马来酸酐溶解予纯净水，调节p h ，一定 温度水浴加热，搅拌下加入一定量的精粉，5m i n 后放入已预热的5 0 c 鼓风干燥箱反应 2 h ，冷却、洗涤干燥即得马来酸酐酯化k g m 。制取酯化k g m 的反应条件会显著地影响 产品的性质，经过酯化的k g m 耐剪切、酸碱的性能显著提高，特别是乙酰化k g m ，其 良好的粘度稳定性、高的胶液透明度、很好的粘附纱线特性及高的抗张强度和柔韧性， 可广泛应用于食品、造纸、纺织等工业。工业上可根据不同的反应条件制得具有各种特 性和用途的系列产品。 ( 5 ) k g m 的氧化改性 氧化魔芋葡甘聚塘( o k g m ) 与k g m 相比，颜色洁白，糊液粘度低且稳定性、透 明性和成膜性好，原理为k g m 经氧化作用而引起解聚，结果产生低粘度分散体并引进 羰基和羧基，使其糊液粘度稳定性增加，可广泛应用于涂料、印染糊料、造纸工业等。 采用不同的氧化工艺、氧化剂可制得性能不同的o k g m ，常采用的氧化剂有双氧水、过 醋酸、次氯酸钠、高锰酸钾等。 影响o k g m 的因素较多，主要有：氧化剂的用量、反应温度、反应的p h 值、其它因 素如糊液的浓度等。以h 2 0 2 作氧化剂为例，其工艺如下1 3 9 1 ：在5 0 0 m l = 1 3 瓶中加人料 液比为l ：4 的异丙醇及k g m ，搅拌5 m i n ，调p h7 5 ，反应温度4 5 ，滴加2 4 的h 2 0 23 0 r a i n 滴完，反应4 h ，过滤、洗涤、干燥得氧化成品。 ( 6 ) 接枝共聚 k g m 分子链上含有大量的羟基，其伯羟基、仲羟基等处皆可以成为接枝点，可方 便地与丙烯睛、丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯等单体进行接枝共聚反应，形成接 枝共聚魔芋葡甘聚糖。不同的接枝单体、接枝率、接枝频率，可以制得各种具有独特性 能的产品，可分为吸水性接枝共聚物、热塑性高分子接枝共聚物等。许多单体与k g m 接枝都具有吸水功能，目前有关魔芋超强吸水剂的研究我国已有专利【4 0 l ，工艺过程如下： 魔芋精粉一聚合( 亲水性单体、引发剂) 一交联( 交联剂) 一冷却中和一离心分离、洗涤( 水 或醇水混合物) 、干燥，粉碎得到产品。 ( 7 ) 生物改性 魔芋葡甘聚糖的生物改性技术主要是酶法改性，通过相应的多糖酶作用，使k g m 的空间结构发生相应的改变，使长的k g m 分子链水解为短的k g m 分子链，即使k g m 多糖部分地转为低聚糖或寡糖。k g m 的酶解过程中，底物浓度不同、酶用量不同，反 应条件不同，则所得的水解度不同，表现不同的功能理化特性。k g m 低聚糖是一种促 生双歧杆菌增殖的有效物质，称为“双歧杆菌增殖因子”；作为载体可大量应用于食品、 6 第一章绪论 医药、生物制品、农药等方面。李庆国等1 4 ，进行了利用r 酶降解魔芋葡甘聚糖，获得 低聚糖用于农药的研究。当制备不同摩尔质量的k g m 时，酶促降解提供了一种高效、 环保且操作条件温和的方法，已成为当前国内外研究的热点。 1 3 多糖分子修饰与多糖功能活性关系的国内外研究进展 多糖的生物活性与其初级结构和高级结构密切相关。多糖活性主要受以因素的影响： 主链碳单元的组成、糖苷键的类型、主链的构型、支链的构型、分子量大小和多糖的粘 度。分子修饰通过改变以上影响因素，使多糖的一级结构和高级结构发生变化，进而对 多糖的活性产生影响。对多糖进行分子修饰已成为多糖构效关系研究的重要手段。 1 3 1 主链糖单元对多糖功能活性的影响 主链糖单元的组成决定了多糖的种类，不同种类的多糖，其生物学活性存在较大差 异，尤其对抗肿瘤活性的影响较大。其中的b1 1 ，3 ) 糖苷键起着重要作用，大多活性多 糖如葡聚糖都具有1 31 l ，3 ) 糖苷键。同是以葡聚糖为主链的多糖，香菇多糖具有较强的 抗肿瘤活性，而淀粉则无任何生物学活性，这在一定程度上源于两者主链糖苷键的类型 不同，前者为( 1 ，3 ) 键型，后者为( 1 ，4 ) 键型。根据主链糖单元的组成可将多糖分为两类： 同多糖和杂多糖。同多糖是指主链由同单糖连接而成的多糖；杂多糖则是由两种或两 种以上的单糖连接而成的多糖。目前已应用于临床的抗肿瘤多糖药物，如香菇多糖、裂 褶多糖、灰树花多糖等均为具有葡聚糖主链结构的真菌多糖。葡聚糖是自然界许多动植 物和微生物多糖的基本结构单元，据推测，它可能是生物产生宿主防御机制的基本诱发 基因。除葡聚糖以外，其他同多糖也具有一定的生物学活性，如从酵母细胞壁中得到的 甘露多糖能抑制人体细胞突变和抗氧化的活性【4 2 1 。具有生物学活性的杂多糖也有报道， 以半乳糖葡萄糖为主链的杂多糖t h a m n o l a n 具有突出的免疫调节功能和抗肿瘤活性1 4 3 。 1 3 2 分子量对多糖功能活性的影响 分子量大小是多糖具备生物活性的必要条件，这可能同多糖分子形成的高级构型有 关。但相对摩尔质量越大，则分子体积越大，不利于跨越细胞膜进入生物体内发挥生物 活性。不同的多糖产生生物活性有各自的最佳相对摩尔质量的范围。其中相对分子质量 在1 0 0 ，0 0 0 - - - 2 0 0 ，0 0 0 之间的多糖活性最强。来源相同相对分子质量范围为5 , 0 0 0 - - 1 0 ，0 0 0 的多糖，都不具备生物活性，而相同来源的多糖其结构具有类似性，由此可知其分子大 小对于其生物活性至关重要m j 。 运用分子修饰手段将多糖降解到适宜的摩尔质量，得到高活性低摩尔质量的多糖片 段或寡糖，或通过络合等方法得到具有活性的高摩尔质量的多糖复合物。c a 0 1 4 5 】等人报 道，硫酸化凝结多糖在相对摩尔质量( 7 - - 1 1 ) x1 0 3 内，随摩尔质量升高，其抗凝血活 性有增强的趋势。李春美等人报道，魔芋葡甘露聚糖摩尔质量在3 0 ，0 0 0 - 8 0 ，0 0 0 之间对 实验性糖尿病小鼠的降血糖效果最好m j 。 多糖的粘度和溶解度对其实际应用和生物活性有极大影响。因此，对于某些高粘度 的多糖可采用降低摩尔质量的方法，增加其溶解度，降低粘度，同时保证其基本结构单 元不变，从而提高和保持活性，促进应用。如裂褶菌多糖，由于粘度大而限制了其应用 7 江南大学硕士学位论文 范围。经部分降解，摩尔质量降低，同时粘度下降，但基本重复结构不变，保持了原有活 性1 4 ，扩大了应用范围。 1 3 3 分支度和支链组成对多糖功能活性的影响 具有生物活性的( 1 ，3 ) 1 3 葡聚糖的分支度范围很广：在0 0 1 5 - - 0 7 5 0 之间都有分 布。但其主要分布在0 2 0 - 0 3 3 之间，该段的多糖活性也相对更强。多糖取代基的种 类、数目、位置对多糖活性也有显著影响。分子修饰可以通过改变多糖取代基的种类、 数目和位置来改变多糖的结构，得到高活性的多糖衍生物。m i s a k i 对一些( 1 ，3 ) 一b 葡聚 糖进行高碘酸氧化( 仅有支链单元被氧化) ，然后使其还原生成葡聚糖多元醇，该衍生物 抗肿瘤活性得到增强，并且其抗肿瘤的强度直接同其多元羟基的含量有关。将其多元羟 基侧链完全去除则导致其抗肿瘤活性的丧失。s o n e 、y a m a d a 等在对不同多糖的衍生研 究中也得到了相同结论郴j 。 羧基化对多糖活性有很大影响，如淀粉无免疫调节活性，但其羧甲基产物羧甲基淀 粉( c m s ) 和羧甲基直链淀粉( c m a ) 均具有免疫调节作用1 4 9 。 多糖中乙酰基对多糖活性亦有影响，因为它能改变多糖分子的定向性和横次序，从 而改变多糖的物理性质，乙酰基的引入使分子的伸展变化，最终导致多糖羧基基团的暴 露，增加在水中的溶解性。地衣类多糖石脐素闻是1 3 ( 1 6 ) d 葡聚糖，因部分乙酰 化而具有溶解性，表现为抗肿瘤活性，当脱乙酰化或全乙酰化后其溶解性降低，就丧失 抗肿瘤活性1 5 0 1 。 1 3 4 构象对多糖功能活性的影响 多糖的构象对其功能活性起决定性作用。多糖构象是多糖基本结构作用的整体结 果。由于多糖结构的复杂性，目前多糖的结构研究大多还局限于一级结构上，大多高级 构象还不明了。但多糖作为一个大分子，可以肯定的是多糖的高级结构对于多糖的活性 的发挥起着更为重要的作用。多糖改性可以改变多糖的空间结构，从而对构效关系产生 影响。o h n o 研究发现1 5 ，对于水溶性b ( i - 3 ) d 葡聚糖，只有相对摩尔质量在9 0 0 0 0 以上才能具有免疫活性。这是因为摩尔质量影响了多糖的空间结构，相对摩尔质量在 9 0 ，0 0 0 以上的多糖才能形成三股螺旋结构，导致活性的变化。1 9 8 6 年k o j i m a1 5 2 报道相 对分子质量大于1 0 0 ，0 0 0 的高分子裂裥茵多糖能形成类似的三股螺旋构型，并且只有具 有该构型才具有活性其抗肿瘤活性同水溶液中三螺旋结构所占的比例有关。如果三螺旋 结构低于5 0 ，就不具有强的抗肿瘤活性香菇多糖具1 3 3 股绳状螺旋型立体结构，如 在香菇多糖中加入尿素或二甲亚枫，使分子的立体构型发生改变，则其活性也就丧失。另 外也发现s s g 的抗肿瘤活性同其构象之间也具有相关性。 近年来多糖构效理论研究得到了较快的发展，但构效理论仍不够完善。多糖构效理 论来自于对天然多糖结构与功能活性对应关系的总结，又反过来指导多糖分子修饰研 究，因此受天然多糖所表现出的功能活性的左右。此外，目前的研究通常只针对单因素 对多糖活性的影响而没有考察多个因素存在情况下的交互作用，以及影响因素的主次顺 序。 第一章绪论 1 4 多糖的降解方法 研究表明，多糖具有较好的生物活性，如抗肿瘤、提高免疫力、降血糖、抗衰老等 功效，但由于未降解的多糖分子量大、分子体积大、水溶性差，不利于生物吸收在体内 发挥生物活性，而且若直接注入体内也有较大毒性，极大的限制了多糖的应用。 此外，摩尔质量与多糖的溶解度和粘度密切相关，对于某些高粘度的多糖可采用降 低摩尔质量的方法，改善其溶解性和流变学特性，降低粘度，但保证其基本结构单元不 变，从而提高和保持活性，促进应用。目前，多糖降解方法主要分为化学降解法、物理 降解法和生物降解法。 1 4 1 化学降解法 酸降解常将多糖溶于无机酸如磷酸、盐酸中，加热到一定温度进行降解。这种方法 简便易行，但降解后的多糖分子量分布较宽，同时产物分离提纯困难，生产成本高，污 染严重。杭志喜等【5 3 l 研究表明，稀酸降解的主要影响因素是质量分数，但酸在降解过程 中起催化作用，不能只靠增加酸质量分数来提高转化率，而是要对反应物进行深度处理， 增加其与酸的接触，从而提高转化率。 氧化降解目前研究较多的是过氧化氢法。h 2 0 2 氧化降解多糖无毒，无副产物，是一 种较理想的化学降解方法。但是工艺条件较难掌握，反应的稳定性和重复性差；若反应 时间较长，还会影响产品的外观品质。王琪琳等【5 4 j 研究发现：海带硫酸多糖可以被h 2 0 2 有效地降解，降解之后海带硫酸多糖的多糖含量、硫酸根含量及单糖组成基本没有变化。 师然新等【5 5 】用h 2 0 2 降解角叉