羥丙基化羅望子多糖合成工藝研究

高立顏 張曉東

(青島大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院 山東 青島:266071)

羅望子多糖是從羅望子種子中提取分離出來(lái)的一種中性多糖,易分散于冷水,但不溶于冷水。羅望子多糖膠具有良好的耐熱、耐鹽、耐酸、耐冷凍和解凍性能,并具有穩(wěn)定、乳化、增稠、凝結(jié)、保水、成膜與保健作用[1],已廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、紡織、乳膠、造紙及日化等行業(yè)[2-5]。但由于其室溫不溶于水,以及易產(chǎn)生老化現(xiàn)象[6],因而不能很好的滿(mǎn)足食品與飲料加工和貯藏需要。為了改善羅望子多糖膠的室溫水溶性,國(guó)外已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了羧甲基化改性研究,并取得了一定成效。但到目前為止尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)羅望子膠進(jìn)行羥丙基化改性研究。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

堿性羅望子膠粉(工業(yè)品,蛋白質(zhì)含量<3%);工業(yè)酒精(90%);環(huán)氧丙烷(CP);氫氧化鈉(AR),鹽酸(AR),1,2-丙二醇(AR),濃硫酸(AR),水合茚三酮(AR);紅外光譜儀器 (Nicolet FI-IR200),美國(guó)Thermo公司;UV-2101PC型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),上海優(yōu)尼科公司;Advance III600MHz核磁共振波普儀,瑞士布魯克公司;NDJ-1旋轉(zhuǎn)粘度計(jì),上海森地科學(xué)儀器設(shè)備有限公司;Brookfield DV-I+型粘度計(jì),美國(guó)Brookfield公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

環(huán)氧丙烷在堿性條件下可與羅望子多糖起醚化反應(yīng)得到羥丙基羅望子多糖(HPT),反應(yīng)方程式如下:

當(dāng)然在反應(yīng)過(guò)程中也存在副反應(yīng) ,如環(huán)氧丙烷在堿性條件下開(kāi)環(huán)自聚或生成丙二醇,以及當(dāng)羥丙基化反應(yīng)達(dá)到一定程度后,環(huán)氧丙烷也會(huì)與產(chǎn)物中的羥丙基上的羥基發(fā)生副反應(yīng)[7]等。

1.3 羥丙基羅望子膠粉的制備

稱(chēng)取45g羅望子膠粉,用適量工業(yè)酒精攪拌打漿10min,加入氫氧化鈉,調(diào)節(jié)漿液 PH=10～11[8-9],于室溫下加入一定量環(huán)氧丙烷,密封好,開(kāi)動(dòng)攪拌,升溫至所需溫度反應(yīng)一定時(shí)間,抽濾,調(diào)p H值至6.5,烘干,粉碎,得羥丙基化羅望子多糖膠粉(HPT)。

1.4 羥丙基羅望子膠粉結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

1.4.1 羥丙基羅望子膠粉取代度測(cè)定

采用JONES和JOHN的分光光度計(jì)法測(cè)定羥丙基取代度[10]。

1.4.2 透光率測(cè)試

稱(chēng)取羥丙基化羅望子膠粉在室溫下用水溶解,配制成1%的膠液,以蒸餾水作參比,在620nm波長(zhǎng)下測(cè)定膠液的透光率 T[11]。

1.4.3 流變性能測(cè)定

稱(chēng)取羥丙基化羅望子膠粉在室溫下用水溶解,配制成4%的膠液,用BROOKFIELD DV-I+ VISCOMETER在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)定其粘度。

1.4.4 紅外光譜分析

羅望子的原膠粉、羥丙基化羅望子膠粉(MS= 0.24,據(jù)本文2.3所示制備工藝)經(jīng)90%酒精提純洗鹽后,除去樣品中的游離水或結(jié)晶水,加 KBr壓片,利用傅立葉變換紅外光譜儀(Nicolet FI-IR 200)進(jìn)行分析。

1.4.5 核磁共振氫譜分析

根據(jù)遠(yuǎn)期快車(chē)及慢車(chē)客流預(yù)計(jì)，遠(yuǎn)期早高峰快車(chē)客流最高斷面約1.25萬(wàn)人次/h，慢車(chē)客流最高斷面約3.83萬(wàn)人次/h。13號(hào)線(xiàn)列車(chē)采用8節(jié)編組的A型車(chē)，其列車(chē)定員為2 136人/列，因此遠(yuǎn)期高峰小時(shí)行車(chē)量需按照快車(chē)6對(duì)/h、慢車(chē)18對(duì)/h開(kāi)行(其中，12對(duì)/h的慢車(chē)在深莞邊界的公明北站折返)，交路圖如圖3所示。

利用Bruker-600核磁共振儀,以重水為溶劑對(duì)經(jīng)90%酒精提純洗鹽后的羥丙基化羅望子膠粉(MS=0.24)及原膠粉進(jìn)行核磁碳?xì)渥V分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)確認(rèn)

2.1.1 紅外光譜分析

圖1為羅望子多糖膠(a)與羥丙基化羅望子多糖膠(b)的紅外光譜圖。由圖1可以看出,羅望子多糖膠在 3411cm-1出現(xiàn)了羥基特征吸收峰,在2990cm-1出現(xiàn)了C-H的伸縮振動(dòng)特征吸收峰,在1633cm-1、1572cm-1出現(xiàn)了烯醇的C=C伸縮振動(dòng)特征吸收峰,在1424cm-1出現(xiàn)了C-H的彎曲振動(dòng)峰,在1200-1000cm-1出現(xiàn)了C-O-C鍵不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和-OH伸縮振動(dòng)疊加的特征吸收峰,而羥丙基改性后的羅望子多糖膠保留了羅望子多糖在3411cm-1、 2990cm-1、 1633cm-1、 1572cm-1、1424cm-1、1200-1000cm-1較強(qiáng)的特征吸收峰外,還在1379cm-1處出現(xiàn)了-CH3的面內(nèi)對(duì)稱(chēng)彎曲振動(dòng)特征吸收峰,在1438cm-1處出現(xiàn)了-CH3的面內(nèi)反對(duì)陳彎曲振動(dòng)特征吸收峰,說(shuō)明羥丙基確實(shí)被引入。

圖1 羥丙基化前后羅望子多糖膠紅外譜圖對(duì)比

2.1.2 核磁共振氫譜分析

圖2為羥丙基化羅望子多糖結(jié)構(gòu)示意圖,圖3為羅望子原膠粉的1H-NMR圖,圖4為羥丙基化羅望子膠粉的1H-NMR圖。羅望子多糖是由D -半乳糖,D-木糖,D-葡萄糖三種結(jié)構(gòu)單元組成,其改性后引入羥丙基團(tuán),結(jié)構(gòu)如圖2所示,三種單糖中C-1相連的氧原子最多,相應(yīng)的H-1處于最低場(chǎng)(δ5.220,δ5.213,δ4.636),C2-C6只連接了一個(gè)氧原子,故而其 H的化學(xué)位移接近,吸收信號(hào)嚴(yán)重重疊,很難分開(kāi),化學(xué)位移為δ3.214-δ3.895,如圖3所示。對(duì)其進(jìn)行羥丙基改性后,引入了羥丙基基團(tuán),羥丙基上的甲基峰位于最高場(chǎng),化學(xué)位移δ在1.2左右,如圖4所示,由此證明了羥丙基化反應(yīng)已經(jīng)成功進(jìn)行。

圖2 羥丙基化羅望子多糖分子結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 羅望子原膠粉的1H-NMR圖

圖4 羥丙基化羅望子膠粉的1H-NMR圖

2.2 羥丙基化羅望子多糖的制備工藝

2.2.1 環(huán)氧丙烷用量對(duì)制備HPT取代度的影響

圖5是在羅望子膠粉 45g,工業(yè)酒精(90%) 65mL,反應(yīng)溫度37℃,反應(yīng)時(shí)間24h條件下,不同環(huán)氧丙烷用量對(duì)羥丙基羅望子多糖膠(HPT)取代度與表觀粘度影響關(guān)系曲線(xiàn)。由圖5可見(jiàn),隨著環(huán)氧丙烷用量的增加,羥丙基化羅望子多糖膠的的取代度增加,同時(shí)產(chǎn)品的表觀粘度下降。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)氧丙烷用量增加到20.7mL后,反應(yīng)產(chǎn)物與溶劑酒精成膠狀,說(shuō)明產(chǎn)品在酒精水溶液中的溶解性更好,取代度更高,但此時(shí)產(chǎn)品分離操作困難增加。為了能夠適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn),本文選取環(huán)氧丙烷最高用量為20.7mL。由圖5還可以看出:羥丙基羅望子膠粉隨著取代度的增加,其表觀粘度下降,這是由于在羅望子多糖分子上引入的羥丙基基團(tuán)破壞了原有的羅望子多糖分子間的氫鍵締合,以及在堿性條件下,羅望子多糖大分子發(fā)生降解所致。

圖5 環(huán)氧丙烷用量對(duì)HPT取代度的影響

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)HPT取代度影響

圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)HPT取代度的影響

2.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)HPT取代度的影響

圖7是在羅望子膠粉45g,工業(yè)酒精65mL,環(huán)氧丙烷20.7mL,反應(yīng)時(shí)間24h條件下,不同反應(yīng)溫度對(duì)羥丙基羅望子多糖膠(HPT)取代度與表觀粘度影響關(guān)系曲線(xiàn)。由圖7所示,隨著反應(yīng)溫度的升高,羥丙基羅望子膠粉取代度呈直線(xiàn)持續(xù)增加,表觀粘度逐漸下降。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到45℃時(shí),取代度達(dá)到最高,說(shuō)明取代反應(yīng)到了終點(diǎn)。提高反應(yīng)溫度,一方面會(huì)增加羅望子多糖膠顆粒的溶脹,使環(huán)氧丙烷易于滲透到其中,從而增加了環(huán)氧丙烷與羅望子多糖上的活潑羥基的接觸與碰撞,另一方面,提高反應(yīng)溫度,還可以降低反應(yīng)活化能,從而有利于醚化反應(yīng),提高產(chǎn)品的取代度。同時(shí)反應(yīng)溫度提高,還會(huì)使致多糖分子鏈降解反應(yīng)加劇,導(dǎo)致表觀粘度快速下降。另外環(huán)氧丙烷的沸點(diǎn)較低,溫度過(guò)高,易揮發(fā)流失,導(dǎo)致會(huì)取代度下降。因此該實(shí)驗(yàn)條件下,為了獲取較高的取代度,反應(yīng)溫度最高應(yīng)取45℃。

圖7 反應(yīng)溫度對(duì)HPT取代度的影響

2.2.4 體系酒精濃度對(duì)HPT取代度的影響

圖8是在羅望子膠粉45g,環(huán)氧丙烷20.7mL,反應(yīng)時(shí)間24h,反應(yīng)溫度37℃條件下,反應(yīng)體系不同酒精濃度對(duì)羥丙基羅望子多糖膠(HPT)取代度與表觀粘度影響關(guān)系曲線(xiàn)。羅望子膠粉在冷水中不溶,但是會(huì)溶脹,反應(yīng)體系中加入適量水分可以使得膠粉適當(dāng)膨脹并溶解環(huán)氧丙烷。由圖8可見(jiàn),在最低酒精濃度(71%)時(shí),產(chǎn)品的取代度最高,之后隨著體系酒精濃度的提高,羥丙基化羅望子多糖的取代度不斷降低,當(dāng)體系酒精濃度提高到76%時(shí),產(chǎn)品取代度降低速率逐漸變小;而產(chǎn)品粘度隨著酒精濃度增加,呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)體系酒精濃度達(dá)到76%時(shí),產(chǎn)品粘度最大,再增加酒精濃度,產(chǎn)品粘度逐漸降低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)體系酒精濃度小于70%,反應(yīng)體系隨著反應(yīng)的進(jìn)行,會(huì)變得非常粘稠,導(dǎo)致攪拌困難,反應(yīng)難于進(jìn)行。因此在該反應(yīng)條件下,酒精濃度至少要大于70%。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文在確定羥丙基化反應(yīng)溫度為45℃,反應(yīng)時(shí)間為30小時(shí),反應(yīng)體系酒精濃度為75%的條件下,通過(guò)改變膠粉與環(huán)氧丙烷用量合成了系列不同取代度的羥丙基化羅望子多糖,并測(cè)定了其室溫水溶性,透光率和流變性能。水溶性與透光率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1所示。

圖8 體系酒精濃度對(duì)HPT取代度的影響

表1 不同取代度HPT水溶性與透光率

由表1中數(shù)據(jù)可見(jiàn):原羅望子膠粉室溫不能水溶,羥丙基化羅望子膠粉在室溫下可以溶解或部分溶解,并且隨著羥丙基取代度增加,產(chǎn)品的1%水溶液的透光率提高,產(chǎn)品的表觀粘度下降。

圖9為取代度MS為0.24和取代度MS為0.35的羥丙基羅望子膠粉的4%水溶液在不同的剪切速率τ下,測(cè)定溶液的表觀粘度η,并以lnη對(duì)lnτ作圖擬合得到的剪切速率與表觀粘度的關(guān)系曲線(xiàn)。表2是由擬合直線(xiàn)的斜率和截距分別求得相應(yīng)的稠度系數(shù)k和粘性指數(shù)n值。

圖9 HPT溶液的lnη對(duì)lnτ

其中η為表觀粘度,k為稠度系數(shù),n為粘性指數(shù),τ為剪切速率。

表2 羥丙基羅望子膠粉水溶液的稠度系數(shù)k和粘性指數(shù)n

由圖9和表2數(shù)據(jù)可見(jiàn):4%的取代度MS分別為0.24和0.35的羥丙基羅望子膠粉水溶液的表觀粘度隨剪切速率的變化符合Ostwald-Dewaele方程[12-13],在不同的剪切速率τ下,4%的羥丙基羅望子膠粉水溶液的表觀粘度η呈現(xiàn)出剪切變稀的特征,屬于非牛頓流體流變性質(zhì)。

3 結(jié)論

羥丙基化羅望子多糖在室溫下能夠水溶,取代度越大,溶解時(shí)間越短,表觀粘度越小,透光率越大,并且其水溶液表現(xiàn)出非牛頓流體流變性質(zhì),其溶液表觀粘度隨剪切速率的變化可以用Ostwald-Dewaele方程進(jìn)行描述。

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