烷基化果膠凝膠性質(zhì)的研究

郭曉娟 賀小紅 劉成梅 梁瑞紅 陳 軍

（南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南昌330047）

果膠是一種天然多糖，按分子結(jié)構(gòu)可分為同型聚半乳糖醛酸、鼠李半乳糖醛酸聚糖I 型、鼠李半乳糖醛酸聚糖II 型3 類(lèi)[1]。由于其具有良好的凝膠性、乳化性、增稠性及穩(wěn)定性等，在食品工業(yè)中常被用作食品添加劑。然而，果膠固有的一些缺陷，限制了其在一些特定領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。例如：高甲氧基果膠在形成凝膠時(shí)需要使用大量的糖（55%～75%），導(dǎo)致這些產(chǎn)品不利于糖尿病患者食用；果膠在溶解過(guò)程中容易結(jié)塊，從而阻礙其有效溶解；果膠的高水溶性限制了其在載藥體系中的應(yīng)用。

果膠修飾可以改善果膠的一些功能和理化性質(zhì)，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注。果膠分子主鏈上含有大量的羥基和羧基，這為果膠的修飾和改性提供了無(wú)限可能。目前應(yīng)用比較廣泛的果膠修飾方法包括取代法、鏈延伸法及降解法等[2]。其中，烷基化修飾是取代法的一種，它主要是將烷基鏈通過(guò)酯鍵引入果膠的羧基上。甲基化是引入碳鏈最短的烷基化修飾，其方法多種多樣并已趨于成熟?；诩谆姆椒?，也可以將更長(zhǎng)的碳鏈引入果膠中，一般通過(guò)TBA 果膠鹽與相應(yīng)的鹵代烷反應(yīng)，過(guò)程如圖1所示[2]。Houzelle 等[3-4]采用該方法將C12、C16和C18鏈引入到果膠分子中，發(fā)現(xiàn)其衍生物的疏水性和黏性大大提高。本課題組前期將C6、C12和C18鏈引入果膠中，制備了不同取代度和不同鏈長(zhǎng)的烷基化果膠，發(fā)現(xiàn)果膠的結(jié)構(gòu)、特性黏度及乳化性質(zhì)發(fā)生極大改變，并且這些性質(zhì)受取代度和鏈長(zhǎng)的影響[5]。然而，目前對(duì)烷基化果膠凝膠性質(zhì)的研究鮮有報(bào)道。本文將C6、C12和C18鏈引入果膠中，制備不同鏈長(zhǎng)和不同取代度的烷基化果膠，研究蔗糖含量、pH 值及鈣離子濃度對(duì)所制烷基化果膠凝膠性質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柑橘果膠，中國(guó)上海Sigma Aldrich 公司；溴代己烷、溴代十二烷、溴代十八烷、己醇、十二醇、十八醇、十二烷、環(huán)戊烷、四丁基氫氧化銨（TBA+OH-）（25%水溶液），阿拉丁試劑（上海）有限公司；其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純級(jí)。

1.2 儀器與設(shè)備

圖1 烷基化反應(yīng)過(guò)程[2]Fig.1 Alkylation of pectin with alkyl halide[2]

Agilent6890 氣相色譜儀，美國(guó)安捷倫公司；FE 20 pH 計(jì)，瑞士梅特勒-托利多有限公司；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；HH-S26 恒溫水浴鍋，金壇市梅香儀器有限公司；MCR302 流變儀，奧地利Anton Paar 公司；TA.XTplus 質(zhì)地分析儀，美國(guó)TA 公司；Nicolet 5700 傅里葉紅外光譜儀，美國(guó)Thermo 公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 烷基化果膠的制備 參照Liang 等[5]的方法并加以改進(jìn)，具體步驟：配制20 mg/mL 的果膠溶液，用TBA+OH-中和至pH=7，凍干。配制20 mg/mL 的TBA 果膠鹽溶液 （溶于二甲基亞砜DMSO中），然后加入不同摩爾質(zhì)量的溴代己烷、溴代十二烷和溴代十八烷，50 ℃下攪拌反應(yīng)24 h。在超純水中透析7 d 除去DMSO，將透析液與氯化鈉（1 mol/L 溶于70%乙醇溶液中） 在4 ℃下反應(yīng)24 h。將反應(yīng)后的產(chǎn)物抽濾，先用80%的酸化乙醇和75%的乙醇清洗，之后用無(wú)水乙醇清洗，直至沒(méi)有氯離子存在（用硝酸銀檢測(cè)），最后用無(wú)水丙酮清洗，常溫、常壓下干燥。

1.3.2 烷基化產(chǎn)物取代度的測(cè)定 用氣相色譜法（GC）測(cè)定衍生物的取代度[6]，色譜條件：色譜柱HP-5；進(jìn)樣溫度280 ℃；檢測(cè)器FID 溫度280 ℃；載氣流速2.5 mL/min；進(jìn)樣量2 μL；分流比1∶10。程序升溫條件：己醇：從60 ℃以10 ℃/min 升溫至200 ℃，在90 ℃和150 ℃各保持1 min，200 ℃保持5 min；十二醇：從60 ℃以15 ℃/min 升溫至230℃，在200 ℃和230 ℃各保持3 min；十八醇：從60℃以20 ℃/min 升溫至290 ℃，在200 ℃和290 ℃分別保持1 min 和2 min。

（1）標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制：內(nèi)標(biāo)液的配制：將內(nèi)標(biāo)物十二烷溶于環(huán)戊烷中，定容，使質(zhì)量濃度為1 mg/mL。

標(biāo)準(zhǔn)液的配制：將己醇、十二醇或十八醇溶于甲醇中，定容，得質(zhì)量濃度為2 mg/mL 的標(biāo)準(zhǔn)液。

將標(biāo)準(zhǔn)液分別稀釋至0.2，0.4，0.6，0.8，1，1.2 mg/mL。吸取1 mL 稀釋后的標(biāo)準(zhǔn)液與2 mL 內(nèi)標(biāo)液混合均勻后，過(guò)濾膜進(jìn)樣。以標(biāo)準(zhǔn)樣品的峰面積/內(nèi)標(biāo)物的峰面積為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量為橫坐標(biāo)，繪制己醇、十二醇和十八醇的標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性回歸。

（2）樣品取代度的測(cè)定：100 mg 的烷基化果膠溶于10 mL 水中，攪拌至完全溶解，然后加入0.4 mol/L 的NaOH 反應(yīng)4 h。加入內(nèi)標(biāo)液，持續(xù)劇烈攪拌，4 800 r/min 離心15 min 后，取上層有機(jī)相過(guò)濾膜進(jìn)樣，與標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)照得到對(duì)應(yīng)的己醇、十二醇或十八醇量。取代度（DS）計(jì)算公式如下：

使用PCnSx來(lái)命名烷基化果膠，其中P 代表果膠，Cn代表共價(jià)連接的長(zhǎng)鏈烷基（n=6，12 或18），x代表取代度DS 值。

1.3.3 原果膠及烷基化果膠凝膠溶液的制備 稱(chēng)取一定質(zhì)量的原果膠及烷基化果膠，分別溶于新配制的不同pH 值的檸檬酸緩沖液（0.1 mol/L），攪拌至溶解，最終質(zhì)量濃度為7.5 mg/mL，備用。在果膠溶液中分別加入不同質(zhì)量的蔗糖和不同體積的氯化鈣溶液（0.1 g/mL），攪拌均勻。凝膠溶液配制方案具體如表1所示。

1.3.4 原果膠和烷基化果膠凝膠的流變性質(zhì) 參照Evageliou 等[7]方法并做修改，研究果膠凝膠的流變性質(zhì)，將1.3.3 中的樣品加到流變儀的樣品臺(tái)上，采用直徑為50 mm 的1°錐板，平衡5 min 后，從25 ℃以8 ℃/min 的速度升溫至80 ℃，停留5 min 后，再以5 ℃/min 的速度降至4 ℃。測(cè)定降溫過(guò)程中存儲(chǔ)模量（G′）的變化。本文還考察了鈣離子加入后果膠凝膠的G′隨頻率的變化，樣品在4℃下保持10 min 后進(jìn)行頻率掃描，掃描范圍為0.1～100 rad/s（在線性黏彈區(qū)內(nèi)），應(yīng)變力為3%。

表1 原果膠及烷基化果膠凝膠溶液的配制Table1 Preparation of gel solutions of original pectin and alkylated pectins

1.3.5 原果膠及烷基化果膠凝膠的質(zhì)構(gòu)特性 將果膠溶液置于恒溫水浴鍋中預(yù)熱至80 ℃，然后加入不同質(zhì)量的蔗糖和不同體積的氯化鈣溶液（0.1 g/mL），攪拌均勻，然后放入4 ℃恒溫冰箱中12 h，待凝膠形成[8]。利用質(zhì)地分析儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)性質(zhì)測(cè)定，采用P36 探頭，穿刺速度為1 mm/s，穿刺深度為3 mm，第1 次穿刺過(guò)程中探頭所受的最大應(yīng)力即為凝膠強(qiáng)度。試驗(yàn)重復(fù)3 次，取平均值。

1.3.6 FT-IR 光譜分析 將果膠鈣凝膠進(jìn)行凍干，凍干后的樣品與一定量的KBr 粉末一起研磨至粉狀壓片。用Nicolet 5700 傅里葉紅外光譜儀記錄樣品4 000～400 cm-1頻率范圍內(nèi)的光譜圖[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 烷基化果膠的制備

圖2 烷基化果膠經(jīng)過(guò)皂化后的代表性GC 圖譜Fig.2 Representive gas chromatograms of alkylated pectin after saponification

通過(guò)氣相測(cè)定烷基化產(chǎn)物的取代度，結(jié)果圖2所示。本試驗(yàn)成功制備了烷基化果膠PC6S1.35，PC6S2.90，PC6S4.53，PC12S2.90 和PC18S2.90，其果膠與相應(yīng)溴代烷的摩爾比分別為1∶0.1，1∶0.3，1∶1，1∶0.13 和1∶0.17。可以將產(chǎn)物分為具有相同鏈長(zhǎng)不同取代度和相同取代度不同鏈長(zhǎng)的兩組，分 別 命 名 為PC6S1.35，PC6S2.90，PC6S4.53和PC6S2.90，PC12S2.90，PC18S2.90。

2.2 蔗糖含量對(duì)烷基化果膠凝膠性質(zhì)的影響

本文考察了蔗糖含量對(duì)原果膠及烷基化果膠凝膠流變性質(zhì)（圖3）及質(zhì)構(gòu)特性（圖4）的影響。流變儲(chǔ)能模量（G′）又稱(chēng)彈性模量，指材料在發(fā)生形變時(shí)由于彈性形變（可逆）而儲(chǔ)存能量的大小。G′能較好的反應(yīng)凝膠體系的形成過(guò)程，可衡量果膠凝膠結(jié)構(gòu)的彈性與強(qiáng)度，其值越大則彈性和強(qiáng)度越大[10]，因此本文主要考察G′的變化。結(jié)果表明，在降溫過(guò)程中，G′隨著溫度的降低而升高，這可能是隨著溫度的降低，分子間熱運(yùn)動(dòng)縮減，有利于分子內(nèi)和分子間氫鍵的形成，模量逐漸升高[11]。所有果膠凝膠G′隨著蔗糖含量的升高而升高。蔗糖可以與果膠競(jìng)爭(zhēng)水分從而使果膠分子間相互靠近，促進(jìn)凝膠形成。因此蔗糖含量越高，果膠越容易形成凝膠，其凝膠強(qiáng)度也越高。質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，果膠的凝膠強(qiáng)度隨著蔗糖含量的升高而升高，與流變結(jié)果一致。當(dāng)糖濃度為65%時(shí)，原果膠，PC6S1.35，PC6S2.90，PC6S4.53，PC12S2.90和PC18S2.90凝 膠 強(qiáng) 度 分 別為42.95，32.35，53.5，75.0，78.3，82.1 g，即當(dāng)糖濃度一定時(shí)，烷基化果膠的凝膠強(qiáng)度隨著取代度和鏈長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)，且較高取代度和較長(zhǎng)鏈長(zhǎng)的烷基化果膠凝膠強(qiáng)度高于原果膠。

圖3 蔗糖含量對(duì)烷基化果膠的凝膠儲(chǔ)能模量（G′）的影響Fig.3 Effect of sucrose content on the G′ of alkylated pectin gel

圖4 蔗糖含量對(duì)原果膠及烷基化果膠凝膠強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of sucrose content on the gel strength of original pectin and alkylated pectin

2.3 pH 值對(duì)烷基化果膠凝膠性質(zhì)的影響

高甲氧基果膠只有在適當(dāng)?shù)乃嵝詶l件下才能形成凝膠，因此本文還考察了pH 值對(duì)原果膠和烷基化果膠凝膠流變（圖5）和質(zhì)構(gòu)（圖6）性質(zhì)的影響。結(jié)果表明，所有果膠凝膠的G′隨pH 值的降低而增加。通常，果膠主鏈上的羧基以一定量的不帶電荷的COOH 和帶負(fù)電荷的COO-存在于溶液中，果膠分子上的COO-越多，分子間的相互排斥越強(qiáng)，果膠分子間越不容易相互靠近，凝膠就越難形成。適當(dāng)降低pH 值，果膠分子上帶電荷的COO-減少，當(dāng)帶電荷總數(shù)降低到某一值的時(shí)候，凝膠開(kāi)始形成，且隨著體系pH 值的繼續(xù)下降凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，果膠的凝膠強(qiáng)度隨著pH 值的降低而增大，這與流變結(jié)果一致。當(dāng)pH 值為3時(shí)，原 果 膠，PC6S1.35，PC6S2.90，PC6S4.53，PC12S2.90和PC18S2.90凝 膠 強(qiáng) 度 分 別 為37.0，29.4，48.9，59.7，63.8，77.5 g，即當(dāng)pH 值一定時(shí)，烷基化果膠的凝膠強(qiáng)度隨著取代度和鏈長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)，且較高取代度和較長(zhǎng)鏈長(zhǎng)的烷基化果膠凝膠強(qiáng)度高于原果膠。

圖5 pH 值對(duì)烷基化果膠的凝膠儲(chǔ)能模量（G′）的影響Fig.5 Effect of pH value on the G′ of alkylated pectin gel

圖6 pH 值對(duì)原果膠及烷基化果膠凝膠強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of pH value on the gel strength of original pectin and alkylated pectin

2.4 鈣離子濃度對(duì)烷基化果膠凝膠性質(zhì)的影響

2.4.1 流變性質(zhì)及質(zhì)構(gòu)特性 研究表明鈣離子濃度對(duì)高甲氧基果膠的凝膠性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響，因此本文繼續(xù)考察了鈣離子濃度對(duì)原果膠和烷基化果膠凝膠流變（圖7）和質(zhì)構(gòu)（圖8）性質(zhì)的影響。隨著鈣離子濃度的增加，所有果膠凝膠的G′增大。這可能是由于鈣離子的加入會(huì)影響凝膠形成過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為[12]，會(huì)使未酯化的羧基基團(tuán)參與到凝膠形成過(guò)程中，使凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。質(zhì)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，果膠的凝膠強(qiáng)度隨著鈣離子濃度的增加而增大，這與流變結(jié)果一致。當(dāng)鈣離子濃度為0.15%時(shí)，原果膠，PC6S1.35，PC6S2.90，PC6S4.53，PC12S2.90和PC18S2.90凝 膠 強(qiáng)度分別為60.6，50.3，61.8，73.7，88.5，111.4 g，即當(dāng)鈣離子濃度一定時(shí)，烷基化果膠的凝膠強(qiáng)度隨著取代度和鏈長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)，且較高取代度和較長(zhǎng)鏈長(zhǎng)的烷基化果膠凝膠強(qiáng)度高于原果膠。

圖7 鈣離子濃度對(duì)烷基化果膠的凝膠儲(chǔ)能模量（G′）的影響Fig.7 Effect of Ca2+ content on the G′ of alkylated pectin gel

圖8 鈣離子濃度對(duì)原果膠及烷基化果膠凝膠強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of Ca2+ concentration on the gel strength of original pectin and alkylated pectin

圖9顯示，在鈣離子存在下，頻率變化對(duì)原果膠及烷基化果膠凝膠體系G′的影響。從圖中可以看出，在低頻區(qū)，G′隨著頻率的升高而緩慢增加，顯示了典型的黏彈性材料的性質(zhì)[13]。當(dāng)頻率繼續(xù)增加，出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：①鈣離子濃度較低時(shí)，頻率增加到一定程度，原果膠以及較低取代度的C6-烷基化果膠（PC6S1.35、PC6S2.90）G′陡然下降，說(shuō)明這些果膠樣品與鈣離子配比形成的凝膠體系結(jié)構(gòu)松散，在高頻時(shí)結(jié)構(gòu)容易被破壞；而最高取代度的C6-烷基化果膠 （PC6S4.53）、C12-及C18-烷基化果膠G′依然繼續(xù)增加，這可能與這些烷基化果膠樣品的取代度和鏈長(zhǎng)有關(guān)。最高取代度的C6-烷基化果膠其疏水相互作用較其它兩個(gè)低取代度的C6-烷基化果膠強(qiáng)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可能更穩(wěn)定；C12、C18烷基鏈的疏水作用更強(qiáng)，且鏈內(nèi)連接可能較C6-烷基化果膠更穩(wěn)定[11]，因此在高頻區(qū)不易被破壞。②當(dāng)鈣離子濃度較高時(shí)（0.25%），所有果膠的G′都隨頻率的升高而增加，說(shuō)明適當(dāng)濃度的鈣離子可以增強(qiáng)果膠凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，提高取代度和取代基的碳鏈長(zhǎng)度以及鈣離子濃度均可以提高烷基化果膠的凝膠穩(wěn)定性。

圖9 頻率對(duì)果膠凝膠體系G′的影響Fig.9 Effect of angular frequency on the G′ of pectin gels

2.4.2 FT-IR 分析 以PC12S2.90為例，鈣離子濃度對(duì)果膠凝膠的紅外結(jié)構(gòu)影響如圖10 所示?？梢园褕D譜分為3 部分：第1 部分（3 500～1 800 cm-1）范圍內(nèi)出現(xiàn)2 個(gè)吸收峰，3 450 cm-1（由O-H 振動(dòng)吸收引起）和2 950 cm-1（由CH、CH2和CH3引起的C-H 振動(dòng)）；第2 部分（1 800～1 500 cm-1）也出現(xiàn)2個(gè)峰，1 740 cm-1（COOCH3及COOH 的振動(dòng)吸收峰）和1 620 cm-1（COO-的振動(dòng)吸收峰）；第3 部分（低于1 500 cm-1） 為C-C，C-O-C 和C-OH 振動(dòng)吸收峰。從圖10 中可見(jiàn)隨著鈣離子濃度的增加，1 620 cm-1處COO-的振動(dòng)吸收峰發(fā)生紅移并且強(qiáng)度增強(qiáng)。Assifaoui 等[14]也發(fā)現(xiàn)與鈣離子結(jié)合后，果膠COO-的吸收峰向高波數(shù)移動(dòng)且吸收峰強(qiáng)度增強(qiáng)。鈣離子可與果膠的羧酸基團(tuán)絡(luò)合，改變了果膠官能團(tuán)之間的相互作用，從而形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[15]，這與果膠凝膠的“蛋盒”結(jié)構(gòu)相符。

圖10 PC12S2.90 凝膠的紅外光譜圖Fig.10 FT-IR spectra of PC12S2.90 gel

3 結(jié)論

原果膠及烷基化果膠的凝膠強(qiáng)度隨著蔗糖含量及鈣離子濃度的增加而增強(qiáng)，隨著pH 值的降低而增強(qiáng)。當(dāng)凝膠條件相同時(shí)，烷基化果膠的凝膠強(qiáng)度隨著取代度和鏈長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)，且較高取代度和較長(zhǎng)鏈長(zhǎng)的烷基化果膠凝膠強(qiáng)度高于原果膠。提高取代度、取代基的碳鏈長(zhǎng)度以及鈣離子濃度均可以提高烷基化果膠的凝膠穩(wěn)定性。另外，鈣離子濃度的增加會(huì)使紅外吸收峰紅移并使吸收峰強(qiáng)度變大，這可能是由于鈣與果膠的羧酸基團(tuán)發(fā)生了絡(luò)合。