硫酸酯化亚麻胶的制备与分析

2010-09-12张泽生

食品工业科技 2010年10期

关键词：磺酸亚麻酯化

张泽生，张兰

（天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457）

硫酸酯化亚麻胶的制备与分析

张泽生，张兰*

（天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457）

采用氯磺酸-吡啶法，通过单因素和正交实验得出制备硫酸酯化亚麻胶的最佳工艺条件为：吡啶-氯磺酸比值为2，反应温度60℃，反应时间4h，此工艺条件下产物取代度为1.34。红外光谱分析表明，该条件下其部分羟基已被硫酸基取代；酯化后的亚麻胶黏度降低，溶解度和透明度升高，扫描电镜观察到其表面结构疏松程度也升高，但随着取代度的升高，其透明度升高不明显；酯化后的亚麻胶起泡性能明显升高，但泡沫稳定性降低，乳化性明显下降。

亚麻胶，硫酸酯化，氯磺酸-吡啶法，分析

Abstract：Wolfrom method was used to prepare sulfated flaxseed gum.The optimal technical parameters were：pyridine/chlorosulfuric ratio 2，temperature 60℃ and reaction 4h，and the degree of substitution was 1.34.The infared spectrum showed that some hydroxyl was substituted by sulfate group.After being sulfated，the viscosity decreased，solubility and transparency increased，and the loosen degree increased by scanning electron microscope.But the transparency did not increase significantly with degree of substitution increasing.Foamability increased，but stability of foam decreased；emulsifying capacity decreased obviously.

Key words：flaxseed；sulfated derivative；Wolfrom method；analysis

亚麻，又称胡麻，在我国新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古、河北、黑龙江都有种植，资源十分丰富［1］。亚麻籽的主要成分为亚麻籽油和亚麻蛋白，还含有一定量的亚麻胶、木酚素、维生素和矿物质等成分。其中，亚麻胶是一种以多糖为主，并含有少量蛋白质及矿物元素的天然高分子复合胶［2］。亚麻胶作为膳食纤维，可替代脂肪，无毒，且对某些重金属中毒有解毒效果，还具有减肥、防止结肠癌和直肠癌等保健功效［3］。由于亚麻胶具有增稠性、起泡性、乳化性、成膜性等功能特性，而被广泛应用于肉制品、乳制品、果冻、面制品等食品工业［4-7］。由于亚麻胶在应用时易出现“结团”现象，溶解速度慢，水不溶物含量高，而不能达到工业生产所要求的快速水合和溶胀。通过对亚麻胶进行化学改性，如硫酸酯化、磷酸酯化、羧甲基化等，可以解决原胶在理化性能方面的缺点。目前，亚麻籽胶的羧甲基化改性已有报道，改性后亚麻籽胶的性能得到改善，并应用于钻井液体系，效果良好。亚麻胶多糖为吡喃型，因此本文采用Wolfrom法（氯磺酸-吡啶法）对亚麻胶进行硫酸酯化并对其进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

亚麻胶从亚麻粕（天津市尖峰天然产物研究开发有限公司提供）中提取、纯化而得，即以料液比1∶21，在 pH2、浸提温度 70℃下浸提 1h，浓缩醇沉，用Sevage法去除多余蛋白；三氯甲烷、正丁醇、氯磺酸、无水吡啶、无水甲酰胺、无水乙醇、硫酸钾、三氯乙酸等均为分析纯；明胶为生化试剂。

TDL-5-A型离心机上海安亭科学仪器厂；SHB-III循环水式多用真空泵郑州长城科工贸有限公司；RE2000A旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂；JB90-D型电动搅拌器上海标本模型厂；LGJ25冷冻干燥机美国热电集团；UVmini-1240紫外/可见分光光度计日本岛津仪器公司；VECTOR 22傅立叶变换红外光谱仪德国布鲁克仪器公司；JSM-6380扫描电子显微镜日本电子公司。

1.2 实验方法

1.2.1 亚麻胶的硫酸酯化将附有冷凝管和搅拌装置的三颈烧瓶置于盐水-冰浴中，加入吡啶，搅拌，使之充分冷却，用滴液漏斗慢慢加入氯磺酸，滴加完毕，烧瓶中出现大量淡黄色固体。将亚麻胶粉末悬浮于无水甲酰胺中，以磁力搅拌器室温下搅拌30min，然后逐渐加入制好的酯化试剂，在三颈烧瓶中水浴搅拌反应，恒温搅拌后冷至室温，将反应液置于冰水浴中冷却至0℃，加入预先冷却至0℃的4mol/L氢氧化钠溶液中和溶液酸碱度，加无水乙醇至75%浓度，静置，离心，沉淀复溶于水，蒸馏水透析，直到用浓度为5%的氯化钡溶液滴入无白色沉淀生成为止。旋转蒸发浓缩，冷冻干燥即得硫酸酯化亚麻胶。

1.2.2 亚麻胶硫酸酯中取代度的测定采用硫酸钡比浊法［8］测定其硫酸基含量。取代度公式：DS=（1.62×S%）/（32-1.02×S%），其中，DS为取代度，S%为硫含量。

1.2.3 硫酸酯化亚麻胶的分析

1.2.3.1 溶解度的测定分别配制浓度为0.1%的改性前后的亚麻胶溶液，摇匀后移入离心管，于5000r/min转速下离心10min，吸取上层清液于已称重的称量瓶中，于105℃下干燥至恒重，按下式计算溶解度：

溶解度（S）=液体中固体重/样品总重×100%

1.2.3.2 透明度的测定分别取改性前后亚麻胶0.10g（精确至0.01g）置于100mL容量瓶，加水溶解，并稀释至刻度摇匀，用分光光度计于1cm吸收池中，在420nm下测透光率，以水透光率为100%。

1.2.3.3 黏度的测定分别配制浓度为1%的改性前后的亚麻胶溶液，用DV-III型流变仪，选择RV3转子，测定其在25℃，100r/min转速下的黏度。

1.2.3.4 起泡性的测定分别配制浓度为1%的改性前后的亚麻胶溶液，高速搅动发泡，测定发泡后的体积和泡沫稳定时间，按下式计算发泡率和泡沫稳定性：

发泡率（%）=（发泡后体积V1/发泡前体积V0）×100%

泡沫稳定性（%）=（静置1d后体积V2/发泡后体积 V1）×100%

1.2.3.5 乳化性的测定配制浓度为1%（W/V）的改性前后的亚麻胶液，分别按油水比1/1、1/10加入大豆油，经高速均质机（10000r/min）分散2min，得到乳状液。将乳化液转移到100mL的具塞量筒中，间隔一定时间观察分层情况。乳化稳定性计算方法：同等条件下，以乳化层比例大小衡量乳化能力和乳化稳定性。

乳化层比例（%）=［乳化液总量（mL）-游离水量（mL）］×100%

1.2.3.6 红外光谱分析分别取改性前后的亚麻胶样品1mg，溴化钾120mg，研磨，压片后，在 VECTOR 22傅立叶变换红外光谱仪上进行红外分析。仪器分辨率：4cm-1，扫描次数：16。

1.2.3.7 扫描电镜分析将亚麻胶和不同取代度的改性亚麻胶粉末粘贴在导电胶上，用洗耳球吹干多余未粘牢的粉末，待导电胶干透，进行金属镀膜和扫描电子显微镜（SEM）观察。

2 结果与讨论

2.1 吡啶-氯磺酸比值对酯化效果的影响

由图1可知，随着吡啶-氯磺酸比值的增大，产物的取代度（DS）先降低后增大，但增大的趋势不明显。由于磺化试剂的熔点较高，当磺化试剂中吡啶的比例过低时，磺化试剂在反应温度下呈淡黄色固态，增多易产生板结，导致搅拌困难，不利于反应的进行。综合考虑吡啶-氯磺酸比值对产物取代度的影响，选择吡啶-氯磺酸比值为2较为合适。

图1 吡啶-氯磺酸比值对酯化效果的影响

2.2 反应温度对酯化效果的影响

由图2可知，随着反应温度的升高，产物的取代度逐渐增大。反应温度低于60℃时，产物取代度明显增大，高于60℃时，产物取代度增大不明显。另外考虑到温度过高可能导致多糖降解，由此选择反应温度为60℃较为合适。

图2 反应温度对酯化效果的影响

2.3 反应时间对酯化效果的影响

由图3可知，随着反应时间的增加，产物的取代度先增大后减小并趋于稳定。反应时间为3h时，产物取代度达到最大，所以选择反应时间3h较为合适。

图3 反应时间对酯化效果的影响

2.4 制备硫酸酯化亚麻胶的工艺优化

表1 硫酸酯化正交实验因素水平表

根据以上单因素实验结果，设计L9（34）正交实验，进行工艺参数优化。由正交实验方差分析结果可知，吡啶-氯磺酸比值（A）对亚麻胶酯化效果影响极显著，反应温度（B）、反应时间（C）对亚麻胶酯化效果影响显著，即A＞C＞B＞D；并得出该法制备亚麻胶硫酸酯的最佳工艺条件为A2B2C3，即吡啶-氯磺酸比值为2，反应温度60℃，反应时间4h，此工艺条件下产物取代度为1.34。

表2 硫酸酯化正交实验结果

表3 硫酸酯化正交方差分析表

2.5 硫酸酯化亚麻胶的分析

2.5.1 溶解度和黏度的分析由表4可知，亚麻胶经硫酸酯化后，其溶解度明显升高。这是由于分子中引入亲水的硫酸基团，使硫酸酯化亚麻胶的亲水性强于亚麻胶，同时降低了水不溶物的含量，使改性后的亚麻胶水溶性大大改善。而其粘度明显降低，这可能是由于硫酸基的取代改变了亚麻胶多糖的一级结构甚至高级结构，并使其带有大量的负电荷，从而使糖链的空间构象变得舒展，暴露出较多的羟基，使极性增大，最终使亚麻胶黏度降低。

表4 改性前后亚麻胶的溶解度和黏度

2.5.2 透明度的分析由图4可知，亚麻胶经硫酸酯化后，其透明度明显增大，但随着取代度的增大，硫酸酯化亚麻胶的透明度增大不明显，这说明硫酸基的存在是影响硫酸酯化亚麻胶透明度的关键所在。

图4 改性前后透明度分析

2.5.3 起泡性的分析由表5可知，硫酸酯化亚麻胶发泡率明显高于未改性亚麻胶，但泡沫稳定性明显低于未改性亚麻胶。可见，改性后亚麻胶的部分起泡性能得到了改善。

表5 改性前后亚麻胶的起泡性

2.5.4 乳化性的分析由表6、表7可知，硫酸酯化亚麻胶的乳化能力较改性前明显降低，而且油水比O/W越大，乳化性越差。硫酸酯化后导致亚麻胶结构发生变化，其乳化性也随之变化。

表6 改性前后亚麻胶的乳化性（O/W=1/1）

表7 改性前后亚麻胶的乳化性（O/W=1/10）

2.5.5 红外光谱分析由图5可知，3400cm-1附近的糖特征峰（羟基的O-H的伸缩振动产生）偏向高波数，且峰变窄，这些变化说明由于硫酸基的取代改变了局部的空间位置情况，使分子间氢键相对减少，也说明羟基参与形成氢键数量减少，其原因可能是硫酸基的取代直接减少了羟基的数量。1042cm-1附近的吸收峰（羟基的O-H的变角振动产生，也是吡喃环的醚键C-O-C振动吸收峰）明显减弱，1650cm-1附近的吸收峰（羰基的C=O伸缩振动产生）也有减弱的迹象，1248cm-1附近为硫酸基团的S=O伸缩振动产生的吸收峰，809cm-1附近为-O-SO3-的C-O-S伸缩振动产生的吸收峰，证明其中部分羟基已被硫酸基取代。

图5 亚麻胶（红色）和硫酸酯化亚麻胶（黑色）的红外图谱

2.5.6 扫描电镜分析在扫描电镜下观察不同取代度硫酸酯化亚麻胶微观结构，如图6（1）～图6（4）所示，其中（1）为未改性亚麻胶，（2）～（4）取代度逐渐增大，分别为0.53、0.83、1.29，可见改性后的亚麻胶呈现明显的疏松状态，形成了不同程度的交联多孔网状结构，且随着取代度的增大，其疏松程度越明显。同时这也说明，硫酸酯化导致亚麻胶的疏松状态可能是影响其水溶性的原因之一。