菊粉的羧甲基化修饰及结构表征*

任海伟，刘春霞，张红建，姚宁芳，李志忠

(兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州，730050)

菊粉的羧甲基化修饰及结构表征*

任海伟，刘春霞，张红建，姚宁芳，李志忠

(兰州理工大学生命科学与工程学院，甘肃兰州，730050)

采用NaOH-一氯乙酸反应体系，异丙醇为溶剂对菊粉进行羧甲基化修饰。以取代度为评价指标，通过单因素及正交实验优化羧甲基化条件，并进行结构表征。结果表明:羧甲基化最佳条件为m(菊粉)∶m(一氯乙酸)∶m(氢氧化钠)=2.75∶1.4∶1，碱化时间4 min，醚化时间15 min，该条件下取代度为0.41。红外光谱与X-射线衍射分析表明羧甲基化工艺是可行的。

菊粉，羧甲基化，结构表征，红外光谱，X-射线衍射

菊芋(Helianthus tuberosu)俗称洋姜，为菊科向日葵属多年生宿根性草本植物，其块茎富含菊粉，含量达15%～20%。菊粉是由D-呋喃果糖以β-(2-1)糖苷键连接而成的多聚直链果糖，是自然界天然存在的可溶性膳食纤维，卫生部于2009年批准其为新资源食品。菊粉具有多种药理活性，增殖肠道双歧杆菌，预防肠道感染;降低心血管疾病危害;促进矿物质吸收;防治便秘;防治骨质疏松等［1－2］。

对糖类物质进行化学修饰可以提高其生物活性或拓展其生物利用度。菊粉羧甲基化是将菊粉分子上的伯醇或仲醇基团被羧甲基取代，可广泛应用于多种领域，如用做阻垢剂及金属离子螯合剂，在制糖工业中用作碳酸钙结晶抑制剂，在印染过程中做洗除污染物的添加剂等［3－4］，羧甲基菊粉具有很好的开发前景。

本工作拟以菊芋菊粉为原料，在超声波辅助条件下对菊粉进行羧甲基化修饰，优化菊粉羧甲基化的工艺参数，并利用红外光谱和X-射线衍射进行结构表征，为菊粉新资源的研究开发提供理论科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

菊粉，白银熙瑞生物工程有限公司;1-(吡啶基偶氮)-2-萘酚(PAN)，天津市科密欧化学试剂开发中心;一氯乙酸、乙二胺四乙酸(EDTA)、氢氧化钠、异丙醇、甲醇、乙醇、丙酮等试剂均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 主要仪器设备

真空干燥器，无锡市泰诺试验设备有限公司;酸度计，上海雷磁仪器厂;紫外可见分光光度计，上海精密科学仪器有限公司;Antaris红外光谱仪，Thermo E-lectron公司;X-射线衍射仪，德国Bruker公司。

1.3 实验方法

1.3.1 菊粉的羧甲基化修饰

准确称取2.70 g菊粉置入装有有机溶剂的烧瓶中，加入一定量NaOH研磨混匀，40℃条件下超声(功率90 W)辅助碱化处理一段时间。然后加入1.38 g一氯乙酸和0.58 g NaOH混匀，滴加4mL反应溶剂，超声辅助(条件同上)进行醚化反应。反应产物用甲醇洗涤至加入硝酸银溶液中无沉淀为止，真空干燥得羧甲基菊粉(CMI)，备用。

1.3.2 取代度的测定

参照文献［5］采用硫酸铜络合滴定法。

1.3.3 红外光谱分析

对菊粉和CMI进行红外光谱结构表征。扫描范围4 000～400cm－1，扫描次数32次，分辨率4cm－1。

1.3.4 X-射线衍射分析

操作条件:CuKα辐射，40kV×300mA，扫描范围5°～80°，每步 0.02°，每步计数0.3 s。

2 结果与讨论

2.1 有机溶剂的选择

溶剂种类对化学反应的影响缘于极性和溶剂化作用，并且溶剂化作用随溶剂极性的降低而减弱。对甲醇、乙醇和异丙醇3种溶剂而言，带正电荷的氢与氧负离子会产生离子-偶极作用，降低氧负离子反应活性，当极性最小的异丙醇作溶剂时，溶剂化作用最弱，对氧负离子抑制作用最小，取代度最高(DS=0.42);丙酮作为非质子型极性溶剂，负电荷部分伸出分子之外，正离子为溶剂化的主要对象，在此不影响氧负离子的反应活性，但其沸点较低，反应过程中蒸发较快，不利于溶剂的发挥［5］。故确定异丙醇作为反应溶剂。

图1 有机溶剂种类的选择

2.2 羧甲基菊粉制备的单因素实验

2.2.1 碱化时间对取代度的影响

碱化反应将菊粉分子上的羟基转化为氧负离子活性中心，作为亲核试剂与一氯乙酸反应。由图2可知，碱化时间为3.5 min时羧甲基菊粉的取代度达0.37，之后随着时间延长取代度呈下降趋势。因为碱化反应属可逆过程，菊粉是以糖苷键连接的多聚糖，时间过长可能发生降解，进而影响取代度。

图2 碱化时间对取代度的影响

2.2.2 醚化时间对取代度的影响

图3 醚化时间对取代度的影响

从图3可以看出，随着醚化反应时间的增加，反应逐渐进行，取代度逐渐增大，20 min时达到峰值，此时取代度为0.41;之后随着醚化时间的继续增加，取代度降低，这可能是由于在碱性环境和加热作用下醚键发生断裂所致。

2.2.3 溶剂体积分数对取代度的影响

从图4中可以看到，随着异丙醇体积分数的增大，取代度呈现先上升后下降的趋势，且在体积分数为95%时取代度最大(DS=0.35)。因为异丙醇混合溶剂主要起分散一氯乙酸并使其充分渗透到菊粉分子的作用，体积分数直接影响反应进程和取代度大小。

图4 溶剂体积分数对取代度的影响

2.2.4 NaOH用量对取代度的影响

菊粉羧甲基化为亲核取代反应，NaOH存在可以提高菊粉分子上的羟基亲核反应活性，从而加速反应并提高反应效率。从图5可以看出，羧甲基菊粉取代度随NaOH用量的增加而增大，因为NaOH过少时会减少菊粉分子的活性中心，反应不够充分，但随着NaOH量的增加，与菊粉羟基的碰撞机会增加，活化更充分，取代度逐渐增加。当NaOH用量为0.40 g时取代度达0.42;此后随着NaOH用量的增加，游离碱含量升高，一氯乙酸水解副反应增多，使醚化剂过量消耗，利用率降低，降低取代度［6］。

图5 NaOH用量对取代度的影响

2.3 正交试验优化羧甲基菊粉制备工艺

羧甲基菊粉制备包括碱化和醚化反应2个过程，其取代度受诸多因素的影响。在上述单因素结果基础上，以羧甲基取代度为评价指标，进行4因素3水平正交实验(表1)，优化制备工艺。

表1 因素水平表

表2 L9(34)正交实验结果

通过极差分析 (表2)发现，各因素的主次关系为:碱化时间＞NaOH用量＞溶剂体积分数＞醚化时间，最佳水平组合是A1B3C2D3。用SPSS软件进一步方差分析(表略)可知，上述4个因素对取代度的影响均不显著(P＞0.05)。综合考虑确定最佳组合为A1B3C2D3，即醚化时间15 min，碱化时间4 min，NaOH用量0.4 g，溶剂体积分数100%。

为验证上述工艺的稳定性，按优选条件作3组平行实验，取平均值得取代度为0.41，试验结果重现性良好。

2.4 红外光谱分析

由图6和图7可知，菊粉分子中O—H伸缩振动在3 421.28cm－1处有一强吸收峰，而菊粉经羧甲基化后部分羟基被取代。羧甲基菊粉在1 300～1 650cm－1范围出现羧酸盐的特征吸收峰:1 606.25cm－1代表COO—伸缩振动，1 404.94cm－1有与羰基相连的亚甲基的变形振动峰。另外，1 034.94cm－1处为醚键的C—O伸缩振动，934.90cm－1是果糖基呋哺环的对称伸缩振动所造成的，770.63cm－1是呋哺环次甲基的横向振动造成的，说明羧甲基被引入到了菊粉分子中。

图6 菊粉红外光谱图

图7 羧甲基菊粉的红外光谱图

2.5 X-射线衍射分析

菊粉和CMI的x-衍射图谱如图8和图9所示。谱图中大量的小锯纹一般是由统计波动所引起，可忽略不计。菊粉的晶体结构非常不规则，在x射线衍射谱图上显示近似无定型的光谱;而CMI由于羧甲基的引入在 2θ 为 8.3°、27.1°、31.8°、45.5°等位置均有较强的衍射峰。说明菊粉在O位不同程度羧甲基化后，削弱了菊粉分子中—OH间的氢键缔合作用，破坏了菊粉的原有晶体结构。

图8 菊粉的x-衍射图谱

3 结论

菊粉羧甲基化修饰的最佳条件是:m(菊粉)∶m(一氯乙酸)∶m(氢氧化钠)=2.75∶1.4∶1，醚化时间15 min，碱化时间4 min，NaOH 用量0.4 g，异丙醇体积分数100%。通过红外光谱和X-射线衍射进行结构表征证实，利用羧甲基化修饰方法对菊粉分子结构进行改性是可行的。

图9 羧甲基菊粉的x-衍射图谱

［1］胡建锋，邱树毅.菊芋中提取菊粉的纯化工艺研究［J］.食品工业科技，2010，31(5):270－273.

［2］魏凌云，王建华，郑晓冬.菊粉研究的回顾与展望［J］.食品与发酵工业，2005，31(7):81－85.

［3］Dorine L Verraest，Joop A peters，Jan G Batelaan，et a1.Carboxymethylation of inulin［J］.Carbohydrate Research，1995，271:101－102.

［4］Dorine Lisa Verraest，Jan Gerardus Batelaan，Johannes Andreas Peters et al.Corboxymethyl Inulin［P］.US.5777090，1995－07－07.

［5］孙婷，吕荣文，张红兵.羧甲基菊粉精细与专用化学品［J］.2007，15(19):10－14.

［6］孙婷.阴、阳离子菊粉的合成及应用性能研究［D］.大连:大连理工大学，2007.

Carboxymethylation Modification of Inulin and Structural Characterization

Ren Hai-wei，Liu Chun-xia，Zhang Hong-jian，Yao Ning-fang，Li Zhi-zhong
(College of Life Science and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Carboxymethyl inulin(CMI)was prepared by ultrasonic-assisted method in NaOH-chloroacetic acid with isopropanol as the solvent.The effects of etherification time，alkalization time，solvent volume fraction and amount of NaOH on the degree of substitution(DS)of CMI were investigated.The suitable conditions were as follows∶m(inulin)∶m(chloroacetic acid)∶m(sodium hydroxide)=2.75∶1.4∶1，alkalization time 4 minutes，etherification time 15 minutes.The DS of CMI was obtained as 0.41 under the optimum reaction condition.Structure confirmation of CMI was identified by infrared spectroscopy(IR)and X-ray diffracttometry(X-RD)，which have proved that the modification method is feasible.

inulin，carboxymethylation，structural characterization，FT-IR，X-RD

硕士，讲师。

*国家大学生创新性实验计划项目资助

2010－07－15，改回日期:2010－09－15