皂荚多糖的普鲁兰酶脱分支改性研究

朱昌玲，雷 鹏，张峰伦，张焕仕

(中华全国供销合作总社南京野生植物综合利用研究所，江苏 南京 211111)

半乳甘露聚糖是工业上有着广泛用途的植物多糖胶，其水溶液为假塑性流体，大分子在自然状态下呈缠绕的网状结构，因而它常被用作增稠剂、稳定剂、乳化剂、黏结剂和调理剂等[1]。半乳甘露聚糖型植物合成系统中酶的专一性及活力、底物的量等因素共同决定了甘露聚糖残基被取代的概率，因此同种植物的半乳糖和甘露糖的比值保持不变，不同的植物种子有各自固定的比值。半乳甘露聚糖胶分子结构中的糖基比值有差别，其分子的精细结构和水不溶物含量也不同，从而导致不同植物的半乳甘露聚糖胶理化性质有差异[2]，为了达到更理想的理化性质，需要对半乳甘露聚糖进行脱支化改性。半乳糖苷酶和甘露聚糖酶是半乳甘露聚糖改性和水解最常用的酶[1]。尽管半乳甘露聚糖的脱支化能够通过特异性的半乳糖苷酶实现[3]，但目前半乳糖苷酶生产成本高，不适用于规模化制备脱支半乳甘露聚糖。皂荚(GleditsiasinensisLam.)又名皂荚树、皂角、猪牙皂等。皂荚树在我国分布广，有较好的经济价值、药用价值、生态价值、木材价值，同时皂荚也是理想的木本植物多糖胶原料资源[4-8]。目前，国内对皂荚多糖胶的开发力度远远不足，其功能化改性的相关研究仍相对较少。本研究以皂荚多糖为原料，考察了普鲁兰酶对皂荚多糖的脱支效应，并研究了改性后皂荚多糖与黄原胶的复配性能，以期为大幅度提升多糖胶资源系列产品附加值和综合利用效益奠定理论与技术基础。

1 材料与方法

1.1 主要材料与试剂

皂荚多糖(GSP)、黄原胶，市购；半乳糖、甘露糖，均为AR级，市购；普鲁兰酶(酶活力3 600 U/mL)，诺维信(中国)投资有限公司；其它试剂均为国产分析纯或生化试剂。

1.2 主要仪器与设备

TAGEL凝胶强度测定仪，上海保圣生物科技有限公司；6890气相色谱仪，美国Agilent公司，配带氢火焰离子化检测器，CR- 6A数据处理机；FTIR- 650傅里叶变换红外光谱仪，广州科晓科学仪器有限公司；ARES流变扩展仪，美国TA公司。

1.3 实验方法

1.3.1酶催化脱支试验 配制质量分数1%的GSP溶液，搅拌使其充分水合；按照200 U/g(以GSP的质量计)加入普鲁兰酶，在温度60 ℃、pH值5.0下进行反应制得改性皂荚多糖(MGSP)。实验中分别在反应2、 4、 6、 8 h后取样测定样品黏度以及甘露糖和半乳糖含量。

1.3.2复配胶的制备方法 按比例称取一定量的MGSP(普鲁兰酶脱分支改性6 h的样品)和黄原胶，用蒸馏水配制成质量分数为1%的复配胶液，搅拌均匀后，再放入30 ℃水浴中完全溶解。

1.4 分析方法

1.4.1黏度的测定方法 参照Q/SH 0050—2007压裂用瓜尔胶和羟丙基瓜尔胶技术要求所述的方法进行测定。具体操作如下：量取300 mL的蒸馏水倒入500 mL的烧杯中，低速启动搅拌装置，缓慢加入3.00 g GSP或MGSP(绝干质量)，搅拌至完全溶解，加盖置于25 ℃水浴锅中，恒温2 h，制得1%的GSP或MGSP溶液。将配制好的溶液缓慢搅匀后，用旋转黏度计测量其黏度。

1.4.2甘露糖、半乳糖的测定方法 用糖腈乙酰酯衍生物气相色谱法测定单糖[9]。

1.4.3红外光谱分析 精密称取1.5 mg样品粉末与15.0 mg KBr混合研磨均匀，压片后在傅里叶变换红外光谱仪上进行红外光谱测试，扫描波数范围400～4000 cm-1[10]。

1.4.4流变特性测定方法 采用ARES流变扩展仪测定弹性模量和黏性模量。参数为50 mm平板、平行板间距1.5 mm；根据不同样品应力扫描结果，以保证所有的测量都在样品的线性黏弹范围之内进行[11-12]。

2 结果与讨论

2.1 酶处理对皂荚多糖的黏度及半乳糖含量的影响

皂荚多糖(GSP)经普鲁兰酶处理后得到改性皂荚多糖(MGSP)，其黏度和半乳糖含量变化见表1。

表1 普鲁兰酶处理对GSP的黏度及半乳糖含量的影响

由表1可以看出，普鲁兰酶能催化GSP去分支化，降低其多糖分子中的半乳糖含量。随着酶催化反应时间的延长，GSP的侧链半乳糖含量逐渐降低，处理6 h以后，普鲁兰酶对GSP的催化效应达到相对饱和，催化反应几乎不再继续。GSP中甘露糖与半乳糖的质量比也由2.55 ∶1提高到3.27 ∶1，半乳糖质量分数降低了17%。同时发现，普鲁兰酶不仅降低了GSP中半乳糖的含量，也降低了GSP溶液的黏度。经普鲁兰酶改性6 h后，1%GSP溶液的黏度下降了57.6%。后续实验选择普鲁兰酶改性6 h的样品。

2.2 改性皂荚多糖的红外光谱分析

a.GSP; b.MGSP图1 样品的红外光谱图Fig.1 Infrared spectra of samples

GSP、MGSP的FT-IR图谱见图1。由图可以看出，样品在3430、 2920、 1640、 1380、 1080、 870和810 cm-1附近均有吸收峰，其中，810及870 cm-1处是甘露糖的吸收峰[10,13]，并且MGSP与GSP的特征红外光谱吸收峰一致，这表明GSP的普鲁兰酶脱分支改性并未改变多糖主链的主体结构和糖苷键的构型，只是降低了分子链中侧链半乳糖的含量。

2.3 溶液的流变学特性

GSP、MGSP溶液的弹性模量(G′)和黏性模量(G″)见图2。由图可知，GSP溶液呈现出了典型的天然高分子的流变学特性：在流变仪的低频区，溶液的流变学性质主要受黏性模量的主导，而在流变仪的高频区，溶液则同时受到弹性模量和黏性模量主导。经普鲁兰酶脱分支改性后的MGSP溶液，尽管其分子结构中半乳糖含量降低，但MGSP溶液仍表现出高分子生物聚合物的流变学特性，与GSP溶液的流变学性质相似。以上结果表明：普鲁兰酶处理只是降低了半乳糖的含量，并没有改变GSP溶液的流变学性质。

图2 GSP(a)和MGSP(b)溶液的弹性模量和黏性模量

2.4 与黄原胶复配后的流变学特性

将GSP和MGSP分别与黄原胶复配(质量比1 ∶1)，其复配溶液的流变学特性情况见图3。由图可知，GSP与黄原胶按照质量1 ∶1复配后，复配胶溶液(1%)在流变仪测试范围内，随着转速增加，复配胶溶液的弹性模量和黏性模量均逐渐增大，不同于复配前GSP溶液在流变仪低频区受黏性模量主导的特性，复配胶呈现弹性模量始终大于黏性模量的特性，表明复配多糖具有了凝胶特性。MGSP与黄原胶复配胶溶液的弹性模量在测定频率范围内也始终大于其黏性模量，不同的是，该复配胶受转速影响较小，即使在低频率时，该复配胶就具有较高的弹性模量，甚至比同等转速下的GSP高出一个数量级。因此，MGSP与黄原胶复配时，呈现出了显著的协同增效效应；但MGSP自身的弹性模量随转速变化不大，这说明复配胶呈现出了一种较高弹性强凝胶的特性[14]。

2.5 不同复合比例对MGSP-黄原胶性能的影响

MGSP与黄原胶按不同质量比进行复配，复合胶性能见表2。

a.GSP-黄原胶GSP-xanthan gum; b.MGSP-黄原胶MGSP-xanthan gum

表2 不同复合比例对MGSP-黄原胶复合胶性能的影响

从表2可以看出，在MGSP与黄原胶复配时，复配比例对复配胶的性能起着至关重要的作用。在不同配比的复配胶中，弹性模量始终大于黏性模量；弹性模量受复配比例影响较为显著，随着MGSP质量的增加，复配胶的弹性模量逐渐增大，当MGSP质量分数为复合胶的60%时，复配胶的弹性模量最大，为112.3 Pa；复配胶的黏性模量受复配比例的影响则相对更大一些。据报道，复配胶弹性模量的增加是由于两种复配高聚物相互作用形成网络结构的影响[15-16]。

综上所述，普鲁兰酶改性后的皂荚多糖在与黄原胶复配成凝胶的过程中呈现出了令人满意的流变学特性。考虑到普鲁兰酶易于制备、价格便宜，因此利用普鲁兰酶改性皂荚多糖，对于推进皂荚多糖胶的商业应用范围及价值提升、开发新型增稠剂均具有重要的研究意义和经济意义[15]。

3 结 论

3.1通过普鲁兰酶对皂荚多糖进行去分支化改性，获得了改性皂荚多糖；酶处理6 h后，改性皂荚多糖含半乳糖为23.4%，黏度为2 110 mPa·s,而皂荚多糖含半乳糖为28.2%，黏度为4 976 mPa·s，可以看出，改性反应不仅降低了皂荚多糖中半乳糖的含量，也降低了皂荚多糖溶液的黏度。

3.2红外光谱分析表明：皂荚多糖的普鲁兰酶修饰并未改变多糖主链的主体结构和糖苷键的构型，只是降低了分子链中侧链半乳糖的含量。

3.3普鲁兰酶改性后的皂荚多糖与黄原胶复配时，呈现出了显著的协同增效效应。另外，复配胶呈现出了一种较高弹性强凝胶的特性。在改性皂荚多糖与黄原胶复配时，复配比例对复配胶的性能起着至关重要的作用。随着改性皂荚多糖比例增加，复配胶的弹性模量逐渐增大，当m(改性皂荚多糖) ∶m(黄原胶)为6 ∶4时，复配胶的弹性模量最大(112.3 Pa)；黏性模量受复配比例的影响相对更大一些。