不同生长期龙爪槐半乳甘露聚糖的比较研究

范希平， 徐 伟， 裴滢莹， 朱莉伟， 蒋建新

(北京林业大学 材料科学与技术学院，林业生物质材料与能源教育部工程中心，北京 100083)

龙爪槐是国槐的芽变品种，又称垂槐，属于豆科槐属植物[1]，在我国各地区广泛栽培，华北和黄土高原尤为多见，龙爪槐果实具有一定的药用价值。与国槐相比，龙爪槐树形较矮，大大节省了果实的采摘成本和人力消耗。龙爪槐果实胚乳内含有大量的半乳甘露聚糖，其结构是由β-D-1,4糖苷键连接的甘露糖主链和α-D-1,6糖苷键连接的半乳糖侧链组成，其相对分子质量介于5×105～5×106[2-5]。半乳甘露聚糖在低浓度下能形成高黏度流体，具有增稠性、乳化稳定性、悬浮分散性和保水性等性能，广泛应用于石油钻采、食品医药、纺织印染、兵工炸药、日化陶瓷、建筑涂料、木材加工、造纸等领域[6-7]。目前提取半乳甘露聚糖的方法可分为水浸浓缩法和机械分离法。机械分离法是根据种子中种皮、内胚乳及胚芽子叶三部分的物理性能的差异，即含半乳甘露聚糖的种子内胚乳片比较坚硬不易被粉碎而种皮和子叶较易被破碎，种子经粉碎(或研磨)、筛分即可分离得到内胚乳片，其聚糖质量分数超过65%, 总糖质量分数超过80%。所以分离出内胚乳片，也就等于得到了一定纯度的中间体，再经水合、磨粉、灭菌得未提取的半乳甘露聚糖粉末，目前, 绝大多数工厂均采用机械分离法分离提取半乳甘露聚糖[6]。在龙爪槐生长和成熟过程中，对其胚乳内半乳甘露聚糖进行基础研究对工业化具有深远的意义。本研究通过机械分离法对不同生长期龙爪槐半乳甘露聚糖进行提取，并对其组成、水溶性和水不溶物含量以及流变特性进行分析，以期对龙爪槐半乳甘露聚糖的工业化和高值化利用提供参考。

1 实 验

1.1 材料与仪器

龙爪槐(Sophorajaponicavar.pendula)果实采摘于北京市东升八家郊野公园，采摘时间为龙爪槐开花后的第15、 17、 19、 21、 23周，每次采摘约20个果实。D-半乳糖和D-甘露糖均为标准品，美国Sigma公司。其他试剂均为市售分析纯。

SHJ-I水浴恒温磁力搅拌器；L-550台式低速大容量离心机，长沙市湘仪仪器有限公司；FA1004分析天平；LVDV-Ⅲ+流变仪，美国Brookfield公司；Waters e2695型高效液相色谱仪(配备A minex HPX-87P柱和RID示差折光检测器)，美国Waters公司。

1.2 半乳甘露聚糖的分离提取

将每次采摘的果实分成4组。首先测量每个果实的长和宽，然后将果实内种子手工剥离得到种皮、胚乳和子叶3部分，之后将3部分置于105 ℃烘箱中烘干至质量恒定，测定胚乳含水率及种子内3部分的干质量比例。将手工剥离的胚乳置于三辊机内，压碎，将压碎后的胚乳进行烘干、粉碎和过筛(取粒径小于125 μm的部分)，得到未提纯的半乳甘露聚糖。

1.3 半乳甘露聚糖的分析与测定

1.3.1流变性能测定 分别称取0.03、 0.09和0.15 g(以干质量计，下同)不同生长期的龙爪槐半乳甘露聚糖，在80 ℃下水合30 min，配制成质量分数为0.1%、 0.3%和0.5%的胶液。使用流变仪分别在25、 40、 55和70 ℃下进行测试，剪切率在5 min 内由0 s-1升高至85 s-1，测定不同生长期的龙爪槐半乳甘露聚糖的表观黏度和剪切应力随剪切率的变化，绘制黏度与剪切速率之间的关系曲线。在测试温度25 ℃下，为研究不同生长期龙爪槐半乳甘露聚糖的流变性能，采用幂律模型(式(1))对其流变曲线进行拟合。

σ=k×γn

(1)

式中：σ—剪切力,Pa；γ—剪切率,s-1；k—稠度指数,Pa·sn；n—流动指数。

1.3.2水溶性物质和水不溶物含量的测定 分别取0.15 g不同生长期的龙爪槐半乳甘露聚糖，溶于30 mL去离子水中，并于30 ℃下不断搅拌30 min，得到悬浮液。将悬浮液离心(4 000 r/min, 20 min)后取上清液(10 mL)，然后将水不溶物水洗3次。将水不溶物和上清液于105 ℃下烘干4 h直至质量恒定。水溶性物质和水不溶物质量分数根据式(2)和(3)计算：

(2)

(3)

式中：S—水溶性物质质量分数，%；w—10 mL上清液的干质量，g； 3—30 mL样品取10 mL换算时的扩大倍数； 0.15—龙爪槐半乳甘露聚糖的干质量，g；T—水不溶物质量分数，%；m—水不溶物的干质量，g。

1.3.3糖含量的测定 根据美国再生能源实验室(NREL/TP-510- 42618)测定半乳甘露聚糖中的单糖组成方法进行改进[8]，分别取0.15 g不同生长期的龙爪槐半乳甘露聚糖置于耐压瓶中，加入1.5 mL质量分数为72%的H2SO4，在30 ℃下水解1 h并不断搅拌，随后加入42 mL的去离子水并置于高压灭菌锅中，于121 ℃下继续水解1 h。水解完成后，水解液经过碳酸钙中和(pH值5～7)和阳离子吸附树脂吸附后，进行HPLC分析。HPLC配备色谱柱HPX-87P(300×7.8 mm)和示差折光检测器，流动相为超纯水，流速为0.6 mL/min，柱温和检测器温度分别为85和35 ℃。使用单糖D-半乳糖和D-甘露糖标准品建立峰面积和单糖浓度的标准曲线，将HPLC分析得到的样品中的单糖的峰面积代入标准曲线，得到单糖质量浓度，根据式(4)计算龙爪槐半乳聚糖和甘露聚糖的质量分数，两者之和即为半乳甘露聚糖的质量分数。

(4)

式中：P—龙爪槐半乳聚糖或甘露聚糖质量分数，%；c—水解样品中单糖(D-半乳糖或D-甘露糖)的质量浓度，g/L； 0.9—单糖与聚糖的换算系数； 0.043 5—两步酸水解体积，L。

2 结果与讨论

2.1 龙爪槐果实的物理参数

龙爪槐果实和种子的颜色随着采摘时间的增加而逐渐加深，这是由龙爪槐果实和种子不断生长和成熟造成的[9]。特别是在其开花后的23周,龙爪槐果实和种子颜色由绿色完全变为黑褐色。随着龙爪槐果实的不断生长和成熟(19周到21周)，果实的长和宽基本保持不变，而在23周，果实的长度降低，可能是果实失水而收缩导致的。此外，每个种子的质量逐渐降低(表1)，这可能与种子在生长和成熟过程中脱水现象有关。在种子脱水过程中，种子水分减少而导致质量降低，使种子趋于成熟[10]。由表1可知，在种子不断成长和成熟过程中，种子内3部分质量分数基本保持不变，说明了在龙爪槐半乳甘露聚糖生长和成熟过程中，虽然水分减少，但不会对种子内子叶、胚乳、种皮3部分质量分数产生较大影响，在23周，龙爪槐种子内子叶、胚乳和种皮的质量分数分别为48.34%、 29.37%和22.29%。

表1 不同生长期龙爪槐果实的物理参数

2.2 龙爪槐半乳甘露聚糖中糖含量

从表2中可以看出，随着龙爪槐果实的不断生长和成熟(从开花后的15周到23周)，其胚乳内的甘露聚糖质量分数逐渐增加，从64.24%增加至67.82%，这可能是由胚乳内甘露糖基转移酶诱导的甘露糖合成并积累引起的[11]。然而半乳聚糖质量分数却不断降低，从13.50%降低至11.23%，这可能是由胚乳内α-半乳糖苷酶催化水解甘露糖主链上的α-(1→6)连接的半乳糖侧链导致的[12]，使得随生长期增加，纯化的半乳甘露聚糖上半乳聚糖质量分数逐渐降低。甘露聚糖不断增加，半乳聚糖不断减少，导致了甘露糖与半乳糖的比例(M/G值)不断增加，从4.76增加到6.04。而M/G值是影响半乳甘露聚糖溶解性和流变性的重要因素[13-14]。与M/G值较低的半乳甘露聚糖(1～1.8)相比，M/G值较高的半乳甘露聚糖(2.7～4.0)不溶于冷水，但可以通过加热来实现溶解[15-17]。在本实验中，M/G值使水溶性物质质量分数小，半乳甘露聚糖溶液黏度较大。此外，随着龙爪槐果实的不断生长和成熟，龙爪槐胚乳内半乳甘露聚糖的质量分数也不断增加，从77.74%增加至79.05%，表明龙爪槐生长过程中其胚乳内半乳甘露聚糖不断积累。Reid等[9]通过染色法在光学显微镜下观察发现，随着豆科植物的生长和成熟，胚乳内半乳甘露聚糖是不断沉积的过程，并将豆科植物中半乳甘露聚糖的生长和成熟分为了4个阶段：胚发育阶段、半乳甘露聚糖沉积阶段、半乳甘露聚糖沉积晚期和半乳甘露聚糖成熟阶段。

表2 不同生长期龙爪槐胚乳内半乳甘露聚糖含量的变化

2.3 龙爪槐半乳甘露聚糖的流变学分析

2.3.1流变性分析 从图1(a)可知，龙爪槐半乳甘露聚糖胶液的表观黏度随着生长期的增加而不断增加。这可能是因为在龙爪槐生长过程中，半乳甘露聚糖不断积累和M/G值不断增加引起的(表2)。McCleary等[18]也发现，半乳甘露聚糖更高的黏度是由更高的M/G值决定的[19]，可以代表每单位碳水化合物中有更多的β-(1→4)糖苷键连接的甘露糖主链和更少的α-(1→6)糖苷键连接的半乳糖侧链。此外结合图1(a)和(b)，随着剪切率的增加，剪切应力逐渐增加，使半乳甘露聚糖的分子链展开，进而导致了半乳甘露聚糖黏度的降低，说明了龙爪槐半乳甘露聚糖溶液存在剪切稀释行为和假塑性[20]。

图1 不同生长期龙爪槐半乳甘露聚糖的表观黏度(a)和剪切应力(b)随剪切率的变化

基于流动指数(n)，流体可分为3种不同的类型。当n<1时，流体为假塑性流体并存在剪切稀释行为；当n=1时，流体为牛顿流体;当n>1时，流体为剪切增稠流体[21]。不同生长期龙爪槐半乳甘露聚糖在质量分数为0.5%时，在25 ℃测试条件下，稠度指数(k)和流动指数(n)如表3所示，可以发现所有样品与幂律方程的吻合度均大于91%，说明龙爪槐半乳甘露聚糖流体拟合幂律方程[22](式(1))，流动指数(n)均小于1，进一步说明了龙爪槐半乳甘露聚糖胶液的假塑性行为[23]。如表3，随着龙爪槐半乳甘露聚糖的积累，其稠度指数逐渐增加，从0.171 Pa·s0.87增加至0.584 Pa·s0.71。假塑性的增加会使半乳甘露聚糖稠度指数增加，从而使半乳甘露聚糖分子链间相互作用逐渐增加，最终会使半乳甘露聚糖黏度逐渐增加[24]。23周表观黏度和M/G值(表2)最大，有望替代刺槐豆胶进行工业化生产。

表3 不同生长期龙爪槐半乳甘露聚糖胶液的幂律定律参数

2.3.2温度及浓度对其流变行为的影响 在食品工业中，大多数的食品加工过程都会包含加热过程，因此半乳甘露聚糖胶液黏度随温度变化的研究十分重要。例如，黄原胶可以在高温下仍保持较高黏度，而许多水溶性多糖的黏度随温度升高而逐渐降低[25]。如图2所示，开花后第23周的龙爪槐半乳甘露聚糖在质量分数为0.5%时，测试温度从25 ℃升高至70 ℃，胶液的表观黏度逐渐降低。当剪切率为50 s-1时，25 ℃下半乳甘露聚糖胶液的表观黏度大约是40 ℃下半乳甘露聚糖胶液表观黏度的2倍，说明龙爪槐半乳甘露聚糖胶体黏度存在温度依赖性。这可能因为随着胶液温度的升高，水分子的运动更加剧烈，有利于水分子释放出的更多的HO·自由基，半乳甘露聚糖的糖苷键受到攻击而使半乳甘露聚糖发生降解，从而使半乳甘露聚糖黏度降低。也可能是因为胶液温度升高导致了分子间热运动增加，拉大了分子间相互距离而减弱了分子间相互作用力，导致了半乳甘露聚糖黏度的降低[26]，所以半乳甘露聚糖在高温下工业应用应先进行改性处理以保持更好的温度稳定性。

开花后第23周的龙爪槐半乳甘露聚糖(25 ℃)，随着龙爪槐半乳甘露聚糖质量分数的增加，半乳甘露聚糖胶液的黏度逐渐增加(图2(b))。

图2 第23周龙爪槐半乳甘露聚糖胶液黏度随温度(a)及质量分数(b,25 ℃)的变化

尤其是质量分数为0.5%的龙爪槐半乳甘露聚糖胶液，当剪切速率由0 s-1增加至85 s-1时，半乳甘露聚糖的黏度从0.113 9 Pa·s降低至0.042 Pa·s。与质量分数为0.1%和0.3%半乳甘露聚糖胶液相比，0.5%的胶液剪切稀释程度加剧，表现出更强的假塑性流体的特征。这可能因为龙爪槐半乳甘露聚糖分子链中具有大量羟基，较高浓度下氢键的增强会形成更多的交联网络结构，使半乳甘露聚糖黏度增加[27]。浓度是工业生产中重要的参数之一，直接关联着对生产原料的需求量和成本，所以得出结论半乳甘露聚糖表观黏度随质量分数增加而增加可以为工业生产提供参考。

2.4 水溶性物质和水不溶物含量

从表4中可以看出，随着龙爪槐半乳甘露聚糖的不断沉积和积累，龙爪槐半乳甘露聚糖的水溶性物质的量逐渐降低，而水不溶物含量逐渐升高。在23周，水溶性物质和水不溶物的质量分数分别为23.54%和75.87%。这可能是因为23周的半乳甘露聚糖具有更高的M/G值(表2)，高的M/G值会导致半乳甘露聚糖呈现紧凑的包裹结构，而使半乳甘露聚糖溶液难溶于水[28]。水溶性物质和水不溶物总质量分数(98.26%～99.21%)接近100%，表明水溶性物质和水不溶物含量实验结果的可靠性。而受M/G值影响的水溶性物质质量分数可能会在工业生产中影响产品的性能。

表4 不同生长时间龙爪槐半乳甘露聚糖的水溶性物质和水不溶物质量分数的变化

3 结 论

3.1通过机械法得到未提纯的龙爪槐果皮半乳甘露聚糖，制成不同质量分数胶液，对不同生长期的龙爪槐果皮中半乳甘露聚糖进行了分析。半乳甘露聚糖质量分数从77.74%增长到79.05%，发现胚乳内半乳甘露聚糖是逐渐积累的，而且因甘露聚糖增加(64.24%到67.82%)，半乳聚糖减小(13.50%到11.23%)，所得M/G值随生长期增加而增加，从4.76到6.04。

3.2不同生长期龙爪槐果皮半乳甘露聚糖随剪切率增加剪切应力增加，表观黏度增加，胶液表现为假塑性行为，稠度指数从0.171 Pa·s0.87增加到0.584 Pa·s0.71，说明半乳甘露聚糖分子链间的相互作用增加，稠度指数与表观黏度成正相关。

3.3龙爪槐半乳甘露聚糖胶液随着测试温度的升高,表观黏度逐渐降低；而随胶液浓度的增加，表观黏度逐渐增加。

3.4随着龙爪槐半乳甘露聚糖的不断沉积，龙爪槐半乳甘露聚糖的水溶性物质逐渐从35.78% 降低到23.54%，水不溶物含量逐渐从62.48%升高到75.87%。