（有机化学专业论文）瓜尔胶的接枝改性和酶解法制备半乳甘露低聚糖的研究.pdf

瓜尔胶的接枝改性和酶解法制备半乳甘露低聚糖的研究 摘要 瓜尔胶作为一种提取自瓜尔豆的半乳甘露聚糖，由于自身高分子量、 高粘稠性等多方面性能，被广泛应用于食品，医药，水处理，纺织石油开 采，采矿等诸多行业，对瓜尔胶的改性，也是近年来十分热门的研究领域。 甘露低聚糖是一种使双歧杆菌增值的功能性低聚糖，在营养改善、食品工 业、养殖饲料等方面有广阔应用前景。 本实验包括两个方向：一，瓜尔胶的辐照接枝改性。瓜尔胶的接枝反 应国外已有相关报道，但是使用c o 辐射引发瓜尔胶接枝聚合还属于一个新 课题，从而拓宽了改性工艺路线。二，通过b 一甘露聚糖酶酶解瓜尔胶制备 半乳甘露低聚糖( g m o s ) 。 1 通过对瓜尔胶与m a a 接枝反应的研究，接枝反应最佳反应条件是： 在通入n ：条件下，甲基丙烯酸与瓜尔胶的质量比为3 ：1 ，辐照剂量为1 5 k g y ， 胶液p h 值为6 时，接枝率可以达到10 8 ，接枝产物粘度最大，达到反应前 胶液的2 5 倍，由此说明通过接枝聚合，提高了瓜尔胶的应用性能。 在最佳反应条件下合成了接枝产物，并进行纯化，通过f t l r 光谱和x _ 射线衍射确认了瓜尔胶分子链上确实m a a 接枝产物的存在。 2 在一定条件下应用瓜尔胶和甲基丙烯酸接枝产物，与卡拉胶进行了 复配共混应用研究，发现接枝产物的加入后形成的共混凝胶强度有显著提 高。并且通过单因素实验找到了最佳共混条件：当卡拉胶浓度为3 时，瓜 尔胶与甲基丙烯酸接枝产物的浓度为0 2 ，p h 值为7 ，k ci 浓度为0 2m ol l ， 共混温度为8 0 。c 在该条件下共混3 0 min ，形成的共混凝胶强度最大。用 红外图谱表征的这种共混作用。 3 通过b 一甘露聚糖酶酶解瓜尔胶制备了功能性低聚糖半乳甘 露低聚糖。通过酶解正交实验得到了最佳酶解条件为：p h 值= 7 、酶解时间 1 0 h 、加酶量为4 0 1 u g 。在最佳条件下酶解瓜尔胶制备了半乳甘露低聚糖， 经纳滤分离，得到聚合度2 - - 1 0 的产品，产率为4 2 。通过m a l d i - t o f 质 谱分析证明g m o s 组分主要有2 - - 1 0 个单糖组成，h p l c 证明酶解产物中低聚 糖总含量达到7 5 4 。通过1 3 c n m r 图谱确定产品的甘露低聚糖c 6 羟基上取 代着半乳糖残基。 4 通过半乳甘露低聚糖对小鼠小肠动力的影响试验，用5 半乳甘露 低聚糖口服液灌胃，能提高小鼠墨汁推进率，其效果与目前市场上公认的 “益生元 低聚果糖相当，说明半乳甘露低聚糖能提高小鼠小肠动力，调 节肠道菌群平衡，具有通便作用。 关键词瓜尔胶甲基丙烯酸辐射接枝共聚凝胶化b 一甘露聚糖 酶酶解半乳甘露低聚糖 n s t u d yo ng r a f r i n gm o d i f i c a t i o no fg u a rg u m a n dp r e b u 毗鲴【i o no fg a i 。a c t o m l 气n n a n o u g o s a c c h 棚d e sb ye n z y 队t i ch y d r o l y s i s0 f a b s t r a c t g u a rg u mi sak i n do fg a l a c t o m a n n a n p o l y s a c c h a r i d eo b t a i n e df r o mc y a m o p s i s t e t r a g o n o l o b u ss e e d p r e s e n t ，g u a rg u ma n di t sd e r i v a t i o n sa r ew i d e l yu s e di nt h ef o o d i n d u s t r y , m e d i c i n e ，w a t e r 仃l ：a t m e n t ，t e x t i l ei n d u s t r y , p e t r o l e u m ，m i n e r a li n d u s t r ya n ds oo n m o sc o u l de n h a n c et h ea c t i v i t yo fb i f i d o b a c t e r i u m m o sw a sa p p f i e di ni m p r o v i n g a l i m e n t a t i o no fp e o p l e 、f o o di n d u s t r ya n df e e ds t u f f m o sa n dt h em o d i f i c a t i o no fg u a rg u m h a v e b e e np o p u l a rr e s e a r c ht o p i c s 。 t h i st o p i ch a v et w op a r t s ( 1 y r h eg r a f t i n gc o p o l y m e r i z a t i o no fm e t h a c r y l i ca c i d ( o n t og u a rg u m ( g g ) w a sc a r r i e do u tu t i l i z i n gt r a d i a t i o n $ o t f f c e 醐c o w h i c hi san c w w a y ( 2 ) g a l a c t o - m a n n a n - o l i g o s a c c h a r i d e sg m o sp r o d u c t i o nw a so b t a i n e df r o mg u a rg u mb y e n z y m a t i ch y d r o l y s i so f8 - m a r m a n a s e 一1 b yt h er e s e a r c ho fg u a rg u ma n dm a ag r a f t i n gc o p o l y m e r i z a t i o n ，i n f l u e n c i n gr u l e so f r e a c t i o nc o n d i t i o n sw e nd i s c u s s e d u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ( f u l lo fn 2 。t h em a s s p r o p o r t i o no fm a a w i t hg u a rg u mi s3 ：1 ，r a d i a t i o nd o s a g e r si s 1 5 k g y , p hv a l u ei s6 o ) g r a f t i n gy i e l di sa b o v e1 0 8 a n dt h ev i s c o s i t yo fp r o d u c tw a s 2 5 t i m e st h a ng u a rg u ma sr a w m a t e r i a l t h ec a p a b i l i t yo fg u a rg u mw a s i m p r o v eb yg r a f t i n gc o p o l y m e r i z a t i o n t h eg r a f t 吨c o p o l y m e r d e r i v i n g f r o mt h e o p t i m a lc o n d i t i o n sw a sc h a r a c t e r i z e d c o m p a r i n gt h ef h r 、x - r a y , t h er e s u l t ss h o wt h em a a h a sb e e ng r a f t e dt og u a rg u m 。 2 t h e r ei ss y n e r g i s t i ci n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eg u a r - g - m a aa n dc a r r a g e e n a n , w h i c h m a k e st h e mf o r mg e l s t h ee f f e c t so ft h ec o n c e n t r a t i o nr a t i oo ft h e m ，m i x e dt e m p e r a t u r e ， i n c u b a t i o nt i m e ，b a l ks a l ti o nc o n c e n t r a t i o na n dp hv a l u eo ng e l a t i o nh a v eb e e ns t u d i e d r h a db e e no b s e r v e dt h a tt h e r ew a sag e ls t r e n g t hm a x i m u mw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f h i c a n - a g e e n a nw a s3 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fg u a r - g - m a aw a so 2 ，t h eo p t i m a lp hv a l u e w a s8 ，t h es a l ti o nc o n c e n t r a t i o nw a s0 2 m o l l , t h em i x e dt e m p e r a t u r ew a s8 0 a n dt h e i n c u b a t i o nt i m ew a s3 0r a i n i n t e r a c t i o nb e t w e e nm o l e c u e so ft h e s et w op o l y s a c c h a r i d e sw a si n v e s t i g a t e db yf t - i r s p e c t r o m e t r y 3 t h ep r o d u c to fg a l a c t o - m a n n a n o l i g o s a c c h a r i d e s ( g m o s ) w a so b t a i n e df r o mg u a rg u m b ye n z y m a t i ch y d r o l y s i so fb m a n n a n a s e t h eh y d r o l y s i sc o n d i t i o n so fg u a rg u m w e r es t u d i e dw i t hb - m a n n a n a s e 1 r h eo p t i m a lc o n d i t i o nw a so b t a i n e du s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e d m e n t a l d e s i g n u n d e rt h ec o n d i t i o n so fg u a rg u m w a t e rs o l u t i o n0 3 以b - m a n n a n a s e4 0i u gg u a r g u m ，p hv a l u e7 0 ，h y d r o l y t i ct e m p e r a t u r e5 0 ca n de n z y m a t i ch y d r o l y t i ct i m e1 0h t h ep r o d u c tw a ss e p a r a t e db yn a n o f i l t r a t i o nm e m b r a n e p r o d u c tw a sa n a l y s e db ym a l d i - t o fm s ， i - i p l ca n d1 3 c n m r 耽er e s u l ts h o wt h eg m o sa r ec o m p o s e do f2 - 1 0m o n o s a c c h a r i d e s ，c o n t a i n e d7 5 4 g m o sa n dt h eb a c k b o n eo fp r o d u c ts u b s t i t u t e di nv a r y i n gd e g r e e sa t0 - 6w i t h s i n g l eu n i ta - d - g a l a c t o p y r a n o s y lr e s i d u e s 4 t h ei n f l u e n c eo fg a l a c t o - m a n n a n - o l i g o s a c c h a r i d e so nm o v e m e n to fs m a l li n t e s t i n eo f m i c ew a so b s e r v e d d i f f e r e n tg r o u po fs m a l li n t e s t i n e so fm i c ew a sg i v e nw i t hd i f f e r e n t d o s a g e0 5 g m o s t h ep e r c e n t a g eo fi n kp r o p e l l a n ti ns m a l li n t e s t i n ew a so b s e r v e d n c r e s u l ts h o wt h eg m o sh a sap o s i t i v ee f f e c to np u r g a t i o ne f f e c ta n dc o n t r o l l i n gt h eb a l a n c eo f m i c r o b i cc o l o n yi ni n t e s t i n a lt r a c ta sw e l la sf o sw h i c hw a sw e l lk n o w na sp r e b i o t i c s k e y w o r d s ：g u a rg u m ；m e t h a c r y l i ca c i d ( m a a ) ；r a d i a t i o n ；g r a f t i n g c o p o l y m e r i z a t i o n ；g c l a t i o n ； b - m a n n a n a s e ；e n z y m a t i ch y d r o l y s i s ； g a l a c t o - m a n n a n - - o l i g o s a c c h a r i d c s ( g m o s ) i v 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：杰迢槐 加号年6 月夕日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不以 其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论文的 印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览 服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的 的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 獬新签名雷厶热叫争日 瓜尔胶的接枝改性和酶解法制4 t - 半爨量霸 低聚糖的研究 第一章绪论 引言 自然界中，瓜尔胶( g u a rg u m ，简称o o ) 来源于印度、巴基斯坦一带广泛栽培的一年 生豆科植物一瓜尔豆。瓜尔胶就存在瓜尔豆的胚乳中，将瓜尔豆脱去豆壳，除去胚芽， 筛选其黄绿色的胚乳部分，经洗涤去杂、高压水解、酒精沉淀、离心分离、干燥、磨粉、 过筛即可制得瓜尔胶粉。胶粉呈白色，有微弱的豆腥味，能溶于冷水或者热水中形成溶 胶，我们每年瓜尔胶的需求量在5 万吨以上。尤其是石油工业每年使用的瓜尔胶的数量 在3 万吨左右。仅靠进口无法满足需求，目前国内已经开始引进种植，并获得成功【n 。 p i o n e e r h i b r e e d 公司的科学家已经分离出瓜尔豆胶基因，并且把该基因功能性的表达 在大豆种子上，希望利用大豆来生产制造瓜尔豆胶。可见瓜尔胶的需求广泛，应用前景 非常广大 1 1 瓜尔胶的结构与性质 1 1 1 瓜尔胶的结构 瓜尔胶就分子结构来说是一种非离子的天然多糖，它以聚甘露糖为分子主链，d - 吡喃甘露糖单元之间以8 ( 1 4 ) 苷键连接。而d 吡喃半乳糖则以a ( 1 6 ) 键连接在聚甘露糖 主链上瓜尔胶中甘露糖与半乳糖单元之摩尔比为2 ：1 ，半乳糖基在甘露糖主链上不是 均匀分配的，挪威海洋生物化学学院的h a n so r a s d a l e n 等【2 】运用核磁共振，测量发现甘露 糖的c 4 峰发生分裂说明该碳处于链接半乳糖支链的碳原子的邻位。分子量约2 0 - 3 0 万【3 】， 会因为原产物瓜尔豆的产地不同而有所差异，有的分子量达到1 0 0 - 2 0 0 万瓜尔胶的空间 结构为一种蜷曲的球形结构，甘露糖在内部，半乳糖在外部【4 1 瓜尔胶的接枝改性和酶解法制备半宄甘露低聚糖的研究 1 1 2 瓜尔胶的性质 图1 - 1 瓜尔胶分子的结构 f i g i - ! s t r u c t u r eo fg g 1 1 2 1 流变性 瓜尔胶的水溶液是天然胶中粘度最高的，测量它的乌氏粘度m a r k - h o u w i n k s a k u r a d a 方程表示如下的：【n 】= k m w 4 。方程中q 和k 值进行测量的报道很少。d o u b l i e r 等人测得 的q 和k 值，分别为0 9 8 和7 7 6x1 0 4 的。r o b i n s o n 等测定的a 和k 值是o 7 2 和3 8 x1 矿 m u b e e r 5 1 等人利用高效凝胶排斥色谱和直角激光扫描检测计联用，测得q 和k 值是0 7 2 和5 1 3x 1 0 - 4 ，即fr t = 5 1 3x1 0 。4 m w o - 7 2 ，而由此来看m u b e e r 和r 0 b i i 坞衄两组人测得 的数字比较相近。 1 1 2 2 增稠性 瓜尔胶分子量大、水合能力强和不带电荷等特性决定了它具有优良的增稠性能。增 稠机理是通过瓜尔胶糖单元上含有的3 个羟基与水分子相互作用形成三维水化网络结 构，从而达到增稠的效果。瓜尔胶的增稠能力是淀粉的5 8 倍【6 l 。水溶液中加少量的硼砂 转变成凝胶。用于片剂的生产配方以及医用胶体配方、悬浮液、乳液、洗液、奶液和牙 膏中。 1 1 2 3 耐盐性 瓜尔胶对无机盐类具有兼容性能，其水溶液能够耐受大多数一价盐离子( n a + 、k + 、 c 1 等) ，如食盐的浓度高达6 0 粘度仍然没有变化；但高价金属离子的存在可使溶解度 下降m 。 2 广西大掌硕士论文 瓜尔胶的接枝改性和酶解法制畚半乳甘露低聚糖的研究 1 1 2 4 瓜尔胶对酸碱的稳定性 q j w 觚g 等人研究了瓜尔胶在酸性条件下的稳定性，5 0 时，p h = 3 的酸性条件下， 基本上不降解，p h 低于3 时将会有不同程度的水解，而在室温2 5 时，即使p h = 1 0 时也不会水解，在三种不同p h 值下测量水解活化能，根据p h 值是1 5 、2 0 、3 0 时的 水解活化能，说明瓜尔胶具有较强的耐酸碱性嘲。瓜尔胶在碱性条件下，如p h 值大于 1 0 ，也有明显降解【9 】，瓜尔胶的粘度降低。如果水解条件再强烈一些，比如使用硫酸或 者三氟乙酸等强酸就可以完全水解瓜尔胶为单糖，利用这个性质可以测量瓜尔胶和它的 衍生物的半乳糖和甘露糖的比例。 在本论文中，我在测定瓜尔胶总糖含量时也应用了这一性质。 1 1 2 5 瓜尔胶的热稳定性 对酸碱有相当的稳定性，不过瓜尔胶的热稳定性就比较差，在8 m 9 5 加热下，糖 苷键会断裂，粘度就会降低。如果温度低于4 0 ，加热可以加快水合反应进程，有利于 在较短时间内达到最高粘度对于瓜尔胶的热降解，是不可逆的【枷。 1 1 2 6 水溶性 因为水是瓜尔胶的唯一通用溶剂，所以瓜尔胶水溶性比较重要。瓜尔胶在水溶液中 表现出典型的缠绕成球的性质，一般来说，浓度为0 5 以上的瓜尔胶表现出非牛顿流体 的假塑性流体特性，不存在屈服应力，在冷水中2 小时瓜尔胶能够充分水化，能够分散 在热水或者冷水中形成粘稠液，1 的溶液粘度可以达到3 5 0 0 - 6 0 0 0 c p ，就其粘度特性是 天然植物胶中最高的。分散于冷水中2 d , 时后表现出粘度，以后粘度越来越大，2 4 小时 达到最大值，这时胶溶液的粘度也与胶粒的大小有关。提高温度有利于瓜尔胶的水化 8 5 时水化到达到最大粘度的时间也时不到1 0 9 钟。但是如果温度过高，同样也会导致 瓜尔胶降解，粘度下降。瓜尔胶在水中时天然p h 值为中性，p h 值是8 9 时可很快的水化， 大于1 0 小于4 时则水化速度变慢。总之具体粘度取决于粒度，制备条件及温度。 瓜尔胶是一种溶胀高聚物，水是它的通用溶剂，不过也能以很少量的的溶解度溶解 于与水混溶的溶剂中，如乙醇溶液中。但是不溶于油、醇、醚、酮及醋类等有机溶剂【1 1 d 引。 1 1 2 7 瓜尔胶与其他胶的协同作用 瓜尔胶与某些线性多糖如黄原胶、琼脂胶和k 型卡拉胶互相复配形成复合体，由于产 生协同效应而使得粘度增加，瓜尔胶与槐豆胶的协同效应比与黄原胶要强，瓜尔胶能与 海藻酸钠n 町、魔芋胶n 铂和淀粉n 町等都能混溶产生协同效应，这种增效作用通常与温度、 p h 值和金属离子等有关。 3 刀0 昶胶的接枝改性p 酶解法制薯r 半乳甘霸 低聚糖的研究 1 2 瓜尔胶的改性 瓜尔胶虽然具有水溶性，但瓜尔胶往往具有以下缺点： ( 1 ) 瓜尔胶中的水不溶物含量高 ( 2 ) 瓜尔胶不能快速溶胀和水合，溶解的速度比较慢 ( 3 ) 瓜尔胶的胶液粘度不易控制 从瓜尔胶的分子结构来分析，瓜尔胶的结构是一种蜷曲的球形结构，含有大量的亲 水基团羟基，但是从结构上它的大部分羟基处于分子内部，分子间作用力使其形成分子 内自交联，难于较好地水合，结果整个聚糖分子的水溶性大大降低。因此有必要对瓜尔 胶进行化学改性，以提高它的各种应用性能。 瓜尔胶分子中的半乳糖支链处在分子外部，且半乳糖上的c 6 羟基为伯羟基。从空间 位阻和s n 2 化学反应，半乳糖上的c 6 伯羟基，都具有最大几率发生反应。 1 2 1 瓜尔胶的降解改性 瓜尔胶的降解主要有酶降解法、化学降解法。 1 2 1 1 酶降解法 酶法降解可以选用的酶是有高度选择性的甘露糖酶和半乳糖酶。甘露糖酶只剪切甘 露糖主链，而不对支链发生作用，半乳糖酶只剪切支链。通过酶作用切掉部分半乳糖， 也使甘露聚糖的糖链变短，从而改变两种单糖的比例的目的。利用酶对瓜尔胶进行改性 的好处是：可以根据要求，为实验或生产不同分子量分布的的瓜尔胶，王丽伟等用酶法制 各压裂液用低分子量瓜尔胶【1 7 1 。 1 2 1 2 化学降解法 化学降解法分成酸降解法和氧化降解法，酸降解法主要采用盐酸、硫酸进行降解； 氧化降解常用过氧化氢、过硫酸钾等氧化剂氧化降解，其中过氧化氢用得最多。印度化 学技术学院的t t m m m ar e d d y 等f 1 8 墚用加入过硫酸钾做催化剂，在微波辐照下降解瓜 尔胶，发现微波辐照对降解反应有明显的促进作用，并且反应速度明显快于加热条件的 反应速度。 1 , 2 , 2 瓜尔胶的接枝共聚 在引发剂作用下瓜尔胶与含有乙烯基类的单体发生接枝共聚反应，形成接枝共聚 4 广西大等h 页t 龟i 文瓜尔胶的接枝改性和酶群酚表制备半采甘翻 低聚糖的研究 物。j h t r i v e d i 掣1 9 】以c c 4 + 离子作引发剂，甲基丙烯酸甲酯与瓜尔胶进行接枝共聚反应。 讨论了起始温度、浓度、硝酸铈用量对反应的影响，用电镜扫描证明了反应的发生。p k p a n d e y 等人i 刎用钒( v ) 作为引发剂接枝丙烯酸在瓜尔胶上。探索了硫醇参与催化 反应的机理，得到丙烯酸是以聚合长链的形式接枝在瓜尔胶主链上的。印度的v a n d a n a s i n g h 等【2 1 】用过硫酸钾，维生素c ，可以很有效的把甲基丙烯酸甲酯接枝在瓜尔胶上， 发现相对于其他因素，占主要的影响因素是反应物的细微结构与分子量。印度的 b r n a y a k 等阎用c e 4 + 离子作为引发剂接枝聚丙烯酰胺在羟丙基瓜尔胶上，得到的结论： 聚丙烯酰胺的链长与瓜尔胶的粘度有关。宋林林【冽研究了低温( 1 0 ) 水溶液聚合法合 成的阳离子瓜尔胶一丙烯酰胺接枝共聚物对蔗渣漂白硫酸盐浆的助留特性，能够发挥良 好作用。印度的v s i n g h 等人 2 4 1 用微波辐射的方法，引发丙烯酰胺接枝瓜尔胶，0 2 2 分钟接枝效率达到6 6 6 。目前没有y 射线引发瓜尔胶接枝聚合反应的报道。 1 2 3 瓜尔胶的氧化 瓜尔胶与过氧化物等氧化剂作用所得的产品为氧化瓜尔胶。瓜尔胶悬浮浮于苯中， 在激烈搅拌的情况下加入冰冷的n a 2 0 ：，即可发生反应得到氧化瓜尔胶。八j v a n n a 等人【2 5 】 氧化瓜尔胶使得g g 分子c 2 c 3 之间发生断裂，被氧化成羰基、羧基和双醛瓜尔胶等。同 时也有人进行了c 6 位上的氧化研究。如e f 如l l i n i 等1 2 6 l 利用半乳糖氧化酶( g o - a s e 滞v - * l 糖侧链上的c 6 羟基氧化成醛基，再用卤素( 1 2 k 0 将醛基进一步氧化成羧基，制得了带有 羧基的氧化瓜尔胶。h a t m a r t s s 等阳用复合酶代替半乳糖氧化酶来制备氧化瓜尔胶，并 研究了其产物在造纸工业中的应用性能。经氧化改性的瓜尔胶具有良好的相容性、流动 性，较强的存储能力和吸湿能力，在印染工艺中具有极大的应用价值。 1 2 4 瓜尔胶的醚化 瓜尔胶中的羟基与活性物质发生作用生成醚键，从而产生醚化瓜尔胶。强碱条件下 醚键不易水解而提高了稳定性。由于醚化基团不同，改性后的水不溶物、粘度、耐剪性 及耐温性等性能也不尽相同，常见的醚化瓜尔胶有羧甲基瓜尔胶、羟丙基瓜尔胶、羟氨 基酸醚和阳离子瓜尔胶等。 瓜尔胶在异丙醇、乙醇、水等介质中【2 8 l ，n a o h 存在的条件下，与环氧丙烷反应可 得到羟丙基瓜尔胶。 5 瓜尔胶的接枝改性和萌 解法制鲁半民甘露低聚糖的研究 瓜尔胶与叔胺或季铵盐发生醚化反应可以使瓜尔胶带有一定的电荷密度，制得阳离 子瓜尔胶。秦丽娟等用干法合成阳离子瓜尔胶，并发现该产物对废纸脱墨浆有良好的助 留效果【2 9 1 。容易与带负电的纤维和填料发生作用而增强纸张的强度刚。 1 2 5 瓜尔胶的交联 瓜尔胶及其衍生物的水溶液，在一定酸碱环境下，可以与硼、钛、鲐形成凝胶。其 中硼和瓜尔胶所形成的凝胶对剪切是可逆的，即在切割或破裂后，凝胶体可恢复至原来 的状态。卢拥军等1 3 1 】使用有机硼交联的羟丙基瓜尔胶作为石油工业的压裂液，评价该压 裂液具有可控制的延迟交联作用、良好的耐高温和剪切恢复特性、快速破胶、助排能力 和携砂能力强、储层伤害小等特点。y i h o n gh u a n g 等【3 2 l 研究c a 2 + 对瓜尔胶衍生物c m g g 的交联作用。发现交联后的胶有更好的可混合性，形成的膜有更高的强度，同时有利于 储藏。 1 2 6 瓜尔胶的酯化 酯化瓜尔胶是瓜尔胶中的羟基被无机酸或有机酸酯化而得的产品常见的有硫酸 酯、磷酸酯、醋酸酯、邻苯二甲酸酯、苯甲酸酯和磺酸酯。y e hm i c h a e lh ，用瓜尔胶 与2 一丙烯酞胺2 一甲基丙磺酸在碱性条件下合成了种可用做增稠剂的酯化瓜尔胶。 1 3 瓜尔胶的应用 1 3 1 瓜尔胶在食品工业中的应用 瓜尔胶具有与大量水的结合能力，并且天然无毒，使它在食品工业中有着广泛的应 用。在食品工业，瓜尔胶主要用作增稠剂、持水剂和改良剂，通常单独或与其它食用胶 复配使用。用于色拉酱、肉汁中起增稠作用，还具有使冰淇淋缓慢融化的作用，面制品 中增进口感，加入方便面里可以防止吸油过多，烘焙制品中延长老化时间，肉制品内作 粘合剂，用于饮料中改进口感，稳定颗粒悬浮，也用于增加奶酪涂布性等。在几种常见 食品中的具体应用如下【3 3 】。 食品酱：由于瓜尔胶本身的粘性，经常和黄原胶、藻酸丙二醇酯一起使用，来改善 口感，调节悬浮与流动性。 6 瓜尔胶的接枝改性和酶解法铷鲁半宪甘露低聚糖的习 恕 冰淇淋：加入少量瓜尔胶并不能明显地影响在制造过程中冰淇淋的粘度，但能赋予 产品有奶油的滑腻口感。另外一个好处是使产品缓慢融化，并提高产品抗骤热的性能。 还可以用做稳定乳化剂，减少冰淇淋中冰晶的生成，避免小冰粒的形成，抑制水分子迁 移，又有膨松的质地和良好的保形性。 罐头食品：这类产品的产品要求是尽可能不含流动态的水，瓜尔胶由于稠化作用， 固定罐头中的水分，并使肉菜固体部分表面包裹一层稠厚的肉汁。特殊的、缓慢溶胀的 瓜尔胶有时还可以用于限制装罐时的粘度。 调味汁和色拉调味品：在调味汁和色拉调味品中，瓜尔胶具有即使在低浓度时仍然 能产生高粘度的特性，利用了这一基本性质，使得沙拉酱和调味品的品质提高。 奶酪：在软奶酪加工中，瓜尔胶能控制产品的稠度和扩散性质由于瓜尔胶能结合 水的特性，使产品能更均匀地涂敷奶酪，保持奶酪的湿度。 1 3 2 瓜尔胶在其它行业中的应用 1 3 2 1 石油钻井方面 在石油行业中用作压裂液稠化剂和钻井液悬砂剂，瓜尔胶具有较好的水溶性和交联 性，较强的增稠能力和悬浮能力，并且不会对环境造成污染，应用领域十分广泛。生产 中是用瓜尔胶或其衍生物，与硼砂交联【卅以达到压裂液的要求。卿鹏程【3 5 l 用有机钛、胺 基醇和乳酸合成了有机钛交联剂p c 5 0 0 ，研究了羟丙基瓜尔胶有机钛p c 5 0 0 水基冻胶 压裂液的配方，得到了可耐温1 0 0 c 以上，抗剪切，低残渣，交联时间可调的压裂液 1 3 2 2 纺织工业方面 用于纺织印花糊料，印花性能好、印花刀疵较少、渗透性好、印花块面匀染性好， 成糊率高、固含量较低、易洗涤性好，抱水性良好，用于疏水性纤维织物的印花也不至 于渗化，对各类染料的相容性较好，可与其它糊料混合使用。覃余敏、李民忠等刚研究 了羧甲基瓜尔胶在印花染料中的应用，在色泽强度、手感、牢度等方面都有明显改善。 1 3 2 3 制药领域 在制药领域作为药物载体，可以进行了药物缓释和药物定位传输，试验证明瓜尔胶 能有效的控制药物的释放，药物在病人的病变部位进行靶向给药。季崇敏、徐惠南等【3 7 l 、 进行了瓜尔胶乙基纤维素混合包衣小丸对结肠的定位释放药物的研究。 1 3 2 4 其他应用方面 7 j 蟹0 毓胶的接枝改性和酶解法制备半乳甘翻 低聚糖的研究 煤炭工业中水胶炸药生产线，一般要求用瓜尔胶做水胶炸药的胶粘剂，瓜尔胶还可 以作为工业浆状炸药的重要胶结剂，通过酶降解可以控制瓜尔胶的扩散系数，可以达到 对炸药的控制释放，并且瓜尔胶及其衍生物制成的絮凝剂效率高，故能增稠硝酸溶液， 现在瓜尔胶及其衍生物己经成为塑料炸药的一种基本成分。在造纸工业中用作纸张粘结 剂和增强剂，添加瓜尔胶对纸张表面性能的改善尤其明显，可以提高纸张的抗张强度、 表面强度，改善印刷性能，对纸张的透气度不产生影响，提高填料、细小纤维的留着率， 改善成纸的匀度，瓜尔胶以微絮聚的方式改善纸机网部的滤水性能，纸张的匀度不会被 破坏；减小纸张的两面差，提高纸板的层间结合强度。 瓜尔胶在选矿工业中还可作为絮凝剂、浮选助剂。此外瓜尔胶在印刷、农药、森林 灭火剂和化妆品行业中有广泛的应用。 1 4 甘露低聚糖 低聚糖又称为寡糖是指含有2 1 0 个单糖单元通过糖苷键连接起来的糖类。它们常 常与蛋白质或脂类共价结合，以糖蛋白或糖脂的形式存在 当低聚糖具有一定功能活性时，就被成为功能性低聚果糖。 甘露低聚糖又称甘露寡聚糖、甘露寡糖。最早是从酵母培养细胞壁中提取的一类新 型抗原活性物质，广泛存在于魔芋粉、瓜儿豆胶、田菁胶及多种微生物细胞壁内。甘露 低聚糖由甘露糖以b 1 , 4 糖苷键连接而成，但是由于来源不同，包含不同的糖元残基， 又分为甘露低聚糖、半乳甘露低聚糖、葡萄甘露低聚糖等。 葡萄甘露低聚糖( g l u c o m a n n o o l i g o s a c c h a r i d c s ) 是由甘露糖与葡萄糖以1 。禾糖苷键连 接而成的功能性低聚糖。它是运用甘露聚糖酶将魔芋( a m o r p h o p h a l l u sk o n j a c ) 中的葡甘 聚糖降解得到的产物。 半乳甘露低聚糖由瓜尔胶、胡芦巴胶、田菁胶等半乳甘露聚糖，水解得到。 与乳果糖、大豆低聚糖、低聚果糖、异麦芽低聚糖等功能性低聚糖相比刚，服用甘 露低聚糖后可使人体内双歧杆菌自然增殖5 0 - 1 0 0 倍，便秘、腹泻等症状明显得到缓解 甚至消失，效果明显优异。最新研究成果表明，甘露低聚糖还具有抑制肿瘤转移、抑制 血糖升高、降低血脂、抗病毒及免疫调节等生理功。 8 广西大掌硕士论文 瓜尔胶的接枝改性和酶解法制备半乳甘露低聚糖的研究 1 4 1 甘露低聚糖的物化性质 甘露低聚糖是一种非还原性糖，分为糖浆和糖粉2 种。其中，糖浆为无色或淡黄色 液体，糖粉为白色或淡黄色粉末。味微甜，清爽纯正，有魔芋特有清香。甘露低聚糖在 p h 值2 5 - 8 0 相当稳定，1 0 0 加热1h ，几乎不分解甘露低聚糖水分活度几乎与葡 萄糖一致，但冰点降低能力( 低于1 0 ( 2 时) 比葡萄糖强，大于蔗糖和麦芽糖。因此。- f p a 广泛用于食品及其他领域。 1 4 2 甘露低聚糖的生理功能 1 4 2 1 甘露低聚糖作用机理浅析 甘露低聚糖的作用机理主要表现在：在人和动物肠道内，与肠道某些致病菌表面 的凝集素1 3 9 柏】相结合，使之失去粘附侵袭肠道黏膜的能力 3 9 , 4 1 l ：促进肠道双歧杆菌等 有益细菌的大量增殖 4 2 , 4 3 ，增强肠道免疫功能，阻止肠道致病菌对肠黏膜的入侵与粘附 4 1 1 ；双歧杆菌等有益细菌消化分解甘露低聚糖产生的有机酸。降低肠道内p h 值，抑 制肠道败菌等有害细菌的生长【4 1 , 4 3 1 ，减少有毒有害物质的产生，并促进肠道蠕动，加快 有毒有害物质的排泄；肠道双歧杆菌等有益细菌可合成多种维生素1 4 1 删，提高脂肪和 蛋白质的消化率1 4 1 1 。帮助改善机体的营养，分解消化甘露低聚糖产生的乳酸，还可促进 钙、磷、铁和维生素d 的吸收等【4 1 4 3 1 。 1 4 2 2 调节肠道菌群作用 中国卫生部食品卫生监督检验所分别对成年志愿者摄取推荐量( 1 5 4 0 9 d ) 甘露低 聚糖糖粉，连续1 0 d 后，受试人群肠道内的菌群数量发生有益的变化：粪便中双歧杆菌、 乳杆菌的数量明显增加 o 0 1 ) 。拟杆菌的数量明显增加0 o 0 5 ) ，肠杆菌数量明显减少 q 0 0 1 ) ，肠球菌、产气荚膜梭菌的数量无明显变化1 4 4 1 。 1 4 2 3 润肠通便作用 湖北省卫生防疫站采用s p f 级昆明种雄性小鼠分别经口灌胃o 5 、1 0 、1 5 k g 甘露 低聚糖液，连续2 0 d 后，与模型对照组比较：低、中、高剂量组小鼠小肠推进率均具 有极显著性差异q 0 0 5 ) ，说明半乳甘露 低聚糖可以代替抗生素。 由以上可以看出，甘露低聚糖在畜牧、养殖行业有非常广泛的应用前景。研究开发 甘露低聚糖产品具有十分重要的现实意义。 1 5 本论文研究的主要内容及意义 1 5 1 本论文研究的主要内容 本实验从两个方面对瓜尔胶进行研究：1 采取了一种新的瓜尔胶接枝共聚反应，用 6 0 c o 的y 射线引发甲基丙烯酸与瓜尔胶进行接枝反应，通过单因素实验研究辐照剂量、 单体用量和p h 值等因素对整个辐照接枝反应的影响。对接枝产物的粘度进行了测量， 通过单因素实验，找到促使产物粘度提高的最佳反应条件。从而提高了瓜尔胶的应用性 能。应用g g g - k a a 与卡拉胶制各共混凝胶。2 酶法降解瓜尔胶制各半乳甘露低聚 糖一种功能性低聚糖。利用t 3 一甘露聚糖酶为催化剂，通过正交试验探索酶解反应 的最佳条件，并且通过产品对小鼠肠动力实验验证产品功能。 1 5 2 本论文研究的意义 瓜尔胶是粘度最高的天然高分子多糖的功能材料，有着较为丰富的来源，具有广泛 应用前景的高分子材料。瓜尔胶的接枝改性是目前研究的热点之一，通过接枝聚合，在 瓜尔胶分子上接枝甲基丙烯酸，可以提高瓜尔胶的粘度和水溶性，同时由于单体比较廉 价，接枝产物整体的成本也就相应下降。y 射线辐照引发接枝目前未见报道，属于一种 新的接枝改性方法。 研究接枝产物g g - g _ m 从与卡拉胶复配，制备共混凝胶，扩展了本产品的应用范围。 1 ：2 瓜尔胶的接枝改钼请口酶解法制鲁半舅甘翻；低聚糖的研究 国内目前制备甘露低聚糖大都使用魔芋粉进行降解，其产品是葡甘露低聚糖，而本 实验采用1 3 一甘露聚糖酶降解瓜尔胶制备半乳甘露低聚糖，未见报道。半乳甘露低聚糖 和葡甘露低聚糖，结构不完全相同，但功能相同。由于甘露低聚糖对改善人的肠道菌群 平衡等等医疗保健作用，同时在食品工业和畜牧养殖业饲料中也有十分广泛的应用，随 着瓜尔豆和田菁豆在我国的种植推广，用瓜尔胶为原料制各半乳甘露低聚糖，将会具有 十分重要的现实意义。 瓜尔胶的接枝改性和酶解法制j r 半宄甘露低聚糖的研究 第二章瓜尔胶与甲基丙烯酸辐照接枝反应 2 1 实验原理 在辐射场中，t 射线照射瓜尔胶与甲基丙烯酸的混合物，瓜尔胶的分子链上的甘露 糖环和半乳糖环上的h 离去，产生初级自由基，从而引发甲基丙烯酸，形成瓜尔胶一甲 基丙烯酸自由基，并且进一步与甲基丙烯酸进行链增长聚合，最后链终止。同时甲基丙 烯酸也会产生自由基，甲基丙烯酸与甲基丙烯酸之间的发生均聚反应 用g g 表示瓜尔胶基团，m 表示甲基丙烯酸基团，接枝反应历程【5 8 】可以用以下反应 式来表示： 链弓l 笈：g g 竺g g + h ( 2 1 | g g - + m _ g g _ m ( 2 - 2 m 马m ( 2 - 3 ) | 链增长： g g - m + r i m ，g b m 矿i ( 2 “ m + n m 叫m 廿i ( 2 - 5 l 链终l e ：g ( 卜- m 。+ g ( 卜m m ，g ( - - - m m + t ( 2 - 6 ) | m 丑+ m 丑叫m 时- ( 2 - 7 ) | 有空气存在下辐照，会产生过氧化物自由基，从而会引发甲基丙烯酸单体发生均聚 反应，导致接枝率和接枝效率下降，均聚物含量增加。所以辐照接枝反应应该尽量排除 空气，一般要在n 2 保护中进行。 2 2 实验材料及仪器设备 2 2 1 实验材料 甲基丙烯酸( 化学纯中国医药集团上海化学试剂公司) 瓜尔胶粉( 北京瓜尔润公司) 无水乙醇( 分析纯广东光华化学厂有限公司) 1 4 瓜尔肢的接枝改佳和酌 解法制j # 爨皆露低聚糖的研究 无水甲醇( 分析纯广东光华化学厂有限公司) 氢氧化钠( 分析纯广东光华化学厂有限公司) 盐酸( 分析纯廉江市爱廉化学制剂有限公司) 2 2 2 实验仪器设备 数字微量分析天平( s a r t o t o u s 德国) 6 0 c o 点状辐射源( 广西神州辐照中心有限责任公司1 0 0 万居里) 恒温水浴( b u c h4 6 1 瑞士) 微型高速万能式粉碎机( 天津市泰斯特仪器有限公司) 傅立叶变换红外光谱仪( k b r 压片)( 美国n i c o l e t 公司) 酬线衍射仪( 日本理学公司j e m l 2 0 0 - e x s 型) n d j 1 型旋转粘度计( 上海天平仪器厂) j y9 2 一i i d 型超声波细胞粉碎机( 中国，宁波新芝科器研究所) 真空干燥器( 北京通县仪器实验厂) 2 3 实验方法 2 3 1 接枝聚合物的制备 ( 1 ) 将一定量的瓜尔胶粉分散在少量乙醇中，在搅拌中缓慢滴加蒸馏水制成0 4 ( 质量分数) 胶液。( 2 ) 所得胶液，用搅拌器搅拌，量取一定质量的甲基丙烯酸慢慢滴 入其中，加入完毕继续搅拌2 0 m i n 。( 3 ) 随后将胶液超声震荡1 5 r a i n ，以赶出胶液中的 气泡，并向胶液中通入n 2 气鼓吹，继续赶出胶液中所含空气。将配好胶液加入带塞玻 璃瓶中，并通入n 2 气，赶出瓶中剩余空气，盖上塞子