林 超，杨 成

（江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡214122）

作为最主要的非淀粉多糖之一，阿拉伯木聚糖主要存在于谷物的细胞壁中。其基本结构是以β-（1→4）-D-吡喃木糖残基基为线型主链，通过C（O）-2、C（O）-3或C（O）-2，3糖苷键连接α-L-阿拉伯呋喃糖基取代物[1]。在部分阿拉伯糖基的（O）-5位上存在着以酯键相连接的阿魏酸[2]。而带有阿魏酸的阿拉伯木聚糖（WEAX）在能产生自由基的试剂（如过氧化物酶（POX）/H2O2、漆酶、锰过氧化物酶和化学氧化剂等）存在下时，通过阿魏酸分子间发生共价交联，形成二聚物或三聚物，反应会使溶液粘度上升，最终可以导致凝胶的形成[3-4]。由于WEAX凝胶具有无毒，反应迅速，高吸水率，良好的生物相容性，对pH和电解质浓度变化的稳定性，并且能够在放置一定时间仍然保持不缩水等优点[1]，并且作为天然来源的多糖，来源广泛并具有多种生物活性，将其应用于食品、药品和化妆品等领域已经成为近年研究热点。Izydorczyk等[5]使用过氧化物酶/H2O2体系研究了不同小麦中阿拉伯木聚糖凝胶的流变性能。Carvajal-Millan等[6]利用小幅振荡流变仪研究了阿拉伯木聚糖在漆酶/O2体系存在下形成凝胶的过程，而阿拉伯木聚糖作为蛋白质的载体，不同结构和流变性能也影响着凝胶运载蛋白质的能力[7]。但是，对于水提玉米麸质阿拉伯木聚糖凝胶的研究仍然较少，另一方面，不同氧化交联体系对阿拉伯木聚糖凝胶的结构和性质的影响，也没有得到很好的研究。本文主要通过采用两种不同的氧化胶凝体系制备玉米麸质中水可提阿拉伯木聚糖凝胶，研究了不同氧化体系对凝胶结构、流变性、热稳定性和溶胀性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

过氧化物酶P8125、漆酶38429、α-淀粉酶A3403、蛋白质酶P1236 均购于Sigma公司；30%过氧化氢、正己烷、无水乙醇 为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

S-4800型扫描电子显微镜 日本日立公司；AR1000型流变仪 英国TA公司；TGA/SDTA 851E型热重分析仪 瑞士Mettler Toledo公司。

1.2 实验方法

1.2.1 玉米麸质中阿拉伯木聚糖的提取[8]称取一定量的玉米麸皮，经正己烷处理，得到去油脂玉米麸皮，将去油脂玉米麸皮倒入水中，调节pH至7，加热煮沸，待降温至90℃左右，加入α-淀粉酶，除去麸皮中所含淀粉，调节pH至6，加入蛋白质酶P-1236，除去麸皮中所含蛋白质；离心分离，收集上层清液与第1次洗涤清液，用4倍体积的无水乙醇沉淀，过滤，滤渣45℃烘干，研磨，得到阿拉伯木聚糖（WEAX）。

1.2.2 WEAX凝胶的制备[9-10]称取一定量的玉米麸皮WEAX，配制成3%（w/v）的溶液，分别加入过氧化氢酶（每克WEAX中加入10U POX）和3%（w/w）过氧化氢（每克WEAX中加入100μL H2O2），在25℃下混合均匀，静置，形成由过氧化物酶/H2O2体系制备的凝胶。

另称取一定量的玉米麸皮WEAX，配制成3%（w/v）的溶液，加入漆酶（每毫克WEAX中加入0.1U漆酶），在25℃下混合均匀，静置，形成由漆酶/O2体系制备的凝胶。

1.2.3 扫描电镜 分别将冷冻干燥后的WEAX凝胶经喷金操作后，使用扫描电子显微镜拍摄，得到其结构形态。

1.2.4 凝胶流变学的测定 称取一定量的WEAX，配制成3%（w/v）的溶液，分别加入上述过氧化物酶/H2O2体系和漆酶/O2体系后，迅速混合均匀，并快速取适量样品于测试台上，待平行板稳定后，刮去多余样品，加盖防止水分蒸发，按如下条件进行测试。流变仪条件[11]：选用40mm，1°的不锈钢平行板，板间距为1mm，频率为1.0Hz，应变为5%，温度为25℃，反应时间为1h。

1.2.5 凝胶溶胀性的测定 将WEAX凝胶放入冰箱中冷冻24h后，称重，记为Wi，在25℃下，分别浸入去离子水和0.1mol/L盐酸中，每隔15min取出凝胶，用滤纸吸取凝胶表面多余溶剂后称重，记为Ws，持续3h，所得数据可以用以下公式测定其溶胀性[12]：

1.2.6 凝胶热稳定性的测定 称取一定量的冷冻干燥后的WEAX凝胶，使用TGA/SDTA 851E热重分析仪进行热稳定性的测定，实验检测条件：氮气为50mL/min，升温速率为10℃/min，从30℃线性升温至250℃.

2 结果与分析

2.1 WEAX凝胶的流变性能

图1为过氧化物酶/H2O2体系所制备的WEAX凝胶（3%，w/v）的贮存模量G’、损耗模量G”和损耗角δ随时间的变化。在本实验条件下，实验计时开始时贮存模量G’就已经达到了30Pa，并高于损耗模量G”，这说明凝胶形成速度快，在等待流变仪稳定时溶液就已经发生氧化胶凝反应。在实验过程中，G’缓慢增加最终达到91Pa，而损耗模量G”则一直保持在1Pa左右，G’大于G”，由此也说明凝胶的形成。牟振坤等[13]研究不同品质类型小麦阿拉伯木聚糖流变性质时发现，过氧化物酶/H2O2体系的酶促氧化反应进程很快，而不同来源的阿拉伯木聚糖的凝胶能力也有明显差别，2%（w/v）的WEAX凝胶的贮存模量G’从6.4Pa到167Pa不等。同时，损耗角δ的减小，也说明凝胶弹性成分比例的升高和形成更广泛的交联网络结构[14]。

图1 过氧化物酶/H2O2体系所制备的WEAX凝胶（3%w/v）的流变性能Fig.1 Monitoring the δ，storageand loss modulus of WEAX solution during gelation by peroxidase/H2O2system

图2为漆酶/O2体系所制备的WEAX凝胶（3%，w/v）的贮存模量G’、损耗模量G”和损耗角δ随时间的变化。相比于过氧化物酶/H2O2体系所制备的WEAX凝胶，本实验条件下，漆酶/O2体系所制备的WEAX凝胶的形成曲线更为平稳，在实验记录开始时贮存模量G’为4Pa，经过一个快速升高的过程，在大约1500s到达稳定区域，最终达到83Pa，略小于过氧化物酶/H2O2体系的凝胶。而损耗模量G”也是由反应开始时的0.08Pa，快速上升最终到达3Pa。马福敏等[15]研究漆酶对阿拉伯木聚糖粘度影响时发现，漆酶催化反应时具有无须双底物和催化反应效率高等优点，而Carvajal-Millan等[6]研究了漆酶/O2体系所制备的小麦中WEAX凝胶（1%，w/v）形成过程时也发现类似的形成曲线，在实验过程中，贮存模量G’达到约14.6Pa，而凝胶的强度与阿拉伯木聚糖的来源和浓度都有关系[5，13]。

图2 漆酶/O2体系所制备的WEAX凝胶（3%w/v）的流变性能Fig.2 Monitoring the δ，storage and loss modulus of WEAX solution during gelation by peroxidase/H2O2system

2.2 阿拉伯木聚糖凝胶的扫描电镜图

从图3（a）可以看出，POX/H2O2体系凝胶的结构中空洞的部分是水凝胶经过冷冻干燥后水分干燥后留下的，具体放大如图3（b）所示，可以看出凝胶的空间结构并不规律，很可能由于凝胶形成速度太快导致。而漆酶/O2体系的WEAX凝胶的结构由于相对平稳的反应速度，具有类似于蜂巢的规律空间结构，而由图3（d）中可以看出，空间网状结构的平均内径大约为100μm左右，这种相对规律的结构可能更有利于活性物质的运载与释放[8]。据文献报道，凝胶的平均内径在263～331nm之间，而WEAX凝胶的结构主要与阿拉伯木聚糖的结构和阿魏酸含量有关[10]。

图3 POX/H2O2体系凝胶和漆酶/O2体系凝胶的扫描电镜图Fig.3 SEM of lyophilized WEAX hydrogel prepared by peroxidase/H2O2system and laccase/O2system

2.3 阿拉伯木聚糖凝胶的热稳定性

WEAX凝胶的热稳定性如图4所示，图4反映了WEAX凝胶在30～250℃下的重量改变，在30～100℃之间，POX/H2O2体系和漆酶/O2体系的WEAX凝胶均有10%左右的重量下降，这种重量的变化，可能是由于自由水的蒸发和结合水的解吸所致，据Cozic C[16]中报道一般100℃以下为自由水的蒸发，而高于100℃时，一般为结合水的解吸，所以这10%的变化应该为自由水的蒸发。而在200℃以上，2个样品均在250℃左右发生了分解，与文献报道的木聚糖的分解一致[17]，而漆酶/O2体系的WEAX凝胶比POX/H2O2体系的略高，结合2.2中电镜图，可能是由于漆酶/O2体系的凝胶具有更好的交联结构。

图4 POX/H2O2体系凝胶和漆酶/O2体系凝胶的热稳定性分析Fig.4 Thermogravimetric analysis of lyophilised WEAX hydrogel by peroxidase/H2O2system and prepared by laccase/O2system

2.4 阿拉伯木聚糖凝胶的溶胀性能

两种氧化交联体系的WEAX凝胶的溶胀性能如图5所示，在实验3h时，POX/H2O2体系的凝胶在水中的溶胀率远大于在盐酸中，在水中达到了大约230%，而在盐酸中只有40%左右。原因可能是WEAX凝胶在酸性条件下，木糖、阿拉伯糖中的羟基或阿魏酸上的甲基均可以与质子发生结合，发生质子化作用，阻碍水分子的进入。Imren D等[18]研究表明，水凝胶在酸性条件下的质子化作用会导致氢键的形成（如质子结合了羟基等官能团），阻碍了凝胶的溶胀。而漆酶/O2体系的WEAX凝胶与POX/H2O2体系有着类似的情况，3h时，水中的溶胀性达到了约110%，而在盐酸中只有约25%。据有关研究表明[19-20]，阿魏酸在不同酶体系下，氧化形成二聚物和三聚物的量不同，同时，所形成聚合物的优势构型也有区别，而从SEM中可以看出，漆酶/O2体系的WEAX凝胶具有更小的孔隙，更密集的结构，可能不利于凝胶的溶胀，从而反映在溶胀性小于POX/H2O2体系的凝胶。

图5 POX/H2O2体系凝胶与漆酶/O2体系凝胶在不同溶液中的溶胀性能Fig.5 Swelling of WEAX hydrogels prepared by peroxidase/H2O2 system and prepared by laccase/O2system in different solution

3 结论

分别使用过氧化物酶（POX）/H2O2体系和漆酶/O2体系制备阿拉伯木聚糖凝胶。相比于漆酶/O2体系，过氧化物酶/H2O2体系所制备的凝胶具有更短的凝胶化时间，并且由于质子化作用，两种体系的凝胶在盐酸中的溶胀性远小于在水中的溶胀性。漆酶/O2体系凝胶具有更规律的微观结构，可能更有利于蛋白质和药物释控的应用。

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