张焕仕，雷 鹏，朱昌玲，赵 飞，刘 畅，孙达峰

(1.南京野生植物综合利用研究院，江苏 南京 211111；2. 昆明食用菌研究所，云南 昆明 650223)

瓜尔胶作为一种功能性植物多糖已在食品、医药、涂料、造纸、日化等领域广泛应用[1,2]。为了得到更多的应用效果，工业上还经常将瓜尔胶与其它多糖胶复配使用。复配胶是将两种或两种以上的多糖胶按特定比例复合而成的。通过复配，可以发挥各种单一多糖胶的互补作用，从而扩大多糖胶的使用范围或提高其使用功能，同时降低生产成本，增加经济效应[3]。在实际研究中发现，瓜尔胶在与黄原胶以及其它一些多糖复配时，往往不会产生协同增效的结果，其复配胶的流体效应往往差强人意[4]。刺槐豆胶与黄原胶及其它多糖胶复配时却能显著提高复配胶的性能，并能形成热可逆凝胶用于特殊食品领域[5-7]。刺槐豆胶与瓜尔胶都是由半乳甘露聚糖组成的多糖胶，其主链均有D-甘露糖通过β-1,4糖苷键连接形成甘露聚糖，在某些甘露糖上D-半乳糖通过α-1,6糖苷键形成侧链而构成多分枝的半乳甘露聚糖[8,9]。糖单元中甘露糖与半乳糖的摩尔比值因植物品种不同而有差异。刺槐豆胶中的半乳糖与甘露糖比值一般为1∶4[10]，而瓜尔胶中半乳糖与甘露糖的比值一般为1:2[11]。早期研究认为，在刺槐豆胶多糖中，由于侧链半乳糖所占比例较少，主链上能形成相对较长的未被改性的甘露聚糖序列段，这些未被改性的甘露聚糖序列段更容易与其它多糖发生互作效应。而瓜尔胶中每隔两个甘露糖单元就会有一个甘露糖接枝半乳糖，这种甘露聚糖的高频改性结构阻碍了主链未被改性的甘露糖单元与其它多糖的互作效应[12,13]。因此瓜尔胶不易与其它多糖协同复配产生增强效应与其半乳糖侧链的比例较大有关。目前，刺槐豆胶价格是瓜尔胶价格5倍以上，如果能减少瓜尔胶侧链半乳糖的含量，提高瓜尔胶改性后与其它多糖胶的复配能力，对于降低复配胶的生产成本将具有重要经济意义。

尽管瓜尔胶半乳甘露聚糖的脱支化能够通过特异性α-半乳糖苷酶实现，然而目前α-半乳糖苷酶生产成本极高，不适用于规模化制备脱支瓜尔胶。普鲁兰酶是淀粉脱支酶，可以专一性切开支链淀粉分支中的α-1,6糖苷键，从而产生包含α-1,4糖苷键的直链淀粉。考虑到一些糖苷酶对底物选择并不存在绝对特异性，本研究考察了普鲁兰酶对瓜尔胶多糖的脱支效应，并研究了改性后瓜尔胶与黄原胶的复配性能，为瓜尔胶高效利用提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

瓜尔胶粉、黄原胶粉均为市售，普鲁兰酶(酶活力3600 U/mL)，诺维信(中国)投资有限公司。

HH-2数显恒温水浴器(金坛市江南仪器厂)；JJ-1大功率搅拌器(常州国华电器有限公司)；EL204分析天平(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)；AR-G2高级旋转流变仪，美国TA仪器有限公司；NDJ-5S旋转粘度仪(上海昌吉地质仪器有限公司)。pH-25型pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司)。

1.2 试验方法

(1)酶催化瓜尔胶脱支试验

配制1%瓜尔胶多糖溶液，预搅拌过夜，使其充分水合。然后按照100 U/g瓜尔胶的量加入普鲁兰酶，控制反应温度为60℃，pH为5.0，分别在反应开始后的1 h，3 h，5 h，7 h取样测定瓜尔胶的粘度、分子量以及甘露糖和半乳糖含量。对普鲁兰酶改性后的瓜尔胶进行红外光谱表征，并与天然瓜尔胶多糖的红外图谱比较。

(2)去分支改性瓜尔胶与黄原胶的复配性能考察

将普鲁兰酶改性后的瓜尔胶与黄原胶按照1:1的比例复配，借助流变仪考察瓜尔胶改性前后复配胶的性能变化。

1.3 数据处理

主要用 Grapher 11.0作图软件对数据进行处理。

2 结果与讨论

2.1 普鲁兰酶处理对瓜尔胶分子量、粘度以及半乳糖含量的影响

由表1可以看出，普鲁兰酶确实能催化瓜尔胶多糖的去分支化，随着酶催化反应时间延长，瓜尔胶侧链半乳糖含量由最初的33%降低到21%。处理5 h以后，普鲁兰酶对瓜尔胶多糖的催化效应达到相对饱和，催化反应不再继续。甘露糖与半乳糖的比例也由2.03∶1提高到3.76∶1，半乳糖含量降低了12%。同时，本研究也发现，普鲁兰酶不仅降低了瓜尔胶中半乳糖含量，也降低了瓜尔胶分子量及粘度。经普鲁兰酶改性5 h后，瓜尔胶分子量下降了29.4%，1%溶液的粘度下降了26.4%。

2.2 普鲁兰酶改性瓜尔胶的红外图谱

将普鲁兰酶处理5 h后的瓜尔胶用乙醇沉降冻干后，测定其红外图谱，并与天然瓜尔胶红外图谱比较。如图1所示。两种多糖样品在～3400、～3000、～2000、～1600、～1380、～1025 、～870、～810 cm-1附近均有吸收峰，其中810及870 cm-1处分别是α-型和β-型糖苷键构型的特征峰，在1000～700 cm-1范围内的吸收峰是甘露糖结构的特征峰，酶法改性瓜尔胶多糖与半乳甘露聚糖的特征红外光谱吸收峰相同。这表明普鲁兰酶改性并未改变多糖主链的主体结构和糖苷键构型，只是降低了分子中侧链半乳糖含量。

表1 普鲁兰酶处理对瓜尔胶分子量、粘度及半乳糖含量的影响

图1 天然瓜尔胶(A)与改性瓜尔胶(B)的红外图谱Fig. 1 Infrared spectra of natural guar (A) and modified guar (B)

2.3 普鲁兰酶法改性后瓜尔胶多糖溶液的流变学特性

由图2A可知，瓜尔胶溶液呈现出了典型的高分子生物聚合物的流变学特性：在流变仪低转速区，瓜尔胶溶液的流变学性质主要受黏性模量主导，而在流变仪高转速区，瓜尔胶溶液则主要受弹性模量主导。图2B为经普鲁兰酶改性后的瓜尔胶溶液，尽管其瓜尔胶结构中半乳糖含量降低，但改性后的瓜尔胶仍表现出高分子生物聚合物的流变学特性，与天然瓜尔胶溶液的流变学性质相似。这一结果表明，普鲁兰酶处理只是降低了半乳糖含量，并没有改变瓜尔胶的流变学性质。

2.4 瓜尔胶及普鲁兰酶改性瓜尔胶与黄原胶复配后的流变学特性

由图3A可以看出，在流变仪转速由0.1 ～ 100 rad/s范围内，随着转速增加，黄原胶溶液(1%)的弹性模量和黏性模量均逐渐增大，并且弹性模量始终大于黏性模量，这与瓜尔胶溶液在高转速后黏性模量大于弹性模量是不同的。黄原胶的流变特性呈现出了具有较强网络结构的弱凝胶特点。由图3B可知，天然瓜尔胶与黄原胶按照1∶1复配后，复配胶溶液(1%)在流变仪转速范围内，随着转速增加，复配胶溶液(1%)的弹性模量和黏性模量均逐渐增大，并且弹性模量始终大于黏性模量。复配胶溶液的弹性模量及黏性模量在不同转速时其值均接近于黄原胶。因此，天然瓜尔胶-黄原胶复配胶的流变性质是受黄原胶影响所致，两者复配并没有起到协同增强效果。由图3C可知，普鲁兰酶改性瓜尔胶-黄原胶复配胶溶液的弹性模量在测定转速范围内始终大于其黏性模量，且受转速影响较小，即使在低转速时复配胶仍具有较高弹性模量，甚至比同等转速下的黄原胶及天然瓜尔胶的弹性模量高出一个数量级。因此，普鲁兰酶改性瓜尔胶与黄原胶复配时呈现出显著协同增效效应。

图2 天然瓜尔胶(A)及普鲁兰酶改性瓜尔胶(B)的弹性模量(G')和黏性模量(G")Fig. 2 Elastic modulus (G') and viscosity modulus (G") of natural guar (A) and pullulanase-modified guar (B)

图3 黄原胶(A)、天然瓜尔胶-黄原胶复配胶(B)、普鲁兰酶改性瓜尔胶-黄原胶复配胶(C)的流变学特性Fig. 3 Rheological properties of xanthan gum (A), natural guar gum-xanthan gum compound (B), pullulanase-modified guar gum-xanthan gum compound (C)

2.5 天然瓜尔胶及改性瓜尔胶与黄原胶复配后的屈服应力对比

本研究通过动态应力扫描法研究了天然瓜尔胶及改性瓜尔胶与黄原胶复配后的屈服应力，结果如表2所示。

表2 天然瓜尔胶及改性瓜尔胶与黄原胶复配后的屈服应力

屈服应力是考察凝胶材料商业价值的重要参考指标。尽管天然瓜尔胶-黄原胶复配溶液的弹性模量也大于黏性模量，却呈现出较低屈服应力。在图3B中，天然瓜尔胶-黄原胶复配后，其弹性模量随搅拌转速的增加迅速提高。这可能是由于天然瓜尔胶与黄原胶形成了较弱的网络结构，随着搅拌速度提高，这些较弱的网络结构被打断。而改性瓜尔胶-黄原胶复配胶则表现出了较强的屈服应力，说明改性瓜尔胶与黄原胶相互作用形成了较强的网络结构。

由图4可知，与天然瓜尔胶-黄原胶复配胶相比，改性瓜尔胶-黄原胶复配胶能在更高的压力范围内维持较高的弹性模量，这一结果再一次说明改性瓜尔胶与黄原胶复配具有协同增效作用，并且具有更高的商业价值。

2.6 改性瓜尔胶-黄原胶中黄原胶浓度对复配胶性能的影响

在改性瓜尔胶与黄原胶复配时，黄原胶浓度对复配胶性能起着至关重要的作用。由5A可以看出，在不同配比的复配胶中，弹性模量始终大于黏性模量；弹性模量受黄原胶比例影响较为显著，随着黄原胶比例增加，复配胶弹性模量逐渐增大，当黄原胶比例为50%时，复配胶的弹性模量最大；复配胶黏性模量受黄原胶比例的影响则相对较小。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。图5B也表明，随着复配胶中黄原胶比例增加，复配胶屈服应力逐渐增大，当复配比例为1∶1时，复配胶屈服应力达到最大值，继续增加黄原胶比例则会降低复配胶屈服应力。

图4 不同复配胶的屈服应力图谱Fig. 4 Yield stress spectra of different compounds

2.7 混合温度对复配胶性能的影响

黄原胶溶液中黄原胶分子在低温条件时呈有序排列状态，高温条件时则呈无序排列状态。黄原胶在水溶液中的变态温度为52℃。如图6所示，为改性瓜尔胶-黄原胶复配胶(复配比例1∶1)在不同温度下的弹性模量。随着混合温度由20℃到60℃，复配胶弹性模量逐渐增大，并且在60℃时弹性模量最大。这可能是因为提高温度可以使溶液中的黄原胶分子由有序状态转变为无序状态，而处于无序状态的黄原胶分子更容易与脱出了半乳糖侧链的瓜尔胶分子发生互作效应，从而有利于形成结构更强的复配凝胶。

图5 黄原胶浓度对复配胶性能的影响(搅拌转速1 rad/s)Fig. 5 Effects of xanthan gum concentration on properties of compound (stirring speed 1 rad / s)(A. 动态频率扫描测试；B. 动态应力扫描测试)(A. Dynamic frequency sweep test; B. Dynamic stress sweep test)

3 结论

尽管用普鲁兰酶催化半乳甘露聚糖的研究并不多，并且催化反应也非特异性的，但无论在成本上还是在催化效果上，普鲁兰酶都是获得半乳糖含量较低的半乳甘露聚糖的有效途径。本研究表明，普鲁兰酶改性后的瓜尔胶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、价格便宜的特点，利用普鲁兰酶改性瓜尔胶及其它植物多糖具有重要的研究意义和经济价值。

图6 混合温度对复配胶弹性模量的影响Fig. 6 Effect of mixing temperature on elastic modulus of compound