硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的微波法制备工艺及其性能研究*

曾晓漫，刘倍毓，钟耕，2，彭佳莹，夏玉红

1(西南大学食品科学学院，重庆，400716) 2(重庆市魔芋工程技术研究中心，重庆，400715)

硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的微波法制备工艺及其性能研究*

曾晓漫1，刘倍毓1，钟耕1，2，彭佳莹1，夏玉红1

1(西南大学食品科学学院，重庆，400716) 2(重庆市魔芋工程技术研究中心，重庆，400715)

魔 芋葡甘聚糖通过微波加热引入亲水的羧甲基基团及疏水的硬脂酸基团进行复合改性，从而改善其理化性质，扩大其应用范围。采用单因素试验研究硬脂酸甲脂及氢氧化钠的用量、微波反应时间和温度对硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯取代度的影响，在此基础上通过四元二次通用旋转组合设计确定最佳工艺参数并研究所得产物的理化性质。得出最佳改性条件:硬脂酸甲脂用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量5.85% ～6.36%，反应温度85.9～87.5℃，反应时间10.1～10.4 min条件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能;相比羧甲基魔芋葡甘聚糖，产品的黏度有所提高，抗碱性能力增强，乳化能力提高且稳定，是一种优良的乳化剂。

微 波，硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯，工艺，性能

魔芋(konjac)属天南星科魔芋属(Amorphophallus B lume)多年生草本块茎植物［1］。魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，简称KGM)是一种从魔芋块茎中提取的中性杂多糖，其具有吸水、保湿、胶凝、成膜、乳化等性能及降血糖、降血脂、提高免疫力等特殊的生理功能［2］。然而天然KGM固有的一些缺陷限制了其发展，如溶胀速率慢、溶胶透光率低和稳定性差等［3］，因此，对KGM进行适当的改性修饰，可使之适应现代工业的广泛需要。

田炳寿［4］等人采用非均相酰化法制备了4个系列的长链脂肪酸魔芋葡甘聚糖酯(KGME)。研究表明，适宜取代度的KGME具有较强的乳化能力和较好的乳化稳定性能，且表现出良好的抗盐和抗酸性能，可望成为食品等工业的一种高效能的大分子乳化剂。目前对硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯(SCMK)的相关研究还未见报道，在KGM结构上引入亲水的羧甲基基团和疏水的硬脂酸基团，使其具有两亲性，因此复合改性的SCMK可能具备比KGM和CMK(羧甲基魔芋葡甘聚糖)更优越的应用性能。

黄永春［5］等人发现，微波辐射对魔芋葡甘聚糖的极性羟基通过分子偶极作用和分子的高速振动产生热效应，使得其在低水分含量的条件下即能迅速获得能量，发生水解或降解。夏玉红等［6］对CMK的微波干法制备工艺进行了探索，该工艺简便、能耗低、反应效率高且不污染环境。以上研究使得KGM的化学改性走绿色工艺道路成为可能，因此，本研究采用半干法经微波加热，在比较温和的温度条件下制备硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯得出优化改性条件，并对产品的基本理化性质和结构进行了研究。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

魔芋粉(符合NY/T494－2002中普通魔芋微粉标准)，由重庆里茂农产品开发有限公司提供。氯乙酸、硬脂酸甲酯(SCRC)、氢氧化钠、浓盐酸、无水乙醇、氯化锂、硝酸银、酚酞、甲醇、氯化钠、冰醋酸等试剂除特别注明外均为分析纯。

1.2 仪器与设备

SHA-C型往复式水浴恒温振荡器，江苏正基仪器有限公司;HH-4型恒温水浴锅，金坛市富华仪器有限公司:MAS-Ⅱ微波反应器，上海新仪微波化学科技有限公司;HANNA 211酸度计，上海雷磁仪器厂;FA1004型电子天平，上海精科天平厂;172F-6020型干燥箱，上海精密实验仪器有限公司;SHZ-D(Ⅲ)型循环水真空泵，郑州市荥阳华盛仪器厂;HL-2021型粉碎机，上海海林电器有限公司;NDJ-5S型数字式粘度计，上海精密仪器有限公司;Spectrum 100红外光谱分析仪，美国Perkin Elmer公司。

1.3 试验方法

1.3.1 硬脂酸-羧甲基葡甘聚糖的制备方法

CMK的制备方法见文献［6］，经测定其取代度可达0.48，产品的水溶性和溶液稳定性都得到改善。

将一定量CMK和硬脂酸甲酯的甲醇溶液混合均匀后喷入一定量的NaOH溶液，边喷边搅拌，充分混匀后，送入微波反应器中，在一定温度下反应一段时间后，用体积分数50%的乙醇溶液洗去副反应产生的物质和未参与反应的硬脂酸甲酯，并小心滴加醋酸调节pH值到中性，重复洗涤3次后，滤去洗液，将滤饼粉碎进入40℃的鼓风干燥箱中干燥，干燥后的物料经粉碎过40目筛后得到的淡黄色粉末即为SCMK。

1.3.2 硬脂酸-羧甲基葡甘聚糖基团取代度(degree of substitution，DS)的测定［7－8］

准确称取纯净干燥的SCMK样品1.000 0 g于250 mL碘量瓶中，加入50 mL去离子水，再加入25 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液，置于摇瓶柜中振荡50 min;加入2滴酚酞指示剂，用0.01 mol/L的标准HCl滴定至粉红色刚好消失，记录消耗的盐酸体积数V1;同时用CMK做空白实验:即精确称取1.000 0 g干燥的CMK样品，加入25 mL 0.01 mol/L的NaOH溶液，置于摇瓶柜中振荡50 min;加入2滴酚酞指示剂，用0.1 mol/L的标准盐酸滴定至粉红色刚好消失，记录消耗的盐酸体积数V0。

根据下面公式计算硬脂酸基团的取代度(DS)

式中:V0，滴定空白用去的标准盐酸的体积，mL;V1，滴定样品用去的标准盐酸的体积，mL;c，标准盐酸的摩尔浓度，mol/L;m:样品的质量，g;162，葡甘聚糖结构单元的摩尔分子量;267，硬脂酸基 CH3(CH2)16CO—的摩尔分子量。

1.3.3 四元二次通用旋转组合设计确定SCMK最佳改性条件

以取代度为0.48的CMK为原料，分别对硬脂酸甲酯的用量，NaOH的用量、微波反应时间、微波反应温度对SCMK基团取代度的影响进行单因素试验。在单因素实验基础上采用四元二次通用旋转组合设计优化工艺参数(见表1)。

表1 SCMK四元二次通用旋转组合设计因素水平表

1.3.4 SCMK理化性质研究

1.3.4.1 表观黏度(η)的测定［9］

称取1.0 g SCMK分散于99 mL蒸馏水中，在60℃水浴条件下溶胀1 h，冷却至25℃，即配置成1%浓度的SCMK水溶液，然后用NDJ-5型旋转黏度计在25℃恒温下测定溶液的表观黏度。

1.3.4.2 SCMK抗酸碱性能的测定［10］

分别称取CMK、SCMK样品，将其各配置成质量分数为 1 % 的 溶液，调节 p H 值为 3 、5、7、9、11，在60℃水浴条件下溶胀1 h，冷却至室温(25℃)重新恒定pH值，测定不同pH值条件下溶液的黏度。1.3.4.3 SCMK 乳 化性能的测定方法［11－13］

准确称取1.000 0 g SCMK于250 mL烧杯中，再加入50 mL水，85℃水浴加热震荡50 min，使SCMK充分溶胀，得到溶胀均匀的乳液，趁热加入缓慢加入10 mL大豆色拉油，边加边搅拌，整个过程在2 min内完成，25℃下恒温，超声波乳化10 min，形成乳状液。将此乳状液转移至20 mL刻度离心管中，25℃下恒温放置24 h，记录乳化层高度和液体总高度，然后将离心管放置48 h，记录乳化层高度和液体总高度。按下式计算乳化能力EC(emulsion capacity)和乳化稳定性ES(emulsion stability)。

1.3.5 红外光谱分析

将待测样品于105℃干燥，冷却后，采用KBr压片法，样品与KBr按质量1∶100比例充分研磨、混匀、压片后在450～4 000 cm－1区间扫描。

2 结果与分析

2.1 四元二次通用旋转组合设计确定SCMK最佳改性条件

2.1.1 SCMK四元二次通用旋转组合设计结果及方差分析

对表2中的实验数据进行分析，得到各个因素与硬脂酸取代度之间的多元二次回归方程。

在α=0.05显著水平下剔除不显著项后的简化方程式如下:

表2 SCMK四元二次通用旋转组合设计方案及结果

对二次回归方程式(2)进行回归显著性检验，F2=17.8190 7，P＜0.01达极显著水平，方程回归系数R2=0.923 1，表明试验数据之间的相关性较好;失拟性检验F=3.774 83，P＞0.05不显著，说明试验设计所选因素正确，该回归方程无失拟因素存在，回归模型与实测值能较好地拟合。

正交实验确定的最佳反应条件为:NaOH添加量为6%，反应温度85℃，反应时间10 min。

二次回归方程各系数的方差分析结果表明，SCRC添加量、微波反应时间、微波反应温度对硬脂酸取代度有极显著影响(P＜0.01);NaOH的添加量对硬脂酸的取代度有显著影响(P＜0.05)。由回归方程的各个系数绝对值的大小可以判定四个因素对SCMK硬脂酸取代度的影响大小顺序为:SCRC添加量＞微波作用的时间＞微波作用的温度＞NaOH的添加量。

2.1.2 工艺参数的优化和模型预测准确性验证

SCRC用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量在5.85% ～6.36%，反应温度在85.9～87.5℃，反应时间在10.1～10.4 min条件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能。

对各个参数优化范围的下限值对模型预测的结果进行实验验证，重复5次，其平均值为0.021 4，说明所得的数学模型具有较好的预测能力。

2.2 SCMK理化性质研究

2.2.1 不同样品黏度和黏度稳定性

由图1可知，KGM的起始黏度为34 166 mPa·s，而取代度为0.48的CMK的黏度降至了600 mPa·s以下，这可能是由于反应过程中，在碱和醚化剂的作用下，KGM的分子链部分断裂，分子质量减小。SCMK引入硬脂酸基团后，随着取代度的提高，黏度逐渐增大，这可能是由于硬脂酸基团部分增加了分子链的长度。当放置24 h后，KGM的黏度大大降低，48 h变稀，而CMK和SCMK黏度基本稳定。

图1 SCMK黏度和黏度稳定性变化

2.2.2 SCMK的抗酸碱性能

从图2可知，溶液pH值的变化影响CMK和SCMK的黏度。CMK在pH值为3～11内变化很大，在酸性环境中黏度降到100(mPa.s)以下，在碱性环境中的黏度比在酸性环境中的黏度要大。而SCMK的黏度在pH值为3～5时大大降低，在pH值7～11内，黏度基本保持稳定。这说明SCMK比CMK的抗碱性增强，而CMK和SCMK均不耐酸。

图2 SCMK的抗酸性能

2.2.3 不同取代度SCMK的乳化能力和乳化稳定性

由图3可以看出，硬脂酸的取代度SCMK的乳化能力影响较大，随着取代度的增加，SCMK的乳化能力和乳化稳定性也随之增加。当取代度为0.008时，SCMK乳化体系放置48 h后，其乳化层减少较多，而取代度大于0.014的SCMK乳化体系放置48h后仍比较稳定。

图3 不同取代度SCMK的乳化能力和乳化稳定性

2.3 SCMK的红外光谱分析

图4是 K GM、CMK和 S CMK的红外光谱图，KGM与CMK的红外光谱之间显示了明显的差异。与KGM相比，CMK的红外光谱图上在1 325.38、2 340.20 cm－1处出现了明显的羧基C＝O和—OH的吸收峰;1 622～1 627 cm－1处为C＝O的吸收峰，而CMK红外图谱上此段吸收峰明显增强，表明羧甲基基团已经连接到KGM分子上。

图4 SCMK的红外光谱分析

3 结论

本研究利用微波在比较温和的条件下采用半干法制备硬酯酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯，微波法制备SCMK的工艺研究判定4个因素对SCMK硬脂酸取代度的影响大小顺序为:SCRC添加量＞微波作用的时间 ＞微波作用的温度 ＞NaOH的添加量。当SCRC用量在14.0% ～14.4%，NaOH用量在5.85%～6.36%，反应温度在85.9～87.5℃，反应时间在10.1～10.4 min条件下，硬脂酸取代度在0.020以上有95%的可能。在此条件下产品易溶于水形成稳定的透明溶液，黏度在CMK的基础上有所提高;产品抗碱不耐酸;其乳化能力增强，且随取代度及pH值的变化而改变。

对硬脂酸-羧甲基魔芋葡甘聚糖酯的性质研究表明，其溶液保湿性、稳定性、抗碱性、乳化性等性质均比未改性的魔芋葡甘聚糖优良，可望在食品添加剂和环境友好型材料领域得到广泛应用。

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Studies on Stearate-carboxymethyl Konjac Glucomannan Preparation by Microwave Heating and Its Properties

Zeng Xiao-man1，Liu Bei-yu1，Zhong Geng1，2，Peng Jia-ying1，Xia Yu-hong1
1(School of Food Science，Southwest University，Chongqing 400716，China)2(Engineering Technique Research Center of Chongqing for Konjac，Chongqing 400715，China)

In order to improve the physic-chemical properties of Konjac glucomannan and extend its application field，konjac glucomannan was modified with hydrophilic carboxymethyl group and hydrophobic stearate group by microwave .The effects of the amounts of the methyl stearate，sodium hydroxide，microwave reaction time，and the temperature on the degree of substitution(DS)were studied by single factor experiments.Based on these studies，the optimum reaction parameters of preparing SCMK were obtained by revolving orthogonal combinatorial design experiment，and its physical-chemical properties were investigated.The results showed that the amount of the methyl stearate，the amount of the sodium hydroxide，reaction temperature and time were about 14.0% ～14.4%，5.85% ～6.36%，85.9 ～87.5℃ and 10.1 ～10.4min，respectively.The percentage of SCMK with DS value of 0.020 was more than 95%.Compared with the carboxymethyl konjac glucomannan，the viscosity of the SCMK increased，the ability of anti-alkaline and emulsifying capacity and its stability improved.SCMK is a better emulsifier.

microwave，stearate-carboxymethl konjac glucomannan，processing，properties

硕士研究生(钟耕教授为通讯作者)。

*重庆市自然科学基金项目(CSTC，2009BB1249)资助

2010－10－08，改回日期:2010－11－29