微水固相法制備羥丙基皂莢多糖膠工藝研究

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

皂莢是理想的木本植物多糖膠原料資源。研究表明，皂莢種子中，內胚乳占種子組成的37.8%，而內胚乳中聚糖含量高達68.6%[1]。但是，截至目前，對于皂莢多糖膠的功能性改性研究仍相對較少，開發力度遠遠不足。此外，在化學改性過程中，植物多糖膠的化學改性工藝通常是基于非均相反應體系，反應比表面積小，消耗大量溶劑，投入成本高，因此改性產品的價格一直居髙不下[2-3]。此外，由于多糖膠高粘度的特點，造成傳質困難，反應效率低，產品均一性不易控制，且多年來主要性能指標難以突破，如水不溶物高于6%等[4]。因此，多糖膠在印染、日化、采礦等領域應用受到限制。要突破理論與技術瓶頸，必須研發新型多糖膠改性理論與技術。

微水固相法是基于多糖膠吸水膨脹特點提出的創新植物多糖膠改性方法，是將多糖膠胚乳微水吸脹的過程與反應試劑的滲入過程進行耦合，多糖膠吸水膨脹過程中同步進行改性反應。微水吸脹后的胚乳片經壓延破壁和擠壓質構處理后呈蓬松多孔雪花片狀，比表面積大幅度増加，從而與試劑的接觸面增加，滲透容易，可解決溶劑法或干法反應試劑與物料接觸面小，滲透慢等缺點，提高反應效率，同時也可減少副反應，大幅降低試劑消耗[5]。本研究以皂莢胚乳片為原料，以環氧丙烷為改性試劑，利用微水固相法制備羥丙基皂莢多糖，并對改性反應中的堿用量、改性試劑用量、反應溫度、反應時間等工藝參數進行優化，以期實現羥丙基皂莢多糖的綠色制備，并為皂莢多糖微水固相改性工藝的推廣提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗材料、試劑、儀器

皂莢莢果由河北涉縣供銷社提供，皂莢胚乳片由干燥的皂莢種子經我院自行研發的開片機開片后獲得。

試劑：環氧丙烷、無水乙醇、氫氧化鈉、乙酸均為分析純。

儀器：S65小型三輥研磨機(安徽博進機械有限公司)、NICOLET iN10顯微紅外光譜儀(Thermo Fisher Scientific公司)、S-3400型掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)。

1.2 皂莢多糖膠羥丙基化改性反應原理[6]

圖1 皂莢多糖羥丙基改性反應原理圖

1.3 羥丙基皂莢多糖微水固相法改性工藝流程

稱取皂英多糖膠胚乳片10 g，加入10 mL一定質量分數NaOH溶液，在35 ℃下攪拌堿化30 min，使皂莢多糖膠乳片充分潤濕，再加入一定量的環丙烷，待胚乳片完全潤脹，以便醚化劑環丙烷能充分均勻地進入到胚乳片中，之后將潤脹完全的胚乳片用三輥研磨機壓制成雪花片狀，再放入反應器中進行醚化反應，控制反應溫度和反應時間。反應結束后，用乙酸將反應產物pH中和至中性，經過濾后將沉淀于60 ℃真空干燥，粉碎，儲存備用。

1.4 羥丙基皂莢多糖取代度測定

采用分光光度法測定羥丙基取代度[7]，具體為：稱取羥丙基瓜爾膠樣品0.1 g，加入蒸餾水攪拌30 min，并稀釋至100 mL。。吸取該溶液1 mL于25 mL容量瓶中，緩慢加入8 mL濃硫酸，混合均勻，在100 ℃水浴中加熱3 min后，立即放入冰水浴中冷卻，然后加入0.6 mL 3%的茚三酮水溶液，在25 ℃水浴中放置100 min，用濃硫酸稀釋至25 mL，混合均勻，靜置5 min，以試劑空白做參比，測量波長為586 nm的吸光值。以1,2-丙二醇為標準品制作標準曲線，根據標準曲線查得樣品對應的丙二醇含量。參照鄒時英的報道計算羥丙基取代度[6]。

1.5 表觀粘度測定

準確稱取1.0 g制備的羥丙基皂莢多糖，加入蒸餾水攪拌溶解并定容至100 mL，用NDJ-5S粘度計選擇合適的轉子測定溶液粘度。

1.6 水不溶物測定

水不溶物測定參照標準GB/T 31742—2015中的規定進行[8]。

1.7 羥丙基皂莢多糖表征

分別用NICOLET iN10 顯微紅外光譜儀、S-3400型掃描電子顯微鏡對制備的羥丙基皂莢多糖進行紅外光譜標準及顆粒聚集形態表征。

2 結果與討論

2.1 NaOH用量對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

根據1.3中的改性工藝，本研究考察了NaOH質量分數分別為3%、4%、5%、6%、7%時，環丙烷用量為2 mL，反應溫度為60 ℃，反應時間為4 h的條件所制備的羥丙基皂莢多糖膠的性能，如表1所示。

表1 不同NaOH用量對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

羥丙基化皂莢多糖膠改性反應體系中，必須加入堿液，以保持在堿性環境下進行反應。堿的作用有2種：一是和皂莢多糖膠分子進行堿化反應；二是作為催化劑。堿的加量不足不能充分降低改性皂莢多糖膠中水不溶物的含量；堿的加量過大，會破壞皂莢多糖膠的分子結構，導致改性皂莢多糖膠粘度下降。堿加量越大，水不溶物含量降低越多，對粘度的影響也越大[9]。由表1可知，為了得到較低的水不溶物含量和較高的粘度的羥丙基皂莢多糖膠，按照皂莢多糖膠與堿液用量為1∶1時，NaOH的質量分數最佳為6%。

2.2 環氧丙烷用量對產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

根據1.3中的改性工藝，本研究考察了NaOH質量分數分別為6%，環丙烷用量分別為1.2 mL、1.6 mL、2 mL、2.4 mL、2.8 mL時，反應溫度為60 ℃，反應時間為4 h的條件所制備的羥丙基皂莢多糖膠的性能，如表2所示。

表2 環氧丙烷用量對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

環氧丙烷用量對產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響表2所示。環氧丙烷是較好的醚化劑，其用量增大可以有效降低水不溶物含量，但是增加到一定量時，對水不溶物含量降低不明顯。另外，環氧丙烷用量增加促進了醚化反應的進行，從而提高了產物的粘度和取代度，但當環丙烷用量大于2.4 mL后，產物粘度反而降低，取代度也有所下降[10]。從經濟反應的角度考慮，當環氧丙烷用量為2 mL時有利于在較低成本下獲得膠高質量的改性皂莢多糖膠產物。

2.3 反應溫度對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

反應溫度對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響見表3。

表3 反應溫度對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

由表3可知，隨著反應溫度的提高，羥丙基皂莢多糖膠水不溶物含量隨溫度升高而下降；粘度先呈現上升趨勢，60 ℃時達到最高粘度，繼續升溫則導致粘度降低；羥丙基皂莢多糖膠取代度同樣隨溫度升高而增大，但當溫度超過60 ℃以后，取代度變化不在顯著。這是由于提高反應溫度，增加了Na+向皂莢多糖膠內部擴散的速率，以及Gleditsia sinensis Lam gum-O-Na+與環氧丙烷的有效碰撞率，因此增大了醚化反應的速率，提高了羥丙基皂莢多糖膠取代度及粘度[11]。但是反應溫度的升高也會引起皂莢多糖膠分子的降解，使產物分子量降低，粘度下降。綜合上表結果，最佳反應溫度應控制在60 ℃。

2.4 反應時間對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

反應時間對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響見表4。

表4 反應時間對改性產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響

不同反應時間對產品性能的影響見表4。醚化時間越長，反應產物中水不溶物含量越少；著醚化反應時間的延長，產物的粘度上升, 醚化時間超過4 h后，隨著醚化時間的延長, 產物的粘度反而下降。這可能由于，在降解反應與醚化反應的競爭中，醚化反應時間3～4 h對醚化取代有利，醚化時間增長對鏈的分解有利。因此，控制醚化反應時間十分重要。取代度隨反應時間的變化與水不溶物相似，隨著反應時間延長，取代度增大，但當反應時間超過4 h后，取代度變化不再顯著。因此綜上確立最佳反應時間為4 h。

2.5 羥丙基皂莢多糖膠紅外光譜表征

由圖2可以看出，本研究制備的羥丙基皂莢多糖膠與原皂莢多糖膠的紅外吸收峰一致。圖中2 970 cm-1(-CH3)和1 384 cm-1(-CH3)的出現證明了皂莢多糖膠與環氧丙烷確實發生醚化反應，其分子中含有甲基[12-13]。

圖2 羥丙基皂莢多糖膠紅外圖譜

2.6 羥丙基皂莢多糖膠掃描電子顯微鏡表征

將經丙基皂莢多糖膠和皂莢多糖膠進行掃描電子顯微鏡分析(圖3)，發現兩者的微觀形態一致，粒度分布差異并不大，說明改性并沒有對皂莢多糖膠的聚集形態造成影響。

圖3 皂莢多糖膠(A)及羥丙基皂莢多糖膠(B)掃描電鏡圖

3 結 論

本研究針對微水固相法羥丙基改性皂莢多糖膠工藝，分別考察了催化劑NaOH用量、醚化劑環氧丙烷用量、改性反應溫度以及反應時間對產物羥丙基皂莢多糖膠性能的影響。通過對各個工藝參數的研究，確立了微水固相法羥丙基改性皂莢多糖膠的最佳工藝，即：皂莢多糖膠胚乳片10 g, 加入10 mL 6% NaOH溶液, 在35 ℃下攪拌堿化30 min, 使皂莢多糖膠乳片充分潤濕, 再加入2 mL的環丙烷, 待胚乳片完全潤脹, 以便醚化劑環丙烷能充分均勻地進入到胚乳片中, 之后將潤脹完全的胚乳片進行壓片處理, 使用三輥研磨機將皂莢多糖膠的胚乳片壓制成雪花片狀, 放入反應器中進行醚化反應, 控制反應溫度為60 ℃和反應時間4 h。反應結束后, 用乙酸將反應產物pH中和至中性, 經過濾后將沉淀于60 ℃真空干燥, 粉碎, 即制備得到羥丙基改性皂莢多糖膠粉。本工藝所制備的羥丙基皂莢多糖膠具有如下特性：水不溶物含量≤4.0%；表觀粘度(1%溶液)≥1 500 mPa·s；羥丙基取代度≥0.3；pH(1%溶液)6.5～7.5。

本研究創新性的采用微水固相法對皂莢多糖膠胚乳片進行直接羥丙基化改性。本研究中改性皂莢多糖膠加工工藝的特點是：從皂莢多糖膠胚乳片即開始改性，使改性反應在皂莢多糖膠壓片增粘加工中介入，將皂莢多糖膠原粉的壓片增粘生產與改性皂莢多糖膠的生產合為一體，去掉了皂莢多糖膠改性的后期加工，在皂莢多糖膠的生產中進行改性，無二次加工，極大地簡化了工藝流程；去除了溶劑的使用，不存在由于回收溶劑而帶來的一系列復雜的工藝流程，使產品的成本大幅度降低；溶劑的去除也免去了改性反應后產品的洗滌、干燥、粉碎，減少大量的能源損耗，為降低產品成本提供良好的前提；無試劑后處理過程，避免了由其帶來的污染，成功地繞開了制約改性皂莢多糖膠產品成本的瓶頸，從而可以很有效地控制成本，為生產和推廣高質量改性皂莢多糖膠奠定了基礎。