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动态高压微射流对低酯果胶物化性质及其结构的影响

作者:www.willnano.com 日期:2019-09-04 点击:76
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果胶被公认为是一种安全无毒,应用价值高,使用无任何限制的高分子多糖,主要存在于植物的初生细胞壁和胞间层中,并被广泛应用于食品、医药和化妆品等行业。根据酯化度的不同,果胶可分为高酯果胶(酯化度>50%)和低酯果胶(酯化度<50%)。然而在生产加工过程中,高温、酸碱、酶解以及各种机械作用常导致果胶的降解,导致其功能性质发生变化,从而严重影响了其在工业生产中的应用。

动态高压微射流(DHPM, Dynamic High Pressure Microfluidizati)作为一种集输送、混合、超微粉碎、加压、膨化等多种单元操作于一体的新兴动态高压均质技术,其处理条件(如高速剪切、压力梯度、高速撞击等)十分剧烈,易导致大分子聚合物发生降解。本课题组前期研究表明DHPM对高酯果胶具有明显的降解作用。近年来,随着低糖、低热量食品需求量的大幅度增加,人们对低酯果胶需求的年增长率远远高于高酯果胶。

因此本文采用薜荔籽低酯果胶作为研究对象,经不同DHPM压力和次数处理后,研究其平均分子量、特性粘度、还原糖含量、粒径和表观形貌的变化,分析DHPM处理对低酯果胶物化性质和结构的影响,为DHPM在低酯果胶中的应用提供理论基础。

 

材料与试剂:

干燥的薜荔籽,为桑科榕属植物薜荔(Ficus pumila L.)果实的种子;半乳糖醛酸,Sigma Aldrich(上海)公司;间羟基联苯、溴化钾(光谱级),阿拉丁试剂(上海)有限公司;无水乙醇、二硝基水杨酸、苯酚、亚硝酸钠、氢氧化钠、亚硫酸钠、酒石酸钾钠、盐酸、氯化钠、叠氮钠、硝酸钠等均为分析纯,国药集团化学试剂。

 

实验设备:

NanoGenizer30K超高压微射流均质机                 苏州微流纳米生物技术有限公司

Nicomp 380/ZLS Zeta potential粒度仪              美国PSS公司

UV-1600 PC紫外可见分光光度计                        上海天美科学仪器有限公司

FEI Quanta200F环境扫描电子显微镜                   美国FEI公司

Agilent 1200高效液相色谱仪                              北京京科瑞达科技有限公司

 

实验步骤:

1. 果胶的提取及纯化

采用水提方法提取薜荔籽果胶,所得的薜荔籽果胶依次用不同体积分数乙醇进行洗涤纯化。冻干获得的果胶样品用间羟联苯法和红外光谱法分别测的其半乳糖醛酸和酯化度为87.65%±1.47%和14.81%±1.32%。

2. DHMP处理

将纯化冻干后的果胶分散在去离子水中,浓度为2.0 mg/mL,在室温下搅拌使其完全溶解,接着采用不同的DHPM条件处理果胶

(1)分别用40 MPa、80 MPa、120 MPa和160 MPa的压力处理5次;

(2)在160 MPa压力下分别处理1,3,5,7和9次,每个实验做三次平行操作,以此来验证实验重复性。

3. 平均分子量及分布的测定

采用高效分子排阻色谱检测平均分子量的变化,通过示差检测器记录果胶洗脱的变化数据,绘制其变化曲线。

4. 特性粘度的测定

  在25±1℃的条件下,使用 0.1 M 的氯化钠溶解,并稀释成浓度0.13%(m/V)、0.10%(m/V)、0.08%(m/V)和 0.07%(m/V)的溶液,分别测定五个不同浓度的果胶溶液从乌式粘度计中流下的时间。每个浓度的果胶溶液流下时间分别测定五次。

5. 还原糖含量的测定

  取2 mL样品,加入1.5 mL 3,5-二硝基水杨酸试剂(1000 mL 3,5-二硝基水杨酸试剂中含有6.3 g 3,5-二硝基水杨酸、10 g NaOH、185 g酒石酸钾钠、5 g结晶酚和5 g亚硫酸钠)在沸水中加热5 min,冷却至室温,加蒸馏水补足至10 mL,混匀,最后用紫外-可见分光光度计在波长540 nm时检测样品。

6. 平均粒径及分布的测定

  釆用Nicomp 380/ZLS Zeta potential/Particle sizer测定果胶的平均粒度和分布。测定前,果胶用去离子水溶解,浓度为2 mg/mL,整个测定过程在常温下进行。

7. 表观形貌的测定

  经DHMP处理前后的果胶样品,冷冻干燥后,粘附于贴有导电双面胶的样品台上,然后在不同的倍数条件下,进行扫描电镜观察,拍摄具有代表性的果胶样品表观形貌。

8. 所有试验重复进行三次,实验数据采用SPSS 16.0软件进行分析,结果表示为均值±标准偏差,作图采用origin 8.0软件。

 

实验结果:

1. DHPM处理对低酯果胶分子量分布的影响

 动态高压微射流处理压力对低酯果胶分子质量分布的影响

图1 动态高压微射流处理压力对低酯果胶分子质量分布的影响

动态高压微射流处理次数对低酯果胶分子质量分布的影响

图2 动态高压微射流处理次数对低酯果胶分子质量分布的影响

从图1可知:未经处理的果胶最先出峰,而经过处理的果胶,随着处理压力的增大,其保留时间逐渐延长,平均分子量逐渐降低。这是由于随着处理压力的增大,DHPM提供的机械作用力越大,果胶发生解团聚和分子链断裂的程度也越来越大,表现出分子量的逐渐降低。

同时由图2可知,随着处理次数的增加,出峰越来越晚,洗脱时间延迟,其分子量逐渐降低,处理初期的分子量降低迅速,随后逐渐变慢。表明作用次数具有一定的叠加效应,随着作用次数的增加,果胶受到强烈作用力碰击的作用次数增加,从而使果胶分子发生断裂而逐渐降解的概率增大,导致了分子量逐渐降低。

2. DHPM处理对低酯果胶特性粘度,粒径和还原糖含量的影响

不同高压微射流条件处理后低酯果胶的特性粘度、粒径和还原糖含量

表1 不同高压微射流条件处理后低酯果胶的特性粘度、粒径和还原糖含量

(1)随着DHPM处理压力的增加,果胶溶液的特性粘度和粒径逐渐降低。在处理压力为160 MPa时,随着DHPM处理次数的增加,果胶溶液的特性粘度和粒径同样显著下降。

(2)随着压力的增大,低酯果胶溶液中的还原糖含量增加,其糖苷键裂解程度越大。当处理压力为160 MPa时,随着DHPM处理次数的增加,还原糖含量也逐步增加。表明随着DHPM处理次数越多,果胶的糖苷键断裂程度越大。

3. DHPM处理对低酯果胶表观形貌的影响

DHPM处理对低酯果胶表观形貌的影响

从图中可以看出:未经处理的果胶样品微观结构呈现出片状薄片;经40MPa处理后,果胶结构变化并不明显,相对未处理的样品而言,其结构较为“松散”;经80MPa处理后,仍存在少量片层结构,但是已经出现了孔洞,可以看出果胶发生了一定程度的降解;经120 MPa处理后,果胶已由片层结构变成了丝状结构,降解程度明显;经160 MPa处理后,果胶已基本呈现丝状结构,表明降解程度已十分剧烈。实验表明,经过DHPM处理后,果胶出现丝状结构,而且该丝状结构的数量随着处理压力的升高而显著增加。


结论:

本实验研究了不同DHMP条件处理对低酯果胶物化性质和结构的影响。研究表明:随着处理压力和次数的增加,低酯果胶的分子量、特性粘度和粒径大小均发生降低现象,且降低程度随处理压力和次数的增加而增大;还原糖含量则随处理压力和处理次数的增加而增加,表观形貌也由片状结构向丝状结构转变,表明DHPM会引起低酯果胶的降解,且随着处理压力和次数的增加而加剧,可能原因是果胶分子内糖苷键发生了断裂。


关键词:高压微射流,超高压微射流均质机,果胶

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