不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的流变特性

姚 雪，罗学刚，韩本超，贺 攀

（西南科技大学生物质材料教育部工程研究中心，四川 绵阳 621010）

研究开发

不同分子量魔芋葡甘露低聚糖的流变特性

姚 雪，罗学刚，韩本超，贺 攀

（西南科技大学生物质材料教育部工程研究中心，四川 绵阳 621010）

探讨了碱存在下不同分子量魔芋葡甘露低聚糖（KOGM）的流变特性。采用高级旋转流变仪和凝胶渗透色谱-静态光散射联用仪（SEC-MALS）测定魔芋葡甘露低聚糖的分子量、相关分子参数和流变性质。SEC-MALS分析结果表明，随KOGM分子量的下降，均方根旋转半径迅速减小，相对刚性参数β从0.38增加到0.80，即分子链由半柔顺性链向短小的刚性链转变。流变分析结果表明，所形成凝胶的储能模量G'和耗能模量G''均随着KOGM相对分子量、KOGM 浓度和碱浓度的增加而增加，损耗因子 tanδ则相应减少，即形成凝胶的弹性和稳定性增加。

魔芋葡甘聚糖；魔芋葡甘露低聚糖；流变特性；动态黏弹性

魔芋是天南星科魔芋属多年生草本植物，其主要活性成分魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一种水溶性的天然高分子多糖，可广泛应用于环保、食品、医药、化工以及生物领域[1-4]。KGM相对分子质量为200 000～2 000 000，其特性黏度可达1320 mL/g，这是食品工业中使用的黏度最高的多糖之一[5]。分子量和黏度过大、溶解度过小等缺点限制了天然 KGM 的应用，因此，天然KGM 的可控降解即不同分子量的魔芋葡甘露低聚糖的制备和分析已成为研究热点[5-7]。

魔芋葡甘露低聚糖（konjac oligo-glucomannan，KOGM）是由KGM通过生物酶、酸或辐照等方法降解而得到的分子量低于天然KGM的各种不同分子量的低聚糖。不同分子量 KOGM 的流变特性大不相同，因此对它们的研究有望为KGM的应用领域提供更加理想的原料和添加剂。目前对天然KGM流变特性及凝胶性质的研究较多[8-10]，但对于不同分子量KOGM的研究较少，并且用于研究的KOGM的分子量范围也是有限的[11-13]。本文通过作者课题组自制的不同分子量的KOGM，系统研究了它们的流变特性，期望为不同分子量 KOGM 的应用提供一定的理论参考。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

魔芋精粉，由四川绵阳安县都乐魔芋制品有限公司提供，KGM含量≥95%；β-甘露聚糖酶，由四川禾本生物工程有限公司提供，酶活力≥3291 u/g；磷酸氢二钠、柠檬酸、尿素、无水乙醇，购自成都科隆化工试剂有限公司，分析纯。

主要仪器：德国Haake公司的RS6000旋转流变仪；美国Agilent公司1100/1200高效液相色谱系统与美国Wyatt Technology公司的十八角度静态激光散射仪联用。

1.2 不同分子量魔芋葡甘聚糖的制备

将配置好的不同浓度的新鲜酶液1 mL加入到99 mL 不同pH值的缓冲溶液中于不同温度下在集热式恒温加热搅拌器中保温10 min；磁力搅拌作用下加入一定量已烘干至恒重的魔芋精粉，于不同的温度下准确酶解一段时间，取出，煮沸灭酶10 min；4000 r/min离心20 min，取上清液，用无水乙醇沉淀后常温烘干，研磨过筛得到不同分子量的KOGM粉末。

本研究中主要是通过加酶量、缓冲液pH值、酶解温度、底物浓度和反应时间这5个因素的控制来得到不同分子量的降解产物。

1.3 SEC-MALS分析

仪器：美国Agilent公司的1100/1200高效液相色谱系统与美国Wyatt Technology公司的十八角度静态激光散射仪联用。

测试条件：将未降解的葡甘聚糖与低聚糖粉体配制成 1 mg/mL溶液，色谱柱为 PL aquagel-OH MIXED 8 μm，300 mm×7.5 mm；检测器为示差折光检测器（RID）与十八角度静态光散射激光检测器（18 angles），激光波长 658 nm；流动相为 0.1 mol/L硝酸钠溶液，流速1 mL/min，进样量50 μL，进样时间15 min，柱温35 ℃。KGM在0.1 mol/L硝酸钠溶液中的折光指数增值（dn/dc值）的测定：将1×10－3g/mL的KGM溶液稀释成浓度为1×10－4g/mL、2×10－4g/mL、4×10－4g/mL、8×10－4g/mL、1×10－3g/mL的稀溶液，依次进样。测得dn/dc值为1.331 mL/g。

分析软件：美国 Wyatt Technology公司 Astra软件。

1.4 流变学性质的测定

采用RS6000旋转流变仪（德国HAAKE公司）对降解产物的流变性质进行测定，选用C60/1°的锥板，测试温度为25 ℃，间隙设置为0.052 mm。

2 结果与讨论

2.1 天然 KGM和不同分子量 KOGM的SEC-MALS分析

表1为天然KGM和降解后不同分子量KOGM的SEC-MALS分析结果。天然KGM是一种分子量分布较窄的多糖，分散系数D=Mw/Mn值接近1，经过酶降解以后，分子链有不同程度的断裂，因此分散系数仍然会有所增加[6，14-16]。均方根旋转半径（Rg）的大小反映了高分子在溶液中的空间尺寸，空间尺寸的大小在一定情况下和高分子的分子量成正比关系。降解后 KOGM 的分子量变小，因此均方根旋转半径也变小[17]。构象指数β在 0.3左右时表明高分子链卷曲成球状，在0.5～0.6时表明高分子属于柔顺性链，在1左右时表明高分子为棒状或刚性链[18-19]。由表1可知，天然KGM是一种具有一定刚性的半柔顺性链，到其分子量降低约一半时，构象指数变化不大，即仍维持这种具有一定刚性的半柔顺性的分子特征。但当分子量降低到2.854×104时，β值接近1，表明此时葡甘露低聚糖分子链呈棒状或刚性[20-21]，这是由于分子量降低、分子链过短而不易发生扭曲缠绕等造成。

2.2 流变曲线

图 1（a）、图 1（b）分别给出了不同分子量 KOGM剪切应力、黏度与剪切速率的关系曲线图，Mw=4.234×105以上的 KOGM 表现出非牛顿流体的特征，剪切开始时，剪切应力随剪切速率的增大而迅速增加，当增大到一定值时，约20 Pa，增大趋势减小，并且这种现象随分子量的增加而表现得更加显著。这是因为分子本身以及分子链之间相互的卷曲、缠结作用，这种作用在处于低速率切变区时，外加的剪切力作用速度缓慢，高分子链之间的缠结点在受到外力破坏后能够立即回复起来，所以黏度仍然会表现得很大；当切变速率增大到一定的临界值后，链缠结点被破坏的速度大于重建的速度，KGM 凝胶结构遭到破坏，黏度开始下降；当体系中大多数分子完成取向后，体系黏度下降到一定值且趋于稳定，即发生了剪切变稀的现象[22-25]。相对分子质量小于4.234×105的KGM的1%水溶液与牛顿流体的特征相似，这是因为 KOGM 分子链过短以至于分子链间形成的氢键少，缠结得不够牢固，但增大浓度，也能表现出剪切变稀的特征。

表1 SEC-MALS分析结果

图1 不同分子量KOGM剪切应力、黏度与剪切速率的变化关系

非牛顿流体的剪切应力与剪切速率的关系可由式（1）表示。

式中，K为稠度系数；n为流动指数。

用最小二乘法对数据拟合如表2所示。由表2可知，随着KGM 分子量的降低，n值逐渐增大并接近1，n与1相差越大，说明流体假塑性越强，反之则接近牛顿流体；此外，随分子量的降低，稠度系数k也逐渐下降[22]。原因是KGM分子量越大，分子链之间形成的氢键越多、缠结得越紧，因此表现出越明显的假塑性。

2.3 KOGM分子量对流变性质的影响

图 2是不同分子量的魔芋葡甘聚糖的频率扫描结果。其中，储能模量G'用来表征材料的弹性特征，代表了材料受到应力发生形变后恢复原样的的能力；损耗模量G''用来表示材料的黏性特征，描述了材料产生形变时转变成剪切热的现象，代表着KGM 抵抗流动的能力；损耗因子 tanδ是耗能模量G''与储能模量G'之比，能够用来表示材料弹性的大小。

表2 流变数据拟合表

由图2可知，随振荡频率的增加，不同分子量的KOGM的G'和G''都逐渐增大，并且分子量越大，G'和G''也越大。这是因为频率增加，KOGM 分子链段在短时间内来不及运动，凝胶体系的应变减小，从而使储能模量G'增加；损耗模量G''增加的原因可能是由于摩擦和热损耗在高频下的增加[11，13，26]。分子量越大的 KOGM 其损耗因子越大，这是因为当分子量增大时，分子之间的缠结程度增大，形成氢键数量较多，加强了三维网络结构的强度，增加了凝胶的黏弹性。因此，在1%浓度下的KOGM溶液，其分子量越高，损耗因子越小，即弹性越大，凝胶性质也越稳定。

2.4 KOGM浓度对流变性能的影响

图3是KOGM-2（Mw=8.272×105）的频率扫描结果。由图可知，KOGM浓度越大，分子链排列越紧密，互相穿插并形成氢键的可能性越大，其储能模量G'和耗能模量G''越大，而损耗因子越小，即同等条件下，KOGM浓度越大，所形成的凝胶黏弹性越大。

2.5 碱浓度对不同分子量流变性能的影响

图2 不同分子量KOGM的频率扫描图

图 4是 1%KOGM-6（Mw=4.234×105）在不同碱浓度下形成凝胶的频率扫描图。1% KOGM-6的起始pH值为6.01，加入20 μL Na2CO3（0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L、2.0 mol/L）后pH值分别为9.85、10.02、10.59 和 11.04。碱浓度为 0.5 mol/L、1.0 mol/L、1.5 mol/L时，所形成凝胶的G'和G''随碱浓度的增大，损耗因子则减小，即随碱浓度的增加，形成凝胶的弹性越强。碱浓度2.0 mol/L时所形成的凝胶比碱浓度1.5 mol/L形成的凝胶弹性稍差，应该是由于高pH值环境下，KOGM分子量降低造成的[11]。

2.6 温度扫描

图3 不同浓度KOGM-2的频率扫描图

图 5（a）～图 5（c）是不同分子量 KOGM的损耗因子和G'、G''随温度的变化曲线，分子量越大，损耗因子越小，其弹性越大，流动性越大，越接近固体的特征；并且随温度升高，损耗因子有所增加，这可能是加热使 KOGM分子运动能量增加的缘故，导致整个体系的流动性增加。Mw=6.012×105和Mw=4.234×105，随温度增加，损耗因子有所上升后又开始下降，是由于温度升高导致其水分散失，分子量越小水分散失得越厉害，损耗因子也就减少得越多。由此可见，分子量越大，KOGM 持水能力越好，当分子量在9.391×105及其以上时，KOGM可以表现出相当好的持水力；当Mw=4.234×105及其以下时，KOGM的持水力相当差。G'和G''的变化也正好说明了这点。

图4 1%KOGM-6不同碱浓度下的频率扫描图

图5（d）是不同分子量KOGM的黏度随温度的变化曲线，分子量越大，黏度越大；并且随温度增加，黏度都有所减小，是因为温度在小幅的增加，导致分子热运动能力增加，流动性随之增加的缘故。Mw=4.234×105的黏度下降后又有所增加也是由于水分散失的缘故。

图5 不同分子量KOGM的温度扫描图

3 结 论

（1）SEC-MALS分析结果表明，通过酶催化降解后得到的产物分子量分散系数有所增加。此外，随着 KOGM 分子量的降低，均方根旋转半径也随之减小，构象指数β逐渐增大至接近 1，即随KOGM分子量的降低，其分子链所占的空间体积减小，并逐渐从半柔顺性链过渡到棒状或具有刚性的分子链。

（2）在浓度为1%的不同分子量的KOGM溶液中，当KOGM相对分子质量在4.234×105以上时，随分子量的增加，溶液的假塑性越强；当KOGM相对分子质量小于 4.234×105时，溶液呈现近似牛顿流体的特征。

（3）流变分析结果表明，储能模量G'和损耗模量G''都随着KOGM分子量、KOGM浓度和碱浓度的增加而增加，损耗因子则相应地减小，此时分子链之间缠结越紧密，形成氢键越多，形成的三维网络凝胶结构也越稳定。

[1]Kobayashi Shinsaku，Tsujihata Shigetomo，Hibi Naruhiro，et al.Preparation and rheological characterization of carboxymethyl konjac glucomannan[J].Food Hydrocolloids，2002，16（4）：289-294.

[2]张正光，罗学刚. 魔芋葡甘聚糖材料疏水改性的研究进展[J]. 化工进展，2007，26（3）：356-359.

[3]李娜，罗学刚. 魔芋葡甘聚糖薄膜的制备和性能[J]. 化工进展，2005，24（9）：1006-1010.

[4]Zhang Y Q，Xie B J，Gan X，et al. Advance in the applications of konjac glucomannan and its derivatives[J].Carbohydrate Polymers，2005，60（1）：27-31.

[5]Alonso Sande M，Teijeiro Osorio，D Remuñán López，et al.Glucomannan，a promising polysaccharide for biopharmaceutical purposes[J].European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics，2009，72（2）：453-462.

[6]Chang Y T，Chen Yuh Shuen，Lin Ke Ting，et al. Characteristics of galactomannanase for degrading konjac gel[J].Journal of Molecular Catalysis B：Enzymatic，2006，43（1-4）：153-157.

[7]Kohyama K，Sano Y，Nishinari K. A mixed system composed of different molecular weights konjac glucomannan and[kappa]-carrageenan. II. Molecular weight dependence of viscoelasticity and thermal properties[J].Food Hydrocolloids，1996，10（2）：229-238.

[8]Pang Jie，Sun Yujing，Zhuang Yu，et al. Dynamics study of the influence of temperature on konjac glucomannan saline solution's viscosity[J].Chinese Journal of Structural Chemistry，2008，27（4）：394-398.

[9]李斌，谢笔钧. 魔芋葡甘聚糖凝胶机理研究[J]. 中国农业科学，2002，35：1411-1415.

[10]汪超，李斌，徐潇，等. 魔芋葡甘聚糖的流变特性研究[J]. 农业工程学报，2005，21（8）：157-160.

[11]Yoshimura M，Nishinari K. Dynamic viscoelastic study on the gelation of konjac glucomannan with different molecular weights[J].Food Hydrocolloids，1999，13（3）：227-233.

[12]彭述辉，温成荣，姚闽娜. 不同分子量魔芋葡甘聚糖凝胶性质研究[J]. 西南大学学报，2010，32（11）：151-157.

[13]Zhang H，Yoshimura M，Nishinari K，et al. Gelation behaviour of konjac glucomannan with different molecular weights[J].Biopolymers，2001，59（1）：38-50.

[14]Li Guangji，Qi Li，Li Aiping，et al. Study on the kinetics for enzymatic degradation of a natural polysaccharide，konjac glucomannan[J].Macromolecular Symposia，2004，216（1）：165-178.

[15]Cescutti Paola，Campa Cristiana，Delben Franco，et al. Structure of the oligomers obtained by enzymatic hydrolysis of the glucomannan produced by the plant Amorphophallus konjac[J].Carbohydrate Research，2002，337（24）：2505-2511.

[16]晋刚，赵新亮，雷玉才. 转矩流变仪表征熔融聚合物的流变性能[J].化工进展，2011，30（2）：371-375.

[17]Li B，Xie B J，Kennedy J F. Retracted：Studies on the molecular chain morphology of konjac glucomannan[J].Carbohydrate Polymers，2006，64（4）：510-515.

[18]Li B，Xie B J. Single molecular chain geometry of konjac glucomannan as a high quality dietary fiber in East Asia[J].Food Research International，2006，39（2）：127-132.

[19]李铭杰，李仲谨，诸晓峰，等. 天然高分子改性制备高吸水性树脂研究进展[J]. 化工进展，2010，29（3）：573-578.

[20]陈文平，江贵林，姜发堂，等. GPC-LS联用法研究魔芋葡甘聚糖分子链形态[J]. 光谱实验室，2010，27（1）：238-242.

[21]方文建，隋斯光，郑连英. 壳聚糖相对分子质量的测定方法[J]. 化工进展，2006，25（4）：420-423.

[22]柯扬船，何平笙. 高分子物理教程[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[23]过梅丽，赵得禄. 高分子物理[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[24]李秋瑾. 多糖酶解动态特性表征与剪切机理分析及动力学模型[D].天津：天津大学，2009.

[25]张德强，丁雪佳，褚文娟，等. PP/SEBS共混物得相形态、光学及力学性能[J]. 化工进展，2010，29（7）：1281-1285.

[26]褚文娟，丁雪娟，张德强，等. 羧基丁腈胶粉改性热塑性聚酯弹

性体的性能[J]. 化工进展，2010，29（11）：2130-2133.

Rheological properties of konjac oligo-glucomannan with various molecular weights

YAO Xue，LUO Xuegang，HAN Benchao，HE Pan
（Engineering Research Center of Biomass Materials，Ministry of Education，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China）

Rheological property of konjac oligo-glucomannan（KOGM）with various molecular weights in the presence of alkali（sodium carbonate）was studied by dynamic viscoelastic measurements.Molecular weight and other molecular parameters of KOGM were determined by SEC-MALS. The results show that radius of gyration（Rg）decreases and the relative stiffness parameter（β）increases from 0.38 to 0.80 with the decrease of molecular weight（Mw），which means KOGM chains become short and stiff. The storage shear modulusG' and the loss shear modulusG'' increase and loss factor tanδdecrease with the increasing of KOGMMw，KOGM concentration and alkali concentration，which indicates that the gels get more elastic and stable.

konjac glucomannan；konjac oligo-glucomannan；rheological property；dynamic viscoelasticity

O 636.1

A

1000–6613（2011）11–2495–07

2011-06-21；修改稿日期2011-08-01。

国家“十一五”科技支撑计划项目（2007BAE42B04）。

姚雪（1986—），女，硕士研究生。联系人：罗学刚，教授，博士生导师。E-mail lxg@swust.edu.cn。