压力协同温度控制天然阿拉伯胶的熟化改性研究*

袁朝圣 朱祥 苏磊 余雪 史倩

（郑州轻工业学院，河南郑州450002）

压力协同温度控制天然阿拉伯胶的熟化改性研究*

袁朝圣**朱祥 苏磊 余雪 史倩

（郑州轻工业学院，河南郑州450002）

阿拉伯胶由于具有良好的溶解性、稳定性、乳化性等优异性能，被广泛的应用于生物、医药、食品和工业领域。以天然阿拉伯胶为研究对象，分别考察了压力、温度和处理时间对阿拉伯胶熟化的影响。结果表明，温度是阿拉伯胶熟化改性的主要影响因素，温度越高阿拉伯胶的平均分子量越大，在100℃条件下处理，12 h后平均分子量可达到2.8×107g/mol；超高压不能改变阿拉伯胶的熟化程度，但是能够明显的缩短熟化时间，提高改性效率；红外光谱检测结果表明，高压没有改变阿拉伯胶组分。试验结果将为天然阿拉伯胶的改性提供一种新的方法和途径。

高温高压；阿拉伯胶；平均分子量；熟化

阿拉伯胶来源于豆科金合欢树种（Acacia trees）的粘稠渗出物，经干燥而得。凝胶渗透色谱（GPC）分离阿拉伯胶可以得到3种馏分：阿拉伯半乳聚糖（AG）、阿拉伯半乳聚糖蛋白复合物（AGP）和糖蛋白（GP）。其中AGP能够在空气/水或者油/水界面处形成高弹的膜，被认为是阿拉伯胶具有良好表面活性（乳化）的原因。Schmitt等发现在水体系中，阿拉伯胶与β－乳球蛋白的相互作用受两者质量比、PH值和离子强度的强烈影响。Weinbreck等发现，在该条件下体系相分离速度最快，最终分离出的静电复合物体积和密度最大。最近，Saphwan等研究发现，“熟化”处理的阿拉伯胶分子量明显提高，AGP组分含量明显增加，粘度也大大提高。因此形成的聚集体可以有效提高“熟化”阿拉伯胶的表面活性，进而提高乳化性能。

超高压处理（High pressure processing，HPP）能够很好的保持食品原有的色香味，是目前一项公认的具有发展前景的加工技术。本研究以阿拉伯胶为研究对象，通过控制压强、温度和加热时间3个变量，分别对阿拉伯胶在不同条件下进行处理，并对回收的样品进行分析和检测，揭示压力、温度和加热时间对阿拉伯胶分子量的影响规律，为阿拉伯胶的改性研究提供一种新的思路和途径。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

阿拉伯胶，颗粒状，来源于刺槐，平均分子量约为5.5×105g/mol，西格玛-奥德里奇公司（Sigma-Aldrich Co.LLC）（中国）。阿拉伯胶在使用前先将固体颗粒中的杂质挑出，倒入适量固体颗粒于研钵中手动研磨成粉末。

高压设备为自制两面顶压机和内径为20 mm的碳化物硬质合金活塞圆筒模具，如图1所示。设备最高压力可达到5 GPa。圆筒的外围采用缠绕式电阻丝为整个装置提供加热，最高可到500℃。压力是通过活塞上受到的压力和活塞的直径计算得到，并忽略了活塞壁与圆筒内壁之间的摩擦力的影响。温度是采用NiCr-NiSi热电偶测量由数显温度表直接得到，图中测量点与样品之间的温度差在试验前已经进行了标定。采用waters-1515型凝胶渗透色谱仪（Gel permeation chromatography，GPC）对回收样品进行分子量的测量；采用DSC进行热力学参数测量；采用红外光谱（Bruker，70V）进行结构的表征。

图1 活塞圆筒模具及样品组装方式示意图

1.2 试验过程

1.2.1 温度对阿拉伯胶熟化的影响

将铝盒（包含样品）置于活塞圆筒高压模具中，先将样品加压至0.1 MPa，然后加热至40℃、60℃、80℃、100℃，并在此温度下保持2 h。为了对比压力的影响，还进行了250 MPa下的对照试验。

1.2.2 阿拉伯胶熟化的时间效应

取原始的阿拉伯胶样品，按照上述步骤将样品放置好。先将样品加压至0.1 MPa，然后升温至100℃，在此温度下分别保持4 h、6 h、8 h、10 h、12 h，最后降温卸压，取出样品。同时，在压力为250 MPa下重复上述试验过程，获得高压下的对照试验。

1.2.3 压力对阿拉伯胶熟化的影响

在上述试验的基础上，得出阿拉伯胶熟化的温度、时间条件。采用最优的温度和时间条件，考察不同压力条件对阿拉伯胶分子量的影响。按照上述步骤将样品放置好，然后将样品分别加压至预定压力0.1 MPa、250 MPa、500 MPa、750 MPa、1 000 MPa，并升温至100℃，在此温度和压力下保持12 h，最后降温，卸压，取出样品。

2 结果与讨论

2.1 阿拉伯胶的熟化随温度变化的曲线

不同温度和压力下阿拉伯胶的分子量测试结果见表1。根据表1绘制出阿拉伯胶分子量随加热温度变化的曲线，见图2。由图2可知，对于0.1 MPa和250 MPa压力下处理的样品，其平均分子量在40℃～80℃的处理范围内基本保持在5.0×104g/mol～55×104g/mol，当处理温度达到100℃时，其平均分子量有明显的变化。这些结果表明，阿拉伯胶的平均分子量对高温处理比较敏感，特别是温度为100℃时尤为明显。另外，0.1 MPa和250 MPa压力下，平均分子量的变化趋势相同，且相差不大，表明压力对平均分子量的影响并不明显。

表1 不同温度和压力条件下阿拉伯胶的平均分子量检测结果

图2 不同压力下阿拉伯胶分子量随加热温度变化的曲线

2.2 阿拉伯胶的熟化随时间变化的曲线

不同处理时间时阿拉伯胶平均分子量的测量结果见表2。根据表2绘制出处理时间与平均分子量的变化曲线，见图3。由表2和图3可知，100℃热处理时，低压（0.1MPa）处理样品和高压（250MPa）处理样品的平均分子量均随热处理时间的增加而增加；8 h～12 h时平均分子量急剧增大。试验结果表明，阿拉伯胶的平均分子量具有处理时间效应。另外，对比常压和高压处理的样品的平均分子量，发现相同处理时间下，高压处理的样品的平均分子量较高，表明高压下平均分子量的增加速度更快，高压能够缩短熟化时间。

2.3 高压对阿拉伯胶熟化的影响

在100℃条件下，不同压力处理12 h后样品的平均分子量见表3。根据表3绘制处理压力与平均分子量的变化关系图，见图4。由图4可知，随压力的升高，阿拉伯胶的平均分子量没有明显变化，0.1 MPa压力下样品的平均分子量与1 000 MPa处理压力下几乎相等。结果表明，样品的处理温度和时间相同时，高压不能明显的提高阿拉伯胶的平均分子量。这可能是由于100℃时，阿拉伯胶的平均分子量增加的较快，12 h的处理已经使阿拉伯胶中阿拉伯半乳聚糖蛋白复合物（AGP）达到了平衡。因此，高压不能提高阿拉伯胶的平均分子量，但是能够缩短热处理的时间，提高处理效率。

表2 不同时间和压力条件下阿拉伯胶的分子量检测结果

图3 不同处理时间下阿拉伯胶平均分子量的变化曲线

表3 不同压力下阿拉伯胶的平均分子量检测结果

2.4 高压处理后阿拉伯胶的红外光谱分析

在100℃条件下，不同压力下处理样品12h，高压处理后样品的红外光谱图见图5。其中，3423cm-1处吸收峰为阿拉伯胶中多糖上的羟基，2 926 cm-1为阿拉伯胶中的烷基。由图5可知，高压处理前后，红外光谱的峰型和强度基本没有改变，也没有其他新峰的出现，表明高压没有破坏阿拉伯胶中的化合键，改变组成阿拉伯胶的组分。

图4 不同压力下阿拉伯胶的平均分子量的变化曲线

图5 高压处理后阿拉伯胶的红外光谱

3 结论

采用控制变量法，初步探索了温度、压力和处理时间对阿拉伯胶熟化的改性规律。研究发现，温度是提高阿拉伯胶平均分子量的主要因素，在100℃条件下处理，12 h后平均分子量可达到2.8×107g/mol；相同温度和压力条件下，延长处理时间有利于提高其平均分子量；相对于常压，高压不能明显提高阿拉伯胶的平均分子量，但是高压能够缩短相同条件下的处理时间，提高了效率。这些结果为高温高压技术研究生物大分子材料的改性提供了新的思路和方法。

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Combined effect of ultra high pressure and temperature on ageing modification of arabic gum*

YUAN Chao-sheng**ZHU Xiang SU Lei YU Xue SHI Qian
（Zhengzhou university of light industry，Henan Zhengzhou450002，China）

Arabic gum has been widely used for its good solubility，stability，and emulsification properties in food，pharmaceutics，biology，and industry fields.The article focused on the native arabic gum and discussed the aging modification of arabic gum induced by temperature，high pressure，and processing time.The research results showed that temperature was the main influence factor for aging modification of arabic gum，and its average molecular weight increased with the temperature increasing.After annealed under 100℃for 12 hours，the average molecular weight of arabic gum could increased to2.8×107g/mol.Furthermore，high pressure could not change the degree of maturation of arabic gum，but could improve efficiency at the ripening process.The results of IR indicated that the covalent bonds between the molecules of arabic gum was not destroyed by high pressure.The research will provide a new approach and method for the modification of arabic gum.

high temperature-high pressure；arabic gum；average molecular weight；ageing

TS255.1

A

1673-6044（2014）04-0024-04

10.3969/j.issn.1673-6044.2014.04.008

河南省教育厅科学技术研究重点项目（12B 140018）。

**袁朝圣，男，1980年出生，2011年毕业于西南交通大学材料学专业，博士，讲师。

2014-10-21