魔芋葡甘聚糖羧甲基化食品增稠剂的制备及分析

周禹池，吴 起，熊 玲，鲁方婷，田大听*

（湖北民族学院化学与环境工程学院，生物资源保护与利用湖北省重点实验室，湖北 恩施 445000）

魔芋葡甘聚糖羧甲基化食品增稠剂的制备及分析

周禹池，吴 起，熊 玲，鲁方婷，田大听*

（湖北民族学院化学与环境工程学院，生物资源保护与利用湖北省重点实验室，湖北 恩施 445000）

以魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）为原料，将其羧甲基化制备了一种食品增稠剂。傅里叶变换红外光谱结果表明，羧甲基基团己被引入到KGM分子上；扫描电子显微镜结果显示，羧甲基化KGM（carboxymethyl konjac glucomannan，CMKGM）表面有很多凹痕；热重分析结果表明，CMKGM热稳定性较KGM增强。此外，CMKGM在水溶液中的黏度测试表明：随着剪切速率和温度的增加，其表观黏度减小；随着CMKGM质量分数的增加，其表观黏度增大；随着溶液pH值的升高，其表观黏度先增大后减小。

魔芋葡甘聚糖；羧甲基化；增稠剂

食品增稠剂又称食品胶，是一种在一定条件下能充分水化形成黏稠溶液的大分子物质。一般用来提高食品黏度、改善食品的物理性状及口感[1-2]。常用食品增稠剂的原料主要有明胶、琼脂、黄原胶以及它们的衍生物等[1]，魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）也可用作食品增稠剂[1-2]。

KGM是从天南星科魔芋属植物魔芋的块茎中提取的一种天然多糖。它是D-葡萄糖和D-甘露糖以约1∶1.6的物质的量比、由β-1,4-糖苷键连接而成的一种非离子型多糖，在食品、医药、化工、农业等多个领域均有良好的应用前景。对KGM可以采用接枝[3]、酯化[4]、醚化[5]等方法予以改性。其中，羧甲基化是一种简单但又可赋予KGM许多新的性能的一种改性方法，因而受到众多研究者的青睐[5-13]。目前国内外已有一些对羧甲基化KGM（carboxymethyl konjac glucomannan，CMKGM）的研究报道，如Du Jing等[6]报道了将KGM羧甲基化，然后与壳聚糖复合以用于药物输送；Shen Chunhui等[7]研究了交联CMKGM对金属离子（Fe2+和Fe3+）的吸附作用，而Niu Chunmei等[8]则探讨了其对Cu2+、Pb2+及Cd2+等重金属离子的吸附性能；Xiao Chaobo等[9]将其与海藻酸钠共混后形成半互穿聚合物网络（semi-interpenetrating polymer network，semi-IPN）结构，并探讨了其物理学性能；Yang Guang等[10]研究了CMKGM与水性聚氨酯共混物的性能；Xia Bing等[11]研究了CMKGM与聚乙二醇的接枝共聚物的制备；Ha Wei等[12]将亲水性的CMKGM与疏水性的胆固醇组合成一个两性共轭体，并考察了其自聚集行为，同时考察其对依托泊苷的体外释放行为；最近研究[13]还利用CMKGM与聚乙二醇接枝物和α-环糊精自组装形成刚柔相济的复合物，实现了对葡萄糖氧化酶的封装。但尚未见CMKGM用于食品增稠剂方面的研究。由于多糖羧甲基化是一种常规改性方法，不会引入对人体有害的基团，而且羧甲基化多糖已广泛用于食品领域[14-15]，因此CMKGM用于食品添加剂是安全的。

虽然KGM本身就是一种天然无毒害的增稠剂，但天然的KGM在水溶液中溶胀速率慢。羧甲基化是提高其水溶性的一种有效方法，且其水溶液黏度是反映其增稠性的一个重要指标。因此本研究对KGM进行羧甲基化改性得到了CMKGM，用傅里叶变换红外光谱仪和扫描电子显微镜等手段对产物进行了结构表征，用热重分析仪考察了产物的热稳定性，并较系统地考察了改性产物在水溶液中的流变行为，以便为其在食品增稠剂领域上的应用提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

KGM 湖北恩施宏业魔芋有限公司；一氯乙酸（分析纯） 武汉华飞试剂厂；其他试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

Nicolet Avatar 370傅里叶变换红外光谱仪 美国Thermo公司；6300型热重分析仪 日本精工株式会社；AR2000ex流变仪 美国TA仪器公司；JSM-6510LV型扫描电子显微镜 日本电子株式会社。

1.3 方法

1.3.1 CMKGM的制备

称取1 g的KGM（使用前用乙醇精制[16]）溶于100 mL水中，剧烈搅拌使之全溶，在搅拌条件下将2 g一氯乙酸通过滴液漏斗加入反应体系，用质量分数10% NaOH溶液调节溶液pH值为8～10，升温至60 ℃反应3～4 h。用质量分数1% HCl溶液中和至中性，再用体积分数95%乙醇清洗2～3 次，最后用无水乙醇洗涤2～3 次，再置于真空干燥箱烘干至质量恒定得到CMKGM[17]。

1.3.2 取代度的测定

取代度（degree of substitution，DS）定义为KGM中每个葡萄糖残基中被取代的—OH数目，采用滴定法测定[18-19]。称取0.5 g CMKGM与50 mL HCl溶液（2 mol/L）混合，将混合液用磁力搅拌30 min，用乙醇沉淀、洗涤除去过量的HCl（直至滤液用AgNO3检验不出Cl-为止），真空干燥得到酸式CMKGM。将0.5 g酸式CMKGM溶解在20 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液中，然后以酚酞为指示剂用0.1 mol/L的HCl标准溶液反滴定，记录体积为V1。同时用精制KGM做空白实验，记录体积为V2。进而计算得到CMKGM中羧甲基的质量分数为ω，用式（1）计算。DS用式（2）计算。实验平行3 次，取平均值。

式（1）中：V1、V2分别为CMKGM和KGM滴定时所用HCl溶液体积/mL；c为HCl溶液的浓度/（mol/L）；m为CMKGM的质量/g；0.059为羧甲基的相对分子质量59除以1000所得。

式（2）中：59为羧甲基的相对分子质量；162为KGM每一个残基单元的相对分子质量；1为H原子的相对原子质量。

1.3.3 CMKGM的傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）分析

对产物用傅里叶变换红外光谱仪进行红外分析（采用KBr压片法），扫描范围4 000～400 cm-1。

1.3.4 CMKGM的热重（thermogravimetry，TG）分析

用热重分析仪测量KGM和CMKGM的热学性能，氧化铝坩埚，N2气氛，升温速率20 ℃/min，扫描温度范围30～600 ℃。记录其TG图和微商热重（differential thermogravimetry，DTG）图。

1.3.5 CMKGM的微观形貌观察

用扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察KGM和CMKGM的微观形貌（加速电压为20 kV，样品表面喷金）。

1.3.6 CMKGM的流变行为测定

用流变仪对质量分数0.5%的KGM及CMKGM溶液在35 ℃条件下进行流变行为研究（平板直径2 cm、平板间隙1 mm、剪切速率350 s-1、pH 7）。

2 结果与分析

2.1 FTIR分析

图1 KGM和CMKGM的红外光谱Fig.1 FTIR spectra of KGM and CMKGM

图1是KGM与CMKGM（DS=0.32，下同）的红外光谱图。由图1可以看出，KGM的图谱中3 400 cm-1左右的宽峰为—OH的伸缩振动吸收峰；1 750 cm-1左右为KGM分子中的乙酰基所含C=O的伸缩振动吸收峰；1 650 cm-1左右为—OH的弯曲振动的一级泛频吸收峰；1 410 cm-1左右为C—H的弯曲振动吸收峰。CMKGM的图谱中，3 400 cm-1附近的缔合羟基峰变得更宽，说明缔合作用增强；而在1 650 cm-1出现C=O的伸缩振动吸收峰，而在1 087 cm-1左右出现C—O处吸收峰明显增强，这两个峰为羧甲基的特征吸收峰，从而可证明KGM上已被接上了羧甲基基团。

2.2 SEM分析

图2 KGM CMKGM的扫描电镜图Fig.2 SEM photographs of KGM and CMKGM

由图2可看出，KGM与CMKGM的结构有巨大的差异，其中KGM颗粒表面相对来说比较平滑、规整，界面相对清晰，而CMKGM颗粒则发生变形，相互黏结在一起，且其表面出现很多凹痕。而且可以看出，随着放大倍数的增加，这种差异更加明显。由于反应是均相，羧甲基化基团不仅接在KGM表面，而且也进入其内部，从而导致其形貌上的巨大差异。在羧甲基淀粉的制备中也有文献[20-21]报道过类似结果。

2.3 TGA分析

图3 KGM和CMKGM的TGG图Fig.3 TG curves of KGM and CMKGM

由图3、4可知，CMKGM的热稳定性较KGM好。这可能是由于KGM分子中的—OH通过醚化反应被羧甲基所占，从而使KGM分子内发生脱水反应减缓（多糖在高温条件下的降解机制与其分子内的脱水反应有关[22]，羟基越多，反应越快）。但也可看出如果温度接近250 ℃以后，则二者区别不大，这是由于在高温条件下，羧甲基也会发生脱羧作用。

图4 KGM和CMKGM的DTG图Fig.4 DTG curves of KGM and CMKGM

2.4 流变行为分析

2.4.1 剪切速率对溶液表观黏度的影响

图5 剪切速率对CMKGM和KGM水溶液表观黏度的影响Fig.5 Shear rate dependence of the viscosity of CMKGM and KGM aqueous dispersions

由图5可以看出，CMKGM与KGM溶液的流变特性一致，即它们的表观黏度均随着剪切速率的增大而减小。这可能是由于高分子链在溶液中解缠结，以及分子链在流动方向上取向引起的剪切变稀现象[23]。按照高分子流变学的观点，聚合物溶液中存在链缠结，即分子链间可能因相互纠缠绞结或因范德华力相互作用形成链间物理交联点。这些物理交联点在外力作用下，处于不断解体和重建的动态平衡中。当剪切速率达到一定值时，缠结点破坏速率会大于重建速率，从而导致黏度下降[24]。同时也可看出，在同等条件下KGM的黏度小于CMKGM的黏度。这可能是由于CMKGM上羧甲基基团的引入，使其亲水性增加，聚合物链段更加伸展从而导致黏度增大。

2.4.2 质量分数对溶液表观黏度的影响

由图6可以看出，CMKGM与KGM水溶液的流变特性一致，即随着它们质量分数的增加，表观黏度增大。这是由于质量分数增加，分子间的作用力增大，使其溶液的流动受到的影响增大，产生层流间的阻力，表现出黏稠滞流性[25]。同时也可看出，在同等条件下KGM的黏度小于CMKGM的黏度，这是由于CMKGM上羧甲基基团的引入，使其亲水性增加，因而黏度增大。

图6 质量分数对CMKGM和KGM溶液表观黏度的影响Fig.6 Concentration-dependence of the viscosity of CMKGM and KGM aqueous dispersions

2.4.3 温度对溶液表观黏度的影响

图7 温度对CMKGM和KGM水溶液表观黏度的影响Fig.7 Temperature-dependence of the apparent viscosity of CMKGM and KGM aqueous dispersions

由图7可以看出，CMKGM与KGM溶液的流变特性一致，即随着温度的升高表观黏度减小。由于随着温度的升高分子运动加剧，使得分子链的收缩卷曲几率增加，从而导致黏度下降[26]。同时也可看出，在同等条件下KGM的黏度小于CMKGM的黏度，这是由于CMKGM上羧甲基基团的引入使其亲水性增加，其卷曲收缩没有KGM那么明显所致。

2.4.4 pH值对溶液表观黏度的影响

图8 pH值对CMKGM溶液表观黏度的影响Fig.8 pH dependence of the apparent viscosity of CMKGM and KGM aqueous dispersions

由图8可以看出，随着pH值的升高，CMKGM表观黏度先增大后减小，当pH 6～8时表观黏度较稳定，而KGM的表观黏度随pH值的升高基本上没有变化。这是由于当pH值较低时，强酸性溶液中的H+与CMKGM基团中的阴离子结合使解离度降低，从而导致分子链段收缩[25]，进而使黏度降低；随着pH值上升，聚合物链段上的COO-相互排斥，导致聚合物链段逐渐伸展，从而在聚合物网络中包含大量的水，溶液黏度逐渐增加。但当pH值较高时，强碱性溶液中的Na+的会对COO-基团又会产生电荷屏蔽作用使顺着大分子链内的静电斥力减弱[27]，大分子链又会收缩，从而使黏度降低。

3 结 论

以KGM为原料、NaOH为催化剂、一氯乙酸为改性剂制备了CMKGM。通过傅里叶变换红外光谱证明了KGM已被羧甲基化。扫描电镜结果表明CMKGM的表面有很多凹痕。CMKGM的热稳定性较KGM增强。此外，流变行为分析显示，随着剪切速率和温度的升高，CMKGM表观黏度减小；随着CMKGM质量分数的增加，其表观黏度增大；随pH值的升高，其表观黏度先增大后减小。研究结果表明，所制备产物有望用作一种食品增稠剂。今后可以先将其作为饮料、冰淇淋或面粉中的增稠剂开展实际应用研究。

[1] 黄来发. 食品增稠剂[M]. 2版. 北京: 中国轻工出版社, 2009: 1-5.

[2] 郭玉华, 李钰金. 食品加工中的增稠剂(一): 食品增稠剂的应用技术[J].肉类研究, 2009, 23(10): 67-71.

[3] TIAN Dating, LI Shirong, LIU Xinping, et al. Preparation of superabsorbent based on the graft copolymerization of acrylic acid and acrylamide onto konjac glucomannan and its application in the water retention in soils[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 125(4): 2748-2754.

[4] KOROSKENYI B, MCCARTHY S P. Synthesis of acetylated konjac glucomannan and effect of degree of acetylation on water absorbency[J]. Biomacromolecules, 2001, 2(3): 824-826.

[5] SHEN Chunhui, LI Wei, ZHANG Ling, et al. Synthesis of cyanoethyl konjac glucomannan and its liquid crystalline behavior in an ionic liquid[J]. Journal of Polymer Research, 2012, 19(1): 9758-9765.

[6] DU Jing, DAI Jing, LIU Junlong, et al. Novel pH-sensitive polyelectrolyte carboxymethyl konjac glucomannan-chitosan beads as drug carriers[J]. Reactive and Functional Polymer, 2006, 66(10): 1055-1061.

[7] SHEN Min, DAI Ke, WEI Xing, et al. Application of crosslinked carboxymethyl konjac glucomannanin speciation of dissolved Fe(Ⅱ) and Fe(Ⅲ) in water samples[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 114(6): 3961-3966.

[8] NIU Chunmei, WU Wenhui, WANG Zhu, et al. Adsorption of heavy metal ions from aqueous solution by crosslinked carboxymethyl konjac glucomannan[J]. Journal of Hazardous Materials, 2007, 141(1): 209-214.

[9] XIAO Chaobo, WENG Lihui, ZHANG Lina. Improvement of physical properties of crosslinked alginate and carboxymethyl konjac glucomannan blend films[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2002, 84(13): 2554-2560.

[10] YANG Guang, HUANG Qilin, ZHANG Lina, et al. Miscibility and properties of blend materials from waterborne polyurethane and carboxymethyl konjac glucomannan[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2004, 92(1): 77-83.

[11] XIA Bing, HA Wei, MENG Xianwei, et al. Preparation and characterization of apoly (ethyleneglycol) grafted carboxymethy konjac glucomannan copolymer[J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 79(3): 648-654.

[12] HA Wei, WU Hao, WANG Xianling, et al. Self-aggregates of cholesterol-modi ed carboxymethyl konjac glucomannan conjugate: preparation, characterization, and preliminary assessment as a carrier of etoposide[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 86(2): 513-519.

[13] LI Quan, XIA Bing, BRANHAM M, et al. Self-assembly of carboxymethyl konjac glucomannan-g-poly (ethylene glycol) and (α-cyclodextrin) to biocompatible hollow nanospheres for glucose oxidase encapsulation[J]. Carbonhydrate Polymers, 2011, 86(1): 120-126.

[14] GHANBARZADEH B, ALMASI H, ENTEZAMI A A. Physical properties of edible modified starch/carboxymethyl cellulose films[J]. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2010, 11(4): 697-702.

[15] 徐忠, 张亚丽. 马铃薯淡甲基淀粉在冰淇淋及面粉中的应用研究[J].食品科学, 2002, 23(11): 50-52.

[16] 唐贵丹, 杜小兵, 张兴国, 等. 酸性乙醇法纯化魔芋葡甘聚糖的研究[J].食品科学, 2008, 29(12): 308-311.

[17] AN N T, DONG N T, DUNG L P, et al. Synthesis and characterization of water-soluble O-carboxymethyl glucomannan derivatives[J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 83(2): 645-652.

[18] CHEN Yanxiao, LIU Shaoying, WANG Gongying. Kinetics and adsorption behavior of carboxymetyl starch on α-alumina in aqueous medium[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2006, 303(2): 380-387.

[19] 严瑞瑄. 水溶性高分子[M]. 北京: 化学工业出版社, 1998: 366-367.

[20] 张晓东, 刘馨. 高取代度羧甲基淀粉的合成与性能研究[J]. 2003, 24(6): 552-554.

[21] 谭义秋, 黄祖强, 农克良. 高取代度木薯羧甲基淀粉的合成及表征[J].过程工程学报, 2010, 10(1): 173-178.

[22] MORITA H. Characterization of starch and related polysaccharides by differential thermal analysis[J]. Analysis Chemistry, 1956, 28(1): 64-67.

[23] 唐美芳, 方波, 苏创, 等. 羧甲基瓜尔胶水溶液流变特性研究[J]. 油田化学, 2011, 28(2): 196-200.

[24] 何曼君, 陈维孝, 董西侠. 高分子物理[M]. 修订版. 上海: 复旦大学出版社, 1990: 276-277.

[25] 姚晶, 孟祥晨, 张筠. 果胶对酸性乳饮料稳定作用的研究[J]. 食品工业科技, 2011, 32(12): 162-164.

[26] 周建芳, 张黎明, PERTER S H. 两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特性[J].物理化学学报, 2003, 19(11): 1081-1084.

[27] TIAN Dating, LI Shirong, LIU Xinping, et al. Synthesis and properties of konjac glucomannan-graft-poly (acrylic acid-co-trimethylallyl ammonium chloride) as a novel polyampholytic superabsorbent[J]. Advances in Polymer Technology, 2013, 32(S1): E131-E140.

Preparation of Carboxymethyl Konjac Glucomannan for Use as a Food Thickener

ZHOU Yu-chi, WU Qi, XIONG Ling, LU Fang-ting, TIAN Da-ting*
(Key Laboratory of Biologic Resources Protection and Utilization of Hubei Province, School of Chemical and Environmental Engineering, Hubei Minzu University, Enshi 445000, China)

A food thickener, carboxymethyl konjac glucommannan (CMKGM), was prepared from konjac glucommannan (KGM). Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy showed that the carboxymethyl groups had been introduced into the backbone of KGM. Scanning electron microscope (SEM) observation revealed that there were a lot of dents on the surface of CMKGM. Thermogravimetry (TG) analysis showed that the thermal stability of CMKGM was enhanced. The shear viscosity of CMKGM in aqueous solution decreased with increasing shear rate and temperature, respectively. In addition, the shear viscosity increased with increasing concentration of CMKGM, and it increased at first and then decreased with increasing pH.

konjac glucomannan; carboxymethylation; thickener

TS201

A

1002-6630（2014）22-0001-05

10.7506/spkx1002-6630-201422001

2014-03-26

国家自然科学基金地区科学基金项目（51263009）；湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（T201006）；湖北民族学院科技创新团队计划项目（MY2011T008）；湖北民族学院博士启动基金项目（MY2013B016）；湖北省高校应用化学战略性新兴（支柱）产业人才培养计划项目（20121337）

周禹池（1990—），女，硕士研究生，研究方向为多糖化学。E-mail：yuchizi77@163.com

*通信作者：田大听（1968—），男，教授，博士，研究方向为天然高分子化学。E-mail：tiandating@163.com