花生多糖精细结构、溶液构象及其在稳定水包油乳液中应用研究

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花生主要由油脂、蛋白质和碳水化合物组成,其含量分别为43%~55%、25%~30%和20%左右,是我国重要的油料作物,年产量在1500万吨左右,其中大约50%用于榨油。由于目前高温压榨结合溶剂浸出仍是生产花生油最主要的工艺,得到的花生粕出现蛋白严重变性、深度褐变、溶剂残留等问题,导致其高值化利用不被重视。近年来,水酶法同步提取花生油和蛋白质技术已经产业化,得到花生渣中多糖含量高达77%(干基),是一种优质的多糖来源。本文着眼于水酶法花生渣的高值化利用,研究其主要成分多糖的制备工艺、精细结构和溶液构象以及作为植物多糖基乳液稳定剂的潜力,为其工业化生产、功能性质挖掘以及产业化应用提供指导。主要研究内容和结果如下:(1)从水酶法花生渣中提取得到了花生多糖并对其理化性质进行了分析。综合考虑多糖得率、目标多糖组分保留率以及能耗等因素,将提取温度和时间分别定120℃和40 min,p H确定为p H4.0和p H10.0两个条件,并借助淀粉酶水解、超滤分离和喷雾干燥较大规模地制备了花生多糖,得到的花生多糖依据提取p H4.0和p H10.0分别命名为CPS4.0和CPS10.0,相应的得率为21.6%和18.9%。它们的多糖含量分别为81.9%和64.9%。CPS4.0主要的单糖分别为葡萄糖和阿拉伯糖,而CPS10.0主要单糖是阿拉伯糖。CPS4.0和CPS10.0溶解性均大于90%,在3.0%浓度下表观粘度均小于0.04 Pa.s,表现出低粘度特征。(2)对CPS4.0和CPS10.0进行分级处理,分析各级组分的组成和结构,明晰提取p H差异对花生多糖组成和结构的影响。在定位到关键的多糖组分后,进一步纯化得到单一组分,并采用“特异性降解-甲基化-核磁”核心技术解析单一组分的精细结构。研究结果表明CPS4.0主要由CPS4.0-F1和CPS4.0-F3两种多糖组成,它们的占比为39.97%和26.41%。类似地,CPS10.0主要包括CPS10.0-F1和CPS10.0-F3两部分,对应的比例为6.30%和59.42%。红外和核磁谱图显示两者的F1结构差异较大,F3结构接近,但CPS10.0-F3酯化羧基被水解。综上说明CPS4.0能更完整地保留花生多糖主要组分。分别从CPS4.0-F1和CPS4.0-F3进一步分离得到单一组分NPP和APP。NPP是一种α型阿拉伯糖葡聚糖,其主链由大量1,4-O-糖苷键连接的α-Glcp和少量1,5-O-糖苷键连接的α-Araf组成,丰富的1,4-O-糖苷键连接的α-Glcp短链通过1,6-O-糖苷键连接在主链上。APP是一种支化度高达63.61%的酸性多糖,其主链由α-Rhap和α-1,4-Galp A连接而成,大量的多取代α-1,5-阿拉伯聚糖和少量的β-1,4-半乳聚糖通过Rhap残基连接到主链。其中RG-I和HG结构占比分别为83.9%和4.4%。(3)进一步测定了NPP和APP的分子参数和流变学特征,以期分析链构象和溶液行为。结果表明,花生多糖中主要多糖组分NPP和APP的平均相对分子质量为5.3×10~3Da和5.8×10~5 Da,在纯水溶液中特性粘度[η]仅为0.15 g/d L和2.51 g/d L,分别呈现出“低分子低粘度”和“高分子低粘度”特点。DMSO是NPP的良溶剂,使其呈现单一尺寸分布,对应的流体力学半径Rh约为5.8 nm,均方根回转半径Rg为17.0 nm,ρ=Rg/Rh为2.93,说明NPP在DMSO中是一种展开的刚性链构象。10%的NPP表观粘度近为0.03 Pa.s,是一种的典型假塑性流体。流动活化能Ea为30.7 KJ/mol。高频作用促使形成缠结网络结构,导致偏离Cox-Merz规则。另外,Na NO3能有效分散APP聚集体,因此得到的Rg、Rh、ρ值和构象参数v分别为25.5 nm、19 nm、1.35和0.21,呈现出多支化无规卷曲构象,这促成了APP的“高分子低粘度”的特点。溶液行为显示浓度增加导致分子链之间相互交织,形成近球状的聚集体,而该过程主要驱动力是氢键。并且近球状聚集体导致在高剪切速率下展现出牛顿流体行为,同时牛顿流体行为的剪切速率范围随着浓度增加而增加。在浓度10%下,APP表观粘度约为0.35 Pa.s,Ea为21.7 KJ/mol。频率与温度作用下G′均小于G″,表现出一种结构化流体特征,符合Cox-Merz规则。(4)提出了多糖提取过程中保留共溶出蛋白质的思路,得到了含有16.5%蛋白含量的CPS10.0,并将其成功用于稳定水包油乳液中。研究结果表明:CPS10.0提取过程中共溶出的蛋白分子尺寸远小于多糖且少量的蛋白与多糖存在共价连接。这共溶出蛋白的存在导致CPS10.0具备更强疏水性和吸附油滴表面能力,以及能够在界面形成交织链网络结构,进而促使稳定的乳液粒径更小。其次,也增强了CPS10.0分子间缔合作用,进一步提高了乳液内部结构的强度。最终乳液的储藏稳定性和环境耐受性得到改善。(5)基于CPS10.0的多糖组分主要是多支化酸性多糖APP,采用酸处理改变CPS10.0的溶液行为,进一步提高其乳液稳定性。研究结果表明:酸处理促进CPS10.0颗粒聚集体逐渐展开成链并相互交织形成网络结构,提高CPS10.0的溶液结构紧实度以及促使更多疏水区域的形成,导致稳定的乳液具有更强界面稳定和体相交联作用,进而增强了乳液的储藏稳定性和冻融稳定性。同时非线性流变性质分析显示得到的稳定乳液与含油量为75%的市售沙拉酱的涂抹性能是很接近的。
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