乙酰基在魔芋葡甘聚糖溶胶—凝胶及其转变中的疏水调控作用研究

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魔芋葡甘聚糖(Koniac Glucomannan,KGM)是一种高亲水性的非疏水取代中性多糖,也是一种可发生不可逆凝胶的多糖。有关其凝胶驱动机制,自Maekaji于1974年首次揭示“与碱处理中乙酰基被脱除有关”后,30余年来,几乎未取得任何实质性进展。KGM溶胶-凝胶体系中,除氢键作用外,对其它次级相互作用的角色进行评估,可能有助于理解其异常的凝胶行为和独特的性能表现,亦可拓宽这种智能型水凝胶的应用领域,为我国特色资源植物魔芋的科学利用提供理论依据。本文采用非均相条件下碱处理KGM,在尽可能不引起分子主链降解的前提下,制备了一系列具有不同脱乙酰度(Degree of Deacetylation,DD)的KGM。采用GPC-MALLS、XRD、DSC、IR等手段考察了乙酰基含量对KGM结构的影响,初步探明了DD与KGM溶解性能的关系。研究着重利用动态粘弹测定和荧光探针技术,通过对不同脱乙酰度KGM的凝胶及溶液行为的比较分析,鉴别并尝试度量了不同体系中的疏水相互作用,以揭示在KGM凝胶形成中乙酰基主导的疏水调控作用。主要研究结果如下:1.采用非均相碱法制备了不同脱乙酰度KGM,反应影响因素及动力学研究表明:碱的种类及用量、乙醇浓度、反应温度及处理时间均可不同程度影响脱乙酰反应进程;实验条件下,该反应在0-10min内,符合一级反应动力学方程,表观反应活化能仅为15.59 kJ/mol,低于均相体系中的49.32 kJ/mol,表明以乙醇为介质促进了反应的进行。2.FT-IR、XRD、DSC、GPC-MALLS等手段对不同脱乙酰度KGM的结构分析表明,表征乙酰基的吸收峰随DD递增而逐渐减小,因反应于乙醇介质中,KGM颗粒仅微膨胀,极少发生分子充分伸展继而重排,不同DD对分子聚集态结构影响不大。因此,不同脱乙酰度KGM分子链一级结构、热特性及结晶性能无显著差异。3.随DD增加,KGM水溶性呈指数形式递减。对于脱乙酰度较高的KGM,较低的温度、强碱、氢键开裂剂及盐溶盐的加入,均有利于其溶解,类似于KGM凝胶的解胶。4.动态粘弹测定表明,提高DD,增加浓度,升高温度,均有利于KGM凝胶化;盐析盐(Na2SO4、NaCl)可促进凝胶化,而盐溶盐(NaSCN、NaNO3)阻碍凝胶化,且上述影响随DD的增加而更趋显著;显示氢键和疏水相互作用在KGM凝胶形成中均扮演着一定的角色,且DD的提高有助于凝胶中疏水相互作用的加强。5.荧光光谱学研究中,采用芘及1,8-ANS两种探针的发射谱和激发谱共同确证了KGM的疏水特性。尽管KGM分子并无疏水取代基团,仅靠糖环疏水面的堆积而产生的疏水相互作用却并不微弱,在0-10g/L浓度范围内,芘荧光发射谱中I1/I3值从约1.75下降到1.25,1,8-ANS荧光发射谱中λmax从532nm蓝移至502nm,λmax对应荧光强度变化范围130-220a.u.。受到样品透明度的影响,DD的增加并未在荧光光谱中体现出KGM溶液疏水相互作用的增强。KGM升温前后的CAC值分别约为0.60g/L和0.95g/L,而da-KGM(DD=32.58%)减小至0.58g/L和0.45g/L,且Na2SO4和NaSCN的加入,对da-KGM的影响远强于KGM,表明DD的不同致使KGM溶液体系中分子问及分子内主要作用力的消长,随DD增加,较之氢键作用,疏水相互作用的贡献率逐渐增加,2mol/L尿素部分破坏KGM及da-KGM溶液体系中的疏水微区。
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