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一、选题背景

结冷胶是一种经微生物通风发酵得到的新型天然食用胶。最初于 1978 年发现,1988年日本批准结冷胶可应用于食品中,随后,美国和欧洲等国家也批准其作为凝胶剂、稳定剂和增稠剂在食品中使用。结冷胶的分子骨架由葡萄糖、鼠李糖、葡萄糖醛酸组成,分子量约为 0.2~2×106Da,能形成双螺旋结构。结冷胶生产菌是通过复杂的菌种筛选得到的能够生产亲水性胶体的目的菌。结冷胶能够形成澄清透明的凝胶,且具有较好的热稳定性,与其他多糖凝胶相比,其凝胶强度不依赖于 pH。结冷胶的优良性质使其在食品、医药和化工等领域得到了广泛应用。结冷胶还具有良好的复配性,不仅高、低酰基可以复配,还可与其他多糖凝胶复配,通过复配胶之间的优势互补作用,进一步扩大了其应用范围。

二、研究目的和意义

本课题是“十二五”国家科技支撑计划(2011BAD23B04);国家高技术发展计划(863)项目(2012AA021505);国家自然科学基金项目(No.31171640);无锡市科技支撑计划(CLE01N1208);无锡市中小企业创新基金(CBE01G1344)等项目研究的重要组成部分。结冷胶具有重要的商业价值,它生产周期短,理化性质稳定且安全无毒,优越的性能使其得到了广泛的研究和应用[61]。本实验室于1995年率先开始研究结冷胶的生产发酵技术;1996年,结冷胶在我国批准可作为增稠剂、稳定剂使用,近年来国内对结冷胶的需求量增长迅速,主要用于悬浮饮料、果冻和软糖等方面,结冷胶分离纯化等后提取过程较难操作,导致生产成本和市场价格偏高,同时其用法和用量,以及其他物质对结冷胶的影响等问题,在使用时仍不能准确把握[62]。目前国内主要侧重于低酰基结冷胶性质和应用研究,大部分低酰基结冷胶已达到美国Kelco公司水平[63]。对高酰基结冷胶性质的研究是其应用于食品、医药和化工等行业的必要理论基础,但高酰基结冷胶的粘度更大,其生产工艺也更为复杂。酰基含量介于高酰基和低酰基结冷胶之间的结冷胶,具有较高酰基结冷胶更低的凝胶转变温度和较低酰基结冷胶更高的粘度,其独特的性质使其可以适用于更多的领域,弥补高酰基结冷胶和低酰基结冷胶在应用上的局限性,但由于酰基含量测定方法的限制,部分脱酰基结冷胶的研究和生产也停滞不前。国内外对结冷胶的研究涉及其微观结构、流变学和凝胶性质、外加物质的影响以及应用等方面,对结冷胶的性质已经有了一定的了解。本文主要侧重于结冷胶的侧链——酰基的研究,建立酰基含量测定更为精确的HPLC方法,以期为高酰基结冷胶的品质提供有效的监测手段。然后,结合HPLC方法对部分脱酰基结冷胶的制备条件进行了初步摸索,得到一系列不同酰基含量的结冷胶,对其中的几种样品进行流变学和凝胶性质研究,了解酰基对结冷胶性质的影响,这不仅可以增加结冷胶的种类,扩大结冷胶的应用范围,也为其应用提供一定的理论基础,同时,对复配胶的凝胶转变温度进行初步探索,研究酰基含量相同的结冷胶和复配胶之间的性质差异。

三、本文研究涉及的主要理论

Morris等还研究了两种酰基分别对结冷胶性质的影响,通过控制脱酰基条件,得到了甘油酰基含量相近而乙酰基含量不同的两种结冷胶。并研究了两种结冷胶动态模量随温度的变化,发现总酰基含量较高的样品其凝胶转变温度较高,乙酰基含量低的样品在温度转变曲线上表现出明显的热滞现象,而乙酰基含量高的样品则没有热滞性,说明乙酰基含量高的样品其凝胶网络稳定性相对较差,位于双螺旋边缘的乙酰基对双螺旋的聚集起到一定的阻碍作用。那么,高酰基结冷胶更稳定的性质可能只是甘油酰基的作用。除了高酰基和低酰基结冷胶外,部分脱酰基的结冷胶具有其独特性质,若能控制反应条件得到这样的结冷胶,可以增加结冷胶种类,按照应用需求选择不同酰基含量的结冷胶,也能让结冷胶适用于更多领域。Chang等利用不同的碱和反应条件,制备了不同甘油酰基和乙酰基的一系列结冷胶,KOH浓度为0.03~0.3 g·g-1结冷胶,在25~36℃反应2~18 h,或在100℃反应5 min,观察不同反应条件对结冷胶酰基含量的影响。发现在低温下,长时间反应,对甘油酰基含量影响较小,而乙酰基基本可全部脱去,在100℃高温下,则很容易除去甘油酰基。除了用KOH作为反应物外,作者还同时加入了NaCl、KCl和CaCl2等在高温下进行脱酰基反应,盐的加入对酰基起到一定保护作用,酰基含量变动相对较小。Sworn等除用强碱KOH进行脱酰基反应外,还利用Na3PO4和Na2CO3等弱碱进行反应,弱碱提供较温和的反应环境,酰基含量更容易控制。弱碱处理会减少总酰基含量,同时对甘油酰基有更强烈的作用,增加乙酰基/甘油酰基比例,强碱处理也会增加乙酰基的比例,但作用较弱碱更弱。酰基含量的准确测定是结冷胶研究的重要基础,不仅可以更好的研究两种酰基分别对结冷胶性质的影响,两种酰基的总含量及比例也是监测高酰基结冷胶产品品质的重要指标之一。多糖中酰基含量的测定常用比色法和滴定法,比色法利用碱性羟胺与乙酰基生成游离的乙酰羟肟酸,再与Fe3+和发生显色反应,根据吸光度来测定酰基含量;滴定法主要利用反应式1-1的原理,以酚酞为指示剂,通过测定脱酰基过程消耗的碱的体积,根据公式计算酰基含量。Cheetham等曾用HPLC方法,将黄原胶上的丙酮酰基和乙酰基游离下来,分别测定含量。

结冷胶在食品中主要用作增稠剂和稳定剂,其在低浓度时形成的“弱凝胶”网络,可悬浮牛奶中的可可颗粒,形成巧克力牛奶饮品,此性质使其也可用于冰激凌、酸奶等产品。结冷胶可用于食品保护膜,防止在烹炸过程中食品吸收过多的油。此外,碱处理后的结冷胶还可作为凝胶剂、乳化剂、润滑剂以及悬浮材料等用于食品和生物技术行业。2011年美国国家有机项目已批准结冷胶用于有机食品和饮料。在化工领域,结冷胶凝胶澄清透明以及在高温下的稳定性,使其用于防晒露及护发素等护理产品,同时也可用于提高纸张的强度。结冷胶在医药领域可以作为药物赋形剂用于药物的传递,也可以作为人类组织再生三维支架的主要架构物质。结冷胶也可以替代琼脂作为植物和微生物培养基,不仅能够经受长时间的高温灭菌,且澄清透明的凝胶特性也可以更好的观察培养物的生长状态。由于结冷胶具有独特优良的性质,使其具有良好的应用前景,为其实际应用而进行的理论基础研究也尤为重要。

四、本文研究的主要内容

本文以结冷胶以及其侧链酰基为主要研究对象,建立两种酰基含量的测定方法,对不同酰基含量结冷胶的制备条件进行初步摸索,研究酰基对结冷胶流变学和凝胶性质的影响,并对复配胶的凝胶转变温度进行初步探索,主要研究内容有以下四点:

1. 探索能够准确测定结冷胶上甘油酰基和乙酰基含量的HPLC方法,并对该方法进行准确性、重复性、稳定性等方面的验证。

2. 探索不同酰基含量结冷胶的制备条件,控制不同的反应条件,制备得到一系列酰基含量不同的结冷胶。

3. 对一系列不同酰基含量的结冷胶进行流变学性质和凝胶性能的研究,以期得到不同酰基含量结冷胶的性质差异,以及酰基对结冷胶性质的影响。

4. 配制与部分脱酰基结冷胶酰基含量相同的复配胶,并对其凝胶转变温度进行初步探索,以期发现部分脱酰基结冷胶和复配胶的性质差异。


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