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果胶的理化特性

2022.6.17

由于原料的种类、生长期、采割期、保存时间及提取方法等因素的影响, 果胶的自身组成和理化性质有很大的差异, 所以对果胶理化性质的测定对于果胶的表征及质量判定具有非常重要的意义。 果胶的理化性质主要有溶解性、 酯化度(Degree of Esterfication,DE)、Gal-A含量(半乳糖醛酸)、单糖组成、相对分子质量(Molecular Weight,Mw)、流变及凝胶特性,其中决定果胶的应用范围和经济价值,评价果胶品质的3个较重要的参数为DE、胶凝度和Gal-A含量。

溶解性

根据果胶的溶解性将其分为水溶性果胶和水不溶性果胶。 果胶的溶解性与果胶的聚合度和其甲氧基的含量和分布有关。 虽然果胶溶液的pH、温度以及浓度对果胶的溶解性也有一定的影响,但一般来说,果胶的相对分子质量越小,酯化度越高,其溶解性越好。类似于亲水胶体,果胶颗粒是先溶胀再溶解。如果果胶颗粒分散于水中时没有很好地分离,溶胀的颗粒就会相互聚结成大块状,而此大块一旦形成就很难溶解。

酯化度

果胶是一类聚半乳糖醛酸多糖, 其半乳糖醛酸残基往往被一些基团酯化,如甲氧基、酰胺基等。酯化度又称甲氧基化,指果胶中甲酯化、乙酰化和酰胺化比例的总和。 根据果胶酯化度以及酯化种类的差异,可将果胶分为3类:高酯果胶(DE>50%)、低酯果胶(DE<50%)、酰胺化果胶(酰胺化度>25%)。果胶的酯化度通常因原料的多样性和提取工艺的不同而不同。 [2] 

果胶的DE是一个非常重要的参数。 DE的大小和种类影响着果胶产品的溶解性、 凝胶性以及乳化稳定性。 如在不考虑其它因素的条件下,果胶的酯化度越高,其水溶性越好;果胶的酰胺化度越高,果胶的水溶性也越好。 此外,酯化度还影响药物的释放水平,例如目前普遍认为的具有抗癌活性的MCP的酯化度需在10%以下。 

果胶DE一般采用滴定法测定,此法较为简单易行,但消耗样品量大且步骤繁琐。 此外,还有拉曼光谱法、红外法、核磁共振波谱法和高效液相色谱法等,其中红外法所需样品量少且不破坏样品,简便、快速,但结果误差较大。 测定结果最为准确的是核磁共振波谱法, 但此法要求高纯度的样品。

单糖组成及含量

果胶是一类以聚半乳糖醛酸为主的杂多糖,商业化的果胶中Gal-A(半乳糖醛酸)含量≥65%。 在许多文献中, 通常以Gal-A含量来表示果胶纯度,测定Gal-A含量大多采用硫酸咔唑法和间羟基联苯法,离子色谱测定更为准确。 此外还有重量法、果胶酸钙滴定法和蒸馏滴定法。 不同原料的果胶单糖组成差异较大。 

单糖构成可间接反映果胶结构, 在一些文献中,通常以Gal-A(半乳糖醛酸)含量来表示果胶纯度,果胶的中性糖大多在其侧链中,因此Gal-A含量高;中性糖含量低的果胶,说明果胶中侧链较少,反之说明果胶中侧链含量较高。 目前,果胶单糖测定方法主要有高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法(High Performance Anion-Exchange Chromatography with Pulsed Amperometric Detection,HPAEC-PAD)、蒸发光散射法(Evaporative Light Scatter-ing Detector,ELSD) 和气液相色谱法 (Gas-Liquid Chromatography,GLC)。 与HPAEC-PAD和ELSD法相比 ,GLC法需对水解后的样品进行衍生才能测定,步骤更为繁琐,而衍生效果的好坏直接影响单糖含量的测定值。 常用HPAEC-PAD法测定果胶的单糖组成, 此法无需柱前或柱后衍生,灵敏度高,重现性好。 

凝胶特性

胶凝度是衡量果胶质量的主要指标之一,指在一定条件下,每份果胶能与多少份固形物(通常为蔗糖和葡萄糖) 制成具有一定硬度和质量的果冻的能力,即衡量果胶形成凝胶的能力大小。

胶凝度是工业上判断果胶品质好坏的一个重要参数,主要采用US-SAG 法和压力破碎法测定果胶胶凝度。 商业化果胶的胶凝度要求(US-SAG):高酯果胶(150度±5 度 )和低酯果胶(100 度±5 度)。 虽然果胶普遍存在于所有的高等植物中,许多科学家也尝试利用甘薯、向日葵等原料来进行商业化生产, 但目前国内外的果胶生产商生产果胶的原料都是柑橘皮渣和苹果皮, 其中一个关键的原因在于其它原料制备的果胶的胶凝度无法达到商业化的要求。 

相对分子质量

果胶的相对分子质量介于50~300ku之间,不同原料和工艺提取到的果胶的相对分子质量相差甚大。 凝胶法和高效体积排阻色谱法(High Performance Size Exclusion Chromatography,HPSEC)是测定果胶相对分子质量的主要方法。HPSEC测定较为准确,且结果信息量大。 HPSEC 法能够测定果胶的重均分子质量(Mw) 和数均分子质量(Number-average Molecular Weight,Mn)。 多聚分散性Mw/Mn表征分子质量的分布宽度,Mw/Mn愈大,表明分子质量分布越宽,反之则分子质量分布范围越窄。 

目前,将HPSEC与多角度激光光散射检测器(Multi-angle Laser Light Scattering,MALLS)和示差折光检测器 (Refractive Index Detection,RI)串联来表征果胶的绝对分子质量较为广泛。 HPSEC-MALLS-RI 联用技术的优点是通过MALLS和RI两种检测器的数据直接测出样品图谱中每个点的绝对分子质量,无需进行任何色谱柱标定和标准品参考。 这种方法特别适合于难以获得标准品的果胶大分子结构的测定。 

流变性质

果胶的流变特性是果胶应用过程中极为重要的问题。与其它植物胶相比,果胶溶液的黏度较低。果胶稀溶液的流动特性近似牛顿型流体,而高浓度(1%)的果胶溶液具有假塑性流体的一些现象和特性。

和其他的生物高聚物分散体一样, 高浓度的果胶溶液中特性黏度和剪切速率的关系表现为 3个阶段:(1)在 0 剪切速率下表现为一牛顿流体的性质,黏度为一常数;(2)当到达低剪切速率的某个点时,溶液开始呈现剪切稀化的现象,黏度以幂次方下降;(3)在高剪切速率下,溶液的黏度达到一极限,并且为一无限剪切常数黏度。 

出现这种现象的原因目前认为是剪切速率使果胶的构象发生变化, 果胶分子的构象在不同剪切速率下发生重排。 在第1阶段,剪切速率非常低,聚合物链的重排较少,黏度变化很小;在第2阶段,剪切速率的加快使得果胶分子构象加速重排,宏观表现为黏度以幂次方的速率下降;而在高剪切速率下的第3阶段,由于剪切速率太快,果胶分子构象来不及重排便使得黏度无限接近一常数。

影响果胶溶液黏度的因素很多,除了果胶的自身结构特性(Mw、DE等)外,同时还受到外界条件,如所在溶液体系的状态(浓度、温度、pH值、盐以及固形物含量等)和一些物理因素(搅拌、外加剪切等)的影响。 而果胶溶液流变性的好坏直接决定产品品质的优劣及食品加工工艺的设计。


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