1 引言

魔芋葡甘聚糖(KGM)因具有独特的凝胶性^[1]、成膜性^[2]、生物相容性^[3]而被广泛应用于食品、化妆品、制药和保健品等领域^[4-5],但天然KGM的分子质量大、黏度高^[6],这在很大程度上限制了它的应用。因此,如何有效降解KGM已成为国内外研究的热点。

目前,降解KGM的方法主要有酸水解^[7]、酶水解^[8]、物理降解^[9]和辐射降解^[10]。李涛等^[7]采用盐酸和过氧化氢对KGM进行降解,虽然该方法可在一定程度上降解KGM,但因盐酸存在易挥发、水解耗时长、会对环境造成一定程度的污染而无法被广泛应用;Jian等^[8]采用甘露聚糖酶和γ射线对KGM进行降解,酶解温度为50 ℃,酶解时间为24 h,虽然通过该法能够获得分子质量小于1000 u的KGM寡糖,但存在着酶易失活、操作费时、程序繁琐等弊端;Li等^[9]利用50 W的超声波在一定程度上实现了KGM的降解,降解时间为10~20 min,但是此法的收率较低,生产成本很高;Jin等^[10]利用γ射线和乙醇对KGM进行降解,但乙醇在辐射过程中易挥发,导致其无法发挥应有的降解作用。

运用激光对大分子物质进行降解具有降解效率高、成本低、操作简单等优点^[11]。例如,利用脉冲激光对2,4,5-三氯苯酚进行光催化降解,能够解决光子利用率低、反应器设计复杂、光催化剂的回收和固定化技术及光催化剂的污染与活化等许多降解问题;利用脉冲激光对废水中的苯酚进行降解能够大大提高降解速率,但将激光技术用于多糖降解的研究目前尚未见报道。此外,Pan等^[12]曾采用γ射线和过氧化氢协同降解KGM,证明过氧化氢的存在会明显增强辐射降解的效果,且大量降解多糖的研究一致证明协同降解^[13-15]比单一的物理、化学和生物降解方法更加高效。因此,本研究采用激光和过氧化氢协同降解KGM。

2 实验

2.1 激光操作参数

本研究采用的激光器为二氧化碳激光器^[16-17],该激光器的效率高,可发射10.6 μm的可见红色激光,是一种比较理想的激光器。在其他条件相同的前提下,设定激光功率变化范围为7.5~15 W ,降解后的KGM的静态黏度见表1。由表1可知:随着激光功率改变,KGM的黏度变化无规律;当功率为10 W时,KGM的黏度最小。在辐照过程中,当功率大于10 W后,KGM溶液中出现了黑色的小焦块,这可能是因为大功率下KGM的碳骨架被损坏,静态黏度升高,降解效果不明显,故本研究初步确定激光降解功率为10 W。激光器发射双脉冲,出光时间为90 ms,间隔时间为90 ms,单次脉冲能量约为1.8 kJ,相关参数见表2。

2.2 激光降解KGM

称取3.00 g KGM加入到300 mL蒸馏水中,以500 r/min的转速搅拌7 h,得到质量浓度为0.01 g/mL的KGM溶液;将其平均分为2组,A组样品平均分装在7个烧瓶中,再用功率为10 W的激光对7个样品分别进行0,1,2,3,4,5,6 min的激光处理,并标记为0号、1号、2号、3号、4号、5号、6号样品;在B组样品中加入体积分数为1.67%的过氧化氢,进行同样的激光处理,得到的样品分别记为0+号、1+号、2+号、3+号、4+号、5+号、6+号样品,示意图如图1所示。

2.3 初步确定激光降解KGM较优条件的实验

2.3.1 黏度的测定

在常温下,使用NDJ-55型数字式粘度计分别测定A组、B组样品的黏度。

2.3.2 流变性能的测定

先将A组、B组样品在5000 r/min的转速下离心10 min,然后利用MCR301Rheoplus型流变仪进行剪切应力指标的测定,测试温度为25 ℃,剪切速率的范围为0.1 ~ 150 s^-1。

2.4 KGM降解产物的表征

2.4.1 模量的测定

在常温下,利用MCR301Rheoplus型流变仪测定0号、0+号、2号、2+号样品的储能模量(G')和损耗模量(G″),频率变化范围为0.1~100 Hz。

2.4.2 DSC的测定

将0号、0+号、2号、2+号样品进行24 h冷冻干燥后,利用200 F3型差示量热扫描仪进行差示扫描量热法(DSC)分析,温度范围为25 ~ 600 ℃,升温速率为15 ℃ · min^-1。

2.4.3 红外光谱的测定

将0号、0+号、2号、2+号样品进行24 h冷冻干燥后,利用Cary 670-FTIR+610-FTIR光谱仪进行红外光谱的测定,测定波数范围为4000~400 cm^-1,平行测量3次。

图 1. 激光处理示意图。(a)设备操作简图;(b)样品处理图

Fig. 1. Schematics of laser processing. (a) Diagram of equipment operating; (b) diagram of sample processing

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3 实验结果

3.1 激光降解KGM较优条件的初步确定

3.1.1 黏度分析

激光处理时间对A组样品黏度的影响如图2所示。

图 2. 激光处理时间对A组样品黏度的影响

Fig. 2. Effect of laser treatment time on viscosity of group A samples

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由图2可见:在无过氧化氢存在的条件下,不同的激光处理时间均可使KGM的黏度降低;处理时间为1,3,4,5,6 min时,黏度降幅分别为25.1%、11.6%、40.5%、2.6%、16.1%,降幅均不超过50%;激光处理时间为2 min时,样品的黏度最低,为3.17 Pa·s,降幅为54.5%,降幅最大,降解效果最好。故初步确定较佳的激光降解时间为2 min。

激光处理时间对B组样品黏度的影响如图3所示,可以看出:在有过氧化氢存在的条件下,不同的激光处理时间也均可使KGM的黏度降低,并且总体降幅更大;处理时间为1,3,4,5,6 min时,样品黏度的降幅分别为48.3%、18.6%、40.5%、13.2%、40.3%,降幅亦均不超过处理时间为2 min的样品;激光处理2 min的样品的最终黏度为2.34 Pa·s,与最初的黏度相比,降幅高达80%。故确定最佳的激光降解时间为2 min。此外,与2号样品相比,2+号样品黏度的降幅更大,降解效果更佳,表明过氧化氢的加入会进一步增强激光的降解效果。

图 3. 激光处理时间对B组样品黏度的影响

Fig. 3. Effect of laser treatment time on viscosity of group B samples

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3.1.2 流变性能分析

对激光功率为10 W,激光处理时间分别为0,1,2,3,4,5,6 min的两组样品分别进行静态剪切分析,剪切速率的变化范围为0.1~150 s^-1,结果如图4所示。

根据图4可知:所有样品皆符合非牛顿流体特性,存在明显的剪切稀化现象。在低剪切速率时,样品的黏度较大,分子间交联紧密,原因可能是被剪切力破坏的分子所占比例较低,故黏度未明显下降,呈现平稳状态。随着剪切速率增大,分子间的交联被大范围破坏,黏度大幅下降,且加入过氧化氢的B组样品的总体黏度降幅更大。A、B两组样品中皆是激光处理时间为2 min时的黏度最低,且2+号样品的黏度低于2号样品的黏度,再次表明过氧化氢可促进激光降解KGM,这与黏度的测定结果一致。通过以上黏度分析和流变性能分析可初步确定激光降解KGM的较佳时间为2 min,故选取0号、0+号、2号、2+号样品进行模量分析、DSC分析和红外光谱分析。

图 4. 激光处理后KGM样品的稳定剪切黏度。(a) A组样品;(b) B组样品

Fig. 4. Stable shear viscosity of KGM samples after laser treatment. (a) Group A samples; (b) group B samples

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3.2 KGM的模量

基于以上对KGM黏度和流变性能的分析,选取0号、0+号、2号、2+号样品进行模量分析,结果如图5所示。

图 5. 最佳降解条件下KGM的模量

Fig. 5. Modulus of KGM under optimum degradation conditions

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由图5可见;随着频率增加,所有样品的G'和G″均逐渐增加,属于典型的多糖溶液的流动模型。其中,G'反映黏弹性的大小,G″反映黏性的大小。在低频率处,G″大于G',分子链处于自由伸展的状态,体系以黏性为主,表明样品的黏度较大,损耗模量主要是通过黏性流动而损耗;随着剪切力继续增大,G'增加的速率均比G″高,最终G'和G″交汇,表明此时体系形成了较稳定的凝胶结构。以0 号样品为标准,0+号、2号、2+号样品动态模量的交汇点依次后移,表明凝胶形成的难度逐渐变大,说明KGM的分子质量逐渐减小,KGM的降解效果越来越好,2+号样品的降解效果最佳。此外,0+号样品的降解效果比0 号样品的降解效果略好,说明过氧化氢可以在一定程度上促进KGM降解,该现象与黏度测定和流变性能分析的结论一致。

3.3 DSC分析

选取0号、0+号、2号、2+号样品进行DSC分析,结果如图6所示。

图 6. 最佳降解条件下KGM的DSC分析结果

Fig. 6. DSC analysis of KGM under optimum degradation conditions

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DSC曲线可用来表征KGM在激光降解后的热稳定性。由图6可知:KGM热性能的变化均发生在300 ℃左右,经过激光辐射处理的KGM的热稳定性均比无激光处理的更优; 2号样品和2+号样品的热吸收峰对应的温度分别比0号试样高12 ℃和25 ℃;0+号样品降解后的热吸收峰对应的温度比0号样品的高10 ℃。结合2号样品的分析说明,若单独采用激光或过氧化氢对KGM进行降解处理,则KGM的热稳定性无明显提高;但是,使用激光和过氧化氢协同降解KGM后,其热稳定性可得到大幅度提高。通过该结果可以肯定激光协同过氧化氢的降解方法能够显著提高KGM的热稳定性。

3.4 红外光谱分析

选取0号、0+号、2号、2+号样品进行红外光谱分析,结果如图7所示。

由图7可知:样品在3430 cm^-1和2925 cm^-1处皆有吸收峰,这些吸收峰是由KGM甲基中的-OH和C-H延伸而引起的;在1728 cm^-1处出现的特征吸收峰是由KGM中存在的C=O引起的;在879 cm^-1处出现的吸收峰是由β-糖苷键引起的,其吸收峰由上至下逐渐变缓,直到2+号样品吸收峰消失,这是由于激光和过氧化氢会引起KGM溶液中·OH的含量上升,直接促进糖环解开,导致KGM降解。上述4个样品的红外光谱随着波数的变化趋势基本一致,说明待测样品经过各种处理后的化学结构无明显改变。

图 7. 最佳降解条件下KGM的红外光谱分析

Fig. 7. FT-IR analysis of KGM under optimum degradation conditions

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4 分析与讨论

激光照射后, KMG分子由原来的长链变成短链,在宏观上表现为KGM溶液的黏度降低,在微观上表现为β-1,4糖苷键的断裂,降解机理如图8所示。图中R₁~R₄表示KGM链上的糖残基。

图 8. 激光降解机理图。(a)分子链断裂;(b) β-1,4糖苷键断裂

Fig. 8. Diagrams of laser degradation mechanism. (a) Molecular chain cleavage; (b) β-1,4 glycosidic bond cleavage

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激光发射出的光子会促使H₂O分解产生·OH,并且过氧化氢的加入会进一步增加其含量,从而增强激光的降解效果,具体反应如下^[18-19]:

H2O+(hv)→eaq-,H·,·OH,H2O2,H2,H3O+,(1)H2O2+(hv)→2·OH。(2)

在激光辐射过程中, eaq-和H·会与H₂O₂发生如下反应:

eaq-+H2O2→·OH+OH-,(3)H·+H2O2→H2O+·OH。(4)

通过如上的化学反应,在激光和过氧化氢同时存在的情况下,KGM溶液中的·OH浓度上升,而·OH是一种超氧化剂,极易夺取KGM分子链中与碳相连接的H原子,因此,最终会直接导致KGM分子链中的β-1,4糖苷键断裂,进而降低其分子质量。激光降解前后的分子结构如图9所示。

5 结论

在激光功率为10 W,且有过氧化氢存在的条件下,激光和过氧化氢的共同作用可以促进β-1,4糖苷键的断裂,实现KGM的高效降解,降解后的KGM黏度明显下降,能够解决目前市场上因KGM黏度较大而产生的应用局限。与化学降解、酶降解等传统降解方法相比,该降解方法具有环保高效、耗时短且成本低的特点,可为KGM的高效降解提供一种新方法。

图 9. 激光降解前后的分子结构

Fig. 9. Molecular structures before and after laser degradation

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