魔芋葡甘聚糖—丙烯腈接枝共聚反应条件的优化

2009, Vol.25, No.1

魔芋葡甘聚糖—丙烯腈接枝共聚反应条件的优化

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肖宏艳，潘思轶，曾庆孝

（1.华南理工大学轻工与食品学院，广东 广州 5100）(2.华中农业大学食品科技学院，湖北 武汉 430070)

摘要：以锫铵为引发剂，研究丙烯腈单体接枝到魔芋葡甘聚糖基体的反应条件，选取丙烯腈浓度、反应温度、反应时间三个影响因素，通过二次回归正交旋转组合设计对制备工艺进行了优化，结果表明：以魔芋葡甘聚糖为原料，丙烯腈为单体，通过锫铵引发制得接枝魔芋葡甘聚糖的最佳工艺为：单体浓度1.7 mol/L，反应温度51 ℃，反应时间3 h。拉曼光谱、电镜扫描以及差示量热扫描表明魔芋葡甘聚糖与丙烯腈发生了接枝共聚反应。

关键词：魔芋葡甘聚糖；丙烯腈；接枝共聚

中图分类号：TS201.1；文献标识码：A；文章篇号:1673-9078(2009)01-0045-06

Optimization of Graft Copolymerization of Konjac Glucomannan and

Acrylonitrile

XIAO Hong-yan1, PAN Si-yi2, ZENG Qing-xiao

(1.College of light industry and food science, South China University of Technology, Guangzhou 5100, China)

(2.College of Food Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

Abstract: The reaction conditions of graft copolymerization of konjac glucomamman (KGM) and acrylonitrile were optimized in this paper by quadratic orthogonal rotation combination design. The reaction was initiated by ceric ammonium nitrate and then carried out under the following optimum conditions: reactant concentration of 1.7mol/L, temperature of 51℃ and time of 3h. The product was characterized by Raman spectra, electron microscope scanning and differential scanning calorimetry technique.

Key words: konjac glucomannan(KGM); acrylonitrile; graft cop

魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan，简称KGM) 是资源丰富且价廉易得的高分子多糖，其主要成分是D-葡萄糖和D-甘露糖以1:1.6量比，通过β-1,4糖苷键结合的复合多糖。魔芋葡甘聚糖具有亲水性、凝胶性、

[1]

成膜性、抗菌性、可食用性、低热值性等多种特性和一些特殊的生理功能，可广泛应用于食品、医药、化工以及生物领域。魔芋葡甘聚糖和某些单体接枝共聚可以获得多种优良特性。将某些高分子单体接枝到天然高分子化合物骨架上，使制得的接枝高分子化合物兼备天然高分子化合物和合成高分子化合物的某些优良特性，可满足不同应用的要求。汪玉庭等以Fe2+-H2O2为引发剂将丙烯腈单体接枝到交联淀粉上，制得的接枝羧基淀粉能有效的去除水体中的重金属离子[1]。韩怀芬等以玉米淀粉为基体，合成了交联阳离

收稿日期：2008-08-18，

基金项目：广州市荔湾区科技计划项目“方便鱼肉粉丝产业化关键技术研究”项目号：20072208086

作者简介：肖宏艳（1984-），女，硕士研究生，研究方向：食品科学 通讯作者：潘思轶，教授，博导

子淀粉，对含Cu2+、Cd2+等的水体有较好的去除效果

[2]

。彭长宏等合成了接枝羧基壳聚糖，该产物能有效的吸附Pb2+和Cb2+等[3]。章肇敏等以魔芋葡甘聚糖为原料，丙烯腈为单体，通过锫铵引发制得接枝魔芋葡甘聚糖的最佳工艺为 ：引发剂浓度0.01 mol/L，单体浓度1.6 mol/L反应温度50 ℃，反应时间3 h[4]。在此基础上，本实验采用二次回归旋转正交组合设计研究了魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝产物制备条件，为我国魔芋的基础研究提供一定的参考，为扩大魔芋深加工及其应用范围提供了一定的实验依据。 1 材料与方法

1.1 材料

魔芋精粉 湖北恩施宏业魔芋加工厂。

丙烯腈、锫铵、95%乙醇、氢氧化钠、盐酸、丙酮、二甲基甲酰胺、浓硫酸、葡萄糖 、蒽酮试剂、乙酸乙酯。 1.2 仪器设备

旋转蒸发器、低速台式大容量离心机 磁力搅拌

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器、pH计、激光共聚焦显微拉曼光谱仪、扫描电镜、DSC 204 F1差示量热扫描仪。 1.3 方法

1.3.1 魔芋葡甘聚糖的分离纯化[5]

向一定量的魔芋精粉加入蒸馏水，将其溶胀，静置一段时间，然后稀释，再用 3 G 玻璃砂漏斗抽滤上述溶胶，以除去溶液中悬浮颗粒及不溶杂质，得到透明滤液并旋转蒸发将其浓缩，从而增加其浓度和粘度。用95%乙醇做沉淀剂，将乙醇分批加入浓缩后的 KGM溶胶中，不停用玻棒搅拌，逐渐有白色絮状沉淀产生，继续加入乙醇溶液直至不再产生沉淀为止，用玻棒小心将此白色沉淀转移至烧杯中，再用无水乙醇洗涤3遍，自然风干至产品重量恒定。 1.3.2 丙烯腈单体预处理

减压蒸馏法去除丙烯腈单体中的阻聚剂[3]，二次蒸馏取76~78 ℃馏分。

1.3.3 魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝产物的反应工艺

取魔芋葡甘聚糖置于三口瓶中，加入70%的乙醇溶胀，搅拌加入锫铵。通氮气15 min后，加入一定量丙烯腈，在氮气保护下反应一定时间，后升温至80 ℃，滴加10%氢氧化钠溶液，反应至产物变成棕黄色时，取出冷却，调pH至中性，过滤。分别用丙酮、95%乙醇洗涤，再于二甲基甲酰胺中抽提12 h，后用无水乙醇洗涤，干燥，即得改性魔芋葡甘聚糖产物[3.6]。

1.3.4 接枝率的测定[7.8]

接枝产物于烘箱中干燥至恒重，称取一定量的接枝产物用2 mol/L硫酸加热回流2 h，将接枝产物中的葡甘聚糖酸解，至利用蒽酮反应检测不变色为止，然后过滤，用乙醇洗涤，烘干称重。依以下公式计算接枝率：

G=（M2÷M1）×100%，

其中：M1—接枝共聚物重（g）；M2—酸解产物重（g）

表1 二次回归正交旋转组合设计因素编码表 Table 1 Factors and levels of dual quadratic rotary

combination design

编码

A(AN浓度/mol⋅L-1)B(反应温度/℃) C(反应时间/h)

-1.6820.8

-1 0 1 1.6821.13 1.6 2.07 2.4

Δj 0.475.9

0.59

40 44.1 50 55.9 602.52.41 3 3.59 5.05

表2 二次回归正交旋转组合设计试验安排及结果表 Table 2 Results of dual quadratic rotary combination design 试验号

A

B

C

接枝率/%

1 1 1 1 37.1 2 1 1 -1 37.3 3 1 -1 1 35.1 4 1 -1 -1 31.1 5 -1 1 1 36.3 6 -1 1 -1 33.1 7 -1 -1 1 30.3 8 -1 -1 -1 26.3 9 1.682 0 0 38.6 10 -1.682 0

0

28.2

11 0 1.682 0 35.1 12 0 -1.682 0 30.1 13 0 0 1.682 37.6 14 0 0 -1.682 38.4 15 0 0 0 40.1 16 0 0 0 40.3 17 0 0 0 38.8 18 0 0 0 39.8 19 0 0 0 39.6 20 0 0 0 40.0 21 0 0 0 40.1 22 0 0 0 40.1 23 0 0 0 40.3

2 结果与分析

2.1 魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝产物制备工艺回归模

型的建立

若魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝共聚反应接枝率过低则改性效果不显著，过高对魔芋葡甘聚糖性质改变较大，为此需要对影响其合成的因素进行优化。选取丙烯腈浓度、反应温度、反应时间三个影响因素对制备工艺进行了优化。按照三因素二次回归旋转正交设计方案，制备出23组样品，分别测定其接枝率，因素编码情况、试验编码及结果见表1、表2。

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利用SAS软件可以得到如下回归模型：

Y=39.92212＋2.3497A＋2.14958B＋0.70685C－0.575AB－0.425AC－0.625BC－2.51122A2－2.78869B2－0.88527C2 2.2 回归模型的检验

F检验反映的是回归模型的有效性，包括F1检验和F2检验，t检验是对回归模型进行显著性检验。 结果如表3和表4： 从检验结果可知：失拟F1=2.104＜F0.05(5,8)= 3.69，不显著；而回归F2=22.41＞F0.01（9,13）=4.19，是显著的，说明回归方程与实际情况拟合得很好，即在显

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著水平α=0.01时，回归方程式F检验显著，可以用来预报。t检验结果：查表得t0.4（13）=0.870，表4各系数均大于0.870，回归系数显著，因此都应保留。

表3 F检验 Table 3 Results of F-test

来源 回归 剩余 拟合 误差

平方和 自由度

F比

临界值

386.3052 9 F2 = 22.41 F0.01(9,13)=4.1924.9042 13

23.1442 5 F1 = 2.104 F0.05(5,8)=3.691.7600 8

表4 t检验结果 Table 4 Results of t-test

和反应温度是影响接枝率的显著因素。

单体浓度和反应温度在0水平时，接枝率达到最高，而反应时间对接枝率的影响曲线近似直线，随浸提时间的升高，接枝率Y是升高的。

2.6 双因子交互作用对魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝率影响分析

2.6.1 单体浓度和反应温度对魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝率的影响

系数

t0 t1 t2 t3 t11t12 t13 t22 t23t33

t检验值 86.59 6.27 5.74 1. 7.23 1.18 0.87 8.03 1.282.55

2.3 因子主次分析

根据各变量的显著检验，可得三因素对产物接枝率的贡献率依次为：反应温度、单体浓度、反应时间。

表 5 因子主次分析

Table 5 Analysis of major and minor factors

A B C 来源

Pr>F 0.0037 0.0030 0.1608 图2 单体浓度和反应温度对接枝率的影响

Fig.2 Effect of AN concentration and reaction temperature on

grafting ratio

2.4 最高接枝率模拟分析

通过计算机模拟可得到最高的回归值Y=40.8% (0.2469，0.1913，0.1106)，即单体浓度为1.7 mol/L，反应温度为51 ℃，反应时间3 h时，接枝率理论最高值可达40.8%。 2.5 单因子分析

由图2可知：开始时随单体浓度（A）和反应温度（B）的升高，接枝率Y也增加，当单体浓度和反应温度升高到一定程度时，Y值达到最大；当单体浓度和反应温度继续升高时，Y值开始下降。即单体浓度和反应温度过高或过低时，Y均不能达到最大值。只有它们取值适中，才会获得最大值。

2.6.2 单体浓度和反应时间对改性魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝率的影响

图1 各因子对产物接枝率的影响 Fig.1Effect of key factors on the graft reaction

图3 单体浓度和反应时间对接枝率的影响

Fig.3 Effect of AN concentration and reaction time on grafting

ratio

单变量二次回归方程：

Y1=39.92212＋2.3497A－2.51122A2 Y2=39.92212＋2.14958B－2.78869B2 Y3=39.92212＋0.70685C－0.88527C2

由图1可知，开始时随着各变量的升高，接枝率Y也升高，升高到极值后，随着各变量的继续升高，接枝率Y开始降低。从这三条曲线可看出，单体浓度

由图3可知：当固定反应时间（C）在某一值时，随单体浓度（A）的增加，Y值也增加，并且Y值呈直线的趋势增加。当固定单体浓度在某一值时，随反应时间的增加，Y值增加，当反应时间升高到一定程

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度时，Y值达到最大；当反应时间继续升高时，Y值开始下降。这表明：反应时间过高或过低时，Y均无最大值。只有它取值适中，才会获得最大值。

2.6.3 反应温度和反应时间对改性魔芋葡甘聚糖丙烯腈接枝率的影响

性后引入了-C≡N和-COO基团，与实验结果相符。同时，改性前后拉曼光谱图都表现出魔芋葡萄甘聚糖其他基团的特征峰，且相对强度基本一致，说明其改性前后主链一级结构未遭到破坏。

图5 KGM的拉曼光谱图

图4 反应温度和反应时间对接枝率影响

Fig 4 Effect of reaction temperature and reaction time on

grafting ratio

Fig.5 Laser Raman Spectrum of Konjac Glucomannan

由图4可知，当固定反应温度（B）在某一值时，随反应时间（C）的增加，Y值也增加，并且Y值呈直线的趋势增加。当固定反应时间在某一值时，随反应温度的增加，Y值增加，当反应温度升高到一定程度时，Y值达到最大；当反应温度继续升高时，Y值开始下降。这表明反应温度过高或过低时，Y均不能达到有最大值。只有它取值适中，才会获得最大值。 2.7 魔芋葡甘聚糖-丙烯腈接枝产物结构表征 2.7.1 拉曼光谱分析

拉曼光谱（RD）是一种散射光谱，是研究分子结构和分子振动光谱的重要工具。

采用激光共聚焦显微拉曼光谱仪测定KGM及其改性物的拉曼光谱（见图5、6），结果显示引入新基团的特征红外吸收峰。经分析，吸收峰的位置如表6。

表6 KGM和KGM-AN的特征拉曼频率

Table 6 The characteristics frequency of NSPEamide

groups

名称

波数/cm-1 振动模式 名称

波数/cm-1 振动模式

图6 KGM-AN的拉曼光谱图

Fig.6 Laser Raman Spectrum of polymer (grafting Konjac)

CH 2900 伸缩振动 C≡N 2250 伸缩振动C-C-O 430-460 弯曲振动 C-C≡N 370-378 弯曲振动C-C-O 850-950 伸缩振动 R-C≡N 160-200 骨架变形C-O-C 1060-1150 伸缩振动 C＝O 1625-1746 伸缩振动C-O-H 1200-1410 弯曲振动 -COO 1410 伸缩振动

由图5、6可知，改性后魔芋葡萄甘聚糖在2251

160~200 cm-1是-C≡Ncm-1处出现-C≡N的伸缩振动峰，

的骨架变形，1625~1746 cm-1是羰基对称伸缩振动峰，1410 cm-1处是-COO对称-伸缩振动峰，这些都说明改

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2.7.2 差示量热扫描仪分析

热分析是表征材料的基本方法之一，在高分子材料领域已得到了广泛的应用，主要是示差量热扫描法对高聚物结构及动态变化、表征熔融行为、高聚物结晶行为和微相结构等研究。

由图7、8可知，KGM在加热过程中，随温度升高，在60-70℃出现一个明显的吸热峰，这是KGM由多晶态向非晶态转化造成的链水微晶熔融。主要是因为KGM分子中含有大量羟基极易与水结合，难以干燥彻底脱除水分，因此完全脱除水分必然造成KGM分子变性、分解等一系列变化[9]。在300 ℃附近出现一个放热峰，这是KGM链链结晶在较高温度下熔融。主要是因为KGM分子吡喃环结构上存在大量羟基，结构间容易形成氢键，因此升高温度破坏分子间氢键的同时，KGM分子往往发生分解、断链、氧化或是脱水交联等反应，生成H2O、CO和CH4，出现放热效应[9]。

改性后的KGM分子DSC图谱和改性前相比，KGM由多晶态转化为非晶态的链水微晶熔融温度有所降低，同时KGM链链结晶的熔融温度也略有下降，

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这主要是由于接枝改性后，KGM分子吡喃环结构上羟基减少，KGM分子和水结合的能力降低，同时由于空间位阻效应，KGM分子结构间氢键减少，放热效应减弱。此外，在324.8℃出现一个吸热峰，这是腈基的熔融峰，主要由于C≡N键键能较大，破坏C≡N键需要环境提供大量能量

A B 图9 KGM的扫描电镜图 Fig.9 SEM diagram of KGM

注：图A的放大倍数为500倍，图B的放大倍数为2000倍。

A B C

图10 KGM-AN的扫描电镜图 Fig.10 SEM diagram of KGM-AN

注：图A的放大倍数为500倍，图B的放大倍数为2000倍，图C的放大倍数为5000倍。

图7 KGM的DSC图谱 Fig.7 DSC diagram of KGM

3 结论

以魔芋葡甘聚糖为原料，丙烯腈为单体，通过锫铵引发制得接枝魔芋葡甘聚糖，通过二次回归正交旋转组合设计对工艺条件进行优化，根据SAS分析得出最佳制备条件：单体浓度1.7mol/L，反应温度51℃，反应时间3h。 参考文献

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49

图8 KGM-AN的DSC图谱 Fig.8 DSC diagram of KGM-AN

2.7.3 扫描电镜分析

扫描电镜观察了改性前后魔芋葡甘聚糖表面形态的形貌，如图9、10所示。

由图9、10可以看出，改性前后魔芋葡甘聚颗粒大小一致，改性前魔芋葡甘聚糖颗粒表面相对平滑，而接枝改性后魔芋葡甘聚糖颗粒表面相对粗糙，出现了有规律、纹理清晰的平行沟槽。同时，由图10（C）可以观察到丙烯腈向魔芋葡甘聚糖颗粒内部渗透，形成了对魔芋葡甘聚糖颗粒内部结构的部分损伤，这说明丙烯腈不仅在魔芋葡甘聚糖颗粒表面与其发生反应，而且已经渗入魔芋葡甘聚糖颗粒内部与其进行了反应。此外，根据图9(B)、10(B)、10(C)可观察到接枝改性后魔芋葡甘聚糖颗粒聚集程度提高，这是由于经过接枝共聚反应后，魔芋葡甘聚糖分子间聚合距离缩短。

现代食品科技 Modern Food Science and Technology

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