魔芋葡甘露低聚糖的热稳定特性以及与低聚果糖益生元的对比分析

国内外研究中，一些功能性低聚糖在促进益生菌生长、增强免疫、改善肠道疾病等方面有突出作用，这些功能性低聚糖被归类为益生元。近年来，益生元在医药、饲料、食品等领域的应用成为国内外的研究热点。

低聚糖作为功能成分添加到药物、饲料、食品等中，其热力学稳定性和分解特性成为药物、食品等加工工艺设计的一个关注点。目前，国内外研究学者对于低聚糖类化合物的相关研究主要集中在对糖的分离纯化、结构解析、合成和生物活性功能等方面，对于低聚糖的热分解和热稳定性研究较少。特别是对于新型的益生元，如魔芋葡甘露低聚糖等缺乏相关热稳定性的分析数据。来自魔芋的葡甘露低聚糖是一种新型的益生元，是由D-甘露糖以β-1,4-糖苷键连接形成主链以及主链或支链上以β-1,3-糖苷键连接葡萄糖而成的水溶性多糖，主要由魔芋块茎中葡甘聚糖降解得到，已成为国内外市场上新型的益生元。

为探究葡甘露低聚糖和低聚果糖热稳定性的影响，广西大学生命科学与技术学院的叶枫、庞浩*和广西科学院（国家非粮生物质能源工程技术研究中心、非粮生物质酶解国家重点实验室、广西生物炼制重点实验室） 的汤宏赤等人以这两种益生元为材料，采用Kissinger、Kissinger-Akahira-Sunose（KAS）和FlynnWall-Ozawa（FWO）3 种动力学分析方法对两种益生元热解后的稳定性进行分析，以便于后续研究工作中深入分析低聚糖化合物的结构和性质，同时也为葡甘露低聚糖和低聚果糖在药物和食品工业领域进行配方设计和加工工艺设计提供依据。

1 低聚糖HPLC分析结果

由图1A可知，用质量分数为2%的D-果糖、D-甘露糖和葡萄糖作为标准样品，出峰时间分别在8.47、8.89 min和9.65 min左右，图1B中质量分数为10%低聚果糖和图1C中质量分数为40%葡甘露低聚糖，与图1A中质量分数为1%单糖的峰面积对比分析，结果表明两种低聚糖中单糖质量分数均低于1%。

2 低聚糖热重分析结果

由图2A、B中DTG曲线可知，单糖的分解峰温比低聚糖的分解峰温低，说明单糖比低聚糖更易分解。鉴于单糖相关研究的基础，本实验主要突出比较两种低聚糖的热分解稳定性。由图2C、D可以看出，在不同升温速率下两种低聚糖的热重（TG）曲线与DTG曲线变化的趋势保持一致，由于热滞后和传热限制的影响，TG曲线随加热速率的增加而横向移动，DTG曲线的峰形越来越突出，通过最大升温速率20℃/min可以看出。两种低聚糖的热解过程大致可以分为3个阶段：第一阶段，在30～100℃内主要是脱去水分，由TG曲线呈现出微小下降，DTG曲线出现平峰（失水峰）；第二阶段和第三阶段，在160～370℃内，TG曲线呈现大幅度下降，由DTG曲线可看出两种低聚糖包含一个尖峰和一个单肩峰并且有部分重叠，两个阶段的峰温值相差不大，第二阶段的质量损失速率大于第三阶段的质量损失速率，说明在第二阶段低聚糖分子主要以熔融和分解体为主，葡甘露低聚糖不同分子质量的聚合物解聚成单糖及包含少量葡萄糖的聚合物，而低聚果糖中果四糖、果五糖解聚成果二糖和果三糖，果二糖和果三糖能迅速形成结晶固体状物，第三阶段对解聚后的产物进一步分解成碳和气体。在370℃之后，TG曲线和DTG曲线都呈现缓慢变化直至趋于平直。

结果显示，由不同速率下低聚糖热解参数可知，两种低聚糖的Ti和Tm随着升温速率的增加而升高，而Tf无明显变化，说明两种低聚糖的热解温度范围相差不大。在所有升温速率条件下，低聚果糖的Rmax最高，这表明低聚果糖的热解机理相对简单，热分解过程相对较快。在不同升温速率下两种低聚糖的Mf都很低，相差不大，表明Mf不受升温速率的影响。

图3为低聚糖热解实验得出的转化率与温度的曲线，随着温度的升高，转化率逐渐增大，相同转化率的条件下，升温速率越快对应的温度则越高。该曲线是后续分析热解非等温无模式函数法的基础。

3 低聚糖动力学分析结果

根据低聚糖的DTG曲线，用Kissinger、FWO法和KAS法分别对第二阶段和第三阶段进行分析。结果显示，分别采用Kissinger法和FWO法计算得到表观活化能Ek和Eo，Kissinger法没有考虑机理函数以线性拟合后截距求得指前因子A，FWO法根据最概然机理函数求得指前因子A，两个方法计算的结果相差不大，葡甘露低聚糖第二阶段的活化能低于低聚果糖第二阶段的活化能，而第三阶段的活化能高于低聚果糖第三阶段的活化能，表明葡甘露低聚糖第二阶段更易分解，第三阶段更难分解，由于计算存在误差，为避免有误差的可能性，取Kissinger法和FWO法的平均值作为分解的活化能以及指前因子，葡甘露低聚糖第二阶段和第三阶段的活化能及指前因子分别为114.73 kJ/mol、24.30 min－1和156.05 kJ/mol、32.95 min－1，低聚果糖第二阶段和第三阶段的活化能及指前因子分别为138.65 kJ/mol、32.03 min－1和145.92 kJ/mol、31.73 min－1。

由于需要考虑葡甘露低聚糖和低聚果糖成分的有效性，在加工、贮藏、运输以及应用等过程中，本实验主要以第一个分解温度进行分析，保证低聚糖有效成分最大利用。本实验第二阶段选取α为0.15～0.95，第三阶段选取α为0.05～0.60，排除线性相关性差的转化率，并以0.05为间隔进行分析，以ln（β/T2）对1/T作图，分别对两种低聚糖第二阶段和第三阶段进行线性拟合性分析，如图4所示，结果表明两种低聚糖用KAS法分析均具有较好的线性相关性，R2均大于0.97。

图5为不同转化率下用KAS法获得两种低聚糖活化能的对比图，由图5A可知，第二阶段葡甘露低聚糖活化能基本保持不变，低聚果糖活化能呈上升的趋势。由图5B可知，两种低聚糖在第一个分解峰温之后，随着温度升高，聚合物进一步解聚成单糖，为了达到第二个分解峰温，活化能进一步升高，结果表明葡甘露低聚糖的活化能高于低聚果糖活化能，说明葡甘露低聚糖的热稳定性高于低聚果糖。

4 低聚糖热分解机理

表3为葡甘露低聚糖和低聚果糖热解机理函数拟合结果，本实验分别以同一温度所对应的α值带入最常用的30 种机理函数的积分形式G（α）进行拟合性分析，选取斜率接近－1且拟合性较好的方程。结果表明，葡甘露低聚糖热解反应第二阶段的机理函数为G（α）＝[1－（1－α）1/3]2，该阶段的热解机理为三维扩散和球形对称的Jander方程；第三阶段的机理函数为G（α）＝[－ln（1－α）]4，该阶段的热解机理为随机成核和随后生长，遵循Avrami-Erofeev方程。低聚果糖热解反应第二阶段的机理函数为G（α）＝1－（1－α）4；第三阶段的机理函数为G（α）＝[－ln（1－α）]2，该阶段的热解机理为随机成核和随后生长，遵循Avrami-Erofeev方程。

5低聚糖热分解的热力学参数

本实验选取拟合性较好的直线斜率来获得表观活化能，R2均在0.98以上，根据相关热力学公式进行计算求得热力学参数。葡甘露低聚糖热解第二阶段和第三阶段各转化率的Ea，平均值分别为114.42、163.77 kJ/mol，低聚果糖两个阶段的Ea分别为137.22、144.95 kJ/mol，通过与Kissinger法和FWO法分析得到的活化能进行比较，3 种方法分析得到的Ea相差不大；葡甘露低聚糖的第二和三阶段的ln A，平均值分别为26.08、34.82 min－1，低聚果糖两个阶段的ln A分别为32.02、31.83 min－1，同样与之前两种方法分析得到的ln A相差不大，由于实验计算可能存在误差，取3 个方法的平均值作为本实验研究的结果，即葡甘露低聚糖第二阶段和第三阶段的Ea及ln A分别为114.58 kJ/mol、25.19 min－1和159.91 kJ/mol、33.89 min－1，低聚果糖第二阶段和第三阶段的E a及l n A分别为137.94 kJ/mol、32.03 min－1和145.44 kJ/mol、31.78 min－1。

两种低聚糖第二阶段ln A变化不大，均大于20.70 min－1，所以两种低聚糖不受表面控制反应，而在第三阶段两种ln A变化较大，其中葡甘露低聚糖的ln A更大，表明葡甘露低聚糖热解更缓慢，同时两种低聚糖热解机理发生的变化与表3两阶段不同热解机理相符合。

另外，热力学参数ΔG、ΔH、ΔS均为温度的状态函数。随着温度的升高，两种低聚糖各阶段的ΔG、ΔH均大于0，说明两个阶段的热解反应需要吸收大量的热。葡甘露低聚糖第二阶段ΔS均为负值，表明该过程中低聚糖的解聚分解呈有序进行，相反，葡甘露低聚糖第三阶段和低聚果糖第二、三阶段ΔS均有正负值，表明葡甘露低聚糖解聚后产生的葡萄糖使成分热解需要更多的热量且更加复杂化，而低聚果糖ΔS初始阶段为负值，表明低聚果糖中果三糖复合物水平增加并快速结晶呈有序性进行。

结 论

本实验采用热重分析仪以5、10、15、20℃/min非等温升温速率，对葡甘露低聚糖和低聚果糖的热解性质进行分析，两种低聚热解过程分为3 个阶段，且分解峰温在220～300℃，分别用Kissinger、KAS、FWO 3 种热力学分析方法分析比较两种低聚糖的热稳定性，第二阶段低聚果糖和葡甘露低聚糖的活化能分别为137.94 kJ/mol和114.58 kJ/mol，结果表明低聚果糖中果二糖和果三糖迅速结晶导致其活化能偏高，第三阶段低聚果糖和葡甘露低聚糖的活化能分别为145.44 kJ/mol和159.91 kJ/mol，随着温度进一步升高，两种低聚糖解聚成单糖，结果表明葡甘露低聚糖热稳定性高于低聚果糖。低聚果糖和葡甘露低聚糖ln A分别为32.03、31.78 min －1 和 25.19 、 33.89 min －1 ；分析葡甘露低聚糖和低聚果糖的热解机理函数，第二阶段和第三阶段分别为 G （ α ）＝ [1 －（ 1 － α ） 1/3 ] 2 、 G （ α ）＝ [ － ln （ 1 － α ） ] 4 和 G （ α ）＝ 1 －（ 1 － α ） 4 、 G （ α ）＝ [ － ln （ 1 － α ） ] 2 ；热力学参数葡甘露低聚糖第二阶段和三阶段的 Δ H 为 110.13 kJ / mol 和 159.11 kJ / mol ，低聚果糖第二阶段和三阶段的 Δ H 为 132.99 kJ / mol 和 140.46 kJ / mol 。葡甘露低聚糖和低聚果糖热稳定性及动力学机理的比较分析，为其在食品、医药领域的应用提供理论参考依据。

本文《魔芋葡甘露低聚糖的热稳定特性以及与低聚果糖益生元的对比分析》来源于《食品科学》2020年41卷17期45-52页，作者：叶枫，汤宏赤，张剑堡，和竹新，和正鹏，范锐鸿，林丽华，郭媛，刘江丽，庞浩。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190808-087。

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