二醛木糖的合成及其交联性质分析.pdf
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1、食品化学 食品科学 2023,Vol.44,No.20 71二醛木糖的合成及其交联性质分析荆树桐1,李正盛奥1,李 涵1,曹红花1,厉雪聪1,刘永浩1,于嘉淇1,温璟如2,孙 逊1,*(1.中国海洋大学食品科学与工程学院,山东 青岛 266000;2.西安交通大学前沿科学技术研究院,陕西 西安 710054)摘 要:目的:设计并合成一种具低毒性预期的戊二醛类似物 二醛木糖,并将其作用于壳聚糖溶液以表征交联效果,同时为新型小分子交联剂的研发及应用提供理论基础。方法:单丙酮葡萄糖经高碘酸钠氧化、脱保护获得二醛木糖,并交联壳聚糖溶液形成壳聚糖凝胶,利用全质构检测、低场核磁检测、差示扫描量热法等方法研
2、究壳聚糖凝胶强度、流体特性、水分活度、热稳定性等性质,并予以分析。结果:二醛木糖在水中以(,)和(,)二种结构存在,其比例为44.4 65.6;在二醛木糖质量浓度为0.002 g/mL时,所制得到凝胶的硬度、黏性达到最高值,持水性能也最好。结论:二醛木糖对壳聚糖具有明显的交联作用,且交联效果受质量浓度影响较为明显。本研究结论在新型低毒性小分子交联剂开发领域有较好的理论指导意义。关键词:交联;壳聚糖;凝胶;二醛木糖Preparation and Crosslinking Capacity of DialdoxyloseJING Shutong1,LI Zhengshengao1,LI Han1,
3、CAO Honghua1,LI Xuecong1,LIU Yonghao1,YU Jiaqi1,WEN Jingru2,SUN Xun1,*(1.College of Food Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266000,China;2.Institute of Frontier Science and Technology,Xian Jiaotong University,Xian 710054,China)Abstract:Objective:To design and synthesize dialdo
4、xylose,a glutaraldehyde analogue which is expected to have a low toxicity,and to characterize its performance in crosslinking chitosan in 1%acetic acid solution.Methods:Dialdoxylose was obtained by sodium periodate oxidation and deprotection of monoacetone glucose and used to form crosslinked chitos
5、an gels.The gel strength,fluid properties,water activity and thermal stability of chitosan gels were analyzed by texture profile analysis(TPA),low field-nuclear magnetic resonance(NMR)spectroscopy and differential scanning calorimetry(DSC).Results:It was found that dialdoxylose exhibited two structu
6、res in water,(,)and(,),with a ratio of 44.4:65.6.The hardness,viscosity and water-holding capacity of the chitosan gel crosslinked with 0.002 g/mL dialdoxylose were highest.Conclusion:Dialdoxylose has an obvious crosslinking effect on chitosan,which is greatly affected by its concentration.The resul
7、ts of this study are of theoretical guiding significance for the development of new low-toxicity small-molecule crosslinking agents.Keywords:crosslinking;chitosan;gel;dialdoxylose DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221203-032中图分类号:TS201.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2023)20-0071-08引文格式:荆树桐,李正盛奥,李涵,等.二醛木糖的合成及其交联
8、性质分析J.食品科学,2023,44(20):71-78.DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221203-032.http:/ JING Shutong,LI Zhengshengao,LI Han,et al.Preparation and crosslinking capacity of dialdoxyloseJ.Food Science,2023,44(20):71-78.(in Chinese with English abstract)DOI:10.7506/spkx1002-6630-20221203-032.http:/收稿日期:2022-12-03基金项
9、目:中国博士后科学基金面上项目(2020M672148)第一作者简介:荆树桐(2000)(ORCID:0000-0003-4122-9891),男,学士,研究方向为食品化学。E-mail:*通信作者简介:孙逊(1986)(ORCID:0000-0001-9584-1328),男,讲师,博士,研究方向为食品化学。E-mail:食品加工过程中往往通过加入各种交联剂,改变蛋白质的凝胶性、持水性1、稳定性2、乳化特性3等性质,从而赋予产品更高的肉质弹性以及更好的贮藏稳定性4-5。食品交联剂在肉制品、乳制品、乳液凝胶和食品包装及膜领域拥有广泛应用6。根据GB 27602014食品添加剂使用标准规定,可用
10、于食品中的交联剂有谷72 2023,Vol.44,No.20 食品科学 食品化学氨酰胺转氨酶(transglutaminase,TG)和戊二醛7,在肉制品中使用TG可增强肉制品质地、弹性和保水性而不对感官产生不良影响8。但TG属于生物大分子,由于体积太大,受分子动力学影响难以通过扩散方式进入蛋白质内部,因此其适用于高分散度的蛋白质体系(肉糜、蛋白乳等)或蛋白物料表面,不适用于海参、龙虾等整体蛋白质系统的交联。戊二醛是一种小分子有机化合物,其分子质量小,因此渗透性非常优异。戊二醛的交联活性来源于其两端的醛基与氨基反应生成亚胺,因此对多氨基大分子的交联效果尤为优异,如蛋白质、壳聚糖等9。除此之外,
11、基于戊二醛交联生物聚合物制备的薄膜生物降解性强,为可食用包装材料提供了新的思路和发展方向,具有广阔的应用前景10。然而,戊二醛具有较高的毒性,小鼠经口急性毒性LD50为166 mg/kg(以体质量计)11,美国和欧盟一直禁止其在食品工业中使用12,我国也仅允许戊二醛在肠衣的制作中作为交联剂少量使用。糖类的定义是多羟基醛或多羟基酮。当醛糖的伯氨基氧化后,所生成的含有2 个醛基的多羟基物质叫做二醛糖。这一物质继承了糖类的基本骨架,因此有着较高的安全性预期,同时在同一分子中也如戊二醛一样,有2 个醛基,从结构上分析也可以交联蛋白质或壳聚糖。Steiner等13以葡萄糖为原料合成了二醛木糖,并证明了其
12、可以与氨基酸的伯氨基发生两次亲电加成,证明了其与小分子上的伯氨基反应的活性,但该分子对蛋白或壳聚糖等生物大分子的加成活性尚鲜见报道。此外,Steiner仅把二醛木糖作为中间体直接用于后续合成,并未单独表征其真正结构,因此二醛木糖的存在形态,尤其是在水溶液中的具体结构目前尚不明了。为了解析二醛木糖的结构,以及验证其对大分子的交联活性,本研究以单丙酮葡萄糖为原料制备了二醛木糖,并使用该糖交联壳聚糖制备壳聚糖凝胶,通过质构分析、水分子活度分析、低场核磁等方法表征交联后凝胶的性质。本研究结果不仅可证明以二醛木糖为代表的二醛糖的交联活性,也为安全高效的新型小分子交联剂开发提供 理论指导。1 材料与方法1
13、.1 材料与试剂冰乙酸(分析纯)、甲醇、正己烷、乙酸乙酯 国药 集团化学试剂有限公司;高碘酸钠 上海麦克林生化科技有限公司;单丙酮葡萄糖、Amberlite IR-120阳离子交换树脂(钠型)、壳聚糖 上海源叶生物科技有限公司。1.2 仪器与设备GYW-1MX科技型水分活度仪 深圳冠亚水分仪科技有限公司;DSC 200 PC差示扫描量热仪 德国Sebur公司;低场核磁共振 上海纽曼电子科技有限公司;电子天平 上海梅特勒-托利多仪器有限公司;HH-4数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;IMS-50制冰机 河南 兄弟仪器设备有限公司;压力蒸汽灭菌锅 上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;磁力搅拌器 海门
14、市其林贝尔仪器制造有限公司;薄层层析色谱板 美国Millipore公司;Pro Pulse 500MHz核磁共振仪 美国Agilent Technologies公司。1.3 方法1.3.1 交联剂合成1.3.1.1 单丙酮二醛木糖制备参考Steiner等13报道的合成路线并稍作修改,具体方法如下:取13.252 g单丙酮葡萄糖(图1,化合物I)于圆底烧瓶中,加入300 mL甲醇混合均匀,冰浴,使体系温度保持在0。取12.84 g高碘酸钠于100 mL水中配制为溶液,利用分液漏斗缓慢加入高碘酸钠溶液并搅拌,滴加时间40 min。滴加完成后,控制体系温度保持在0,搅拌,通过薄层层析色谱判定反应情况
15、。反应结束后减压移除溶剂,残留物通过硅胶层析分离,得单丙酮二醛木糖(图1,化合物II)(洗脱液成分为乙酸乙酯 正己烷3 7,V/V)。IIIIIIOHOHOHHOOOOOOOOHOHOHOOOHHHCH3OHNaIO4H2O?60?3.5 hAmberlite IR-120图 1 二醛木糖合成途径Fig.1 Synthetic routes of dialdoxylose1.3.1.2 二醛木糖制备取单丙酮二醛木糖(图1,化合物II)1.23 g于100 mL圆底烧瓶中,加入2.52 g强酸性阳离子交换树脂Amberlite IR-120,加入32.68 mL超纯水,混合均匀,60 保温搅拌3
16、.5 h,期间每0.5 h使用薄层层析色谱监测(层析液为纯乙酸乙酯),直至反应原料完全消耗。经旋转蒸发,获得目标化合物二醛木糖(图1,化合物III)。1.3.1.3 二醛木糖在水溶中存在形态的表征以核磁共振波谱表征常温下二醛木糖在水中的存在形态,取二醛木糖10 mg,溶解于0.5 mL重水中,转移进核磁管。测定氢谱(1H nuclear magnetic resonance,1H NMR)、碳谱(13C nuclear magnetic resonance,13C NMR)、氢-氢相关谱(H-H correlation spectroscopy,H-H COSY)、异核单量子关系谱(heter
17、onuclear single quantum coherence,HSQC)以及异核多量子关系谱(heteronuclear multiple-bond correlation,HMBC)。食品化学 食品科学 2023,Vol.44,No.20 731.3.2 不同温度下制备壳聚糖凝胶配制体积分数为1%的乙酸溶液200 mL,加入壳聚糖8.00 g,磁力搅拌24 h,静置24 h,得质量浓度为 0.04 g/mL的壳聚糖溶液14。取多个三角瓶加入30 mL壳聚糖溶液,分别加入二醛木糖0.075、0.105 g,配制成质量浓度为0.002 5、0.003 5 g/mL二醛木糖的壳聚糖溶液,同时
18、设置对照组。分别在80、121 12,15-16进行交联,对交联产物进行质构检测。1.3.3 不同交联剂质量浓度制备壳聚糖凝胶配制体积分数为1%乙酸溶液400 mL,加入壳聚糖16.00 g,磁力搅拌24 h,静置24 h,获得质量浓度为 0.04 g/mL的壳聚糖溶液,将其分装在18 个三角瓶中,每个20 mL。将二醛木糖依次配制成质量分数为2.5%、2.0%、1.5%、1.0%、0.5%的溶液,各取6.25 mL加入分装好的壳聚糖溶液中,配制成质量浓度为0.001、0.002、0.004、0.005、0.006 g/mL的壳聚糖溶液,每组3 个平行,同时设置对照组。在121 交联5 min
19、,对交联产物进行凝胶性质分析。1.3.4 质构检测参考陈海华等17的过程设计质构检测实验,略作修改。将壳聚糖交联产物切成边长均匀的正方体18进行测定,测定条件为:测试速率60 mm/min,触发力1 N,压缩形变率65%,循环间持续时间0。测定在0.001、0.002、0.004、0.005、0.006 g/mL交联剂质量浓度下(当交联剂添加质量浓度为0 g/mL时,产物为液态,故无法测定质构),交联产物硬度、咀嚼性、弹性和胶黏性的变化19。1.3.5 水分活度检测参考吴琼琳等20方法,采用水分活度仪进行测定。测定时间为15 min,测定前使用饱和NaCl溶液进行水分活度传感器校正。取待测交联
20、产物于平皿中央,并摊平,使样品覆盖平皿60%左右的面积进行测定,共测0、0.001、0.002、0.004、0.005、0.006 g/mL六组梯度。1.3.6 低场核磁检测参考文献21-22进行低场核磁检测,略作修改。采用CPMG脉冲序列采集样品NMR信号,通过反转信号数据得到T2弛豫谱,可以获得样品中水分存在状态及分布状况;并用核磁共振成像仪捕捉质子加权像,可以反映样品中氢质子的分布,进而可以得到水分分布。测定参数:90脉冲时间9.5 s,180脉冲时间19.0 s,采样点数1 024,扫描次数8,回波时间200 s,回波数3 500,频谱宽度200 kHz,重复采样等待时间4 000 m
21、s。1.3.7 差示扫描量热法参考江磊等23的方法,略作修改,为研究交联后壳聚糖的热稳定性,采用DSC 200 PC差示扫描量热仪,在20200 范围内以10/min的速率升温,在N2的氛围下对不同交联剂质量浓度的壳聚糖进行差示扫描量热分析。2 结果与分析2.1 二醛木糖的结构及其在水中存在形态以单丙酮葡萄糖为原料(图1,化合物I),经高碘酸钠氧化断裂结构中的邻二羟基,脱除一分子甲醛后获得单丙酮二醛木糖中间体(图1,化合物II),后者经固体酸Amberlite IR-120催化水解获得目标二醛木糖(图1,化合物III)。在此基础上,对产物进行高分辨质谱检测,通过分子质量确定产物结构的存在。如图
22、2A所示,产物的高分辨质谱的最高丰度峰对应分子质量为319.064 4 Da,而目标产物二醛木糖二聚体与钠结合粒子2MNa的理论相对分子质量为319.064 1 Da,二者差距的绝对值为0.000 3 Da,相对值为0.000 3/319.064 10.94106。此偏差远小于高分辨质谱测定分子质量允许的误差范围(5.0106),因此可以判定该峰即为二醛木糖二聚体与钠结合粒子,即可判定目标分子质量的存在。0.01001 0009008007006005004003002000.82.01.61.2A212.117 5319.064 42M?Na?467.101 1695.200 70.4?10
23、5?m/z02.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.2401401201008060B1000.931670.961070.782.4020125.43.13.5 3.33.73.94.14.34.54.74.95.15.33.03.43.84.24.65.0C2174 2023,Vol.44,No.20 食品科学 食品化学OHOHOHOHOHOHOHOHOH,-?,-?OHDHOHOHOHOHOHOOOOOOOHIIIIVH67697173757779818385878991931301109070503010?10E123.03.23.43.63.84.
24、04.24.44.64.85.05.29894908682787470F212.83.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.05.25.460708090100110G21A.高分辨质谱;B.1H NMR溶剂为重水;C.H-H COSY溶剂为重水;D.二醛木糖在水中主要存在形态及生成机理;E.13C NMR溶剂为重水;F.HSQC溶剂为重水;G.HMBC溶剂为重水。图 2 二醛木糖结构表征Fig.2 Structure characterization of dialdoxylose在此基础上,再使用1H NMR表征产品,以确定其化学结构。由于样品溶剂为重水,所以所有OH
25、基团中的活泼H均通过H-D置换,因而在1H NMR中不显示,则显示的H信号均为CH信号。如图2B所示,1H NMR图谱中共有7 组信号,对应至少7 种CH,且异头碳区(4.51066.0106)中包含3 组信号,非异头碳区包含2 组信号。而二醛木糖中仅有5 种CH,这一差距表明该样品中的二醛木糖是一组混合物。在此基础上,再对样品进行HH COSY(图2C)、13C NMR(图2E)、HSQC(图2F)以及HMBC(图2G)分析,得出结论:产物中存在2 个共振体系,即2 种化合物;一种化合物高度对称(占比44.4%),因此仅显示3 组CH信号,仅有1 个异头碳信号(4.58,d,J8.0 Hz)
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