半乳甘露聚糖型植物胶的研究进展

半乳甘露聚糖型植物胶的研究进展

蒋建新1　张卫明2　朱莉伟2　徐嘉生2　安鑫南1

(1.南京林业大学210037　2.南京野生植物综合利用研究院210042)

摘　要　本文综述了国内外半乳甘露聚糖型植物胶的研究进展,包括半乳甘露聚糖胶的资源分布、生物学特性、理化性质、结构鉴定、分离提取、产品改性、应用及前景展望等。

关键词　半乳甘露聚糖;植物胶;研究进展

Development of Studies on V egetable G ums of G alactom annan

Jiang Jianxin1,Zhang Weiming2,Zhu Liwei2,Xu Jiasheng2,An X innan1

(1.Nanjing F orestry University210037;2.Nanjing Institute for C om prehensive Utilization of W ild Plants210042)

The development of studies on galactomannan gums from abroad and domestic has been described,including res ources;biology;physical and chemical properties;structural formula appraisal;separation and extraction; m odification;application and prospects.

K ey w ords　galactomannan,vegetable gums,development of study

半乳甘露聚糖属多糖类天然高分子化合物,其分子量因来源不同而异,其结构是由D-甘露糖通过β-1,4甙键连接形成主链,在某些甘露糖上D-半乳糖通过α—1,6甙键形成侧链而构成多分枝的聚糖。半乳糖与甘露糖之比值也因植物品种不同而有差异[1-5]。半乳甘露聚糖胶具有较好的水溶性和交联性,且在低浓度下能形成高粘度的稳定性水溶液。所以被作为增稠剂、稳定剂、粘合剂而广泛应用于石油钻采、食品医药、纺织印染、采矿选矿、兵工炸药、日化陶瓷、建筑涂料、木材加工、造纸、农药等行业[6-7]。国外研究半乳甘露聚糖胶已有近百年的历史,我国从二十世纪七十年代开始研究利用它[8]。近年来由于分离提取植物胶技术的提高和应用技术及应用领域的不断拓宽,使这一研究领域备受人们关注。

1　半乳甘露聚糖胶资源

半乳甘露聚糖胶植物资源品种多、分布广[9-10],如海红豆Adenanthera pavonina,白花洋紫荆Bauhinia veriegata var.candida,腊肠树Cassia fistula,神黄豆Cassia javanica var.Indo-dainensis,豆茶决明C.no2 mame,望江南C.occidentalis,江茫决明C.sophora,决明C.tora,长角豆Ceratonia siliqua,猪屎豆Crota2laria mucronata,大叶猪屎豆C.spectabilis,菽麻C. juncea,瓜尔Cyamopsis tetragonoloba,凤凰木Delonix regia,格木Erythrophleum fordii,野皂荚G leditisia het2 erophylla,山皂荚G.melanacantha,日本皂荚G.ja2 ponica,皂荚G.sinensis,G leditisia macracantha,G ledi2 tisia triacanthos,肥皂荚Gymnoclabr s chinensis,马棘Indigo fera pseudotinctoria,银合欢Leicaena glauca,洋槐Robinia pseudoacacia,刺田菁Sesbania aculeata,田菁S.cannabina,槐树Sophora japonica,胡芦巴Trigo2 nella foenumgraecum,翅荚木Zenia insignis等种子的内胚乳中均含有半乳甘露聚糖。这些资源因各种条件限制只有少部分具有工业开发价值。

二十世纪初美国开始开发利用长角豆胶,到四十年代已应用于许多领域。第二次世界大战期间,长角豆资源大大减少,美国寻找开发了瓜尔豆代替长角豆。瓜尔豆原产印度和巴基斯坦,美国也引种成功,目前这三个国家都有规模化的瓜尔豆种植和加工基地。瓜尔豆胶年产量达32万吨。

我国自七十年代初开始较大规模地引种瓜尔豆,同时寻找本国的半乳甘露聚糖胶资源,其结果是:瓜尔豆喜热耐旱和对日照敏感的遗传特性限制了它的区域适应范围,要想获得大批量的工业原料

是困难的。1980年前后李欣等人对24种豆科种子的半乳甘露聚糖进行了分析。并对它们内胚乳成分和粘度进行了测定。。历经二十余年的技术开发与市场竞争,这24种植物大多数或因种植的经济问题,或因胶的性能不稳定未能得到推广,仅存田菁和胡芦巴。田菁作为改良土壤的野生绿肥资源,曾在八十年代得到了迅速发展,田菁胶也曾一度代替进口瓜尔胶应用于相关工业[6.11]。进入九十年代以来我国田菁资源日趋萎缩,而胡芦巴资源因其胶的水不溶物含量低、冻胶性能优越得到一定的发展,我国安徽、江苏、宁夏、内蒙古自治区等都有胡芦巴种植基地[12.13]。

近年来,全球气候日益恶化,世界各国纷纷要求退耕还林,提高森林覆盖率,重视和加强生态建设。根系发达、耐旱节水并富含半乳甘露聚糖胶的生态型树种如皂荚、国槐的综合开发研究也引起了有关部门的重视[14-18],我国从南美洲引进富含半乳甘露聚糖胶的经济林木塔拉Caesalpinia spinosa,在我国西南部适生,美国、加拿大都建有“皂荚园”,我国也正在开始用皂荚营造防风固沙林和水土保护林,预测今后木本半乳甘露聚糖植物胶资源将得到大力发展。

2　半乳甘露聚糖的生物学功能和生物合成

半乳甘露聚糖发现于种子粘液中,用于植物体的营养贮存与种子保持水分,沉积在原生质膜外侧,是以细胞壁加厚物质形式在胚乳细胞中不断积累的[19]。

半乳甘露聚糖的生物合成是由转化酶、变位酶、糖基转移酶等多种类型的酶组成的多酶体系完成的。Singh等人提出了瓜尔豆种子发育过程中蔗糖转化为半乳甘露聚糖和棉子糖的模型。蔗糖在转化酶作用下生成果糖和葡萄糖,葡萄糖磷酸化后与核苷酸作用生成UDP—G lu。再异构形成VDP—G al,参与半乳甘露聚糖的合成[20-21]。Reid JSG和Ed2 wands ME等经过多年研究,提出了一种合成模型,认为在半乳甘露聚糖的合成过程中,新合成的甘露糖基是否被取代与大分子中其邻位、次邻位残基的取代有关。合成系统中酶的专一性及活力,底物的量等因素共同决定了甘露聚糖残基被取代的概率。同种植物的半乳糖和甘露糖比值保持不变,不同的植物种子有各自固定的比值[22-24]。

含半乳甘露聚糖种子胚乳中存在与半乳甘露聚糖分解有关的酶,即α-半乳糖甙酶、内切-α2甘露聚糖酶和α-甘露糖甙酶。种子萌发过程中这三种酶参与半乳甘露聚糖的降解[8-25]。

3　半乳甘露聚糖的理化性质

不同植物品种的半乳甘露聚糖胶糖基比值有差别,其分子的精细结构和水不溶物含量也不尽相同[26-27],从而导致胶理化性质的差异。尽管如此,半乳甘露聚糖胶在理化性质上仍有如下共性[7.14.28]。

3.1　溶解度

水是半乳甘露聚糖胶的通用溶剂,半乳甘露聚糖胶都能在水中溶胀,瓜尔胶、胡芦巴胶、田菁胶在冷水中几乎全部溶解,而槐豆胶、决明胶仅部分溶于冷水。要使半乳糖侧链含量低的胶完全溶解分散于水中,可以通过加热的办法实现。商品胶的溶液通常是混浊的,混浊度主要是由配入不溶物所引起的。在实验室中,采用非工业的方法提纯的胶,可制得清晰度与水相近的溶液。

3.2　流变特性

半乳甘露聚糖胶是有效的水增稠剂,其溶液为假塑性流体(非牛顿型液体)。胶液加热时可逆地稀化且当升高的温度被保持时,又随时间不可逆地降解。半乳甘露聚糖胶最常使用的浓度在1%以下,此时溶液是浓稠的,如果浓度达到3%,则看上去象凝胶而不象溶液。半乳甘露聚糖胶在最常使用的浓度范围内塑变值为零。因此,只要施加最轻微的切变力,溶液就开始流动。溶液的表观粘度将随切变速度的增加而急剧下降,然后趋于稳定并接近最低极限值。

3.3　反应活性(构成半乳甘露聚糖的环状中性糖的结构含有许多羟基,平均每个糖单体含有三个羟基)衍生物:通过羟基官能团易进行醚化和酯化反应,如羧甲基胶、羟乙基胶和羟丙基胶等。羧甲基反应改变了胶与无机盐、水合矿物质和纤维素的表面以及有机染料的反应方式,从而提高或降低絮凝作用。随着羟烷基化反应的深化,胶的生物降解可能性逐步降低,通过适当的取代成为高度抗降解的和粘度稳定的胶体,并且明显地改变了胶溶液的溶解度和清澈度。

硼砂反应:半乳甘露聚糖大分子链中每一个单糖残基都有两个顺式羟基,这将导致与游离的硼酸