向日葵果胶锌的制备及其结构表征

京晶,刘国强,杨凯斌,李宝毅,翟丽军,白雪丽*

(1.太原工业学院 化学与化工系,山西 太原 030008;2.南开大学 化学学院 先进能源材料化学教育部重点实验室,天津 300071 )

锌是维持生命必不可少的一种微量元素,在人体正常细胞功能和新陈代谢中发挥着重要作用。锌元素具有降低血糖水平、促进骨骼的生长和形成、提高机体免疫力等功能[1]。缺乏锌元素会导致身体生长缺陷、神经功能障碍、性腺机能减退、阻碍骨骼生长等一系列疾病[2]。据世界卫生组织报道,缺锌是一种普遍存在的现象。人体自身对锌元素的储存能力较低,因此通常情况下人类通过外界来获取锌元素。然而受经济水平和饮食文化的影响,无法保证每个人都具有合理的膳食结构。无机锌补充剂(硝酸锌、硫酸锌、氯化锌)中锌的生物利用度低、容易对人体消化道造成刺激;有机锌(葡萄糖酸锌口服液)长期服用会产生对人体有害的物质且仍对消化道有一定的刺激作用[3]。近年来,多糖锌因具有稳定性高、生物利用率高、副作用较小等特点而被广泛研究。目前国内外研究的多糖锌有生姜皮多糖锌[4]、罗耳阿太菌多糖锌[5]、南瓜皮多糖锌[6]等。

向日葵是全球重要的油料作物之一,在收获种子后,向日葵盘被作为垃圾丢弃在田地里或者直接进行焚烧,造成环境污染。而向日葵盘中含有大量的低酯果胶,是一种阴离子多糖,主链由α-1,4-半乳糖醛酸组成,侧链中含有大量的羟基和羧基[7],与金属离子具有较强的结合能力。果胶在食品方面可被用作胶凝剂、添加剂、稳定剂[8];在生物医学方面也有很广泛的应用,如:抗氧化剂和治疗糖尿病、胃肠疾病、高血压、癌症的药物等[9]。但对于向日葵果胶和微量元素的制备及结构表征的报道较少。

以向日葵果胶和硫酸锌为原料制备向日葵果胶锌,通过单因素和响应面试验法确定向日葵果胶锌的最佳制备工艺,并对其结构进行初步的表征,为多功能新型补铁剂的开发提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

向日葵果胶,南京鑫越源生物科技有限公司;硫酸锌、柠檬酸钠、氢氧化钠、锌标准溶液(1 000 mg/L),上海阿拉丁试剂有限公司。

BSD-TX27台式恒温摇床,上海博迅医疗生物仪器股份有限公司;LG10-2.4A高速离心机,北京医用离心机厂;DHG-9145A电热鼓风干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;Tensor 27傅里叶红外光谱仪,瑞士布鲁克公司;Bruker D8 Advance X射线衍射仪,瑞士布鲁克公司。

1.2 实验方法

1.2.1 向日葵果胶锌的制备工艺

采用硫酸锌法制备向日葵果胶锌。在50 mL 10 g/mL向日葵果胶溶液加入0.25 g柠檬酸钠,再加入一定体积的硫酸锌溶液混合,设计不同的反应时间、反应pH值和反应温度将混合液置于恒温摇床中进行反应,反应结束后,趁热将溶液放入离心机进行分离(6 000 r/min,10 min),待上清液降到室温,倒入2倍体积的95%乙醇溶液中进行醇沉24 h,将固体放入电热鼓风干燥箱中干燥24 h,研成粉末,最后得到向日葵果胶锌粉末。

1.2.2 向日葵果胶锌的单因素实验

在反应pH值为7,温度为80 ℃的条件下,考察反应时间分别为20,50,80,110 min,对果胶锌螯合率的影响;在反应时间为70 min,温度为80 ℃的条件下,考察pH值分别为5,6,7,8,9对果胶锌螯合率的影响;在反应时间为70 min,反应pH值为7的条件下,考察反应温度为40,60,80,100,120 ℃对果胶锌螯合率的影响。按“1.2.1”步骤进行操作,每组实验重复3次。

1.2.3 响应面试验

在单因素实验的基础上,采用3因素3水平的响应面试验,以反应时间(A)、反应pH值(B)、反应温度(C)为影响因素,以螯合率(Y)为响应值,用Design 8.0.6软件,以Box-Behnken设计响应面试验方案,对向日葵果胶锌的制备工艺参数进行优化,设计因素及水平见表1。

表1 响应面试验因素水平表

1.2.4 螯合率的计算

将1 000 mg/L的锌标准溶液分别稀释成质量浓度为5,10,20,50,100,200,500 μg/L的锌溶液,用ICP-MS测定,其标准曲线方程为:y= 254.369 4x+ 196.866 7,R2= 1.000 0。用5%硝酸溶液稀释上清液,用ICP-MS测定锌离子的含量,并计算螯合率。

1.2.5 FTIR分析

将样品粉末与溴化钾按质量比1∶300混合,在研钵中研磨,压成薄片,用傅里叶红外光谱仪在波长为4 000～400 cm-1,分辨率为2 cm-1条件下进行扫描,并记录谱图。

1.2.6 XRD分析

用X射线衍射仪(XRD)对样品进行测定,扫描范围为5°～80°,扫描速度为5°/min。

2 结果与分析

2.1 单因素实验结果

2.1.1 反应时间对螯合率的影响

不同反应时间对螯合率的影响如图1所示。由图1可知,随着时间的延长,螯合率先逐渐增大又缓慢下降,当到达90 min时达到最大值。反应时间过短果胶与锌元素反应不彻底,导致螯合率下降;反应时间过长,可能会出现一些副产物从而使得螯合率下降。因此选择90 min为响应面试验中心点。

图1 反应时间对螯合率的影响

2.1.2 pH值对螯合率的影响

不同pH值对螯合率的影响如图2所示。由图2可知,在pH值5～8范围内,螯合率随pH值呈先上升后下降的趋势。当pH值=8时,螯合率达到最大值,当pH值>8时,螯合率开始下降,可能是因为在碱性条件下,Zn2+与OH-会生成沉淀,影响反应的进行使得螯合率下降。因此选择pH值=8为响应面试验中心点。

图2 pH值对螯合率的影响

2.1.3 温度对螯合率的影响

不同反应温度对螯合率的影响如图3所示。由图3所知,螯合率随着温度的增加先上升后下降,当温度达到100 ℃时,螯合率达到最大值,当温度大于100 ℃时螯合率开始降低,可能是因为温度的升高会促进溶液中离子的运动,使更多的结合位点暴露在溶液中,加快螯合的速度,但是温度过高,溶液中的离子振动剧烈,不利于反应的进行,导致螯合率又发生下降。因此选择100 ℃为响应面试验中心点。

图3 反应温度对螯合率的影响

2.2 响应面试验结果

2.2.1 响应面模型的建立

在上述单因素实验优化的基础上,选择反应时间(A)、pH值(B)、温度(C)为自变量,螯合率(Y)为响应值,并用Design-Expert8.0.6软件进行分析,试验设计方案及结果见表2。对实验结果进行回归拟合分析,得到的二次回归方程为:Y=92.52-0.91A-4.92B-1.86C+3.67AB-0.40AC+4.43BC-3.29A2-7.41B2-5.48C2。

表2 响应面试验设计方案及结果

表3 回归模型方差分析表

由表3可知,各因素对螯合率影响的顺序为:B(pH值)> C(温度)>A(时间),其中B达到极显著水平;二次项B2和C2均为极显著,A2为显著;交互项因素BC为极显著,AB和AC达到显著水平。

2.2.2 响应面图分析

各因素之间相互作用的等高线图和响应面曲线图见图4。通过等高线图和响应面图可直观地判断出各交互因素之间对响应值的影响程度,交互项因素对响应值的影响程度越大,等高线图趋于椭圆形,响应面曲线图较陡;交互项因素对响应值的影响程度越小,等高线图趋于圆形,响应面曲线图较平缓。由图4可知,C中等高线图呈椭圆形,响应面曲线图较陡,因此,BC的交互作用影响最显著,这与表3分析结果一致。

图4 各交互因素对向日葵果胶锌螯合率的等高线图和响应面曲线图

2.2.3 响应面模型的验证试验

由软件Design 8.0.6预测得到的最佳工艺参数为:反应时间81.51 min,pH值7.45,温度92.41 ℃,螯合率为94.41%。为了考虑实际操作方便,选择反应时间85 min,pH值8,温度95 ℃为制备条件进行三次平行验证实验,在该条件下得到螯合率为93.8%±0.41%,与预测值接近,说明该模型可靠。

2.3 结构分析

2.3.1 红外光谱分析

图5为向日葵果胶和向日葵果胶锌的红外光谱图。图中3 422 cm-1附近为-OH伸缩振动吸收峰,在向日葵果胶锌图中-OH吸收峰减弱,2 925 cm-1处为C-H伸缩振动吸收峰,1 757和1 612 cm-1分别为酯基和羧基中的C=O伸缩振动吸收峰,而在向日葵果胶锌谱图中1 757 cm-1处的吸收峰明显消失,有可能是因为果胶中的-OH和C=O与锌离子发生了螯合;1 170～988 cm-1为C-O的伸缩振动吸收峰,向日葵果胶锌与果胶红外谱图中相比明显减弱,复合物中857 cm-1附近出现新的峰可能是Zn-O弯曲振动吸收峰[10];向日葵果胶锌在800～400 cm-1峰形与果胶谱图中比较发生了明显的改变,可能是因为果胶和锌发生螯合所导致的。这些变化表明已成功制备向日葵果胶锌。

图5 向日葵果胶和向日葵果胶锌的红外光谱图

2.3.2 XRD分析

图6为向日葵果胶和向日葵果胶锌的XRD谱图,向日葵果胶锌在5°～40°处有较多尖锐的衍射峰,表明向日葵果胶锌呈结晶型;而向日葵果胶没有明显的衍射峰,说明向日葵果胶呈无定型。两种物质在XRD谱图中这些明显的变化表明向日葵果胶锌已被成功制备。

图6 向日葵果胶和向日葵果胶锌的XRD图

3 结论

1)通过响应面实验结果可知:单因素对螯合率的影响顺序为B(pH值)> C(温度)>A(时间);交互项因素对螯合率的影响顺序为BC>AB>AC。

2)制备向日葵果胶锌的最佳制备工艺条件为反应时间85 min,pH值8,温度95 ℃;在该条件下向日葵果胶锌的螯合率为93.8%±0.41%。

3)FTIR、XRD分析结果表明向日葵果胶锌中Zn-O键的形成且呈结晶型,证明了向日葵果胶锌成功制备,为开发一种新型锌补充剂提供了理论依据。