木葡聚糖膜的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及包含木葡聚糖的膜、制備該膜的方法及其作為氧氣屏障的用途，所述木葡聚糖包含不多于11摩爾％的半乳糖殘基。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
木葡聚糖膜
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及包含木葡聚糖(xyloglucan)的膜、制備該膜的方法及其作為氧氣屏障 的用途，所述木葡聚糖包含不多于11摩爾％的半乳糖殘基。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高濕度下的氧氣屏障和機(jī)械特性通常對(duì)于食品包裝用的材料是關(guān)鍵的。氧氣穿 過(guò)食品包裝傳遞是食品降解的重要原因，且對(duì)產(chǎn)品的膽藏壽命有影響（A L化ody，等人， Journal of Food Science，2008，73，R107;和J Lagaron，等人，Materials Science and Technology ,2004,20,1)。傳統(tǒng)的屏障層為錐或金屬化形式的侶（Y Leterrier ,Progress in Materials Science,2003,48，1)。屏障聚合物如聚（偏二氯乙締）。￥0〇、聚（乙締乙締 基醇KEVOH)，聚化締基醇）（PVOH)和聚酷胺(PA)的層具有足夠多的性質(zhì)，但是是由石油資 源帶J備的（G Strupinsky等人，A Twenty-Year Retrospective on Plastics : Oxygen Barrier F*ackaging Materials,San Francisco,CA, 1998)。因此，源自可再生資源的材料 對(duì)于包裝應(yīng)用是優(yōu)選的。
[0003] 已研究了新的基于生物的材料W開(kāi)發(fā)屏障膜化S Miller等人，Trends in Food Science&Technology，1997，8，228 ; K Petersen，等人，Trends in Food Sciencefe Technology,1999,10,52；A Gandini,Macromolecules,2008,41,9491；A Gandini,Green Qiemistry,2011,13,1061-1083;S C MFernandes，等人，Green Qiemishy,2009,11,2023; 和TKohnke，等人，Green Qiemistry，2012,14,1864)。一種感興趣的替代品為半纖維素，尤 其是廣泛可得的木質(zhì)半纖維素，且它們已被深入研究作為氧氣屏障膜(N M L化nsen等人， BiomacromoIe州Ies，2008，9，1493; J Hartman，等人，Biomacromolecules，2006，7，1983)。 然而，由于低的平均摩爾質(zhì)量和W純的形式萃取的困難，仍然缺少?gòu)V泛的商業(yè)應(yīng)用。
[0004] 源自羅望子巧(tamarind seed)廢棄物的高摩爾質(zhì)量的木葡聚糖至少在低濕度條 件下具有良好的成膜和機(jī)械特性和卓越的氧氣屏障性能（JKochumalayi 1，等人，Journal of Materials Chemistry,2010,20,4321 ； J JKochumalayil，等人，Biomacromolecules， 2012，14，84;和WO 2012/150904)。木葡聚糖(XG)在50%畑的氧氣通透率為0.5-2cm3皿im-2 天-IkPa-I且與商業(yè)屏障聚合物如衍生自木頭的PVOH或半纖維素相當(dāng)化ansen，2008)。由于 高得多的摩爾質(zhì)量，XG的機(jī)械特性和成膜特性比木質(zhì)半纖維素更有利。
[0005] 氧氣穿過(guò)聚合物膜的傳遞取決于許多因素如材料結(jié)構(gòu)、溫度和濕度(Miller, 1997)。對(duì)在低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度(Tg)時(shí)化穿過(guò)聚合物傳遞的機(jī)理知之甚少。然而，廣泛接受的 是氧氣溶解度、聚合物移動(dòng)性的熱力學(xué)和空隙體積因子(打ee volume factor)促成在低于 Tg的通透率（M Klopffer,等人，Oil&Gas Science and Technology，2001，56,223;H Fujita,Fortschritte der Hochpolymeren-Forschung，1961，I;和W W Brandt,The Journal of I^ysical Chemistry, 1959,63，1080)。極性聚合物如？￥0山？￥0(：或多糖的高屏 障性能源自于W下的組合因素:有利的鏈堆擱、由于強(qiáng)次級(jí)相互作用的高內(nèi)聚能密度(定義 為每單位體積的內(nèi)聚能）和低空隙體積化agaron，2004)。強(qiáng)的分子間相互作用和低的氧氣 溶解度將限制化滲透。
[0006] 當(dāng)聚合物暴露于高濕度時(shí)，具有高水溶性的高極性聚合物(PVOH或木質(zhì)半纖維素 或木葡聚糖)的氧氣屏障性質(zhì)變差。為得到在高濕度具有良好屏障性質(zhì)的水溶性聚合物，應(yīng) 減少濕度敏感性W使得在運(yùn)些條件下保持顯著的分子間相互作用。運(yùn)看起來(lái)是不可能的， 因?yàn)槭杷揎棇?dǎo)致水溶性喪失，其在基于水的綠色處理理念中是個(gè)缺點(diǎn)。而且，分子間相互 作用可被顯著降低（J Comyn, Polymer permeability ,Elsevier Applied Science， London,1985)。
[0007] 在WO 2012/150904中，木葡聚糖涂層在高濕度的氧氣屏障性質(zhì)通過(guò)與層狀的鋼-蒙脫石(MMT)形成納米復(fù)合物而得到增強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引因此需要源自可再生資源的、即使在高濕度也顯示良好氧氣屏障性質(zhì)的材料。本 發(fā)明通過(guò)提供包含木葡聚糖的膜而滿(mǎn)足上述需求W及克服其它顯著缺點(diǎn)。
[0009] 在第一方面，本發(fā)明設(shè)及包含木葡聚糖的膜，其特征在于所述木葡聚糖包含至多 11摩爾％的半乳糖殘基。
[0010] 在第二方面，本發(fā)明設(shè)及制備根據(jù)權(quán)利要求1的膜的方法，所述方法包括
[0011] a)將木葡聚糖溶于溶液中，
[0012] b)從木葡聚糖鏈去除側(cè)鏈半乳糖殘基W得到經(jīng)修飾的木葡聚糖，
[0013] C)制備步驟b)得到的經(jīng)修飾的木葡聚糖的膜。
[0014] 在另一方面，本發(fā)明設(shè)及包含木葡聚糖的膜作為氧氣屏障的用途，其中所述木葡 聚糖包含至多11摩爾％的半乳糖殘基。
[0015] 附圖簡(jiǎn)述
[0016] 圖1顯示羅望子巧木葡聚糖中存在的4個(gè)寡糖的基本重復(fù)單元。
[0017] 圖2顯示通過(guò)將獲自酸角（Tamarindus indica)的未經(jīng)修飾的木葡聚糖(XG)和經(jīng) 修飾的XG進(jìn)行酶水解得到的木葡聚糖寡糖的MALDI-TOF MS數(shù)據(jù)(m/Z值包括化+抗衡離子的 原子量）。
[001引圖3顯示針對(duì)木葡聚糖中的（XXXG-XXLG/XLXG)和（XXXG-XLLG)寡糖對(duì)計(jì)算的 化nsen相互作用空間"距離"。
[0019] 圖4顯示使用動(dòng)態(tài)蒸氣吸附分析獲自酸角的未經(jīng)修飾的XG和經(jīng)修飾的XG的吸濕等 溫線(xiàn)。
[0020] 圖5顯示獲自酸角的未經(jīng)修飾的XG和經(jīng)修飾的XG的典型的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，該 樣品所處條件為：（A) 50 %畑和(B)92 %畑和23°C。
[0021] 圖6顯示獲自酸角的未經(jīng)修飾的XG和經(jīng)修飾的XG樣品的儲(chǔ)存模量和tanS，其為溫 度的函數(shù)。
[0022] 發(fā)明詳述
[0023] 木葡聚糖(XG)具有纖維素骨架，該骨架具有(6-(1^4)-連接的D-化喃葡萄糖，且高 達(dá)75%的葡萄糖殘基在0-6位被a-D-化喃木糖支鏈替代。運(yùn)些木糖殘基中的一些進(jìn)一步被 另外的0-D-II比喃半乳糖-環(huán)替代(M J Gidley,等人，Carbohy化ate Research, 1991,214, 299;和H Urakawa,et al., Trends in Glycoscience andGlycotechnology ,2002,14, 355)，從而使得支鏈包含兩個(gè)糖殘基。羅望子巧XG的基本重復(fù)單元然后可根據(jù)四個(gè)寡糖來(lái) 描述，運(yùn)些寡糖不同在于半乳糖殘基的數(shù)量和分布。它們方便地表示為XXXG、XLXG、XXLG和 )(LLG，其中 X 表示 Xylp(al 一 6)-Glcp 側(cè)殘基，L 表示 Galp(m 一 2)Xylp(al 一 6)Glcp 側(cè)殘基，且 G表示骨架Glcp殘基（參見(jiàn)圖 1)(S C Fry,等人，PhysiologiaPlantarum, 1993,89,1)。側(cè)殘 基W平面構(gòu)象在側(cè)面連接，并且由于側(cè)鏈的親水性而不利于膠凝(Urakawa 2002)。木葡聚 糖在種子和塊莖中發(fā)現(xiàn)作為膽存多糖且也作為植物細(xì)胞壁中的交聯(lián)聚糖。在本發(fā)明的上下 文，木葡聚糖聚合物可來(lái)自羅望子樹(shù)(酸角（Tamarindus indica))的棟色豆芙狀果實(shí)的種 子。其它來(lái)源可為獲自例如夾髓蘇木（Detarium Senegalense)、非洲細(xì)茄（AfzeIia a打icana)和架葉蘇木(Jatoba)的粉。木葡聚糖聚合物可溶于水，產(chǎn)生高度粘性的溶液。
[0024] 本發(fā)明設(shè)及包含木葡聚糖的膜、制備該膜的方法及其作為氧氣屏障的用途，例如 在包裝材料中的用途，所述木葡聚糖包含至多11摩爾％的半乳糖殘基。
[0025] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供包含木葡聚糖的膜，其特征在于所述木葡聚糖包含至多 11摩爾％，或至多10摩爾％的半乳糖殘基。
[0026] 本發(fā)明的膜中使用的木葡聚糖的半乳糖含量可通過(guò)使用70%硫酸將木葡聚糖酸 水解為單個(gè)糖分子來(lái)測(cè)定，其根據(jù)Annual Book Of ASTM Standards, 11中的ASTM，E1758-01(2003)Determin曰tion of c曰rbohydr曰tes in biom曰ss by high perform曰nce liquid chromatogra地y進(jìn)行；然后用裝配脈沖電流檢測(cè)器(HPAEC-PAD,Dionex ICS-3000)的高效 陰離子交換色譜分析水解產(chǎn)物，且使用葡萄糖、木糖和半乳糖的標(biāo)準(zhǔn)溶液用于校準(zhǔn)（J JKochumalayi 1，等人，化rbohy化ate Polymers，2013，93，466)。
[0027] 本發(fā)明的膜使用的木葡聚糖可包含至少9摩爾％的半乳糖殘基。
[002引本發(fā)明的膜在80%畑和23°C可具有不大于7cm3皿V-2天-IkPa-I的氧氣通透率，或不 大于Scm3皿Iflf2天^kPa^i，或不大于2cm3皿Iflf 2天^kPa^i的氧氣通透率。
[0029] 本發(fā)明的包含木葡聚糖的膜可任選包含增塑劑如甘油（glycerol)、木糖醇、山梨 醇、麥芽糖醇、薦糖、葡萄糖、果糖、木糖、聚乙二醇、丙二醇、下二醇、丙=醇(glycerine)、脈 或它們的任意組合。增塑劑的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為它們可減少膜的脆性。尤其是山梨醇有效影響機(jī) 械特性和降低脆性。然而，親水性增塑劑可減少在高濕度的屏障性能，但W合適量添加可不 會(huì)嚴(yán)重影響該屏障性質(zhì)。
[0030] 本發(fā)明的包含木葡聚糖的膜可任選包含納米顆粒W例如改善屏障性質(zhì)、機(jī)械特性 或使膜具有其它功能。所述納米顆?？蔀闊o(wú)機(jī)的如二氧化娃納米顆粒或粘±，其中粘±應(yīng) 理解屬于層狀娃酸鹽或片狀娃酸鹽，包括但不限于鋼-蒙脫石、高嶺石、綠泥石和云母。所述 納米顆粒也可為有機(jī)的，包括但不限于納米原纖維化纖維素和纖維素納米晶體。
[0031] 本發(fā)明的包含木葡聚糖的膜可任選還包含其它聚合物，包括但不限于半纖維素、 木質(zhì)素、木質(zhì)素橫酸鹽、纖維素衍生物、淀粉和其它生物聚合物或合成聚合物。
[0032] 本發(fā)明的膜可包含至少50wt %，至少60wt%，至少70wt%，至少SOwt %，至少 90wt%，至少95wt%，或至少98wt%木葡聚糖，W膜的干重計(jì)。
[0033] 本發(fā)明的膜中使用的木葡聚糖的分子量可為至少I(mǎi)OkDa,至少50kDa，至少I(mǎi)OOkDa, 至少5001d)a，或至少謹(jǐn)化。進(jìn)一步，所述木葡聚糖的分子量可為10kDa-2MDa，50kDa-2M化， 1 OOkDa - 2MDa，500kDa-2MDa，或lMDa-2MDa。所述木葡聚糖也可包括具有不同分子量或分子 量分布的木葡聚糖的混合物。較高分子量具有優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛蛇\(yùn)樣的木葡聚糖制備的膜不會(huì) 太脆，意味著增塑劑的量可減少或甚至不需要。
[0034] 本發(fā)明的包含木葡聚糖(含至多11摩爾％的半乳糖殘基）的膜的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為所述 木葡聚糖的鏈可在膜中堆擱的更緊，運(yùn)使木葡聚糖吸濕更少和木葡聚糖在水中的溶解度更 小，由此提供在高的相對(duì)濕度下所述膜改善的氧氣屏障和機(jī)械特性。
[0035] 本發(fā)明的包含木葡聚糖(含至多11摩爾％半乳糖殘基）的膜的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為XG寡 糖片段堆擱(packing)的增加意味著空隙體積減少，因此相比由包含更多半乳糖殘基的木 葡聚糖制備的膜，本發(fā)明的膜即使在高濕度條件下也具有高機(jī)械和氧氣屏障性質(zhì)。
[0036] 本發(fā)明的膜使用的木葡聚糖可為經(jīng)修飾的木葡聚糖(經(jīng)修飾的XG)，其通過(guò)部分去 除半乳糖殘基，例如通過(guò)用酶，如e-半乳糖巧酶將木葡聚糖酶性消化而得到。在經(jīng)修飾的XG 的制備中可避免有機(jī)溶劑，即實(shí)現(xiàn)疏水的XG。在本發(fā)明的使用經(jīng)修飾的XG的膜中，高達(dá)43% 的半乳糖殘基可從由酸角得到的木葡聚糖去除。
[0037] 本發(fā)明的包含XG(含至多11摩爾％半乳糖殘基）的膜具有顯著降低的水溶性，或甚 至不溶于水。
[0038] 在本發(fā)明的膜的制備中使用包含至多11摩爾％的半乳糖殘基的XG的另一優(yōu)點(diǎn)為 包含至多11摩爾％的半乳糖殘基的XG可通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械勻化方法再溶于水，如使用高剪切 混合器或在微流化器中；且任選聯(lián)合使用超聲處理。包含至多11摩爾％的半乳糖殘基的木 葡聚糖也可溶于有機(jī)溶劑、離子溶劑或離子液體，或運(yùn)些溶劑彼此之間的混合物或運(yùn)些溶 劑與水的混合物，如二甲基亞諷、N-甲基嗎嘟N-氧化物、二甲基甲酯胺、二甲基乙酷胺、二甲 基乙酷胺/11(：1、1，3-二甲基-3,4,5,6-四氨-2(1^-喀晚酬、化地(水溶液）、^(^/脈、船(^/ 脈、氨氧化錠。
[0039] 另一優(yōu)點(diǎn)為彈性模量增加，如在50%RH，從由酸角得到的未經(jīng)修飾的木葡聚糖的 4.6G化增加至包含至多11摩爾％的半乳糖殘基的XG的5.4G化。而且對(duì)于經(jīng)修飾的XG的膜， 所述彈性模量在高濕度更好地保持。而且，在80%RH，從包含至多11摩爾％的半乳糖殘基的 XG制備的XG膜可具有非常低的氧氣通透率，如大約為1.5cm 3皿V2天-ikPa^i。在如食品包裝 的應(yīng)用中，包含至多11摩爾％的半乳糖殘基的XG的機(jī)械和屏障性質(zhì)能更好的保持是非常重 要的。
[0040] 本發(fā)明另一目的為制備包含木葡聚糖的膜的方法，所述木葡聚糖包含至多11摩 爾％，或至多10摩爾％的半乳糖殘基，所述方法包括：
[0041 ] a)將木葡聚糖溶解于溶劑中，
[0042] b)從木葡聚糖鏈去除側(cè)鏈半乳糖殘基W得到經(jīng)修飾的木葡聚糖，
[0043] C)制備步驟b)得到的經(jīng)修飾的木葡聚糖的膜。
[0044] 更確切地，制備本發(fā)明的膜的方法可包括W下步驟
[0045] a)將木葡聚糖溶解于溶劑中，
[0046] b)使溶解的木葡聚糖與能從木葡聚糖鏈去除側(cè)鏈半乳糖殘基的酶進(jìn)行反應(yīng)，
[0047] C)制備膜。
[0048] 步驟a)中用于溶解木葡聚糖的溶劑可為水，但也可使用有機(jī)溶劑、離子溶劑、離子 液體，或運(yùn)些溶劑彼此之間的混合物或運(yùn)些溶劑與水的混合物，如二甲基亞諷(DMS0KN-甲 基嗎嘟N-氧化物、二甲基甲酯胺、二甲基乙酷胺、二甲基乙酷胺/LiCUl ,3-二甲基-3,4,5， 6-四氨-2(1H)-喀晚酬、NaOH(水溶液）、LiOH/脈、NaOH/脈、氨氧化錠。
[0049] 步驟b)中處理木葡聚糖W去除所期望比例的側(cè)鏈半乳糖殘基所適合/所需的時(shí)間 取決于反應(yīng)條件，如酶濃度、pH、離子強(qiáng)度和溫度。
[0050] 木葡聚糖中的側(cè)鏈半乳糖殘基可通過(guò)酶，如0-半乳糖巧酶巧C 3.2.1.23)去除。不 同的生物，如米曲霉，可為e-半乳糖巧酶的來(lái)源。
[0051] 可使所述酶與木葡聚糖在合適的酶濃度反應(yīng)，該濃度為如0至250mg酶/g固體木葡 聚糖，優(yōu)選5至150mg酶/g固體之間的木葡聚糖并包括5和150mg酶/g固體木葡聚糖，或更優(yōu) 選10至IOOmg酶/g固體木葡聚糖，或更優(yōu)選15至50mg酶/g固體木葡聚糖或更優(yōu)選20至30mg 酶/g固體木葡聚糖。
[0052] 可使所述酶與木葡聚糖在適合酶的溫度反應(yīng)，如在溫度10至60°C，或15至50°C，或 20至50°C，或20至40°C，或30°C。
[0化3] 可使所述酶與木葡聚糖在適合酶的pH反應(yīng)，如在pH 2至9,或3至8,或3.5至7,或4 至5,或在抑4.5。
[0054]可使所述酶與木葡聚糖在適合酶的離子強(qiáng)度反應(yīng)，該離子強(qiáng)度為例如0至200mM之 間并包括0和200mM，或10至IOOmM之間并包括10和IOOmM,或30至60mM之間并包括30和60mM， 或50mM。用酶處理木葡聚糖的時(shí)間取決于反應(yīng)條件，如酶濃度、pH、離子強(qiáng)度和溫度。
[00對(duì)在酶濃度為25mg酶/g固體木葡聚糖，溫度為30°C，抑為4.5且離子強(qiáng)度為5011^乙酸 鋼的情況下，用酶處理木葡聚糖的時(shí)間可為至少20h，至少30h，至少30h，至少50h，或至少 60h，W去除半乳糖殘基。
[0056] 步驟b)中的反應(yīng)可通過(guò)加熱，例如加熱至90°C來(lái)使酶失活而終止。
[0057] 從米曲霉之外的其它源得到的0-半乳糖巧酶可能需要不同的反應(yīng)條件、濃度、溫 度、pH和罔子強(qiáng)度。
[0058] 步驟b)中得到的經(jīng)修飾的XG可在例如乙醇中沉淀出來(lái)，任選然后洗涂，如在乙醇 中洗涂;和/或干燥，例如在真空烘箱中干燥，例如在50°C干燥2地。
[0059] 步驟C)中的膜的制備可包括將步驟b)得到的經(jīng)修飾的木葡聚糖再溶解。經(jīng)修飾的 XG可在機(jī)械勻化下再溶于水，如使用高剪切混合器或在微流化器中；且任選聯(lián)合使用超聲 處理。
[0060] 經(jīng)修飾的木葡聚糖也可溶于有機(jī)溶劑、離子溶劑、離子液體、或運(yùn)些溶劑彼此之間 的混合物或運(yùn)些溶劑與水的混合物;如二甲基亞諷(DMSO )、N-甲基嗎嘟N-氧化物、二甲基甲 酷胺、二甲基乙酷胺、1，3-二甲基-3，4，5，6-四氨-2 (1H)-喀晚酬、NaOH (水溶液）、氨氧化錠、 二甲基乙酷胺/LiCLLiOH/脈、NaOH/脈。
[0061] 步驟C)中的膜的制備可通過(guò)誘鑄，如溶劑誘鑄或薄膜誘鑄該溶解的經(jīng)修飾木葡聚 糖;或用溶解的經(jīng)修飾木葡聚糖涂覆來(lái)進(jìn)行。
[0062] 本發(fā)明還設(shè)及本發(fā)明的膜作為氧氣屏障的用途，如在食品包裝中的用途。
[0063] 本發(fā)明的膜的低氧氣通透率（即使在高濕度)使得其可用作氧氣屏障，尤其在包裝 應(yīng)用中。因?yàn)榭蒞在沒(méi)有有機(jī)溶劑和其它可能有毒的物質(zhì)的情況下制備所述膜，其特別適 合用于食品包裝。本發(fā)明的酶水解半乳糖側(cè)鏈的綠色方法可用于類(lèi)似的含半乳糖的半纖維 素如半乳糖葡萄糖甘露聚糖，從而降低所述屏障材料在高濕度的濕度敏感性。
[0064] 本發(fā)明的方法也可用于其它具有有限水溶性、W及具有低吸濕和在高濕度保持物 理性質(zhì)的聚合物的分子剪裁。
[0065] 增加的鏈寡糖片段的堆擱、降低的水溶性、濕含量和降低的聚合物移動(dòng)性被認(rèn)為 是包含至多11摩爾％半乳糖殘基的木葡聚糖在高濕度具有高屏障性能的原因。 實(shí)施例
[0066] 材料
[0067] 木葡聚糖的酶修飾.工業(yè)可得的羅望子巧木葡聚糖（重均分子量，1.5-2. OMDa, Innovassynth technologies Ltd. ,India)通過(guò)將0.5wt%稀溶液離屯、分離（4000巧m 45分 鐘）而純化，且凍干W得到純的木葡聚糖。將2g凍干的木葡聚糖溶于80ml 50mM乙酸鋼緩沖 液(抑=4.5)中。為部分去除半乳糖側(cè)基，將溶于5ml MilliQ水的SOmgP-半乳糖巧酶(源自 米曲霉，Sigma Al化ich)添加至XG溶液中。所述反應(yīng)混合物在30 °C保持不同的處理時(shí)間-24h、5化和6地。在規(guī)定的時(shí)間后通過(guò)在90°C加熱30分鐘W滅活所述酶來(lái)終止所述反應(yīng)。經(jīng) 修飾的XG(mXG)通過(guò)在乙醇中沉淀和洗涂而純化，且在真空烘箱中在50°C干燥2地。經(jīng)修飾 的XG樣品不溶或微溶于水，其中處理了 64個(gè)小時(shí)的樣品最不溶于水。將包含源自酸角的未 經(jīng)修飾的木葡聚糖和經(jīng)修飾的XG的樣品（其中半乳糖殘基的量已減少(0.5g))在50ml水中 混合，并且磁力攬拌過(guò)夜。將所述溶液用叫化a-turraxW9500巧m勻化15分鐘，然后超聲處 理5分鐘。該循環(huán)重復(fù)=次，此時(shí)大多數(shù)顆粒聚集物可溶。將所得溶液在4000rpm離屯、20分鐘 W去除任何顆粒聚集物，且澄清溶液用于膜制備。上述溶液在Teflon-涂覆的陪替氏培養(yǎng)皿 上鋪展且置于水平烘箱架子上在35°C過(guò)夜，剝掉干燥的膜W進(jìn)一步表征。
[006引莖征
[0069] 化合物分析.經(jīng)修飾的XG樣品中的半乳糖含量與來(lái)自酸角的未經(jīng)修飾的木葡 聚糖的對(duì)比通過(guò)使用70%硫酸將聚合物酸水解為單個(gè)的糖分子來(lái)測(cè)定(ASTM，E. (2003) .01 (2003)Determination of carbohydrates in biomass by high performance liquid C虹omatogra地y.在Annual Book of ASTM Standards, 11中）。水解產(chǎn)物使用裝配脈沖電流 檢測(cè)器化PAEC-PAD，Dionex ICS-3000)的高效陰離子交換色譜法分析。葡萄糖、木糖和半乳 糖的標(biāo)準(zhǔn)溶液用于校準(zhǔn)(J JKochumalayi 1，等人，化rbohy化ate Polymers, 2013,93,466)。
[0070] MALDI-TOF-MS.基質(zhì)-輔助的激光解析/電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)在裝配 氮激光器（337nm)的叫 1:rafIex MALDI-TOF工作站（Bruker Daltonics,Bremen,Germany)上 進(jìn)行，且W正反射器模式操作。將約2mg酶性消化的樣品溶于Iml MilliQ水中且將化L樣品 溶液與化L基質(zhì)（0.5ml丙酬中的5mg 2，5-二徑基苯甲酸）混合，且在MALDI-TOF板(Bruker 化Itonics)上鋪展并風(fēng)干。用21kV的激光功率加速離子。
[0071] 酶水解：使用源自里氏木霉（Tr i choderma reesei )化C 3.2 . 1.4) ( Sigma Al化ich)的纖維素酶進(jìn)行XG和經(jīng)修飾的XG樣品的酶水解W分解為寡糖組分。在玻璃瓶中將 約SOmg XG和經(jīng)修飾的)(G樣品溶于8ml 50mM乙酸鋼緩沖液(抑=5.0)。將Smg酶添加至各溶 液中且在37°C攬拌2地。通過(guò)增加溫度至90°C終止酶反應(yīng)且保持?jǐn)埌璋胄r(shí)。所得溶液通過(guò) 玻璃纖維濾紙(Whatman GF/A)過(guò)濾且穿過(guò)0.45iiPWE注射器濾器。將最終濾液凍干且用于 MALDI-TOF MS分析。
[0072] 水吸收.將源自Su;rface Measurement System的動(dòng)態(tài)蒸氣吸收（DVS)儀器用于測(cè) 定在不同相對(duì)濕度氛圍的吸濕。XG和經(jīng)修飾的XG樣品首先在DVS槽中干燥，然后將DVS槽中 的相對(duì)濕度(畑)從干燥狀態(tài)逐步升高至95%。當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，將所述樣品在不同濕度 氛圍稱(chēng)重。在具體畑水平的含濕量(M) W干物質(zhì)計(jì)來(lái)計(jì)算：
[007引
（1)
[0074] 其中M為樣品在具體濕度的含濕量（％ )，Ww為當(dāng)含濕量達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件時(shí)DVS槽中樣 品的重量，且Wd為干燥樣品的重量。
[0075] 拉伸性能：設(shè)定條件下的膜的拉伸性能使用裝配50N測(cè)力計(jì)的Instron 5944系統(tǒng) W拉伸模式測(cè)量。試樣為薄的矩形條，厚度為30WH，寬度X長(zhǎng)度為5mm X 60mm且計(jì)量長(zhǎng)度為 40mm。將樣品設(shè)定在所期望的濕度-50 % RH和92 %畑-在23 °C，保持至少一周。試樣樣品的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線(xiàn)在室溫和50%畑W10%/分鐘的應(yīng)變速率記錄。彈性模量取值為應(yīng)力-應(yīng)變曲 線(xiàn)的初始線(xiàn)性彈性區(qū)域的斜率，且抗拉強(qiáng)度測(cè)定為在試樣斷裂時(shí)的拉伸應(yīng)力。
[0076] 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMTA): W拉伸模式操作的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(TA Instruments Q800)用于尋找膜的粘彈響應(yīng)，其為溫度的函數(shù)。典型樣品尺寸為厚度30皿且寬度X長(zhǎng)度為 5mm X 20mm。測(cè)量頻率和幅度分別保持在1化和15mm。溫度掃描在25-300°C的范圍W3°C min-i加熱速率在環(huán)境氣氛中記錄。記錄儲(chǔ)存模量，E'，損耗模量，E"和tanS(定義為E' V E'）。取對(duì)應(yīng)于化nS峰的溫度作為T(mén)g值。
[0077] 氧氣通透性：氧氣傳輸速度（OTR)測(cè)量使用氧氣透過(guò)分析儀（Systech 8001， Systech Instruments Ltd.，UK)在23°C進(jìn)行，使用100%氧氣作為測(cè)試氣體且使用氮?dú)庾?為載體氣體。在化和化流中在干燥條件和80%RH進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)使用侶罩測(cè)量的有效面積為 5cm 2。將氧氣通透率估算為OTR和膜厚度的算術(shù)乘積。
[0078] 化nsen溶解度參數(shù):化nsen溶解度參數(shù)化SP)的基礎(chǔ)是分子的總化ildebrand)內(nèi) 聚能密度可表示為=種分子間相互作用-分散力（D)、極性相互作用（P)和氨鍵合化）的總 和，因此：
[0079]
巧；
[0080] (C M Hansen'Hansen solubility parameters:a user's handbook，CRC，2007)， 其中如、如和扣稱(chēng)為對(duì)應(yīng)于分子相互作用的化113611溶解度參數(shù)。使用基團(tuán)貢獻(xiàn)法計(jì)算乂6中存 在的各個(gè)寡糖XXXG、XXLG/XLXG和)(LLG的Sd、Sp和Sh。S表示為S維空間中的點(diǎn)，其中Sd、Sp和Sh 分別在x-、y-和Z-軸。然后，如下定義兩個(gè)寡糖之間的溶解度參數(shù)"距離"即Ra,運(yùn)基于其各 自的部分溶解度參數(shù)組分化ansen，2007):
[0081] (Ra)^ = 4(5D2-5Di) + (6p2-5pi) + (5H2-5Hi) (3)
[0082] 測(cè)定(XXXG-X)(LG)和(XXXG-)(LLG)的Ra W得到XXXG寡糖對(duì)分別具有一個(gè)和兩個(gè)半 乳糖取代的其它寡糖的親和力。寡糖組分之間較小的距離表明較大的親和力和所述系統(tǒng)中 更強(qiáng)的分子間相互作用。
[0083]
[0084] 我們使用機(jī)械勻化和超聲處理W瓦解顆粒聚集物且將所得溶液進(jìn)行溶劑誘鑄W 形成均勻的膜。
[0085] 碳水化合物分析結(jié)果示于表1。在源自酸角的未經(jīng)修飾的木葡聚糖中，半乳糖、葡 萄糖和木糖的摩爾比為1:3: 2.1，而在具有最長(zhǎng)處理時(shí)間（64小時(shí)）的酶經(jīng)修飾的XG中其為 1:5.8:4.3，即，相比源自酸角的未經(jīng)修飾的木葡聚糖，有43 %的半乳糖殘基被去除，參見(jiàn)表 I，其提供了XG和經(jīng)修飾的XG樣品的碳水化合物組成。數(shù)據(jù)報(bào)告為每IOOmg樣品碳水化合物 的毫摩爾（mmo 1)數(shù)。針對(duì)經(jīng)修飾的XG樣品提到的mXG24、mXG51和mXG64是指酶處理的時(shí)間 (小時(shí)）。最后一欄顯示修飾后樣品中殘留的半乳糖的量(mol%)。
[00化]表1
[0087]
[0088] 碳水化合物的毫摩爾數(shù)/IOOmg樣品
[0089] XG具有四種寡糖的獨(dú)特組成，即XXXG、XXLG、XL)(G和化LG，其中XX)(G沒(méi)有半乳糖取 代，XXLG/XLXG具有單半乳糖取代而化LG具有二半乳糖取代。使用MLDI-TOF MS分析的定性 圖（圖2)顯示XXXG和XXLG/XLXG片段的強(qiáng)度隨著酶處理的時(shí)間而增加。即，XXLG/XLXG和化LG 寡糖的半乳糖殘基濃度降低而XG鏈中XXXG和XXLG/XLXG寡糖的量增加。因此，經(jīng)修飾的XG鏈 大部分由無(wú)半乳糖的寡糖組成。在圖2中，針對(duì)經(jīng)修飾的XG樣品提到的mXG34 %和mXG43 %是 指酶處理后去除的半乳糖的量。
[0090] 所述基團(tuán)貢獻(xiàn)法和HSP計(jì)算如本文所述，且用于預(yù)測(cè)半乳糖去除對(duì)經(jīng)修飾的XG鏈 的分子堆擱的作用。已表明更致密的分子堆擱將降低較小分子如〇2和H20的通透率 (Laga;ron，2004;和Y Z Zhu Ryberg,等人，Biomacromolecules,2011,12,1355-1362)種 寡糖XXXGJLXG/XXLG和化LG的計(jì)算的HSP參數(shù)-Sd、Sp和Sh-即化nsen溶解度參數(shù)(對(duì)應(yīng)于被 稱(chēng)為分散力(D)、極性相互作用(P)和氨鍵合化)的分子相互作用)示于表2。
[0091] 表2
[0092]
[0093] 不同寡糖估算的空間距離，旨陽(yáng)ansen溶解度參數(shù)距離（參見(jiàn)圖3)Ra(XXXG-XXLG/ XLXG)為0.33，并且Ra(XXXG-XLLG)為0.56。前者那對(duì)的Ra值較小，表明該系統(tǒng)較強(qiáng)的分子間 相互作用(Ryberg，2011)。在具有平面構(gòu)象的XG中，)(G鏈的分子水平堆擱在XXXG-XX)(G鏈片 段比XXXG-XXLG或XXXG-X化G片段更緊密化rakawa，2002)。在不同相對(duì)濕度，XG和經(jīng)修飾的 XG的吸濕示于圖4。在圖4中，針對(duì)經(jīng)修飾的XG樣品提到的mXG41 %、和mXG43 %是指酶處理后 去除的半乳糖的量。經(jīng)修飾的XG顯示在所有濕度范圍內(nèi)吸濕的強(qiáng)烈減少。在許多應(yīng)用中，候 選聚合物需要在高濕度例如在80%W1具有低的吸濕。在該區(qū)域具有較高吸濕是因?yàn)槊?xì)凝 聚可能開(kāi)始占優(yōu)勢(shì)，且大多數(shù)多糖在該區(qū)域顯示急劇的吸濕增加。在80%畑，相比源自酸角 的未經(jīng)修飾的木葡聚糖，經(jīng)修飾的mXG43%樣品的吸濕減少了40%。由于源自酸角的未經(jīng)修 飾的木葡聚糖和經(jīng)修飾的XG中極性-OH基團(tuán)的有效數(shù)目類(lèi)似，結(jié)果是降低的水溶性和可能 的與半乳糖去除有關(guān)的減少的空隙體積。
[0094] 半乳糖去除對(duì)在50%畑和92%RH調(diào)節(jié)的膜機(jī)械特性的影響示于表3,且典型的應(yīng) 力-應(yīng)變圖示于圖5。在圖5中，針對(duì)經(jīng)修飾的XG樣品提到的mXG34 %、mXG41 %和mXG43 %是指 酶處理后所去除的半乳糖的量。
[00巧]表3
[0096]
[0097] *僅測(cè)試兩種試樣樣品
[009引針對(duì)上述表3中經(jīng)修飾的XG樣品提到的mXG34%、mXG41 %和mXG43%是指酶處理后 去除的半乳糖的量。
[0099] XG的彈性模量為4.6G化且抗拉強(qiáng)度為78MPa。對(duì)設(shè)定在50 % RH條件下的樣品，經(jīng)修 飾的XG在應(yīng)力-應(yīng)變行為方面沒(méi)有顯示統(tǒng)一的趨勢(shì)。半乳糖去除和拉伸性能之間的關(guān)系是 復(fù)雜的。例如，誘鑄的XG的分子構(gòu)象可對(duì)溶液性質(zhì)的差異和誘鑄過(guò)程中的細(xì)節(jié)敏感。然而， 對(duì)于mXG41 %和mXG43%樣品，楊氏模量分別從4.6G化顯著增加至5.4G化和5. IGPa。經(jīng)修飾 的XG中較低的吸濕當(dāng)然是一個(gè)解釋。很可能的是分子間相互作用也可通過(guò)縮短XG支鏈而增 加。有趣的是，相比XG對(duì)照，mXG41%顯示顯著改善的模量和屈服強(qiáng)度。
[0100] 設(shè)定在92%畑條件下的膜的拉伸性能顯示顯著結(jié)果。對(duì)于大多數(shù)多糖，水發(fā)揮增 塑劑的作用且拉伸性能隨濕度增加強(qiáng)烈降低。盡管XG性質(zhì)被良好保持，但它們實(shí)際上隨著 含濕量增加而降低。由于半乳糖殘基從XG去除，mXG機(jī)械特性在高濕度條件下的降低（比較 圖5A和5B)是非常有限的。一種組合物(mXG%%)甚至顯示增加的破壞應(yīng)變（strain to fai lure)和良好保持的模量和強(qiáng)度。mXG43 %樣品顯示高達(dá)4.3G化的彈性模量而源自酸角 的未經(jīng)修飾的XG在92 % RH顯示3.2G化的模量。處理了 24個(gè)小時(shí)的樣品顯示不尋常的初性 (拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下面積），推測(cè)是由于最佳水平的水分塑化。有趣的是注意到相比50% RH，設(shè)定在92 %畑后的應(yīng)力隨著在塑性范圍的應(yīng)變而增加。mXG41 %和mXG43 %樣品的破壞 應(yīng)變值非常低，但模量仍然高，參見(jiàn)表3,表明XG鏈之間強(qiáng)的分子間相互作用。
[0101] 熱機(jī)械研究（圖6)掲示，源自酸角的未經(jīng)修飾的XG顯示在26rC玻璃轉(zhuǎn)化之前儲(chǔ)存 模量稍微增加。相反，經(jīng)修飾的XG顯示在達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度之前儲(chǔ)存模量穩(wěn)定降低。該差異 是由于由半乳糖去除引起的經(jīng)修飾的XG中分子移動(dòng)性的差異。隨著去除半乳糖，玻璃轉(zhuǎn)化 溫度從源自酸角的未經(jīng)修飾的XG的26rC增加至280°C (圖6)。運(yùn)與因?yàn)閄G支鏈縮短而引起 的聚合物中空隙體積減少一致。
[0102] 在干燥條件和80%畑下，源自酸角的未經(jīng)修飾的XG和經(jīng)修飾的XG膜的氧氣屏障性 能示于表4,其提供了氧氣傳輸速度(cmV 2天-1)和氧氣通透率(cm3皿V2天-Ik化-1)。注意到 與聚乙締醇(PVOH)的比較。在干燥狀態(tài)，源自酸角的未經(jīng)修飾的XG和經(jīng)修飾的XG都顯示小 于Icm 3皿V-2天-Va-I的非常低的氧氣通透率。
[010；3]表 4
[0104]
[010引 a:運(yùn)些膜的OTR低于0.0 OScm3Hf巧-1的檢測(cè)極限
[0106] 在80%RH，氧氣通透率隨著半乳糖側(cè)基的去除而穩(wěn)定降低。對(duì)于處理了 51個(gè)小時(shí) 的樣品中的最佳樣品，滲透性相比源自酸角的未經(jīng)修飾的XG降低了8倍。
[0107] 在潮濕氣氛中，未經(jīng)修飾的木葡聚糖中木糖和半乳糖的側(cè)邊糖支鏈水合，其造成 由所述木葡聚糖制備的膜吸收水分，從而引起分子塑化效應(yīng)。
[0108] 木葡聚糖可被認(rèn)為是水溶性的，盡管單獨(dú)的鏈并沒(méi)有完全水合(D R Picout,等 人，Biomacromolecules，2003,4，799)。從實(shí)踐角度看，高摩爾質(zhì)量的XG充分可溶，從而作為 水溶液處理。側(cè)鏈的存在-單一木糖和兩個(gè)環(huán)木糖-半乳糖的組合-對(duì)XG的水合和溶解性具 有顯著作用(Urakawa，2002)。酶性去除半乳糖側(cè)鏈導(dǎo)致XG鏈的聚集。由于半乳糖去除的量 增加，所得材料不溶于水。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 包含木葡聚糖的膜，其特征在于所述木葡聚糖包含至多11摩爾％的半乳糖殘基。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的膜，其特征在于所述木葡聚糖包含至多10摩爾％的半乳糖殘基。3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2任一項(xiàng)的膜，其特征在于所述膜在80%RH和23°C的氧氣通透率不 大于 7cm3ymV-2 天-hPa-1。4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的膜，其特征在于所述膜在80%RH和23°C的氧氣通透率不 大于 3cm3ymV-2 天-hPa-1。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)的膜，其特征在于所述膜在80%RH和23°C的氧氣通透率不 大于 2cm3ymV-2 天-hPa-1。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的膜，進(jìn)一步包含增塑劑如甘油、木糖醇、山梨醇、麥芽糖 醇、蔗糖、葡萄糖、果糖、木糖、聚乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、脲或其任意組合。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)的膜，進(jìn)一步包含無(wú)機(jī)或有機(jī)納米顆粒，如二氧化硅納米 顆粒;粘土、如鈉-蒙脫石、高嶺石、綠泥石和云母;納米原纖維化纖維素；和纖維素納米晶 體。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的膜，進(jìn)一步包含其它聚合物，包括但不限于半纖維素、木 質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鹽、纖維素衍生物、淀粉和其它生物聚合物或合成聚合物。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)的膜，其中所述木葡聚糖具有的分子量為至少10kDa。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)的膜，其中所述木葡聚糖具有的分子量為至少lMDa。11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)的膜，其中所述木葡聚糖包括具有不同分子量或分子量 分布的木葡聚糖的混合物。12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)的膜，其中所述膜包含至少50wt%的木葡聚糖，以所述 膜的干重計(jì)。13. 制備根據(jù)權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)的膜的方法，所述方法包括 a) 將木葡聚糖溶解于溶劑中， b) 從所述木葡聚糖鏈去除側(cè)鏈半乳糖殘基以得到經(jīng)修飾的木葡聚糖， c) 制備步驟b)得到的經(jīng)修飾的木葡聚糖的膜。14. 根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中步驟a)中的溶劑為水。15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其中步驟b)中側(cè)鏈半乳糖殘基的去除是通過(guò)使溶解 的木葡聚糖與酶，如β-半乳糖苷酶反應(yīng)進(jìn)行的。16. 根據(jù)權(quán)利要求13至15任一項(xiàng)的方法，其中步驟b)得到的經(jīng)修飾的木葡聚糖在乙醇 中》幾$疋。17. 根據(jù)權(quán)利要求13至16任一項(xiàng)的方法，其中步驟b)得到的經(jīng)修飾的木葡聚糖在機(jī)械 勻化的情況下再溶于水，或再溶于有機(jī)溶劑、離子溶劑、離子液體、或這些溶劑彼此之間的 混合物或這些溶劑與水的混合物。18. 根據(jù)權(quán)利要求13至17任一項(xiàng)的方法，其中步驟c)中的膜是通過(guò)澆鑄，如溶劑澆鑄或 薄膜澆鑄制備的;或通過(guò)涂覆制備的。19. 根據(jù)權(quán)利要求1至12任一項(xiàng)的膜作為氧氣屏障的用途。20. 根據(jù)權(quán)利要求19的用途，其用于食品包裝。
【文檔編號(hào)】C09D105/14GK105873991SQ201480059690
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年10月29日
【發(fā)明人】J.J.科庫(kù)馬拉伊爾, L.伯格倫德
【申請(qǐng)人】切盧特克股份公司