國內外研究中，一些功能性低聚糖在促進益生菌生長、增強免疫、改善腸道疾病等方面有突出作用，這些功能性低聚糖被歸類為益生元。近年來，益生元在醫藥、飼料、食品等領域的應用成為國內外的研究熱點。
低聚糖作為功能成分添加到藥物、飼料、食品等中，其熱力學穩定性和分解特性成為藥物、食品等加工工藝設計的一個關注點。目前，國內外研究學者對於低聚糖類化合物的相關研究主要集中在對糖的分離純化、結構解析、合成和生物活性功能等方面，對於低聚糖的熱分解和熱穩定性研究較少。特別是對於新型的益生元，如魔芋葡甘露低聚糖等缺乏相關熱穩定性的分析數據。來自魔芋的葡甘露低聚糖是一種新型的益生元，是由D-甘露糖以β-1,4-糖苷鍵連接形成主鏈以及主鏈或支鏈上以β-1,3-糖苷鍵連接葡萄糖而成的水溶性多糖，主要由魔芋塊莖中葡甘聚糖降解得到，已成為國內外市場上新型的益生元。
為探究葡甘露低聚糖和低聚果糖熱穩定性的影響，廣西大學生命科學與技術學院的葉楓、龐浩*和廣西科學院（國家非糧生物質能源工程技術研究中心、非糧生物質酶解國家重點實驗室、廣西生物煉製重點實驗室） 的湯宏赤等人以這兩種益生元為材料，採用Kissinger、Kissinger-Akahira-Sunose（KAS）和FlynnWall-Ozawa（FWO）3 種動力學分析方法對兩種益生元熱解後的穩定性進行分析，以便於後續研究工作中深入分析低聚糖化合物的結構和性質，同時也為葡甘露低聚糖和低聚果糖在藥物和食品工業領域進行配方設計和加工工藝設計提供依據。
1 低聚糖HPLC分析結果
由圖1A可知，用質量分數為2%的D-果糖、D-甘露糖和葡萄糖作為標準樣品，出峰時間分別在8.47、8.89 min和9.65 min左右，圖1B中質量分數為10%低聚果糖和圖1C中質量分數為40%葡甘露低聚糖，與圖1A中質量分數為1%單糖的峰面積對比分析，結果表明兩種低聚糖中單糖質量分數均低於1%。
2 低聚糖熱重分析結果
由圖2A、B中DTG曲線可知，單糖的分解峰溫比低聚糖的分解峰溫低，說明單糖比低聚糖更易分解。鑑於單糖相關研究的基礎，本實驗主要突出比較兩種低聚糖的熱分解穩定性。由圖2C、D可以看出，在不同升溫速率下兩種低聚糖的熱重（TG）曲線與DTG曲線變化的趨勢保持一致，由於熱滯後和傳熱限制的影響，TG曲線隨加熱速率的增加而橫向移動，DTG曲線的峰形越來越突出，通過最大升溫速率20℃/min可以看出。兩種低聚糖的熱解過程大致可以分為3個階段：第一階段，在30～100℃內主要是脫去水分，由TG曲線呈現出微小下降，DTG曲線出現平峰（失水峰）；第二階段和第三階段，在160～370℃內，TG曲線呈現大幅度下降，由DTG曲線可看出兩種低聚糖包含一個尖峰和一個單肩峰並且有部分重疊，兩個階段的峰溫值相差不大，第二階段的質量損失速率大於第三階段的質量損失速率，說明在第二階段低聚糖分子主要以熔融和分解體為主，葡甘露低聚糖不同分子質量的聚合物解聚成單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結晶固體狀物，第三階段對解聚後的產物進一步分解成碳和氣體。在370℃之後，TG曲線和DTG曲線都呈現緩慢變化直至趨於平直。
結果顯示，由不同速率下低聚糖熱解參數可知，兩種低聚糖的Ti和Tm隨著升溫速率的增加而升高，而Tf無明顯變化，說明兩種低聚糖的熱解溫度範圍相差不大。在所有升溫速率條件下，低聚果糖的Rmax最高，這表明低聚果糖的熱解機理相對簡單，熱分解過程相對較快。在不同升溫速率下兩種低聚糖的Mf都很低，相差不大，表明Mf不受升溫速率的影響。
圖3為低聚糖熱解實驗得出的轉化率與溫度的曲線，隨著溫度的升高，轉化率逐漸增大，相同轉化率的條件下，升溫速率越快對應的溫度則越高。該曲線是後續分析熱解非等溫無模式函數法的基礎。
3 低聚糖動力學分析結果
根據低聚糖的DTG曲線，用Kissinger、FWO法和KAS法分別對第二階段和第三階段進行分析。結果顯示，分別採用Kissinger法和FWO法計算得到表觀活化能Ek和Eo，Kissinger法沒有考慮機理函數以線性擬合後截距求得指前因子A，FWO法根據最概然機理函數求得指前因子A，兩個方法計算的結果相差不大，葡甘露低聚糖第二階段的活化能低於低聚果糖第二階段的活化能，而第三階段的活化能高於低聚果糖第三階段的活化能，表明葡甘露低聚糖第二階段更易分解，第三階段更難分解，由於計算存在誤差，為避免有誤差的可能性，取Kissinger法和FWO法的平均值作為分解的活化能以及指前因子，葡甘露低聚糖第二階段和第三階段的活化能及指前因子分別為114.73 kJ/mol、24.30 min－1和156.05 kJ/mol、32.95 min－1，低聚果糖第二階段和第三階段的活化能及指前因子分別為138.65 kJ/mol、32.03 min－1和145.92 kJ/mol、31.73 min－1。
由於需要考慮葡甘露低聚糖和低聚果糖成分的有效性，在加工、貯藏、運輸以及應用等過程中，本實驗主要以第一個分解溫度進行分析，保證低聚糖有效成分最大利用。本實驗第二階段選取α為0.15～0.95，第三階段選取α為0.05～0.60，排除線性相關性差的轉化率，並以0.05為間隔進行分析，以ln（β/T2）對1/T作圖，分別對兩種低聚糖第二階段和第三階段進行線性擬合性分析，如圖4所示，結果表明兩種低聚糖用KAS法分析均具有較好的線性相關性，R2均大於0.97。
圖5為不同轉化率下用KAS法獲得兩種低聚糖活化能的對比圖，由圖5A可知，第二階段葡甘露低聚糖活化能基本保持不變，低聚果糖活化能呈上升的趨勢。由圖5B可知，兩種低聚糖在第一個分解峰溫之後，隨著溫度升高，聚合物進一步解聚成單糖，為了達到第二個分解峰溫，活化能進一步升高，結果表明葡甘露低聚糖的活化能高於低聚果糖活化能，說明葡甘露低聚糖的熱穩定性高於低聚果糖。
4 低聚糖熱分解機理
表3為葡甘露低聚糖和低聚果糖熱解機理函數擬合結果，本實驗分別以同一溫度所對應的α值帶入最常用的30 種機理函數的積分形式G（α）進行擬合性分析，選取斜率接近－1且擬合性較好的方程。結果表明，葡甘露低聚糖熱解反應第二階段的機理函數為G（α）＝[1－（1－α）1/3]2，該階段的熱解機理為三維擴散和球形對稱的Jander方程；第三階段的機理函數為G（α）＝[－ln（1－α）]4，該階段的熱解機理為隨機成核和隨後生長，遵循Avrami-Erofeev方程。低聚果糖熱解反應第二階段的機理函數為G（α）＝1－（1－α）4；第三階段的機理函數為G（α）＝[－ln（1－α）]2，該階段的熱解機理為隨機成核和隨後生長，遵循Avrami-Erofeev方程。
5低聚糖熱分解的熱力學參數
本實驗選取擬合性較好的直線斜率來獲得表觀活化能，R2均在0.98以上，根據相關熱力學公式進行計算求得熱力學參數。葡甘露低聚糖熱解第二階段和第三階段各轉化率的Ea，平均值分別為114.42、163.77 kJ/mol，低聚果糖兩個階段的Ea分別為137.22、144.95 kJ/mol，通過與Kissinger法和FWO法分析得到的活化能進行比較，3 種方法分析得到的Ea相差不大；葡甘露低聚糖的第二和三階段的ln A，平均值分別為26.08、34.82 min－1，低聚果糖兩個階段的ln A分別為32.02、31.83 min－1，同樣與之前兩種方法分析得到的ln A相差不大，由於實驗計算可能存在誤差，取3 個方法的平均值作為本實驗研究的結果，即葡甘露低聚糖第二階段和第三階段的Ea及ln A分別為114.58 kJ/mol、25.19 min－1和159.91 kJ/mol、33.89 min－1，低聚果糖第二階段和第三階段的E a及l n A分別為137.94 kJ/mol、32.03 min－1和145.44 kJ/mol、31.78 min－1。
兩種低聚糖第二階段ln A變化不大，均大於20.70 min－1，所以兩種低聚糖不受表面控制反應，而在第三階段兩種ln A變化較大，其中葡甘露低聚糖的ln A更大，表明葡甘露低聚糖熱解更緩慢，同時兩種低聚糖熱解機理發生的變化與表3兩階段不同熱解機理相符合。
另外，熱力學參數ΔG、ΔH、ΔS均為溫度的狀態函數。隨著溫度的升高，兩種低聚糖各階段的ΔG、ΔH均大於0，說明兩個階段的熱解反應需要吸收大量的熱。葡甘露低聚糖第二階段ΔS均為負值，表明該過程中低聚糖的解聚分解呈有序進行，相反，葡甘露低聚糖第三階段和低聚果糖第二、三階段ΔS均有正負值，表明葡甘露低聚糖解聚後產生的葡萄糖使成分熱解需要更多的熱量且更加複雜化，而低聚果糖ΔS初始階段為負值，表明低聚果糖中果三糖複合物水平增加並快速結晶呈有序性進行。
結 論
本實驗採用熱重分析儀以5、10、15、20℃/min非等溫升溫速率，對葡甘露低聚糖和低聚果糖的熱解性質進行分析，兩種低聚熱解過程分為3 個階段，且分解峰溫在220～300℃，分別用Kissinger、KAS、FWO 3 種熱力學分析方法分析比較兩種低聚糖的熱穩定性，第二階段低聚果糖和葡甘露低聚糖的活化能分別為137.94 kJ/mol和114.58 kJ/mol，結果表明低聚果糖中果二糖和果三糖迅速結晶導致其活化能偏高，第三階段低聚果糖和葡甘露低聚糖的活化能分別為145.44 kJ/mol和159.91 kJ/mol，隨著溫度進一步升高，兩種低聚糖解聚成單糖，結果表明葡甘露低聚糖熱穩定性高於低聚果糖。低聚果糖和葡甘露低聚糖ln A分別為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熱解機理函數，第二階段和第三階段分別為 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 ；熱力學參數葡甘露低聚糖第二階段和三階段的 Δ H 為 110.13 kJ / mol 和 159.11 kJ / mol ，低聚果糖第二階段和三階段的 Δ H 為 132.99 kJ / mol 和 140.46 kJ / mol 。葡甘露低聚糖和低聚果糖熱穩定性及動力學機理的比較分析，為其在食品、醫藥領域的應用提供理論參考依據。
本文《魔芋葡甘露低聚糖的熱穩定特性以及與低聚果糖益生元的對比分析》來源於《食品科學》2020年41卷17期45-52頁，作者：葉楓，湯宏赤，張劍堡，和竹新，和正鵬，範銳鴻，林麗華，郭媛，劉江麗，龐浩。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190808-087。
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