木葡聚糖膜的制作方法
【专利摘要】本发明涉及包含木葡聚糖的膜、制备该膜的方法及其作为氧气屏障的用途，所述木葡聚糖包含不多于11摩尔％的半乳糖残基。
【专利说明】
木葡聚糖膜
技术领域
[0001] 本发明设及包含木葡聚糖(xyloglucan)的膜、制备该膜的方法及其作为氧气屏障 的用途，所述木葡聚糖包含不多于11摩尔％的半乳糖残基。
【背景技术】
[0002] 在高湿度下的氧气屏障和机械特性通常对于食品包装用的材料是关键的。氧气穿 过食品包装传递是食品降解的重要原因，且对产品的胆藏寿命有影响（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)。传统的屏障层为锥或金属化形式的侣（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)的层具有足够多的性质，但是是由石油资 源带J备的（G Strupinsky等人，A Twenty-Year Retrospective on Plastics : Oxygen Barrier F*ackaging Materials,San Francisco,CA, 1998)。因此，源自可再生资源的材料 对于包装应用是优选的。
[0003] 已研究了新的基于生物的材料W开发屏障膜化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)。一种感兴趣的替代品为半纤维素，尤 其是广泛可得的木质半纤维素，且它们已被深入研究作为氧气屏障膜(N M L化nsen等人， BiomacromoIe州Ies，2008，9，1493; J Hartman，等人，Biomacromolecules，2006，7，1983)。 然而，由于低的平均摩尔质量和W纯的形式萃取的困难，仍然缺少广泛的商业应用。
[0004] 源自罗望子巧(tamarind seed)废弃物的高摩尔质量的木葡聚糖至少在低湿度条 件下具有良好的成膜和机械特性和卓越的氧气屏障性能（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%畑的氧气通透率为0.5-2cm3皿im-2 天-IkPa-I且与商业屏障聚合物如衍生自木头的PVOH或半纤维素相当化ansen，2008)。由于 高得多的摩尔质量，XG的机械特性和成膜特性比木质半纤维素更有利。
[0005] 氧气穿过聚合物膜的传递取决于许多因素如材料结构、溫度和湿度(Miller, 1997)。对在低于玻璃转化溫度(Tg)时化穿过聚合物传递的机理知之甚少。然而，广泛接受的 是氧气溶解度、聚合物移动性的热力学和空隙体积因子(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)。极性聚合物如？￥0山？￥0(：或多糖的高屏 障性能源自于W下的组合因素:有利的链堆搁、由于强次级相互作用的高内聚能密度(定义 为每单位体积的内聚能）和低空隙体积化agaron，2004)。强的分子间相互作用和低的氧气 溶解度将限制化渗透。
[0006] 当聚合物暴露于高湿度时，具有高水溶性的高极性聚合物(PVOH或木质半纤维素 或木葡聚糖)的氧气屏障性质变差。为得到在高湿度具有良好屏障性质的水溶性聚合物，应 减少湿度敏感性W使得在运些条件下保持显著的分子间相互作用。运看起来是不可能的， 因为疏水修饰导致水溶性丧失，其在基于水的绿色处理理念中是个缺点。而且，分子间相互 作用可被显著降低（J Comyn, Polymer permeability ,Elsevier Applied Science， London,1985)。
[0007] 在WO 2012/150904中，木葡聚糖涂层在高湿度的氧气屏障性质通过与层状的钢-蒙脱石(MMT)形成纳米复合物而得到增强。
【发明内容】
[000引因此需要源自可再生资源的、即使在高湿度也显示良好氧气屏障性质的材料。本 发明通过提供包含木葡聚糖的膜而满足上述需求W及克服其它显著缺点。
[0009] 在第一方面，本发明设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摩尔％的半乳糖残基。
[0010] 在第二方面，本发明设及制备根据权利要求1的膜的方法，所述方法包括
[0011] a)将木葡聚糖溶于溶液中，
[0012] b)从木葡聚糖链去除侧链半乳糖残基W得到经修饰的木葡聚糖，
[0013] C)制备步骤b)得到的经修饰的木葡聚糖的膜。
[0014] 在另一方面，本发明设及包含木葡聚糖的膜作为氧气屏障的用途，其中所述木葡 聚糖包含至多11摩尔％的半乳糖残基。
[0015] 附图简述
[0016] 图1显示罗望子巧木葡聚糖中存在的4个寡糖的基本重复单元。
[0017] 图2显示通过将获自酸角（Tamarindus indica)的未经修饰的木葡聚糖(XG)和经 修饰的XG进行酶水解得到的木葡聚糖寡糖的MALDI-TOF MS数据(m/Z值包括化+抗衡离子的 原子量）。
[001引图3显示针对木葡聚糖中的（XXXG-XXLG/XLXG)和（XXXG-XLLG)寡糖对计算的 化nsen相互作用空间"距离"。
[0019] 图4显示使用动态蒸气吸附分析获自酸角的未经修饰的XG和经修饰的XG的吸湿等 溫线。
[0020] 图5显示获自酸角的未经修饰的XG和经修饰的XG的典型的拉伸应力-应变曲线，该 样品所处条件为：（A) 50 %畑和(B)92 %畑和23°C。
[0021] 图6显示获自酸角的未经修饰的XG和经修饰的XG样品的储存模量和tanS，其为溫 度的函数。
[0022] 发明详述
[0023] 木葡聚糖(XG)具有纤维素骨架，该骨架具有(6-(1^4)-连接的D-化喃葡萄糖，且高 达75%的葡萄糖残基在0-6位被a-D-化喃木糖支链替代。运些木糖残基中的一些进一步被 另外的0-D-II比喃半乳糖-环替代(M J Gidley,等人，Carbohy化ate Research, 1991,214, 299;和H Urakawa,et al., Trends in Glycoscience andGlycotechnology ,2002,14, 355)，从而使得支链包含两个糖残基。罗望子巧XG的基本重复单元然后可根据四个寡糖来 描述，运些寡糖不同在于半乳糖残基的数量和分布。它们方便地表示为XXXG、XLXG、XXLG和 )(LLG，其中 X 表示 Xylp(al 一 6)-Glcp 侧残基，L 表示 Galp(m 一 2)Xylp(al 一 6)Glcp 侧残基，且 G表示骨架Glcp残基（参见图 1)(S C Fry,等人，PhysiologiaPlantarum, 1993,89,1)。侧残 基W平面构象在侧面连接，并且由于侧链的亲水性而不利于胶凝(Urakawa 2002)。木葡聚 糖在种子和块茎中发现作为胆存多糖且也作为植物细胞壁中的交联聚糖。在本发明的上下 文，木葡聚糖聚合物可来自罗望子树(酸角（Tamarindus indica))的栋色豆芙状果实的种 子。其它来源可为获自例如夹髓苏木（Detarium Senegalense)、非洲细茄（AfzeIia a打icana)和架叶苏木(Jatoba)的粉。木葡聚糖聚合物可溶于水，产生高度粘性的溶液。
[0024] 本发明设及包含木葡聚糖的膜、制备该膜的方法及其作为氧气屏障的用途，例如 在包装材料中的用途，所述木葡聚糖包含至多11摩尔％的半乳糖残基。
[0025] 本发明的一个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摩尔％，或至多10摩尔％的半乳糖残基。
[0026] 本发明的膜中使用的木葡聚糖的半乳糖含量可通过使用70%硫酸将木葡聚糖酸 水解为单个糖分子来测定，其根据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进行；然后用装配脉冲电流检测器(HPAEC-PAD,Dionex ICS-3000)的高效 阴离子交换色谱分析水解产物，且使用葡萄糖、木糖和半乳糖的标准溶液用于校准（J JKochumalayi 1，等人，化rbohy化ate Polymers，2013，93，466)。
[0027] 本发明的膜使用的木葡聚糖可包含至少9摩尔％的半乳糖残基。
[002引本发明的膜在80%畑和23°C可具有不大于7cm3皿V-2天-IkPa-I的氧气通透率，或不 大于Scm3皿Iflf2天^kPa^i，或不大于2cm3皿Iflf 2天^kPa^i的氧气通透率。
[0029] 本发明的包含木葡聚糖的膜可任选包含增塑剂如甘油（glycerol)、木糖醇、山梨 醇、麦芽糖醇、薦糖、葡萄糖、果糖、木糖、聚乙二醇、丙二醇、下二醇、丙=醇(glycerine)、脈 或它们的任意组合。增塑剂的一个优点为它们可减少膜的脆性。尤其是山梨醇有效影响机 械特性和降低脆性。然而，亲水性增塑剂可减少在高湿度的屏障性能，但W合适量添加可不 会严重影响该屏障性质。
[0030] 本发明的包含木葡聚糖的膜可任选包含纳米颗粒W例如改善屏障性质、机械特性 或使膜具有其它功能。所述纳米颗粒可为无机的如二氧化娃纳米颗粒或粘±，其中粘±应 理解属于层状娃酸盐或片状娃酸盐，包括但不限于钢-蒙脱石、高岭石、绿泥石和云母。所述 纳米颗粒也可为有机的，包括但不限于纳米原纤维化纤维素和纤维素纳米晶体。
[0031] 本发明的包含木葡聚糖的膜可任选还包含其它聚合物，包括但不限于半纤维素、 木质素、木质素横酸盐、纤维素衍生物、淀粉和其它生物聚合物或合成聚合物。
[0032] 本发明的膜可包含至少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膜的干重计。
[0033] 本发明的膜中使用的木葡聚糖的分子量可为至少IOkDa,至少50kDa，至少IOOkDa, 至少5001d)a，或至少謹化。进一步，所述木葡聚糖的分子量可为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。较高分子量具有优点，因为由运样的木葡聚糖制备的膜不会 太脆，意味着增塑剂的量可减少或甚至不需要。
[0034] 本发明的包含木葡聚糖(含至多11摩尔％的半乳糖残基）的膜的一个优点为所述 木葡聚糖的链可在膜中堆搁的更紧，运使木葡聚糖吸湿更少和木葡聚糖在水中的溶解度更 小，由此提供在高的相对湿度下所述膜改善的氧气屏障和机械特性。
[0035] 本发明的包含木葡聚糖(含至多11摩尔％半乳糖残基）的膜的另一个优点为XG寡 糖片段堆搁(packing)的增加意味着空隙体积减少，因此相比由包含更多半乳糖残基的木 葡聚糖制备的膜，本发明的膜即使在高湿度条件下也具有高机械和氧气屏障性质。
[0036] 本发明的膜使用的木葡聚糖可为经修饰的木葡聚糖(经修饰的XG)，其通过部分去 除半乳糖残基，例如通过用酶，如e-半乳糖巧酶将木葡聚糖酶性消化而得到。在经修饰的XG 的制备中可避免有机溶剂，即实现疏水的XG。在本发明的使用经修饰的XG的膜中，高达43% 的半乳糖残基可从由酸角得到的木葡聚糖去除。
[0037] 本发明的包含XG(含至多11摩尔％半乳糖残基）的膜具有显著降低的水溶性，或甚 至不溶于水。
[0038] 在本发明的膜的制备中使用包含至多11摩尔％的半乳糖残基的XG的另一优点为 包含至多11摩尔％的半乳糖残基的XG可通过简单的机械匀化方法再溶于水，如使用高剪切 混合器或在微流化器中；且任选联合使用超声处理。包含至多11摩尔％的半乳糖残基的木 葡聚糖也可溶于有机溶剂、离子溶剂或离子液体，或运些溶剂彼此之间的混合物或运些溶 剂与水的混合物，如二甲基亚讽、N-甲基吗嘟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、氨氧化锭。
[0039] 另一优点为弹性模量增加，如在50%RH，从由酸角得到的未经修饰的木葡聚糖的 4.6G化增加至包含至多11摩尔％的半乳糖残基的XG的5.4G化。而且对于经修饰的XG的膜， 所述弹性模量在高湿度更好地保持。而且，在80%RH，从包含至多11摩尔％的半乳糖残基的 XG制备的XG膜可具有非常低的氧气通透率，如大约为1.5cm 3皿V2天-ikPa^i。在如食品包装 的应用中，包含至多11摩尔％的半乳糖残基的XG的机械和屏障性质能更好的保持是非常重 要的。
[0040] 本发明另一目的为制备包含木葡聚糖的膜的方法，所述木葡聚糖包含至多11摩 尔％，或至多10摩尔％的半乳糖残基，所述方法包括：
[0041 ] a)将木葡聚糖溶解于溶剂中，
[0042] b)从木葡聚糖链去除侧链半乳糖残基W得到经修饰的木葡聚糖，
[0043] C)制备步骤b)得到的经修饰的木葡聚糖的膜。
[0044] 更确切地，制备本发明的膜的方法可包括W下步骤
[0045] a)将木葡聚糖溶解于溶剂中，
[0046] b)使溶解的木葡聚糖与能从木葡聚糖链去除侧链半乳糖残基的酶进行反应，
[0047] C)制备膜。
[0048] 步骤a)中用于溶解木葡聚糖的溶剂可为水，但也可使用有机溶剂、离子溶剂、离子 液体，或运些溶剂彼此之间的混合物或运些溶剂与水的混合物，如二甲基亚讽(DMS0KN-甲 基吗嘟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、氨氧化锭。
[0049] 步骤b)中处理木葡聚糖W去除所期望比例的侧链半乳糖残基所适合/所需的时间 取决于反应条件，如酶浓度、pH、离子强度和溫度。
[0050] 木葡聚糖中的侧链半乳糖残基可通过酶，如0-半乳糖巧酶巧C 3.2.1.23)去除。不 同的生物，如米曲霉，可为e-半乳糖巧酶的来源。
[0051] 可使所述酶与木葡聚糖在合适的酶浓度反应，该浓度为如0至250mg酶/g固体木葡 聚糖，优选5至150mg酶/g固体之间的木葡聚糖并包括5和150mg酶/g固体木葡聚糖，或更优 选10至IOOmg酶/g固体木葡聚糖，或更优选15至50mg酶/g固体木葡聚糖或更优选20至30mg 酶/g固体木葡聚糖。
[0052] 可使所述酶与木葡聚糖在适合酶的溫度反应，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] 可使所述酶与木葡聚糖在适合酶的pH反应，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]可使所述酶与木葡聚糖在适合酶的离子强度反应，该离子强度为例如0至200mM之 间并包括0和200mM，或10至IOOmM之间并包括10和IOOmM,或30至60mM之间并包括30和60mM， 或50mM。用酶处理木葡聚糖的时间取决于反应条件，如酶浓度、pH、离子强度和溫度。
[00对在酶浓度为25mg酶/g固体木葡聚糖，溫度为30°C，抑为4.5且离子强度为5011^乙酸 钢的情况下，用酶处理木葡聚糖的时间可为至少20h，至少30h，至少30h，至少50h，或至少 60h，W去除半乳糖残基。
[0056] 步骤b)中的反应可通过加热，例如加热至90°C来使酶失活而终止。
[0057] 从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应条件、浓度、溫 度、pH和罔子强度。
[0058] 步骤b)中得到的经修饰的XG可在例如乙醇中沉淀出来，任选然后洗涂，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] 步骤C)中的膜的制备可包括将步骤b)得到的经修饰的木葡聚糖再溶解。经修饰的 XG可在机械匀化下再溶于水，如使用高剪切混合器或在微流化器中；且任选联合使用超声 处理。
[0060] 经修饰的木葡聚糖也可溶于有机溶剂、离子溶剂、离子液体、或运些溶剂彼此之间 的混合物或运些溶剂与水的混合物;如二甲基亚讽(DMSO )、N-甲基吗嘟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）、氨氧化锭、 二甲基乙酷胺/LiCLLiOH/脈、NaOH/脈。
[0061] 步骤C)中的膜的制备可通过诱铸，如溶剂诱铸或薄膜诱铸该溶解的经修饰木葡聚 糖;或用溶解的经修饰木葡聚糖涂覆来进行。
[0062] 本发明还设及本发明的膜作为氧气屏障的用途，如在食品包装中的用途。
[0063] 本发明的膜的低氧气通透率（即使在高湿度)使得其可用作氧气屏障，尤其在包装 应用中。因为可W在没有有机溶剂和其它可能有毒的物质的情况下制备所述膜，其特别适 合用于食品包装。本发明的酶水解半乳糖侧链的绿色方法可用于类似的含半乳糖的半纤维 素如半乳糖葡萄糖甘露聚糖，从而降低所述屏障材料在高湿度的湿度敏感性。
[0064] 本发明的方法也可用于其它具有有限水溶性、W及具有低吸湿和在高湿度保持物 理性质的聚合物的分子剪裁。
[0065] 增加的链寡糖片段的堆搁、降低的水溶性、湿含量和降低的聚合物移动性被认为 是包含至多11摩尔％半乳糖残基的木葡聚糖在高湿度具有高屏障性能的原因。 实施例
[0066] 材料
[0067] 木葡聚糖的酶修饰.工业可得的罗望子巧木葡聚糖（重均分子量，1.5-2. OMDa, Innovassynth technologies Ltd. ,India)通过将0.5wt%稀溶液离屯、分离（4000巧m 45分 钟）而纯化，且冻干W得到纯的木葡聚糖。将2g冻干的木葡聚糖溶于80ml 50mM乙酸钢缓冲 液(抑=4.5)中。为部分去除半乳糖侧基，将溶于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。所述反应混合物在30 °C保持不同的处理时间-24h、5化和6地。在规定的时间后通过在90°C加热30分钟W灭活所述酶来终止所述反应。经 修饰的XG(mXG)通过在乙醇中沉淀和洗涂而纯化，且在真空烘箱中在50°C干燥2地。经修饰 的XG样品不溶或微溶于水，其中处理了 64个小时的样品最不溶于水。将包含源自酸角的未 经修饰的木葡聚糖和经修饰的XG的样品（其中半乳糖残基的量已减少(0.5g))在50ml水中 混合，并且磁力揽拌过夜。将所述溶液用叫化a-turraxW9500巧m匀化15分钟，然后超声处 理5分钟。该循环重复=次，此时大多数颗粒聚集物可溶。将所得溶液在4000rpm离屯、20分钟 W去除任何颗粒聚集物，且澄清溶液用于膜制备。上述溶液在Teflon-涂覆的陪替氏培养皿 上铺展且置于水平烘箱架子上在35°C过夜，剥掉干燥的膜W进一步表征。
[006引莖征
[0069] 化合物分析.经修饰的XG样品中的半乳糖含量与来自酸角的未经修饰的木葡 聚糖的对比通过使用70%硫酸将聚合物酸水解为单个的糖分子来测定(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）。水解产物使用装配脉冲电流 检测器化PAEC-PAD，Dionex ICS-3000)的高效阴离子交换色谱法分析。葡萄糖、木糖和半乳 糖的标准溶液用于校准(J JKochumalayi 1，等人，化rbohy化ate Polymers, 2013,93,466)。
[0070] MALDI-TOF-MS.基质-辅助的激光解析/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)在装配 氮激光器（337nm)的叫 1:rafIex MALDI-TOF工作站（Bruker Daltonics,Bremen,Germany)上 进行，且W正反射器模式操作。将约2mg酶性消化的样品溶于Iml MilliQ水中且将化L样品 溶液与化L基质（0.5ml丙酬中的5mg 2，5-二径基苯甲酸）混合，且在MALDI-TOF板(Bruker 化Itonics)上铺展并风干。用21kV的激光功率加速离子。
[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)的纤维素酶进行XG和经修饰的XG样品的酶水解W分解为寡糖组分。在玻璃瓶中将 约SOmg XG和经修饰的)(G样品溶于8ml 50mM乙酸钢缓冲液(抑=5.0)。将Smg酶添加至各溶 液中且在37°C揽拌2地。通过增加溫度至90°C终止酶反应且保持揽拌半小时。所得溶液通过 玻璃纤维滤纸(Whatman GF/A)过滤且穿过0.45iiPWE注射器滤器。将最终滤液冻干且用于 MALDI-TOF MS分析。
[0072] 水吸收.将源自Su;rface Measurement System的动态蒸气吸收（DVS)仪器用于测 定在不同相对湿度氛围的吸湿。XG和经修饰的XG样品首先在DVS槽中干燥，然后将DVS槽中 的相对湿度(畑)从干燥状态逐步升高至95%。当达到平衡状态时，将所述样品在不同湿度 氛围称重。在具体畑水平的含湿量(M) W干物质计来计算：
[007引
（1)
[0074] 其中M为样品在具体湿度的含湿量（％ )，Ww为当含湿量达到稳态条件时DVS槽中样 品的重量，且Wd为干燥样品的重量。
[0075] 拉伸性能：设定条件下的膜的拉伸性能使用装配50N测力计的Instron 5944系统 W拉伸模式测量。试样为薄的矩形条，厚度为30WH，宽度X长度为5mm X 60mm且计量长度为 40mm。将样品设定在所期望的湿度-50 % RH和92 %畑-在23 °C，保持至少一周。试样样品的应 力-应变曲线在室溫和50%畑W10%/分钟的应变速率记录。弹性模量取值为应力-应变曲 线的初始线性弹性区域的斜率，且抗拉强度测定为在试样断裂时的拉伸应力。
[0076] 动态热机械分析(DMTA): W拉伸模式操作的动态热机械分析仪(TA Instruments Q800)用于寻找膜的粘弹响应，其为溫度的函数。典型样品尺寸为厚度30皿且宽度X长度为 5mm X 20mm。测量频率和幅度分别保持在1化和15mm。溫度扫描在25-300°C的范围W3°C min-i加热速率在环境气氛中记录。记录储存模量，E'，损耗模量，E"和tanS(定义为E' V E'）。取对应于化nS峰的溫度作为Tg值。
[0077] 氧气通透性：氧气传输速度（OTR)测量使用氧气透过分析仪（Systech 8001， Systech Instruments Ltd.，UK)在23°C进行，使用100%氧气作为测试气体且使用氮气作 为载体气体。在化和化流中在干燥条件和80%RH进行测试。通过使用侣罩测量的有效面积为 5cm 2。将氧气通透率估算为OTR和膜厚度的算术乘积。
[0078] 化nsen溶解度参数:化nsen溶解度参数化SP)的基础是分子的总化ildebrand)内 聚能密度可表示为=种分子间相互作用-分散力（D)、极性相互作用（P)和氨键合化）的总 和，因此：
[0079]
巧；
[0080] (C M Hansen'Hansen solubility parameters:a user's handbook，CRC，2007)， 其中如、如和扣称为对应于分子相互作用的化113611溶解度参数。使用基团贡献法计算乂6中存 在的各个寡糖XXXG、XXLG/XLXG和)(LLG的Sd、Sp和Sh。S表示为S维空间中的点，其中Sd、Sp和Sh 分别在x-、y-和Z-轴。然后，如下定义两个寡糖之间的溶解度参数"距离"即Ra,运基于其各 自的部分溶解度参数组分化ansen，2007):
[0081] (Ra)^ = 4(5D2-5Di) + (6p2-5pi) + (5H2-5Hi) (3)
[0082] 测定(XXXG-X)(LG)和(XXXG-)(LLG)的Ra W得到XXXG寡糖对分别具有一个和两个半 乳糖取代的其它寡糖的亲和力。寡糖组分之间较小的距离表明较大的亲和力和所述系统中 更强的分子间相互作用。
[0083]
[0084] 我们使用机械匀化和超声处理W瓦解颗粒聚集物且将所得溶液进行溶剂诱铸W 形成均匀的膜。
[0085] 碳水化合物分析结果示于表1。在源自酸角的未经修饰的木葡聚糖中，半乳糖、葡 萄糖和木糖的摩尔比为1:3: 2.1，而在具有最长处理时间（64小时）的酶经修饰的XG中其为 1:5.8:4.3，即，相比源自酸角的未经修饰的木葡聚糖，有43 %的半乳糖残基被去除，参见表 I，其提供了XG和经修饰的XG样品的碳水化合物组成。数据报告为每IOOmg样品碳水化合物 的毫摩尔（mmo 1)数。针对经修饰的XG样品提到的mXG24、mXG51和mXG64是指酶处理的时间 (小时）。最后一栏显示修饰后样品中残留的半乳糖的量(mol%)。
[00化]表1
[0087]
[0088] 碳水化合物的毫摩尔数/IOOmg样品
[0089] XG具有四种寡糖的独特组成，即XXXG、XXLG、XL)(G和化LG，其中XX)(G没有半乳糖取 代，XXLG/XLXG具有单半乳糖取代而化LG具有二半乳糖取代。使用MLDI-TOF MS分析的定性 图（图2)显示XXXG和XXLG/XLXG片段的强度随着酶处理的时间而增加。即，XXLG/XLXG和化LG 寡糖的半乳糖残基浓度降低而XG链中XXXG和XXLG/XLXG寡糖的量增加。因此，经修饰的XG链 大部分由无半乳糖的寡糖组成。在图2中，针对经修饰的XG样品提到的mXG34 %和mXG43 %是 指酶处理后去除的半乳糖的量。
[0090] 所述基团贡献法和HSP计算如本文所述，且用于预测半乳糖去除对经修饰的XG链 的分子堆搁的作用。已表明更致密的分子堆搁将降低较小分子如〇2和H20的通透率 (Laga;ron，2004;和Y Z Zhu Ryberg,等人，Biomacromolecules,2011,12,1355-1362)种 寡糖XXXGJLXG/XXLG和化LG的计算的HSP参数-Sd、Sp和Sh-即化nsen溶解度参数(对应于被 称为分散力(D)、极性相互作用(P)和氨键合化)的分子相互作用)示于表2。
[0091] 表2
[0092]
[0093] 不同寡糖估算的空间距离，旨阳ansen溶解度参数距离（参见图3)Ra(XXXG-XXLG/ XLXG)为0.33，并且Ra(XXXG-XLLG)为0.56。前者那对的Ra值较小，表明该系统较强的分子间 相互作用(Ryberg，2011)。在具有平面构象的XG中，)(G链的分子水平堆搁在XXXG-XX)(G链片 段比XXXG-XXLG或XXXG-X化G片段更紧密化rakawa，2002)。在不同相对湿度，XG和经修饰的 XG的吸湿示于图4。在图4中，针对经修饰的XG样品提到的mXG41 %、和mXG43 %是指酶处理后 去除的半乳糖的量。经修饰的XG显示在所有湿度范围内吸湿的强烈减少。在许多应用中，候 选聚合物需要在高湿度例如在80%W1具有低的吸湿。在该区域具有较高吸湿是因为毛细凝 聚可能开始占优势，且大多数多糖在该区域显示急剧的吸湿增加。在80%畑，相比源自酸角 的未经修饰的木葡聚糖，经修饰的mXG43%样品的吸湿减少了40%。由于源自酸角的未经修 饰的木葡聚糖和经修饰的XG中极性-OH基团的有效数目类似，结果是降低的水溶性和可能 的与半乳糖去除有关的减少的空隙体积。
[0094] 半乳糖去除对在50%畑和92%RH调节的膜机械特性的影响示于表3,且典型的应 力-应变图示于图5。在图5中，针对经修饰的XG样品提到的mXG34 %、mXG41 %和mXG43 %是指 酶处理后所去除的半乳糖的量。
[00巧]表3
[0096]
[0097] *仅测试两种试样样品
[009引针对上述表3中经修饰的XG样品提到的mXG34%、mXG41 %和mXG43%是指酶处理后 去除的半乳糖的量。
[0099] XG的弹性模量为4.6G化且抗拉强度为78MPa。对设定在50 % RH条件下的样品，经修 饰的XG在应力-应变行为方面没有显示统一的趋势。半乳糖去除和拉伸性能之间的关系是 复杂的。例如，诱铸的XG的分子构象可对溶液性质的差异和诱铸过程中的细节敏感。然而， 对于mXG41 %和mXG43%样品，杨氏模量分别从4.6G化显著增加至5.4G化和5. IGPa。经修饰 的XG中较低的吸湿当然是一个解释。很可能的是分子间相互作用也可通过缩短XG支链而增 加。有趣的是，相比XG对照，mXG41%显示显著改善的模量和屈服强度。
[0100] 设定在92%畑条件下的膜的拉伸性能显示显著结果。对于大多数多糖，水发挥增 塑剂的作用且拉伸性能随湿度增加强烈降低。尽管XG性质被良好保持，但它们实际上随着 含湿量增加而降低。由于半乳糖残基从XG去除，mXG机械特性在高湿度条件下的降低（比较 图5A和5B)是非常有限的。一种组合物(mXG%%)甚至显示增加的破坏应变（strain to fai lure)和良好保持的模量和强度。mXG43 %样品显示高达4.3G化的弹性模量而源自酸角 的未经修饰的XG在92 % RH显示3.2G化的模量。处理了 24个小时的样品显示不寻常的初性 (拉伸应力-应变曲线下面积），推测是由于最佳水平的水分塑化。有趣的是注意到相比50% RH，设定在92 %畑后的应力随着在塑性范围的应变而增加。mXG41 %和mXG43 %样品的破坏 应变值非常低，但模量仍然高，参见表3,表明XG链之间强的分子间相互作用。
[0101] 热机械研究（图6)掲示，源自酸角的未经修饰的XG显示在26rC玻璃转化之前储存 模量稍微增加。相反，经修饰的XG显示在达到玻璃转化溫度之前储存模量稳定降低。该差异 是由于由半乳糖去除引起的经修饰的XG中分子移动性的差异。随着去除半乳糖，玻璃转化 溫度从源自酸角的未经修饰的XG的26rC增加至280°C (图6)。运与因为XG支链缩短而引起 的聚合物中空隙体积减少一致。
[0102] 在干燥条件和80%畑下，源自酸角的未经修饰的XG和经修饰的XG膜的氧气屏障性 能示于表4,其提供了氧气传输速度(cmV 2天-1)和氧气通透率(cm3皿V2天-Ik化-1)。注意到 与聚乙締醇(PVOH)的比较。在干燥状态，源自酸角的未经修饰的XG和经修饰的XG都显示小 于Icm 3皿V-2天-Va-I的非常低的氧气通透率。
[010；3]表 4
[0104]
[010引 a:运些膜的OTR低于0.0 OScm3Hf巧-1的检测极限
[0106] 在80%RH，氧气通透率随着半乳糖侧基的去除而稳定降低。对于处理了 51个小时 的样品中的最佳样品，渗透性相比源自酸角的未经修饰的XG降低了8倍。
[0107] 在潮湿气氛中，未经修饰的木葡聚糖中木糖和半乳糖的侧边糖支链水合，其造成 由所述木葡聚糖制备的膜吸收水分，从而引起分子塑化效应。
[0108] 木葡聚糖可被认为是水溶性的，尽管单独的链并没有完全水合(D R Picout,等 人，Biomacromolecules，2003,4，799)。从实践角度看，高摩尔质量的XG充分可溶，从而作为 水溶液处理。侧链的存在-单一木糖和两个环木糖-半乳糖的组合-对XG的水合和溶解性具 有显著作用(Urakawa，2002)。酶性去除半乳糖侧链导致XG链的聚集。由于半乳糖去除的量 增加，所得材料不溶于水。
【主权项】
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摩尔％的半乳糖残基。2. 根据权利要求1的膜，其特征在于所述木葡聚糖包含至多10摩尔％的半乳糖残基。3. 根据权利要求1至2任一项的膜，其特征在于所述膜在80%RH和23°C的氧气通透率不 大于 7cm3ymV-2 天-hPa-1。4. 根据权利要求1至3任一项的膜，其特征在于所述膜在80%RH和23°C的氧气通透率不 大于 3cm3ymV-2 天-hPa-1。5. 根据权利要求1至4任一项的膜，其特征在于所述膜在80%RH和23°C的氧气通透率不 大于 2cm3ymV-2 天-hPa-1。6. 根据权利要求1至5任一项的膜，进一步包含增塑剂如甘油、木糖醇、山梨醇、麦芽糖 醇、蔗糖、葡萄糖、果糖、木糖、聚乙二醇、丙二醇、丁二醇、丙三醇、脲或其任意组合。7. 根据权利要求1至6任一项的膜，进一步包含无机或有机纳米颗粒，如二氧化硅纳米 颗粒;粘土、如钠-蒙脱石、高岭石、绿泥石和云母;纳米原纤维化纤维素；和纤维素纳米晶 体。8. 根据权利要求1至7任一项的膜，进一步包含其它聚合物，包括但不限于半纤维素、木 质素、木质素磺酸盐、纤维素衍生物、淀粉和其它生物聚合物或合成聚合物。9. 根据权利要求1至8任一项的膜，其中所述木葡聚糖具有的分子量为至少10kDa。10. 根据权利要求1至9任一项的膜，其中所述木葡聚糖具有的分子量为至少lMDa。11. 根据权利要求1至10任一项的膜，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. 根据权利要求1至11任一项的膜，其中所述膜包含至少50wt%的木葡聚糖，以所述 膜的干重计。13. 制备根据权利要求1-12任一项的膜的方法，所述方法包括 a) 将木葡聚糖溶解于溶剂中， b) 从所述木葡聚糖链去除侧链半乳糖残基以得到经修饰的木葡聚糖， c) 制备步骤b)得到的经修饰的木葡聚糖的膜。14. 根据权利要求13的方法，其中步骤a)中的溶剂为水。15. 根据权利要求13或14的方法，其中步骤b)中侧链半乳糖残基的去除是通过使溶解 的木葡聚糖与酶，如β-半乳糖苷酶反应进行的。16. 根据权利要求13至15任一项的方法，其中步骤b)得到的经修饰的木葡聚糖在乙醇 中》几$疋。17. 根据权利要求13至16任一项的方法，其中步骤b)得到的经修饰的木葡聚糖在机械 匀化的情况下再溶于水，或再溶于有机溶剂、离子溶剂、离子液体、或这些溶剂彼此之间的 混合物或这些溶剂与水的混合物。18. 根据权利要求13至17任一项的方法，其中步骤c)中的膜是通过浇铸，如溶剂浇铸或 薄膜浇铸制备的;或通过涂覆制备的。19. 根据权利要求1至12任一项的膜作为氧气屏障的用途。20. 根据权利要求19的用途，其用于食品包装。
【文档编号】C09D105/14GK105873991SQ201480059690
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年10月29日
【发明人】J.J.科库马拉伊尔, L.伯格伦德
【申请人】切卢特克股份公司