全 文 ：野皂荚胚乳细胞多糖胶破壁释放过程研究
蒋建新1　菅红磊1　张卫明2　朱莉伟1　孙达峰2
(1北京林业大学材料科学与技术学院 , 林业生物质材料与能源教育部工程研究中心　2 南京野生植物综合利用研究院)
摘要:该文研究了野皂荚种子胚乳微观结构和细胞多糖胶的破壁释放过程。结果表明:多糖胶以细胞壁加厚的方
式贮存在细胞壁上 ,细胞壁加厚明显 , 细胞形态多为长条形;原生质体收缩加重 , 可见到质壁分离和胞间连丝。通
过对胚乳细胞水合和挤压破壁 ,多糖胶的黏度可提高 61.7%,水合时最佳加水比为 1.1 , 多糖胶破壁释放增黏时 , 下
对轧辊间隙为 0.10 mm;制粉时制粉机工作温度应控制在 40 ～ 50℃,最佳接粉率为 80%。原多糖胶粒径为 200目时
胶液黏度最大 ,而增黏多糖胶粒径为 150 目左右时胶液黏度达到最大值。血球记数板检测表明 , 增黏多糖胶中完整
胚乳细胞个数比原多糖胶少 35%。
关键词:野皂荚;胚乳细胞;多糖胶;破壁释放
中图分类号:S713　　文献标志码:A　　文章编号:1000-1522(2009)增刊 1-0071-06
JIANG Jian-xin1;JIAN Hong-lei1;ZHANG Wei-ming2;ZHU Li-wei1;SUN Da-feng2.Process of
polysaccharide gum release from Gleditsia microphylla seed endosperm by cell disruption.Journal of
Beijing Forestry University (2009)31(Supp.1)71-76 [ Ch , 10 ref.]
1 College of Materials Science and Technology , Engineering Research Centre of Forestry Biomass Materials &
Bioenergy of Ministry of Education , Beijing Forestry University , 100083 , P.R.China;
2 Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants , 210042 , P.R.China.
The endosperm microstructure and the release of polysaccharide gum by cell disruption from Gleditsia
microphylla seeds were studied.The results showed that the polysaccharide gum accumulated on the cell wall
through thickening cell wall , and the thickening was obvious.The cells were largely stick-shaped.Plasmolysis
and plasmodesma were observed because of shrinkage of the protoplasts.The viscosity of 1% polysaccharide
gum solutions had been improved by 61.7%by pressing the hydrated endosperm.The optimum ratio of water
to endosperm in the hydration was about 1.1.The clearance between lower rolls of roller machine was about
0.10mm.In the grinding process , the temperature of grinder was controlled at 40-50℃, and the optimum
powder receiving rate was 80%.The size of the maximum viscosity of primary polysaccharide gum was 200
meshes, and that of polysaccharide gum after cell-disruption release was 150 meshes.The analyses by
hemocytometer showed that the number of complete endosperm cells in the polysaccharide gum after cell-
disruption release was about 35% lower than that in the primary polysaccharide gum.
Key words　Gleditsia microphylla;endosperm cell;polysaccharide gum;cell-disruption release
　　收稿日期:2008-10-18
http: www.bjfujournal.cn , http: journal.bjfu.edu.cn
基金项目:国家自然科学基金项目(30771685)、“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD06B05)。
第一作者:蒋建新 ,博士 ,副教授。主要研究方向:林产化工及生物质能源。电话:010-62338152　Email:jiangjx@bjfu.edu.cn　地址:100083
北京林业大学材料科学与技术学院。
　　野皂荚(Gleditsia microphylla),又名胡里豆 、马机
饼等 ,主产于太行山 ,生长于向阳干燥的山坡或路
边 ,分布于河北 、河南 、山西 、山东 、陕西等地 ,为多年
生灌木 。荚果扁薄 ,长 3 ～ 6 cm ,宽 1 ～ 2 cm ,红棕色
至深褐色;种子 1 ～ 3 颗 ,扁卵形或长圆形 , 褐棕
色[ 1] 。野皂荚具有抗干旱 、耐瘠薄 、适应性强等特
点 ,在太行山地区分布广泛 ,资源丰富 ,是石质山地
阳坡的主要树种;野皂荚具有较高的水土保持效益 ,
可截留降雨 ,削减雨水的冲刷力 ,起到调节地表径
流 、控制水土流失的作用;该树种发达的主根可以沿
基岩的表面横向生长 ,遇到岩石缝就会顺石缝扎根 ,
主根可沿岩石缝隙深入地下 5 ～ 6 m ,能够有效的固
第 31 卷　增刊 1
2009 年 1月
北 京 林 业 大 学 学 报
JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY
Vol.31 , Supp.1
Jan., 2009
DOI :10.13332/j.1000-1522.2009.s1.039
定土壤;野皂荚具有较强的萌芽力 ,每丛萌生枝条 6
～ 10 根 , 堆放 5 年的野皂荚种子发芽率仍达到
55%[ 2] 。据河北省涉县林业资源调查资料显示 ,太
行山区野皂荚资源丰富 ,在区域内的各个山场均有
分布 ,且多为野生 , 目前已培植开发野皂荚 2 万
hm2 。
近年来 ,皂荚属(Gleditsia)多糖胶资源的开发利
用受到国内外学者的普遍关注和重视[ 3-6] 。野皂荚
是我国重要的皂荚属资源之一 ,其种子中含有丰富
的半乳甘露聚糖胶。关于多糖胶的结构 、性质和分
离提取工艺已有文献报道[ 7-9] 。多糖胶存在于豆科
植物种子的胚乳中 ,胚乳不仅为种子早期萌发过程
中幼胚提供营养物质和能量 ,而且起着吸水 、保水作
用 ,成熟种子胚乳中半乳甘露聚糖含量大于 60%。
本文采用电子显微镜对野皂荚胚乳细胞进行微观结
构观察 ,并研究胚乳细胞中多糖胶的释放过程 ,以期
为野皂荚多糖胶的研究 、生产和应用提供依据 。
1　材料与方法
1.1　材料与仪器
野皂荚种子由河北省涉县林业局提供 ,风干保
存。野皂荚胚乳片取自于多糖胶分离中试生产线 ,
胚乳片中不含种皮 、子叶和其他杂质 ,密闭封存。
试验仪器包括超级恒温水浴 、电子天平 、烘箱 、
离心机 、真空干燥箱 、OLYMPUS BH-2 光学显微镜 、
血球计数板(25×16型)、电动分级筛 、万能粉碎机 、
ZNN-D6电动旋转黏度计 、PHILIPS SEM-505型扫描
电镜 、HITACHI H-600型透射电镜 、LKB-5型超薄切
片机 、水合搅拌机(自制)、对辊破壁增黏机(自制)和
FW-400涡轮粉碎制粉机 。
1.2　胚乳细胞微观结构观察
1)将种子划破皮后在 45℃温水中浸泡 12 h ,手
工剥离种皮 、取出胚乳。胚乳直接切片或在 2%HCl
中解离 2 min再进行压片 ,用 70%亚甲基兰染色后
在光学显微镜 40倍物镜下观察细胞的形态 ,目镜测
微尺测定细胞的大小和细胞壁厚度 ,分别测定 20个
细胞 ,计算平均值。
2)将上述样品分别置 30%、50%、70%、90%、
100%的乙醇溶液中 10 min(重复 2 次)。用无水乙
醇与醋酸异戊脂体积比 1∶1 、1∶2及纯醋酸异戊脂分
别置换10 min。临界点干燥仪干燥 ,黏台 ,离子测射
仪喷金 ,扫描电镜观察 、拍片。
3)样品经 4%戊二醛固定 4 h , 0.1 mmol L 磷酸
缓冲液清洗 3 次 ,每次 0.5 h;1%锇酸固定 2 ～ 4 h ,
0.1mmol L 磷酸缓冲液清洗 3 次 ,每次 0.5 h;30%、
50%、70%、90%乙醇脱水各15 min ,无水乙醇脱水 2
次 ,各 0.5 h;用无水乙醇与环氧丙烷体积比 1∶1 、1∶2
及纯环氧丙烷分别置换 0.5 h;纯环氧丙烷与
Epon812包埋剂体积比 1∶1 、1∶2各渗透 1次 ,每次 2
h ,纯包埋剂渗透过夜;包埋聚合温度与时间分别为
35℃时 12 h 、45℃时 12 h 、60℃时 24 h;修块 ,超薄切
片机切片;醋酸铀 、柠檬酸铅双染色 ,透射电镜观察 、
拍片。
1.3　胚乳多糖胶释放试验
胚乳吸水膨胀(水合)试验:称量 20 g 胚乳片 ,
加入一定比例水 ,测定加水比(水与胚乳质量比)、水
合温度 、时间 、搅拌速度等对胚乳片水合体积膨胀比
的影响 。
胚乳细胞破壁多糖胶释放试验:每次称量 200 g
胚乳片 ,在胚乳吸水膨胀(水合)试验得到的最佳条
件下水合 ,调整对辊破壁增黏机上对轧辊间隙 0.2
mm ,下对轧辊间隙分别为 0.06 、0.08 、0.10 、0.12 、
0.14 、0.16 、0.18 mm , 进行细胞多糖胶破壁释放试
验 。将上 、下对轧辊间隙调整为 0.15和 0.10mm ,分
别将不同加水比(0.8 、0.9 、1.0 、1.1 、1.2)的胚乳进行
细胞多糖胶破壁释放试验。胚乳细胞破壁处理的物
料经 80℃烘干至含水率为 10%～ 12%,粉碎后过
120目筛 ,进行多糖胶水不溶物含量和 1%(质量分
数)胶液黏度的测定[ 10] 。
多糖胶制粉试验:称量 500 g 胚乳片 ,加水比
1.1 ,对辊破壁增黏机上 、下对轧辊间隙调整为 0.15
和 0.10mm ,进行破壁挤压处理 ,经 80℃气流烘干至
含水率为 15%～ 20%,用带冷却(加热)夹套的 FW-
400涡轮粉碎制粉机在不同工作温度下进行制粉试
验 。比较 5 ～ 80℃不同工作温度对产品 1%胶液黏
度的影响。调整制粉接收率(简称接粉率 ,是经过制
粉机获得多糖胶粉干重与原料胚乳片干重之比),测
定接粉率对聚糖保留率和多糖胶水不溶物含量的
影响。
聚糖保留率=制粉后样品聚糖质量制粉前样品聚糖质量×100%
野皂荚胚乳片直接研磨制粉得到的产品称为原
多糖胶 ,胚乳片经水合挤压和破壁释放后再制粉得
到的产品称为破壁释放多糖胶 ,又称为增黏多糖胶。
1.4　多糖胶粒径 、胚乳细胞数与黏度关系测定
分别取 100 g 多糖胶 、增黏多糖胶用电动振动筛
测定(120 ～ 240目)胶粉粒径分布 ,用 ZNN-D6型电
动旋转黏度计测定各粒径区段的 1%胶液黏度 。分
别取各粒径区段胶粉 0.1 g 分散于 5 mL 75%乙醇
中 ,用希里格式血球计数板在显微镜下测定并计算
样品中完整胚乳细胞的数量;根据计数板上 5中格
(80小方格)的完整胚乳细胞数 ,计算每克胶粉中完
72 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷
整胚乳细胞数量 。
参照文献[ 10]对原多糖胶和增黏多糖胶的 1%
胶液黏度 、pH值 、水不溶物 、聚糖 、蛋白质和灰分含
量等性能指标进行分析评价。
2　结果与分析
2.1　胚乳细胞微观结构
成熟种子的胚乳为无色半透明的胶状物 ,较坚
硬 ,吸水可膨胀 。光学显微镜观察胚乳的最外层是
糊粉层 ,该层细胞形态轮廓完整 ,细胞近等径 ,排列
紧密 ,其大小明显小于其余胚乳细胞 ,细胞核显著 ,
胞质浓厚;其余胚乳细胞的壁较厚 ,原生质体被挤压
收缩成很小的不规则形状 ,细胞腔内绝大部分由多
糖所充填 ,细胞壁常彼此连接成片 ,界线不清 。原生
质残留物中可见有细胞核和核仁 。胚乳切片用 2%
HCl解离 2 min ,取出并置于载玻片上压片 ,显微观
察到胚乳细胞较清楚 ,形态多为长条形 ,细胞不易被
水解 、压破 ,较完整 ,细胞质较饱满 ,用目镜测微尺测
得细胞的平均长 48.0μm 、宽 32.5μm 、壁厚 3.8μm 。
扫描电镜(SEM)观察胚乳断面 ,可以看到均质
区和填有颗粒的孔隙区。均质区为半乳甘露聚糖
胶 ,颗粒为蛋白颗粒和其他物质;靠近种皮一侧的胚
乳细胞小 ,细胞核大 , 深层的胚乳细胞逐步变大 。
SEM 观察胚乳正面和反面 ,看到与种皮相接面(即正
面)的胚乳细胞排列整齐 ,细胞壁下陷;与子叶相接
面(即反面)的细胞壁凸出 ,表明种子胚乳层的正反
面分别与种皮下表面和子叶表面的细胞相互嵌合 。
胚乳表面有一层薄薄的覆盖层 ,无法很清楚地观察
到细胞颗粒。这与野皂荚多糖胶中水不溶物含量高
有关 。推测胚乳表面的覆盖层可能是种子的内种皮
(图 1)。
图 1　种子胚乳扫描电镜图
FIGURE 1　SEM of seed endosperms
　
透射电镜(TEM)观察种子胚乳横切面和纵切
面 ,看到糊粉层细胞核较大且核仁显著 ,液泡小 ,线
粒体与粗面内质网较多 ,两个相邻的糊粉层细胞的
侧壁呈明显的凹凸起伏状;其余的胚乳细胞经醋酸
铀和柠檬酸铅染色反应表明多糖胶贮存在细胞壁
上 。由于多糖的大量沉积 ,原生质体收缩加重 ,可见
到质壁分离 ,并且多糖胶在细胞壁上的沉积是不均
匀的 ,细胞初生壁 、较完整的细胞内腔 、细胞空隙区
比例较大 、存在胞间连丝等(图 2)。
图 2　胚乳切面透射电镜图
FIGURE 2　TEM section of seed endosperms
　
2.2　胚乳多糖胶释放过程
2.2.1　胚乳吸水膨胀(水合)过程
水合是胚乳细胞破壁释放增黏的前提和关键 ,
所谓水合就是使胚乳片充分吸水膨胀而富有弹性。
图 3显示了在不同加水比的条件下胚乳体积膨胀比
的变化。在低加水比(水与胚乳质量比 0.2 ～ 0.4)
时 ,胚乳片体积膨胀不明显;当加水比达到 0.6 ～ 1.0
时 ,胚乳片的体积膨胀率较大;当加水比大于 1.2
时 ,胚乳片吸水后的体积增加到 340%后几乎不再
增加。除加水比外 ,水合时间 、温度和搅拌速度也是
水合过程需要考察的影响因素 。试验过程中发现 ,
胚乳片在加水初期如果不连续搅拌 ,胚乳片很容易
黏合在一起 。这是胚乳表面部分多糖溶于水所引起
的 ,因此水合时应进行连续搅拌 ,以确保胚乳片之间
不相互黏合 ,使胚乳片吸水均匀 ,提高水合速度 。胚
乳片充分水合所需的时间不大于 1.5 h ,水合时间过
长会引起细菌繁殖 ,导致部分聚糖降解而影响产品
黏度 。适宜的水合时间可以通过调节水温来控制 ,
一般不宜大于 1 h。经试验胚乳片的最佳水合工艺
73　增刊 1 蒋建新等:野皂荚胚乳细胞多糖胶破壁释放过程研究
参数为:加水比 1.1 ,水合温度 50℃, 水合时间 50
min ,水合时连续搅拌 。
图 3　加水比对胚乳片水合体积的影响
FIGURE 3　Effect s of water rate on the volume
of the hydrated endosperms
　
2.2.2　胚乳细胞多糖胶破壁释放过程
用于细胞破壁释放增黏工艺试验的对辊破壁增
黏机主要部件有喂料机构 、上对轧辊 、下对轧辊 、传
动装置 、刮料装置 、调节机构和机架等。对辊破壁增
黏机的工作原理是:水合胚乳片首先由喂料机构均
　　
匀地喂入上对轧辊进行预挤压破壁 ,然后经刮刀铲
下进入下对轧辊挤压破壁;每对轧辊分主动辊和从
动辊 ,主动辊与从动辊的间隙可以控制在 0.2mm以
下 ,且主动辊与从动辊为差速转动 ,水合胚乳片在受
到挤压作用的同时又受到拉伸作用 ,从而打破细胞
的原有结构 。图 4表明 ,当下对轧辊间隙减小时 ,多
糖胶的黏度逐渐提高;当下对轧辊间隙调至 0.08 ～
0.10 mm 时 ,多糖胶黏度达到较大值 ,再进一步调小
间隙则黏度增加不大;增黏多糖胶的黏度比原多糖
胶提高 60%以上 。加水比对多糖胶黏度的影响试
验表明 ,当加水比小于或等于 0.9时 ,多糖胶的增黏
幅度低于 30%;提高加水比 ,多糖胶黏度逐渐增加 ,
直至加水比达到 1.1 ,多糖胶黏度增加到最大值(图
4)。试验中观察到正常控制条件下 ,水合胚乳片经
对辊破壁增黏机挤压后物料呈雪花片状;当加水比
偏小时物料成粉状或粒状;当加水比大于 1.3时 ,物
料产生黏辊堵塞现象 ,导致破壁释放过程不能正常
进行。
图 4　对辊间隙和加水比对多糖胶黏度的影响
FIGURE 4　Effects of roller clearance and hydration rate on the polysaccharide gum viscosity
　
2.2.3　多糖胶制粉过程
由图 5 可知 , 胚乳中间体在较低温度(小于
20℃)下制粉 ,多糖胶黏度值未达到其最高值;制粉
温度大于 30℃时 ,其黏度达到了较高值;当制粉温
度在 40 ～ 60℃,黏度最大;当温度超过 70℃,黏度又
有所下降。在较低温度下制粉时 ,制粉机对物料的
作用是脆性打击 ,有可能降低多糖的分子量;而且多
糖胶不耐高温 ,制粉时要降低制粉机的工作温度 ,以
避免多糖胶质量下降 。制粉机在高速运转过程会因
摩擦而生热 ,最高工作温度可达 80 ～ 85℃。试验表
明 ,提高物料进机含水率可降低工作温度。一般物
料进机含水率 20%左右时 ,工作温度为 40 ～ 50℃,
可达到理想制粉工艺过程 。调整制粉时接粉率的试
验表明(图 6),当提高成品接粉率 ,聚糖保留率随之
升高 ,但二者不呈线性比例关系 ,接粉率为 80%时
聚糖保留率已高达 94%。说明胚乳破壁增黏中间
体在制粉时通过调节接粉率可以去除一部分非多糖
杂质成分 ,因此制粉过程也是多糖胶进一步纯化的
过程 ,最佳接粉率可控制到 80%左右。
图 5　制粉温度对多糖胶黏度的影响
FIGURE 5　Effects of grinder temperature on
polysaccharide gum viscosity
　
2.3　多糖胶粒径与胚乳细胞数 、黏度的关系
由表1可以看出 ,随着胶粉粒径减小 ,原多糖胶
74 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷
图 6　接粉率对聚糖保留率的影响
FIGURE 6　Effects of powder receiving rate on
polysaccharide reservation
　
与增黏多糖胶中完整胚乳细胞个数减小;同一粒径
范围内增黏多糖胶中完整胚乳细胞数是其原多糖胶
的约 2/3。随着胶粉粒径的减小 ,原多糖胶的胶液
黏度升高 ,直至 220目以后黏度才有所下降;增黏多
糖胶粉在 150目左右即达到黏度最大值 。以上黏度
变化规律与胶粉中完整胚乳细胞个数有关 ,原多糖
胶粒径越大 ,表面积越小 ,完整胚乳细胞数越多 ,剖
断的细胞数越少 ,水的浸透和多糖胶的水合作用越
慢。尽管细胞初生壁很薄 ,但细胞初生壁这一屏障
仍影响多糖胶从细胞中溶解渗出 ,导致黏度降低;反
之 ,粒径越小 ,完整胚乳细胞数越少 ,表面积扩大 ,多
糖胶从细胞内渗出快 ,提高了黏度 ,但粒径也不宜过
细 ,否则胶在溶解过程中会因为在水中可能团结成
“包胶块”而降低黏度 。通过物理作用进行胚乳细胞
的破壁释放 ,在保持产品较大粒径的同时减少了多
糖胶中的完整胚乳细胞数 ,从而达到多糖胶释放增
黏的效果 。
表 1　多糖胶粒径对胚乳细胞数和黏度的影响
TABLE 1　Effects of different meshes of polysaccharide
gum on the number of endosperm cells and viscosity
粒径 目 胚乳细胞数 (10
7 个·g -1) 1%胶液黏度 (mPa·s)
原多糖胶 增黏多糖胶 原多糖胶 增黏多糖胶
120～ 140 6.00 3.40 81 189
140～ 160 4.88 2.50 96 204
160～ 180 4.48 2.30 114 201
180～ 200 4.32 2.20 123 183
200～ 220 3.76 2.25 123 171
220～ 240 3.44 2.12 117 165
>240 2.96 2.10 93 165
　　为使试验数据具有可比性 ,采用同一批野皂荚
种子分离出的胚乳片进行直接粉碎制粉和水合破壁
释放增黏后再制粉 ,产品细度全部通过 120目筛 ,然
后进行性能评价(表 2)。由表 2可知 ,与原多糖胶
相比 ,增黏多糖胶的黏度提高了 61.7%,聚糖含量
提高了 12.8%,水不溶物含量降低了 16.5%。经破
壁释放处理的增黏多糖胶液黏度 、水不溶物 、聚糖 、
蛋白质和灰分含量等性能指标均有较大程度的改
善 ,因此细胞多糖胶破壁释放过程是产品改性纯化
的有效方法 。
表 2　原多糖胶与增黏多糖胶的性质
TABLE 2　Properties of primary polysaccharide gum and
polysaccharide gum with enhanced viscosity
项目 黏度 (mPa·s)
水不
溶物 %
聚糖
含量 %
蛋白
质 % pH
灰分
%
原多糖胶 115 28.4 66.7 6.3 6.5 1.38
增黏多糖胶 186 23.7 75.3 4.1 6.5 1.05
3　结　　论
1)细胞显微观察表明 ,野皂荚胚乳为无色半透
明的胶状物 ,胚乳细胞壁加厚明显;胚乳细胞形态多
为长条形 ,细胞平均长 48.0μm 、宽 32.5 μm、壁厚
3.8μm 。
2)扫描电镜观察到野皂荚胚乳细胞的断面是由
均质区和填有颗粒的孔隙区组成 。胚乳横切面和纵
切面透射电镜分析表明:多糖胶以细胞壁加厚的方
式贮存在细胞壁上 ,由于多糖的大量沉积 ,原生质体
收缩加重 ,可见到质壁分离和胞间连丝。
3)胚乳片充分水合是胚乳细胞破壁多糖胶释放
增黏的关键 ,水合时最佳加水比为 1.1 ,胚乳片体积
膨胀到原体积的 340%。当对辊破壁增黏机上 、下
对轧辊间隙分别为 0.15和 0.10 mm时 ,胚乳细胞多
糖胶可以得到较好的破壁释放。制粉工作温度对多
糖胶的黏度有较大影响 ,通过调节物料水分控制 ,制
粉机工作温度在 40 ～ 50℃间 ,可使多糖胶黏度达到
理想值;胚乳片制粉过程也是多糖胶的提纯过程 ,多
糖胶接粉率 80%时 ,聚糖保留率已高达 94%,因此
多糖胶的最佳接粉率可控制在 80%左右。
4)野皂荚多糖胶产品中完整胚乳细胞数及对应
黏度比较表明 ,增黏多糖胶中完整胚乳细胞个数比
原多糖胶少 35%,原多糖胶粉粒径 200目时 ,其胶液
黏度最大;增黏多糖胶粉粒径 150目左右时其胶液
黏度最大。经破壁释放处理的增黏多糖胶液黏度比
原多糖胶液高了 61.7%,并且其水不溶物 、聚糖 、蛋
白质和灰分含量等性能指标均有较大程度的改善。
因此 ,细胞多糖胶破壁释放过程是产品改性纯化的
有效方法之一。
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(责任编辑　李　慧)
76 北　京　林　业　大　学　学　报 第 31卷