全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 052650204
魔芋辐照接枝丙烯酸及其产物吸水性能的研究
耿胜荣　林若泰　熊光权　李　新　张金木　陈玉霞　夏和舟
(湖北省农业科学院农产品加工与核农技术研究所 ,湖北 武汉　430064)
摘 　要 :研究了魔芋2丙烯酸辐照接枝共聚条件及产物的吸水性能 ,结果表明接枝最佳配方为 :魔芋粉∶丙
烯酸∶NaOH(915molΠL)∶水 = 3g∶21ml∶1718ml∶131ml。丙烯酸与魔芋粉配比为 7∶1 (体积质量比) ;丙烯酸
中和度 55 % ;辐照后胶体最佳烘干温度 30 ℃,该温度下 40～80 目颗粒吸水倍数较大 ,常温 120min 时达
最大吸水 86615 倍。温度对产物吸水和胶体保水有一定影响 ,以 60 ℃以下为宜。pH 对产物吸水倍数影
响明显 ,但不及离子浓度对产物吸水倍数的影响大。
关键词 :魔芋 ;丙烯酸 ;辐照 ;吸水倍数
THE PREPARATION AND WATER ABSORPTION OF A COPOLYMER FROM
KONJAC2GRAFT2ACRYLIC ACID BY IRRADIATION
GENG Sheng2rong 　LIN Ruo2tai 　XIONG Guang2quan 　LI Xin 　ZHANGJin2mu 　CHEN Yu2xia 　XIA He2zhou
( Institute for Farm Products Processing and Nuclear2Agricultural Technology , Hubei Academy of Agricultural Sciences , Wuhan , Hubei 　430064)
Abstract :The konjac and acrylic acid were grafted by 410kGy 60 Co γ2rays irradiation. The water absorption property of
copolymers was studied. The results showed that the optimum feed ratio was konjac powder∶acrylic acid∶NaOH(915molΠL) ∶
water = 3g∶21ml∶1718ml∶131ml. And the optimum reaction conditions : volumeΠmass ratio of acrylic acid and konjac was 7∶
1 , neutralization degree of acrylic acid was 55 % , gel drying temperature was 30 ℃. The copolymer particle size of 40～80
mesh had the largest absorption of water , up to 88615 times at room temperature. The water2absorption and water2holding
capabilities were affected by temperature , and were better at the termperater lower than 60 ℃. The water absorption was also
affected by pH and ion concentration of solution ,and the ion concentration was the main factor. The largest water absorption at
Na2 HPO42 citric acid buffer was only 1518 % of which in distilled water at the optimum pH = 61
Key words : Konjac ; acrylic acid ;irradiation ;water2absorption
收稿日期 :2007211208 　接受日期 :2007202223
基金项目 :湖北省农科院自立项目 ( (编号 200602)
作者简介 :耿胜荣 (19792) ,女 ,湖北红安人 ,硕士。Tel :027261352177 , E2mail :zaolight @1631com
通讯作者 :林若泰 (19532) ,男 ,湖北黄冈人 ,副研究员 ,研究方向为农产品辐照。Tel :027287389302　　魔芋 ( Amorphophallus)为天南星科魔芋属的多年生植物 , 其球茎中含有丰富的魔芋葡甘聚糖 ( konjacglucomannan ,KGM) 。KGM 是由 D2葡萄糖和 D2甘露糖以β21 ,4 糖苷键相连形成的高分子聚合物 ,每个葡萄糖或甘露糖残基上都含有 3 个醇羟基 ,能够在一定条件下 ,与含有乙烯基的单体进行接枝共聚反应 ,向分子结构中引人亲水性基团 ,生成水溶性 KGM 的衍生物[2 ] ,魔芋与丙烯酸辐照接枝共聚就是利用这个原理。 在辐照条件下 ,大量丙烯酸引入到葡甘聚糖醇羟基上 ,产物分子结构改变 ,较反应物魔芋本身具有更强的吸水性[3～5 ] 。邓霄等研究了魔芋与丙烯酸辐照接枝条件[4 ] ,本文在此基础上 ,对工艺条件进行了深入研究 ,进一步提高了接枝产物的吸水性能 ,并对接枝产物吸水和保水特性进行了研究 ,为魔芋2丙烯酸辐照接枝产物作为高吸水材料的应用提供依据。
056　 核 农 学 报　2008 ,22 (5) :650～653Journal of Nuclear Agricultural Sciences
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1 　材料和方法
111 　试剂及仪器设备
魔芋精粉 ,含葡甘聚糖 60 % ,恩施宏业魔芋有限
公司 ;丙烯酸、NaOH、Na2 HPO4 、柠檬酸 ,均为分析纯 ,购
自上海实验试剂有限公司。
60 Coγ辐照源 ,湖北省辐照实验中心 ,活度 1111 ×
1016Bq。
电热鼓风干燥箱 (CS10121E) ,重庆四达试验设备
有限公司 ;电热恒温水浴锅 (XMTD26000) ,北京长风仪
器仪表公司 ;通风橱 ;磁力加热搅拌器 (CJJ7821) ,金坛
市大地自动化仪器厂 ;电子天平 ( FA1104N、YP601N) ,
上海精密科学仪器有限公司 ; pH 计 ( PHSJ24A) ,上海
精密科学仪器有限公司 ;台秤 ;筛子 ;高速万能粉碎机
(FW2100) ,郑州市阳华盛仪器厂。
112 　辐照接枝产物的制备过程
11211 　按文献[4 ] 接枝共聚反应工艺进行。魔芋粉、
水、丙烯酸、NaOH 以一定比例混合成胶 ,混合条件为
加热搅拌 ,胶体转移至真空袋内 ,充氮气封口 ,送至辐
照室 410kGy 辐照后 ,用蒸馏水冲洗辐照后的胶体 ,切
片 ,烘干 ,粉碎 ,过筛成 20～140 目颗粒 ,待用。水的加
入量以丙烯酸 (ml) ,NaOH(ml) 及水 (ml) 三者体积和为
200 (ml)得出。
11212 　中和度试验 　中和度即 NaOH 中和丙烯酸的
摩尔百分数。以文献 [ 4 ]报道的中和度 60 %为基础 ,
经前期预实验 ,设计中和度梯度 45 %、50 %、55 %和
60 % ,其中魔芋粉 3g ,丙烯酸 15ml 参照文献不变 ,调节
NaOH的量至以上中和度。以产物吸水倍数最高为指
标筛选最佳中和度。
11213 　单体配比试验　单体 (有聚合能力的低分子原
料称单体 ,本试验中单体即丙烯酸)配比即丙烯酸体积
数与魔芋粉质量数的比值 ,参照文献[4 ] ,设计单体配比
梯度 4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1 和 9∶1 ,并加不同量 NaOH 调
到实验得到的最佳中和度 ,其中魔芋粉重量为 3g 不变。
以产物吸水倍数最高为指标筛选最佳配比。
11214 　加水量试验　以文献 [ 4 ]水加入量 200ml 为对
照 ,设 161ml、131ml 和 101ml 梯度 ,其中魔芋粉 3g ,丙烯
酸和 NaOH的用量以 11212 和 11213 的最佳单体配比
和中和度实验得出。以产物吸水倍数最高为指标筛选
最佳用水量。
11215 　干燥温度试验 　按最佳中和度、单体配比、加
水量组合制备魔芋丙烯酸辐照接枝产物 , 辐照后胶体
烘干 ,粉碎 ,过筛成 20～120 目颗粒 ,设置 30 ℃～80 ℃
烘干温度梯度试验 ,比较不同烘干温度及不同颗粒大
小吸水倍数 ,确定最佳烘干温度和颗粒大小。
113 　接枝产物吸水性能
11311 　温度对产物吸水的影响试验 　制样与烘干温
度 (最佳烘干温度) 见 11215 ,粉碎成 40～80 目颗粒 ,
40、60、80 目颗粒按 1∶1∶1 质量比混合待用。设计 30 ℃
～80 ℃水浴温度梯度 ,研究产物在不同温度下的吸水
和失水性能。
11312 　常温下产物吸水速度试验[6 ,7 ] 　称取 11216 制
备的颗粒 1g ,加 1000ml 水 ,记录 24h 内不同时刻的胶
体质量 ,绘制吸水速度曲线。
11313 　产物在不同 pH值中吸水试验　称取 11216 制
备的颗粒 1g ,加入 1000ml pH 分别为 4、5、6、7 和 8 的
Na2 HPO42柠檬酸缓冲液中 ,待完全溶解后称量胶体重 ,
以加入蒸馏水为对照。缓冲液配制 :浓度为 012molΠL
Na2 HPO4 和 011 molΠL 柠檬酸溶液以不同体积比混合 ,
pH 4～8 对应的 Na2 HPO4 溶液与柠檬酸溶液体积比依
次为 : 7171 ∶12129、10130 ∶9170、12163 ∶7137、16147 ∶
3153、19145∶0155。
114 　吸水倍数测定方法
按文献[4 ]中的方法测定吸水率。
2 　结果与分析
211 　辐照接枝产物的制备条件筛选
21111 　中和度对产物吸水倍数的影响 　单体合成聚
合物的反应过程称为聚合反应 ,一种单体的聚合反应
称均聚。中和度偏低 ,丙烯酸在辐照过程中易发生均
聚反应 ,产物吸水倍数低 ;中和度高 ,则碱性环境离子
强度大 ,接枝产物分子链不易伸展 ,吸水差。由表 1 可
见 ,各中和度样品吸水倍数差异显著 ,以 55 %中和度
产物吸水倍数最高 ,因此 ,中和度 55 %最好。
21112 　单体和魔芋粉配比对接枝产物吸水倍数的影
响 　随着丙烯酸添加量增加 ,产物中羧基的数量增加 ,
与 KGM 接枝率增加 ,三维网状结构逐渐形成 ,吸水倍
数增大 ,当丙烯酸添加过量 ,均聚大于接枝 ,反而使吸
水率降低。配比 7 吸水倍数达 570 倍 ,显著高于其他
处理 (表 2) 。可见 ,配比 7 效果最好 ,即魔芋粉与丙烯
酸的质量体积比为 1∶7。
21113 　加水量对产物吸水倍数的影响 　加水量由
200ml 递减至 131ml 时 ,吸水倍数递增 ,当继续减少至
101ml 时 ,吸水倍数反而下降 (表 3) 。原因是水量过多
阻碍了单体丙烯酸与魔芋粉 KGM 分子的醇羟基充分
接触 ,最终影响接枝效果 ,而水量过少 ,魔芋粉 KGM 大
156　5 期 魔芋辐照接枝丙烯酸及其产物吸水性能的研究
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分子不能充分溶胀从而暴露醇羟基基团 ,也影响接枝
效果 ,故吸水倍数均不高。在本试验条件下以 131ml
水加入量效果最好。
表 1 　中和度对接枝产物吸水倍数的影响
Table 1 　Effect of neutralization degree of acrylilc acid on water2absorption of grafted product
中和度 neutralization degree ( %) 45 50 55 60
吸水倍数 water2absorption time 309 ±11. 5 d 352 ±9. 0 c 427 ±9. 5 a 390 ±10. 3 b
表 2 　单体配比对接枝产物吸水倍数的影响
Table 2 　Effect of monomer concentration on water2absorption of grafted product
丙烯酸∶魔芋 acrylic acid∶konjac (volumeΠmass) 3 4∶1 5∶1 6∶1 7∶1 8∶1 9∶1
吸水倍数 water2absorption time 320 ±15. 0d 400 ±11. 3c 430 ±11. 1b 570 ±9. 5a 284 ±9. 3e 0
表 3 　蒸馏水加入量对接枝产物吸水倍数的影响
Table 3 　Effect of water2quantity on water2absorption of grafted product
加水量 water added(ml) 200 161 131 101
吸水倍数 water2absorption time 582 ±12. 1c 609 ±11. 5b 650 ±8. 0a 445 ±9. 3d
注 :魔芋粉 3g ,丙烯酸 21ml ,NaOH(9. 5molΠL) 17. 8ml。
Note :konjac powder 3g , acrylic acid 21ml , NaOH(9. 5molΠL) 17. 8ml.
21114 　干燥温度及产物粒径对吸水性能的影响 　胶
体在不同温度干燥粉碎后 ,20～120 目颗粒的吸水倍
数如图 1 所示。干燥温度上升产物吸水倍数下降 ,
30 ℃烘干产物吸水倍数最高 ,达 88518 倍 ,60 ℃以上干
燥温度产物吸水倍数下降最明显 ,为 30 ℃的 40 %左
右。颗粒大小对吸水倍数有影响 ,30 ℃烘干产物以 40
～80 目颗粒吸水倍数较大 ,80 目以上颗粒吸水倍数下
降。由此可见 ,烘干温度 30 ℃为宜 ,颗粒大小 40～80
目。
图 1 　干燥温度和产物粒径对接枝产物吸水性能的影响
Fig. 1 　Effect of drying temperature and particted size
on water2absorption of grafted product
干燥温度对吸水倍数影响明显的原因可能是 ,当
温度过高且水分存在时 ,温度对形成的接枝聚合物大
分子的结构或构型有所改变 ,亲水效果差 ,致使吸水倍
数下降。当聚合物为干粉时 ,分子构型固定 ,破坏的可
能性较小。颗粒大吸水快 ,但比表面积小 ,所以吸水倍
数小 ,分子太小可能对结构有破坏 ,吸水倍数也不太
大。温度和颗粒对吸水的具体影响有待从分子结构方
面作深入的分析。
212 　接枝产物的吸水性能
21211 　温度对接枝产物保水性的影响 　产物在不同
温度下的吸水倍数见图 2 ,60 ℃以下温度时产物吸水
保持在 710 倍左右 ,而 60 ℃以上温度时产物吸水性能
略有下降。
图 2 　温度对接枝产物吸水性能的影响
Fig. 2 　Effect of temperatureon on water2absorption
property of grafted product
产物在不同温度蒸馏水中吸胀后 ,胶体在 24h 内
失水情况见图 3。吸胀胶体在前 2h 失水快 ,为总失水
的 50 %以上 ,但不同温度间区别不大。2h 后失水速度
减慢 ,但温度间失水差距加大 ,至 24h 时 ,70 ℃、80 ℃失
水 11115g 和 13817g ,分别为 30 ℃的 181 %和 226 %。由
此可见 ,接枝产物吸胀和持水温度在 60 ℃以下为宜。
21212 　常温下产物吸蒸馏水的速度 　产物在前 60min
吸水倍数直线上升 ,60min 时吸水 81315 倍 ,达总吸水
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量的 9319 %。60min 至 140min 吸水倍数呈上升趋势 ,
但速度减慢 ,240min 后吸水下降。最大吸水倍数出现
在 140min 时 ,为 86615 倍。
图 3 　温度对吸水产物保水性能的影响
Fig. 3 　Effect of temperature on water keeping
ability after full water2absorption of grafted product
图 4 　室温下接枝产物的吸水过程
Fig. 4 　Water2absorption of grafted product
at room temperature
21213 　pH值及离子浓度对产物吸水倍数的影响 　随
pH的升高 ,对应的吸水倍数呈先升后降的趋势 ,在 pH
4 和 pH 6 处分别有最小和最大吸水倍数 4718 和 9412 ,
最小吸水倍数为最大吸水倍数的 5017 %。可见 ,pH对
产物吸水倍数影响明显 ,pH值为 6 最适合。
产物在 Na2 HPO42柠檬酸缓冲液中的最大吸水倍
数 9412 ,而在蒸馏水中的吸水倍数为 592 ,前者仅为后
者的 1518 % ,可见 ,在含离子多的盐溶液中的吸水倍
数较蒸馏水显著降低。
图 5 　pH对产物吸水倍数的影响
Fig. 5 　Effect of water pH on water2absorption
of grafted product
　　可见 ,离子浓度对吸水倍数的影响较 pH 大。产
物吸水环境适宜在蒸馏水或去离子水等含离子较少的
溶液中。
3 　小结
(1)在文献[ 4 ]基础上 ,对魔芋与丙烯酸辐照接枝
条件及共聚反应产物吸水性能进行了系统研究 ,优化
了辐照接枝反应条件。魔芋2丙烯酸辐照接枝反应最
佳条件为 ,魔芋粉∶丙烯酸 :NaOH (915molΠL) ∶水 = 3g∶
21ml∶1718ml ∶131ml。其中魔芋粉与丙烯酸配比为 1∶
7 ;NaOH与丙烯酸中和度 55 %。接枝产物的吸水性能
较文献[4 ]有明显提高 ,吸水倍数从 540 倍提高到 650
倍。
(2)研究结果表明 ,干燥温度对产物吸水倍数影响
明显。辐照后胶体最佳烘干温度为 30 ℃时 ,产物吸水
倍数高达 885 倍 ,较文献[4 ]的 540 倍增加了 345 倍。
(3)对产物吸水和保水特性的研究表明 ,最佳条件
下的接枝产物常温下 20min 产物吸水 670 倍 ,140min
时达最大吸水 86615 倍。温度对产物吸水和保水有明
显影响 ,温度为 60 ℃以下为宜。pH 对产物吸水倍数
影响明显 ,但不及离子浓度对产物吸水倍数的影响大。
在Na2 HPO42柠檬酸缓冲液中 ,以 pH 为 6 时的吸水倍
数最高 ,但仅为在蒸馏水中的 1518 %。
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