金錢菇多糖的流變學(xué)性質(zhì)研究

王軍輝,徐金龍,杜逸群,劉 詠,王 浩

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

金錢菇多糖的流變學(xué)性質(zhì)研究

王軍輝,徐金龍,杜逸群,劉 詠,王 浩

(合肥工業(yè)大學(xué)生物與食品工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

從金錢菇子實體水提殘渣中純化獲得了一個多糖組分JQPs,采用DHR-3型旋轉(zhuǎn)流變儀研究了JQPs溶液流變學(xué)性質(zhì),為其在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論支持。靜態(tài)流變學(xué)實驗結(jié)果表明,JQPs溶液流動指數(shù)n<1,為假塑性流體,濃度越高其假塑性越明顯。通過對溶液流動曲線的擬合,發(fā)現(xiàn)冪律方程可以作為描述JQPs溶液流動曲線的模型;動態(tài)粘彈性實驗表明JQPs溶液的G′和G″在1～100rad/s掃描頻率下與測試濃度和測試溫度均具有一定的相關(guān)性。一定溫度下,隨著濃度的增加,G′的增加速率超過G″,當濃度達到2.0%時曲線重合,開始形成弱凝膠。濃度為2.5%的JQPs溶液的G′和G″隨著溫度的升高而逐漸減小,在15℃時基本重合,開始形成弱凝膠。

金錢菇,多糖,流變學(xué),粘彈性

流變學(xué)是研究樣品在力的作用下,樣品所表現(xiàn)出來的由力觸發(fā)或者引起的某些流動行為變化和結(jié)構(gòu)變化[1]。研究溶液的流變學(xué)性質(zhì)主要包括靜態(tài)流變學(xué)和動態(tài)流變學(xué)性質(zhì)。靜態(tài)流變學(xué)研究樣品體系的流體類型,主要包括牛頓流體和非牛頓流體[2]。流體動態(tài)流變學(xué)主要是探討樣品體系在頻率掃描、溫度掃描和時間掃描下儲能模量G′和損耗模量G″的響應(yīng)變化值[3-5]。

多糖是由多個單糖分子通過糖苷鍵連接成的一種天然高分子聚合物[6-7]。目前,對于多糖的結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和生物活性都進行了大量的研究和報導(dǎo)[8-10],對多糖的研究已經(jīng)成為現(xiàn)代研究的一個熱點。多糖流變學(xué)性質(zhì)對多糖的提取工藝、結(jié)構(gòu)性質(zhì)和加工過程中的穩(wěn)定性都具有重要的作用[11]。通過流變學(xué)的研究可以了解多糖在溶液中的鏈構(gòu)象和構(gòu)象轉(zhuǎn)變以及其他物理性質(zhì)[5],為研究多糖的構(gòu)效關(guān)系提供重要的工具。

金錢菇(Lentinusedodes(Berk)Sing),是一種未開傘的蘑菇,屬于香菇的一種[12]。在前期研究中,我們從金錢菇子實體中分離純化出了一個多糖組分JQPs,并對其結(jié)構(gòu)和體外抗氧化活性進行了測定[13]。結(jié)果表明JQPs是一個帶有支鏈的β-(1→3)-葡聚糖,具有較高的體外抗氧化活性,預(yù)示了其在食品中的應(yīng)用前景。本文即對金錢菇多糖JQPs溶液的流變學(xué)性質(zhì)進行了相關(guān)研究,主要考察了溫度和濃度對金錢菇多糖溶液的穩(wěn)態(tài)剪切流動性質(zhì)和動態(tài)粘彈性的影響。通過對其流變學(xué)性質(zhì)的研究,找出其在加工過程中的變化規(guī)律,為今后金錢菇多糖的開發(fā)和在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

金錢菇子實體 由安徽省華國茗人農(nóng)業(yè)有限公司提供,經(jīng)干燥粉碎后備用;氫氧化鈉、丙酮和無水乙醇 均為分析純,購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

高速冷凍離心機CR22GⅡ 日本日立公司;旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀R502 上海申勝生物技術(shù)有限公司;真空冷凍干燥機FD-1A-50 北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司;漩渦混合器QT-1 上海琪特分析儀器有限公司;旋轉(zhuǎn)流變儀DHR-3 美國TA公司。

1.2 金錢菇堿提多糖JQPs的制備

稱取一定質(zhì)量的金錢菇子實體粉末,用乙醇脫色脫脂24h,45℃烘干,依次經(jīng)過25℃和90℃去離子水提取后,將殘渣用5% NaOH/0.05% NaBH4溶液在25℃提取兩小時,提取兩次,合并提取液,用乙酸中和并除去不溶性糖后,依次經(jīng)過濃縮、丙酮沉淀、透析、離心和凍干處理,得到金錢菇堿提多糖樣品(JQPs)。

1.3 金錢菇堿提多糖的流變學(xué)性質(zhì)測試

1.3.1 濃度對金錢菇多糖的流變學(xué)性質(zhì)影響 配制濃度分別為1.0%,1.5%,2.0%的JQPs溶液,經(jīng)漩渦混合器混合后靜置過夜,使得溶液分散均勻,通過流變儀測試不同濃度下JQPs溶液的粘度隨著剪切速率的變化。測試條件為:40mm平行板夾具,間隙設(shè)置1mm,測試溫度20℃,溫度控制系統(tǒng)精度±0.01℃,剪切速率范圍1～1000s-1,為防止水分蒸發(fā),周圍用硅油密封。

配制濃度分別為1.5%,2.0%,2.5%,3.0%的JQPs溶液,經(jīng)旋渦混合器混合后靜置過夜,使得溶液充分分散均勻,用流變儀測試不同濃度JQPs溶液的頻率掃描曲線。測試條件如下:40mm 2°椎板夾具,間隙設(shè)置59μm,測試溫度15℃,頻率掃描區(qū)間1～100rad/s。

1.3.2 溫度對JQPs的流變學(xué)性質(zhì)影響 配制濃度分別為2.5%的JQPs溶液,經(jīng)旋渦混合器混合后靜置過夜,使得溶液充分分散均勻,用流變儀測試JQPs溶液分別在10、13、15、20℃下的頻率掃描曲線,測試條件如下:40mm 2°椎板夾具,間隙設(shè)置59μm,掃描頻率區(qū)間1～100rad/s。

以上所有實驗均在線性黏彈區(qū)域內(nèi)進行。

2 結(jié)果和討論

2.1 濃度對金錢菇多糖溶液的流體類型的影響

濃度分別為1.0%、1.5%和2.0%的JQPs溶液粘度隨剪切速率變化曲線如圖1所示。由圖可知,JQPs溶液的粘度隨著濃度的增加而增大,這主要是由于隨著濃度的增加,單位區(qū)域的多糖分子增加,導(dǎo)致多糖分子之間相互纏結(jié),從而使得粘度增大[14]。當剪切速率逐漸增大時,粘度逐漸減小,表現(xiàn)出剪切變稀的流體行為。這主要是由于當剪切速率達到一定值時,物理交聯(lián)點破壞速度大于其重建速度,從而導(dǎo)致其粘度的下降[5]。由圖1可知,當濃度增加時,斜率絕對值越來越大,表示剪切變稀行為越來越明顯。

圖1 JQPs溶液粘度隨剪切速率變化曲線Fig.1 Flow behavior of JQPs solution

冪律定律目前是使用最廣泛的用來表征流體類型的流體流動模型,其方程為η*=kγn-1,其中n稱為流動指數(shù),也稱為非牛頓指數(shù),n反映流體與牛頓流體的偏離程度[15]。當n=1時,流體為牛頓流體,當n<1時,流體為假塑性流體,當n>1時,流體為脹塑性流體,根據(jù)n值的大小和偏離1的程度,可以用來表示流體的流體類型[16]。為進一步更加客觀的表示JQPs溶液的流體性質(zhì),通過對曲線進行冪律方程擬合,擬合曲線的各個參數(shù)如表1所示。由表1可知,當剪切速率在1～1000s-1時,流動指數(shù)n值均小于1,表明JQPs溶液均為假塑性流體。濃度為1.0%,1.5%和2.0%的JQPs溶液的流動指數(shù)n分別為0.89,0.78和0.65,可見隨著濃度的增大n越來越小,表明溶液的非牛頓現(xiàn)象越明顯,越來越偏離牛頓流體。

表1 冪律方程擬合參數(shù)表Table 1 Parameters of Power law equation

2.2 濃度對金錢菇多糖溶液的動態(tài)粘彈性的影響

為了研究JQPs溶液的動態(tài)粘彈性,在15℃下對濃度為1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的JQPs溶液進行了頻率掃描,掃描曲線如圖2所示。當濃度較低時(小于1.5%),幾乎在整個頻率掃描區(qū)間內(nèi)G′G″,表現(xiàn)出固體性質(zhì),且與頻率具有一定的相關(guān)性,表現(xiàn)出弱凝膠的特性[17]。不同濃度下的復(fù)合粘度如圖3a所示。

圖2 不同濃度下JQPs溶液的頻率掃描曲線Fig.2 Frequency dependence of G′ and G″ of JQPs with various concentration at 15℃

隨著掃描頻率的增加,所有濃度下的復(fù)合粘度均減小,同時隨著濃度的不斷增加,復(fù)合粘度也不斷增加,表明JQPs溶液為假塑性流體且濃度影響溶液的粘度,濃度越大,粘度也越大。

tan δ=G″/G′可以更準確直觀地反映流體的動態(tài)粘彈性[18]。當tan δ<1時,說明G′相對于G″占主要優(yōu)勢,流體主要表現(xiàn)為流體性質(zhì),反之則主要表現(xiàn)為彈性性質(zhì)[19]。不同濃度的JQPs溶液的tan δ隨角頻率的變化曲線如圖3所示。由圖3可知,當JQPs溶液濃度大于2.5%時,tan δ<1,并且在一定的掃描區(qū)間范圍內(nèi),tan δ基本上保持平行,與掃描頻率之間呈現(xiàn)弱相關(guān)性,表現(xiàn)出弱凝膠的行為,結(jié)果與圖2吻合。因此隨著多糖濃度的增加,溶液的凝膠行為增強,主要是因為濃度的增加有助于形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

圖3 不同濃度的JQPs溶液的復(fù)合粘度(a) 和tan δ(b)隨角頻率的變化曲線Fig.3 Complex viscosity and Tan δ as a function of JQPs concentration at 15℃

2.3 溫度對金錢菇多糖溶液的流變學(xué)性質(zhì)的影響

濃度為2.5%的JQPs溶液分別在10、13、15、20℃下的頻率掃描曲線如圖4所示。由圖可知,隨著溫度的升高,G″逐漸接近于G′,當溫度達到15℃時,G″和G′近似重合,當溫度達到20℃時,G″完全超過G′,此時溶液主要呈現(xiàn)液體性質(zhì)。因此隨著溫度的升高,溶液的黏性性質(zhì)越來越顯著,而彈性性質(zhì)則越來越弱,儲能模量和損耗模量相互接近。

圖4 濃度為2.5%的JQPs溶液 在不同溫度下的頻率掃描曲線Fig.4 G′ and G″ of JQPs(2.5%)as a function of frequency at different temperature

研究表明G′～ωn可以用來判斷聚合物體系的凝膠點是否生成,G′～ωn中的n值通過兩邊取對數(shù)求得[20],結(jié)果如圖5a所示。n值可以用來表征凝膠轉(zhuǎn)變,當n值趨向去0時,表明溶液逐漸向彈性提轉(zhuǎn)變,反之則向液體性質(zhì)轉(zhuǎn)變。由圖可知,JQPs溶液的n值隨著溫度的升高而逐漸升高,當溫度為20℃時,n>1,液體性質(zhì)占主導(dǎo)地位,與圖4相互吻合。不同溫度下tan δ隨角頻率的關(guān)系如圖5b所示。在整個頻率掃描區(qū)間內(nèi),溫度在很大程度上影響tan δ的分布,當溫度低于15℃時,tan δ<1,并且其與角頻率有一定程度上的相關(guān)性,表現(xiàn)出弱凝膠的特性。

圖5 溫度對n值和tan δ值的影響Fig.5 Tan δ and n as a function of temperature注：(a)G′～ωn中的n值關(guān)系,(b)tan δ與角頻率的關(guān)系。

3 結(jié)論

論文通過5% NaOH/0.05% NaBH4提取液從金錢菇子實體水提殘渣中純化獲得了一個多糖組分JQPs,并利用旋轉(zhuǎn)流變儀探討了金錢菇凝膠多糖JQPs溶液的流變學(xué)性質(zhì),主要考察了其穩(wěn)態(tài)流動性質(zhì)和動態(tài)粘彈性。通過穩(wěn)態(tài)剪切實驗,表明JQPs溶液為假塑性流體,低濃度的多糖溶液在低剪切速率時近似表現(xiàn)為牛頓流體,隨著濃度的增大,其非牛頓性越明顯。通過不同濃度和溫度的頻率掃描模式下的動態(tài)模量響應(yīng)表明,JQPs溶液在一定的溫度下,隨著濃度的升高,G″和G′逐漸增大并且相互接近,與掃描頻率之間有弱相關(guān)性,呈弱凝膠狀態(tài)。隨著測試溫度的升高,2.5%的JQPs溶液的G″和G′變得越來越小且G′的降低速率超過G″,使得多糖溶液的狀態(tài)由凝膠態(tài)變?yōu)槿跄z直至其液體性質(zhì)顯著。論文通過研究多糖溶液在不同濃度和溫度下溶液狀態(tài)的改變和凝膠態(tài)的形成對金錢菇多糖在食品加工中的應(yīng)用提供理論支持。

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Rheological properties of Jinqian mushroom

WANG Jun-hui,XU Jin-long,DU Yi-qun,LIU Yong,WANG Hao

(School of Biotechnology and Food Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

A polysaccharide fraction JQPs was isolated and purified from Jinqian mushroom. In this study,the rheological properties of polysaccharide of JQPs were investigated. The viscoelastic properties were determined as a function of concentration and temperature by using rheometer. The results showed that the JQPs solution exhibited pseudoplastic flow behavior. The low concentration solution exhibited almost Newtonian flow behavior at low shear rate region. With the increase of shear rate,the viscosity decreased and the non-Newtonian behavior became more and more obvious. The storage modulusG′ and loss modulusG″ were in correlation with temperature and frequency. With the increase in polysaccharide concentrations,theG′ increased more rapidly than theG″. At the concentration of 2.0%,the polysaccharide solution showed weak gel behavior. With the increase in polysaccharide temperature,theG′ decreased more rapidly than theG″,the polymer solution(2.5%)revealed weak gel behavior at 15℃. The study could provide theoretical foundation and reference for JQPs application in food industry.

Jinqian mushroom;polysaccharide;rheological properties;viscoelastic

2014-04-01

王軍輝(1976-)，男，博士，副教授，研究方向：食品膠體大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究。

國家自然科學(xué)基金項目(31370371);安徽省自然科學(xué)基金項目(1408085MC45)。

TS201.7

A

1002-0306(2015)03-0091-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.010