黃原膠的流變性及與魔芋膠等的協(xié)效性研究

鄭梅霞，朱育菁，+，劉 波，*，潘志針，陳 崢，史 懷，張連寶，2（.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所，福建福州350003；2.廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建廈門36005）

黃原膠的流變性及與魔芋膠等的協(xié)效性研究

鄭梅霞1，朱育菁1，+，劉 波1，*，潘志針1，陳 崢1，史 懷1，張連寶1，2
（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物資源研究所，福建福州350003；2.廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建廈門361005）

研究前期篩選獲得一株多糖膠質(zhì)高產(chǎn)菌Xanthomonas axonopodis所產(chǎn)的黃原膠FJAT-10151-DTJZ的品質(zhì)，為該黃原膠的開發(fā)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參考。通過分析濃度、剪切速率、pH、加熱溫度、時(shí)間、凍融處理等對(duì)FJAT-10151-DTJZ粘度的影響研究其流變性，并研究其與結(jié)冷膠、黃原膠、凝膠多糖、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、魔芋膠、果膠和殼聚糖8種膠的協(xié)效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的粘度隨濃度的升高而升高，且為非牛頓流體；當(dāng)FJAT-10151-DTJZ的濃度為1%時(shí)，其粘度為343 mPa·s；pH、凍融對(duì)FJAT-10151-DTJZ的粘度影響不大；FJAT-10151-DTJZ的最佳加熱溫度為75℃；粘度隨加熱時(shí)間先增大后減小，當(dāng)加熱溫度為75℃，加熱時(shí)間為150 min，1%濃度的FJAT-10151-DTJZ溶液的粘度為808 mPa·s。FJAT-10151-DTJZ只與魔芋膠有強(qiáng)烈的協(xié)同增效作用，與殼聚糖、結(jié)冷膠、黃原膠、凝膠多糖、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、果膠無協(xié)效性。

黃原膠，流變性，地毯草黃單胞菌，協(xié)效性，魔芋膠

食品膠具有粘著性、穩(wěn)定性、乳化性和凝膠性等特點(diǎn)，可作為懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑等，在食品、日化、石油開采、醫(yī)藥領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用［1-3］。

食品物料的流變特性與食品的質(zhì)地穩(wěn)定性和加工工藝設(shè)計(jì)等有著重要關(guān)系，所以通過對(duì)食品流變特性的研究，可以了解食品的組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分子形態(tài)等，這樣可以為產(chǎn)品配方、加工工藝、設(shè)備選型及質(zhì)量檢測等提供理論依據(jù)［4］。利用食品增稠劑的流變性保持食品的色香味和相對(duì)穩(wěn)定性［5］。利用海藻酸鹽的流變性控制冰淇淋中冰晶的形成，確?；锏?/p>

口感；利用海藻酸鈉的流變性制造快速固化的布丁甜食品、固化牛奶和果凍［6］；利用魔芋精粉的流變性加工成魔芋豆腐、粉絲、粉皮、八寶粥等［7］。通過流變性研究可代替感官評(píng)定法，定量地評(píng)定食品的品質(zhì)；鑒定和預(yù)測顧客對(duì)某種食品是否滿意；可解釋食品在加工過程中所發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化；應(yīng)用于有關(guān)的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)。

為了得到不同的效果，多糖在使用中經(jīng)常配成復(fù)配膠。2種或多種多糖膠質(zhì)在溶液中混合，多糖分子之間產(chǎn)生相互作用，使得溶液黏度增大。多糖分子的種類、排列方式、分子內(nèi)部和分子間的作用力、取代基團(tuán)的種類等條件都會(huì)影響多糖分子間的協(xié)同效應(yīng)［8］。例如：黃原膠與瓜爾豆膠復(fù)合使用可提高粘性，在食品中有更好的口感和風(fēng)味釋放能力［9］；半乳甘露聚糖與芥末多糖的復(fù)配膠黏度提高并伴有微凝膠狀的結(jié)構(gòu)形成［10］；魔芋膠和瓜爾豆膠的復(fù)配膠在一定程度上改善了豬肉脯的色澤與質(zhì)構(gòu)特性［11］；魔芋膠和黃原膠的復(fù)配膠是藥物中小分子的擴(kuò)散給藥系統(tǒng)的主要成分［12］。利用復(fù)配膠單體之間的相互作用有效改善性能，使其具有增稠、膠凝、穩(wěn)定、組織改進(jìn)等作用。

本研究采用醇沉法提取Xanthomonas axonopodis FJAT-10151發(fā)酵液中黃原膠FJAT-10151-DTJZ。研究黃原膠的流變性，及與市售結(jié)冷膠、黃原膠、凝膠多糖、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、魔芋膠、果膠和殼聚糖的協(xié)效性，以期為黃原膠FJAT-10151-DTJZ在生產(chǎn)實(shí)踐中的開發(fā)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

地毯草黃單胞菌Xanthomonas axonopodis FJAT-10151 中國微生物菌種保藏中心；蔗糖、葡萄糖、KH2PO4、MgSO4、氫氧化鈉、鹽酸 均為分析純；蛋白胨和酵母膏 均為生物純；結(jié)冷膠 上海金穗生物技術(shù)有限公司；黃原膠 上海晶純生物技術(shù)有限公司；凝膠多糖、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、魔芋膠、果膠、殼聚糖 河南天祥食品添加劑有限公司。

85-2型恒溫磁力攪拌器 國華電器有限公司；PB-10型酸度計(jì) 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；NDJ-8S型粘度計(jì) 上海方瑞儀器有限公司，為數(shù)顯粘度計(jì)，其量程如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黃原膠FJAT-10151-DTJZ樣品制備 培養(yǎng)基：NA培養(yǎng)基。種子培養(yǎng)基：蔗糖20 g/L，蛋白胨5 g/L，酵母膏5 g/L，pH7.0。發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖30 g/L，蛋白胨3 g/L，酵母膏2 g/L，KH2PO41 g/L，MgSO40.1 g/L，pH7.0。

黃原膠FJAT-10151-DTJZ樣品制備：挑取FJAT-10151單菌落于種子液中30℃、170 r/min培養(yǎng)16 h后，按2%的接種量接入發(fā)酵液中，30℃、190 r/min培養(yǎng)72 h后7000 r/min離心15 min，收集上清液，用3倍體積的冰乙醇沉降多糖膠質(zhì)，4℃靜置過夜，7000 r/min離心10 min，無水乙醇洗滌3遍，氮?dú)獯蹈?，稱量，粉碎得粗黃原膠產(chǎn)物FJAT-10151-DTJZ，室溫保存，備用。

1.2.2 濃度的影響 分別配制濃度為0.03%、0.05%、0.08%、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.6%、0.8%、0.9%、1.0%的FJAT-10151-DTJZ溶液，在磁力攪拌器上60℃恒溫?cái)嚢?0 min，后降至25℃。用NDJ-8S型粘度計(jì)在60 r/min下測定其粘度變化。

1.2.3 剪切速率的影響 配制1.0%的FJAT-10151-DTJZ溶液，在磁力攪拌器上60℃恒溫?cái)嚢?0 min，后降至25℃。用NDJ-8S型粘度計(jì)分別在1.5、3、6、12、30、60 r/min下測定其粘度變化。

1.2.4 pH的影響 配制0.5%的FJAT-10151-DTJZ溶液，在磁力攪拌器上60℃恒溫?cái)嚢?0 min，后降至25℃，分別用1 mol/L鹽酸和1 mol/L氫氧化鈉調(diào)pH。用NDJ-8S型粘度計(jì)在60 r/min下測定不同pH時(shí)粘度變化。

1.2.5 加熱溫度的影響 配制1.0%的FJAT-10151-DTJZ溶液，分別在磁力攪拌器上30、40、60、75、95℃恒溫?cái)嚢?0 min，后降至25℃。用NDJ-8S型粘度計(jì)在60 r/min下測定其粘度變化。

1.2.6 加熱時(shí)間的影響 配制1.0%的FJAT-10151-DTJZ溶液，分別在磁力攪拌器上75℃恒溫?cái)嚢?0、60、90、120、150、180 min后降至25℃。用NDJ-8S型粘度計(jì)在60 r/min下測定其粘度變化。

1.2.7 凍融變化的影響 配制濃度為0.5%的FJAT-10151-DTJZ溶液，在磁力攪拌器上60℃恒溫?cái)嚢?0 min，分別置于冷藏室（4℃）、冷凍室（-20℃）放置24 h后，取出解凍至25℃。用NDJ-8S型粘度計(jì)在60 r/min下分別測定其冷藏、冷凍前后粘度變化。1.2.8 黃原膠FJAT-10151-DTJZ與其他膠的協(xié)同增效作用 FJAT-10151-DTJZ與魔芋膠、殼聚糖、結(jié)冷膠、黃原膠、凝膠多糖、瓜爾豆膠、刺槐豆膠和果膠以1∶1的比例混合配成0.5%濃度的溶液，在磁力攪拌器上60℃恒溫?cái)嚢?0 min，后降至25℃。以0.5%的

FJAT-10151-DTJZ、結(jié)冷膠、黃原膠、凝膠多糖、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、魔芋膠、果膠、殼聚糖的單溶液為對(duì)照。用NDJ-8S型粘度計(jì)在60 r/min下測定其粘度變化。

表1 NDJ-8S量程表Table1 The measurement range of NDJ-8S

1.2.9 數(shù)據(jù)分析 采用Origin 70軟件以各變量參數(shù)為橫坐標(biāo)，粘度為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濃度對(duì)黃原膠FJAT-10151-DTJZ溶液粘度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的粘度與隨濃度呈正相關(guān)，如圖1所示，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的濃度從0.03%增大到0.2%時(shí)，粘度由2.2 mPa·s增大到3.1 mPa·s，增大了41%；FJAT-10151-DTJZ溶液濃度從0.2%增大到1.0%時(shí)，粘度由3.1 mPa·s增大到343 mPa·s，增大了10900%；以FJAT-10151-DTJZ溶液的濃度的對(duì)數(shù)值為橫坐標(biāo)，粘度的對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)，建立兩者線性回歸方程為y=1.532x+2.365，r=0.9750（n=11）。

圖1 FJAT-10151-DTJZ溶液粘度隨濃度的變化Fig.1 Viscosity changes with concentration

2.2 剪切速率對(duì)黃原膠FJAT-10151-DTJZ溶液粘度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的粘度與剪切速率呈反比，即隨著剪切速率的增加溶液的粘度明顯降低，如圖2所示，當(dāng)剪切速率從1.5 r/min增大到60 r/min時(shí)，粘度由952 mPa·s降低到343 mPa·s，降低了64%；以FJAT-10151-DTJZ溶液測定的剪切速率為橫坐標(biāo)，粘度的對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)，其線性回歸方程為y=-0.007x+2.960，r=0.9808（n=6）。即FJAT-10151-DTJZ溶液為“非牛頓流體”溶液，具有“假塑性”。

圖2 FJAT-10151-DTJZ溶液粘度隨剪切速率的變化Fig.2 Viscosity changes with shearing

2.3 pH對(duì)FJAT-10151-DTJZ溶液粘度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的粘度隨著pH的變化有所變化，如圖3所示，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的固有pH為7.45，粘度為80 mPa·s，在pH＜4時(shí)，其粘度由63 mPa·s降低到24 mPa·s，降低了62%；在4＜pH＜12時(shí)，其粘度由63 mPa·s平緩增大到78 mPa·s，增大了24%?？偟膩碚f，該FJAT-10151-DTJZ溶液在酸性和堿性條件下較為穩(wěn)定。

圖3 FJAT-10151-DTJZ溶液粘度隨pH的變化Fig.3 Viscosity changes with pH

2.4 加熱溫度對(duì)黃原膠FJAT-10151-DTJZ溶液粘度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的加熱溫度對(duì)粘度的影響如圖4所示，當(dāng)加熱溫度＜75℃時(shí)，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的粘度隨加熱溫度的升高而升高，由254 mPa·s增大到496 mPa·s，增大了95%；在加熱溫度為75℃時(shí)粘度達(dá)到最大值，為496 mPa·s；當(dāng)加熱溫度從75℃增大到95℃時(shí)，粘度由496 mPa·s降低到398 mPa·s，降低了19%。

圖4 FJAT-10151-DTJZ溶液粘度隨加熱溫度的變化Fig.4 Viscosity changes with heating temperature

2.5 加熱時(shí)間對(duì)黃原膠FJAT-10151-DTJZ溶液粘度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的加熱時(shí)間對(duì)粘度的影響如圖5所示，當(dāng)加熱時(shí)間在150 min內(nèi)，其粘度隨加熱時(shí)間的增加而增加，由496 mPa·s增大到808 mPa·s，增大了63%。當(dāng)加熱時(shí)間為150 min粘度達(dá)到最大值，為808 mPa·s，當(dāng)加熱時(shí)間增大到180 min時(shí)，粘度降低為510 mPa·s，降低了37%。

圖5 FJAT-10151-DTJZ溶液粘度隨加熱時(shí)間的變化Fig.5 Viscosity changes with heating time

2.6 凍融處理對(duì)黃原膠FJAT-10151-DTJZ溶液粘度的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的凍融處理對(duì)粘度的影響如圖6所示，冷藏處理使FJAT-10151-DTJZ溶液的粘度由82 mPa·s增大到100 mPa·s，增大了22%，冷凍處理使FJAT-10151-DTJZ溶液的粘度由82 mPa·s增大到88 mPa·s，增大了7.3%。說明凍融處理對(duì)FJAT-10151-DTJZ基本沒有影響。

圖6 FJAT-10151-DTJZ溶液粘度隨凍融處理的變化Fig.6 Viscosity changes with freezing-thawing

2.7 黃原膠FJAT-10151-DTJZ與其他膠的協(xié)同增效作用

結(jié)冷膠、殼聚糖、瓜爾豆膠、黃原膠、凝膠多糖、刺槐豆膠、魔芋膠和FJAT-10151-DTJZ單溶液的粘度及與FJAT-10151-DTJZ復(fù)合膠的粘度如表2所示，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ與魔芋膠混合液的粘度（1251 mPa·s）大于二者單溶液的粘度（FJAT-10151-DTJZ單溶液的粘度41 mPa·s，魔芋膠單溶液的粘度469 mPa·s），說明FJAT-10151-DTJZ和魔芋膠有協(xié)同增效作用。結(jié)冷膠、殼聚糖、瓜爾豆膠、黃原膠、凝膠多糖、果膠和刺槐豆膠的粘度分別為90、1.3、167、384、593、1.9和473 mPa·s，它們與FJAT-10151-DTJZ溶液的混合液的粘度分別為44、51、90、261、278、16和224 mPa·s，由此可知FJAT-10151-DTJZ與果膠、結(jié)冷膠、殼聚糖、瓜爾豆膠、黃原膠、凝膠多糖和刺槐豆膠沒有協(xié)效性。

3 結(jié)論與討論

FJAT-10151-DTJZ溶液濃度為1%時(shí)，加熱溫度為75℃，加熱時(shí)間為150 min時(shí)，粘度為808 mPa·s，比羥乙基淀粉（260 mPa·s）高［13］，比結(jié)冷膠的102.1 mPa·s高［14］，可改善食品加工過程的粘性問題［15］。

FJAT-10151-DTJZ在切變速度為0時(shí)以聚合體的狀態(tài)存在，在高切變速度下，聚合體結(jié)構(gòu)解聚為無規(guī)線團(tuán)結(jié)構(gòu)使粘度迅速降低，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液為“非牛頓流體”，具有“假塑性”，可作為懸浮液和乳濁液的穩(wěn)定劑［16］，在食品領(lǐng)域賦予烘烤食品、冰淇淋、火腿腸和飲料等以優(yōu)良口感等。用FJAT-10151-DTJZ作為添加劑可賦予加工品假塑性流體的特征而易于泵送和灌注，便于高固體物質(zhì)的混合攪拌［17］。

FJAT-10151-DTJZ溶液的固有pH為7.45，對(duì)酸堿、凍融處理基本沒有影響，而多數(shù)食品的pH體系在4～10之間，這使FJAT-10151-DTJZ在食品領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。FJAT-10151-DTJZ的最佳加熱溫度為75℃；粘度隨加熱時(shí)間的增加而增大。據(jù)報(bào)道，黃原膠在超過150℃時(shí)會(huì)發(fā)生熱降解［18］，本實(shí)驗(yàn)中溫度高于75℃導(dǎo)致FJAT-10151-DTJZ溶液的粘度降低是否是由于部分結(jié)構(gòu)破壞還有待進(jìn)一步研究。

FJAT-10151-DTJZ與魔芋膠具有協(xié)同增效作用，這將提高其乳化能力、凝膠硬度、彈性和保水性等［19］。協(xié)同增效作用是非常復(fù)雜的高聚物大分子之間的相互作用，與兩種膠的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)具有一定程度相似性密切相關(guān)［20］。在化學(xué)組成上，魔芋膠的成分是葡甘聚糖，其結(jié)構(gòu)主要由D-甘露糖和D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接起來的大分子雜多糖，大約按1.6∶1的比例聚合而成［21］，而FJAT-10151-DTJZ也含有甘露糖和葡萄糖，他們的化學(xué)組成相似；在分子結(jié)構(gòu)上，魔芋葡甘聚糖分子平滑，沒有分支鏈的部分可與黃原膠雙螺旋結(jié)構(gòu)以次級(jí)鍵形式相互結(jié)合形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［22］，與卡拉膠的協(xié)同效應(yīng)是建立在卡拉膠形成有序的雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上［14］；推測FJAT-10151-DTJZ可能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ溶液的流變性與魔芋膠［7］相似，這也可能是他們具有協(xié)同增效作用的原因之一。

表2 復(fù)合膠的粘度關(guān)系Table2 The viscosity of compound gum

FJAT-10151-DTJZ是一種非牛頓流體；粘度與濃度正相關(guān)；在酸堿及凍融處理下穩(wěn)定；1%濃度在75℃加熱150 min時(shí)，粘度為808 mPa·s；且它與魔芋膠具有強(qiáng)烈的協(xié)同增效作用。這為FJAT-10151-DTJZ在工農(nóng)業(yè)、石油、建筑等領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

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Study on the rheology of xanthan and synergistic interaction with konjac gum and other gum

ZHENG Mei-xia1，ZHU Yu-jing1，+，LIU Bo1，*，PAN Zhi-zhen1，CHEN Zheng1，SHI Huai1，ZHANG Lian-bao1，2
（1.Agricultural Bio-resources Research Institute，F(xiàn)ujian academy of agricultural sciences，F(xiàn)ujzhou 350003，China；2.School of Life Sciences，Xiamen University，Xiamen 361005，China）

A Xanthomonas axonopodis strain producing xanthan gum had been screened，and researched the quality of xanthan gum FJAT-10151-DTJZ in order to provide basic data and reference for development and application.The rheology properties of FJAT-10151-DTJZ were discussed according to the viscosity variation with different conditions including concentration，shearing，pH，heating temperature，heating time and freezing thawing.The synergistic interactions of FJAT-10151-DTJZ with chitosan，gellan gum，xanthan gum，curdlan，guar gum，locust bean gum and pectin were also investigated.The results showed that polysaccharide gum solution FJAT-10151-DTJZ was non-Newton fluid.It's viscosity rised with its concentration and reached to 343 mPa·s when the concentration was 1%.The pH change and freezing-thawing played negligible effects on its viscosity.Its viscosity was 808 mPa·s when it was heated at 75℃ for 150 min.Besides，F(xiàn)JAT-10151-DTJZ had no synergistic interaction with chitosan，gellan gum，xanthan gum，curdlan，guar gum，locust bean gum and pectin except konjac gum.

xanthan gum；rheology；Xanthomonas axonopodis；synergy；konja gum

TS201.1

A

1002-0306（2016）08-0303-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.08.055

2015－09－10 +并列第一作者

鄭梅霞（1986-），女，碩士，實(shí)習(xí)研究員，研究方向：微生物生物技術(shù)，E-mail：zhengmeixia2005@163.com。

朱育菁（1972-），女，博士，研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)生物藥物與生物防治的研究，E-mail：zyjingfz@163.com。

*通訊作者：劉波（1957-），男，博士，研究員，研究方向：微生物生物技術(shù)與農(nóng)業(yè)生物藥物研究，E-mail：fzliubo@163.com。

國家948項(xiàng)目（2014-Z48）；福建省公益類科研院所專項(xiàng)（2015R1018-2）；福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2015CX-7）。