苦丁茶冬青多糖流變學(xué)特性研究

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(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所,海南萬寧 571533;2.海南省熱帶香料飲料作物工程技術(shù)研究中心,海南萬寧 571533;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430070)

苦丁茶冬青多糖流變學(xué)特性研究

朱科學(xué)1,2,趙書凡1,3,朱紅英1,2,唐冰1,2,賀書珍1,2,譚樂和1,2,*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所,海南萬寧 571533;2.海南省熱帶香料飲料作物工程技術(shù)研究中心,海南萬寧 571533;3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430070)

以苦丁茶冬青多糖(ICP)為對象,研究濃度、剪切力、溫度、pH、凍融變化和鹽離子濃度等因素對ICP溶液表觀粘度和粘彈性的影響。結(jié)果顯示,ICP溶液表現(xiàn)出“非牛頓流體”特性,具有良好的抗降解性能;ICP多糖溶液的表觀粘度隨pH的變化而變化;冷藏和冷凍對ICP溶液的粘度基本無影響,ICP溶液的粘度隨著溫度的升高而下降;高濃度的Na+、K+、Mg2+和Ca2+四種鹽離子可使ICP溶液的粘度明顯下降。動態(tài)流變實驗結(jié)果顯示,應(yīng)變控制在100%以內(nèi)時,ICP的彈性儲能模量G′基本沒有變化,ICP溶液的儲能模量G′始終大于損耗模量G″,表現(xiàn)出凝膠特性,且G′和G″隨Na+、K+和Mg2+的添加呈降低趨勢。因此,ICP溶液的流變特性受濃度、溫度、鹽離子等因素的影響。

苦丁茶冬青多糖,流變性,表觀粘度,粘彈性

流變學(xué)是研究物質(zhì)流動和變形的科學(xué),其中溶液的流變學(xué)性質(zhì)主要包括靜態(tài)流變學(xué)性質(zhì)和動態(tài)流變學(xué)性質(zhì)[1]。多糖是廣泛存在于動植物及微生物中的一類天然大分子物質(zhì),在許多食品加工過程中，粘度、濃度、溫度、剪切速率、共存離子和共存組分等多種因素都會影響到多糖膠體的流體特性[2]。陳志娜等[3]研究發(fā)現(xiàn)西藏靈菇發(fā)酵乳胞外多糖溶液的粘度隨濃度的升高而增加,pH4.0和pH10.0時多糖溶液粘度明顯低于pH7.0時的,Na+可使多糖溶液的粘度增大,Ca2+可使多糖溶液的粘度下降,具有很好的耐溫性。陳玉琴等[4]研究表明棠梨果實多糖溶液的粘度隨著濃度的增加而增加,溶液為“非牛頓流體”,具有良好的抗降解性能。

苦丁茶作為一種“代用茶”天然植物飲料,具有保護心腦血管、降血壓、降血脂、減肥、抗炎殺菌和抗氧化作用等多種生理活性功效[5]。本團隊前期研究發(fā)現(xiàn),苦丁茶冬青多糖(ICP)是一類含α-吡喃糖環(huán)結(jié)構(gòu)的糖蛋白化合物,具有較強的體外抗氧化活性,是一種極具開發(fā)價值的生物活性物質(zhì)[6]?；谀壳皩Χ嗵橇髯兲匦缘难芯旷r有報道,本研究以ICP為研究對象,通過研究濃度、剪切力、溫度、凍融變化、鹽離子濃度等因素對ICP表觀粘度和粘彈性的影響,以期為今后ICP的研究及應(yīng)用生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

苦丁茶冬青多糖(ICP) 總糖含量為30.67%、糖醛酸含量為12.72%,含α-吡喃糖環(huán)結(jié)構(gòu),由本團隊制備[6]；HCl、NaOH 分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司;NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2分析純,西隴化工股份有限公司。

ME4002E電子天平、FiveEasy Plus型pH計 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司;DK-98-II電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司;MCR302流變儀 安東帕公司。

1.2實驗方法

1.2.1 濃度對ICP溶液粘度的影響 稱取一定量的ICP樣品,以蒸餾水為溶劑配制0.1%、0.2%、0.4%、0.8%和1%的ICP溶液,采用MCR302流變儀和CP50-1轉(zhuǎn)子測定不同濃度ICP溶液的表觀粘度,保持轉(zhuǎn)子與平行板的樣品間隙為1 mm,剪切速率為0.1～800 s-1,測試溫度為30 ℃,考察不同濃度對ICP溶液表觀粘度的影響。

1.2.2 溫度對ICP表觀粘度的影響 配制0.8%的ICP溶液,采用MCR302流變儀測定0.8%的ICP溶液的表觀粘度,在直徑50 mm的不銹鋼平板上,調(diào)節(jié)剪切速率為100 s-1,初始溫度為30 ℃,按1 ℃/min溫度變化速率使溫度升高至80 ℃,考察不同溫度對ICP溶液表觀粘度的影響。

1.2.3 pH對ICP表觀粘度的影響 采用MCR302流變儀測定0.8%的ICP溶液,調(diào)節(jié)剪切速率為0.01～800 s-1,測試溫度為30 ℃,考察不同pH(2、3、4、5、6、7、8、9、10)對ICP溶液表觀粘度的影響。

1.2.4 鹽離子對ICP表觀粘度的影響 MCR302流變儀分別測定5%和11%的NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2溶液對0.8% ICP溶液表觀粘度的影響,剪切速率為0.01～800 s-1,測試溫度為30 ℃。

1.2.5 凍融變化對ICP表觀粘度的影響 配制0.8%的ICP溶液3份,取2份溶液分別在4 ℃與-20 ℃條件下處理24 h,室溫解凍并采用MCR302流變儀在0.01～800 s-1剪切速率和30 ℃條件下,考察凍融變化對ICP溶液表觀粘度的影響,以30 ℃ 0.8%的ICP溶液為對照。

1.2.6 ICP溶液的抗降解特性研究 配制0.8%的ICP溶液,室溫下放置3、9、12、24、48、72、96 h,采用MCR302流變儀在0.01～800 s-1剪切速率和30 ℃測試溫度條件下,考察ICP的抗降解性能。

1.2.7 ICP粘彈性的測定 采用MCR302流變儀,測定不同濃度(0.1%、0.4%、0.8%)ICP溶液的彈性儲能模量G′隨振蕩的變化,確定其粘彈性范圍。

1.2.8 濃度和鹽離子對ICP粘彈性的影響 在粘彈性區(qū)間內(nèi),MCR302流變儀分別測定5%和11%的NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2溶液對0.8% ICP溶液的儲能模量(G′)及損耗模量(G″)隨振動頻率的變化,考察鹽溶液對ICP粘彈性的影響。

1.3統(tǒng)計學(xué)處理

采用Rheo Compass軟件進行數(shù)據(jù)采集,實驗重復(fù)3次,用Origin 9.0對數(shù)據(jù)進行分析和作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1濃度對ICP溶液粘度的影響

圖1為濃度對ICP溶液表觀粘度的影響。從測定結(jié)果可知,在所用剪切速率范圍(0.1～800 s-1)內(nèi),ICP溶液表觀粘度隨著多糖濃度的升高而增加,當(dāng)ICP濃度較低時(<0.4%),溶液粘度隨濃度增加的幅度較小,當(dāng)ICP濃度在0.8%和1.0%時,粘度的增幅較大。文獻(xiàn)報道,多糖溶液的粘度與濃度呈正相關(guān),陳志娜等[3]發(fā)現(xiàn)西藏靈菇發(fā)酵乳胞外多糖溶液的表觀粘度隨著多糖溶液質(zhì)量濃度的增大而增加。焦宇知等[7]研究顯示,茶籽粕多糖溶液的粘度隨著質(zhì)量濃度的升高逐漸增加,這是由于隨著濃度的增加,單位區(qū)域的多糖分子增加,加強了多糖分子的相互聯(lián)結(jié)和相互作用,導(dǎo)致聚合程度增加,從而使得粘度增大[8]。

圖1 濃度對ICP表觀粘度的影響

在食品、化工等工業(yè)生產(chǎn)過程中,高粘性假塑性流體是一種常見的流體,具有剪切變稀的特點。西藏靈菇發(fā)酵乳胞外多糖和茶籽粕多糖的水溶液均表現(xiàn)為典型的非牛頓假塑性流體,其中茶籽粕多糖溶液的粘度隨剪切時間的延長而降低,說明茶籽粕多糖溶液具有一定的觸變性[3,7]。由圖1可知,ICP溶液表觀粘度隨著剪切速率的增加而減小且具有剪切變稀的流動特征,表現(xiàn)出“非牛頓流體”特征。這一現(xiàn)象可能是由于溶液中的多糖類大分子在剪切作用下定向作用，使分子與流動方向趨于一致,分子間作用力減小,從而使粘度下降速率逐步降低[9]。當(dāng)剪切速率越大,定向作用越強時,大分子間的相互作用越弱,因此,濃度對溶液表觀粘度的影響減弱。

2.2溫度對ICP表觀粘度的影響

多糖在溶液中主要以無規(guī)線團、雙螺旋、三螺旋、蠕蟲狀、棒狀鏈以及聚集體構(gòu)象存在,其構(gòu)象主要與分子結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)。常樹卓[10]研究發(fā)現(xiàn),茶多糖在溶液中以無規(guī)則線團存在,且分枝較多。莫開菊等[11]發(fā)現(xiàn),葛仙米多糖溶液的表觀粘度對溫度的升高有不同程度的降低。本研究發(fā)現(xiàn)0.8% ICP溶液的表觀粘度隨溫度的升高呈現(xiàn)降低趨勢(圖2),研究結(jié)果與張鐵華等[8]實驗結(jié)果相近。這可能是由于隨著溫度的升高,分子間相互作用減弱,流動阻力降低,導(dǎo)致表觀粘度下降。

圖4 NaCl(a)、KCl(b)、CaCl2(c)和MgCl2(d)溶液對ICP表觀粘度的影響

圖2 溫度對ICP(0.8%)表觀粘度的影響

2.3pH對ICP表觀粘度的影響

pH對聚合物溶液粘度的影響較復(fù)雜,隨著溶液pH的變化,聚電解質(zhì)的靜電斥力發(fā)生變化,導(dǎo)致生物大分子的構(gòu)象發(fā)生變化,其粘度值發(fā)生相應(yīng)變化[12]。大豆多糖水溶液的粘度隨pH的升高而不斷上升[13];朱會霞等[14]發(fā)現(xiàn)pH對樟芝多糖溶液的粘度影響較小,樟芝多糖在酸性和堿性溶液中穩(wěn)定性較好。郭守軍等[2]研究表明,帶形蜈蚣藻多糖溶液液具有良好的酸堿穩(wěn)定性。與文獻(xiàn)報道結(jié)果相似,如圖3所示,強酸性條件下，溶液的表觀粘度隨pH增加呈降低趨勢，ICP溶液的表觀粘度在pH2時最大，這可能是由于帶負(fù)電的ICP分子電離受到抑制，其分子間斥力的作用占主導(dǎo)地位，使多糖分子較易分散于水溶液中，相互作用力增強，溶液流動阻力增加。但當(dāng)pH接近中性時，多糖溶液的表觀粘度值升高，尤其在堿性條件下，ICP溶液的表觀粘度隨溶液pH增加呈升高趨勢，這可能是由于ICP分子結(jié)構(gòu)中的負(fù)電荷被中和，分子內(nèi)與分子間氫鍵在一定程度范圍內(nèi)被破壞，溶液流動阻力降低。

圖3 pH對ICP(0.8%)表觀粘度的影響

2.4鹽離子對ICP表觀粘度的影響

鹽離子對多糖溶液表觀粘度的影響是評價其流變學(xué)特性的重要因素。李彬等[15]發(fā)現(xiàn)產(chǎn)糖菌株WL113的胞外多糖對Na+、K+、Mg2+、和Ca2+等金屬鹽離子耐受性能良好。但Na+會使西藏靈菇發(fā)酵乳胞外多糖溶液的表觀粘度增加,而Ca2+的添加則會使胞外多糖溶液的表觀粘度下降[3]。本研究結(jié)果顯示,NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2等不同無機鹽溶液的加入會導(dǎo)致ICP溶液表觀粘度的變化(圖4)。隨NaCl質(zhì)量濃度的升高,ICP溶液表觀粘度逐漸下降(圖4a),ICP溶液的表觀粘度在5%的KCl和MgCl2條件下呈上升趨勢，原因可能是添加的鹽離子減少了多糖分子的電荷，促使可溶性分子配合物的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致粘度增加；但5%的CaCl2使ICP溶液表觀粘度呈先增加后降低趨勢，原因可能是低濃度的Ca2+減少了多糖分子的電荷，促使可溶性分子配合物的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致粘度增加，而隨著剪切速率的增加，分子間剪切力和締合度降低，使其表觀粘度下降。當(dāng)KCl、CaCl2和MgCl2濃度為11%時,ICP溶液表觀粘度顯著下降,原因可能是ICP溶液的離子環(huán)境隨著鹽類的添加而發(fā)生改變,導(dǎo)致ICP分子鏈凈電荷間的作用力減弱加劇,降低分子間的締合度,從而使溶液的黏度下降[16]。

2.5凍融變化對ICP表觀粘度的影響

馬翠華等[17]研究發(fā)現(xiàn),凍融變化對紫球藻胞外多糖溶液的粘度影響較小,表明可將紫球藻胞外多糖運用到需凍融處理的食品中。本實驗結(jié)果顯示,冷凍和冷藏處理對ICP溶液的粘度基本沒影響(圖5),表明ICP對冷凍和冷藏處理均具有良好的穩(wěn)定性,適合于低溫條件下的貯存與加工。

圖5 凍融變化對ICP(0.8%)表觀粘度的影響

2.6ICP溶液的抗降解性

從圖6可以看出,室溫條件下,ICP溶液放置3～24 h,溶液粘度稍有下降,放置時間超過24 h,溶液粘度不再降低,表明ICP溶液總體表現(xiàn)出較好的抗降解性能。楊永利和郭守軍等[2,18]研究結(jié)果表明鹿角海蘿多糖溶液和帶形蜈蚣藻多糖溶液均具有良好的抗降解性能,本實驗研究結(jié)果與之相一致。

圖6 0.8%ICP溶液的抗降解性曲線

2.7ICP線性粘彈區(qū)測試

流變儀在線性范圍內(nèi)對多糖膠進行應(yīng)變掃描的目的是確定其線性粘彈區(qū)范圍,使多糖溶液體系的結(jié)構(gòu)在線性粘彈區(qū)內(nèi)不被破壞。殷軍藝[19]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)形變控制在100%以內(nèi)時,大粒車前子多糖的彈性模量G′基本上沒有變化。本研究結(jié)果顯示:0.1%、0.4%和0.8%三種不同濃度的ICP溶液彈性儲能模量隨應(yīng)力應(yīng)變無變化趨勢,由圖7可看出,當(dāng)應(yīng)變控制在100%以內(nèi)時,ICP的彈性儲能模量G′基本沒有變化,且無濃度依賴性,與殷軍藝研究結(jié)果相類似。表明當(dāng)應(yīng)變控制在100%范圍內(nèi)時,ICP溶液在加工過程中可保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖7 不同濃度ICP溶液形變測試結(jié)果

2.8濃度對ICP粘彈性的影響

多糖溶液具有一定的粘彈性,可用G′和G″來反映多糖溶液的凝膠強度,G′反映出粘彈性物質(zhì)的類固體性質(zhì),G″則可體現(xiàn)粘彈性物質(zhì)的類液體性質(zhì)[19]。朱桂蘭[20]發(fā)現(xiàn),隨著黃原膠比例的提高,結(jié)冷膠-黃原膠復(fù)配體系的粘彈性增加,儲能模量G′和損耗模量G″增加,假塑性提高。圖8顯示,在所測定的角速度范圍內(nèi),0.1%、0.4%和0.8%三種濃度的ICP溶液的儲能模量G′和損耗模量G″均隨濃度的增加而增加,表明不同濃度的ICP溶液均具有“凝膠體”特性。參照李環(huán)宇[21]研究,木棗多糖溶液為非牛頓假塑性流體,其在整個頻率掃描的范圍內(nèi),儲能模量G′始終大于損耗模量G″,彈性在流體粘彈性中占據(jù)主導(dǎo)地位,結(jié)果表明其在生產(chǎn)中可能更適合于做穩(wěn)定劑。本研究顯示,0.1%、0.4%和0.8%三種濃度的ICP溶液的儲能模量G′均大于損耗模量G″,表明ICP溶液呈現(xiàn)出凝膠體性質(zhì),在工業(yè)生產(chǎn)中可用作穩(wěn)定劑。

圖8 濃度對ICP的G′和G″的影響

2.9鹽離子對ICP粘彈性的影響

圖9 NaCl(a)、KCl(b)、CaCl2(c)和MgCl2(d)溶液對ICP的G′和G″的影響

鹽離子的存在可起到靜電屏蔽作用,從而改變多糖分子的聚集狀態(tài),影響多糖溶液的粘彈性。Bao等[22]研究發(fā)現(xiàn),黑木耳多糖溶液粘度隨著Na+和Ca2+濃度的添加而降低,G′和G″隨Na+和Ca2+濃度的添加呈降低趨勢。Katayama等[23]研究結(jié)果顯示,褐藻多糖溶液的粘度隨著K+濃度的添加而降低,但Mg2+可增加褐藻多糖溶液的粘度。本研究通過分析NaCl、KCl、CaCl2和MgCl24種不同濃度的金屬鹽離子對0.8% ICP溶液的G′、G″的影響(如圖9所示)可以看出,與0.8% ICP溶液的G′和G″相比,隨著NaCl、KCl和MgCl2的添加,溶液的G′和G″均呈下降趨勢;但隨著Ca2+濃度的增加,G′和G″均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(圖9c)。

3 結(jié)論

苦丁茶冬青多糖(ICP)溶液的表觀粘度隨著濃度的增加而升高,表現(xiàn)出“非牛頓流體”特性,具有良好的抗降解性能；ICP溶液的表觀粘度隨溫度的升高而降低；強酸性條件下，溶液的表觀粘度隨pH增加而降低，但當(dāng)pH接近中性時，多糖溶液的表觀粘度值升高，尤其在堿性條件下，ICP溶液的表觀粘度隨溶液pH的增加呈升高趨勢；冷藏(4 ℃)和冷凍(-20 ℃)對ICP溶液的粘度基本無影響，此外，高濃度的Na+、K+、Mg2+和Ca2+可使ICP溶液的粘度明顯下降。動態(tài)流變測試表明，ICP溶液的儲能模量G′和損耗模量G″均隨濃度的增加而增加，且G′始終大于G″，表明ICP呈現(xiàn)“凝膠體”特性；G′和G″隨Na+、K+和Mg2+添加呈降低趨勢，但G′和G″隨Ca2+濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。研究結(jié)果可為苦丁茶冬青多糖在食品工業(yè)中的應(yīng)用提供一定的理論支持。

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RheologicalpropertiesofpolysaccharideisolatedfromIlexkudingchaC.J.Tseng

ZHUKe-xue1,2,ZHAOShu-fan1,3,ZHUHong-ying1,2,TANGBing1,2,HEShu-zhen1,2,TANLe-he1,2,*

(1.Spice and Beverage Research Institute,CATAS,Wanning 571533,China;2.Hainan Province Engineering Research Center of Tropical Spice and Beverage Crops,Wanning 571533,China;3.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Effects of concentration,shear force,temperature,pH,freezing-thawing and addition of metallic ions on the apparent viscosity and viscoelasticity of polysaccharide isolated fromIlexkudingchaC.J. Tseng(ICP)were studied. The results showed that the aqueous ICP solution was a typical non-Newtonianfluid with good anti-degradation property.The pH value affected the apparent viscosity of ICP solution. Freeze-thawing had little effect on the apparent viscosity of ICP solution. However,the apparent viscosity decreased along with the increase of temperature and addition of metallic ions(Na+,K+and Mg2+). The dynamic rheological results showed that the storage modulus G′ hadchanged slightly within 100% strain rate,and the storage modulus G′ were always higher than loss modulus G″.G′ and G″decreased along with theaddition of metallic ions(Na+,K+,Mg2+and Ca2+).These results suggested that concentration,temperatureand addition of metallic ions could affect the rheological property of ICP solution.

polysaccharide isolated fromIlexkudingchaC.J. Tseng;rheological properties;apparent viscosity;viscoelasticity

2017-05-11

朱科學(xué)(1986-)，男，博士，助理研究員，研究方向：功能性食品，E-mail：zhukexue163@163.com。

*

譚樂和(1969-)，男，本科，研究員，研究方向：熱帶作物的科研與工程化開發(fā)，E-mail：tlh3687@163.com。

中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(1630142017019)。

TS272

A

1002-0306(2017)22-0061-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.013