亞臨界水對柑橘果膠流變學(xué)特性和分子質(zhì)量的影響

陳劍兵 夏其樂 曹 艷 譚興和

（1 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院 長沙 410128

2 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院食品科學(xué)研究所 浙江省果蔬保鮮與加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310021）

亞臨界水是指溫度介于100～300℃的水[1-2]，又稱超加熱水、高壓熱水或熱液態(tài)水，其很多物理性質(zhì)都異于常溫水，具有很強(qiáng)的降解能力。隨著溫度的升高，水體系的密度降低，體系氫鍵作用減弱，水的黏度降低，擴(kuò)散性能增強(qiáng)，其介電常數(shù)由70減至1，其性質(zhì)由強(qiáng)極性漸變?yōu)榉菢O性，可將溶質(zhì)按極性由高到低萃取出來。亞臨界水在高溫和高壓下具有強(qiáng)烈的溶解能力和分解能力。早在30年前，Andersen[3]就提出在ZrO2催化下，利用270℃以上的水可將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子的物質(zhì)。Zhang等[4]研究發(fā)現(xiàn)利用亞臨界水處理香菇多糖，對多糖的分子質(zhì)量有顯著影響，且當(dāng)溫度超過150℃時，三重螺旋結(jié)構(gòu)不復(fù)存在。亞臨界水可使多糖發(fā)生結(jié)構(gòu)和分子上的變化，從而增強(qiáng)其生物功能[5]，Molino等[6]利用亞臨界水作用于葡萄糖生成糠醛和醛類物質(zhì)。由于具有無毒，不易燃，無爆炸性，操作簡單，易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)勢，亞臨界水越來越受到研究人員的關(guān)注[7]。

柑橘果膠（Citrus pectin，CP）是從柑橘果皮中提取的一種復(fù)雜多聚糖長鏈碳水化合物，在食品上用作膠凝劑、增稠劑和穩(wěn)定劑等。天然柑橘果膠分子質(zhì)量較大，食用后不能被腸道吸收，雖有一些在大腸內(nèi)發(fā)酵，但對人體沒有非常有效的功用。低分子柑橘果膠 （Low Molecular Citrus Pectin，LMCP）是將天然柑橘果膠經(jīng)過改性處理后，分子質(zhì)量明顯小于天然果膠，水溶性好，容易被腸道吸收而進(jìn)入血液循環(huán)的改性柑橘果膠，對大腸癌細(xì)胞[8-9]、前列腺癌細(xì)胞[9]等均具有殺傷活性，并在吸附重金屬[10]，腸道菌群調(diào)節(jié)[11]，免疫調(diào)節(jié)[12]，防治哮喘[13]等方面表現(xiàn)出良好的活性，被認(rèn)為是一種新興的生物活性多糖[14]。若要果膠在體內(nèi)發(fā)揮作用的，就要進(jìn)行分子大小等的改性[15]。研究發(fā)現(xiàn)利用超高壓微射流技術(shù)[16]、超高靜壓技術(shù)[17]、超聲波[18]等食品工程中的物理加工技術(shù)均可使果膠發(fā)生一定程度的降解。作者前期研究中[19]發(fā)現(xiàn)利用亞臨界水處理能較好地降低柑橘果膠的分子質(zhì)量，而其降解規(guī)律和作用過程仍不清楚。鑒于此，本文從對流變學(xué)特性和分子質(zhì)量的影響方面研究，探討食品加工中常用的亞臨界水 （溫度100～130℃的水）對柑橘果膠的作用規(guī)律和機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

柑橘果膠：煙臺安德利果膠股份有限公司產(chǎn)品。

硝酸鈉、二硝基水楊酸、氫氧化鈉等試劑均為化學(xué)純。

1.2 主要儀器設(shè)備

D-1型高壓蒸汽滅菌鍋，北京發(fā)恩科貿(mào)有限公司；P230高效液相色譜儀，大連依利特分析儀器有限公司；RI-201H示差折光檢測器，日本Shodex公司；S3100自動進(jìn)樣器，大連依利特分析儀器有限公司；R/S plus流變儀，美國Brookfield公司；UV-1800分光光度計(jì)，日本Shimadzu公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備 柑橘果膠溶液的制備：將柑橘果膠粉末用熱水溶解，配成1.5%的果膠溶液，玻璃瓶灌裝、封口備用。

亞臨界水法改性果膠樣品的制備：將配制的果膠溶液置于高壓蒸汽滅菌鍋中，分別在100，110，120和130℃的溫度下處理5～100 min，冷卻后進(jìn)行測試分析。

1.3.2 流變性質(zhì) 用流變儀來測量樣品的流變特性，選用型號為DG3的轉(zhuǎn)子，設(shè)定60 s剪切率逐漸增大的程序，剪切率范圍為50～1 000 s-1，測試20個點(diǎn)。用非牛頓流體的狀態(tài)方程公式表示：

τ=k（γ）n（1＜n＜∞，0＜n＜1）

式中，k——稠度系數(shù)；n——流態(tài)特性指數(shù)。

1.3.3 分子質(zhì)量 采用高效凝膠色譜法測定分子質(zhì)量，主要包括數(shù)均分子質(zhì)量（Mn）和重均分子質(zhì)量（Mw）。

色譜條件：選用Ultrahydrogel水溶性GPC色譜柱 250（7.8 mm×300 mm），柱溫 40℃，流動相為0.1 mol/L硝酸鈉溶液，流速為0.5 mL/min，進(jìn)樣體積為 50 μL。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作：已知分子質(zhì)量分別為200，70，40，20，6，3 ku 的標(biāo)準(zhǔn)葡聚糖經(jīng)流動相溶解，配制成5 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液。以標(biāo)準(zhǔn)葡聚糖分子質(zhì)量的對數(shù)lgMw對保留時間T作圖，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。

樣品處理：待測樣品0.45 μm濾膜過濾后，用自動進(jìn)樣器進(jìn)樣進(jìn)行色譜檢測。

1.3.4 果膠降解度 以分子質(zhì)量的變化表示果膠的降解率：

1.3.5 總糖、還原糖 二硝基水楊酸法測總糖和還原糖含量。

1.3.6 數(shù)據(jù)分析 采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和制圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 亞臨界水處理對柑橘果膠流變特性方程的影響

亞臨界水處理對柑橘果膠流變曲線的影響如圖1所示，由該圖可知，亞臨界水處理能改變果膠的流變曲線，隨著處理溫度的升高和處理時間增加，剪切應(yīng)力變小。將所得數(shù)據(jù)用非牛頓流體冪律模型回歸，所得各參數(shù)如表1所示。由該表可知，亞臨界處理會使稠度系數(shù)降低、流變指數(shù)增大，隨著處理溫度的升高和處理時間增加，這個變化更加顯著。隨著溫度的升高和時間的增加，流變指數(shù)從小于1逐漸增加到大于1，說明柑橘果膠溶液從假塑性流體逐漸變?yōu)榕ｎD流體，再變?yōu)槊浰苄粤黧w。這可能因?yàn)楣z顆粒為棒狀，靜止時顆粒運(yùn)動受阻，當(dāng)受到剪切時，顆粒因形成隊(duì)列而黏度減小，表現(xiàn)為剪切稀化；亞臨界水處理后，果膠大分子發(fā)生斷裂形成小分子，當(dāng)小分子顆粒的濃度逐漸增多后，形成緊密排列，兩層間的相對運(yùn)動將使顆粒偏離緊密排列，體積增加，需消耗額外能量，表現(xiàn)為剪切稠化。

2.2 亞臨界水處理對柑橘果膠黏度的影響

圖2所示為500 s-1和900 s-1的剪切率下，亞臨界水處理對柑橘果膠溶液黏度的影響情況，由該圖可知，亞臨界水處理后果膠的黏度有明顯下降，隨著處理溫度的升高和處理時間增加，這個變化更加顯著。這說明經(jīng)亞臨界水處理后，果膠大分子發(fā)生降解，分子質(zhì)量變小，由于高分子聚合物的黏度與分子質(zhì)量成正相關(guān)，故表現(xiàn)出黏度的下降。

圖1 亞臨界水處理對果膠流變曲線的影響Fig.1 Effect of subcritical water on pectin rheological curve

表1 不同亞臨界處理?xiàng)l件下果膠的冪律模型參數(shù)Table1 Power law model parameters of pectin under different subcritical conditions

圖2 亞臨界水處理對果膠溶液表觀黏度的影響Fig.2 Effect of subcritical water on pectin apparent viscosity

2.3 亞臨界水處理對柑橘果膠分子質(zhì)量的影響

圖3 亞臨界水處理對果膠分子質(zhì)量的影響Fig.3 Effect of subcritical water on pectin molecular weight

圖4 亞臨界水處理后果膠分子的降解度變化Fig.4 The degree of degradation of pectin molecules after subcritical water treatment

柑橘果膠經(jīng)亞臨界處理后分子質(zhì)量會有不同程度的下降。圖3顯示不同處理?xiàng)l件下柑橘果膠分子質(zhì)量的變化，圖4表示以數(shù)均分子質(zhì)量和重均分子質(zhì)量表示的果膠降解度的變化情況。由兩圖可知，在相同的時間下，溫度越高，果膠樣品的分子質(zhì)量越?。辉谙嗤臏囟认?，時間越長，樣品分子質(zhì)量越小；本試驗(yàn)條件下，數(shù)均分子質(zhì)量最高從120 ku下降到23.7 ku，以此表示的果膠降解度最高達(dá)80.5%；重均分子質(zhì)量最高從160 ku下降到44.5 ku，以此表示的降解度最高達(dá)71.7%。由于數(shù)均分子質(zhì)量更多的是體現(xiàn)分子質(zhì)量小的組分的貢獻(xiàn)，可見，果膠的降解大部分不是從中間斷裂的，而是斷裂成許多分子質(zhì)量較小的片段。此外，由兩圖可知在同一溫度下，果膠分子質(zhì)量隨時間的變化基本上在一條直線上，可見，在特定溫度下，果膠大分子的降解速率不變。

2.4 亞臨界水處理對柑橘果膠還原糖含量的影響

不同處理?xiàng)l件下柑橘果膠樣品溶液中還原糖含量的變化如表2所示。由該表可知，果膠溶液經(jīng)亞臨界水處理后，隨著處理溫度的升高和處理時間的延長，果膠溶液中還原糖的含量逐漸增高。這說明經(jīng)亞臨界水處理后，果膠分子被降解，有更多的還原性基團(tuán)游離出來。基于此，可從所測還原糖含量的變化表征果膠分子的降解程度，圖5所示為柑橘果膠樣品中非還原糖轉(zhuǎn)化為還原糖的變化情況。由該圖可知，在本試驗(yàn)條件下，總糖的水解度可達(dá)75.1%，與以分子質(zhì)量表示的果膠降解度基本一致。

圖5 亞臨界水處理后果膠樣品總糖的水解率Fig.5 Hydrolysis rate of total sugar of pectin samples treated by subcritical water

表2 不同亞臨界水處理對果膠樣品還原糖含量的影響（mg/mL）Table2 Reducing sugar content of pectin after different subcritical water treatments （mg/mL）

3 結(jié)論

在試驗(yàn)所選的溫度和時間下，亞臨界水處理對柑橘果膠的流變特性和分子質(zhì)量都有明顯的影響。隨著亞臨界水溫度的升高和處理時間的延長，果膠溶液從假塑性流體逐漸變?yōu)槊浰苄粤黧w，表觀黏度逐漸下降。隨著亞臨界水溫度的升高和處理時間的延長，柑橘果膠分子質(zhì)量逐漸減小，數(shù)均分子質(zhì)量最低達(dá)23.7 ku，重均分子質(zhì)量最低達(dá)44.5 ku，果膠降解度分別可達(dá)80.5%和71.7%；在特定溫度下，果膠大分子的降解速率不隨時間變化而變化。隨著亞臨界水溫度的升高和處理時間的延長，果膠溶液中還原糖的含量逐漸增高，總糖水解度可達(dá)75.1%。