黃原膠對流質(zhì)配方食品流變特性的影響

李慧 ，付鑫，任元海，孫婉婷 ，王猛 ，周泉城 *

1. 山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院食品科學系（淄博 255049）；2. 農(nóng)產(chǎn)品功能化技術(shù)山東省高校重點實驗室（淄博 255049）；3. 華潤圣海健康科技有限公司（淄博 255000）

流質(zhì)配方食品是以碳水化合物和蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)，可添加維生素和礦物質(zhì)的用于特殊醫(yī)學用途的食品配方，比如用于進食困難、吞咽困難的患者等，而老年人是吞咽障礙發(fā)生率最高的群體[1]。隨著全球老齡化社會的到來，吞咽障礙已成為世界各國所要面臨的重大健康問題[2]。從安全吞咽的角度來講，對于吞咽障礙特殊食用人群而言，對質(zhì)地稀薄的流體食物增稠可以提高流體食物的黏度，減緩其流經(jīng)咽喉的速度，降低食物吸入肺里的危險，從而避免吸入性肺炎導(dǎo)致食用人群死亡[3]。據(jù)調(diào)查，吞咽障礙造成的吸入性肺炎已經(jīng)成為致使老年人死亡的重要原因之一[4]。

流質(zhì)配方選用的蛋白質(zhì)是豌豆蛋白肽和乳清蛋白。豌豆蛋白肽是豌豆蛋白經(jīng)酶解破壞肽鍵后得到的小分子肽，它的抗氧化活性更高，并具有凝膠形成性、乳化性和乳化穩(wěn)定性。乳清蛋白是一種營養(yǎng)豐富的重要食品組分，它不僅易消化，而且有很高的代謝效率，同時還含有很多生物活性物質(zhì)，具有很高的功能特性，所以它們被廣泛用于提高食品質(zhì)地和營養(yǎng)價值[5]。而對流質(zhì)食品增稠可保持食品的色、香、味結(jié)構(gòu)，并對食品的相對穩(wěn)定性起相當重要的作用[6]。黃原膠由于其強烈假塑性的流變學特性常被作為增稠劑，在吞咽困難的飲食護理中顯示出積極的作用[3]。黃原膠由5個糖殘基單元組成，其中側(cè)鏈上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群賦予了黃原膠負電荷，帶負電荷的側(cè)鏈相互作用決定了黃原膠優(yōu)良的乳化穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、與食品中其他組分的相容性以及流變性，是已知所有親水性膠體中用途較廣泛、使用較多的膠體[7-9]，可以和淀粉等其他多糖相配伍，可控制最終產(chǎn)品的糊化性和流變性[10]。它還具有良好的水溶性，即使在冷水中也可較好溶解[11]。要對其流變特性進行評估和控制，最重要的是探究這些因素的影響[12]。

試驗從流變學等物性學角度出發(fā)，探究了不同濃度的黃原膠對流質(zhì)配方食品的增稠效果及食用安全性的影響規(guī)律，討論了流質(zhì)配方食品的黏度的時間依賴性以及穩(wěn)態(tài)、動態(tài)流變性，以期對該流質(zhì)配方食品設(shè)計開發(fā)、臨床護理方面提供理論數(shù)據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃原膠（上海鴻鍵食品配料有限公司）；豌豆蛋白肽（煙臺雙塔食品有限公司）；乳清蛋白（上海愛純生物科技有限公司）；羥丙基淀粉（上海愛純生物科技有限公司）；核桃油（南陽磨坊麻麻原生態(tài)食品有限公司）；氯化鈉、磷酸二氫鉀（鄭州瑞普生物工程有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

Malvern旋轉(zhuǎn)流變儀（馬爾文公司）；SMC滲透壓摩爾濃度測定儀（天津斯格瑞科技有限公司）；雷磁PHS-25 pH計；AL-1D4電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 流質(zhì)配方食品制備

流質(zhì)配方食品溶液的配制：分別添加0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%黃原膠（黃原膠-營養(yǎng)素，質(zhì)量比）于由0.8 g豌豆蛋白肽、0.7 g乳清蛋白、0.25 g核桃油、7.60 g羥丙基淀粉、0.01 g混合維生素、0.16 g混合礦物質(zhì)、0.11 g氯化鈉、0.06 g磷酸二氫鉀組成的配方食品中，混勻，加55 ℃水，高速分散均質(zhì)機以10 000 r/min均質(zhì)5 min后即得測定所需試樣。

1.3.2 pH測定

取1.3.1中試樣測定pH。

1.3.3 滲透壓測定

取1.3.1中試樣，用滲透壓摩爾濃度測定儀測試滲透壓。

1.3.4 流變學性質(zhì)的測定

取1.3.1中試樣，放入應(yīng)力可控型Malvern旋轉(zhuǎn)流變儀測定平臺，采用平板-平板測量系統(tǒng)，平板直徑為40 mm，平板間距為0.5 mm，刮去平板外多余樣品，加上蓋板。為了使樣品保持相同的初始狀態(tài)，裝樣后使之平衡5 min后開始測試。每次測試均使用新的樣品，并用輕質(zhì)硅油封樣以防止水分揮發(fā)。測試溫度我25 ℃。穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測試中，采用控制剪切速率的測試模式，剪切速率由0.1 s-1升至1 000 s-1，記錄樣品的黏度隨剪切速率的變化以及應(yīng)力隨剪切速率的變化。樣品時間依賴性試驗中，分別在剪切率50 s-1和200 s-1時剪切5 min，靜置1 min，再剪切1 min測試黏度隨著時間的變化情況。動態(tài)應(yīng)變掃描測試中，初始頻率為6.28 rad/s，應(yīng)變掃描范圍0.001～3，記錄儲能模量G'、損耗模量G”以及損耗因子tanδ隨應(yīng)變的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃原膠濃度對流質(zhì)配方pH影響

黃原膠是一種酸性胞外雜多糖，其溶液對酸堿十分穩(wěn)定[11]。隨著黃原膠濃度的增高，其分子體積增大，相互作用概率增加，吸附水分子增多，這導(dǎo)致作為溶劑的水分子減少，因此pH發(fā)生變化。從圖1可看出，黃原膠濃度越大，其調(diào)節(jié)的流質(zhì)配方食品pH越大，由酸性pH升高到中性的7左右。人體最佳的pH為7.3～7.4，未添加黃原膠流質(zhì)配方食品呈酸性，而黃原膠添加后，流質(zhì)配方食品pH則趨向最佳值，更有利于人體的健康。此外，流質(zhì)配方食品的pH與流質(zhì)配方溶液的黏度及其穩(wěn)定性有著密切關(guān)系，對流質(zhì)配方溶液的黏度及其穩(wěn)定性調(diào)節(jié)有重要作用，而且兩者也會影響到患者食用效果。

圖1 黃原膠濃度對流質(zhì)配方食品pH影響

2.2 黃原膠濃度對流質(zhì)配方滲透壓影響

任何溶液都因有不同的溶質(zhì)濃度而呈現(xiàn)不同的滲透壓。滲透壓調(diào)節(jié)人體內(nèi)酸堿平衡，對恢復(fù)神經(jīng)正常作用具有重要作用。黃原膠在電解質(zhì)溶液中呈螺旋結(jié)構(gòu)，在含有鈉鹽的流質(zhì)配方食品中，黃原膠分子間存在的氫鍵維持黃原膠分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，而分子內(nèi)氫鍵則保持黃原膠分子的剛性，使流質(zhì)配方食品在熱力學上更穩(wěn)定。雙螺旋解開為單鏈，對滲透壓起到很大作用，黃原膠可以減緩流質(zhì)配方食品的凝沉，可能的原因是親水性膠體結(jié)合了部分水分，而使水分活度降低，因此增加了凝沉的時間，這方面研究與文獻[13]研究結(jié)果一致。正常人體的血漿滲透濃度為280～320 mOsmol/kg。從圖2可以看出，此次試驗的黃原膠添加量滲透壓均在此范圍，不但不會對人體造成危害，還使其長時間不發(fā)生分層，改善口感與體態(tài)。

2.3 流變學性質(zhì)分析

2.3.1 穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測試未添加黃原膠的流質(zhì)配方食品表觀黏度基本不隨剪切速率的增加而發(fā)生改變，僅0.08 Pa·s，為低黏度流體。此黏度食用時，易發(fā)生嗆吸，而引起窒息，因此不適合吞咽困難患者直接食用。在剪切速率的作用下，添加黃原膠的流質(zhì)配方食品表現(xiàn)為典型的非牛頓假塑性流體[14]。從圖3可以看出，當剪切速率為0 s-1時，溶液表觀黏度最大；當剪切速率從0 s-1增加到500 s-1時，表觀黏度隨剪切速率的增加而迅速降低；500 s-1之后，表觀黏度的下降趨勢逐漸趨于平緩。這是因為黃原膠為網(wǎng)狀螺旋復(fù)合體長鏈結(jié)構(gòu)，剪切速率較低時，它與流質(zhì)配方食品中的支鏈淀粉相互纏繞，彼此交織纏結(jié)，形成纏節(jié)與三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加分子間的作用力，黏度最高[15]，而當剪切速率不斷增加時，分子之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，纏結(jié)被完全解開，降低了流體阻力，從而使溶液的表觀黏度減小，表現(xiàn)出典型假塑性流體特性[16-17]。剪切稀化是流體特有的現(xiàn)象，即流體的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低[18]。

圖2 黃原膠濃度對流質(zhì)配方滲透壓影響研

圖3 不同黃原膠添加量下剪切速率對流質(zhì)配方食品黏度的影響

圖4 不同黃原膠添加量下剪切速率對流質(zhì)配方食品剪切應(yīng)力的影響

在相同剪切速率條件下，黃原膠的質(zhì)量濃度越大其表觀黏度越大，流體假塑性越強，剪切稀化效應(yīng)越顯著。但當黃原膠濃度達到2.5%時，再增加其濃度，黏度減小不顯著。可通過調(diào)節(jié)黃原膠質(zhì)量濃度來調(diào)控黏度下降程度，以滿足不同吞咽困難患者對黏度和口感的多方面需求，優(yōu)良的黏度沖調(diào)性對于吞咽困難患者來說至關(guān)重要，它保證了食用期間流動性的黏度安全性。

2.3.2 時間依賴性試驗

兩種剪切速率的選擇依據(jù)：50 s-1為流體食物在喉嚨吞咽時的速率，且該剪切速率可類比流體食物在容器中被輕微攪動時受到的剪切作用；而200 s-1則對應(yīng)于流體食物經(jīng)歷比較大強度攪拌時的剪切速率[22]。

圖5 不同濃度黃原膠流質(zhì)配方溶液在50 s-1和200 s-1恒定速率下黏度隨剪切時間的變化

從圖5可見，在同一黃原膠添加量下，第2次剪切時的黏度與第1次剪切后無顯著性差別，黏度隨時間變化不明顯，說明剪切時間和剪切程度基本不會對其黏度造成影響，外力撤出后體系恢復(fù)到未經(jīng)力作用的體系狀態(tài)所需的時間短。但200 s-1恒定剪切相較50 s-1恒定剪切造成的黏度下降較明顯。黃原膠分子間靠氫鍵形成二級螺旋立體結(jié)構(gòu)，雙股螺旋結(jié)構(gòu)間靠微弱的非共價鍵結(jié)合，形成三級螺旋聚合體結(jié)構(gòu)。在高剪切速率下，三級聚合體結(jié)構(gòu)解聚為一級剛性結(jié)構(gòu)，因而溶液黏度迅速下降，當剪切速率解除時，分子結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到雙螺旋聚合體狀態(tài)，使溶液黏度恢復(fù)到最大[23]。黃原膠的添加其溶液黏度不受剪切歷史的影響，無明顯的觸變性，并表現(xiàn)出剪切變稀的行為，對施加的剪切應(yīng)變做出即時響應(yīng)[24]。這樣的溶液可給予咽部較長的吞咽反應(yīng)時間，從而減少吸入危險。試驗給出了黃原膠添加量在0～3%的濃度范圍內(nèi)流質(zhì)配方溶液的特征，其結(jié)果均符合人體安全食用的要求，實際臨床需求可根據(jù)特殊吞咽患者對黏度等的要求調(diào)整實現(xiàn)。

2.3.3 動態(tài)應(yīng)變掃描測試

tanδ為損耗模量與儲能模量的比值，可以反映流體的黏彈性[13]。儲能模量（G'）代表剪切時能量儲存并且可以恢復(fù)的彈性能力，損耗模量（G”）代表流體受到外部剪切力作用而產(chǎn)生的黏性能力[25]。

從圖6可見，未增稠的流質(zhì)溶液，它的儲能模量小于損耗模量，損耗角正切值tanδ大于1，及G'＜G”，tanδ＞1，為類液體的性質(zhì)；而經(jīng)黃原膠增稠的流質(zhì)溶液，它的儲能模量大于損耗模量，損耗角正切值tanδ小于1，及G'＞G”，tanδ＜1。由此可知動態(tài)機械損耗角正切大于1主要是黏性行為，說明體系流動性強；小于1主要是彈性行為，說明其固體特性強[26]。黃原膠的添加，使流質(zhì)溶液成為彈性高于黏性的黏彈體，表現(xiàn)為典型的弱凝膠體系。原因可能是親水性膠體與溶出的直鏈淀粉通過范德華力或氫鍵作用，形成比原淀粉凝膠更強的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體[27]。這與劉敏等[7]的試驗結(jié)果相似。

流質(zhì)配方食品的儲能模量和損耗模量的改變受黃原膠添加影響，是因為黃原膠分子支鏈與主鏈之間形成螺旋構(gòu)象與其直鏈淀粉之間作用[28]。儲能模量的增大說明溶液體系的固體特征上升，是由于親水膠體與淀粉之間形成不兼容的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)類似于同種類型的直鏈淀粉之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度的增加、儲能模量的增加，這與BeMiller等[29]研究所得結(jié)果一致。

圖6 不同濃度黃原膠流質(zhì)配方溶液模量（G'和G”）和損耗角正切隨應(yīng)變的變化

3 結(jié)論

黃原膠與流質(zhì)配方混合體系體現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)，其具有更好的增稠作用和更強的假塑性。在穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測試中，添加黃原膠增加了流質(zhì)配方的黏度和剪切稀化效應(yīng)，使其產(chǎn)生一定的應(yīng)力，提高了混合體系的穩(wěn)定性。當黃原膠濃度達到一定程度后（高于2.5%），混合體系性質(zhì)趨向穩(wěn)定。在時間依賴性試驗中，黃原膠的添加其溶液黏度不受剪切作用的影響，無明顯的觸變性，更適合吞咽困難患者。在動態(tài)應(yīng)變掃描測試中，加入黃原膠后混合體系的G'、G”值增加，損耗角正切值tanδ增加，彈性高于黏性，咀嚼性降低，形成了更加均勻穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該流質(zhì)配方的pH、滲透壓測定表明相關(guān)食用品性安全。此次試驗為該流質(zhì)配方產(chǎn)品市場化提供了物性安全穩(wěn)定依據(jù)，并為吞咽困難患者的臨床飲食護理提供有效依據(jù)。