百香果皮果膠的分子特征及Ca2+與Zn2+致流變變化的研究

丁寧，艾連中，賴?guó)P羲*，張匯，宋子波

1(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海食品微生物工程技術(shù)研究中心，上海,200093) 2(云南貓哆哩集團(tuán)食品有限責(zé)任公司，云南 玉溪， 653100)

果膠是植物性酸性多糖,是重要的膳食纖維來源，其單糖組成、分子質(zhì)量和分枝結(jié)構(gòu)隨植物種類和部位(果、莖、葉和根等)而異[1]。果膠的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，特征為: 由α-(1,4)-半乳糖醛酸聚糖構(gòu)成主干，分為無分枝的同質(zhì)半乳糖醛酸聚糖(homogalacturonans，HGA)區(qū)和分枝區(qū)。分枝區(qū)有3種分枝片段，第一種為第一型鼠李糖半乳糖醛酸聚糖(rhamnogalacturonan-I,RG-I), 以鼠李糖為分支點(diǎn)鍵結(jié)中性的α-(1,5)-阿拉伯聚糖或β-(1,4)-或β-(1,3; 1,6)-半乳聚糖分枝；第二種為第二型鼠李糖半乳糖醛酸聚糖(rhamnogalacturonan-II,RG-II)，含有21～22種糖苷鍵、6個(gè)特殊單糖；第三種為木糖短分枝區(qū)(XG)[2-3]。

果膠可作為天然膳食纖維、食品膠凝劑、增稠劑和穩(wěn)定劑，商業(yè)價(jià)值高[4]。目前商業(yè)果膠主要來自柑橘皮，其次為蘋果皮。其他水果加工廢棄物也含有豐富果膠, 為了提高果汁加工業(yè)的附加價(jià)值與減廢的目的，提取廢棄果皮中的果膠正成為產(chǎn)業(yè)增值化的趨勢(shì)之一。百香果皮含有19%可溶性膳食纖維(以果膠為主)和38%不溶性膳食纖維[5], 所以百香果皮果膠(passion fruit pectin，PFP)的提取與應(yīng)用研究有重要意義。以商業(yè)果膠的酸提法(pH 1～4, 35～97 ℃，10 min-4 h), 可得百香果皮果膠收率為7.5%～25%, 酯化度(degree of esterification，DE)達(dá)67%～80%, 屬于高甲氧基果膠(high methoxyl pectin，HMP), 收率和DE隨著提取的溫度、時(shí)間、酸液pH值、酸的種類以及輔助處理 (酶、草酸銨、微波和超聲波等)而異[5-9]。

然而目前百香果皮果膠的研究大都限于提取條件的優(yōu)化[5-9]和區(qū)分物質(zhì)的分子特征[9], 尚少有流變性質(zhì)(如黏度)或食品應(yīng)用性的研究。已知兩價(jià)金屬離子與果膠的鍵結(jié)作用隨果膠分子結(jié)構(gòu)和濃度以及金屬離子種類和濃度而異[10-11]。因此，本研究目的在于解析以商業(yè)酸提法所得紫色百香果皮果膠的化學(xué)與分子特性以及添加Ca2+和Zn2+濃度對(duì)PFP溶液黏度特性的影響，以提供百香果皮果膠在特殊流質(zhì)食品工業(yè)應(yīng)用的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和設(shè)備

材料：紫色百香果果皮,云南貓哆哩集團(tuán)食品有限責(zé)任公司；單糖標(biāo)準(zhǔn)品(阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸、甘露糖和鼠李糖)，Sigma-Aldrich化學(xué)公司；KBr(光譜級(jí))，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；間羥基聯(lián)苯、CaCl2、ZnCl2,上海源葉生物科技有限公司；HNO3、HCl、NaOH、濃H2SO4、四硼酸鈉等分析純?cè)噭?，?guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇(AR級(jí), Greagent品牌)，上海泰坦科技股份有限公司。

分析設(shè)備：紫外分光光度計(jì)725 型,上海光譜儀器有限公司；DionexTMICS-5000+離子交換色譜系統(tǒng),美國(guó) Thermo Scientific公司；高效液相色譜聯(lián)用多角度激光散射(high performance size exclusion chromatography multiangle laser light scattering，HPSEC-MALLS),美國(guó) Wyatt Technology 公司；傅里葉變換紅外光譜儀(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR),美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司；TA Discovery HR-3 流變儀,美國(guó) TA 儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 百香果果皮果膠的提取

參考商業(yè)果膠工業(yè)上常用的酸提法[4]，將百香果果皮烘干、粉碎并過篩(120 目)，稱取20 g百香果果皮粉末，固定料液比1∶20 (g∶mL)，用HNO3調(diào)節(jié)pH為2.1，靜置30 min膨潤(rùn)后，進(jìn)行提取，提取條件為85 ℃水浴加熱3 h。粗提取液經(jīng)離心(轉(zhuǎn)速6 000 r/min, 20 min)取得上清液, 用旋轉(zhuǎn)真空蒸發(fā)儀濃縮到原體積的1/3～1/2，然后加入2倍體積的95%(體積分?jǐn)?shù))乙醇，攪拌均勻并靜置1 h后，以轉(zhuǎn)速6 000 r/min 離心20 min，取下層膠狀沉淀物，攪拌細(xì)碎化，用乙醇脫水2次后，冷凍干燥，得到百香果皮果膠PFP。2次平行制備。

1.2.2 總糖醛酸(uronic acid，UA)含量的測(cè)定

采用間羥基聯(lián)苯法[12]測(cè)定總糖醛酸含量。配制PFP溶液經(jīng)80 ℃， 30 min加熱溶解后定量到質(zhì)量濃度0.05 mg/mL。另制備半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.01～0.06 mg/mL)。各取1 mL于試管中，在冰水浴下加入6 mL四硼酸鈉/濃硫酸，搖勻后，沸水浴10 min，取出冷卻至室溫后，加入0.1 mL 間羥基聯(lián)苯溶液(1.5 mg/mL)，室溫下反應(yīng)20 min，測(cè)定525 nm下吸收值。半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)檢量線為：Y=13.061X-0.001 4 (R2=0.999)，其中Y=525 nm下吸光值，X=半乳糖醛酸質(zhì)量濃度(mg/mL)。由檢量得的濃度再計(jì)算出總糖醛酸含量(以質(zhì)量百分比表示)，如公式(1)。3次平行測(cè)定。

(1)

1.2.3 酯化度的測(cè)定

采用滴定法測(cè)定酯化度[7,13], 為降低滴定時(shí)使用酸與堿的濃度以增加解析度。稱取0.1 g PFP樣品于250 mL錐形瓶中，加入2 mL無水乙醇浸濕，加入 100 mL 經(jīng)煮沸冷卻去除二氧化碳的水，用瓶塞塞緊并不斷搖動(dòng)，使樣品全部溶解為止。加入 5 滴酚酞指示劑，用 0.02 mol/L NaOH溶液滴定，記錄消耗NaOH溶液的體積(V1)，即為樣品的原始滴定度，向樣液中加入20 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液，用瓶塞塞緊，經(jīng)強(qiáng)烈搖動(dòng)后，靜置15 min，加入20 mL 0.1 mol/L HCl溶液，不斷搖動(dòng)使溶液中粉紅色消失后，加入3滴酚酞指示劑，用 0.02 mol/L NaOH溶液滴定至樣液呈微紅色，記錄所消耗NaOH溶液的體積(V2)，即為樣品的皂化滴定度。根據(jù)公式(2)計(jì)算酯化度。3次平行測(cè)定。

(2)

式中：V1,第1次消耗NaOH溶液的體積，mL；V2,第2次消耗NaOH溶液的體積，mL。

1.2.4 單糖組成測(cè)定

稱取PFP樣品10 mg于螺蓋試管中, 加入2 mL超純水，80 ℃加熱攪拌30 min溶解，再加入0.4 mol/L三氟乙酸水溶液，密封，然后在110 ℃烘箱中反應(yīng)3 h，反復(fù)加入甲醇3次，用氮吹儀吹干，最后加入2 mL的超純水溶解水解物，稀釋5倍，經(jīng)0.22 μm微孔膜過濾后, 進(jìn)行高效陰離子交換色譜分析。設(shè)備為DionexTMICS-5000+離子交換色譜系統(tǒng)，配備ED1 脈沖電極偵測(cè)器和CarboPacTMPA20分析管柱(含保護(hù)管柱), 沖提條件為20 mmol/L NaOH、20 min，然后提高醋酸鈉濃度梯度50～200 mmol/L、10 min；流速為 0.5 mL/min；管柱溫度30 ℃。進(jìn)樣量 25 μL。以軟件Chromeleon 7軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。以標(biāo)準(zhǔn)單糖進(jìn)行單糖組成的定性與定量。2次平行測(cè)定。單糖組成含量以摩爾百分比表示。同質(zhì)半乳糖醛酸聚糖含量的計(jì)算如公式(3)所示：

同質(zhì)半乳糖醛酸聚糖含量/%=半乳糖醛酸含量/%-鼠李糖含量/%

(3)

1.2.5 分子質(zhì)量、固有黏度與分子粒徑的測(cè)定

配制1 mg/mL的PFP樣品溶液，加熱溶解于0.1 mol/L NaNO3，經(jīng)0.22 μm微孔過濾膜過濾后，進(jìn)行高效液相色譜聯(lián)用多角度激光散射(HPSEC-MALLS)系統(tǒng)分析。設(shè)備為AligentTM1260 Infinity II LC,串聯(lián)3個(gè)檢測(cè)器:多角度激光光散射檢測(cè)器、黏度檢測(cè)器和示差折射檢測(cè)器；串聯(lián)SB-805 HQ和SB-803 HQ(8 mm×300 mm)2支色譜柱；流動(dòng)相為 0.1 mol/L 的NaNO3水溶液(含0.02%疊氮化鈉)，流速0.6 mL/min，管柱溫度40 ℃；進(jìn)樣量 100 μL。采用 ASTRA 7.1.3 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析。

1.2.6 流變特性分析

配制30 mg/mL PFP溶液20 mL，添加CaCl2或ZnCl2使最終Ca2+和Zn2+濃度為0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.3和0.4 mol/L，在60 ℃加熱攪拌2 h完全溶解。將制備好的PFP溶液趁熱取樣置于TA Discovery HR-3 流變儀的Peltier平板正中央, 立刻進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)剪切掃描, 采cone-plate 測(cè)定夾具(不銹鋼錐板，錐角59′ 53″，直徑60 mm，間隙1 000 μm)， 溫度控制在25 ℃,測(cè)定剪切速率0.01～1 000 s-1下剪切應(yīng)力和表觀黏度的變化。采用 TA Instruments Trios 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和擬合模式分析。3次平行測(cè)定。

根據(jù)流變參數(shù)變化圖, 發(fā)現(xiàn)較佳的擬合模型為Power Law模型, 如公式(4)和公式(5)[14]：

σ=Kσγn

(4)

ηa=Kηγn-1

(5)

式中:σ,剪切應(yīng)力,Pa；γ,剪切速率,s-1；ηa,表觀黏度,Pa·s；Kσ和Kη為稠度系數(shù),Pa·sn；n,流體行為指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 百香果皮果膠化學(xué)組成

PFP收率與化學(xué)組成列于表1。采用酸提法(酸液pH 2.1，80 ℃，3 h)所得的紫色百香果皮果膠PFP的收率為10.6%，總糖醛酸含量80.5% (半乳糖醛酸當(dāng)量), 酯化度75.2%,屬于高甲氧基果膠(HMP, DE>50%)。單糖組成中含量最多的是半乳糖醛酸(GalA) (78.5%), 其次是阿拉伯糖(8.24%)、葡萄糖(6.19%)和少量的半乳糖、甘露糖和鼠李糖(1.4%～3.7%), 同質(zhì)半乳糖醛酸聚糖含量占74.3%。

表1 果膠收率、化學(xué)組成與化學(xué)組成的比較單位：%

GUO等[9]將紫色百香果皮以超聲輔助草酸銨萃取(ultrasonic-aided ammonium oxalate extraction，UAOE)條件(pH 2.0、0.6%草酸銨和超聲波240 W/cm2、35 ℃、30 min)提取, 所得提取物(PFP)收率為10.1%，UA為51.8%， DE<50%，單糖組成主要為葡萄糖(53.5%), 其次為GalA (25.4%)和少量的阿拉伯糖、半乳糖與鼠李糖，HGA僅20.3%，推測(cè)含有等量的聚葡萄糖和果膠[9]。商業(yè)柑橘高甲氧基果膠(C-HMP)[15]的UA為80.1%，DE為8.3%，含有中性糖中半乳糖(8.5%)和少量鼠李糖、阿拉伯糖與葡萄糖，HGA占76.5%。本研究PFP單糖組成與C-HMP接近, 但異于UAOE提取的PFP。

比較各種黃色百香果皮果膠,包括以超聲波促酸提取的果膠(收率7.5%～12.7%, GalA=66%～76%, DE=60%～80%)[7]、以熱酸或原果膠酶促提的果膠(GalA=85%～89%, DE=68%～70%)[8]或是以熱檸檬酸液提取的果膠(DE 79%)[5], 本研究的紫色百香果皮果膠PFP收率中等,但UA (或GalA)含量和DE皆高，DE接近于商業(yè)柑橘來源的超高甲氧基果膠(ultrahigh methoxy lated pectin，C-UHMP，DE=78%)，高于商業(yè)C-HMP (DE=58%～64%)[8,15]及檸檬皮果膠(DE=68%～72%)[16]。PFP符合食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 25533—2010食品添加劑果膠的要求[GalA (65%)][17]。

2.2 百香果果皮果膠的FTIR結(jié)構(gòu)特征

圖1 PFP的FTIR光譜Fig.1 FTIR spectrum of PFP

2.3 百香果果皮果膠的分子質(zhì)量、固有黏度和分子粒徑

圖2為PFP在0.1 mol/L硝酸鈉溶液中分子質(zhì)量分布的HPSEC-MALLS色譜圖, RI訊號(hào)(粗線, 與樣品濃度成正比)顯示單一分子分布，出峰時(shí)間在19～30 min，而LS訊號(hào)(細(xì)線，與分子粒徑和濃度成正比)顯示雙峰(在20.5和24 min處),顯示有兩類分子構(gòu)形密度或粒徑存在。透過ASTRA 7.1.3 軟件處理取得分子性質(zhì)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。由Zimm圖[18]回歸可得重均分子質(zhì)量(Mw)為(190.5±1.0)kDa，數(shù)均分子質(zhì)量(Mn)為(175.1±1.1)kDa，多分散系數(shù)PDI值 (Mw/Mn)為1.09 ±0.01；由DP和RI偵測(cè)器訊息測(cè)得固有黏度[η]為(6.09±0.00)dL/g，并得到馬克-霍溫-櫻田(Mark-Houwink-Sakurada, MHS)關(guān)系式([η]=K×Mwa)[19]參數(shù)K=0.016 5，α=0.875。假設(shè)果膠分子在0.1 mol/L 硝酸鈉溶液中為球狀, 將上述所得Mw和[η]值代入Flory-Fox和Einstein-Simha公式[9,18]，分別可求得環(huán)動(dòng)半徑 (gyration of radius，Rg)為(44.5±0.0) nm和水合動(dòng)態(tài)半徑 (hydrodynamic radius，Rh)為(25.6±0.1) nm, 非均向性 (anisotropy)構(gòu)形參數(shù)(ρ=Rg/Rh比值)[20]為1.74。

表2 PFP的分子質(zhì)量、固有黏度和分子粒徑參數(shù)Table 2 Molecular weights, intrinsic viscosity and molecular size parameters of pectin PFP

圖2 PFP分子質(zhì)量分布的 HPSEC-MALLS 色譜圖譜Fig.2 HPSEC-MALLS chromatogram for molecular profile of PFP

PFP的Mw值接近于商業(yè)柑橘果膠 (Mw=180 kDa)[18]和UAOE法所得紫色百香果膠提取物的10%與15%乙醇區(qū)分物PFP-10和PFP-15 (Mw=18.1和20.8 kDa；DPI=1.66和1.73)[9]，但PFP的PDI值明顯較低。PFP的[η],Rg,Rh和ρ值與PFP-10和PFP-15 ([η]=7.05和5.93 dL/g；Rg=37.7和41.7 nm；Rh=26.6 和23.6 nm；ρ=1.42和1.77)[9]都很接近。PFP的MHSα值(0.875)和商業(yè)柑橘果膠 (α=0.822, 在30 ℃下)[18]相近，但比PFP-10和PFP-15 (α=0.55和0.58)[9]高。

已知 MHS指數(shù)α為分子鏈構(gòu)形參數(shù), 0～0.3時(shí)為球狀；0.5～0.8時(shí)為柔軟的無規(guī)則線狀；> 0.8時(shí)為半柔軟的伸展鏈；1.8～2.0時(shí)為硬短桿狀鏈[19]。若以整體分子的非均向性的構(gòu)形參數(shù)ρ值觀之，0.775時(shí)為緊密球狀；1.5～1.8時(shí)為柔軟的無規(guī)則線狀；≥2時(shí)為伸展性分子；ρ值越大鏈越硬[20]。綜合可知,在0.1 mol/L硝酸鈉溶液中PFP(MHSα=0.875，ρ=1.74) 分子鏈半柔軟半伸展、整體分子呈無規(guī)則線狀。

2.4 Ca2+濃度對(duì)果膠溶液剪切應(yīng)力和表觀黏度的影響

圖3為0.01～0.4 mol/L Ca2+的添加對(duì)PFP溶液(30 mg/mL)穩(wěn)剪切測(cè)定(剪切速率γ=0.01～1 000 s-1)的流體行為。圖3-a顯示空白組(0 mol/L Ca2+)的剪切應(yīng)力(σ)隨γ增加而直線上升，表觀黏度 (ηa，等于σ對(duì)γ的變化斜率)變化平緩(圖3-b)。添加Ca2+大大提高σ值(尤其在γ=0.01～10 s-1下)、屈服應(yīng)力(σy, 即0.01 s-1下的σ值)，并呈現(xiàn)出尖峰化現(xiàn)象, 即σ隨γ增加呈兩段式, 前段(0.01～0.05 s-1) 快速上升，后段慢速上升。因此ηa值(圖3-b) 也呈現(xiàn)先升后降的尖峰化現(xiàn)象，即先剪切稠化的膨脹性流體行為，后剪切稀化的假塑性流體行為[14]。Ca2+引起的σ和ηa增加程度在0.05 mol/L達(dá)到最大, 過高的Ca2+濃度 (0.1～0.4 mol/L)反而導(dǎo)致σ和ηa下降。σ或ηa尖峰對(duì)應(yīng)的特征γ值(γ*)由0.1 s-1降到0.04 s-1, 與σy或ηa,0.01呈正相關(guān)。

Ca2+添加提高PFP溶液的黏度或稠度系數(shù)的情形也見于與橙皮果膠[21]、甜菜果膠[22]、桃子、漿果和胡蘿卜的富果膠提取物[23], 也會(huì)提高低甲氧基果膠的黏彈性模量[24-25]。Ca2+會(huì)透過離子鍵作用于果膠半乳糖醛酸的游離羧基上，形成Egg-box結(jié)構(gòu)[26]。PFP雖為高甲氧基果膠，含有78.5% GalA和酯化度為75.2%(表1), 有大約19.5%游離羧基的GalA可與Ca2+作用形成具有流動(dòng)性的微凝膠[27], 或可合理說明Ca2+添加導(dǎo)致0.01 s-1下σy和ηa增加以及低γ區(qū)(0.01～0.1 s-1)剪切稠化的現(xiàn)象(圖3)；而0.1～1 000 s-1區(qū)剪切稀化現(xiàn)象可歸因于中高剪力導(dǎo)致微凝膠呈順向性流動(dòng)后微凝結(jié)構(gòu)瓦解[14,28]。

a-剪切應(yīng)力；b-表觀黏度圖3 Ca2+濃度對(duì)果膠溶液剪切應(yīng)力和表觀黏度的影響Fig.3 Effect of Ca2+concentration on shear stress and apparent viscosity of pectin solution

2.5 Zn2+濃度對(duì)果膠溶液剪切應(yīng)力和表觀黏度的影響

圖4為0.01～0.4 mol/L Zn2+的添加對(duì)PFP溶液(30 mg/mL)穩(wěn)剪切下流體行為的影響。相較于空白組，Zn2+的添加提高了PFP溶液在低剪切速率(0.01～6 s-1)下的剪切應(yīng)力σ、σy(圖4-a) 和表觀黏度ηa(圖4-b), 尖峰化輕微且較Ca2+的作用不明顯。Zn2+引起的σ和ηa增加程度在0.05 mol/L達(dá)到最大，與 Ca2+的情況類似。整體而言,在γ=0.03～1 000 s-1下Zn2+-PFP溶液皆呈剪初稀化的假塑性流體行為；γ>20 s-1時(shí), 空白組與含0.01和0.4 mol/L Zn2+的PFP溶液的σ和ηa高于其他組,具有較佳的耐剪切稀化能力。

a-剪切應(yīng)力;b-表觀黏度圖4 Zn2+濃度對(duì)PFP溶液剪切應(yīng)力和表觀黏度的影響Fig.4 Effect of Zn2+ concentration on shear stresses and apparent viscosities of PFP solutions

2.6 添加不同濃度離子對(duì)果膠溶液體系流變參數(shù)的影響

考慮食品膠體應(yīng)用時(shí)最常見的范圍為 0.1～1 000 s-1,包括自然流動(dòng)(0.1～10 s-1)、咀嚼和吞咽 (10～100 s-1)、混合和攪拌 (10～1 000 s-1)[29], 所以將上述Ca2+和Zn2+-PFP溶液在γ= 0.1～1 000 s-1下呈剪切稀化的σ和ηa值進(jìn)行Power law 模型作擬合，求得稠度系數(shù)K和流體行為指數(shù)n。

表3比較了Ca2+和Zn2+濃度對(duì)PFP溶液的K和n值的影響。整體而言,擬合的相關(guān)系數(shù)(R2)非常高,σ=Kσ·γn擬合的R2值 (0.989～1.000)比ηa=Kη·γn-1擬合的R2值(0.908～0.999)高。相較于空白組 (Kρ= 0.155 Pa·sn，n=0.802；Kη=0.079 Pa·sn，n=0.924), Ca2+或Zn2+的存在明顯提高了Kσ和Kη值,尤其在0.01～0.05 mol/L時(shí)Kσ和Kη值隨離子濃度提高而規(guī)則地增加，n值反向降低，但在0.1～0.4 mol/L時(shí)無此規(guī)則現(xiàn)象。除了空白組和0.01 mol/L Zn2+組Kσ>Kη外，0.01～0.05 mol/L離子組的Kσ

表3 Ca2+和Zn2+濃度對(duì)PFP溶液流變參數(shù)的影響Table 3 Effects of Ca2+and Zn2+ concentrations on the rheological parameters of PFP solution

針對(duì)表觀黏度, PFP溶液(空白組)的K和n值皆高于檸檬皮果膠的K和n值[16]，但K小于、n大于桃子、漿果和胡蘿卜的富果膠提取物的K和n值[23]，這些差異與樣品結(jié)構(gòu)特性、濃度、流變?cè)O(shè)備和模具不同有關(guān)。Ca2+添加使PFP溶液的K值提高且n值降低的現(xiàn)象也見于甜菜果膠[22]。

2.7 離子對(duì)果膠溶液體系的流變特性的影響

Ca2+和Zn2+離子濃度對(duì)PFP溶液表觀黏度的影響可以由圖5-a更清楚地顯示，以γ= 1 s-1的表觀黏度(ηa,1)代表說明。相較于空白組PFP溶液[ηa,1=(0.068±0.007) Pa·s], Ca2+和Zn2+濃度在0.01 mol/L即可提高PFP溶液的ηa,1分別達(dá) 1和0.2 Pa·s。ηa,1值在Ca2+0.05 mol/L時(shí)最高(2.3 Pa·s), 在Zn2+0.02～0.05 mol/L時(shí)最高(0.9 Pa·s), ≥0.1 mol/L時(shí)大幅度降低且 Zn2+> Ca2+系統(tǒng)。圖5-b顯示當(dāng)γ=10 s-1時(shí)Ca2+和Zn2+對(duì)PFP表觀黏度的增加效果減小，但仍是Ca2+> Zn2+且0.05 mol/L Ca2+達(dá)到最高(0.42 Pa·s)，而0.02～0.01 mol/L Zn2+只溫和提高黏度。綜合可知GalA與Ca2+作用比Zn2+強(qiáng)且敏感，此與游離羧基對(duì)金屬離子的親和力有關(guān)[10-11]。

因PFP含有HGA 74.3%和游離羧基型態(tài)的GalA約24.8% [=1-酯化度(75.2%)], 所以PFP溶液(30 mg/mL)中, Ca2+鍵結(jié)的HGA鏈段[10]上活性GalA殘基數(shù)目大約0.031 mol/L (脫水GalA殘基的分子質(zhì)量為176 g/mol)。已知Ca2+和Zn2+等兩價(jià)金屬離子和果膠GalA游離羧基形成接合區(qū)依循Egg-box模型[4,10-11,25-26],一個(gè)Ca2+(或Zn2+)與4個(gè)GalA游離羧基作用形成安定的離子鍵結(jié)。所以0.031 mol/L活性GalA殘基可鍵結(jié)的Ca2+(或Zn2+)大約0.008 mol/L，可說明圖5所示0.01 mol/L Ca2+(或Zn2+)組即有顯著的黏度上升的現(xiàn)象, 然而須0.02～0.05 mol/L才能達(dá)到最大黏度。過高離子濃度容易導(dǎo)致微膠結(jié)構(gòu)瓦解，使黏度降低。

0.01～0.05 mol/L Ca2+和0.02～0.05 mol/L Zn2+下PFP溶液 (30 mg/mL)的K值(0.8～2.8 Pa·sn)-n值(0.5～0.3) 組合與商業(yè)稠化劑ThickenUp在質(zhì)量百分率5%下的K-n值組合很相近[30]，顯示果膠PFP-Ca2+(或Zn2+)系統(tǒng)具有在特殊流質(zhì)食品的應(yīng)用潛力, 兼具補(bǔ)充必需礦物質(zhì)和調(diào)控流體特性的優(yōu)點(diǎn)。

a-剪切速率1 s-1;b-剪切速率10 s-1圖5 Ca2+和Zn2+濃度對(duì)PFP溶液在剪切速率1 s-1和10 s-1下表觀黏度的影響Fig.5 Effects of Ca 2+ and Zn2+ on the apparent viscosities of PFP solutions at a shear rate of 1 s-1 and 10 s-1

3 結(jié)論

本研究以商業(yè)酸提法所得紫色百香果皮果膠PFP, 發(fā)現(xiàn)其含有80.5%總糖醛酸, 酯化度75.2%, 單糖組成中GalA占78.5%, 同質(zhì)半乳糖醛酸聚糖占74.3%；以及Mw190.5 kDa，與商業(yè)柑橘高甲氧基果膠非常相近。0.01～0.05 mol/L Ca2+或Zn2+可顯著提高PFP溶液穩(wěn)剪切測(cè)定的剪切應(yīng)力、表觀黏度、稠度系數(shù)K和剪切稀化情形(即降低流體行為指數(shù)n), 效果最大在 0.05 mol/L Ca2+或0.02～0.05 mol/L Zn2+時(shí), Ca2+的效果大于Zn2+。Ca2+與 Zn2+添加促使PFP溶液產(chǎn)生高屈服應(yīng)力及高K-低n值組合，接近商業(yè)稠化劑的特性, 顯示PFP-Ca2+(或Zn2+)系統(tǒng)具有應(yīng)用于特殊流質(zhì)食品的潛力。未來值得進(jìn)一步研究調(diào)整PFP-Ca2+或Zn2+濃度配方, 以符合各種特殊流質(zhì)食品的流變特性要求。