天冬多糖理化性質(zhì)和流變學(xué)特性研究

李夢(mèng)鈺，劉會(huì)平，賈琦，吳亞茹

(食品營(yíng)養(yǎng)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

天冬(asparagi radix)為百合科植物天冬[Asparaguscochinchinensis(Lour) Merr.]的干燥塊根，別名天門冬、天棘、萬歲藤，是一味傳統(tǒng)中草藥，是國(guó)家衛(wèi)生部公布的第三批藥食兩用資源之一[1]。天冬生長(zhǎng)面積廣，資源豐富，主產(chǎn)于中國(guó)中西部地區(qū)，如貴州、廣西、云南、湖南、四川等地，在韓國(guó)等國(guó)家亦有分布[2]。天冬性寒、味甘、微苦、歸肺、腎經(jīng)，具有養(yǎng)陰潤(rùn)燥，清肺生津的功效，其對(duì)肺燥干咳、頓咳痰黏、腰膝酸痛、內(nèi)熱消渴、熱病津傷等均有一定的作用[3]。目前使用的天冬以野生為主，由于天冬抗腫瘤、抗氧化、抗炎癥和免疫調(diào)節(jié)等活性顯著，人們開始深入研究天冬的藥理活性[4-5]。隨著人們保健意識(shí)和生活水平的提高，天冬的需求量也在逐年增加，為提升天冬藥材資源的有效利用率，保護(hù)天冬的藥材資源，提取分離并深入研究其化學(xué)成分，如黃酮、甾體皂苷等，已經(jīng)成為熱點(diǎn)[6-7]。

多糖及其復(fù)合物是自然界含量豐富的天然大分子物質(zhì)之一，廣泛存在于動(dòng)物細(xì)胞膜、高等植物和微生物細(xì)胞壁中，其中植物多糖通常包含許多具有不同結(jié)構(gòu)和生物學(xué)活性的單糖成分[8]。天冬多糖作為天冬中重要有效成分之一，引起研究者廣泛關(guān)注。天冬多糖具有增強(qiáng)機(jī)體免疫活性的功能[9-10]。ZHANG等[9]發(fā)現(xiàn)，天冬多糖可以通過TLR4/NF-MDSCB途徑促進(jìn)髓源性抑制細(xì)胞凋亡，從而選擇性地降低腫瘤小鼠脾臟中髓源性抑制細(xì)胞的比例，表明其在癌癥治療中的潛在應(yīng)用。大量研究表明天冬多糖有顯著抗癌效果[11-13]。翁苓苓等[11]發(fā)現(xiàn)體外低氧環(huán)境下天冬多糖顯著抑制人肝癌細(xì)胞增殖，且呈劑量依賴性，可能通過抑制HIF-1α/VEGF表達(dá)和促進(jìn)肝癌細(xì)胞凋亡達(dá)到抗肝癌的作用。李志孝等[13]從天冬中熱提得到半乳葡聚糖對(duì)人乳腺癌(MCF-7)、人口腔上皮癌(KB)及Lewis肺癌具有抑制作用。但是目前對(duì)天冬多糖的理化性質(zhì)和流變學(xué)性質(zhì)方面的系統(tǒng)性研究還鮮有報(bào)道。

因此，本文針對(duì)野生天冬進(jìn)行提取,得到多糖組分，并對(duì)其理化性質(zhì)和溶液的流變學(xué)特性進(jìn)行了研究，為未來天冬多糖的開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本研究選用的是自然干燥的天冬，購(gòu)自云南省昆明市某批發(fā)市場(chǎng)，經(jīng)鑒定為Asparaguscochinchinensis(Lour) Merr.的干燥塊根；試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮；Aglient 1200高效液相色譜儀，美國(guó)Aglient；UV-2550 PC紫外可見分光光度計(jì)、DSC-60plus差式掃描量熱儀，日本島津；ICS-5000+離子色譜儀，美國(guó)Dionex；SU1510掃描電鏡，日本日立；multimode8原子力顯微鏡，美國(guó)Bruker；Ultima IV X射線衍射儀，日本理學(xué)株式會(huì)社；Q50熱重分析儀，美國(guó)TA；MARS 60動(dòng)態(tài)流變儀，德國(guó)HAAKE。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 天冬多糖的制備

向適量脫脂干燥天冬粉末中加入蒸餾水，料液比1∶20(g∶mL)，攪拌后80 ℃水浴浸提2 h。待浸提液冷卻后，6 000 r/min離心10 min得上清液。上清液旋蒸濃縮至原體積的1/3，按1∶1.5的體積比向上清液中加入無水乙醇使乙醇終體積分?jǐn)?shù)達(dá)60%，4 ℃醇沉過夜，離心(6 000 r/min，10 min)取沉淀。沉淀溶解后使用Sevage試劑[V(氯仿)∶V(正丁醇)=4∶1]去除蛋白質(zhì)[8]。使用100 kDa透析袋透析，真空冷凍干燥得到天冬多糖[25 ℃下溶解度(112.26±3.80) mg/mL]，將其命名為ARP。

1.3.2 ARP相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定

采用高效液相色譜法測(cè)定ARP的相對(duì)分子質(zhì)量。配制葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品(T3、T10、T40、T70、T100、T2000)溶液，得到分子質(zhì)量的對(duì)數(shù)對(duì)出峰時(shí)間的回歸方程，將ARP溶液的出峰時(shí)間代入方程即得ARP重均分子量。

1.3.3 ARP紫外全波長(zhǎng)掃描

用去離子水配制質(zhì)量濃度為1 mg/mL的ARP溶液，以蒸餾水作為空白對(duì)照，使用紫外分光光度計(jì)在190～400 nm范圍內(nèi)掃描。

1.3.4 ARP總糖含量測(cè)定

總糖含量測(cè)定采用苯酚-硫酸法[14]。

1.3.5 ARP糖醛酸含量測(cè)定

糖醛酸測(cè)定采用間羥基聯(lián)苯法[15]。

1.3.6 酯化度測(cè)定

酯化度測(cè)定采用滴定法[16]。

1.3.7 ARP單糖組成測(cè)定

采用離子色譜測(cè)定ARP單糖組成。5 mg ARP中加入1 mL 2 mol/L三氟乙酸,在具塞試管中于110 ℃下水解3 h，氮吹除三氟乙酸，用超純水配制成10 mg/L溶液，用脈沖安培檢測(cè)器和Dionex Carbopac PA20柱(150 mm×3 mm)高效陰離子交換柱檢測(cè)。以D-鼠李糖、L-阿拉伯糖、D-半乳糖、D-葡萄糖、L-木糖、D-甘露糖、D-半乳糖醛酸、D-葡萄糖醛酸為標(biāo)準(zhǔn)品。

1.3.8 ARP微觀形態(tài)觀察

1.3.8.1 掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察

取少量干燥的ARP樣品平貼在0.5 cm×0.5 cm導(dǎo)電膠上，噴金后使用SEM觀察表面形態(tài)。

1.3.8.2 原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)觀察

將質(zhì)量濃度為0.1 μg/mL的ARP溶液少量滴于潔凈的云母片上。待液滴晾干后，在顯微鏡下觀察。原子力顯微鏡的成像力為0.05～3.0 nN，共振頻率為2 kHz。

1.3.9 X射線衍射(X ray diffraction,XRD)分析

采用XRD測(cè)定樣品的結(jié)晶性能。衍射條件為：波長(zhǎng)為1.541 8 A，電壓為40 kV，電流為40 mA，2θ范圍為5～80°。

1.3.10 熱重分析

精確稱取3.0 mg ARP放入坩堝中進(jìn)行熱重分析，以N2為加熱氣氛，防止空氣與樣品發(fā)生氧化影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果(溫度設(shè)置：25～600 ℃，升溫速率：10 ℃/min)，得到熱重曲線(thermogravimetric,TG)和微商熱重曲線(derivative thermogravimetric,DTG)。

1.3.11 差示掃描量熱分析

采用差示掃描量熱法(differential scanning calorimetry,DSC)對(duì)相變過程進(jìn)行表征。精確稱取3.0 mg干燥的ARP樣品密封于坩堝中，以空白坩堝作為參比樣品。溫度設(shè)置為25～200 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.12 ARP流變性質(zhì)的測(cè)定

采用流變儀對(duì)ARP溶液進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)流變性質(zhì)的測(cè)定。測(cè)定參數(shù)設(shè)置為：平板直徑60 mm，間距1 mm，溫度25 ℃。

1.3.12.1 溫度對(duì)ARP溶液流體性能的影響

配制質(zhì)量濃度為30 g/L的ARP溶液，在不同溫度下(5、15、25、45、80 ℃)進(jìn)行表觀黏度的測(cè)定，剪切速率分別設(shè)定為0.1、50、100 s-1。使用Arrhenius方程[17]擬合黏度與溫度的關(guān)系以表征溶液流體學(xué)行為，如公式(1)所示。

(1)

式中：η，溶液表觀黏度，Pa·s；A，預(yù)指數(shù)因子；Ea，活化能，J/mol；R，摩爾系數(shù)，J/(mol·K)；T，絕對(duì)溫度，K。

1.3.12.2 質(zhì)量濃度及剪切速率對(duì)ARP溶液黏度的影響

分別配制質(zhì)量濃度為10、20、40、50和80 g/L的ARP溶液，進(jìn)行靜態(tài)穩(wěn)剪切掃描，溫度控制在25 ℃，測(cè)定剪切速率0.1～100 s-1下表觀黏度的變化。使用冪律牛頓方程[18]擬合表觀黏度與剪切速率的關(guān)系，如公式(2)所示。

η=K×γn-1

(2)

式中：η，溶液表觀黏度，Pa·s；K，稠度系數(shù)，Pa·sn；γ，剪切速率，s-1；n，流動(dòng)指數(shù)。

1.3.12.3 鹽離子濃度對(duì)ARP溶液流體行為的影響

用去離子水分別配制質(zhì)量濃度為30 g/L的ARP溶液，分別加入NaCl和CaCl2，調(diào)節(jié)Na+、Ca2+質(zhì)量濃度為0、1、10和20 g/L，混勻后上機(jī)測(cè)定剪切應(yīng)力和表觀黏度。

1.3.12.4 ARP濃度對(duì)黏彈性行為的影響

采用流變儀振蕩模式對(duì)10、20和40 g/L樣品動(dòng)態(tài)掃描，測(cè)定溫度25 ℃，測(cè)定頻率0.1～10 Hz。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Origin 8.0軟件作圖，并用SPSS statistics 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 ARP重均分子量(Mw)測(cè)定

如圖1-b所示，ARP的高效液相色譜圖中僅有一個(gè)對(duì)稱性好的主峰，響應(yīng)值高，出峰時(shí)間為9.787 min。根據(jù)葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)品在HPLC上的保留時(shí)間繪制logMw對(duì)保留時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1-a)，得到回歸方程為y=-0.358 2x+9.368 8，R2=0.996 1，由此測(cè)得ARP相對(duì)分子質(zhì)量Mw為730 kDa。

a-不同分子質(zhì)量葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線;b-ARP高效液相色譜圖圖1 葡聚糖標(biāo)準(zhǔn)曲線和ARP高效液相色譜圖Fig.1 Dextran standard curve and high performance liquid chromatography of ARP

2.2 ARP純度鑒定和化學(xué)組成

ARP紫外掃描光譜如圖2所示，ARP在260和280 nm處均無明顯的吸收峰，說明ARP不含蛋白質(zhì)、核酸等雜質(zhì)。

以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)品的回歸方程y=5.828 2x-0.036 6，R2=0.999 6，測(cè)得ARP總糖含量為(93.75±1.68)%。經(jīng)半乳糖醛酸標(biāo)準(zhǔn)曲線比對(duì)和回歸方程y=5.167 6x-0.001 9，R2=0.997 6，計(jì)算出ARP總糖醛酸含量為(26.99±0.97)%。由滴定法測(cè)得ARP的酯化度為(38.2±0.14)%。綜上表明采用傳統(tǒng)的水提醇沉法得到的天冬多糖為總糖含量高、低甲氧基的酸性多糖。

圖2 ARP紫外光譜掃描圖Fig.2 UV scanning spectrum of ARP

2.3 ARP單糖組成分析

離子色譜結(jié)果表明(圖3)，ARP由鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、半乳糖(Gal)、葡萄糖(Glc)、木糖(Xyl)、甘露糖(Man)6種單糖和半乳糖醛酸(GalA)、葡萄糖醛酸(GlcA)2種糖醛酸組成，物質(zhì)的量比是0.27∶1.39∶4.42∶12.66∶1∶0.50∶4.83∶0.29，表明ARP是一種酸性雜多糖，主要由葡萄糖、半乳糖和半乳糖醛酸組成。研究結(jié)果表明，ARP與其他天冬多糖組分相比具有不同的單糖組成[13]，進(jìn)一步證明ARP是一種新的多糖。

a-單糖標(biāo)準(zhǔn)品離子色譜圖;b-ARP離子色譜圖圖3 單糖標(biāo)準(zhǔn)品與ARP單糖組成離子色譜對(duì)比圖1-Rha；2-Ara；3-Gal；4-Glc；5-Xyl；6-Man；7-GalA；8-GlcAFig.3 Ion chromatogram of monosaccharide standards and monosaccharide compositions of ARP

2.4 SEM和AFM觀察

使用SEM觀察ARP表面微觀結(jié)構(gòu)。圖4-a中ARP呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相互交叉連接；放大至500倍時(shí)(圖4-b)，可以觀察到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)表面緊密較平滑，絲狀物相互交織。

AFM是一種適用于觀察多糖構(gòu)象的有效工具，可以在亞納米級(jí)上表征大分子聚合物[19]。圖4-c，圖4-d分別為在二維和三維角度觀察ARP分子構(gòu)象的掃描圖。分散在極稀溶液中的ARP表現(xiàn)為球狀聚集狀態(tài)，部分區(qū)域團(tuán)聚狀更為顯著。這可能是多糖高分子在水溶液中由于分子間相互作用產(chǎn)生交互纏結(jié)。多糖中氫鍵和半乳糖醛酸的含量對(duì)其大分子構(gòu)象至關(guān)重要，而天冬多糖中較高的糖醛酸含量對(duì)其形態(tài)的聚集行為影響較大[20]。

a-SEM(×100倍);b-SEM(×500倍);c-AFM 2D圖;d-AFM 3D圖圖4 SEM和AFM觀察ARP表面形態(tài)與構(gòu)象Fig.4 Observation of surface morphology and conformation of ARP by SEM and AFM

2.5 XRD分析

XRD檢測(cè)分析多糖結(jié)晶度，一般而言，晶體表現(xiàn)為尖而窄的特征峰，而非晶態(tài)物質(zhì)表現(xiàn)為寬而彌散的衍射峰[21]。如圖5所示，在20.7°(2θ)有一較寬的衍射峰，峰寬且彌散，此為ARP主要的結(jié)晶反射區(qū)。結(jié)晶不完整的晶體內(nèi)部存在位錯(cuò)等缺陷，晶粒細(xì)小會(huì)導(dǎo)致衍射峰寬化現(xiàn)象[22]。由此表明ARP存在部分結(jié)晶現(xiàn)象，但結(jié)晶性較弱，屬于無定型結(jié)構(gòu)。

圖5 ARP的X-衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of ARP

2.6 TG分析

圖6中2條曲線即TG和DTG曲線，二者直觀反映出多糖樣品質(zhì)量和失重率與溫度變化之間的關(guān)系。從失重率曲線上可以看出,ARP的熱降解過程經(jīng)歷了4個(gè)階段，總失重率為93.35%。在25～100 ℃范圍，ARP質(zhì)量緩慢減少，損失率為9.45%，歸因于多糖樣品中自由水和結(jié)合水的失去。當(dāng)溫度從200 ℃升至357.01 ℃時(shí)，ARP樣品質(zhì)量出現(xiàn)顯著損失，出現(xiàn)2個(gè)失重峰，失重率最高。這主要是因?yàn)槎嗵欠肿影l(fā)生了劇烈的解聚和分解，大量多糖分子在高溫作用下降解為具有揮發(fā)性的小分子量物質(zhì)，如裂解產(chǎn)生CO2、水蒸氣等[23]。隨著溫度的繼續(xù)攀升，質(zhì)量緩慢減小，失重趨勢(shì)漸緩，此時(shí)大部分多糖被碳化為灰分和無機(jī)成分。

圖6 ARP的熱重分析Fig.6 Thermogravimetric analysis of ARP

2.7 DSC分析

DSC是一種用于研究高分子熱學(xué)性能及穩(wěn)定性的重要熱力學(xué)技術(shù)，以反映干燥樣品在不同溫度溶脹過程中由于聚合物鏈的重組而產(chǎn)生的熱作用[24]。多糖由于分子間相互作用，有形成多糖鏈凝聚纏結(jié)、相互交聯(lián)的趨向。當(dāng)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時(shí)，聚合鏈重組而產(chǎn)生熱作用，即在DSC升溫曲線中體現(xiàn)為吸熱峰。如圖7所示，ARP在82.3 ℃處有強(qiáng)吸熱峰(-1.661 mW/mg)，這歸因于在Tg條件下，多糖中水分的蒸發(fā)所致。繼續(xù)升溫至200 ℃未出現(xiàn)新的吸熱峰，表明在25～200 ℃范圍內(nèi)ARP未發(fā)生由于糖苷鍵斷裂而引發(fā)的解聚反應(yīng)，該階段多糖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未發(fā)生熔化分解。此結(jié)果與從決明子中分離出的半乳甘露聚糖結(jié)果一致，其轉(zhuǎn)變溫度為80 ℃[25]。此外，樣品曲線呈現(xiàn)明顯對(duì)稱吸熱峰，說明實(shí)驗(yàn)所提取的多糖純度較高[26]。

圖7 ARP的DSC曲線Fig.7 DSC curve of ARP

2.8 流變性質(zhì)分析

2.8.1 溫度對(duì)ARP溶液流體性能的影響

ARP溶液的表觀黏度隨溫度變化的曲線如圖8所示。對(duì)ARP黏度η和溫度T關(guān)系進(jìn)行Arrhenius方程擬合，得到lnη與1/T的Arrhenius方程關(guān)系式和相關(guān)參數(shù)，結(jié)果如表1所示，R2在0.965～0.982之間變化，表明流動(dòng)曲線符合Arrhenius模型。

在低剪切速率γ(0.01 s-1)下，ARP溶液黏度η受T影響較大，隨溫度升高η先增大后急劇下降。黏度增大可能是由于在極微弱的外力和低溫條件下，鏈間締合作用占優(yōu)勢(shì)，高分子鏈間的締合、纏結(jié)使分子鏈的運(yùn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致溶液的黏度增大。溫度升高加速了分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，溶液中的多糖分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)加劇，分子間距離增大，相互作用力減弱，流動(dòng)阻力降低致使溶液黏度下降[26]。同時(shí)，由熱運(yùn)動(dòng)引起的聚合物鏈的解纏可能導(dǎo)致黏度降低。樣品的黏度曲線也可以利用Arrhenius方程進(jìn)行解釋(R2=0.965)，表明此時(shí)溶液η的變化與T的相關(guān)性較大。Ea反映了聚合物流動(dòng)的難易程度，與聚合物的鏈柔性和大分子相互作用相關(guān),Ea越大，分子間相互作用越顯著，黏度隨溫度的變化就越大[27]。在15～80 ℃時(shí)，活化能Ea為28.320 kJ/mol，此時(shí)樣品流動(dòng)性能較差。

在高剪切速率(50和100 s-1)下，ARP溶液的η隨著T的升高而緩慢下降，基本符合Arrhenius方程，表現(xiàn)出輕微的溫度依賴性。隨著剪切速率加劇，多糖溶液η變化的溫度敏感性降低。因?yàn)楦咚偌羟衅茐亩嗵欠肿拥木奂癄顟B(tài)，分子間作用力大大減弱，溶液流動(dòng)過程中需要克服的活化能減小。同時(shí)，在相同溫度高剪切速率下的黏度明顯低于低剪切速率。當(dāng)剪切速率從50 s-1增至100 s-1時(shí)，Ea略有下降，黏度減小，但變化不顯著，表明當(dāng)施予較高的剪切速率時(shí)，黏度不再受剪切速率的影響。

圖8 溫度對(duì)ARP表觀黏度的影響Fig.8 Effect of temperature on apparent viscosity of ARP

表1 不同剪切速率下ARP溶液的Arrhenius方程和參數(shù)Table 1 Arrhenius equations and parameters of ARP

2.8.2 質(zhì)量濃度及剪切速率對(duì)ARP溶液黏度的影響

ARP溶液質(zhì)量濃度對(duì)其表觀黏度的影響如圖9所示。對(duì)ARP黏度η和剪切速率γ關(guān)系進(jìn)行冪律方程擬合，得到logη與logγ的冪律方程和相關(guān)參數(shù)，該模型可以很好地描述聚合物在不同剪切速率下的剪切稀化行為，結(jié)果如表2所示。由圖9可知，各濃度下的ARP均表現(xiàn)出典型的剪切稀化行為。同一剪切速率下，隨著多糖濃度的增大，η顯著升高，其表觀黏度以濃度依賴的方式增加，溶液抗剪切性能提升，這種現(xiàn)象是由于多糖分子間距離減少，單位體積分子數(shù)量增加，致使分子間交聯(lián)和相互作用增強(qiáng)。同一質(zhì)量濃度下，隨著剪切速率的增加，ARP黏度急劇降低，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，之后黏度不再發(fā)生顯著變化。

理論上，稠度系數(shù)K值和流動(dòng)指數(shù)n值共同影響?zhàn)ざ鹊淖兓襅值與n值之間呈負(fù)相關(guān)[16]。當(dāng)ARP質(zhì)量濃度為10～50 g/L時(shí)，在低剪切速率下(<1 s-1)，R2為0.985～0.998，表明此時(shí)流動(dòng)曲線與冪律模型擬合較優(yōu)，流動(dòng)指數(shù)n<1，呈現(xiàn)出假塑性流體性質(zhì)。而在較高剪切速率下(1～100 s-1)，溶液的n值接近于1，趨近于牛頓流體的性質(zhì)，表現(xiàn)為流體η與γ相關(guān)性低。該現(xiàn)象推測(cè)一方面是由于在高分子稀溶液中，高分子因?yàn)椴祭蔬\(yùn)動(dòng)而趨于無規(guī)則分布狀態(tài)，當(dāng)施以外力時(shí)，高分子處于流動(dòng)場(chǎng)中，多糖分子由無序狀態(tài)開始趨于流動(dòng)場(chǎng)的速度方向運(yùn)動(dòng)，增大流動(dòng)性。另一方面可能與溶液中分子鏈的纏結(jié)有關(guān)，由于外界給予分子間擺脫相互纏結(jié)的外力，較高的剪切速率破壞分子鏈間的締合作用，體系中多糖長(zhǎng)鏈解離，分子鏈形成相對(duì)穩(wěn)定有序的結(jié)構(gòu)，使溶液黏度降低[27]。

隨著多糖濃度的增加，剪切變稀現(xiàn)象的持續(xù)范圍更加廣泛。當(dāng)ARP質(zhì)量濃度增大至80 g/L時(shí)，黏度隨著剪切速率的增大而持續(xù)降低。此時(shí)溶液濃度大，黏度大小取決于分子間作用力和流動(dòng)場(chǎng)外力的相對(duì)大小，由于分子間相互折疊纏結(jié)等助力分子間的強(qiáng)作用力，需要更大的剪切速率破壞分子間作用力，所以剪切稀化的范圍較其他質(zhì)量濃度組大。

圖9 剪切速率對(duì)不同質(zhì)量濃度ARP溶液表觀黏度的影響Fig.9 Effect of shear rate on apparent viscosity of ARP at different concentration

表2 不同質(zhì)量濃度下ARP溶液的冪律方程和參數(shù)Table 2 Power-law equations and parameters of ARP at different concentration

2.8.3 鹽離子濃度對(duì)ARP溶液流體行為的影響

如圖10-a所示，空白組的黏度隨剪切速率提高逐漸降低。隨著在溶液中加入鹽離子，ARP的黏度均出現(xiàn)不同程度的增加，呈劑量依賴性，但ARP溶液仍保持假塑性流體的特性。1 g/L的Na+對(duì)ARP黏度影響較小，當(dāng)添加相同濃度的鹽離子時(shí)，Ca2+對(duì)ARP溶液的增稠程度顯著優(yōu)于Na+。高濃度的Ca2+使ARP的η呈現(xiàn)出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。剪切稠化原因是ARP作為低酯化度的酸性多糖，結(jié)構(gòu)中少量羧酸基團(tuán)被酯化，但大多數(shù)仍屬于具有高Ca2+結(jié)合活性的羧酸基團(tuán)。大量的Ca2+結(jié)合位點(diǎn)有助于形成二聚體，進(jìn)而橫向聚集形成多聚體構(gòu)成egg-box網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28]，改善凝膠的流變特性。蛋盒模型本身致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)賦予其高黏度的特點(diǎn)[29]。添加Na+可以降低多糖鏈間靜電作用，形成一定數(shù)量的氫鍵，交聯(lián)度增加，使體系形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而提高了溶液的黏度。而在相同濃度無機(jī)鹽條件下，價(jià)態(tài)更高的Ca2+能提供更多的電荷，架橋能力顯著優(yōu)于Na+，從而增稠能力更優(yōu)。

空白組剪切應(yīng)力τ隨剪切速率增加呈直線上升趨勢(shì)(圖10-b)。鹽離子添加組的τ隨著γ的增加呈現(xiàn)分段上升趨勢(shì)，前段(0.01～0.1 s-1)上升幅度較后段(0.1～100 s-1)更大。添加Ca2+后顯著提升τ且在低γ處有一“饅頭峰”，η也在相同速率處出現(xiàn)鼓包，同時(shí)η和τ的峰值與Ca2+添加量呈正相關(guān)，說明ARP的黏度和剪切應(yīng)力的增加對(duì)CaCl2更為敏感。

a-表觀黏度;b-剪切應(yīng)力圖10 Na+和Ca2+濃度對(duì)ARP溶液(30 g/L)表觀黏度和剪切應(yīng)力的影響Fig.10 Effects of Na+and Ca2+ concentration on apparent viscosities and shear stresses of ARP solutions (30 g/L)

2.8.4 ARP質(zhì)量濃度對(duì)黏彈性行為的影響

多糖是黏彈性材料，同時(shí)具有固、液特性，其特性可通過動(dòng)態(tài)流變測(cè)量。圖11顯示了質(zhì)量濃度對(duì)ARP的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨頻率的影響。G′表征高聚物溶液抵抗形變的能力即類固體屬性，G″表征高聚物溶液的黏性特征即類液體屬性[30]。圖11表明在所有濃度下G′和G″均隨頻率的增加而增加，表現(xiàn)出頻率依賴性。在低f時(shí)，兩者關(guān)系為G′>G″，此時(shí)ARP溶液表現(xiàn)出類似于固體的彈性行為即弱凝膠的典型特征；隨著f提高，交叉點(diǎn)出現(xiàn)，此時(shí)G′

a-G′和G″;b-tanδ圖11 不同質(zhì)量濃度ARP溶液的G′、G″和tanδ隨振蕩頻率的變化趨勢(shì)Fig.11 Variation trend of G′,G″ and tan δ of ARP solution with different mass concentration with oscillation frequency

當(dāng)質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)，G′與G″具有明顯的頻率依賴性，G′>G″，阻尼t(yī)anδ(G″與G′的比值)始終<1，多糖呈現(xiàn)弱凝膠結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)彈性行為[32]；隨著濃度提高，G′與G″的頻率依賴性逐漸降低，G′與G″開始出現(xiàn)交集，tanδ值顯著增加且逐漸>1，tanδ呈現(xiàn)濃度依賴性，此時(shí)ARP具有黏性行為。

3 結(jié)論

本研究以水提醇沉法制得天冬多糖ARP，總糖含量(93.75±1.68)%，糖醛酸含量(26.99±0.97)%，酯化度為(38.2±0.14)%，Mw為730 kDa，屬于純度較高的酸性多糖。ARP由Rha、Ara、Gal、Glc、Xyl、Man六種單糖和GalA、GlcA兩種糖醛酸組成，物質(zhì)的量比是0.27∶1.39∶4.42∶12.66∶1∶0.50∶4.83∶0.29。ARP呈表面緊密平滑的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在極稀溶液中的ARP表現(xiàn)為球形聚集狀。ARP結(jié)晶性較弱但具有良好的熱穩(wěn)定性(高達(dá)200 ℃)，適用于高溫處理與加工，多糖的熱穩(wěn)定性也是其在食品應(yīng)用中選擇適當(dāng)生產(chǎn)條件的重要依據(jù)。

ARP流變特性的研究結(jié)果主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。(1)ARP溶液流體行為受T和γ的影響。在低γ下，黏度隨溫度的變化發(fā)生波動(dòng)；在高γ時(shí)，η隨T的升高緩慢下降，基本符合Arrhenius方程。(2)ARP溶液的η隨溶液質(zhì)量濃度上升而增加。隨著γ的增大，ARP溶液η下降，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。流動(dòng)指數(shù)n均小于1，符合冪律方程對(duì)非牛頓流體特征的解釋。(3)鹽離子對(duì)ARP溶液具有增稠、提高剪切應(yīng)力作用,且Ca2+增稠程度顯著優(yōu)于Na+。國(guó)家衛(wèi)健委公布天冬可用于保健食品，由此ARP-Ca2+系統(tǒng)具有應(yīng)用于保健型流質(zhì)食品的潛力，并有營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充礦物質(zhì)Ca2+的好處。(4)動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性研究分析表明，隨著多糖濃度的增大，體系中的儲(chǔ)能模量G′、損耗模量G″和tanδ均顯著升高，即多糖的黏彈性都隨之增加，且黏性性能的增大速率明顯高于彈性性能的增大速率。綜上，ARP具有高黏度、強(qiáng)剪切稀釋性、良好的膠凝性和耐熱性能，可作為一種新型的水膠體應(yīng)用于食品等行業(yè)。