桑枝多糖與桑枝低聚糖的流變學(xué)特性

楊詩沅，鄒宇曉，黎爾納*，廖森泰*

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部功能食品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省農(nóng)產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，廣東 廣州 510642）

桑枝（Ramulus mori）是?？粕洌∕orus alba L.）的細(xì)長(zhǎng)的分支[1]，其含有桑枝多糖、1-脫氧野尻霉素（1-deoxynojirimycin，DNJ）、槲皮素、白藜蘆醇等活性物質(zhì)[2]。我國(guó)的桑樹資源極其豐富，每年有超過上千萬噸的桑枝條用于板材和農(nóng)業(yè)，其利用率約為10%[3]。

流變學(xué)是研究樣品在力的作用下表現(xiàn)出來的由力觸發(fā)或者引起的某些流動(dòng)行為和結(jié)構(gòu)的變化[4]，預(yù)測(cè)、解釋物質(zhì)的流變性在食品加工制造、開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用[5]。流變學(xué)研究主要包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流變學(xué)。靜態(tài)流變學(xué)是研究樣品的流體類型（如牛頓流體和非牛頓流體）[4]，動(dòng)態(tài)流變學(xué)用于測(cè)定樣品的黏彈性，是黏性和彈性的判斷依據(jù)，黏彈性一般用儲(chǔ)能模量（G′）、損耗模量（G″）以及二者對(duì)剪切頻率的依賴性來表征[6-7]。多糖等高分子的流變特性與其分子質(zhì)量大小、結(jié)構(gòu)性狀、分子間相互作用、物理纏結(jié)等多種因素有關(guān)，并影響其生物功能、加工及運(yùn)輸方式[8]。

目前，桑枝多糖和桑枝低聚糖的研究主要集中在提取純化[9]、促進(jìn)益生菌增殖[10]、抗腫瘤[11]、腎臟損傷保護(hù)[12]和降血糖[13]等方面，對(duì)桑枝多糖和桑枝低聚糖的流變學(xué)性質(zhì)鮮有報(bào)道。在食品流變學(xué)的研究中，流變儀廣泛應(yīng)用于多糖流變學(xué)性質(zhì)測(cè)定，WANG等[14]通過流變儀測(cè)得刺梨果實(shí)多糖是假塑性流體；ZHONG等[15]和WANG等[16]發(fā)現(xiàn)物理超聲改性可以改變多糖的流體類型，降低多糖表觀黏度和彈性。隨著消費(fèi)者健康意識(shí)的增強(qiáng)，含益生菌、功能性多糖和低聚糖類健康飲品成為越來越多人的選擇，但是保持產(chǎn)品在生產(chǎn)、輸送、貨架期中的穩(wěn)定性是目前面臨的重點(diǎn)問題。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)，桑枝多糖經(jīng)生物酶解后能夠提高其對(duì)乳酸菌生長(zhǎng)的促進(jìn)作用[10]，但桑枝多糖和桑枝低聚糖在食品工業(yè)中作為穩(wěn)定劑和增稠劑等功能缺乏一定理論依據(jù)，本研究對(duì)桑枝多糖和桑枝低聚糖的流變學(xué)特性進(jìn)行測(cè)定，探討其凝膠特性，為桑枝多糖和桑枝低聚糖類健康天然植物乳化劑相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)提供理論數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桑枝多糖（Ramulus mori polysaccharides，RP）：北京五和博澳藥業(yè)有限公司；桑枝低聚糖（Ramulus mori oligosaccharides，EROS）為桑枝多糖經(jīng)生物酶解制備的凍干粉；HCl、NaOH、NaCl、CaCl2（分析純）：廣州化學(xué)試劑廠；蔗糖、檸檬酸（分析純）：天津市福晨化學(xué)試劑廠。

1.2 主要儀器設(shè)備

DHR-2流變儀：美國(guó)TA公司；HWS26型電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科學(xué)儀器有限公司；VORTEX 3型旋渦振蕩器：德國(guó)IKA公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的制備

取RP和EROS分別配制成40 mg/mL溶液，混勻后室溫25℃靜置12 h，充分溶解。

1.3.2 動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)試

根據(jù)MINJARES-FUENTES等[17]的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)振蕩測(cè)試，選取平行鋼板（直徑40 mm，間隙1.0 mm）在頻率10 Hz下進(jìn)行應(yīng)變掃描測(cè)試（25℃）；在線性黏彈區(qū)、剪切頻率 1 rad/s～100 rad/s下測(cè)定 G′和 G″。

1.3.3 靜態(tài)流變學(xué)測(cè)試

根據(jù)焦宇知等[18]的方法稍作修改，選取直徑40 mm平行鋼板（間隙1.0 mm），溫度25℃，剪切力0.01 s-1～100 s-1。

1.3.3.1 濃度對(duì)表觀黏度的影響

取 1.3.1 溶液配制成 5、10、20、40、60、80 mg/mL 的RP和EROS溶液，采用流變儀測(cè)定溶液的表觀黏度。

1.3.3.2 pH值對(duì)表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，用1 mol/L HCl溶液和 1 mol/L NaOH 溶液調(diào)節(jié) pH 值至 3、4、5、7、9，室溫25℃靜置12 h后測(cè)定表觀黏度。

1.3.3.3 加熱時(shí)間對(duì)表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，80℃水浴加熱15、30、60、120 min，室溫25℃靜置12 h后測(cè)定表觀黏度。

1.3.3.4 放置時(shí)間對(duì)表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，分別放置1、5、10、15、20 d 后，測(cè)定表現(xiàn)黏度。

1.3.3.5 凍融對(duì)表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，分別在4℃和-20℃儲(chǔ)藏24h，室溫25℃靜置12h后測(cè)定表觀黏度。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

所有流變學(xué)測(cè)試，結(jié)果為至少兩次重復(fù)的平均值。采用Origin8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)態(tài)測(cè)試

G′和G″分別反映彈性（固體）和黏性（液體）特征，可通過動(dòng)態(tài)測(cè)試獲得。但動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性測(cè)定需要保持樣品的結(jié)構(gòu)完整性，即需在線性黏彈性區(qū)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試[19-20]，所以在頻率掃描測(cè)試前，進(jìn)行應(yīng)變掃描測(cè)試以確定樣品的線性黏彈區(qū)。圖1和圖2為應(yīng)變測(cè)試結(jié)果。

圖1 RP的應(yīng)變測(cè)試Fig.1 Strain test of RP

圖2 EROS的應(yīng)變測(cè)試Fig.2 Strain test of EROS

由圖1和圖2可知，RP和EROS的G′和G″的變化趨勢(shì)一致，在整個(gè)應(yīng)變力范圍內(nèi)，G″受應(yīng)變力的影響較小，G′隨應(yīng)變力增大先快速減小后趨于平緩。RP的G′在應(yīng)變力60%～70%范圍幾乎不變，EROS的G′在應(yīng)變力60%～70%幾乎保持穩(wěn)定值，所以選擇應(yīng)變力65%進(jìn)行頻率掃描測(cè)試[17]。

若G′和G″值存在交叉點(diǎn)表明材料具有黏彈性，并且交點(diǎn)頻率與樣品的黏彈性相關(guān)[16，21]。圖3和圖4為動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果。

圖3 RP的動(dòng)態(tài)測(cè)試Fig.3 Dynamic test of RP

圖4 EROS的動(dòng)態(tài)測(cè)試Fig.4 Dynamic test of EROS

由圖3可知，G′和G″隨剪切速率的增加而增大，剪切速率小于1.258 9 rad/s時(shí)G″＞G′，溶液以黏性占優(yōu)勢(shì)，剪切速率為 1.258 9 rad/s時(shí)，G′=G″，說明 RP 能形成膠體，隨剪切速率的提高G′迅速升高而超過G″，此時(shí)溶液以彈性占優(yōu)勢(shì)。由圖4可見，G′和G″存在速率依賴性，G′對(duì)速率的依賴性比G″大。低速率時(shí)G″＞G′，表現(xiàn)出黏性行為，在1.258 9 rad/s～1.584 9 rad/s范圍內(nèi)G′與 G″有交叉點(diǎn)，而后 G′＞G″，研究報(bào)道刺梨水溶性多糖也有該行為[14]，說明EROS也具有凝膠特性。

綜上所述，RP和EROS均具有黏彈性，但EROS的彈性較RP弱，即生物酶解使多糖的彈性減弱，同樣，ZHONG等[15]發(fā)現(xiàn)超聲波處理能夠降低裂褶菌多糖的分子量使其彈性減弱。

2.2 濃度對(duì)表觀黏度的影響

圖5和圖6為濃度對(duì)RP和EROS的表觀黏度影響測(cè)試結(jié)果。

圖5 濃度對(duì)RP表觀黏度的影響Fig.5 Effect of concentration on apparent viscosity of RP

圖6 濃度對(duì)EROS表觀黏度的影響Fig.6 Effect of concentration on apparent viscosity of EROS

由圖5和圖6可知，RP和EROS的表觀黏度隨濃度的增加而提高，隨剪切力的增加而降低。各濃度的RP和EROS隨剪切力的增加表觀黏度下降，表現(xiàn)出剪切稀化行為，說明二者為非牛頓流體；同一濃度下RP的初始表觀黏度大于EROS的初始表觀黏度，可能是生物酶解促使糖鏈降解，糖分子之間的交聯(lián)度和聚合度降低，溶液表觀黏度下降[8]；白背毛木耳多糖溶液的流體類型不受濃度影響，對(duì)濃度變化具有穩(wěn)定性[22]，而RP和EROS溶液濃度的改變沒有影響其流體類型，說明RP和EROS的流變性對(duì)其濃度具有穩(wěn)定性，生物酶解不改變桑枝多糖的流體類型。

2.3 pH值對(duì)表觀黏度的影響

圖7和圖8為pH值對(duì)RP和EROS的表觀黏度影響測(cè)試結(jié)果。

圖7 pH值對(duì)RP表觀黏度的影響Fig.7 Effect of pH on apparent viscosity of RP

圖8 pH值對(duì)EROS表觀黏度的影響Fig.8 Effect of pH on apparent viscosity of EROS

由圖7可知，pH值對(duì)RP溶液表觀黏度的影響較小，只影響溶液的初始表觀黏度，RP在pH值為7時(shí)初始表觀黏度最大（0.005 6 Pa·s），當(dāng)pH值小于7時(shí)，初始表觀黏度隨pH值降低而提高，在pH值為9時(shí)初始表觀黏度最?。?.002 1 Pa·s）。由圖8可知，低剪切力時(shí)，pH值為5時(shí)EROS的表觀黏度最大，可能是EROS溶液呈酸性，H+使分子以較為伸展的構(gòu)象存在，pH值降低或升高，表觀黏度均降低[23]。剪切力大于45 s-1時(shí)，溶液表觀黏度趨向一致。可見，RP和EROS有較好的酸堿穩(wěn)定性，可用于酸性和堿性食品中，相對(duì)于RP而言EROS的酸堿穩(wěn)定性稍有降低。

2.4 加熱時(shí)間對(duì)表觀黏度的影響

圖9和圖10為加熱時(shí)間對(duì)RP和EROS的表觀黏度影響測(cè)試結(jié)果。

圖9 加熱時(shí)間對(duì)RP表觀黏度的影響Fig.9 Effect of heating time on apparent viscosity of RP

圖10 加熱時(shí)間對(duì)EROS表觀黏度的影響Fig.10 Effect of heating time on apparent viscosity of EROS

由圖9可知，熱處理后RP仍保持剪切稀化行為，低剪切力下，表觀黏度隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，剪切力達(dá)到45 s-1后，各處理組RP的表觀黏度趨向穩(wěn)定值。在魔芋葡甘聚糖溶液中也觀察到類似的現(xiàn)象[24]。由圖10可知，低剪切力下，EROS的表觀黏度隨加熱時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，可能是加熱使多糖分子鏈斷裂，溶解性和分散性提高，表觀黏度升高[25]；但加熱時(shí)間過長(zhǎng)（＞60 min），多糖結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，分子間斥力增強(qiáng)，表觀黏度降低。剪切力達(dá)到45 s-1后溶液的表觀黏度也趨向穩(wěn)定。

2.5 放置時(shí)間對(duì)表觀黏度的影響

圖11和圖12為放置時(shí)間對(duì)RP和EROS的表觀黏度影響測(cè)試結(jié)果。

圖11 放置時(shí)間對(duì)RP表觀黏度的影響Fig.11 Effect of placement time on apparent viscosity of RP

圖12 放置時(shí)間對(duì)EROS表觀黏度的影響Fig.12 Effect of placement time on apparent viscosity of EROS

由圖11可知，放置1 d～10 d，RP的初始表觀黏度隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，10 d后其初始表觀黏度隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而升高，可能是短時(shí)間內(nèi)RP溶液不穩(wěn)定，一定時(shí)間后分子水合作用穩(wěn)定；在高剪切力時(shí)各處理組溶液表觀黏度趨于一致。由圖12可知，放置1、5 d和10 d的EROS溶液表觀黏度曲線趨于一致，放置15 d和20 d的表觀黏度曲線趨于一致，各放置時(shí)間溶液的表觀黏度隨剪切力增大而趨向穩(wěn)定值。可見放置時(shí)間并不改變RP和EROS流變類型，但RP和EROS的響應(yīng)程度不同。帶形蜈蚣藻多糖的黏度雖會(huì)隨放置時(shí)間延長(zhǎng)稍有下降，但一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定，因其具有抗降解性[25]。

2.6 凍融對(duì)表觀黏度的影響

圖13和圖14分別為凍融對(duì)RP和EROS的表觀黏度影響測(cè)試結(jié)果。

圖13 凍融對(duì)RP表觀黏度的影響Fig.13 Effect of freeze-thaw on the apparent viscosity of RP

圖14 凍融對(duì)EROS表觀黏度的影響Fig.14 Effect of freeze-thaw on the apparent viscosity of EROS

由圖13可知，凍融處理未改變RP的流體類型，但表觀黏度稍有降低，4℃和-20℃儲(chǔ)存影響差別不大，可能是低溫處理使氫鍵斷裂、糖鏈結(jié)構(gòu)被破壞，造成表觀黏度降低。由圖14可知，凍融處理并未改變EROS的表觀黏度曲線的趨勢(shì)，4℃冷藏的初始表觀黏度略有提高，而-20℃凍藏使初始黏度提高但低于4℃儲(chǔ)存，這可能是冷藏處理使EROS分子間交聯(lián)加強(qiáng)，致使表觀黏度提高[24]，而凍藏處理破壞EROS的分子交聯(lián)使表觀黏度稍有降低；隨著剪切力增大，各處理組EROS表觀黏度趨于一致，說明EROS具有較好的抗凍融能力，并且較RP強(qiáng)。

3 結(jié)論

RP和EROS均為黏彈性非牛頓流體，適用于管道輸送，有利于食品加工利用，但生物酶解后的EROS彈性減弱。濃度、pH值和凍融對(duì)二者表觀黏度的影響較小，但EROS耐酸堿穩(wěn)定性較RP弱，而抗凍融能力比RP好，對(duì)pH值變化的穩(wěn)定性表明RP和EROS適用于酸性和堿性食品中。加熱時(shí)間和放置時(shí)間對(duì)二者表觀黏度的影響較大，主要是影響其低剪切力時(shí)的表觀黏度，當(dāng)?shù)竭_(dá)中等剪切力后表觀黏度趨于穩(wěn)定。本研究考察了桑枝多糖和桑枝低聚糖溶液在不同影響因素條件下的表觀黏度變化情況，為其在食品工業(yè)中的應(yīng)用及品質(zhì)控制提供理論支持。