刺槐豆胶/瓜尔豆胶复合体系的流变学性质研究

郭 杰,郭 肖,张朝阳,王铖博,慕星星,张 继,* (1.兰州职业技术学院,甘肃兰州 730070; 2.西北师范大学生命科学学院,甘肃兰州 730070; 3.甘肃省特色植物有效成分制品工程技术研究中心,甘肃兰州 730070; .中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃兰州 730050)



刺槐豆胶/瓜尔豆胶复合体系的流变学性质研究

郭 杰1,2,3,郭 肖4,张朝阳1,2,3,王铖博1,2,3,慕星星1,2,3,张 继1,2,3,*
(1.兰州职业技术学院,甘肃兰州 730070; 2.西北师范大学生命科学学院,甘肃兰州 730070; 3.甘肃省特色植物有效成分制品工程技术研究中心,甘肃兰州 730070; 4.中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所,甘肃兰州 730050)

研究刺槐豆胶(LBG)/瓜尔豆胶(GG)复合体系的流变学性质,并采用流变学的模型进行拟合分析。实验表明:BG/GG复合体系为非牛顿流体,流动曲线服从Carreau模型,随着LBG比例的增大,其粘度越小,非牛顿性越不明显,触变性越低。LBG与GG复配对粘度的影响可产生协同作用,LBG/GG=1∶9时,复合体系粘度最大。在频率扫描范围内,LBG/GG复合体系同时具有粘性和弹性,随不同的角频率处理展现不同的动态粘弹性行为,LBG/GG=1∶9时,复合体系的动弹粘弹性最大。

刺槐豆胶,瓜尔豆胶,流动性,触变性,动态黏弹性,协同作用

刺槐豆胶(LBG)和瓜尔豆胶(GG)均是非离子、具分支的链型天然非凝胶多糖,主要成分是半乳甘露聚糖[1-3]。LBG是从刺槐树种子胚乳中提取的一种植物多糖胶,β-D-(1→4)糖苷键连接的D-甘露糖为主链,在某些D-甘露糖基的1→6位上连接一个α-D-吡喃半乳糖的多糖[4-5],且半乳糖与甘露糖的比例为1∶4[6]。GG一种来源于印度豆类植物中的可溶性纤维物质,主链为(1→4)-β-D-甘露糖单位,侧链则由单个的α-D-半乳糖以(1→6)键与主键相连接[7-8],主链上平均每两个甘露糖单位中有一个半乳糖单位在C-6位与之相联,甘露糖对半乳糖之比为1.8∶1(约为2∶1)[9]。

Perez[10]等研究发现:LBG与κ-卡拉胶(4∶6)复合体系有明显的协同效应,热示差扫描结果显示LBG与κ-卡拉胶有强的相互作用,LBG和κ-卡拉胶的复合体系利于鱼肉中蛋白质形成稳定的凝胶。Y Chen[11]等人的研究结果与Perez等人的相一致。庄沛锐[12]研究表明适宜比例的LBG与卡拉胶的复配胶对猪肉糜品质起到了一定的改善作用。Ramirez[13]研究发现LBG/黄原胶(XTG)按1∶3混合形成1%的复配体系可以增加凝胶的抗剪切能力,减弱剪切变稀行为,并且也增强了凝胶的形成能力。郭守军[14]也表明LBG与XTG具有协同作用。肖于栋[15]分析了不同配比LBG/海藻酸钠(SA)复合体系的流动性和动态粘弹性。结果表明:复合体系是假塑性流体,在响应外界应变刺激的过程中,刺槐豆胶主要起的能量储存作用,相应的损耗能量主要是海藻酸钠溶液的流动造成的。MM Alves[16]研究了明胶-刺槐豆胶的相位平衡和机械性能,结果表明LBG和明胶有协同作用。朱慧[17]研究表明总质量分数为1%、比例为5∶5的XTG/GG溶液时协同作用最大,复合体系的黏度最大。王元兰[18]的研究结果与朱慧等人的一致。张雅媛[19]的研究发现:GG与直链淀粉间的相互作用可引起淀粉成糊温度的降低。其中,玉米淀粉与GG复配体系表现出更高的协同增稠性,加入胶体后,玉米淀粉体系的流体指数降低,滞后环面积增大,蜡质玉米淀粉体系流体指数未呈现显著变化,滞后环面积减少。复配体系整体黏性比例增加,结构更为稳定,表现出更优越的黏弹性。吴绍艳[20]研究发现:当总糖浓度为1%,魔芋胶与GG的共混比例为60∶40,制备温度为80 ℃,体系盐离子(Ca2+)浓度为0.1 mol/L时可得到协同相互作用的最大值。

LBG和GG能在特殊环境下或与其他亲水胶体相互作用下产生凝胶,可作为凝胶剂或其它添加剂应用于食品、石油、纺织、造纸等领域[21-24]。因此,研究食品胶体之间的协同作用在食品等领域中具有重要的意义。但当前对LBG和GG复合体系流变学性质的研究较少。本文通过MCR301流变仪对LBG/GG复合体系的静态流变学和动态流变学进行研究,考察复配比例对其流变性、触变性和动态粘弹性的影响,为LBG/GG复合体系在食品等领域上的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

刺槐豆胶(食品级) 甘肃弘诺科技贸易有限公司产品;瓜尔豆胶(食品级) 西安骏马生物科技有限公司。

MCR301流变仪 奥地利安东帕;CC27 内径为27 mm的同心圆筒转子;PP50 直径为50 mm的平板转子;JRA-6数显磁力搅拌水浴锅 金坛市杰瑞尔电器有限公司;电子天平 沈阳龙腾电子产品有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 LBG/GG复合体系的制备 配制质量分数为1.0%的复合胶溶液100 mL,LBG与GG的质量比分别为10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10,25 ℃ 130 rad/min持续搅拌至胶体充分分散溶解,配制成不同比例的LBG/GG复合体系,静置过夜备用。

式(1)

式(2)

1.2.4 动态粘弹性测定 采用MCR301流变仪的同心圆筒CC27(内径=27 mm)系统,测量温度为30 ℃,应变范围为0.01%～100%,角频率为10 rad/s,等待3 min后进行应变扫描测试,得复合体系的线型粘弹性范围0.478%,而MCR301流变仪自带的分析软件建议测定动态粘弹性的应变为0.1%。角频率变化范围为500～0.05 rad/s,即角频率以0.63倍的梯度由500 rad/s减少至0.05 rad/s。测量温度为30 ℃,采用振荡模式描述不同比例的LBG/GG 复合体系的动态粘弹性[29-31]。

2 结果与讨论

2.1 流动性分析

表1 不同LBG/GG复合体系的Cross模型拟合参数Table 1 Cross model parameters of LBG/GG complex system with different proportions

表2 不同LBG/GG复合体系的Carreau模型拟合参数Table 2 Carreau model parameters of LBG/GG complex system with different proportions

图1 不同比例LBG/GG复配体系的稳态-剪切流动曲线及模型拟合曲线Fig.1 Flow curves and fitting curves of LBG/GG complex system with different proportions

图2 同一剪切速率下不同比例LBG/GG复配体系的纵向比较图Fig.2 Vertical chart of LBG/GG complex system with different proportions at the same shear rate

从图1中可以看出:实验中所有的LBG/GG复配体系均属于非牛顿流体,其表观粘度随剪切速率的增大而降低,表现出剪切稀化的非牛顿流体特征,这结果与LBG/XTG、LBG/SA、XTG/GG等复合体系的流动特性相一致[13-15,17,32]。从图2中可以看出:除LBG/GG=1∶9复合体系外,同一剪切速率下复合体系的表观粘度随着LBG所占比例的增加而降低,降低幅度亦随LBG所占比例的增加而减小,表明剪切稀化现象随LBG所占比例的增加而越不明显。从图2中可以看出:当LBG/GG=1∶9时,复合体系的粘度比LBG/GG=10∶0和LBG/GG=2∶8的粘度都高。当剪切速率为1 s-1时,LBG/GG=1∶9的粘度达到0.793 Pa/s,比LBG/GG=10∶0的0.691 Pa/s和LBG/GG=2∶8的0.552 Pa/s均大,其粘度产生了“1+1>2”的效应,即产生复配增稠效应。因此,从以上分析可知,在相同的混合体系浓度,相同的实验剪切速率下,对于LBG/GG体系,当混合比例为1∶9时,其体系的表观粘度最大。对比表1和表2可以得出,LBG/GG复合体系的流动行为与Carreau模型拟合度比与Cross模型的较高,表现在除LBG/GG=0∶10和LBG/GG=6∶4外,Carreau模型拟合的R2>0.99,且标准差SD较小。p指示表观粘度对剪切速率的依赖程度,反应材料的非牛顿性的强弱,当p=0时,材料为牛顿流体,随着剪切速率的增加,η值趋向于某一固定值[25]。由表2可知,除LBG/GG=1∶9复合体系外,随着LBG所占比例的增加复合体系的p值不断减小,说明LBG/GG复合体系的粘度随LBG所占比例的增加而减小。对剪切速率的依赖程度,其非牛顿性也随LBG所占比例的增大而降低,但是当剪切速率足够大时,复配体系就会由非牛顿流体变为牛顿流体,η值趋向恒定。c是指破坏其结构的时间常数[33],c值越大,破坏结构所需的剪切速率就越小。除LBG/GG=1∶9复合体系外,随着LBG所占比例的增加而复合体系的c不断减小,破环结构所需的剪切速率不断增加,说明随着LBG所占比例的增加,复合体系的结构稳定性降低,破坏这种结构需要的时间减少。当LBG/GG=1∶9时,复合体系的η0为1.5715 Pa·s,c为56.9126 s,p为0.3236，均为拟合参数中的最大值,进一步说明比例为1∶9的LBG/GG复配体系的表观粘度最大。

图3 不同比例LBG/GG 复配体系的触变扫面图(a)及其滞后环面积(b)Fig.3 Thixotropic test(a)and areas(b)of Hysteresis loops for LBG/GG complex systerm

2.2 触变性分析

图3(a)是上行剪切速率(0.01 s-1增加至100 s-1)和下行剪切速率(100 s-1降低至0.01 s-1)产生的剪切应力曲线所组成的滞后环,不同比例LBG/GG复合体系的通过MCR301流变仪自带软件分析得滞后环面积如图3(b)所示,当LBG在复配体系中占优势(比例大于60%)时,其滞后环面积为负值,并随所占比例增加而负值越小,表明LBG占优势的复合体系在上行和下行剪切过程中结构发生破环,这种破坏不能恢复,且随所占比例的增加而破坏程度增加[34-35]。当GG占优势(比例大于50%)时,滞后环面积为正值,表示其复合体系在测定过程中的结构可以恢复,除LBG/GG为1∶9的复合体系外,这种恢复所需要的时间随GG所占比例的增加而增长,表现在其滞后环面积随所占比例的增加而增加,即除LBG/GG为1∶9的复合体系外,其余混合体系中GG所占比例越大,其滞后环面积越大,结构恢复程度越大,结构恢复所需要的时间也越长[27-28]。LBG/GG=1∶9的复合体系比LBG/GG=2∶8和LBG/GG=0∶10的滞后环面积大,说明LBG/GG=1∶9复合体系的触变性最大,这结果与流动性分析的结果一致。

图4 不同比例LBG/GG 复配体系的储能模量(G′)及损耗模量(G″)与频率的关系Fig.4 Relationship of G′and G″ with frequency of LBG/GG complex solutions

2.3 动态粘弹性分析

由图4a和图4b可以看出,储能模量(G′)与损耗模量(G″)具有明显的频率依赖性,G′与G″均随频率(ω)的减小而减小。除LBG/GG=1∶9的复合体系外,在低于10 rad/s时,复配体系随LBG比例的提高G′和G″均减小,且G″>G′,展现为类似液体的粘性行为,即复合体系的粘性占主导;在10～50 rad/s会出现LBG/GG复合体系G″=G′的凝胶点,不同复合体系出现凝胶点的角频率不同,没有明显的比例依赖;在100～500 rad/s的角频率范围内,LBG/GG复合体系的G′和G″均趋向于重合,与LBG/GG比例几乎无关,且G′>G″,表现出类似固体的弹性行为,即复合体系的弹性占优势[35-37]。由图4(c)可知,LBG/GG=1∶9复合体系具有最大的G′和G″,说明LBG/GG=1∶9复合体系展现最大的动态粘弹性行为。这与流动性和触变性分析结果相一致。

3 结论

探讨了LBG/GG复合体系的流变学性质,主要考察了其稳态流动性质、触变性和动态粘弹性。实验表明LBG/GG复合体系为非牛顿流体,流动行为服从Carreau模型,除LBG/GG=1∶9复合体系,随着GG比例的增大,其粘度越大,非牛顿性越明显,触变性越高。LBG与GG复配可产生协同作用,LBG/GG=1∶9时,复合体系粘度最大。在角频率扫描范围内,LBG/GG复合体系同时具有粘性和弹性,随不同的角频率处理展现不同的动态粘弹性行为,LBG/GG=1∶9时,复合体系的动弹粘弹性最大。

[1]郭肖. 刺槐豆胶及其复配胶流变学性质的研究[D].兰州:西北师范大学,2013.

[2]王元兰,黄寿恩,李忠海. 黄原胶与瓜尔豆胶混胶黏度的影响因素及微结构研究[J]. 中国食品学报,2009,9(4):118-123.

[3]徐淑臻,韩雪,田俊楠,等. 瓜儿豆胶和刺槐豆胶抑制阿斯巴甜甜感强度的机制探索[J]. 物理化学学报,2014,30(6):1134-1141.

[4]Mc Cleary B V. Modes of action of mannanse enzymes of diverse origin of legume seed galactomannans[J]. Phytochemistry,1979,8:757-763.

[5]Kooiman P. The structure of the galactomannans from the seed of Annonamuricata sacchrifera,Cocosmucifera,Convelvulus tuicolor and Sop Horajaponica[J]. Carbohydrate Research,1971,20:23-26.

[6]Valeria Rizzo,Filippo Tomaselli,Alessandra Gentile,et al. Rheological properties and sugar composition of locust bean gum from different Carob Varieties(CeratoniasiliquaL.)[J]. J Agric Food Chem,2004,52:7925-7930.

[7]Vandana S,Aahutosh T,Devendra N T. Microwave-assisted synthesis of guarg-polyacrylamide[J]. Carbohydrate Polymers,2004,58:1-6.

[8]Paras S,Gargee D,Sunil K. Chemical and medico-biological profile ofCyamopsisTetragonoloba(L.)Taub:an overview[J]. Journal of Applied Pharmaceutical Science,2011,1(2):32-37.

[9]梁菡峪,王健,丁晓雯,等. 瓜尔豆胶降血脂作用研究进展[J]. 食品工业科技,2013,34(11):388-392.

[10]Perez-Mateos M,Hurtado J L,Montero P,et al. Interactions of κ-carrageenan plus other hydrocolloids in fish myosystem gels[J]. Food Science,2001,66(6):838-843.

[11]Y Chen,M L Liao,D V Boger,et al. Rheological characterization of κ-carrageenan/locust bean gum mixtures[J]. Carbohydrate Polymers,2001,46:117-124.

[12]庄沛锐,杨园媛,孙为正,等. 卡拉胶/刺槐豆胶对猪肉糜品质的影响研究[J]. 现代食品科技,2013,29(5):986-988.

[13]Ramirez J A,Barreara M,Morales O G,et al. Effect of xanthan and locust bean gums on the gelling properties of myofibrillar protein[J]. Food Hydrocolloids,2002,16(l):11-16.

[14]郭守军,杨永利. 槐豆胶与黄原胶复配胶的流变性研究[J]. 食品工业科技,2005,26(6):152-154.

[15]肖于栋,蔺彦斌,管冬冬,等. 刺槐豆胶(LBG)/海藻酸钠(SA)复合体系的流动性和动态粘弹性分析[J]. 食品工业与科技,2014,35(19):76-78.

[16]M M Alves,Yu A Antonov,M P Gonc,et al. PHase equilibria and mechanical properties of gel-like water-gelatin-locust bean gum systems[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2000,27:41-47.

[17]朱慧,吴伟都,潘永明,等. 黄原胶与阴离子瓜尔胶复配溶液的流变特性研究[J]. 中国食品学报,2014,14(5):55-62.

[18]王元兰,黄寿恩,李忠海,等. 黄原胶与瓜尔豆胶混胶黏度的影响因素及微结构研究[J]. 中国食品学报,2009,9(4):118-123.

[19]张雅媛,顾正彪,洪雁,等. 淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究[J]. 食品与生物技术学报,2012,31(8):820-825.

[20]吴绍艳,张升晖,吴贵超,等. 魔芋葡甘聚糖与瓜尔豆胶协同相互作用及其凝胶化研究[J]. 广州食品工业科技,2004,20(4):5-7.

[21]Ertan A,Setlim K,Onder P. Synergistic effect of the locust bean gum on the thermal phase transitions of k-carrageenan gels[J]. Food Hydrocolloids,2009,23(2):451-459.

[22]柳晶涛,张晓东. 刺槐豆胶漂白增稠工艺及其机理研究[J]. 青岛大学学报,2010,25(1):65-70.

[23]张雅媛,顾正彪,洪雁,等. 淀粉与瓜尔豆胶复配体系糊化及流变特性研究[J].食品与生物技术学报,2012,31(8):820-825.

[24]Yanxia Wei,Yanbin Lin,Rui Xie,et al. The flow behavior,thixotropy and dynamical viscoelasticity of fenugreek gum[J]. Journal of Food Engineering,2015,166:21-28.

[25]Louis M Nwokocha,Peter A Williams. Hydrodynamic and rheological properties of Irvingia gabonensis gum[J]. Carbohydrate Polymers,2014,114:352-356.

[26]李宏梁,刘辉. 瓜尔豆胶的流变性质及其复配性的研究[J]. 食品工业科技,2007,28(8):209-212.

[27]蔺彦斌. 壳聚糖/海藻酸钠/葫芦巴胶及其复合体系的流变学性能研究[D].兰州:西北师范大学,2014.

[28]Balaghi S,Mohammadifar M A,Zargaraan A,et al. Compositional analysis and rheological characterization of gum tragacanth exudates from six species of Iranian Astragalus[J]. Food Hydrocolloids,2011,25(7):1775-1784.

[29]Pongsawatmanit R,Srijunthongsiri S. Influence of xanthan gum on rheological properties and freeze-thaw stability of tapioca starch[J]. Journal of Food Engineering,2008,88(1):137-143.

[30]Yanxia Wei,Yanbin Lin,Rui Xie,et al. The flow behavior,thixotropy and dynamical viscoelasticity of fenugreek gum[J]. Journal of Food Engineering,2015,166:21-28.

[31]Hela Yaich,Haikel Garna,Souhail Besbes,et al. Impact of extraction procedures on the chemical,rheological and textural properties of ulvan from Ulva lactuca of Tunisia coast[J]. Food Hydrocolloids,2014,40:53-63.

[32]Dolz M,Hernandez M J,Delegido J,et al. Influence of xanthan gum and locust bean gum upon flow and thixotropic behaviour of food emulsions containing modified starch[J]. Journal of Food Engineering,2007,81(1):179-186.

[33]Pierre J. Carreau,rheological equations from molecular network theories[J]. Journal of Rheology,1972,16:99-127.

[34]Cruz M,Freitas F,Torres C A V,et al. Influence of temperature on the rheological behavior of a new fucose-containing bacterial exopolysaccharide[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2011,48(4):695-699.

[35]Yakindra Prasad Timilsena,Raju Adhikari,Stefan Kasapis,et al. Rheological and microstructural properties of the chia seed polysaccharide[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2015,81:991-999.

[36]Maurer S,Junghans A,Vilgis T A. Impact of xanthan gum,sucrose and fructose on the viscoelastic properties of agarose hydrogels[J]. Food Hydrocolloids,2012,29(2):298-307.

[37]Albuquerque P B S,Barros J R,W Santos G R C,et al. Characterization and rheological study of the galactomannan extracted from seeds of Cassia Grandis[J]. Carbohydrate Polymers,2014,104:127-134.

Studies on the rheological properties of locust bean gum(LBG)and guar gum(GG)mixed system

GUO Jie1,2,3,GUO Xiao4,ZHANG Zhao-yang1,2,3,WANG Cheng-bo1,2,3,MU Xing-xing1,2,3,ZHANG Ji1,2,3,*

(1.Lanzhou Vocational Technical College,Lanzhou 730070,China; 2.College of Life Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China; 3.Bioactive Products Engineering and Technology Research Center for Gansu,Distinctive Plants,Lanzhou 730070,China; 4.Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730050,China)

The rheological properties of locust bean gum(LBG)/guar gum(GG)mixed systems were studied,and the rheological models were used to analyze the flow behavior. The results showed that the LBG/GG composite systems exhibited non-Newtnian behavior which was found to be well correlated to the Carreau model. With the increase of the LBG ratio,the viscosity of the LBG/GG mixed systems were smaller and the non-Newtonian property became less obvious,the lower the thixotropy. The effect of LBG and GG on viscosity had synergistic effect,and when LBG/GG=1∶9,the viscosity of the composite system was the largest. The LBG/GG composite systems with viscosity and elasticity exhibited different dynamic viscoelastic behaviors with different angular frequencies. The dynamic viscoelasticity of the composite system which LBG/GG=1∶9 was the largest.

locust bean gum;guar gum;flow behavior;thixotropy;dynamic viscoelasticity;synergistic effect

2016-11-28

郭杰(1988-)，女，博士研究生，研究方向：植物资源的开发与利用，E-mail：gjtiti@126.com。

*通讯作者:张继(1962-)，女，博士，研究员，研究方向：植物资源的开发与利用，E-mail:zhangj@nwnu.edu.cn。

国家自然科学基金(51273162)。

TS201.7

A

1002-0306(2017)14-0040-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.009