苦丁茶冬青多糖流变学特性研究

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(1.中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571533;2.海南省热带香料饮料作物工程技术研究中心,海南万宁 571533;3.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 430070)

苦丁茶冬青多糖流变学特性研究

朱科学1,2,赵书凡1,3,朱红英1,2,唐冰1,2,贺书珍1,2,谭乐和1,2,*

(1.中国热带农业科学院香料饮料研究所,海南万宁 571533;2.海南省热带香料饮料作物工程技术研究中心,海南万宁 571533;3.华中农业大学食品科学技术学院,湖北武汉 430070)

以苦丁茶冬青多糖(ICP)为对象,研究浓度、剪切力、温度、pH、冻融变化和盐离子浓度等因素对ICP溶液表观粘度和粘弹性的影响。结果显示,ICP溶液表现出“非牛顿流体”特性,具有良好的抗降解性能;ICP多糖溶液的表观粘度随pH的变化而变化;冷藏和冷冻对ICP溶液的粘度基本无影响,ICP溶液的粘度随着温度的升高而下降;高浓度的Na+、K+、Mg2+和Ca2+四种盐离子可使ICP溶液的粘度明显下降。动态流变实验结果显示,应变控制在100%以内时,ICP的弹性储能模量G′基本没有变化,ICP溶液的储能模量G′始终大于损耗模量G″,表现出凝胶特性,且G′和G″随Na+、K+和Mg2+的添加呈降低趋势。因此,ICP溶液的流变特性受浓度、温度、盐离子等因素的影响。

苦丁茶冬青多糖,流变性,表观粘度,粘弹性

流变学是研究物质流动和变形的科学,其中溶液的流变学性质主要包括静态流变学性质和动态流变学性质[1]。多糖是广泛存在于动植物及微生物中的一类天然大分子物质,在许多食品加工过程中，粘度、浓度、温度、剪切速率、共存离子和共存组分等多种因素都会影响到多糖胶体的流体特性[2]。陈志娜等[3]研究发现西藏灵菇发酵乳胞外多糖溶液的粘度随浓度的升高而增加,pH4.0和pH10.0时多糖溶液粘度明显低于pH7.0时的,Na+可使多糖溶液的粘度增大,Ca2+可使多糖溶液的粘度下降,具有很好的耐温性。陈玉琴等[4]研究表明棠梨果实多糖溶液的粘度随着浓度的增加而增加,溶液为“非牛顿流体”,具有良好的抗降解性能。

苦丁茶作为一种“代用茶”天然植物饮料,具有保护心脑血管、降血压、降血脂、减肥、抗炎杀菌和抗氧化作用等多种生理活性功效[5]。本团队前期研究发现,苦丁茶冬青多糖(ICP)是一类含α-吡喃糖环结构的糖蛋白化合物,具有较强的体外抗氧化活性,是一种极具开发价值的生物活性物质[6]。基于目前对多糖流变特性的研究鲜有报道,本研究以ICP为研究对象,通过研究浓度、剪切力、温度、冻融变化、盐离子浓度等因素对ICP表观粘度和粘弹性的影响,以期为今后ICP的研究及应用生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

苦丁茶冬青多糖(ICP) 总糖含量为30.67%、糖醛酸含量为12.72%,含α-吡喃糖环结构,由本团队制备[6]；HCl、NaOH 分析纯,国药集团化学试剂有限公司;NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2分析纯,西陇化工股份有限公司。

ME4002E电子天平、FiveEasy Plus型pH计 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;DK-98-II电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司;MCR302流变仪 安东帕公司。

1.2实验方法

1.2.1 浓度对ICP溶液粘度的影响 称取一定量的ICP样品,以蒸馏水为溶剂配制0.1%、0.2%、0.4%、0.8%和1%的ICP溶液,采用MCR302流变仪和CP50-1转子测定不同浓度ICP溶液的表观粘度,保持转子与平行板的样品间隙为1 mm,剪切速率为0.1～800 s-1,测试温度为30 ℃,考察不同浓度对ICP溶液表观粘度的影响。

1.2.2 温度对ICP表观粘度的影响 配制0.8%的ICP溶液,采用MCR302流变仪测定0.8%的ICP溶液的表观粘度,在直径50 mm的不锈钢平板上,调节剪切速率为100 s-1,初始温度为30 ℃,按1 ℃/min温度变化速率使温度升高至80 ℃,考察不同温度对ICP溶液表观粘度的影响。

1.2.3 pH对ICP表观粘度的影响 采用MCR302流变仪测定0.8%的ICP溶液,调节剪切速率为0.01～800 s-1,测试温度为30 ℃,考察不同pH(2、3、4、5、6、7、8、9、10)对ICP溶液表观粘度的影响。

1.2.4 盐离子对ICP表观粘度的影响 MCR302流变仪分别测定5%和11%的NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2溶液对0.8% ICP溶液表观粘度的影响,剪切速率为0.01～800 s-1,测试温度为30 ℃。

1.2.5 冻融变化对ICP表观粘度的影响 配制0.8%的ICP溶液3份,取2份溶液分别在4 ℃与-20 ℃条件下处理24 h,室温解冻并采用MCR302流变仪在0.01～800 s-1剪切速率和30 ℃条件下,考察冻融变化对ICP溶液表观粘度的影响,以30 ℃ 0.8%的ICP溶液为对照。

1.2.6 ICP溶液的抗降解特性研究 配制0.8%的ICP溶液,室温下放置3、9、12、24、48、72、96 h,采用MCR302流变仪在0.01～800 s-1剪切速率和30 ℃测试温度条件下,考察ICP的抗降解性能。

1.2.7 ICP粘弹性的测定 采用MCR302流变仪,测定不同浓度(0.1%、0.4%、0.8%)ICP溶液的弹性储能模量G′随振荡的变化,确定其粘弹性范围。

1.2.8 浓度和盐离子对ICP粘弹性的影响 在粘弹性区间内,MCR302流变仪分别测定5%和11%的NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2溶液对0.8% ICP溶液的储能模量(G′)及损耗模量(G″)随振动频率的变化,考察盐溶液对ICP粘弹性的影响。

1.3统计学处理

采用Rheo Compass软件进行数据采集,实验重复3次,用Origin 9.0对数据进行分析和作图。

2 结果与讨论

2.1浓度对ICP溶液粘度的影响

图1为浓度对ICP溶液表观粘度的影响。从测定结果可知,在所用剪切速率范围(0.1～800 s-1)内,ICP溶液表观粘度随着多糖浓度的升高而增加,当ICP浓度较低时(<0.4%),溶液粘度随浓度增加的幅度较小,当ICP浓度在0.8%和1.0%时,粘度的增幅较大。文献报道,多糖溶液的粘度与浓度呈正相关,陈志娜等[3]发现西藏灵菇发酵乳胞外多糖溶液的表观粘度随着多糖溶液质量浓度的增大而增加。焦宇知等[7]研究显示,茶籽粕多糖溶液的粘度随着质量浓度的升高逐渐增加,这是由于随着浓度的增加,单位区域的多糖分子增加,加强了多糖分子的相互联结和相互作用,导致聚合程度增加,从而使得粘度增大[8]。

图1 浓度对ICP表观粘度的影响

在食品、化工等工业生产过程中,高粘性假塑性流体是一种常见的流体,具有剪切变稀的特点。西藏灵菇发酵乳胞外多糖和茶籽粕多糖的水溶液均表现为典型的非牛顿假塑性流体,其中茶籽粕多糖溶液的粘度随剪切时间的延长而降低,说明茶籽粕多糖溶液具有一定的触变性[3,7]。由图1可知,ICP溶液表观粘度随着剪切速率的增加而减小且具有剪切变稀的流动特征,表现出“非牛顿流体”特征。这一现象可能是由于溶液中的多糖类大分子在剪切作用下定向作用，使分子与流动方向趋于一致,分子间作用力减小,从而使粘度下降速率逐步降低[9]。当剪切速率越大,定向作用越强时,大分子间的相互作用越弱,因此,浓度对溶液表观粘度的影响减弱。

2.2温度对ICP表观粘度的影响

多糖在溶液中主要以无规线团、双螺旋、三螺旋、蠕虫状、棒状链以及聚集体构象存在,其构象主要与分子结构和组成有关。常树卓[10]研究发现,茶多糖在溶液中以无规则线团存在,且分枝较多。莫开菊等[11]发现,葛仙米多糖溶液的表观粘度对温度的升高有不同程度的降低。本研究发现0.8% ICP溶液的表观粘度随温度的升高呈现降低趋势(图2),研究结果与张铁华等[8]实验结果相近。这可能是由于随着温度的升高,分子间相互作用减弱,流动阻力降低,导致表观粘度下降。

图4 NaCl(a)、KCl(b)、CaCl2(c)和MgCl2(d)溶液对ICP表观粘度的影响

图2 温度对ICP(0.8%)表观粘度的影响

2.3pH对ICP表观粘度的影响

pH对聚合物溶液粘度的影响较复杂,随着溶液pH的变化,聚电解质的静电斥力发生变化,导致生物大分子的构象发生变化,其粘度值发生相应变化[12]。大豆多糖水溶液的粘度随pH的升高而不断上升[13];朱会霞等[14]发现pH对樟芝多糖溶液的粘度影响较小,樟芝多糖在酸性和碱性溶液中稳定性较好。郭守军等[2]研究表明,带形蜈蚣藻多糖溶液液具有良好的酸碱稳定性。与文献报道结果相似,如图3所示,强酸性条件下，溶液的表观粘度随pH增加呈降低趋势，ICP溶液的表观粘度在pH2时最大，这可能是由于带负电的ICP分子电离受到抑制，其分子间斥力的作用占主导地位，使多糖分子较易分散于水溶液中，相互作用力增强，溶液流动阻力增加。但当pH接近中性时，多糖溶液的表观粘度值升高，尤其在碱性条件下，ICP溶液的表观粘度随溶液pH增加呈升高趋势，这可能是由于ICP分子结构中的负电荷被中和，分子内与分子间氢键在一定程度范围内被破坏，溶液流动阻力降低。

图3 pH对ICP(0.8%)表观粘度的影响

2.4盐离子对ICP表观粘度的影响

盐离子对多糖溶液表观粘度的影响是评价其流变学特性的重要因素。李彬等[15]发现产糖菌株WL113的胞外多糖对Na+、K+、Mg2+、和Ca2+等金属盐离子耐受性能良好。但Na+会使西藏灵菇发酵乳胞外多糖溶液的表观粘度增加,而Ca2+的添加则会使胞外多糖溶液的表观粘度下降[3]。本研究结果显示,NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2等不同无机盐溶液的加入会导致ICP溶液表观粘度的变化(图4)。随NaCl质量浓度的升高,ICP溶液表观粘度逐渐下降(图4a),ICP溶液的表观粘度在5%的KCl和MgCl2条件下呈上升趋势，原因可能是添加的盐离子减少了多糖分子的电荷，促使可溶性分子配合物的产生，从而导致粘度增加；但5%的CaCl2使ICP溶液表观粘度呈先增加后降低趋势，原因可能是低浓度的Ca2+减少了多糖分子的电荷，促使可溶性分子配合物的产生，从而导致粘度增加，而随着剪切速率的增加，分子间剪切力和缔合度降低，使其表观粘度下降。当KCl、CaCl2和MgCl2浓度为11%时,ICP溶液表观粘度显著下降,原因可能是ICP溶液的离子环境随着盐类的添加而发生改变,导致ICP分子链净电荷间的作用力减弱加剧,降低分子间的缔合度,从而使溶液的黏度下降[16]。

2.5冻融变化对ICP表观粘度的影响

马翠华等[17]研究发现,冻融变化对紫球藻胞外多糖溶液的粘度影响较小,表明可将紫球藻胞外多糖运用到需冻融处理的食品中。本实验结果显示,冷冻和冷藏处理对ICP溶液的粘度基本没影响(图5),表明ICP对冷冻和冷藏处理均具有良好的稳定性,适合于低温条件下的贮存与加工。

图5 冻融变化对ICP(0.8%)表观粘度的影响

2.6ICP溶液的抗降解性

从图6可以看出,室温条件下,ICP溶液放置3～24 h,溶液粘度稍有下降,放置时间超过24 h,溶液粘度不再降低,表明ICP溶液总体表现出较好的抗降解性能。杨永利和郭守军等[2,18]研究结果表明鹿角海萝多糖溶液和带形蜈蚣藻多糖溶液均具有良好的抗降解性能,本实验研究结果与之相一致。

图6 0.8%ICP溶液的抗降解性曲线

2.7ICP线性粘弹区测试

流变仪在线性范围内对多糖胶进行应变扫描的目的是确定其线性粘弹区范围,使多糖溶液体系的结构在线性粘弹区内不被破坏。殷军艺[19]研究发现,当形变控制在100%以内时,大粒车前子多糖的弹性模量G′基本上没有变化。本研究结果显示:0.1%、0.4%和0.8%三种不同浓度的ICP溶液弹性储能模量随应力应变无变化趋势,由图7可看出,当应变控制在100%以内时,ICP的弹性储能模量G′基本没有变化,且无浓度依赖性,与殷军艺研究结果相类似。表明当应变控制在100%范围内时,ICP溶液在加工过程中可保持较稳定的状态。

图7 不同浓度ICP溶液形变测试结果

2.8浓度对ICP粘弹性的影响

多糖溶液具有一定的粘弹性,可用G′和G″来反映多糖溶液的凝胶强度,G′反映出粘弹性物质的类固体性质,G″则可体现粘弹性物质的类液体性质[19]。朱桂兰[20]发现,随着黄原胶比例的提高,结冷胶-黄原胶复配体系的粘弹性增加,储能模量G′和损耗模量G″增加,假塑性提高。图8显示,在所测定的角速度范围内,0.1%、0.4%和0.8%三种浓度的ICP溶液的储能模量G′和损耗模量G″均随浓度的增加而增加,表明不同浓度的ICP溶液均具有“凝胶体”特性。参照李环宇[21]研究,木枣多糖溶液为非牛顿假塑性流体,其在整个频率扫描的范围内,储能模量G′始终大于损耗模量G″,弹性在流体粘弹性中占据主导地位,结果表明其在生产中可能更适合于做稳定剂。本研究显示,0.1%、0.4%和0.8%三种浓度的ICP溶液的储能模量G′均大于损耗模量G″,表明ICP溶液呈现出凝胶体性质,在工业生产中可用作稳定剂。

图8 浓度对ICP的G′和G″的影响

2.9盐离子对ICP粘弹性的影响

图9 NaCl(a)、KCl(b)、CaCl2(c)和MgCl2(d)溶液对ICP的G′和G″的影响

盐离子的存在可起到静电屏蔽作用,从而改变多糖分子的聚集状态,影响多糖溶液的粘弹性。Bao等[22]研究发现,黑木耳多糖溶液粘度随着Na+和Ca2+浓度的添加而降低,G′和G″随Na+和Ca2+浓度的添加呈降低趋势。Katayama等[23]研究结果显示,褐藻多糖溶液的粘度随着K+浓度的添加而降低,但Mg2+可增加褐藻多糖溶液的粘度。本研究通过分析NaCl、KCl、CaCl2和MgCl24种不同浓度的金属盐离子对0.8% ICP溶液的G′、G″的影响(如图9所示)可以看出,与0.8% ICP溶液的G′和G″相比,随着NaCl、KCl和MgCl2的添加,溶液的G′和G″均呈下降趋势;但随着Ca2+浓度的增加,G′和G″均呈现先增加后降低的趋势(图9c)。

3 结论

苦丁茶冬青多糖(ICP)溶液的表观粘度随着浓度的增加而升高,表现出“非牛顿流体”特性,具有良好的抗降解性能；ICP溶液的表观粘度随温度的升高而降低；强酸性条件下，溶液的表观粘度随pH增加而降低，但当pH接近中性时，多糖溶液的表观粘度值升高，尤其在碱性条件下，ICP溶液的表观粘度随溶液pH的增加呈升高趋势；冷藏(4 ℃)和冷冻(-20 ℃)对ICP溶液的粘度基本无影响，此外，高浓度的Na+、K+、Mg2+和Ca2+可使ICP溶液的粘度明显下降。动态流变测试表明，ICP溶液的储能模量G′和损耗模量G″均随浓度的增加而增加，且G′始终大于G″，表明ICP呈现“凝胶体”特性；G′和G″随Na+、K+和Mg2+添加呈降低趋势，但G′和G″随Ca2+浓度的增加呈先增加后降低的趋势。研究结果可为苦丁茶冬青多糖在食品工业中的应用提供一定的理论支持。

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RheologicalpropertiesofpolysaccharideisolatedfromIlexkudingchaC.J.Tseng

ZHUKe-xue1,2,ZHAOShu-fan1,3,ZHUHong-ying1,2,TANGBing1,2,HEShu-zhen1,2,TANLe-he1,2,*

(1.Spice and Beverage Research Institute,CATAS,Wanning 571533,China;2.Hainan Province Engineering Research Center of Tropical Spice and Beverage Crops,Wanning 571533,China;3.College of Food Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Effects of concentration,shear force,temperature,pH,freezing-thawing and addition of metallic ions on the apparent viscosity and viscoelasticity of polysaccharide isolated fromIlexkudingchaC.J. Tseng(ICP)were studied. The results showed that the aqueous ICP solution was a typical non-Newtonianfluid with good anti-degradation property.The pH value affected the apparent viscosity of ICP solution. Freeze-thawing had little effect on the apparent viscosity of ICP solution. However,the apparent viscosity decreased along with the increase of temperature and addition of metallic ions(Na+,K+and Mg2+). The dynamic rheological results showed that the storage modulus G′ hadchanged slightly within 100% strain rate,and the storage modulus G′ were always higher than loss modulus G″.G′ and G″decreased along with theaddition of metallic ions(Na+,K+,Mg2+and Ca2+).These results suggested that concentration,temperatureand addition of metallic ions could affect the rheological property of ICP solution.

polysaccharide isolated fromIlexkudingchaC.J. Tseng;rheological properties;apparent viscosity;viscoelasticity

2017-05-11

朱科学(1986-)，男，博士，助理研究员，研究方向：功能性食品，E-mail：zhukexue163@163.com。

*

谭乐和(1969-)，男，本科，研究员，研究方向：热带作物的科研与工程化开发，E-mail：tlh3687@163.com。

中国热带农业科学院基本科研业务费专项资金(1630142017019)。

TS272

A

1002-0306(2017)22-0061-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.013