動態(tài)高壓微射流處理過程對多糖結構與理化性質的影響研究進展

李亞楠，劉紅芝，劉 麗，石愛民，王 強*

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

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動態(tài)高壓微射流處理過程對多糖結構與理化性質的影響研究進展

李亞楠，劉紅芝，劉 麗，石愛民，王 強*

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品加工綜合性重點實驗室，北京 100193）

摘 要：動態(tài)高壓微射流技術作為一種新興的食品加工處理手段，逐漸在多糖制備與改性過程中被廣泛應用，其能夠通過物理作用影響多糖結構，進而改變多糖的理化性質。本文主要綜述動態(tài)高壓微射流技術對多糖的提取和結構以及流變性、乳化性、凝膠性等理化性質的影響，以及多糖結構與理化性質之間的關系的研究進展，分析現(xiàn)有研究中存在的問題，并對未來研究的重點方向進行總 結和展望。

關鍵詞：多糖；動態(tài)高壓微射流技術；結構；理化性質；構效關系

動態(tài)高壓微射流技術是一種從高壓均質工業(yè)應用中開發(fā)出來的，集輸送、混合、超微粉碎、加壓、加溫、膨化等多種單元操作于一體的新興物理改性技術，其工作原理是通過高速碰撞、高頻振蕩、瞬時壓降、氣穴作用、強烈剪切作用等實現(xiàn)對物料的改性，壓力可高達300 MPa，該技術已被制藥和食品企業(yè)用于生產(chǎn)較為穩(wěn)定的乳狀液，目前，該技術的正式命名在國內國際有較多種，有動態(tài)高壓微射流（dynamic high-pressure microfl uidization，DHPM）、Microfl idizer、微射流均質機、瞬時高壓作用（instantaneous high pressure，IHP）、高壓均質（high-pressure homogenization，HPH）等。

多糖是由糖苷鍵結合而成的糖鏈，結構層次有一級結構和高級結構，可以是線狀或者分支狀，是一種相對分子質量較大的分子，廣泛存在于動物細胞膜和植物、微生物的細胞壁中。運用DHPM技術處理多糖，能夠打斷長的分子鏈條，降解多糖，改變微粒的粒度和分子聚集狀態(tài)，使多糖的結構發(fā)生變化[1-2]，進而影響其理化性質和生物活性。運用DHPM技術提取多糖或者進行結構修飾來改善其理化性質，對多糖的開發(fā)利用具有重要意義。近幾年來，DHPM技術在多糖的提取過程中開始逐步應用，但關于該提取技術對多糖結構和理化性質的影響還未深入探究，本文歸納總結動態(tài)微射流技術對多糖提取、結構和理化性質方面的影響，對其中存在的問題進行分析，并提出未來研究的重點方向。

1　動態(tài)高壓微射流處理多糖文獻統(tǒng)計分析

通過Google學術、ScienceDirect、CNKI系列數(shù)據(jù)庫對國內外動態(tài)高壓微射流應用于多糖的相關文獻進行統(tǒng)計，結果見表1。從2003年開始，動態(tài)高壓微射流技術應用于多糖的研究報道呈上升趨勢，國內外學者的研究主要集中在提取、結構和理化性質方面，但文獻數(shù)量均較少。涉及結構（20 篇）、理化性質（18 篇）的文獻較多，對多糖結構的研究主要集中在表面形態(tài)、粒徑、一級結構、官能團、晶型等方面，而對多糖高級結構的研究較少。對多糖理化性質的研究主要集中在流變性、凝膠性、溶解性、吸水性、熱力學特性等方面。對多糖的結構、理化性質的研究一直是持續(xù)進行的，從2008年開始有應用于多糖提取的研究報道。

表1　動態(tài)高壓微射流處理多糖文獻統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis of references regarding the application of DHPM in polysaccharides from 2003 to 2013

2　動態(tài)高壓微射流處理對多糖的影響

2.1動態(tài)高壓微射流處理對多糖得率的影響

多糖原料的預處理及提取方法均會影響多糖的得率，采用一定的物理化學手段，如酶法[3]、超聲波[4]、微波[5]、動態(tài)高壓微射流[6]等，對多糖原料預處理或應用于提取過程中，能夠提高多糖的得率。DHPM技術通過瞬時剪切、高速碰撞、瞬間壓力降低等作用使樣品溶液的固相顆粒粒度減小，細胞壁破裂，傳質速率加快，進而提高多糖的得率[6]。

涂宗財?shù)萚6]研究了DHPM處理對玉米花粉破壁效果和多糖得率的影響，確定了DHPM破壁花粉和熱水提取多糖的最佳條件。研究發(fā)現(xiàn)，在均質壓力120 MPa、微射流處理1 次、料液比1∶20（m/V）、提取溫度70 ℃、提取時間2.5 h，提取兩次的條件下，玉米花粉粗多糖的得率可達7.545%，比未經(jīng)DHPM處理的樣品得率高1.023%。姜穎等[7]采用DHPM技術對香菇子實體進行預處理，通過實驗組和對照組的對比分析，研究此預處理方法對香菇多糖得率的影響。結果表明：在140 MPa、料液比1∶60（m/V）的條件下，多糖得率達到最高值6.755%，與對照組相比，DHPM處理實驗組的香菇多糖提取效率得到顯著改善。

2.2動態(tài)高壓微射流處理對多糖結構的影響

DHPM技術作為一種物理改性手段，能夠通過高壓均質途徑打斷多糖長的分子鏈條，降解多糖，改變單糖組成、微粒粒度和分子聚集狀態(tài)，從而改變多糖的空間結構及分子內與分子間作用力。目前的研究主要集中在微射流不同壓力、循環(huán)次數(shù)、料液比等因素變化對多糖結構的影響方面。

2.2.1 一級結構

多糖的一級結構是指多糖的單糖殘基組成、排列順序、相鄰單糖殘基的連接方式、異頭物的構型及糖鏈有無分支、分支的位置及長短等[8]。高速撞擊和剪切等作用力能使糖鏈的連接變得薄弱，甚至斷裂，引起多糖分子鏈的降解，對多糖的分子質量分布及單糖組成造成影響。

高甲氧基果膠在DHPM處理過程中，隨著壓力的增加，其平均分子質量和粒徑減小，還原糖的量增加，但初級結構未發(fā)生改變[9]。大豆多糖的主干半乳糖醛酸主鏈由聚鼠李糖半乳糖醛酸長鏈和聚半乳糖醛酸短鏈構成，經(jīng)DHPM處理后，大豆多糖的單糖組成發(fā)生變化，某些單糖的含量會降低，甚至消失，且單糖含量的降低程度不同，可能是由于DHPM引起主鏈部分斷裂，而側鏈的氫鍵作用力較弱，使大部分側鏈脫離主鏈。通過相對分子質量圖譜對比可以發(fā)現(xiàn)，大豆多糖的相對分子質量減小，有的峰會消失，可能是由于DHPM處理使部分小分子多糖受作用力變成更加小分子質量的多糖，甚至是單糖；小分子糖脫離了糖鏈并在之后的透析過程中流失掉[10]。Modig等[11]研究發(fā)現(xiàn)高壓均質對疏水改性淀粉（辛烯基琥珀酸酐淀粉）的影響程度依賴于改性淀粉分子起始分子質量的大小，高分子質量的改性淀粉經(jīng)過壓力處理后會出現(xiàn)較大程度的降低，均方旋轉半徑下降，較低分子質量的淀粉樣品則不受影響。余海霞[12]研究了DHPM對半纖維素（hemicellulose，HCL）組分HCLA結構的影響，由分子質量分布峰可以發(fā)現(xiàn)，隨著處理壓力的增加，主峰的分子質量以及峰面積值逐步降低，在60 MPa時出現(xiàn)小分子質量的峰。可能是經(jīng)高壓處理后，樣品的分子鏈發(fā)生斷裂，大分子裂解成小分子碎片，使主峰分子質量有所下降，壓力越大，則裂解程度越強。高壓使不溶性聚合糖之間的主鏈斷裂或者降解成可溶性的單糖、低聚糖或小分子多糖，使HCLA的單糖組成發(fā)生較大變化。Kasaai等[13]研究了微射流對0.1 mol/L乙酸中殼聚糖破碎化的影響，DHPM處理能夠誘導乙酸溶液中殼聚糖的機械降解、并適度分散殼聚糖，降解受壓力、振蕩強度、時間、分子質量和聚合物在溶液中的濃度影響較大，溫度對其影響微弱，分子質量較高、濃度較低的殼聚糖溶液更容易受到機械降解。

2.2.2 高級結構

多糖的二級結構指多糖骨架鏈間以氫鍵結合所形成的各種聚合體，關系到多糖分子中主鏈的構象，不涉及側鏈的空間排布[8]。在氫鍵和靜電力作用下，多糖分子可發(fā)生自締合，如直鏈淀粉可通過分子內氫鍵的相互作用，使長鏈分子卷曲成螺旋形的構象。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)DHPM（200 MPa）處理后，玉米直鏈淀粉顆粒結構被破壞，淀粉分子之間相互交聯(lián)締合，排列成緊密的網(wǎng)狀結構[14]。Gulrez等[15]研究了不同壓力處理對黃原膠水溶液結構和構象的影響，將黃原膠配制成4 mg/mL的溶液，在25、50、75、100 MPa條件下循環(huán)處理3次，之后稀釋至0.25 mg/mL，用凝膠滲透色譜和激光光散射聯(lián)用進行測定，發(fā)現(xiàn)黃原膠的雙鏈結構并未解離成單鏈，但是分子質量減小，經(jīng)處理后的黃原膠分子在4 ℃條件下不會再重新聚集，且該解離過程是不可逆的。

多糖的三級結構是多糖鏈一級結構的重復順序，是由于糖殘基中的羥基、羧基、氨基以及硫酸基之間的非共價相互作用，導致有序的二級結構空間形成有規(guī)則而粗大的構象[8]，是多糖的高級結構之一，對多糖的功能活性有重要影響。目前，在所查文獻范圍內，還未發(fā)現(xiàn)有DHPM技術對多糖三級結構影響的詳細報道。

多糖的四級結構是指多聚鏈間以非共價鍵結合形成的聚集體[8]，淀粉結晶區(qū)的結構特征代表了短程分子內淀粉聚集態(tài)結構中的有序結構，可視為四級結構，結晶度的高低代表著聚合物結構的有序和無序程度。Kasemwong等[16]研究了DHPM處理對木薯淀粉懸浮液的微觀結構、結晶度和熱力學特性的影響，DHPM處理后，較大的淀粉顆粒部分糊化，顆粒表面上形成了凝膠狀結構，當壓力增加時，結晶度條件下降，在150 MPa條件下處理的樣品，含17.1%的結晶性葡聚糖聚合物比原淀粉25.8%的結晶度低，較低的結晶度意味著淀粉顆粒中結晶性葡聚糖聚合物的結構更無序。蠟質玉米淀粉的特征衍射峰隨著壓力的增大而逐漸減弱，晶體的有序化程度逐漸降低，結晶度也明顯降低，當壓力達到160 MPa時，特征峰基本消失，說明結晶結構明顯被破壞[17]。

2.3動態(tài)高壓微射流處理對多糖理化性質的影響

多糖具有獨特的理化性質，如高滲透壓、高黏性、吸水性、凝膠性等，國內的研究主要集中在淀粉、纖維素、大豆多糖方面，研究范圍稍窄，國外在植物多糖、動物多糖、微生物多糖等方面均有涉及，研究范圍較廣，主要通過壓力、循環(huán)次數(shù)、料液比等因素變化來研究DHPM對多糖流變性、凝膠性、溶解性、吸水性、熱力學特性等方面的影響。

2.3.1 流變性

在多糖的實際應用中，都要涉及到其流變行為，在食品領域研究較多的是多糖的黏度，在DHPM處理過程中，多糖鏈間相互纏繞時會增加黏度，而多糖分子鏈被拉直取向時，黏度則會減小。玉米淀粉經(jīng)過DHPM處理后，布拉本德（Brabender）黏度減小，且隨著壓力的增大，減小幅度增大。但DHPM處理對玉米淀粉的熱黏度和冷黏度穩(wěn)定性影響不大[18]。Silvestri等[19]利用微射流均質機在不同的壓力條件下處理黃芪膠，發(fā)現(xiàn)DHPM處理過程中的剪切作用和振蕩作用會使得黃芪膠的特性黏度下降。Wang Yong等[20]研究了均質技術對亞麻籽膠溶液流變特性的影響，發(fā)現(xiàn)亞麻籽膠溶液的表觀黏度隨均質壓力的增加而降低，同時溶液溫度逐漸升高。表觀黏度的一致性指數(shù)K和流動行為指數(shù)n符合冪律模型，儲能模量G’和損耗模量G”模型參數(shù)也隨著均質壓力的增加而減小。

2.3.2 乳化性與增稠性

多糖經(jīng)DHPM一定壓力或者循環(huán)次數(shù)的處理，會使其中的親水與疏水基團更多地暴露出來，增強其親水親油的能力。大豆多糖在DHPM處理過程中，處理達4 次時，親水與疏水基團暴露較多，分子質量及粒徑分布向中分子質量靠攏，使得乳化性和乳化穩(wěn)定性達到最高[21]。Lagoueyte 等[22]研究了DHPM處理對黃原膠功能特性的影響，通過流變性、水化速率、吸水性和分子質量大小考察DHPM處理對黃原膠的影響。研究發(fā)現(xiàn)，DHPM處理過程中的高剪切速率、湍流強度和空化效應能夠使黃原膠產(chǎn)生有序和無序構象的轉變以及聚合物的降解，壓力和循環(huán)次數(shù)均會降低黃原膠的流變性、水化速率、吸水性、分子質量大小等，最終使黃原膠的增稠和穩(wěn)定性能降低。

2.3.3 凝膠性

DHPM處理會引起多糖分子的展開，其中的高溫作用會促進疏水相互作用，分子鏈間結合力加強，促進凝膠作用。Ronkart等[23]研究了DHPM處理對菊糖凝膠特性的影響，使菊糖分散體系在質量分數(shù)2%、7%和15%，30 MPa條件下微射流循環(huán)1、2、5 次，結果發(fā)現(xiàn)，高剪切應力處理沒有引起菊糖化學組成的變化，分散體系出現(xiàn)了類凝膠行為以及黏度的增加，可能是因為菊糖顆粒粒度減小，粒子間相互作用增強所致。通過光學顯微鏡和電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，菊糖顆粒之間及顆粒與水之間相互作用可形成網(wǎng)狀凝聚體。

2.3.4 溶解性

豆渣膳食纖維經(jīng)乳酸菌發(fā)酵及DHPM處理后，可溶性膳食纖維含量增加，膨脹力、持水力及結合水力都得到了不同程度的提高[24]。Majzoobi等[25]研究了不同均質壓力對玉米淀粉理化性質的影響，當在140 MPa和200 MPa條件下均質兩次后，淀粉溶液溫度從22 ℃升高至47 ℃；強剪切和高壓可能引起淀粉分子鏈的降解，隨著壓力的增大，淀粉的溶解度增大。

2.3.5 其他性質

微射流處理對物質的光學性質、導電率、固形物含量等也會有一定的影響。經(jīng)DHPM破碎后的膳食纖維體系出現(xiàn)黏度略有增加、吸光度升高、折光率變小、總固形物含量下降等現(xiàn)象[26]。Che Liming等[27]研究發(fā)現(xiàn)DHPM處理能夠使淀粉漿稀釋，隨著壓力的增加，漿液溫度升高、表觀黏度下降、光透過率增加，但是淀粉漿的導電率并未受到影響。當壓力超過20 MPa時，腫脹的淀粉顆粒在強烈的機械力作用下崩解，使其表觀黏度迅速下降，并且由剪切稀釋流體向牛頓流體轉變，進一步增加壓力會打斷淀粉分子長鏈，此后，表觀黏度的變化與淀粉的分子質量密切相關。在受到強烈的剪切作用時，纖維類大分子少部分轉化為非消化性的可溶性多糖。

3　多糖結構與理化性質的關系

多糖的理化性質直接或間接受其結構的制約，在多糖研究領域中，對其結構的研究是繼續(xù)以后理化性質與生物活性研究的重要依據(jù)。因此，研究多糖結構與性質之間的關系，能為后續(xù)多糖構效關系的研究、多糖理化性質的應用提供理論基礎[28]。目前的研究主要集中在分子質量分布的變化、鏈的斷裂、分支化度的變化對多糖理化性質的影響方面。

3.1一級結構與理化性質的關系

DHPM處理淀粉，可使物料之間發(fā)生猛烈的撞擊和剪切振蕩等作用，引起結構破壞，側鏈部分斷裂，從而減弱分子鏈的作用力，同時分子質量分布也發(fā)生了變化，分子結構的改變使分子纏結點減少，對流動產(chǎn)生的黏性阻力減小，引起表觀黏度降低[29]。Lazaridou等[30]研究了分子質量大小對燕麥β-葡聚糖溶液和凝膠流變學特性的影響，通過動態(tài)流變學研究發(fā)現(xiàn)，所有的β-葡聚糖樣品，除了最高分子質量的，都能夠形成凝膠，且隨著分子質量的增加，凝膠時間、凝膠強度增加，凝膠速率、脆度降低。由差示掃描量熱法和動態(tài)流變測定法所確定的凝膠網(wǎng)絡熔化溫度隨著β-葡聚糖分子質量的增大而增加。DHPM處理能夠破壞大米直鏈淀粉的顆粒結構，使顆粒比表面積增大，有序結構被打亂，水分子與羥基結合機會相應增多，導致DHPM處理后的直鏈淀粉溶解度增加，直鏈淀粉顆粒表面由光滑變得粗糙，比表面積增大，暴露出更多的游離羥基，促進其吸附性能。隨著處理壓力的增加，部分支鏈淀粉的支鏈斷裂使直鏈淀粉含量增加，因為直鏈淀粉易相互締合，使光線發(fā)生散射，減弱光的透射，從而導致直鏈淀粉含量越高，淀粉糊的透明度越低[31]。

3.2高級結構與理化性質的關系

多糖的聚集體、三維網(wǎng)狀結構、螺旋結構等使多糖溶液具有黏度、凝膠等特性，姜舟婷[32]研究發(fā)現(xiàn)，結冷膠在水溶液中時，摩擦系數(shù)會隨著浸潤時間的增加而增加，使溶液黏度增大，體現(xiàn)了結冷膠三維網(wǎng)狀結構的不穩(wěn)定性，原因可能是高分子鏈的部分交聯(lián)點溶解使得高分子鏈從“剛性”轉變到“柔性”。Fari?a等[33]研究了白絹病菌的可溶性硬葡聚糖的分離及其物理化學特性，主要包括流變性能、分子質量和構象特性。硬葡聚糖在中性或微堿性環(huán)境中（＜0.15 mol/L NaOH）呈現(xiàn)三螺旋結構，在高堿性環(huán)境中呈現(xiàn)單鏈狀態(tài)，NaOH濃度高于0.15 mol/L時，三螺旋結構解離，可溶性硬葡聚糖黏度急劇下降。Gong Jianping等[34]研究了具有負電荷依賴性多糖凝膠在有氧和水存在條件下的摩擦性質，結果發(fā)現(xiàn)，在外界壓力超過一定值后，結冷膠的交聯(lián)點會逐漸松開或者解散，膠凝的表面會溶解在溶液中，流動行為增加，表現(xiàn)出良好的潤滑性質，即摩擦系數(shù)降低，在外界壓力較大時，凝膠中流出的液體具有較高的黏性。

研究發(fā)現(xiàn)，膳食纖維內部纖維矩陣的完整度和網(wǎng)絡結構對其水化性能影響較大，萬婕[35]研究了DHPM改性過程中豆渣膳食纖維超分子結構變化與性質間的相關性，通過多元二次回歸方法，考察粒度、密度和比表面積3 個因素對其性質的交互影響。膳食纖維內部結晶結構保存越好、結構越致密，其膨脹力越大；膳食纖維的結構越松散，樣品的持水能力越強。改性膳食纖維樣品結晶度的大小對膳食纖維酶解速率、溶解度等性質具有較大影響。隨著樣品結晶度的減小，膳食纖維的酶解速率增加、溶解度升高、且樣品的熱穩(wěn)定性下降。

4　結 語

綜上所述，DHPM應用于多糖提取中的研究報道較少，主要是通過對原料的預處理提高其多糖的得率。DHPM處理對多糖結構影響的研究較多，主要集中在多糖分子鏈斷裂、聚集體的形成、多糖基團暴露以及多糖表面形態(tài)的觀察等，而缺少DHPM處理對多糖在溶液中構象的影響方面的研究，多糖在溶液中的構象對其理化性質和功能活性具有重要影響，缺少該部分研究會影響多糖理化性質及功能活性在實際生產(chǎn)中的應用。

DHPM處理對多糖理化性質影響的研究集中于溶解度、流變性、乳化性、膠凝性方面，主要通過DHPM處理次數(shù)、壓力、剪切速率來研究多糖溶液的黏度、乳化性、起泡性的變化，DHPM技術對多糖凝膠體系黏彈性的研究較少。外界條件如pH值、溫度、金屬離子等對多糖理化性質的影響研究較多，但對多糖通過DHPM處理后，其理化性質在不同pH值、溫度、離子強度等條件下變化規(guī)律的相關研究較少。

針對以上研究中存在的問題，今后對DHPM處理對多糖理化性質與結構影響的研究應重點關注以下三方面：1）在現(xiàn)有DHPM處理對多糖結構影響的研究基礎上，進一步研究DHPM處理對多糖溶液構象的影響，構象參數(shù)包括單位圍長摩爾質量、持久長度、鏈的直徑、高分子特征比等，并推斷其空間構象如無規(guī)線團、雙螺旋、三螺旋、蠕蟲狀、棒狀鏈、聚集體等在處理過程中的變化。2）開展多糖經(jīng)DHPM處理后，其理化性質如流變性、凝膠性、溶解度、糊化性質等在外界pH值、溫度、離子強度等條件下的變化規(guī)律研究，為其理化性質在實際生產(chǎn)中的應用提供理論支撐依據(jù)。3）采用統(tǒng)計軟件進行構象參數(shù)、理化性質參數(shù)相關性分析，建立多糖構象與理化性質相互關系的數(shù)學模型，真正揭示多糖構象與理化性質之間的關系，為多糖的功能化結構設計及加工過程調控奠定理論基礎。

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A Review on the Effect of Dynamic High-Pressure Microfluidization Treatment on Physico-chemical Properties and Structures of Polysaccharides

LI Yanan, LIU Hongzhi, LIU Li, SHI Aimin, WANG Qiang*
(Key Laboratory of Agro-Products Processing, Ministry of Agriculture, Institute of Agro-Products Processing Science and Technology, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Abstract:As an emerging means for food processing, dynamic high-pressure microfluidization is widely used in the extraction and modification of polysaccharides, which can change the structures of polysaccharides by physical means, thereby affecting their physico-chemical properties. This paper is focused on summarizing the effect of this technology on the extraction, structure, and physico-chemical properties such as rheology, emulsification and gel properties, as well as the relationship between the structure and properties of polysaccharides. Moreover, the existing problems in the research and its future development trends are proposed.

Key words:polysaccharides; dynamic high-pressure micro-fluidization (DHPM); structure; physico-chemical properties; structure-activity relationship

doi:10.7506/spkx1002-6630-201507039

中圖分類號：TS201.2

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6630（2015）07-0211-05

*通信作者：王強（1965—），男，研究員，博士，研究方向為糧油加工與功能食品。E-mail：wangqiang@caas.cn

作者簡介：李亞楠（1988—），女，碩士研究生，研究方向為糧油加工與功能食品。E-mail：liyananchina@163.com

基金項目：國家自然科學基金面上項目（31271835）；國家國際科技合作專項（2012DFA31400）；中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程項目

收稿日期：2014-05-14