金錢菇多糖的流變學性質研究

王軍輝,徐金龍,杜逸群,劉 詠,王 浩

(合肥工業大學生物與食品工程學院,安徽合肥 230009)

金錢菇多糖的流變學性質研究

王軍輝,徐金龍,杜逸群,劉 詠,王 浩

(合肥工業大學生物與食品工程學院,安徽合肥 230009)

從金錢菇子實體水提殘渣中純化獲得了一個多糖組分JQPs,采用DHR-3型旋轉流變儀研究了JQPs溶液流變學性質,為其在食品工業中的應用提供理論支持。靜態流變學實驗結果表明,JQPs溶液流動指數n<1,為假塑性流體,濃度越高其假塑性越明顯。通過對溶液流動曲線的擬合,發現冪律方程可以作為描述JQPs溶液流動曲線的模型;動態粘彈性實驗表明JQPs溶液的G′和G″在1～100rad/s掃描頻率下與測試濃度和測試溫度均具有一定的相關性。一定溫度下,隨著濃度的增加,G′的增加速率超過G″,當濃度達到2.0%時曲線重合,開始形成弱凝膠。濃度為2.5%的JQPs溶液的G′和G″隨著溫度的升高而逐漸減小,在15℃時基本重合,開始形成弱凝膠。

金錢菇,多糖,流變學,粘彈性

流變學是研究樣品在力的作用下,樣品所表現出來的由力觸發或者引起的某些流動行為變化和結構變化[1]。研究溶液的流變學性質主要包括靜態流變學和動態流變學性質。靜態流變學研究樣品體系的流體類型,主要包括牛頓流體和非牛頓流體[2]。流體動態流變學主要是探討樣品體系在頻率掃描、溫度掃描和時間掃描下儲能模量G′和損耗模量G″的響應變化值[3-5]。

多糖是由多個單糖分子通過糖苷鍵連接成的一種天然高分子聚合物[6-7]。目前,對于多糖的結構、物理化學性質和生物活性都進行了大量的研究和報導[8-10],對多糖的研究已經成為現代研究的一個熱點。多糖流變學性質對多糖的提取工藝、結構性質和加工過程中的穩定性都具有重要的作用[11]。通過流變學的研究可以了解多糖在溶液中的鏈構象和構象轉變以及其他物理性質[5],為研究多糖的構效關系提供重要的工具。

金錢菇(Lentinusedodes(Berk)Sing),是一種未開傘的蘑菇,屬于香菇的一種[12]。在前期研究中,我們從金錢菇子實體中分離純化出了一個多糖組分JQPs,并對其結構和體外抗氧化活性進行了測定[13]。結果表明JQPs是一個帶有支鏈的β-(1→3)-葡聚糖,具有較高的體外抗氧化活性,預示了其在食品中的應用前景。本文即對金錢菇多糖JQPs溶液的流變學性質進行了相關研究,主要考察了溫度和濃度對金錢菇多糖溶液的穩態剪切流動性質和動態粘彈性的影響。通過對其流變學性質的研究,找出其在加工過程中的變化規律,為今后金錢菇多糖的開發和在食品工業中的應用提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

金錢菇子實體 由安徽省華國茗人農業有限公司提供,經干燥粉碎后備用;氫氧化鈉、丙酮和無水乙醇 均為分析純,購于國藥集團化學試劑有限公司。

高速冷凍離心機CR22GⅡ 日本日立公司;旋轉蒸發儀R502 上海申勝生物技術有限公司;真空冷凍干燥機FD-1A-50 北京博醫康實驗儀器有限公司;漩渦混合器QT-1 上海琪特分析儀器有限公司;旋轉流變儀DHR-3 美國TA公司。

1.2 金錢菇堿提多糖JQPs的制備

稱取一定質量的金錢菇子實體粉末,用乙醇脫色脫脂24h,45℃烘干,依次經過25℃和90℃去離子水提取后,將殘渣用5% NaOH/0.05% NaBH4溶液在25℃提取兩小時,提取兩次,合并提取液,用乙酸中和并除去不溶性糖后,依次經過濃縮、丙酮沉淀、透析、離心和凍干處理,得到金錢菇堿提多糖樣品(JQPs)。

1.3 金錢菇堿提多糖的流變學性質測試

1.3.1 濃度對金錢菇多糖的流變學性質影響 配制濃度分別為1.0%,1.5%,2.0%的JQPs溶液,經漩渦混合器混合后靜置過夜,使得溶液分散均勻,通過流變儀測試不同濃度下JQPs溶液的粘度隨著剪切速率的變化。測試條件為:40mm平行板夾具,間隙設置1mm,測試溫度20℃,溫度控制系統精度±0.01℃,剪切速率范圍1～1000s-1,為防止水分蒸發,周圍用硅油密封。

配制濃度分別為1.5%,2.0%,2.5%,3.0%的JQPs溶液,經旋渦混合器混合后靜置過夜,使得溶液充分分散均勻,用流變儀測試不同濃度JQPs溶液的頻率掃描曲線。測試條件如下:40mm 2°椎板夾具,間隙設置59μm,測試溫度15℃,頻率掃描區間1～100rad/s。

1.3.2 溫度對JQPs的流變學性質影響 配制濃度分別為2.5%的JQPs溶液,經旋渦混合器混合后靜置過夜,使得溶液充分分散均勻,用流變儀測試JQPs溶液分別在10、13、15、20℃下的頻率掃描曲線,測試條件如下:40mm 2°椎板夾具,間隙設置59μm,掃描頻率區間1～100rad/s。

以上所有實驗均在線性黏彈區域內進行。

2 結果和討論

2.1 濃度對金錢菇多糖溶液的流體類型的影響

濃度分別為1.0%、1.5%和2.0%的JQPs溶液粘度隨剪切速率變化曲線如圖1所示。由圖可知,JQPs溶液的粘度隨著濃度的增加而增大,這主要是由于隨著濃度的增加,單位區域的多糖分子增加,導致多糖分子之間相互纏結,從而使得粘度增大[14]。當剪切速率逐漸增大時,粘度逐漸減小,表現出剪切變稀的流體行為。這主要是由于當剪切速率達到一定值時,物理交聯點破壞速度大于其重建速度,從而導致其粘度的下降[5]。由圖1可知,當濃度增加時,斜率絕對值越來越大,表示剪切變稀行為越來越明顯。

圖1 JQPs溶液粘度隨剪切速率變化曲線Fig.1 Flow behavior of JQPs solution

冪律定律目前是使用最廣泛的用來表征流體類型的流體流動模型,其方程為η*=kγn-1,其中n稱為流動指數,也稱為非牛頓指數,n反映流體與牛頓流體的偏離程度[15]。當n=1時,流體為牛頓流體,當n<1時,流體為假塑性流體,當n>1時,流體為脹塑性流體,根據n值的大小和偏離1的程度,可以用來表示流體的流體類型[16]。為進一步更加客觀的表示JQPs溶液的流體性質,通過對曲線進行冪律方程擬合,擬合曲線的各個參數如表1所示。由表1可知,當剪切速率在1～1000s-1時,流動指數n值均小于1,表明JQPs溶液均為假塑性流體。濃度為1.0%,1.5%和2.0%的JQPs溶液的流動指數n分別為0.89,0.78和0.65,可見隨著濃度的增大n越來越小,表明溶液的非牛頓現象越明顯,越來越偏離牛頓流體。

表1 冪律方程擬合參數表Table 1 Parameters of Power law equation

2.2 濃度對金錢菇多糖溶液的動態粘彈性的影響

為了研究JQPs溶液的動態粘彈性,在15℃下對濃度為1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的JQPs溶液進行了頻率掃描,掃描曲線如圖2所示。當濃度較低時(小于1.5%),幾乎在整個頻率掃描區間內G′G″,表現出固體性質,且與頻率具有一定的相關性,表現出弱凝膠的特性[17]。不同濃度下的復合粘度如圖3a所示。

圖2 不同濃度下JQPs溶液的頻率掃描曲線Fig.2 Frequency dependence of G′ and G″ of JQPs with various concentration at 15℃

隨著掃描頻率的增加,所有濃度下的復合粘度均減小,同時隨著濃度的不斷增加,復合粘度也不斷增加,表明JQPs溶液為假塑性流體且濃度影響溶液的粘度,濃度越大,粘度也越大。

tan δ=G″/G′可以更準確直觀地反映流體的動態粘彈性[18]。當tan δ<1時,說明G′相對于G″占主要優勢,流體主要表現為流體性質,反之則主要表現為彈性性質[19]。不同濃度的JQPs溶液的tan δ隨角頻率的變化曲線如圖3所示。由圖3可知,當JQPs溶液濃度大于2.5%時,tan δ<1,并且在一定的掃描區間范圍內,tan δ基本上保持平行,與掃描頻率之間呈現弱相關性,表現出弱凝膠的行為,結果與圖2吻合。因此隨著多糖濃度的增加,溶液的凝膠行為增強,主要是因為濃度的增加有助于形成網絡結構。

圖3 不同濃度的JQPs溶液的復合粘度(a) 和tan δ(b)隨角頻率的變化曲線Fig.3 Complex viscosity and Tan δ as a function of JQPs concentration at 15℃

2.3 溫度對金錢菇多糖溶液的流變學性質的影響

濃度為2.5%的JQPs溶液分別在10、13、15、20℃下的頻率掃描曲線如圖4所示。由圖可知,隨著溫度的升高,G″逐漸接近于G′,當溫度達到15℃時,G″和G′近似重合,當溫度達到20℃時,G″完全超過G′,此時溶液主要呈現液體性質。因此隨著溫度的升高,溶液的黏性性質越來越顯著,而彈性性質則越來越弱,儲能模量和損耗模量相互接近。

圖4 濃度為2.5%的JQPs溶液 在不同溫度下的頻率掃描曲線Fig.4 G′ and G″ of JQPs(2.5%)as a function of frequency at different temperature

研究表明G′～ωn可以用來判斷聚合物體系的凝膠點是否生成,G′～ωn中的n值通過兩邊取對數求得[20],結果如圖5a所示。n值可以用來表征凝膠轉變,當n值趨向去0時,表明溶液逐漸向彈性提轉變,反之則向液體性質轉變。由圖可知,JQPs溶液的n值隨著溫度的升高而逐漸升高,當溫度為20℃時,n>1,液體性質占主導地位,與圖4相互吻合。不同溫度下tan δ隨角頻率的關系如圖5b所示。在整個頻率掃描區間內,溫度在很大程度上影響tan δ的分布,當溫度低于15℃時,tan δ<1,并且其與角頻率有一定程度上的相關性,表現出弱凝膠的特性。

圖5 溫度對n值和tan δ值的影響Fig.5 Tan δ and n as a function of temperature注：(a)G′～ωn中的n值關系,(b)tan δ與角頻率的關系。

3 結論

論文通過5% NaOH/0.05% NaBH4提取液從金錢菇子實體水提殘渣中純化獲得了一個多糖組分JQPs,并利用旋轉流變儀探討了金錢菇凝膠多糖JQPs溶液的流變學性質,主要考察了其穩態流動性質和動態粘彈性。通過穩態剪切實驗,表明JQPs溶液為假塑性流體,低濃度的多糖溶液在低剪切速率時近似表現為牛頓流體,隨著濃度的增大,其非牛頓性越明顯。通過不同濃度和溫度的頻率掃描模式下的動態模量響應表明,JQPs溶液在一定的溫度下,隨著濃度的升高,G″和G′逐漸增大并且相互接近,與掃描頻率之間有弱相關性,呈弱凝膠狀態。隨著測試溫度的升高,2.5%的JQPs溶液的G″和G′變得越來越小且G′的降低速率超過G″,使得多糖溶液的狀態由凝膠態變為弱凝膠直至其液體性質顯著。論文通過研究多糖溶液在不同濃度和溫度下溶液狀態的改變和凝膠態的形成對金錢菇多糖在食品加工中的應用提供理論支持。

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Rheological properties of Jinqian mushroom

WANG Jun-hui,XU Jin-long,DU Yi-qun,LIU Yong,WANG Hao

(School of Biotechnology and Food Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

A polysaccharide fraction JQPs was isolated and purified from Jinqian mushroom. In this study,the rheological properties of polysaccharide of JQPs were investigated. The viscoelastic properties were determined as a function of concentration and temperature by using rheometer. The results showed that the JQPs solution exhibited pseudoplastic flow behavior. The low concentration solution exhibited almost Newtonian flow behavior at low shear rate region. With the increase of shear rate,the viscosity decreased and the non-Newtonian behavior became more and more obvious. The storage modulusG′ and loss modulusG″ were in correlation with temperature and frequency. With the increase in polysaccharide concentrations,theG′ increased more rapidly than theG″. At the concentration of 2.0%,the polysaccharide solution showed weak gel behavior. With the increase in polysaccharide temperature,theG′ decreased more rapidly than theG″,the polymer solution(2.5%)revealed weak gel behavior at 15℃. The study could provide theoretical foundation and reference for JQPs application in food industry.

Jinqian mushroom;polysaccharide;rheological properties;viscoelastic

2014-04-01

王軍輝(1976-)，男，博士，副教授，研究方向：食品膠體大分子的結構與功能研究。

國家自然科學基金項目(31370371);安徽省自然科學基金項目(1408085MC45)。

TS201.7

A

1002-0306(2015)03-0091-04

10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.010