發酵對蘋果渣多糖流變性的影響

賈 豐，劉 冬，郭玉蓉*，李 潔，孫嬌嬌，蘇 帆

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西 西安 710119）

發酵對蘋果渣多糖流變性的影響

賈 豐，劉 冬，郭玉蓉*，李 潔，孫嬌嬌，蘇 帆

（陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西 西安 710119）

以蘋果渣多糖（apple pomace polysaccharide，APP）、酒渣多糖（cider apple pomace polysaccharide，CAPP）、醋渣多糖（cider vinegar apple pomace polysaccharide，CVAPP）為研究對象。通過APP、CAPP、CVAPP質量分數、溫度、放置時間對表觀黏度、剪切應力的影響對比，研究發酵對APP流變特性的影響。結果表明：APP、CAPP、CVAPP皆為假塑性流體，存在剪切變稀現象；CAPP、CVAPP表現出黏度明顯降低、質量分數依賴性減弱、溫度抗逆性增強以及存在一定的時間抗逆性；APP、CAPP、CVAPP放置3 d對流變特性影響較小；CAPP、CVAPP在一定程度上表現出優于APP的加工特性。

發酵；蘋果渣；多糖；流變性；假塑性流體

蘋果渣是蘋果加工產業的主要副產物，利用蘋果渣提取活性成分成為利用蘋果渣的有效途徑。蘋果多糖在國內被廣泛研究：馬文杰等[1]對水溶性蘋果多糖提取工藝應用二次回歸旋轉正交組合設計進行了深入研究；蘇鈺琦等[2]利用堿提、酸提、酶提以及混合提取等方法結合正交試驗對蘋果多糖提取進行了深入研究；張麗萍等[3]對蘋果多糖脫色工藝進行了進一步研究；付成程等[4]對蘋果多糖制備方法以及防癌功能性研究進行了綜述研究；李錦運等[5]對蘋果多糖提取工藝優化以及除雜進行了研究；李倩等[6]建立了PMP柱前衍生法對蘋果葡寡糖含量測定方法；孫陽[7]研究了蘋果多糖對MUC1黏蛋白的影響；楊素[8]研究了蘋果多糖對肝損傷保護作用的藥理活性；張典等[9]研究了蘋果多糖對小鼠結腸癌變的作用及其機制；李潔等[10]對蘋果果膠流變特性以及結構表征進行了研究。此外，Liu Li等[11]對蘋果寡糖在抗炎癥、抗癌以及其通路方面進行了研究；Li Yuhua等[12-14]分別對蘋果寡糖、改性糖以及低分子質量蘋果多糖的功能性質進行了深入研究；Yang Xingbin等[15]對四氯化碳誘導的肝損傷保護作用進行了動物實驗研究；Zhang Dian等[16]對蘋果多糖誘導結腸癌細胞凋亡作用進行了研究；Li Qian等[17]對蘋果低聚糖對結腸癌細胞凋亡以及對細胞周期的影響進行了說明；Dou Jiao等[18]對蘋果幼果多糖分離純化以及其抗氧化活性進行了研究；Li Jie等[19]利用超臨界二氧化碳對蘋果皮渣蠟和己烷進行提取，同時對其組成以及熱力學特性進行了研究；Wang Xin等[20]利用熱水浸提法進行了蘋果果膠提取研究；Ng等[21]對蘋果細胞壁多糖運動性進行了研究；Galvez-Lopez等[22]對蘋果可變化的細胞壁多糖組成以及在后代中半纖維素酶進行了研究。盡管對于蘋果（渣）多糖有關流變特性有一定研究，但對于發酵蘋果渣（蘋果酒渣、蘋果醋渣）多糖的流變學特征研究尚鮮有出現。因此，對于3 種多糖進行進一步研究，可為生產實際提供借鑒與理論支持，同時可為蘋果渣的再利用提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果渣為陜西藍海果業有限公司蘋果酒加工副產物原渣；蘋果酒渣為蘋果渣經釀酒（本實驗室進行）獲得；蘋果醋渣為蘋果渣經釀醋（三原甘露池醋廠）工藝獲得。

磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉等均為分析純。

1.2 儀器與設備

AR-G2流變儀 美國TA公司；超聲波清洗儀器昆山市超聲儀器有限公司；烏氏黏度計 上海Ehsy儀器公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備與測定

參考Li Jie[19]、竇姣[23]等方法，如圖1所示，提取蘋果渣多糖（apple pomace polysaccharide，APP）、蘋果酒渣多糖（cider apple pomace polysaccharide，CAPP）、蘋果醋渣多糖（cider vinegar apple pomace polysaccharide，CVAPP），備用。

圖1 3 種多糖提取流程圖Fig. 1 Flow chart for the extraction of polysaccharides from fresh and fermented apple pomace

樣品測定依照李潔等[10]方法進行。

1.3.2 多糖流體特性分析

用磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉配制pH 7緩沖液，配制質量分數0.5%的APP、CAPP、CVAPP溶液，在25 ℃條件下利用流變儀測定剪切速率0～700 s-1范圍內流體特性[10]。

1.3.3 多糖質量分數對3 種多糖流體特性的影響

用磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉配制pH 7緩沖液，配制質量分數梯度為0.1%、0.3%、0.5%的APP、CAPP、CVAPP溶液，在25 ℃條件下利用流變儀測定剪切速率0～700 s-1范圍內流體特性[10]。

1.3.4 溫度對多糖流體特性的影響

用磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉配制pH 7緩沖液，配制0.5%的APP、CAPP、CVAPP溶液，在20～80 ℃，剪切速率為500 s-1條件下利用流變儀測定其流體特性[10]。

1.3.5 放置時間對多糖流體特性的影響

用磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉配制pH 7緩沖液，配制0.5%的APP、CAPP、CVAPP溶液，分別放置1、3、 14 d，在25 ℃條件下利用流變儀測定剪切速率0～700 s-1范圍內流體特性[10]。

1.4 數據處理

數據測量3 次，利用軟件DPS 7.05進行相關計算處理，作圖利用Origin 8.0與Excel 2010進行處理。

2 結果與分析

2.1 多糖樣品的制備與鑒定

經測定，粗多糖純度均在70%左右，APP、CAPP、CVAPP提取率分別為（5.68±0.014）%、（6.00±0.007）%、（7.09±0.078）%，可見發酵蘋果渣對多糖提取率有改善作用，對多糖純度無明顯影響（P＞0.05）。

圖2 3 種多糖紅外光譜吸收圖譜Fig. 2 Infrared spectra of polysaccharides

由圖2可看出，APP、CAPP、CVAPP在4 000～400 cm-1區間均有多糖的特征吸收峰，且吸收峰基本一致，1 200～1 000 cm-1波長區間也稱為分子的指紋區，1 080.12、1 050.33 cm-1為C—OH的伸縮振動峰和C—O—C糖苷鍵的振動峰，均有吡喃糖單元的存在，即物質為多糖[10,23]。

2.2 發酵對多糖流體特性的影響

2.2.1 剪切速率對3 種多糖表觀黏度的影響

圖3 剪切速率對3 種多糖表觀黏度的影響Fig. 3 Effect of shear rate on apparent viscosity of polysaccharides

由圖3可看出，APP、CAPP、CVAPP在相同質量分數條件下，0～150 s-1范圍內隨著剪切速率的不斷增加表觀黏度迅速減小，在150～700 s-1范圍內三者表觀黏度趨于平衡，三者黏度大小趨勢關系：APP＞CAPP＞CVAPP，分別為0.026 57、0.012 24、0.011 85 Pa·s。這與多糖在水溶液中分子間相互作用有關，當剪切速率增加時，剪切應力隨之增加，到達一定程度時破壞多糖分子間的交聯作用，導致黏度降低。因此，蘋果渣經發酵所得多糖黏度明顯下降（P＜0.05），這在工業加工中有利于工業化生產[10]。

2.2.2 發酵對多糖流動性特征影響

食品流變性研究食品原料、中間產品在加工過程中的變形和流動問題，研究最終產品在消費咀嚼過程中變形與恢復問題[9]。高分子物質，如多糖經常會出現以下幾個現象：1）剪切變稀現象；2）減阻現象；3）黏度的分子質量依賴性，分子質量是影響高分子流變性質的最主要的結構因素，因為在流動過程中，隨著高分子分子質量的增加，分子鏈便會開始纏結，不能獨立運動，流動就變得困難的多了，導致能量的耗散顯著增加。4）冪律定律，適用于剪切速率較大的場合，此為冪律定律的張量定義，對于一維方向的簡單流動行為來說，可簡化為τ＝Kγn，式中，K為流體的稠度系數，K越大流動阻力越大；n為非牛頓指數；τ為剪切應力/Pa；γ為剪切速率/s-1。該方程為冪律方程，符合該方程的流體稱冪律流體，此方程僅適用于中等剪切速率范圍。當n為1時，流體為牛頓流體；當n小于1時流體為假塑性流體，流體表現為剪切變稀的行為；當n大于1時，流體為脹塑性流體，黏度隨剪切速率增加而非線性增加，成為剪切增稠，此時流體表現為脹塑性。由此可見，n與1之差可作為流體的非牛頓性的量度指標。當n值越小時，偏離牛頓流動越遠，黏度隨γ增大而降低，流動性增強[24]。

圖4 剪切速率對3 種多糖剪切應力的影響Fig. 4 Effect of shear rate on shear stress of polysaccharides

冪律定律τ＝Kγn，如圖4所示，在相同質量分數條件下，3 種多糖經擬合曲線可得Y1=0.184 7X0.6773，0.903 6；Y2=0.235 4X0.5111，=0.825 0；Y3=0.254X0.4936，=0.816 5；其中n值分別為0.677 3、0.511 1、0.493 6，可見3 種多糖溶液都為非牛頓流體，且都會存在剪切變稀現象，是典型的假塑性流體，結合圖2可見3 種多糖溶液都為假塑性流體，且都出現了剪切變稀現象；此外，根據圖3可看出剪切應力τ為APP＞CAPP＞CVAPP，這與三者黏度的大小關系是統一的，可見黏度越大導致剪切應力越大，剪切應力的大小與黏度表現一致，存在較強的質量分數依賴性[10,24]。

2.3 多糖質量分數對流體特性的影響

2.3.1 對表觀黏度的影響

圖5 剪切速率對不同質量分數3 種多糖表觀黏度的影響Fig. 5 Effect of shear rate on apparent viscosity of polysaccharides at different concentrations

由圖5可看出，3 種多糖表觀黏度都存在質量分數依賴性，而APP表觀黏度表現出高于發酵多糖的質量分數依賴性，同時剪切稀化現象隨著質量分數的增加有所增強。發酵多糖表觀黏度隨質量分數變化趨勢基本一致，經發酵多糖的溶解性得到明顯提高，使得在相同質量分數情況下APP表觀黏度明顯大于發酵多糖，這與3 種多糖溶解度以及分子質量有直接關系，對于高分子而言質量分數與分子質量對黏度影響呈正相關，溶解度直接影響質量分數大小來影響黏度，主要通過分子質量大小以及質量分數大小來增大多糖溶液阻滯性，使流體流動阻力增大，從而使得黏度發生較大變化[10,18]。

2.3.2 對流動性影響

圖6 剪切速率對不同質量分數3 種多糖剪切應力的影響Fig. 6 Effect of shear rate on shear stress of polysaccharides at different concentrations

由圖6可見，對于APP，隨著質量分數與剪切速率增大溶液剪切應力明顯增加；非牛頓指數n隨質量分數增加依次為0.547 8、0.636 6、0.677 3，即依次增大，也就表明隨著APP質量分數的增加溶液更趨于牛頓流體，同時剪切稀化也有所增強，溶液表現為典型的假塑性流體。CAPP溶液隨著質量分數與剪切速率增大溶液剪切應力也明顯增加，但與APP相比增加幅度較小；非牛頓系數n變化范圍0.468 8～0.511 1，與APP較低質量分數相比仍然表現出典型的非牛頓流體性質，剪切稀化現象隨著質量分數增加也有所增強，仍是典型的假塑性流體。CVAPP溶液隨著質量分數與剪切速率增大溶液剪切應力也明顯增加，但與APP、CAPP相比增加幅度最小，這可能與發酵時間越長，導致多糖結構分子越小，使得分子交聯、纏結作用減小，水合作用減弱，使得黏度降低，剪切應力也隨著減小；非牛頓系數n變化范圍縮小，同樣表現出剪切稀化隨溶度增加有所增強，為假塑性流體[10,25-26]。

2.4 溫度對流體特性的影響

2.4.1 對表觀黏度的影響

圖7 溫度對3 種多糖表觀黏度的影響Fig. 7 Effect of temperature on apparent viscosity of polysaccharides

圖7 顯示，蘋果渣經發酵處理多糖具備更強的溫度抗逆性，隨溫度變化趨勢明顯減弱，這可能是因為發酵多糖溶液本身分子間作用力、分子纏結作用小，當溫度升高時隨著變化的趨勢也就較小。溫度升高導致多糖溶液分子間的熱運動加劇，削弱了分子間的交聯作用，分子間距變大，分子間作用力減小，摩擦減少，流動性增強[10]。

2.4.2 對流動性影響

圖8 溫度對3 種多糖剪切應力的影響Fig. 8 Effect of temperature on shear stress of polysaccharides

圖8 顯示，剪切應力變化趨勢與表觀黏度變化趨勢基本一致，發酵多糖溶液具有較強的溫度抗逆性，在食品加工中有利于熱加工處理，表現出優于APP的加工特性。在較低溫度范圍（20～40 ℃）時，隨著溫度的升高，3 種多糖溶液中分子間的纏結體迅速被削弱，因此剪切力減小，宏觀表現為表觀黏度迅速降低，與溫度對表觀黏度的變化趨勢一致；而在較高溫度范圍（50～80 ℃）時，分子間的纏結體幾乎完全被削弱，因此表觀黏度下降幅度減緩，表現為趨于理想狀態牛頓流體的特性[10]。

2.5 放置時間對流體特性的影響

2.5.1 對表觀黏度的影響

圖9 剪切速率對不同放置時間3 種多糖表觀黏度的影響Fig. 9 Effect of shear rate on the apparent viscosity of polysaccharides at different storage times

圖9 顯示，短期放置1、3、14 d后3 種多糖表觀黏度均下降，放置14 d后，多糖溶液的初始黏度有明顯的降低。表明多糖分子間所形成的纏結體為一種不穩定的結構，隨著放置時間的延長，多糖分子的水合作用加強，分子間的相互作用力減弱，導致多糖溶液表觀黏度的下降，進而影響多糖的應用特性，因此多糖溶液放置時間不宜超過3 d，同時發酵APP表現出一定的時間抗逆性[10,27]。

2.5.2 對流動性的影響

圖10 剪切速率對不同放置時間3 種多糖剪切應力的影響Fig. 10 Effect of shear rate on shear stress of polysaccharides at different storage times

圖10 顯示，隨著放置1、3、14 d后，APP溶液剪切應力明顯降低，非牛頓指數n為0.582 6～0.689 4；CAPP溶液稍有減小，非牛頓指數n為0.499 1～0.520 6；CVAPP溶液基本不變化，非牛頓指數n為0.492 8～0.496 6；可見經發酵處理后多糖的非牛頓流體性質更加明顯。此外，3 種多糖在3 d之后剪切速率對剪切應力的影響明顯，同時發酵多糖表現出一定的時間抗逆性，結合圖8可知3 種多糖流變性3 d后變化明顯，因此常溫保存時間在3 d為宜。這可能是多糖溶液隨著時間延長，在水合作用下，分子間作用減弱所致[10]。

3 結 論

3 種多糖都表現出明顯的假塑性流體特性，存在剪切變稀現象，且具有質量分數依賴性；CAPP、CVAPP黏度明顯小于APP，且存在較好的水溶性，具備較好的溫度抗逆性與一定的時間抗逆性；經發酵處理CAPP、CVAPP非牛頓流體特性更加明顯。因此，經發酵處理，CAPP、CVAPP在一定程度上表現出優于APP的加工特性。

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Effect of Fermentation on Rheology of Apple Pomace Polysaccharides

JIA Feng, LIU Dong, GUO Yurong*, LI Jie, SUN Jiaojiao, SU Fan
(College of Food Engineering and Nutritional Science, Shaanxi Normal University, Xi’an 710119, China)

The influences of concentration, temperature and storage time on the apparent viscosity and shear stress of apple pomace polysaccharide (APP), cider apple pomace polysaccharide (CAPP) and cider vinegar apple pomace polysaccharide (CVAPP) were studied in this research in order to elucidate the effect of fermentation on the rheology of APP. The results showed that APP, CAPP, and CVAPP were all pseudoplastic fluid, displaying a shear thinning behavior. Both CAPP and CVAPP exhibited significantly lower viscosity with decreased concentration dependence and enhanced temperature resistance as well as resistance within a period of time. The rheology of all three polysaccharides changed little during 3 days of storage. Both CAPP and CVAPP were superior to APP in term of processing characteristics to a certain extend.

fermentation; apple pomace; polysaccharides; rheology pseudoplastic fluid

10.7506/spkx1002-6630-201714016

TS255.36

A

1002-6630（2017）14-0106-06

賈豐, 劉冬, 郭玉蓉, 等. 發酵對蘋果渣多糖流變性的影響[J]. 食品科學, 2017, 38(14): 106-111.

10.7506/spkx1002-6630-201714016. http://www.spkx.net.cn

JIA Feng, LIU Dong, GUO Yurong, et al. Effect of fermentation on rheology of apple pomace polysaccharides[J]. Food Science, 2017, 38(14): 106-111. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201714016. http://www.spkx.net.cn

2016-06-24

國家現代農業（蘋果）產業技術體系建設專項（CARS-28）

賈豐（1991—），男，碩士研究生，研究方向為食品生物技術與功能食品。E-mail：feng_juslin@163.com

*通信作者：郭玉蓉（1962—），女，教授，博士，研究方向為農產品加工及其副產物綜合利用。E-mail：yurongguo730@163.com