黃原膠對(duì)流質(zhì)配方食品流變特性的影響

李慧 ，付鑫，任元海，孫婉婷 ，王猛 ，周泉城 *

1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院食品科學(xué)系（淄博 255049）；2. 農(nóng)產(chǎn)品功能化技術(shù)山東省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（淄博 255049）；3. 華潤(rùn)圣海健康科技有限公司（淄博 255000）

流質(zhì)配方食品是以碳水化合物和蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)，可添加維生素和礦物質(zhì)的用于特殊醫(yī)學(xué)用途的食品配方，比如用于進(jìn)食困難、吞咽困難的患者等，而老年人是吞咽障礙發(fā)生率最高的群體[1]。隨著全球老齡化社會(huì)的到來(lái)，吞咽障礙已成為世界各國(guó)所要面臨的重大健康問(wèn)題[2]。從安全吞咽的角度來(lái)講，對(duì)于吞咽障礙特殊食用人群而言，對(duì)質(zhì)地稀薄的流體食物增稠可以提高流體食物的黏度，減緩其流經(jīng)咽喉的速度，降低食物吸入肺里的危險(xiǎn)，從而避免吸入性肺炎導(dǎo)致食用人群死亡[3]。據(jù)調(diào)查，吞咽障礙造成的吸入性肺炎已經(jīng)成為致使老年人死亡的重要原因之一[4]。

流質(zhì)配方選用的蛋白質(zhì)是豌豆蛋白肽和乳清蛋白。豌豆蛋白肽是豌豆蛋白經(jīng)酶解破壞肽鍵后得到的小分子肽，它的抗氧化活性更高，并具有凝膠形成性、乳化性和乳化穩(wěn)定性。乳清蛋白是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的重要食品組分，它不僅易消化，而且有很高的代謝效率，同時(shí)還含有很多生物活性物質(zhì)，具有很高的功能特性，所以它們被廣泛用于提高食品質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[5]。而對(duì)流質(zhì)食品增稠可保持食品的色、香、味結(jié)構(gòu)，并對(duì)食品的相對(duì)穩(wěn)定性起相當(dāng)重要的作用[6]。黃原膠由于其強(qiáng)烈假塑性的流變學(xué)特性常被作為增稠劑，在吞咽困難的飲食護(hù)理中顯示出積極的作用[3]。黃原膠由5個(gè)糖殘基單元組成，其中側(cè)鏈上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群賦予了黃原膠負(fù)電荷，帶負(fù)電荷的側(cè)鏈相互作用決定了黃原膠優(yōu)良的乳化穩(wěn)定性、溫度穩(wěn)定性、與食品中其他組分的相容性以及流變性，是已知所有親水性膠體中用途較廣泛、使用較多的膠體[7-9]，可以和淀粉等其他多糖相配伍，可控制最終產(chǎn)品的糊化性和流變性[10]。它還具有良好的水溶性，即使在冷水中也可較好溶解[11]。要對(duì)其流變特性進(jìn)行評(píng)估和控制，最重要的是探究這些因素的影響[12]。

試驗(yàn)從流變學(xué)等物性學(xué)角度出發(fā)，探究了不同濃度的黃原膠對(duì)流質(zhì)配方食品的增稠效果及食用安全性的影響規(guī)律，討論了流質(zhì)配方食品的黏度的時(shí)間依賴(lài)性以及穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)流變性，以期對(duì)該流質(zhì)配方食品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、臨床護(hù)理方面提供理論數(shù)據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

黃原膠（上海鴻鍵食品配料有限公司）；豌豆蛋白肽（煙臺(tái)雙塔食品有限公司）；乳清蛋白（上海愛(ài)純生物科技有限公司）；羥丙基淀粉（上海愛(ài)純生物科技有限公司）；核桃油（南陽(yáng)磨坊麻麻原生態(tài)食品有限公司）；氯化鈉、磷酸二氫鉀（鄭州瑞普生物工程有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

Malvern旋轉(zhuǎn)流變儀（馬爾文公司）；SMC滲透壓摩爾濃度測(cè)定儀（天津斯格瑞科技有限公司）；雷磁PHS-25 pH計(jì)；AL-1D4電子天平：梅特勒-托利多儀器（上海有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 流質(zhì)配方食品制備

流質(zhì)配方食品溶液的配制：分別添加0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%黃原膠（黃原膠-營(yíng)養(yǎng)素，質(zhì)量比）于由0.8 g豌豆蛋白肽、0.7 g乳清蛋白、0.25 g核桃油、7.60 g羥丙基淀粉、0.01 g混合維生素、0.16 g混合礦物質(zhì)、0.11 g氯化鈉、0.06 g磷酸二氫鉀組成的配方食品中，混勻，加55 ℃水，高速分散均質(zhì)機(jī)以10 000 r/min均質(zhì)5 min后即得測(cè)定所需試樣。

1.3.2 pH測(cè)定

取1.3.1中試樣測(cè)定pH。

1.3.3 滲透壓測(cè)定

取1.3.1中試樣，用滲透壓摩爾濃度測(cè)定儀測(cè)試滲透壓。

1.3.4 流變學(xué)性質(zhì)的測(cè)定

取1.3.1中試樣，放入應(yīng)力可控型Malvern旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定平臺(tái)，采用平板-平板測(cè)量系統(tǒng)，平板直徑為40 mm，平板間距為0.5 mm，刮去平板外多余樣品，加上蓋板。為了使樣品保持相同的初始狀態(tài)，裝樣后使之平衡5 min后開(kāi)始測(cè)試。每次測(cè)試均使用新的樣品，并用輕質(zhì)硅油封樣以防止水分揮發(fā)。測(cè)試溫度我25 ℃。穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測(cè)試中，采用控制剪切速率的測(cè)試模式，剪切速率由0.1 s-1升至1 000 s-1，記錄樣品的黏度隨剪切速率的變化以及應(yīng)力隨剪切速率的變化。樣品時(shí)間依賴(lài)性試驗(yàn)中，分別在剪切率50 s-1和200 s-1時(shí)剪切5 min，靜置1 min，再剪切1 min測(cè)試黏度隨著時(shí)間的變化情況。動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描測(cè)試中，初始頻率為6.28 rad/s，應(yīng)變掃描范圍0.001～3，記錄儲(chǔ)能模量G'、損耗模量G”以及損耗因子tanδ隨應(yīng)變的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃原膠濃度對(duì)流質(zhì)配方pH影響

黃原膠是一種酸性胞外雜多糖，其溶液對(duì)酸堿十分穩(wěn)定[11]。隨著黃原膠濃度的增高，其分子體積增大，相互作用概率增加，吸附水分子增多，這導(dǎo)致作為溶劑的水分子減少，因此pH發(fā)生變化。從圖1可看出，黃原膠濃度越大，其調(diào)節(jié)的流質(zhì)配方食品pH越大，由酸性pH升高到中性的7左右。人體最佳的pH為7.3～7.4，未添加黃原膠流質(zhì)配方食品呈酸性，而黃原膠添加后，流質(zhì)配方食品pH則趨向最佳值，更有利于人體的健康。此外，流質(zhì)配方食品的pH與流質(zhì)配方溶液的黏度及其穩(wěn)定性有著密切關(guān)系，對(duì)流質(zhì)配方溶液的黏度及其穩(wěn)定性調(diào)節(jié)有重要作用，而且兩者也會(huì)影響到患者食用效果。

圖1 黃原膠濃度對(duì)流質(zhì)配方食品pH影響

2.2 黃原膠濃度對(duì)流質(zhì)配方滲透壓影響

任何溶液都因有不同的溶質(zhì)濃度而呈現(xiàn)不同的滲透壓。滲透壓調(diào)節(jié)人體內(nèi)酸堿平衡，對(duì)恢復(fù)神經(jīng)正常作用具有重要作用。黃原膠在電解質(zhì)溶液中呈螺旋結(jié)構(gòu)，在含有鈉鹽的流質(zhì)配方食品中，黃原膠分子間存在的氫鍵維持黃原膠分子雙螺旋結(jié)構(gòu)，而分子內(nèi)氫鍵則保持黃原膠分子的剛性，使流質(zhì)配方食品在熱力學(xué)上更穩(wěn)定。雙螺旋解開(kāi)為單鏈，對(duì)滲透壓起到很大作用，黃原膠可以減緩流質(zhì)配方食品的凝沉，可能的原因是親水性膠體結(jié)合了部分水分，而使水分活度降低，因此增加了凝沉的時(shí)間，這方面研究與文獻(xiàn)[13]研究結(jié)果一致。正常人體的血漿滲透濃度為280～320 mOsmol/kg。從圖2可以看出，此次試驗(yàn)的黃原膠添加量滲透壓均在此范圍，不但不會(huì)對(duì)人體造成危害，還使其長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)生分層，改善口感與體態(tài)。

2.3 流變學(xué)性質(zhì)分析

2.3.1 穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測(cè)試未添加黃原膠的流質(zhì)配方食品表觀黏度基本不隨剪切速率的增加而發(fā)生改變，僅0.08 Pa·s，為低黏度流體。此黏度食用時(shí)，易發(fā)生嗆吸，而引起窒息，因此不適合吞咽困難患者直接食用。在剪切速率的作用下，添加黃原膠的流質(zhì)配方食品表現(xiàn)為典型的非牛頓假塑性流體[14]。從圖3可以看出，當(dāng)剪切速率為0 s-1時(shí)，溶液表觀黏度最大；當(dāng)剪切速率從0 s-1增加到500 s-1時(shí)，表觀黏度隨剪切速率的增加而迅速降低；500 s-1之后，表觀黏度的下降趨勢(shì)逐漸趨于平緩。這是因?yàn)辄S原膠為網(wǎng)狀螺旋復(fù)合體長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，剪切速率較低時(shí)，它與流質(zhì)配方食品中的支鏈淀粉相互纏繞，彼此交織纏結(jié)，形成纏節(jié)與三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加分子間的作用力，黏度最高[15]，而當(dāng)剪切速率不斷增加時(shí)，分子之間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，纏結(jié)被完全解開(kāi)，降低了流體阻力，從而使溶液的表觀黏度減小，表現(xiàn)出典型假塑性流體特性[16-17]。剪切稀化是流體特有的現(xiàn)象，即流體的表觀黏度隨剪切速率的增加而降低[18]。

圖2 黃原膠濃度對(duì)流質(zhì)配方滲透壓影響研

圖3 不同黃原膠添加量下剪切速率對(duì)流質(zhì)配方食品黏度的影響

圖4 不同黃原膠添加量下剪切速率對(duì)流質(zhì)配方食品剪切應(yīng)力的影響

在相同剪切速率條件下，黃原膠的質(zhì)量濃度越大其表觀黏度越大，流體假塑性越強(qiáng)，剪切稀化效應(yīng)越顯著。但當(dāng)黃原膠濃度達(dá)到2.5%時(shí)，再增加其濃度，黏度減小不顯著。可通過(guò)調(diào)節(jié)黃原膠質(zhì)量濃度來(lái)調(diào)控黏度下降程度，以滿足不同吞咽困難患者對(duì)黏度和口感的多方面需求，優(yōu)良的黏度沖調(diào)性對(duì)于吞咽困難患者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，它保證了食用期間流動(dòng)性的黏度安全性。

2.3.2 時(shí)間依賴(lài)性試驗(yàn)

兩種剪切速率的選擇依據(jù)：50 s-1為流體食物在喉嚨吞咽時(shí)的速率，且該剪切速率可類(lèi)比流體食物在容器中被輕微攪動(dòng)時(shí)受到的剪切作用；而200 s-1則對(duì)應(yīng)于流體食物經(jīng)歷比較大強(qiáng)度攪拌時(shí)的剪切速率[22]。

圖5 不同濃度黃原膠流質(zhì)配方溶液在50 s-1和200 s-1恒定速率下黏度隨剪切時(shí)間的變化

從圖5可見(jiàn)，在同一黃原膠添加量下，第2次剪切時(shí)的黏度與第1次剪切后無(wú)顯著性差別，黏度隨時(shí)間變化不明顯，說(shuō)明剪切時(shí)間和剪切程度基本不會(huì)對(duì)其黏度造成影響，外力撤出后體系恢復(fù)到未經(jīng)力作用的體系狀態(tài)所需的時(shí)間短。但200 s-1恒定剪切相較50 s-1恒定剪切造成的黏度下降較明顯。黃原膠分子間靠氫鍵形成二級(jí)螺旋立體結(jié)構(gòu)，雙股螺旋結(jié)構(gòu)間靠微弱的非共價(jià)鍵結(jié)合，形成三級(jí)螺旋聚合體結(jié)構(gòu)。在高剪切速率下，三級(jí)聚合體結(jié)構(gòu)解聚為一級(jí)剛性結(jié)構(gòu)，因而溶液黏度迅速下降，當(dāng)剪切速率解除時(shí)，分子結(jié)構(gòu)又恢復(fù)到雙螺旋聚合體狀態(tài)，使溶液黏度恢復(fù)到最大[23]。黃原膠的添加其溶液黏度不受剪切歷史的影響，無(wú)明顯的觸變性，并表現(xiàn)出剪切變稀的行為，對(duì)施加的剪切應(yīng)變做出即時(shí)響應(yīng)[24]。這樣的溶液可給予咽部較長(zhǎng)的吞咽反應(yīng)時(shí)間，從而減少吸入危險(xiǎn)。試驗(yàn)給出了黃原膠添加量在0～3%的濃度范圍內(nèi)流質(zhì)配方溶液的特征，其結(jié)果均符合人體安全食用的要求，實(shí)際臨床需求可根據(jù)特殊吞咽患者對(duì)黏度等的要求調(diào)整實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描測(cè)試

tanδ為損耗模量與儲(chǔ)能模量的比值，可以反映流體的黏彈性[13]。儲(chǔ)能模量（G'）代表剪切時(shí)能量?jī)?chǔ)存并且可以恢復(fù)的彈性能力，損耗模量（G”）代表流體受到外部剪切力作用而產(chǎn)生的黏性能力[25]。

從圖6可見(jiàn)，未增稠的流質(zhì)溶液，它的儲(chǔ)能模量小于損耗模量，損耗角正切值tanδ大于1，及G'＜G”，tanδ＞1，為類(lèi)液體的性質(zhì)；而經(jīng)黃原膠增稠的流質(zhì)溶液，它的儲(chǔ)能模量大于損耗模量，損耗角正切值tanδ小于1，及G'＞G”，tanδ＜1。由此可知?jiǎng)討B(tài)機(jī)械損耗角正切大于1主要是黏性行為，說(shuō)明體系流動(dòng)性強(qiáng)；小于1主要是彈性行為，說(shuō)明其固體特性強(qiáng)[26]。黃原膠的添加，使流質(zhì)溶液成為彈性高于黏性的黏彈體，表現(xiàn)為典型的弱凝膠體系。原因可能是親水性膠體與溶出的直鏈淀粉通過(guò)范德華力或氫鍵作用，形成比原淀粉凝膠更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體[27]。這與劉敏等[7]的試驗(yàn)結(jié)果相似。

流質(zhì)配方食品的儲(chǔ)能模量和損耗模量的改變受黃原膠添加影響，是因?yàn)辄S原膠分子支鏈與主鏈之間形成螺旋構(gòu)象與其直鏈淀粉之間作用[28]。儲(chǔ)能模量的增大說(shuō)明溶液體系的固體特征上升，是由于親水膠體與淀粉之間形成不兼容的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)類(lèi)似于同種類(lèi)型的直鏈淀粉之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度的增加、儲(chǔ)能模量的增加，這與BeMiller等[29]研究所得結(jié)果一致。

圖6 不同濃度黃原膠流質(zhì)配方溶液模量（G'和G”）和損耗角正切隨應(yīng)變的變化

3 結(jié)論

黃原膠與流質(zhì)配方混合體系體現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)，其具有更好的增稠作用和更強(qiáng)的假塑性。在穩(wěn)態(tài)剪切黏度曲線測(cè)試中，添加黃原膠增加了流質(zhì)配方的黏度和剪切稀化效應(yīng)，使其產(chǎn)生一定的應(yīng)力，提高了混合體系的穩(wěn)定性。當(dāng)黃原膠濃度達(dá)到一定程度后（高于2.5%），混合體系性質(zhì)趨向穩(wěn)定。在時(shí)間依賴(lài)性試驗(yàn)中，黃原膠的添加其溶液黏度不受剪切作用的影響，無(wú)明顯的觸變性，更適合吞咽困難患者。在動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描測(cè)試中，加入黃原膠后混合體系的G'、G”值增加，損耗角正切值tanδ增加，彈性高于黏性，咀嚼性降低，形成了更加均勻穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該流質(zhì)配方的pH、滲透壓測(cè)定表明相關(guān)食用品性安全。此次試驗(yàn)為該流質(zhì)配方產(chǎn)品市場(chǎng)化提供了物性安全穩(wěn)定依據(jù)，并為吞咽困難患者的臨床飲食護(hù)理提供有效依據(jù)。