pH 值對蘋果果膠-多酚復配物體系流變性和凝膠性的影響

姜涵騫，王撼辰，王海龍，胡金保，李紹振，劉鳳松，李 麗，李 斌*

（1.沈陽農業大學食品學院，遼寧沈陽 110000；2.上海本優機械有限公司，上海 200000；3.北京匯源果汁飲料有限公司，北京 100000；4.無限極（營口）有限公司，遼寧營口 115000）

蘋果果膠是蘋果中的主要成分之一，是重要的商品果膠來源，也是食品生產加工過程中常見的食品原料。研究表明，蘋果果膠具有降血脂、抗腫瘤和抗肥胖等功能[1-2]，其廣泛應用于食品、制藥和化工等行業。同時，蘋果果膠本身無毒無害，是優良的天然食品添加劑，其凝膠性和穩定性較強[3]，能夠顯著提高食品品質。pH 值是蘋果果膠生產加工中重要的化學加工條件，武文潔等[4]以蘋果果膠為原料，ZnCl2為交聯劑，制成的復合凝膠球中包含果膠、吲哚美辛和卵磷脂，并發現pH 值顯著影響復合凝膠球的穩定性。

蘋果多酚是植物多酚的一種，廣泛存在于未成熟的蘋果中，具有抗氧化、降血糖、降低膽固醇等多種生理功能[5]，常被用于制作功能性食品。同時，蘋果多酚可以與多糖結合，相互作用后形成的產物有助于提高多糖的穩定性并改變微觀結構，蘋果多酚與蘋果果膠相互作用后組成的復配物濃縮液，在降低膽固醇和提高脂質率等方面明顯優于單一的蘋果多酚和蘋果果膠[6]。

pH 在食品的生產加工過程中具有重要作用，其對果膠-多酚復合型食品相互作用的影響研究已經成為熱點，有人提出，適宜的pH 環境能夠提高蘋果果膠的凝膠性和流變性[7]，本文以蘋果果膠和蘋果多酚為試驗材料，分別用不同的pH 處理蘋果果膠-蘋果多酚的復配物體系，從而探究pH 值對復配體系流變性和凝膠性的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

蘋果果膠，食品級，購于深圳金富源生物科技有限公司，純度為99%；蘋果多酚，主要化學成分為綠原酸和兒茶素，購于四川華源盛泰生物科技有限公司，純度為92%；檸檬酸（純度99%）、檸檬酸鈉、2-甲基硅油、鹽酸、氫氧化鈉，均為分析純，由北京百靈威科技有限公司提供。

1.2 儀器與設備

FA2204A 電子分析天平（精度為0.001 g），上海始恒儀器設備有限公司；pH S-25A 精密酸度計，上海右一儀器設備有限公司；Discovery 混合型變儀，美國TA 儀器公司；RCT basic 磁力攪拌器，德國IKA 儀器設備有限公司。

1.3 方法

1.3.1 蘋果果膠與蘋果多酚復配物樣品的制備

參考梁申[8]的方法有所改動。配制1 000 mL、0.1 mol/L的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液，用2 mol/L 的鹽酸和氫氧化鈉調整pH 至3.0，將配制完成的緩沖液倒入若干個容量為100 mL 的燒杯中，原料添加量參考張卉等[9]的方法，并有所改動。取0.1 g 蘋果多酚和1 g 蘋果果膠，將其溶解于燒杯中，用鹽酸和氫氧化鈉調節pH，設置不同的復配物pH 梯度，分別為3.0、3.2、3.4、3.6 和3.8，將配制完成的復配物溶液分為甲乙兩組，甲組使用RCT 磁力攪拌器進行攪拌，初始溫度設定為65 ℃，初始轉速設定為300 r/min，20 min 后將轉速勻速提升至600 r/min 進行攪拌，并將溫度勻速提高10 ℃，再過20 min 后將轉速勻速提升至900 r/min 繼續攪拌，溫度再勻速提高10 ℃，攪拌30 min 后，將轉速勻速提升至1 100 r/min 進行攪拌，溫度設定為92 ℃，攪拌30 min，得到不同pH 處理的蘋果果膠多酚復配物樣品，放到冰箱中4 ℃冷藏24 h，測定其凝膠性和流變性；乙組經過上述操作后，放入-80 ℃超低溫冰箱中處理48 h 備用。

1.3.2 流變特性的測定

本實驗中，靜態剪切和動態頻率掃描代表復配物體系的流變特性。

靜態剪切的測量：取不同pH 處理的蘋果果膠-蘋果多酚復配物質，對流變性的測量采用雙平板測量系統，平板寬度設置為40 mm，并將間距設置為2 mm，用藥匙精確舀取試樣，并置于流變儀平板中心處，用棉簽蘸取適量的2-甲基硅油溶液，并將其涂刷于試樣周圍，從而減少非線性流變檢測時水分揮發，掃描溫度固定為20℃，剪切速度由靜止提高到270 s-1，測量此過程中剪切應力的轉變，重復測量3 次，取平均值。Power-Law 方程具體如（1）所示。

式中，σ為剪切應力，Pa；K為黏度系數，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為流體運動指標。

動態頻率掃描測量：取經不同梯度pH 處理的蘋果果膠-多酚復配物質，對流變性的測量采用雙平板測量系統，平板寬度設置為40 mm，并將間距設置為2 mm，用藥匙精確舀取試樣，并置于流變儀平板中心處，用棉簽蘸取適量的2-甲基硅油溶液，將其涂刷于試樣周圍，從而減少非線性流變檢測時水分的揮發。數字化掃描應變設定為1%，數字化掃描溫度設置為20 ℃，初始頻率為0.1 Hz，終止頻率為100 Hz，測量頻率升高過程中3 個指標儲能模量（G′）、損耗模量（G″）以及損耗角正切值（tanδ）的改變，重復測量3 次，取平均值。

1.3.3 平均凝膠形成速率的測定

有研究人員指出，維持同樣速度降溫有助于更直觀地認識凝膠在生成過程中體系結構的變化程度[10-11]。取不同pH 處理的蘋果果膠-多酚復配物質，對流變性的測量采用雙平板測量系統，平板寬度設置為40 mm，并將間距設置為2 mm，用藥匙精確舀取試樣，并置于流變儀平板中心處，用棉簽蘸取適量的2-甲基硅油溶液，將其涂刷于試樣周圍，從而減少非線性流變檢測時水分的揮發。數字化掃描應變設定為1%，凝膠的初始溫度和終止溫度分別設置為5、95 ℃，計算試樣從初始溫度升至終止溫度的平均凝膠形成速率，計算公式見式（2）。

式中，SDRa為平均凝膠形成速率，Pa/s；G′End為冷卻初始階段時，復配物的彈性模量，Pa；G′lst為冷卻終止階段時，復配物的彈性模量，Pa；tEnd為冷卻初始階段時間，s；tlst為冷卻終止時間，s。

1.4 數據處理

所有試驗重復3 次，每次測試均需要更換樣品，采用Power-Law、Origin 9.0、Microsoft Excel 2020 等進行數據分析及繪圖。

2 結果與分析

2.1 流變特性分析

2.1.1 靜態剪切變化結果

如圖1 所示，蘋果果膠-多酚復配體系經不同pH 處理后，剪切速度的增大導致剪切應力呈規律性改變，各種復配物體系樣品的剪切應力隨pH 的增加而增大，在同樣剪切速度下，pH 值穩定在3.6 時，剪切應力達到最大值。出現這一結果的原因是處于酸性環境時，當蘋果果膠-多酚復配物樣品溶液pH 值從3.0 增加到3.6 時，蘋果果膠的半乳糖醛酸（C6H10O7）電離度遞增，復配物樣品的粒子半徑逐漸減小，復配物體系穩定性變強，流變性呈剪切變稀的趨勢[12]；當復配作用物質pH 值高于3.6時，因為pH 的變化程度大，破壞了蘋果果膠的半乳糖醛酸電離平衡的穩定狀態，復配作用物質在樣品水溶液中的總電荷含量逐漸下降，破壞溶液穩定性，使復配物系統的溶液穩定性逐漸變差[13]。

圖1 蘋果果膠-多酚復配物體系剪切應力隨剪切速率變化曲線Fig.1 Curve of shear stress of apple pectin-apple polyphenol complex with shear rate

上行、下行是流動曲線圖中上行曲線、下行曲線的簡稱，n、K都是實驗中的關鍵指數，R2為擬合優度。n為流體指數，代表流體運動指標，是非牛頓流體穩定程度的判定依據，假設n＜1，則該流體是假塑性的非牛頓流體，且n值越小，流體模型所顯示出來的假塑性特征就越強；比例系數K為稠度系數，K值的高低反映了流體的黏稠程度。如表1 所示，以Power-Law為基礎對所得的數值進行擬合，所有的模型擬合優度R2均超過95%，從而顯示出了較高的建模擬合準確度。蘋果果膠-多酚復配物水溶液的流體指數均低于1，說明各種pH 值的復配物溶液都呈假塑性流體，當pH 值上升時，流體指數緩慢下降，當pH 值為3.6 時，n值最小，復配物K值最大，黏稠性最好。當pH 值的繼續升高超過3.6 時，復配物體系的流體指數又開始出現回升，說明溶液pH 值高于3.6 后，復配物體系的稠度系數逐步減小，溶液稠度變弱。

表1 不同pH 值的復配物體系Power-Law 方程擬合參數Table 1 Fitting parameters of Power-Law equation for complex systems with different pH

2.1.2 動態頻率掃描

如表2 所示，在進行動態頻率掃描過程中，pH 為3.0時，復配物的tanδ值最大，為0.699；當pH 增加時，tanδ值逐漸下降，在pH 為3.6 時，tanδ值達到最小，為0.245。說明pH 值從3.0 增加到3.6 時，體系所對應的相位角逐漸下降；而pH 值＞3.6 時，tanδ增加，說明pH 值＞3.6后，體系所對應的相位角也增加，意味著pH 值為3.6 時，復配物系統整體最平衡。

表2 不同pH 值的復配物流變性指標的動態頻率掃描Table 2 Dynamic frequency scanning of complex flow denaturation index at different pH

如圖2 所示，隨pH 值由3.0 增加到3.6，G′的增幅逐漸高于G″，復黏度呈上升態勢，當pH 值為3.6 時，復黏度達到峰值24.6 Pa·s，意味著pH＜3.6 時，復配物體系更接近于黏性流體，動態的黏彈性能變好。pH 值＞3.6 后，tanδ又變大，復黏度呈下降趨勢，表明復配物體系近似非黏性流體，動態黏彈性減弱，復配物體系在pH 高于3.6后的溶液中難以形成凝膠[14-15]，因此在pH 為3.6 時，復配物的動態黏彈性最強，而后逐漸降低。當蘋果果膠和蘋果多酚的復配體系物作為食品生產加工過程中主要原材料時，就要嚴格地將食品生產工藝的環境pH 值限制在3.6 附近，以便使成品具有良好的動態黏彈性能、黏度和穩定性。

圖2 復配物體系損耗角正切值隨頻率的變化Fig.2 The loss angle tangent of the complex system varies with frequency

2.1.3 平均凝膠形成速率的測定結果

由圖3（見下頁）可知，隨著pH 值的升高，SDRa先升高后降低，當pH 為3.6 時，達到最大值，為0.336 Pa/s。這可能是因為隨著復配物體系pH 值的不斷升高，蘋果果膠自身的凝膠性不斷增強[16]，當pH 值繼續升高時，存在于蘋果果膠分子與蘋果多酚分子中的疏水相互作用被破壞，而這種疏水相互作用力決定著蘋果果膠與蘋果多酚復配物體系形成的凝膠強度，因此抑制了凝膠的形成，最終使SDRa大幅度降低[17]。

3 結論

通過對不同pH 蘋果果膠-多酚復配物體系的凝膠強度、動態黏彈性等流變性能分析得出，pH 穩定在3.6時，復配物體系的凝膠強度最高、動態黏彈性最好、平均凝膠形成速率最快；pH 大于3.6 時，復配物的凝膠強度變弱，流變性能變差，平均凝膠形成速率變慢。表明pH超過3.6 后，以蘋果果膠-多酚復配作用物質體系為基料的食品，其品質將會變差。因此，在此類食品的生產加工過程中，pH 值應限制在3.6 最佳。通過pH 影響蘋果果膠-多酚復配物的相互作用，從而改良復配物體系流變性和凝膠性的技術能夠普及到食品領域，在后續試驗中，將研究其他化學加工條件對復配物體系中蘋果果膠-多酚性能的影響。