圓苞車前子殼膠的流變特性

曹英楠，周揚，戴宏杰，朱瀚昆，王洪霞，馬良，張宇昊

(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)

圓苞車前(Plantagoovata)，英文名Psyllium，又稱歐車前或洋車前，為車前屬，在世界上大多數地區都有種植，特別是印度[1-2]。車前草在傳統醫學中用作藥用植物，具有數百年歷史[3]。2014年，圓苞車前子殼(psyllium husk, PH)被我國列為新資源食品。PH含有豐富的膳食纖維、膠質及生物活性物質，有控制血糖、膽固醇水平，維護胃腸道及心腦血管功能，還可用于吸附除污、增稠、膠凝等[4-5]。GUO等[6]對PH的成分進行分析發現其碳水化合物含量約占85%。FISCHER等[7]報道了PH中最豐富的多糖是高分支的阿拉伯糖木聚糖，還包含15%的酸性糖，且凝膠成分占PH質量的55%～60%。因此，PH可制備具有良好膳食纖維比例的圓苞車前子殼膠(psyllium husk gum, PHG)。

長期以來，人們一直在研究不同來源的天然多糖，對其分離、表征、生物活性和結構特征等方面進行研究，并將其廣泛用于食品、醫藥、環境等領域。由于多糖具有保留水并形成水凝膠的能力，其在食品工業中被廣泛用作增稠劑和膠凝劑[8]。多糖是黏彈性材料，其流變特性是食品工業中的應用基礎，流變學參數是食品膠體開發應用、質量評估及加工工程設計所必需的。近幾年來，眾多學者報告了從不同植物中提取的多糖的流變特性，如茶籽[9]、秋葵[10]、皂莢[11]等。雖然GUO等[4]對PH中的可溶性凝膠成分進行了研究，但不溶性膳食纖維對膠體的結構及性能產生的影響也不容忽視。目前已有PH應用于酸奶[12]、面團[13]等的研究，卻沒有對PH流變特性的報道。因此，本文旨在探究圓苞車前子殼這一新型食品原料的流變及結構特性，為其在食品工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

圓苞車前子殼粉(純度99%，總糖含量為87.36 g/100g，蛋白質含量為0.40 g/100g，總膳食纖維含量為76.41 g/100g)，上海味慶生物科技有限公司；熒光增白劑M2R，上海阿拉丁試劑公司；NaCl、CaCl2、NaOH、HCl、二甲基硅油、戊二醛，成都市科龍化工試劑廠；實驗試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

JA3003B型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-4型數顯恒溫攪拌水浴鍋，上海新諾儀器設備有限公司；CJ-78-1型磁力攪拌器，上海將任實驗設備有限公司；FD-1A-50型真空冷凍干燥儀，北京博伊康實驗儀器有限公司；MCR302型流變儀，奧地利安東帕公司；LSM800型激光共聚焦顯微鏡，德國卡爾蔡司公司；Phenom ProX型掃描電子顯微鏡，荷蘭 Phenom-World公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 微觀結構觀察

掃描電鏡：將充分干燥的凝膠樣品(30 g/L PHG)，用離子濺射鍍膜儀噴金鍍膜后，在10kV(高倍鏡下15kV)的加速電壓下，1 000～15 000倍觀察。

激光共聚焦顯微鏡：將凝膠樣品(30 g/L PHG)用熒光增白劑(Calcofluor White M2R，M2R)(水溶，0.1 g/L)染色至少1 h。將染色的樣品放在載玻片上，蓋上蓋玻片后在顯微鏡下觀察。處理過程應避光，防止光漂白。

1.3.2 樣品制備

用蒸餾水配制不同質量濃度(5、10、20、30 g/L)的圓苞車前子殼懸浮液，攪拌均勻使其水合充分，并用NaCl或CaCl2調整溶液中的離子強度(0、0.01、0.02、0.05、0.1 mol/L)。將上述溶液置于85 ℃水浴鍋中加熱攪拌5 min，冷卻后置于4 ℃冰箱中放置過夜，得到PHG。

1.3.3 流變測試

將制備好的樣品放置在流變儀測試平臺上，除平板邊緣多余的樣品，用硅油覆蓋樣品，防止測試時溶劑蒸發。采用平板PP25系統(間距1 mm)進行動態和穩態剪切測量，測試前，平衡3 min。采用流變模型對測試數據點進行回歸擬合，擬合系數r2表示擬合度。隨質量濃度的增加，樣品呈現從稀溶液到濃溶液到凝膠的狀態。10 g/L的PHG呈現流體狀態，更適合用于研究其流動與變形過程。因此，在研究其他加工因素對樣品流變特性的影響時，測試皆在該濃度下進行。

1.3.3.1 質量濃度對PHG流變特性的影響

不同質量濃度的PHG(5、10、20、30 g/100mL)在施加恒定應變0.5%(線性黏彈性區域內)下，進行動態頻率掃描(0.1～10 Hz)，記錄儲能模量和損耗模量隨頻率的變化。采用Power-law模型即公式(1)對數據點進行擬合，來表征儲能模量對頻率的依賴性：

G′=kwn

(1)

式中：G′表示儲能模量，Pa；ω為振蕩頻率，rad/s；k表示稠度系數，Pa·sn；n為流體行為指數。

1.3.3.2 剪切力對PHG流變特性的影響

對10 g/L PHG進行穩態剪切測試。在25 ℃溫度下，剪切速率從5～130 s-1遞增，130 s-1保持一段時間后從130～5 s-1遞減，記錄測試過程中剪切應力及黏度隨剪切速率變化的關系。應力與剪切速率的關系曲線中得到的滯后環面積可體現樣品的觸變性[14]。用黏度曲線及Herschel-Bulkley模型即公式(2)擬合數據點以判斷PHG假塑性：

τ=τ0+kγ

(2)

式中：τ表示剪切應力，Pa；k為稠度系數，Pa·sn；γ表示剪切速率，s-1；n為流體行為指數；τ0是屈服應力，Pa。

1.3.3.3 pH對PHG流變特性的影響

用0.1 mol/L的NaOH或HCl調整溶液的pH值(pH 4.0、7.0、10.0)。在25 ℃溫度下，對不同pH條件下的PHG 10 g/L進行穩態剪切掃描，即測定剪切速率在0.1～100 s-1范圍內樣品的表觀黏度的變化。用Power-law模型即公式(3)擬合數據點，以研究pH對PHG流變特性的影響:

ηa=kγn-1

(3)

式中：ηa為表觀黏度，Pa·s；γ表示剪切速率，s-1；k表示稠度系數，Pa·sn；n為流體行為指數。

1.3.3.4 溫度對PHG流變特性的影響

經過85 ℃熱處理的PHG(10 g/L)，在0.5%應變下，以2 ℃/min的速率在5～85 ℃范圍內進行溫度掃描。對質量濃度10 g/L的，經過熱處理獲得的PHG樣品與未經熱處理的PH溶膠進行穩態剪切掃描(如1.3.3.3操作步驟)，并用公式(3)進行數據擬合，以研究熱處理對PHG流變特性的影響。

1.3.3.5 鹽離子對PHG流變特性的影響

將含有不同鹽(NaCl或CaCl2)濃度的PHG 10 g/L，在施加恒定應變0.5%下，進行動態頻率掃描(0.1～100 rad/s)。研究鹽離子的種類及濃度對PHG流變特性的影響。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 19.0及RheoCompass 1.12進行數據分析，Origin 8.0作圖，每次試驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 PHG的微觀表征

由圖1可知，PHG的微觀結構呈帶褶皺(圖1-a中箭頭所示)的不規則片狀。但GUO等[4]報道PH中堿提取凝膠的微觀結構呈現絲狀網絡結構。推測不溶性膳食纖維的存在改變了多糖凝膠的網絡結構，使其表面變粗糙，出現一些不規則形狀[15]。此外，不溶性膳食纖維含有大量的極性基團，具有吸水性和空間穩定性，可與其他成分通過非共價作用，形成新的網絡[16]。用熒光增白劑對PHG中的β型糖苷鍵染色，在共聚焦顯微鏡下(如圖1-c所示)能更清晰地觀察到凝膠結構。PHG的網絡結構連續性差，凝膠抵抗機械作用力的能力差[3]。片狀結構的堆疊導致了較多的不規則孔洞或腔室，這有利于持水和吸附[16]。

a-PHG電鏡圖(1 000×，20 μm)；b-PHG電鏡圖(15 000×，1 μm)；c-PHG激光共聚焦顯微鏡圖(50 μm)

2.2 PHG的流變表征

在許多食品加工過程中流變特性易受濃度、溫度、鹽、pH、加熱或機械前處理等因素影響[17]，因此研究加工條件對PHG流變特性的影響，對其在食品領域的應用具有重要意義。

2.2.1 質量濃度對PHG流變特性的影響

對PHG進行頻率掃描可獲得儲能模量和損耗模量信息，兩者分別代表材料的彈性和黏性特征[18]。如圖2所示，在振蕩頻率范圍內G′超過G″，且在低頻率區模量幾乎平行。說明PHG以彈性特征為主，可判斷為具有網狀結構的弱凝膠[19]。PHG流變行為更接近固體，一定程度的形變可恢復[20]。這與FARAHNAKY等[21]對PH中凝膠成分流變特性的觀察一致，說明PH中其他成分的存在不會改變其流體特征。隨質量濃度增加，模量對剪切頻率的依賴性降低，說明結構的增強。低質量濃度(5～10 g/L)下，不同濃度質量PHG的G′和G″之間是相近的，說明其凝膠結構相近。用Power-law模型擬合G′對振蕩頻率ω的依賴性，擬合結果見表1。流體行為指數n> 0, 說明PHG是物理凝膠，而非共價凝膠，可判斷為弱凝膠；n值遠離1，說明PHG表現出彈性凝膠的特征，與牛頓流體差異大[22]。且質量濃度越高，擬合度越好。

圖2 不同濃度PHG的模量隨頻率變化的曲線

表1 不同因素下PHG的Power-law模型參數

2.2.2 剪切力對PHG流變特性的影響

具有觸變性的流體，在加工、包裝及運輸過程中受到剪切變形時，經過一段時間可以恢復其流變性質,這是流體的觸變性[21]。觸變性對食品或醫藥制品來說是理想特性。通過滯后實驗(剪切速率先增加后降低)可獲得流動曲線(應力τ-剪切速率γ)和黏度曲線(表觀黏度ηa-剪切速率γ)，具體見圖3。剪切應力隨剪切速率的變化總體先增加后降低的趨勢，且呈現出小的滯后環，表明PHG具有一定的觸變性。由圖3可知，10 g/L PHG滯后面積小，呈現出低觸變性特征。剪切應力隨剪切速率的增加而變化的曲線符合Herschel-Bulkley模型，擬合曲線為τ=1.44+0.14γ0.87(r2=0.997)，流體行為指數0.87< 1，屈服應力1.44> 0，PHG可判斷為假塑性流體[16]。黏度曲線顯示PHG具有黏度隨剪切速率增加而下降的剪切變稀行為。PHG的黏度較PH中的凝膠成分略高[21]，較其他植物多糖(如黃果斛，苦丁茶[23]，皂莢等提取多糖[24])高10～100倍，可用作增稠劑。因此，PHG可判斷為具有低觸變性的假塑性流體(剪切稀化型流體)。這樣的特性可使液體食品易于泵送，并在吞咽時具有較低的稠度。

圖3 PHG(10 g/L)的流動曲線和黏度曲線

2.2.3 pH對PHG流變特性的影響

pH的變化會導致大分子材料的構象和溶液的表觀黏度發生變化[23]。圖4顯示了PHG在不同pH范圍內通過穩態剪切和動態頻率掃描獲得的表觀黏度ηa和復數黏度η*。不同pH條件下，PHG的ηa隨剪切速率增加而下降。將ηa隨剪切頻率的變化用冪律模型擬合[其中k是稠度指數(Pa·sn)，n為流體行為指數]，擬合結果見表1。由k值可知，不同pH范圍內ηa具有以下趨勢：pH 10.0>pH 7.0>pH 4.0。酸性條件可以破壞氫鍵，使多糖鏈斷裂，降低分子質量，導致多糖的ηa降低。堿性條件下導致ηa增加，這與其他研究者報告的堿性條件使植物多糖螺旋鏈解聚形成柔性鏈而導致黏度降低的現象不同[20,25]，推測可能是由于PH中不溶性膳食纖維的存在影響了多糖的分子構象[16]。n值隨pH的增加而降低，說明堿性條件下PHG的剪切稀化現象更明顯[21]。由此可知，將PHG用作食品增稠劑時，適當提高pH可以改善口感。

圖4 不同pH下，PHG(10 g/L)的表觀黏度ηa和復數黏度η*隨剪切速率的變化曲線

Cox-Merz定律(η*=k·ηα|ω=γ)即剪切速率ω與振蕩頻率γ相等時流體的表觀黏度與復數黏度值相等，該定律的應用可在穩態剪切和動態振蕩實驗之間建立相關性。Cox-Merz定律在PHG的應用存在偏差(η*>ηa)這與PHG為弱凝膠，其分子間的相互作用易被破壞有關[25]。此外，還能說明PHG中高密度聚集體及纖維網絡的存在[19]。

2.2.4 溫度對PHG流變特性的影響

動態溫度掃描用于評估溫度變化對PHG黏彈性的影響。如圖5-a所示，在升溫和降溫過程中，PHG(10 g/L)的G′均大于G″，但都隨溫度升高而降低。溫度升高可導致分子熱運動加劇，大分子間的纏結減弱以及氫鍵的斷裂，從而導致PHG黏彈性的降低[17]。評估黏彈性行為的另一個參數是損耗因子(tanδ)，它是G″與G′之比。tanδ<1表示流體主要是彈性行為，表現出固體特征，反之是黏性行為表現出液體特征[18]。如圖5-a所示，在實驗范圍內，PHG表現為固體特征，且G″與G′無交點，說明其熱穩定性好，在5～85 ℃范圍內沒有出現固態到液態的轉變。這與GUO等[4]對PH中凝膠成分的熔點研究結果一致。升溫曲線和降溫曲線之間存在滯后環，說明PHG凝膠中有氫鍵作用，在升溫過程中伴隨著分子內或分子間氫鍵的斷裂[20]。但PH中凝膠成分的溫度掃描過程中無滯后環[4]，說明PH中不溶性膳食纖維等成分的存在降低了凝膠的熱穩定性。

將PH溶膠經熱處理(85 ℃)形成PHG凝膠，研究熱處理對PHG表觀黏度的影響，如圖5-b所示。用Power-law模型擬合數據點，以研究熱處理對流變特性的影響。擬合結果(表1)說明熱處理可以提高PHG的黏度及假塑性。加熱后PHG的增稠作用導致流動性降低。因此在進行生產加工時，可以根據需要使用PH溶膠或者黏度較高的凝膠。

a-G′與G″隨溫度變化曲線；b-(未)經熱處理PHG的黏度曲線

2.2.5 鹽離子對PHG流變特性的影響

低濃度鹽添加可以促進多糖凝膠化[18]，圖6顯示了低離子濃度下(0.01～0.1 mol/L)PHG的G′隨頻率的變化。與未引入鹽離子的PHG相比，鹽的加入能降低G′對頻率的依賴性，增加結構穩定性。推測可能是適量的Ca2+在PHG中發生橋聯作用增加了網絡結構的穩定性[10]，但濃度較低時該作用較弱，會在高頻區被打斷。此外，一價陽離子可能與PHG中的羥基、羧基生成鹽而影響體系的酸堿度，干擾氫鍵及靜電作用[4, 11]。

圖6 離子種類及濃度對PHG(10 g/L)儲能模量G′的影響

3 結論與討論

PHG在微觀表征下，其結構呈帶褶皺的不規則片狀，間隙和孔洞多。流變測試結果表明，PHG為弱凝膠且具有低觸變性、假塑性和較高的黏度。改變加工條件可改變PHG的流變性質：(1)隨著質量濃度的增加，PHG結構增強，稠度指數增加，流體行為指數降低；(2)PHG受到剪切作用而產生的變形在一定時間內可恢復，且黏度隨剪切速率增加而下降；(3)提高pH(4.0～10.0)，PHG的非牛頓性更強。堿性條件下，黏度略微提高，而酸性條件下，黏度降低；(4)熱處理可以提高PHG的黏度及假塑性，在5～85 ℃，PHG具有較好的熱穩定性。升溫和降溫曲線之間存在滯后環，說明PHG中存在氫鍵；(5)Na+或者Ca2+的引入可以增加PHG的結構穩定性。上述結果表明，強吸水性及高膳食纖維含量的PHG，具有低觸變性、高黏性和可調控的流變性質，可以用作功能性可食原料(如增稠劑、黏合劑及膳食補充劑等)。本研究為PHG在食品領域的研發提供了理論基礎，有利于拓寬其實際應用范圍。在未來的研究中，我們會進一步探究PHG流變特性與實際工廠加工的關系，構建流變與生產之間的橋梁，以期為PHG相關產品的開發提供更全面的參考。