涂國云,王正武,歐 涵

1江南大學化學與材料工程學院,無錫 214122;2上海交通大學食品科學與工程系,上海 201101

假酸漿子膠與黃原膠混膠流變性研究

涂國云1＊,王正武1,2,歐 涵1

1江南大學化學與材料工程學院,無錫 214122;2上海交通大學食品科學與工程系,上海 201101

實驗研究了放置溫度、時間、凍融、pH、鹽以及檸檬酸對黃原膠和假酸漿子膠混膠黏度的影響。結果表明:黃原膠和假酸漿子膠有協(xié)效性,當假酸漿子膠與黃原膠的質量比 15∶85時,二者的協(xié)同增效性最高,膠溶液為非牛頓型流體,且變化滿足 Herschel-Bulkley方程。溫度、時間對混膠有一定的影響。進一步對其研究表明:凍融、pH、鹽以及檸檬酸都對其影響較小。

黃原膠;假酸漿子膠;協(xié)效性;黏度;Herschel-Bulkley方程

黃原膠 (Xanthan gum)是由黃單胞菌 (Xanthom onas cam pestris)利用碳水化合物產生的一種胞外多糖,每個單元所存在的糖為 D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸。葡萄糖以β-1,4-鍵連接[1],形成葡萄糖纖維素骨架,間隔的葡萄糖基有一短的支鏈,這條支鏈是 1個葡萄糖醛酸插入到 2個甘露糖單位中組成,所以側鏈組成為β-D-甘露糖-(1,4)-β-D-葡萄糖醛酸-(1,2)-α-D-甘露糖,末端甘露糖部分可以在 4位和 6位連接丙酮酰殘基,分子量高達數(shù)百萬。它具有突出的高粘性和水溶性,獨特的流變學特性,令人滿意的兼容性[2],廣泛應用于食品、石油、印染、紡織等領域[3]。

假酸漿 (N icandra physaloides(L.)Gaertn)俗稱冰粉、水晶涼粉、藍花天仙子等,為茄科假酸漿屬植物。假酸漿為一年生草本植物,植株高 50～100 cm,假酸漿子為假酸漿的種子,種子小而扁,徑約1.5 mm。國內南方各省均有野生分布?，F(xiàn)已有很多地區(qū)栽培[4],最北至大興安嶺地區(qū)。假酸漿以全草、花、果、種子入藥。種子味甘、平,有清熱退火、利尿等功效,治發(fā)燒、風濕性關節(jié)炎、瘡癰等癥[5]。種子外有一層霧狀無毒、無色、無味、可食用的膠質。曾有學者對假酸漿子的膠質部分作過研究[6-8]。在前面的研究論文中,作者利用流變儀對膠質進行了細致深入的流變性研究[9]。

黃原膠和假酸漿子膠都是有廣泛應用前景的添加劑,它們在一定的條件下共混可以得到協(xié)同增效作用。黏度是生物多糖的一個重要性質。大量實驗結果表明,膠體溶液的粘度越大,凝膠性也越好[10]。因此,混合膠溶液的粘度是考察其應用性能的一個重要指標。有關環(huán)境因素對黃原膠和假酸漿子膠的復配膠的影響以及二者的最佳配比的研究尚未見報道。本實驗研究不同環(huán)境條件對不同配比的混膠溶液黏度的影響及二者最佳配比,為拓展功能多糖產品的工業(yè)應用范圍提供一定的數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

黃原膠,山東中軒生物有限公司;假酸漿子膠,實驗室制備。鹽酸 (分析純)、氫氧化鈉 (分析純)、檸檬酸(分析純)、NaCl(分析純)、蒸餾水。

Brook field RVDV-Ⅲ型數(shù)字流變儀 (美國博力飛公司);多頭磁力加熱攪拌器 (常州國華電器有限公司);電子恒溫水浴鍋(蘇州威爾實驗用品有限公司);PHS-3C型精密 pH計 (上海雷磁儀器廠); FA1104電子分析天平(上海民橋精密科學儀器有限公司)。

1.2 方法

1.2.1 共混溶膠的制備方法

稱取適量假酸漿子膠和黃原膠粉末,分別配制質量分數(shù)為 0.3%(w/v,下同)的黃原膠和假酸漿子膠溶液,然后配制假酸漿子膠:黃原膠為 0∶100、10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、70∶30、80∶20、85∶15、90∶10、95∶5、100∶0(單位為 mL)的混合液,用多頭磁力加熱攪拌器使其混勻。

1.2.2 溫度對混膠溶液黏度的影響

將不同配比的混膠溶液在25℃下測其黏度,再將混膠溶液分別在 50、70℃恒溫水浴中加熱 30 min,然后自然冷卻到室溫,用美國 Brook field RVDV-Ⅲ型數(shù)字流變儀,40號轉子在 25℃、60 rpm下測其黏度。為減少誤差,所有樣品平行測量三次。以下測試方法相同。

1.2.3 放置時間對混膠溶液黏度的影響

取假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85、20∶80、90∶10、80∶20(單位為 mL)的混合液分別放置 0、15、30、45、60、90、120 min。使用 Brook field RVDV-Ⅲ型數(shù)字流變儀測試。

1.2.4 凍融對混膠溶液黏度的影響

取假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85(單位為mL)的混合液。將混膠溶液分別在冰箱的冷凍、冷藏室放置 0、24、48 h,然后自然冷卻到室溫進行測試。

1.2.5 pH對混膠溶液黏度的影響

取假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85(單位為mL)的混合液。采用氫氧化鈉或鹽酸將其 pH分別調至 2、3、5、7、9、11、12。用 Brook field RVDV-Ⅲ型數(shù)字流變儀測試。

1.2.6 鹽對混膠溶液黏度的影響

配制假酸漿子膠:黃原膠配比為 15∶85(單位為mL)的混膠溶液,含NaCl分別為0%、0.1%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%。用 Brook field RVDV-Ⅲ型數(shù)字流變儀測試。

1.2.7 檸檬酸對混膠溶液黏度的影響

食品中酸味劑檸檬酸的使用最為廣泛,因此以檸檬酸為酸味劑進行實驗分析。配制含檸檬酸為0%、0.05%、0.20%、0.35%、0.50%、0.80%、1.00%的假酸漿子膠:黃原膠配比 15∶85(單位為mL)的混膠溶液,而后進行測試。

2 結果與分析

2.1 混合膠的復配比例及流動模型

圖 1 不同配比對假酸漿子膠與黃原膠混膠協(xié)效性的影響Fig.1 Effects of proportion on synergy of blending gum of NPG with xanthan gum

圖 1為不同配比的混膠溶液在轉速為 60 rpm時的黏度。由此可見,室溫下混合體系以不同比例混合時,其溶液黏度有較大的變化。假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85時黏度增大較為明顯,尤其假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85的黏度有顯著提高,表明假酸漿子膠與黃原膠之間具有較強的協(xié)同增效性,混合比例不同協(xié)同增效性也不同,其中二者為 15∶85混合時協(xié)同增效性最好,15∶85是復配膠的最佳配比。協(xié)同增效作用最為明顯,這主要可能是由于黃原膠分子的雙螺旋結構易和假酸漿子膠分子發(fā)生嵌合作用(有待進一步研究)。

圖 2 混合膠液的剪切流變曲線Fig.2 Rheological curves ofmixed gum solution

式中,τ為剪切應力 (Pa);τ0為屈服應力 (Pa); K為稠度系數(shù)(Pa.s);n為流動指數(shù)γ為剪切速率。

表 1 25℃時假酸漿子膠/黃原膠為 15∶85(mL)時的流動模型比較Table 1 Comparison of blendingNPG and xanthan gum solution at 15∶85(mL)on common rheological models at 25℃

模型中當流體所受剪切應力超過屈服應力(τ0)時才能流動,而小于τ0時流體具有彈性固體的行為;K為稠度系數(shù),是流體結構的一個量度參數(shù),K值愈大則流體愈黏;n為流體的特性指數(shù),表示流體與牛頓流體偏離的程度。結果表明,四個模型中, Herschel-Bulkley模型能很好表征混合膠的流動特性,相關系數(shù) r2為 0.99931,這說明混合膠液具有一定的屈服應力,當混合膠溶液所受剪切應力超過屈服應力時才能使其流動。

圖 3 加熱溫度對復配膠黏度的影響Fig.3 Effectsof heating temperature on viscosityofmixed gum

2.2 溫度對混膠溶液黏度的影響

如圖 3所示,不同配比的混膠都隨溫度有一定的波動,總體趨勢都是隨加熱溫度的升高而有所下降。溫度不斷升高,無序分子也不斷增多,流變性則變好[11],假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85的波動較小,即性質穩(wěn)定受溫度的影響較小。

2.3 放置時間對混膠溶液黏度的影響

圖 4 放置時間對復配膠粘度的影響Fig.4 Effects of standing time on viscosity ofmixed gum

如圖 4所示,混膠黏度隨放置時間是呈先上升而后下降,最后趨于平穩(wěn)的,假酸漿子膠:黃原膠為15∶85的黏度最高的放置時間為 45 min左右,其余配比黏度最高的放置時間為 30 min左右,在四個配比中假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85隨放置時間變化較小,黏度穩(wěn)定。

2.4 凍融變化對混膠溶液黏度的影響

圖 5 凍融變化對復配膠溶液黏度的影響Fig.5 Effects of freezing-thawing alternation on viscosity ofmixed gum

如圖 5所示,冷凍和冷藏能使假酸漿子膠:黃原膠配比為 15∶85的混膠溶液黏度降低,但冷凍和冷藏對假酸漿子膠:黃原膠配比為 15∶85的混膠溶液影響較小,說明此比例的混膠耐低溫能力較強。

2.5 pH對混膠溶液黏度的影響

如圖 6所示,pH值的改變對膠溶液流變性能具有較大影響。在 pH值約為 3時,溶液的表觀黏度最大可達 40.4cp。當pH值大于 3后,隨著pH值升高,其表觀黏度略有降低,但當 pH值大于 8后,表觀黏度反略有上升,這是由于較高的 pH值下,使得膠體分子帶上正電荷,因而鏈間同種電荷產生靜電排斥,引起鏈的伸展和增長,故其表觀黏度會升高。在強堿條件下引起解聚而導致表觀黏度下降。當 pH小于 3時,膠在酸性條件下水解,故表觀黏度明顯下降。研究中發(fā)現(xiàn)混合膠黏度隨 pH的變化趨勢與假酸漿子膠黏度隨 pH的變化趨勢[9]相同,這說明 pH值對混膠的影響主要是通過對假酸漿子膠的影響而體現(xiàn)。相對而言,低濃度下的混合膠溶液在弱酸性和堿性條件下比較穩(wěn)定。

2.6 鹽對混膠溶液黏度的影響

圖 6 pH對復配膠溶液黏度的影響Fig.6 Effects of pH value on viscosity ofmixed gum

圖 7 NaCl對混膠黏度的影響Fig.7 Effects ofNaCl on viscosity ofmixed gum

如圖 7所示,在測試濃度范圍內混膠黏度隨NaCl濃度升高而降低,以后基本趨于平穩(wěn)。這可能與黃原膠側鏈和主鏈之間通過氫鍵形成的雙螺旋和多重螺旋結構,以及假酸漿子膠的結構變化有關。當增加鹽濃度時,可以減少側鏈間的靜電排斥作用,有利于分子結構穩(wěn)定,形成有序排列螺旋網(wǎng)狀聚合體[12,13]。

2.7 檸檬酸對混膠溶液黏度的影響

如圖 8所示,隨著檸檬酸濃度的增加,起初混膠的黏度有所下降,后變化趨勢比較平緩。對混膠黏度影響較小,說明假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85的對檸檬酸有很強的耐受性,這使得該混膠在食品中有很好的應用前景。

圖 8 檸檬酸對混膠黏度的影響Fig.8 Effects of citric acid on viscosity ofmixed gum

3 結論

黃原膠和假酸漿子膠有一定的協(xié)同效應,且溫度對混膠的影響較小。放置時間對混膠黏度有一定影響,混膠隨放置時間是呈先上升而后下降,最后趨于平穩(wěn)。其中假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85隨放置時間變化最小,黏度穩(wěn)定;假酸漿子膠:黃原膠配比為 15∶85的混膠耐低溫能力較強,冷凍和冷藏對其影響較小;偏酸和偏堿的環(huán)境都能使假酸漿子膠:黃原膠配比為 15∶85的混膠黏度降低;NaCl對混膠有一定影響,混膠黏度隨NaCl濃度升高而降低,以后基本趨于平穩(wěn);假酸漿子膠:黃原膠為 15∶85的混膠對檸檬酸有一定的耐受性,檸檬酸濃度的變化對其黏度影響較小。

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Study on Rheological Properties ofM ixed Xanthan Gum and Gum in Seed ofN icandra physaloides(L.)Gaertn

TU Guo-yun1＊,WANG Zheng-wu1,2,OU Han11School of Chem ical and M aterial Engineering,Jiangnan University,W uxi 214122,China;2Departm ent of Food Science and Technology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 201101,China

Rheological properties of gum in seed ofN icandra physaloides(L.)Gaertn(NPG)-xanthan system and effects of temperature,time,freezing-thawing alternation,pH,NaCl and citric acid on it were investigated in this research.The results showed that the synergistic interaction was differentwith different proportions of the two gums.When the mass ratio ofNPG to xanthan gum was 15∶85(mL),the synergistic interaction was the strongest.The mixed system belonged to non-new-tonian fluid,following the Herschel-Bulkley equation.Temperature and time had effectonNPG-xanthan gum systems.The further research indicated that freezing-thawing alternation,pH,NaCl and citric acid had little effect on the mixed gum.

xanthan gum;N icandra physaloides(L.)Gaertn seed gum;synergistic effect;viscosity;Herschel-Bulkley equation

1001-6880(2010)02-0285-05

2008-05-29 接受日期:2008-09-23

國家自然科學基金項目(20676051)

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Q946.91;R284.1;TS202.3

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