顧曉俊，陳曉楠，金邦荃,*，劉春泉

（1.南京師范大學(xué)金陵女子學(xué)院，江蘇 南京 210097；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014）

獼猴桃果膠的黏度特性與流變性分析

顧曉俊1，陳曉楠1，金邦荃1,*，劉春泉2

（1.南京師范大學(xué)金陵女子學(xué)院，江蘇 南京 210097；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，江蘇 南京 210014）

采用冷凍干燥和熱風(fēng)干燥方法制備出獼猴桃果膠（kiwifruit pectin，KP），得到KP1和KP2兩種成分，二者的pH值分別為3.16和3.39，主要含有半乳糖醛酸。以羧甲基纖維素鈉( carboxy methyl cellulose-Na，CMC-Na）為參照系，采用MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀研究4因素（pH值、質(zhì)量濃度、溫度和剪切速率）對(duì)KP溶液流變性的影響。結(jié)果表明，KP1和KP2溶液黏度較低，在1.0 mPa·s上下，溶液pH值和質(zhì)量濃度對(duì)其影響有限。研究KP1和KP2溶液黏度與溫度倒數(shù)1/T間的對(duì)數(shù)關(guān)系并觀測(cè)到，10～30 ℃區(qū)間內(nèi)其黏度隨溫度升高而下降，與CMC-Na溶液黏度變化相似。但40～50 ℃時(shí)其溶液黏度和流動(dòng)性不完全遵循Arrhenius方程，究其原因，KP1和KP2活化能Ea分別為10.075 kJ/mol和4.510 kJ/mol，它們對(duì)溫度的敏感性低，而導(dǎo)致其黏度和流動(dòng)性發(fā)生改變。冪律方程對(duì)KP1和KP2溶液黏度和剪切速率的關(guān)系擬合，二者流動(dòng)指數(shù)n均小于1，符合冪律定律對(duì)非牛頓流體特征的解釋。因此，KP1和KP2溶液具有較典型的剪切稀化現(xiàn)象和流變性，可歸屬于非牛頓流體。但KP是一種低黏度果膠，故Arrhenius方程不能有效詮釋KP溶液黏度與溫度變化的規(guī)律。

黏度；剪切稀化；流變性；冪律定律；獼猴桃果膠

中國(guó)是獼猴桃（Actinidia）的故鄉(xiāng)，也是世界四大生產(chǎn)國(guó)之一[1-2]。它含有豐富的VC和膳食纖維，有利于健康[3-4]。隨著中國(guó)食品加工業(yè)的興起，大量獼猴桃皮渣廢棄[3,5]。研究業(yè)已表明，可從獼猴桃皮渣中分離得到約10%可溶性膳食纖維-果膠（soluble dietary fiberpectin，SDF-P），其中含有50.0%左右的D-半乳糖醛酸（D-galacturonic acid，D-GA）[6-7]，具有明顯的生物學(xué)功能[3-4,8]。274～524 kD分子質(zhì)量的獼猴桃果膠（kiwifruit pectin，KP）主要以α-1,4-糖苷鍵形成D-GA的碳骨架，以β-糖苷鍵連接木糖和葡萄糖等，屬于雜多糖類(lèi)[9]。它在消化道內(nèi)能吸附剩余營(yíng)養(yǎng)物和能量，通過(guò)降糖、降脂、減肥和增進(jìn)腸蠕動(dòng)等改善機(jī)體健康，從而引起廣泛關(guān)注[10-14]。

研究認(rèn)為，大分子膠體的流變性與真溶液完全不同，不服從牛頓定律[15]，但可借助于冪律方程（η=K×n-1）[16-17]和Arrhenius方程（η=AeEa/RT，或lnη=Ea/ RT＋lnA）[18-20]建立物理模型，探究植物果膠的流變性。冪律方程建立了流體的黏度與剪切速率的函數(shù)關(guān)系（流變性）[16-18]，Arrhenius方程主要解釋速率常數(shù)與溫度之間的關(guān)系[19-20]，通過(guò)解讀這類(lèi)大分子膠體的流變性以促進(jìn)其在食品加工中的應(yīng)用[15,17]。為此，本實(shí)驗(yàn)試圖從流體力學(xué)的角度，深入解析KP的黏度及流變性，為其功能開(kāi)發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

獼猴桃果膠：分別采用冷凍干燥和熱風(fēng)干燥方法制成2種獼猴桃果膠（kiwifruit pectin，KP）KP1和KP2為研究對(duì)象，并以羧甲基纖維素鈉（carboxy methyl cellulose-Na，CMC-Na）為參照。

D-GA（生物純） 上海安譜科學(xué)儀器有限公司；咔唑（化學(xué)純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；濃硫酸、無(wú)水乙醇（均為分析純） 上海化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀 奧地利安東帕公司；UV-6100A紫外分光光度計(jì) 上海元析儀器有限公司；722可見(jiàn)分光光度計(jì) 上海棱光技術(shù)有限公司；PHS-3C pH計(jì)上海三信儀表廠。

1.3 方法

1.3.1 D-GA含量的測(cè)定

D-GA標(biāo)準(zhǔn)曲線：配制質(zhì)量濃度梯度0.00、10.00、20.00、30.00、40.00、50.00、60.00 μg/mL的D-GA溶液，采用咔唑-硫酸法于525 nm波長(zhǎng)處檢測(cè)D-GA含量（μg/mL）[6-7,21]。以D-GA質(zhì)量濃度（X）為橫坐標(biāo)，吸光度（Y）為縱坐標(biāo)建立標(biāo)準(zhǔn)曲線，Y=0.009X＋0.009 5（R2=0.996 9，P＜0.01），在0.00～60.00 μg/mL范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

稱(chēng)取0.1 g KP，溶于20 mL 0.5 moL H2SO4并稀釋至50 mL，75 ℃水浴15 min，冷卻后100 mL定容，從其中吸取40 mL再定容至100 mL，準(zhǔn)確吸取1 mL溶液采用咔唑-硫酸法[6]檢測(cè)2 種KP溶液OD值，并采用公式（1）計(jì)算出其D-GA含量。

式中：C為從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得的D-GA質(zhì)量濃度/（μg/mL）；m為稱(chēng)取樣品質(zhì)量/g；25為稀釋倍數(shù)。

1.3.2 KP黏度與流變性的測(cè)定

以CMC-Na為參照物，選擇影響KP黏度的4 個(gè)主要因素，即pH值、KP質(zhì)量濃度、溫度和剪切速率，采用單因素方差分析法（One-way ANOVA）設(shè)計(jì)，研究KP溶液的黏度與流變性，見(jiàn)表1。研究pH值對(duì)KP黏度的影響時(shí)，以0.3 g/100 mL CMC-Na、KP1和KP2溶液為對(duì)象；探究KP質(zhì)量濃度對(duì)KP黏度的影響時(shí)，條件為pH 3、溫度30 ℃和剪切速率128 s－1；研究溫度對(duì)KP1和KP2溶液的黏度影響時(shí)，以Arrhenius方程中溶液黏度的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，以溫度倒數(shù)1/T為橫坐標(biāo)，建立對(duì)數(shù)關(guān)系式（lnη=Ea/ RT＋lnA），并進(jìn)行分析。

表1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table1 One-way ANOVA design

KP高分子溶液流體行為與溫度的關(guān)系用Arrhenius方程表示，見(jiàn)公式（2）[18-19]，該式反映了溶液黏度隨溫度改變的對(duì)數(shù)關(guān)系。

式中：η為黏度/（mPa·s）；A為頻率因子（常數(shù)）；Ea為活化能/（kJ/mol）；R為摩爾系數(shù)，8.31 J/（mol·K）；T為絕對(duì)溫度/K。

冪律方程建立KP溶液黏度與剪切速率的函數(shù)關(guān)系式，見(jiàn)公式（3）[16-17]：

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 KP的純度、D-GA含量與pH值

2.1.1 純度

采用紫外光譜全程掃描KP，其主要成分均在200 nm波長(zhǎng)處呈現(xiàn)果膠多糖的特征峰，而250～600 nm區(qū)間未出現(xiàn)核酸、蛋白或肽類(lèi)物質(zhì)特征峰。表明本實(shí)驗(yàn)用KP為高純度精制果膠多糖，無(wú)核酸、蛋白/肽類(lèi)等雜質(zhì)（圖1）。

圖1 獼猴桃果膠紫外光譜Fig.1 UV absorption spectra of kiwifruit pectin

2.1.2 D-GA含量

經(jīng)D-GA標(biāo)準(zhǔn)曲線比對(duì)和公式（1）分別計(jì)算出冷凍干燥和熱風(fēng)干燥的KP1和KP2的D-GA含量。結(jié)果表明，不同干燥方式對(duì)KP含量的影響較大。凍干KP1中D-GA含量為（48.6±0.78）%，而熱干KP2中D-GA含量為（33.05±0.59）%，KP1的D-GA含量明顯高于KP2（P＜0.01，圖2）。根據(jù)物體水分蒸發(fā)特點(diǎn)的推測(cè)，冷凍干燥使KP1物料冰點(diǎn)下降，更有利于水分子的揮發(fā)和蒸騰；而熱風(fēng)干燥過(guò)程中，KP2水分熱干燥脫水效果較冷凍干燥差，從而導(dǎo)致2種KP中D-GA含量存在15.6%差異。

圖2 獼猴桃果膠含量Fig.2 Pectin contents of KP1 and KP2

2.1.3 pH值

將KP1和KP2按質(zhì)量與體積1∶40的比例分別溶于重蒸水（ddH2O），完全溶解后，室溫條件下PHS-3C pH計(jì)檢測(cè)其pH值。結(jié)果示KP1和KP2的pH值分別是3.16±0.015和3.39±0.015，均屬弱酸性大分子碳水化合物，其酸性主要來(lái)自KP中的D-GA和果膠酸。

2.2 KP黏度與流變性

2.2.1 pH值對(duì)KP黏度的影響

圖3 pH值對(duì)CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影響Fig.3 Effect of pH on viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

0.3 g/100 mL CMC-Na溶液的黏度變化見(jiàn)圖3A，在pH 2.0～5.0間，其黏度從1.8 mPa·s緩慢增加到6.0 mPa·s；當(dāng)pH 6.0時(shí)，CMC-Na溶液黏度陡然上升到16.0 mPa·s，較初始黏度極顯著增加了8.9 倍。pH 2.0～5.0范圍內(nèi)CMC-Na黏度較低，具有較好的流動(dòng)性；而當(dāng)pH值達(dá)到6.0時(shí)，CMC-Na黏度極大增加并明顯影響其流動(dòng)性。

在相同的工作條件下，觀測(cè)0.3 g/100 mL KP1和KP2溶液黏度與pH值的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)KP1和KP2溶液黏度隨pH值的變化不明顯，徘徊在1.0 mPa·s上下，且均顯著低于0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度（P＜0.05，P＜0.01）。pH 3.0時(shí)，KP1黏度略有降低，而KP2黏度略有增加，推測(cè)pH 3.0可能是KP1的適宜pH值（圖3B）[15,27]。

2.2.2 溶液質(zhì)量濃度對(duì)KP黏度的影響

由圖4可知，當(dāng)質(zhì)量濃度為0.1 g/100 mL時(shí)，CMC-Na黏度為9.2 mPa·s，KP1和KP2黏度分別為0.84 mPa·s和0.87 mPa·s；前者黏度明顯大于后二者，幾乎相差10 倍（P＜0.01）。表明同樣條件下，KP溶液黏度明顯較CMC-Na小，而且可能更容易流動(dòng)。

圖4 質(zhì)量濃度對(duì)CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影響Fig.4 Concentration-dependent viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

同時(shí)觀察到，隨著CMC-Na和KP溶液質(zhì)量濃度的增加，其黏度也不斷增加。0.2～0.5 g/100 mL CMC-Na黏度從14.0 mPa·s上升到42.0 mPa·s，每增加0.1 g/100 mL，其黏度增加近8.0～12.0 mPa·s。KP1和KP2溶液黏度隨質(zhì)量濃度增大的上升幅度較小，0.1～0.5 g/100 mL質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，它們的黏度僅增加0.03～0.34 mPa·s；表明在一定范圍內(nèi)，KP溶液質(zhì)量濃度變化對(duì)其黏度的影響較小。由此推測(cè)，KP質(zhì)量濃度對(duì)其流動(dòng)性影響不明顯。

2.2.3 溫度對(duì)KP黏度的影響

圖5 溫度對(duì)CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影響Fig.5 Effect of temperature on viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

由圖5A可知，0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度與溫度上升呈反對(duì)數(shù)關(guān)系。隨著溫度升高，0.3 g/100 mL CMCNa溶液黏度從37.97 mPa·s逐漸下降至17.73 mPa·s，即CMC-Na溶液黏度隨著溫度升高而顯著下降，從而可伴隨著流動(dòng)性提高，它黏度與溫度間的規(guī)律符合Arrhenius方程（R2=0.99，P＜0.01）。

10～30 ℃時(shí)，0.3 g/100 mL KP1和KP2溶液黏度隨著溫度升高而有所下降，從1.50 mPa·s下降至0.80～1.00 mPa·s，該溫度范圍內(nèi)KP溶液黏度和流動(dòng)性與0.3 g/100 mL CMC-Na相似，基本遵循Arrhenius方程規(guī)律。但當(dāng)測(cè)試溫度上升到40～50 ℃時(shí)，0.3 g/100 mL KP溶液的黏度曲線趨于平緩，KP1黏度約為0.90 mPa·s，KP2黏度約為1.10 mPa·s，則較難以用Arrhenius方程加以解釋?zhuān)?0.76，PKP1＜0.01；=0.33）。因此，溫度對(duì)0.3 g/100 mL KP溶液黏度的影響與0.3 g/100 mL CMC-Na不盡相同，而且40～50 ℃時(shí)0.3 g/100 mL KP溶液黏度比0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度明顯低1 個(gè)數(shù)量級(jí)（表2）。

表2 CMC-Na、KP1和KP2溶液的Arrhenius方程和參數(shù)Table2 Arrhenius equations and parameters of CMC-Na, KP1 and KP2

分別對(duì)CMC-Na、KP1和KP2溶液黏度和溫度關(guān)系進(jìn)行Arrhenius方程擬合，建立黏度對(duì)數(shù)lnη與1/T的關(guān)系式，從而得出3 種溶液的活化能Ea及頻率因子A。CMC-Na、KP1和KP2溶液流動(dòng)的Ea依次為14.57、10.075 kJ/mol和4.510 kJ/mol，CMC-Na溶液流動(dòng)所需的Ea明顯大于KP1和KP2，意味著CMC-Na溶液流動(dòng)過(guò)程中從原位置躍遷至附近“空穴”需要克服的活化能大，且黏度大而流動(dòng)不易；而同質(zhì)量濃度KP溶液流動(dòng)時(shí)需要的Ea小很多，尤其是KP2，表明KP溶液流動(dòng)性較CMC-Na溶液大。比較三者的黏性，依次為CMC-Na＞KP1＞KP2；由于Ea代表高分子溶液黏度變化的溫度敏感性，因此3 種溶液黏度對(duì)溫度的敏感性也依次為CMC-Na＞KP1＞KP2（圖5，表2）。理論上，熱敏感性越強(qiáng)的溶液，其膠體溶液溫度越高，內(nèi)部分子熱運(yùn)動(dòng)越快，分子間相互作用力越?。桓邷貢?huì)導(dǎo)致黏度下降，溶液流動(dòng)性快速增加并遵循Arrhenius方程的規(guī)律[15,27,29-31]。而KP2的Ea僅為4.510 kJ/mol，加熱時(shí)其內(nèi)部分子間作用力的改變不完全遵循Arrhenius方程。

2.2.4 剪切速率與KP流變性

以CMC-Na為參照，研究KP1和KP2溶液的剪切稀化現(xiàn)象（流變性）。由圖6可知，0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度隨剪切速率倍增而呈曲線下降，冪律指數(shù)n為0.881（n＜1），ηCMC-Na=75.346×，剪切速率與其黏度互呈對(duì)數(shù)關(guān)系，屬于典型的假塑性非牛頓流體[25-26]。

圖6 剪切速率對(duì)CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影響Fig.6 Effect of shear rate on viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

在8 s－1和16 s－1低剪切速率下，KP1和KP2溶液黏度呈較典型的剪切稀化現(xiàn)象；在32、64～128 s－1高剪切速率時(shí)，它們黏度曲線下降平緩。因此，KP溶液的剪切稀化現(xiàn)象與CMC-Na溶液不盡相同（表3）。

表3 CMC-Na、KP1和KP2的牛頓冪律方程和參數(shù)Table3 Power Law equations and parameters of CMC-Na, KP1 and KP2

對(duì)KP1和KP2溶液流體曲線進(jìn)行冪律方程擬合，分別得到它們的質(zhì)量濃度系數(shù)K和流動(dòng)指數(shù)n。KP1和KP2的n分別為0.690和0.843，二者n均小于1（n＜1）。根據(jù)流動(dòng)指數(shù)n初步判斷，KP1和KP2可歸屬于假塑性非牛頓流體（圖6，表3）。文獻(xiàn)[32]指出，假塑性流體流動(dòng)初始階段，因剪切速率較低，而表現(xiàn)出較大的黏度；但隨著剪切速率的不斷增加，曲線斜率逐漸減小，溶液黏度曲線的下降趨勢(shì)趨緩，這就是冪律方程的基本規(guī)律[2,4,15-16]。由圖6所示，KP1和KP2溶液的流體延展性基本符合假塑性非牛頓流體特征。當(dāng)膠體溶液遵循非牛頓流體力學(xué)特征時(shí)，大分子懸浮溶液流動(dòng)時(shí)不但具有延展性，而且通過(guò)分子間相互作用力和內(nèi)部摩擦力而減緩流速，還可增加膠體溶液（如KP）對(duì)其他物質(zhì)的吸附性[4,15-16,28,31]。

3 結(jié) 論

對(duì)KP溶液黏度特性與流變性的研究表明，pH值變化對(duì)KP1和KP2溶液的黏度影響較?。坏獽P1和KP2溶液的黏度隨質(zhì)量濃度上升而增加，而且KP溶液黏度均顯著低于CMC-Na溶液。根據(jù)Arrhenius方程研究KP1和KP2溶液黏度和溫度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)10～30 ℃區(qū)間，KP1和KP2溶液黏度對(duì)數(shù)與溫度倒數(shù)1/T的關(guān)系基本遵循Arrhenius方程規(guī)律；但溫度進(jìn)一步升高時(shí)，KP1和KP2溶液黏度和流動(dòng)性發(fā)生改變；它們流動(dòng)所需的活化能較小，對(duì)溫度的敏感性也較低，尤其是KP2溶液，不能完全用Arrhenius方程加以解釋。采用冪律方程擬合KP1和KP2溶液黏度和剪切速率的關(guān)系，盡管它們的質(zhì)量濃度系數(shù)K小，但它們的流動(dòng)指數(shù)n均小于1，符合冪律方程對(duì)非牛頓流體特征的解釋?？偠灾?，獼猴桃果膠溶液KP1和KP2具有膠體的剪切稀化現(xiàn)象和延展性，基本歸屬于非牛頓流體。但其溶液活化能Ea小且黏度低，KP的流變性不完全符合Arrhenius方程。

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Viscosity and Rheological Properties of Kiwifruit (Actinidia deliciosa) Pectin

GU Xiaojun1, CHEN Xiaonan1, JIN Bangquan1,*, LIU Chunquan2
(1. Ginling College, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China; 2. Institute of Agricultural Products Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Kiwifruit pectin (KP), named as KP1 and KP2, were prepared by hot-air drying and freeze drying, respectively, the pH of which were 3.16 and 3.39 and both of which contained mainly D-galacturonic acid (D-GA). Using carboxy methyl cellulose-Na (CMC-Na) as control, the effects of four factors including pH, pectin concentration, temperature and shear rate on rheological properties of KP solution were explored by MCR301 rotary rheometer. The results showed the viscosity of both KP1 and KP2 solutions was low, approximately 1.0 mPa·s, and it was little impacted by pH and KP concentration. The observed logarithmic relationship between pectin viscosity (lnη) and reciprocal temperature (1/T) indicated that the viscosity of both pectin solutions went down with the increase in temperature in the range of 10-30 ℃, similar to CMC-Na. However, the viscosity and fl uidity of KP1 and KP2 solutions failed to completely follow the Arrhenius equation in the range of 40-50 ℃, which may be due to the lower activation energy (Ea) of 10.075 kJ/mol for KP1 and 4.510 kJ/mol for KP2, and consequently lower temperature sensitivity. The relationship between viscosity and shear rate for the pectin solutions was fi tted with a power law equation. Both fl ow indexes n were less than 1. The non-Newtonian fl uid properties of KP1 and KP2 could be explained by the Power Law equation. Therefore, both of them exhibited a typical shear thinning phenomenon and ductility, which can be attributed to non-Newtonian fl uid. But KP was a low viscosity pectin, so the Arrhenius equation could not effectively explain the relationship of its viscosity and temperature.

viscosity; shear thinning; rheology; power law; kiwifruit pectin

10.7506/spkx1002-6630-201703021

TS201.7

A

1002-6630（2017）03-0125-06

顧曉俊, 陳曉楠, 金邦荃, 等. 獼猴桃果膠的黏度特性與流變性分析[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(3)： 125-130. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201703021. http：//www.spkx.net.cn

GU Xiaojun, CHEN Xiaonan, JIN Bangquan, et al. Viscosity and rheological properties of kiwifruit (Actinidia deliciosa) pectin[J]. Food Science, 2017, 38(3)： 125-130. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201703021.http：//www.spkx.net.cn

2016-06-24

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201503142-5）；2011江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（CX（11）2067-1）

顧曉?。?990—），女，碩士，研究方向?yàn)楣δ苁称贰-mail：983731671@qq.com

*通信作者：金邦荃（1956—），女，教授，博士，研究方向?yàn)槭称房茖W(xué)。E-mail：jinbangquan@njnu.edu.cn