郭 杰,郭 肖,張朝陽,王鋮博,慕星星,張 繼,* (1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 3.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730070; .中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅蘭州 730050)

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刺槐豆膠/瓜爾豆膠復(fù)合體系的流變學(xué)性質(zhì)研究

郭 杰1,2,3,郭 肖4,張朝陽1,2,3,王鋮博1,2,3,慕星星1,2,3,張 繼1,2,3,*
(1.蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 2.西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州 730070; 3.甘肅省特色植物有效成分制品工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730070; 4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅蘭州 730050)

研究刺槐豆膠(LBG)/瓜爾豆膠(GG)復(fù)合體系的流變學(xué)性質(zhì),并采用流變學(xué)的模型進(jìn)行擬合分析。實(shí)驗(yàn)表明:BG/GG復(fù)合體系為非牛頓流體,流動曲線服從Carreau模型,隨著LBG比例的增大,其粘度越小,非牛頓性越不明顯,觸變性越低。LBG與GG復(fù)配對粘度的影響可產(chǎn)生協(xié)同作用,LBG/GG=1∶9時,復(fù)合體系粘度最大。在頻率掃描范圍內(nèi),LBG/GG復(fù)合體系同時具有粘性和彈性,隨不同的角頻率處理展現(xiàn)不同的動態(tài)粘彈性行為,LBG/GG=1∶9時,復(fù)合體系的動彈粘彈性最大。

刺槐豆膠,瓜爾豆膠,流動性,觸變性,動態(tài)黏彈性,協(xié)同作用

刺槐豆膠(LBG)和瓜爾豆膠(GG)均是非離子、具分支的鏈型天然非凝膠多糖,主要成分是半乳甘露聚糖[1-3]。LBG是從刺槐樹種子胚乳中提取的一種植物多糖膠,β-D-(1→4)糖苷鍵連接的D-甘露糖為主鏈,在某些D-甘露糖基的1→6位上連接一個α-D-吡喃半乳糖的多糖[4-5],且半乳糖與甘露糖的比例為1∶4[6]。GG一種來源于印度豆類植物中的可溶性纖維物質(zhì),主鏈為(1→4)-β-D-甘露糖單位,側(cè)鏈則由單個的α-D-半乳糖以(1→6)鍵與主鍵相連接[7-8],主鏈上平均每兩個甘露糖單位中有一個半乳糖單位在C-6位與之相聯(lián),甘露糖對半乳糖之比為1.8∶1(約為2∶1)[9]。

Perez[10]等研究發(fā)現(xiàn):LBG與κ-卡拉膠(4∶6)復(fù)合體系有明顯的協(xié)同效應(yīng),熱示差掃描結(jié)果顯示LBG與κ-卡拉膠有強(qiáng)的相互作用,LBG和κ-卡拉膠的復(fù)合體系利于魚肉中蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的凝膠。Y Chen[11]等人的研究結(jié)果與Perez等人的相一致。莊沛銳[12]研究表明適宜比例的LBG與卡拉膠的復(fù)配膠對豬肉糜品質(zhì)起到了一定的改善作用。Ramirez[13]研究發(fā)現(xiàn)LBG/黃原膠(XTG)按1∶3混合形成1%的復(fù)配體系可以增加凝膠的抗剪切能力,減弱剪切變稀行為,并且也增強(qiáng)了凝膠的形成能力。郭守軍[14]也表明LBG與XTG具有協(xié)同作用。肖于棟[15]分析了不同配比LBG/海藻酸鈉(SA)復(fù)合體系的流動性和動態(tài)粘彈性。結(jié)果表明:復(fù)合體系是假塑性流體,在響應(yīng)外界應(yīng)變刺激的過程中,刺槐豆膠主要起的能量儲存作用,相應(yīng)的損耗能量主要是海藻酸鈉溶液的流動造成的。MM Alves[16]研究了明膠-刺槐豆膠的相位平衡和機(jī)械性能,結(jié)果表明LBG和明膠有協(xié)同作用。朱慧[17]研究表明總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、比例為5∶5的XTG/GG溶液時協(xié)同作用最大,復(fù)合體系的黏度最大。王元蘭[18]的研究結(jié)果與朱慧等人的一致。張雅媛[19]的研究發(fā)現(xiàn):GG與直鏈淀粉間的相互作用可引起淀粉成糊溫度的降低。其中,玉米淀粉與GG復(fù)配體系表現(xiàn)出更高的協(xié)同增稠性,加入膠體后,玉米淀粉體系的流體指數(shù)降低,滯后環(huán)面積增大,蠟質(zhì)玉米淀粉體系流體指數(shù)未呈現(xiàn)顯著變化,滯后環(huán)面積減少。復(fù)配體系整體黏性比例增加,結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定,表現(xiàn)出更優(yōu)越的黏彈性。吳紹艷[20]研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)總糖濃度為1%,魔芋膠與GG的共混比例為60∶40,制備溫度為80 ℃,體系鹽離子(Ca2+)濃度為0.1 mol/L時可得到協(xié)同相互作用的最大值。

LBG和GG能在特殊環(huán)境下或與其他親水膠體相互作用下產(chǎn)生凝膠,可作為凝膠劑或其它添加劑應(yīng)用于食品、石油、紡織、造紙等領(lǐng)域[21-24]。因此,研究食品膠體之間的協(xié)同作用在食品等領(lǐng)域中具有重要的意義。但當(dāng)前對LBG和GG復(fù)合體系流變學(xué)性質(zhì)的研究較少。本文通過MCR301流變儀對LBG/GG復(fù)合體系的靜態(tài)流變學(xué)和動態(tài)流變學(xué)進(jìn)行研究,考察復(fù)配比例對其流變性、觸變性和動態(tài)粘彈性的影響,為LBG/GG復(fù)合體系在食品等領(lǐng)域上的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

刺槐豆膠(食品級) 甘肅弘諾科技貿(mào)易有限公司產(chǎn)品;瓜爾豆膠(食品級) 西安駿馬生物科技有限公司。

MCR301流變儀 奧地利安東帕;CC27 內(nèi)徑為27 mm的同心圓筒轉(zhuǎn)子;PP50 直徑為50 mm的平板轉(zhuǎn)子;JRA-6數(shù)顯磁力攪拌水浴鍋 金壇市杰瑞爾電器有限公司;電子天平 沈陽龍騰電子產(chǎn)品有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 LBG/GG復(fù)合體系的制備 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的復(fù)合膠溶液100 mL,LBG與GG的質(zhì)量比分別為10∶0、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8、1∶9、0∶10,25 ℃ 130 rad/min持續(xù)攪拌至膠體充分分散溶解,配制成不同比例的LBG/GG復(fù)合體系,靜置過夜備用。

式(1)

式(2)

1.2.4 動態(tài)粘彈性測定 采用MCR301流變儀的同心圓筒CC27(內(nèi)徑=27 mm)系統(tǒng),測量溫度為30 ℃,應(yīng)變范圍為0.01%～100%,角頻率為10 rad/s,等待3 min后進(jìn)行應(yīng)變掃描測試,得復(fù)合體系的線型粘彈性范圍0.478%,而MCR301流變儀自帶的分析軟件建議測定動態(tài)粘彈性的應(yīng)變?yōu)?.1%。角頻率變化范圍為500～0.05 rad/s,即角頻率以0.63倍的梯度由500 rad/s減少至0.05 rad/s。測量溫度為30 ℃,采用振蕩模式描述不同比例的LBG/GG 復(fù)合體系的動態(tài)粘彈性[29-31]。

2 結(jié)果與討論

2.1 流動性分析

表1 不同LBG/GG復(fù)合體系的Cross模型擬合參數(shù)Table 1 Cross model parameters of LBG/GG complex system with different proportions

表2 不同LBG/GG復(fù)合體系的Carreau模型擬合參數(shù)Table 2 Carreau model parameters of LBG/GG complex system with different proportions

圖1 不同比例LBG/GG復(fù)配體系的穩(wěn)態(tài)-剪切流動曲線及模型擬合曲線Fig.1 Flow curves and fitting curves of LBG/GG complex system with different proportions

圖2 同一剪切速率下不同比例LBG/GG復(fù)配體系的縱向比較圖Fig.2 Vertical chart of LBG/GG complex system with different proportions at the same shear rate

從圖1中可以看出:實(shí)驗(yàn)中所有的LBG/GG復(fù)配體系均屬于非牛頓流體,其表觀粘度隨剪切速率的增大而降低,表現(xiàn)出剪切稀化的非牛頓流體特征,這結(jié)果與LBG/XTG、LBG/SA、XTG/GG等復(fù)合體系的流動特性相一致[13-15,17,32]。從圖2中可以看出:除LBG/GG=1∶9復(fù)合體系外,同一剪切速率下復(fù)合體系的表觀粘度隨著LBG所占比例的增加而降低,降低幅度亦隨LBG所占比例的增加而減小,表明剪切稀化現(xiàn)象隨LBG所占比例的增加而越不明顯。從圖2中可以看出:當(dāng)LBG/GG=1∶9時,復(fù)合體系的粘度比LBG/GG=10∶0和LBG/GG=2∶8的粘度都高。當(dāng)剪切速率為1 s-1時,LBG/GG=1∶9的粘度達(dá)到0.793 Pa/s,比LBG/GG=10∶0的0.691 Pa/s和LBG/GG=2∶8的0.552 Pa/s均大,其粘度產(chǎn)生了“1+1>2”的效應(yīng),即產(chǎn)生復(fù)配增稠效應(yīng)。因此,從以上分析可知,在相同的混合體系濃度,相同的實(shí)驗(yàn)剪切速率下,對于LBG/GG體系,當(dāng)混合比例為1∶9時,其體系的表觀粘度最大。對比表1和表2可以得出,LBG/GG復(fù)合體系的流動行為與Carreau模型擬合度比與Cross模型的較高,表現(xiàn)在除LBG/GG=0∶10和LBG/GG=6∶4外,Carreau模型擬合的R2>0.99,且標(biāo)準(zhǔn)差SD較小。p指示表觀粘度對剪切速率的依賴程度,反應(yīng)材料的非牛頓性的強(qiáng)弱,當(dāng)p=0時,材料為牛頓流體,隨著剪切速率的增加,η值趨向于某一固定值[25]。由表2可知,除LBG/GG=1∶9復(fù)合體系外,隨著LBG所占比例的增加復(fù)合體系的p值不斷減小,說明LBG/GG復(fù)合體系的粘度隨LBG所占比例的增加而減小。對剪切速率的依賴程度,其非牛頓性也隨LBG所占比例的增大而降低,但是當(dāng)剪切速率足夠大時,復(fù)配體系就會由非牛頓流體變?yōu)榕ｎD流體,η值趨向恒定。c是指破壞其結(jié)構(gòu)的時間常數(shù)[33],c值越大,破壞結(jié)構(gòu)所需的剪切速率就越小。除LBG/GG=1∶9復(fù)合體系外,隨著LBG所占比例的增加而復(fù)合體系的c不斷減小,破環(huán)結(jié)構(gòu)所需的剪切速率不斷增加,說明隨著LBG所占比例的增加,復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,破壞這種結(jié)構(gòu)需要的時間減少。當(dāng)LBG/GG=1∶9時,復(fù)合體系的η0為1.5715 Pa·s,c為56.9126 s,p為0.3236，均為擬合參數(shù)中的最大值,進(jìn)一步說明比例為1∶9的LBG/GG復(fù)配體系的表觀粘度最大。

圖3 不同比例LBG/GG 復(fù)配體系的觸變掃面圖(a)及其滯后環(huán)面積(b)Fig.3 Thixotropic test(a)and areas(b)of Hysteresis loops for LBG/GG complex systerm

2.2 觸變性分析

圖3(a)是上行剪切速率(0.01 s-1增加至100 s-1)和下行剪切速率(100 s-1降低至0.01 s-1)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力曲線所組成的滯后環(huán),不同比例LBG/GG復(fù)合體系的通過MCR301流變儀自帶軟件分析得滯后環(huán)面積如圖3(b)所示,當(dāng)LBG在復(fù)配體系中占優(yōu)勢(比例大于60%)時,其滯后環(huán)面積為負(fù)值,并隨所占比例增加而負(fù)值越小,表明LBG占優(yōu)勢的復(fù)合體系在上行和下行剪切過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生破環(huán),這種破壞不能恢復(fù),且隨所占比例的增加而破壞程度增加[34-35]。當(dāng)GG占優(yōu)勢(比例大于50%)時,滯后環(huán)面積為正值,表示其復(fù)合體系在測定過程中的結(jié)構(gòu)可以恢復(fù),除LBG/GG為1∶9的復(fù)合體系外,這種恢復(fù)所需要的時間隨GG所占比例的增加而增長,表現(xiàn)在其滯后環(huán)面積隨所占比例的增加而增加,即除LBG/GG為1∶9的復(fù)合體系外,其余混合體系中GG所占比例越大,其滯后環(huán)面積越大,結(jié)構(gòu)恢復(fù)程度越大,結(jié)構(gòu)恢復(fù)所需要的時間也越長[27-28]。LBG/GG=1∶9的復(fù)合體系比LBG/GG=2∶8和LBG/GG=0∶10的滯后環(huán)面積大,說明LBG/GG=1∶9復(fù)合體系的觸變性最大,這結(jié)果與流動性分析的結(jié)果一致。

圖4 不同比例LBG/GG 復(fù)配體系的儲能模量(G′)及損耗模量(G″)與頻率的關(guān)系Fig.4 Relationship of G′and G″ with frequency of LBG/GG complex solutions

2.3 動態(tài)粘彈性分析

由圖4a和圖4b可以看出,儲能模量(G′)與損耗模量(G″)具有明顯的頻率依賴性,G′與G″均隨頻率(ω)的減小而減小。除LBG/GG=1∶9的復(fù)合體系外,在低于10 rad/s時,復(fù)配體系隨LBG比例的提高G′和G″均減小,且G″>G′,展現(xiàn)為類似液體的粘性行為,即復(fù)合體系的粘性占主導(dǎo);在10～50 rad/s會出現(xiàn)LBG/GG復(fù)合體系G″=G′的凝膠點(diǎn),不同復(fù)合體系出現(xiàn)凝膠點(diǎn)的角頻率不同,沒有明顯的比例依賴;在100～500 rad/s的角頻率范圍內(nèi),LBG/GG復(fù)合體系的G′和G″均趨向于重合,與LBG/GG比例幾乎無關(guān),且G′>G″,表現(xiàn)出類似固體的彈性行為,即復(fù)合體系的彈性占優(yōu)勢[35-37]。由圖4(c)可知,LBG/GG=1∶9復(fù)合體系具有最大的G′和G″,說明LBG/GG=1∶9復(fù)合體系展現(xiàn)最大的動態(tài)粘彈性行為。這與流動性和觸變性分析結(jié)果相一致。

3 結(jié)論

探討了LBG/GG復(fù)合體系的流變學(xué)性質(zhì),主要考察了其穩(wěn)態(tài)流動性質(zhì)、觸變性和動態(tài)粘彈性。實(shí)驗(yàn)表明LBG/GG復(fù)合體系為非牛頓流體,流動行為服從Carreau模型,除LBG/GG=1∶9復(fù)合體系,隨著GG比例的增大,其粘度越大,非牛頓性越明顯,觸變性越高。LBG與GG復(fù)配可產(chǎn)生協(xié)同作用,LBG/GG=1∶9時,復(fù)合體系粘度最大。在角頻率掃描范圍內(nèi),LBG/GG復(fù)合體系同時具有粘性和彈性,隨不同的角頻率處理展現(xiàn)不同的動態(tài)粘彈性行為,LBG/GG=1∶9時,復(fù)合體系的動彈粘彈性最大。

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Studies on the rheological properties of locust bean gum(LBG)and guar gum(GG)mixed system

GUO Jie1,2,3,GUO Xiao4,ZHANG Zhao-yang1,2,3,WANG Cheng-bo1,2,3,MU Xing-xing1,2,3,ZHANG Ji1,2,3,*

(1.Lanzhou Vocational Technical College,Lanzhou 730070,China; 2.College of Life Science,Northwest Normal University,Lanzhou 730070,China; 3.Bioactive Products Engineering and Technology Research Center for Gansu,Distinctive Plants,Lanzhou 730070,China; 4.Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730050,China)

The rheological properties of locust bean gum(LBG)/guar gum(GG)mixed systems were studied,and the rheological models were used to analyze the flow behavior. The results showed that the LBG/GG composite systems exhibited non-Newtnian behavior which was found to be well correlated to the Carreau model. With the increase of the LBG ratio,the viscosity of the LBG/GG mixed systems were smaller and the non-Newtonian property became less obvious,the lower the thixotropy. The effect of LBG and GG on viscosity had synergistic effect,and when LBG/GG=1∶9,the viscosity of the composite system was the largest. The LBG/GG composite systems with viscosity and elasticity exhibited different dynamic viscoelastic behaviors with different angular frequencies. The dynamic viscoelasticity of the composite system which LBG/GG=1∶9 was the largest.

locust bean gum;guar gum;flow behavior;thixotropy;dynamic viscoelasticity;synergistic effect

2016-11-28

郭杰(1988-)，女，博士研究生，研究方向：植物資源的開發(fā)與利用，E-mail：gjtiti@126.com。

*通訊作者:張繼(1962-)，女，博士，研究員，研究方向：植物資源的開發(fā)與利用，E-mail:zhangj@nwnu.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金(51273162)。

TS201.7

A

1002-0306(2017)14-0040-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.14.009