曹英楠，周揚(yáng)，戴宏杰，朱瀚昆，王洪霞，馬良，張宇昊

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)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(shù)地區(qū)都有種植，特別是印度[1-2]。車前草在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中用作藥用植物，具有數(shù)百年歷史[3]。2014年，圓苞車前子殼(psyllium husk, PH)被我國(guó)列為新資源食品。PH含有豐富的膳食纖維、膠質(zhì)及生物活性物質(zhì)，有控制血糖、膽固醇水平，維護(hù)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(duì)PH的成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其碳水化合物含量約占85%。FISCHER等[7]報(bào)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(zhì)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(zhǎng)期以來，人們一直在研究不同來源的天然多糖，對(duì)其分離、表征、生物活性和結(jié)構(gòu)特征等方面進(jìn)行研究，并將其廣泛用于食品、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)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(yè)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(yè)中的應(yīng)用基礎(chǔ)，流變學(xué)參數(shù)是食品膠體開發(fā)應(yīng)用、質(zhì)量評(píng)估及加工工程設(shè)計(jì)所必需的。近幾年來，眾多學(xué)者報(bào)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(duì)PH中的可溶性凝膠成分進(jìn)行了研究，但不溶性膳食纖維對(duì)膠體的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生的影響也不容忽視。目前已有PH應(yīng)用于酸奶[12]、面團(tuán)[13]等的研究，卻沒有對(duì)PH流變特性的報(bào)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(jié)構(gòu)特性，為其在食品工業(yè)中的應(yīng)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(zhì)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(shí)驗(yàn)試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

JA3003B型電子天平，上海精天電子儀器有限公司；HH-4型數(shù)顯恒溫?cái)嚢杷″?，上海新諾儀器設(shè)備有限公司；CJ-78-1型磁力攪拌器，上海將任實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；FD-1A-50型真空冷凍干燥儀，北京博伊康實(shí)驗(yàn)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(guó)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(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 微觀結(jié)構(gòu)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(yīng)避光，防止光漂白。

1.3.2 樣品制備

用蒸餾水配制不同質(zhì)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(diào)整溶液中的離子強(qiáng)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(cè)試

將制備好的樣品放置在流變儀測(cè)試平臺(tái)上，除平板邊緣多余的樣品，用硅油覆蓋樣品，防止測(cè)試時(shí)溶劑蒸發(fā)。采用平板PP25系統(tǒng)(間距1 mm)進(jìn)行動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)量，測(cè)試前，平衡3 min。采用流變模型對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合，擬合系數(shù)r2表示擬合度。隨質(zhì)量濃度的增加，樣品呈現(xiàn)從稀溶液到濃溶液到凝膠的狀態(tài)。10 g/L的PHG呈現(xiàn)流體狀態(tài)，更適合用于研究其流動(dòng)與變形過程。因此，在研究其他加工因素對(duì)樣品流變特性的影響時(shí)，測(cè)試皆在該濃度下進(jìn)行。

1.3.3.1 質(zhì)量濃度對(duì)PHG流變特性的影響

不同質(zhì)量濃度的PHG(5、10、20、30 g/100mL)在施加恒定應(yīng)變0.5%(線性黏彈性區(qū)域內(nèi))下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描(0.1～10 Hz)，記錄儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，來表征儲(chǔ)能模量對(duì)頻率的依賴性：

G′=kwn

(1)

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

1.3.3.2 剪切力對(duì)PHG流變特性的影響

對(duì)10 g/L PHG進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)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(shí)間后從130～5 s-1遞減，記錄測(cè)試過程中剪切應(yīng)力及黏度隨剪切速率變化的關(guān)系。應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系曲線中得到的滯后環(huán)面積可體現(xiàn)樣品的觸變性[14]。用黏度曲線及Herschel-Bulkley模型即公式(2)擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)以判斷PHG假塑性：

τ=τ0+kγ

(2)

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

1.3.3.3 pH對(duì)PHG流變特性的影響

用0.1 mol/L的NaOH或HCl調(diào)整溶液的pH值(pH 4.0、7.0、10.0)。在25 ℃溫度下，對(duì)不同pH條件下的PHG 10 g/L進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切掃描，即測(cè)定剪切速率在0.1～100 s-1范圍內(nèi)樣品的表觀黏度的變化。用Power-law模型即公式(3)擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，以研究pH對(duì)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(shù)，Pa·sn；n為流體行為指數(shù)。

1.3.3.4 溫度對(duì)PHG流變特性的影響

經(jīng)過85 ℃熱處理的PHG(10 g/L)，在0.5%應(yīng)變下，以2 ℃/min的速率在5～85 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度掃描。對(duì)質(zhì)量濃度10 g/L的，經(jīng)過熱處理獲得的PHG樣品與未經(jīng)熱處理的PH溶膠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切掃描(如1.3.3.3操作步驟)，并用公式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，以研究熱處理對(duì)PHG流變特性的影響。

1.3.3.5 鹽離子對(duì)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(yīng)變0.5%下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描(0.1～100 rad/s)。研究鹽離子的種類及濃度對(duì)PHG流變特性的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0及RheoCompass 1.12進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 8.0作圖，每次試驗(yàn)重復(fù)3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 PHG的微觀表征

由圖1可知，PHG的微觀結(jié)構(gòu)呈帶褶皺(圖1-a中箭頭所示)的不規(guī)則片狀。但GUO等[4]報(bào)道PH中堿提取凝膠的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)絲狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。推測(cè)不溶性膳食纖維的存在改變了多糖凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其表面變粗糙，出現(xiàn)一些不規(guī)則形狀[15]。此外，不溶性膳食纖維含有大量的極性基團(tuán)，具有吸水性和空間穩(wěn)定性，可與其他成分通過非共價(jià)作用，形成新的網(wǎng)絡(luò)[16]。用熒光增白劑對(duì)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(jié)構(gòu)。PHG的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連續(xù)性差，凝膠抵抗機(jī)械作用力的能力差[3]。片狀結(jié)構(gòu)的堆疊導(dǎo)致了較多的不規(guī)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(jī)械前處理等因素影響[17]，因此研究加工條件對(duì)PHG流變特性的影響，對(duì)其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

2.2.1 質(zhì)量濃度對(duì)PHG流變特性的影響

對(duì)PHG進(jìn)行頻率掃描可獲得儲(chǔ)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(nèi)G′超過G″，且在低頻率區(qū)模量幾乎平行。說明PHG以彈性特征為主，可判斷為具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(fù)[20]。這與FARAHNAKY等[21]對(duì)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(huì)改變其流體特征。隨質(zhì)量濃度增加，模量對(duì)剪切頻率的依賴性降低，說明結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)。低質(zhì)量濃度(5～10 g/L)下，不同濃度質(zhì)量PHG的G′和G″之間是相近的，說明其凝膠結(jié)構(gòu)相近。用Power-law模型擬合G′對(duì)振蕩頻率ω的依賴性，擬合結(jié)果見表1。流體行為指數(shù)n> 0, 說明PHG是物理凝膠，而非共價(jià)凝膠，可判斷為弱凝膠；n值遠(yuǎn)離1，說明PHG表現(xiàn)出彈性凝膠的特征，與牛頓流體差異大[22]。且質(zhì)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(shù)

2.2.2 剪切力對(duì)PHG流變特性的影響

具有觸變性的流體，在加工、包裝及運(yùn)輸過程中受到剪切變形時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間可以恢復(fù)其流變性質(zhì),這是流體的觸變性[21]。觸變性對(duì)食品或醫(yī)藥制品來說是理想特性。通過滯后實(shí)驗(yàn)(剪切速率先增加后降低)可獲得流動(dòng)曲線(應(yīng)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(yīng)力隨剪切速率的變化總體先增加后降低的趨勢(shì)，且呈現(xiàn)出小的滯后環(huán)，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(xiàn)出低觸變性特征。剪切應(yīng)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(shù)0.87< 1，屈服應(yīng)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(shí)具有較低的稠度。

圖3 PHG(10 g/L)的流動(dòng)曲線和黏度曲線

2.2.3 pH對(duì)PHG流變特性的影響

pH的變化會(huì)導(dǎo)致大分子材料的構(gòu)象和溶液的表觀黏度發(fā)生變化[23]。圖4顯示了PHG在不同pH范圍內(nèi)通過穩(wěn)態(tài)剪切和動(dòng)態(tài)頻率掃描獲得的表觀黏度ηa和復(fù)數(shù)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(shù)(Pa·sn)，n為流體行為指數(shù)]，擬合結(jié)果見表1。由k值可知，不同pH范圍內(nèi)ηa具有以下趨勢(shì)：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(zhì)量，導(dǎo)致多糖的ηa降低。堿性條件下導(dǎo)致ηa增加，這與其他研究者報(bào)告的堿性條件使植物多糖螺旋鏈解聚形成柔性鏈而導(dǎo)致黏度降低的現(xiàn)象不同[20,25]，推測(cè)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(gòu)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(xiàn)象更明顯[21]。由此可知，將PHG用作食品增稠劑時(shí)，適當(dāng)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(fù)數(shù)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(shí)流體的表觀黏度與復(fù)數(shù)黏度值相等，該定律的應(yīng)用可在穩(wěn)態(tài)剪切和動(dòng)態(tài)振蕩實(shí)驗(yàn)之間建立相關(guān)性。Cox-Merz定律在PHG的應(yīng)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(guān)[25]。此外，還能說明PHG中高密度聚集體及纖維網(wǎng)絡(luò)的存在[19]。

2.2.4 溫度對(duì)PHG流變特性的影響

動(dòng)態(tài)溫度掃描用于評(píng)估溫度變化對(duì)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(dǎo)致分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，大分子間的纏結(jié)減弱以及氫鍵的斷裂，從而導(dǎo)致PHG黏彈性的降低[17]。評(píng)估黏彈性行為的另一個(gè)參數(shù)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(xiàn)出固體特征，反之是黏性行為表現(xiàn)出液體特征[18]。如圖5-a所示，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，PHG表現(xiàn)為固體特征，且G″與G′無交點(diǎn)，說明其熱穩(wěn)定性好，在5～85 ℃范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)固態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變。這與GUO等[4]對(duì)PH中凝膠成分的熔點(diǎn)研究結(jié)果一致。升溫曲線和降溫曲線之間存在滯后環(huán)，說明PHG凝膠中有氫鍵作用，在升溫過程中伴隨著分子內(nèi)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(huán)[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(wěn)定性。

將PH溶膠經(jīng)熱處理(85 ℃)形成PHG凝膠，研究熱處理對(duì)PHG表觀黏度的影響，如圖5-b所示。用Power-law模型擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，以研究熱處理對(duì)流變特性的影響。擬合結(jié)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(dǎo)致流動(dòng)性降低。因此在進(jìn)行生產(chǎn)加工時(shí)，可以根據(jù)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(jīng)熱處理PHG的黏度曲線

2.2.5 鹽離子對(duì)PHG流變特性的影響

低濃度鹽添加可以促進(jìn)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(duì)頻率的依賴性，增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。推測(cè)可能是適量的Ca2+在PHG中發(fā)生橋聯(lián)作用增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[10]，但濃度較低時(shí)該作用較弱，會(huì)在高頻區(qū)被打斷。此外，一價(jià)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(duì)PHG(10 g/L)儲(chǔ)能模量G′的影響

3 結(jié)論與討論

PHG在微觀表征下，其結(jié)構(gòu)呈帶褶皺的不規(guī)則片狀，間隙和孔洞多。流變測(cè)試結(jié)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(zhì)：(1)隨著質(zhì)量濃度的增加，PHG結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，稠度指數(shù)增加，流體行為指數(shù)降低；(2)PHG受到剪切作用而產(chǎn)生的變形在一定時(shí)間內(nèi)可恢復(fù)，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(qiáng)。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(wěn)定性。升溫和降溫曲線之間存在滯后環(huán)，說明PHG中存在氫鍵；(5)Na+或者Ca2+的引入可以增加PHG的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。上述結(jié)果表明，強(qiáng)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(diào)控的流變性質(zhì)，可以用作功能性可食原料(如增稠劑、黏合劑及膳食補(bǔ)充劑等)。本研究為PHG在食品領(lǐng)域的研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，有利于拓寬其實(shí)際應(yīng)用范圍。在未來的研究中，我們會(huì)進(jìn)一步探究PHG流變特性與實(shí)際工廠加工的關(guān)系，構(gòu)建流變與生產(chǎn)之間的橋梁，以期為PHG相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)提供更全面的參考。