馬鈴薯果膠流變特性的研究

王文霞，楊悅，張慧君，劉博，徐婷婷

(齊齊哈爾大學 食品與生物工程學院，黑龍江省果蔬雜糧飲品工程技術研究中心，黑龍江省普通高校農產品加工重點實驗室，黑龍江 齊齊哈爾，161006)

馬鈴薯栽培歷史悠久，分布廣，產量高，被稱為世界第四大糧食作物。我國馬鈴薯資源豐富，其種植面積與產量均居世界首位。馬鈴薯營養、經濟價值均較高，廣泛應用于食品、飼料和淀粉工業等。馬鈴薯渣是馬鈴薯淀粉加工過程產生的副產物，平均每生產1 t淀粉產生約6.5～7.5 t濕薯渣[1-2]。目前，只有少量馬鈴薯渣用作飼料。由于馬鈴薯渣含有大量水分，其儲存困難，易腐敗變質，造成環境污染。馬鈴薯渣的不易利用，已成為制約馬鈴薯淀粉加工行業發展的瓶頸問題。因此，將馬鈴薯渣高值化開發利用，既可以減少環境污染，提高資源的利用率，又可以增加馬鈴薯附加值，從而提高馬鈴薯淀粉加工企業的經濟效益和社會效益。

果膠是植物細胞壁的重要結構物質。果膠是由3個結構區域通過糖苷鍵連接起來的帶有側鏈的雜多糖。這3個組成區域分別是均一半乳糖醛酸聚糖區(homogalacturonan region, HG),鼠李半乳糖醛酸聚糖 I 區(rhamnogalacturonan I region, RG-I)和鼠李半乳糖醛酸聚糖 II 區(rhamnogalacturonan II region, RG-II)[3-4]。HG 區是由D-半乳糖醛酸(galacturonic acid，GalA)通過 α-1,4 糖苷鍵形成的直鏈多糖。在HG主鏈中的GalA殘基可以在C-6處甲基化，也可以在O-2和/或O-3處乙酰化。根據甲基化程度(degree of methylation,DM)，果膠可分為高甲氧基果膠(high methoxyl pectin，HMP) (DM>50%)和低甲氧基果膠(low methoxyl pectin，LMP) (DM<50%)[5]。RG-I 區由結構為[—4)-α-D-半乳糖醛酸-(1—2)-α-L-鼠李糖-(1—]的二糖單位重復連接形成，主鏈中的鼠李糖的殘基在O-4位可被半乳聚糖、阿拉伯聚糖和阿拉伯半乳聚糖等中性糖側鏈取代；此外，GalA也可以在C-2或C-3位點乙酰化[3,6]。RG-II區的主鏈由D-半乳糖醛酸通過 α-1,4 糖苷鍵連接而成，具有復雜的寡糖側鏈[7]。

馬鈴薯渣由細胞壁多糖(48%)、淀粉(37%)、蛋白質(4%)、灰分(4%)等組成，其中果膠是馬鈴薯細胞壁的主要多糖(17%)[8]。馬鈴薯果膠的主要結構特征是，具有較高比例的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖(RG I, 75%)和較低比例的均一半乳糖醛酸聚糖(HG, 20%)[9]。馬鈴薯RG I富含(1—4)-β-半乳聚糖側鏈(67%)，且具有較高的乙酰化程度(degree of acetylation，DA)(約為14%)，與蘋果、柑橘果皮等其他細胞壁來源的RG I相反(10%～24%、2%～4%，質量分數)[10-13]。由于馬鈴薯果膠高含量的中性糖導致低膠凝性，但其富含半乳聚糖側鏈和乙酰基鏈結構特性，使其成為潛在的生物活性分子來源[10,14]。富含半乳聚糖側鏈的果膠, 通過阻止半乳糖凝集素-3及其受體的結合來抑制腫瘤的生長和轉移[15]。RG-I的阿拉伯半乳聚糖能增加短鏈脂肪酸的產生，刺激有益菌群生長并調節免疫系統[16]。另一方面，有研究表明，乙酰基和中性糖側鏈對果膠的乳化性能具有正向作用，因此，馬鈴薯果膠獨特的結構可能使其成為一種乳化劑[17]。研究表明，使用不同的來源、萃取劑對果膠產量、結構和理化性質可以有不同的影響[18-19]。近年來，一些研究主要研究了聚半乳糖醛酸內切酶和KOH/NaOH 提取馬鈴薯渣中RG-I域[20-21]，以及不同提取方法對馬鈴薯果膠組成特性的影響[22]。然而，目前對馬鈴薯果膠的性質研究甚少，這限制了它在食品工業中的應用。果膠水溶液的流變特性是果膠的重要性質之一，果膠溶液的黏度隨溶液濃度、溫度、剪切速率、pH及金屬離子的變化規律，決定著果膠能否應用于特定食品工業(如飲料、酸乳的增稠)，同時也顯著影響著這些食品的生產工藝與能耗等成本。

本文研究了果膠質量分數、剪切速率、溫度、pH、金屬離子等因素對馬鈴薯果膠流變學特性的影響，為其在為食品、藥品等方面的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

馬鈴薯果膠(potato pectin extracted by chelating agent,PPCH)實驗室自制。采用復合鹽法萃取馬鈴薯渣果膠[22]。以馬鈴薯渣為原料，采用酶法脫除淀粉和蛋白質，以三聚磷酸鈉和乙二胺四乙酸(ethylene diamine tetroacetic acid，EDTA)復合鹽法從馬鈴薯渣中提取果膠，經超濾、乙醇沉淀和干燥得到馬鈴薯果膠。馬鈴薯渣果膠得率21.01%(對干薯渣,質量分數)，酯化度38.99%，半乳糖醛酸含量31.57%(對果膠)，中性糖含量52.56%(對果膠,質量分數)(其中鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、葡萄糖含量分別為9.48%、73.14%、13.57%、3.81%，質量分數)。

試劑均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

KinexusPro+型流變儀，馬爾文公司；LD53型冷凍干燥機，美國Millrock公司；TDL-5-A 型低速臺式離心機，上海安亭科學儀器廠；101-2-BS 電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫療器械廠；BS124S分析天平、PB-10酸度計，北京賽多利斯儀器系統有限公司；UF20 超濾裝置，河北省大城縣華泰凈化技術工程有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 PPCH溶液質量分數對PPCH 溶液黏度的影響

高分子流體可以近似地處理成具有非牛頓行為的黏性流體，可以冪律方程表達溶液黏度與剪切速率的函數關系[23]，即：η=K×γn-1。式中：η，黏度，Pa·s；K，流體稠度系數；γ，剪切速率，s-1；n，流動指數。當n<1時，流體為假塑性流體；當n=1時，流體為牛頓流體；當n>1時，流體為脹塑性流體。K是黏度的度量，黏度越高，K值也越高。

用去離子水分別配制質量分數為0.4%、0.8%、1.0%和1.5%的PPCH 溶液后，于4 ℃下靜置24 h。取約2 mL待測果膠溶液樣品于流變儀測試平臺中心，選擇60 mm平板為夾具，間隙0.5 mm，進行黏度測定。測試溫度為25 ℃，在0.001～600 s-1進行剪切速率掃描。繪制果膠溶液的表觀黏度受溶液質量分數的影響曲線，用計算機擬合冪律方程，建立黏度η與γ的關系式。

1.3.2 溫度對PPCH溶液黏度的影響

高分子溶液流體行為與溫度的關系可用Arrhenius方程[23]表示：η= A eEa/RT, 該式反映了溶液黏度隨溫度不同而發生改變的變化模式。式中：η，特定溫度條件下溶液表觀黏度，Pa·s；A，常數；R，摩爾系數，8.31 J/(mol·K)；T，絕對溫度，K；Ea，活化能，J/mol，其反映了高分子流動的難易程度, 與高分子的分子大小和空間結構有密切關聯。

用去離子水配制質量分數為0.6%的PPCH溶液后，于4 ℃下靜置24 h。取約2 mL待測果膠溶液樣品于流變儀測試平臺中心，選擇60 mm平板為夾具，間隙0.5 mm，進行黏度測定。測試剪切速率分別為50、100、500 s-1，在10～80 ℃進行升溫掃描(5 ℃/min)。繪制果膠溶液的表觀黏度受溫度的影響曲線，并擬合Arrhenius方程，建立黏度η與T的關系式。

1.3.3 pH對PPCH溶液黏度影響

用0.2 mol/L Na2HPO4-檸檬酸緩沖溶液配制pH值分別為3.0、3.5、4.0、4.5、5.0和6.0的質量分數為1% PPCH溶液，于4 ℃下靜置24 h。測定果膠溶液黏度條件同1.3.1。繪制果膠溶液的表觀黏度受pH的影響曲線，并擬合冪律方程，建立黏度η與γ的關系式。

1.3.4 金屬離子對PPCH溶液黏度的影響

用去離子水配制質量分數為1.0%的PPCH溶液, 分別加入CaCl2、MgSO4，調節金屬離子(Ca2+和Mg2+)質量濃度為0.05～4 mg/mL，攪拌均勻，于4 ℃下靜置 24 h。測定果膠溶液黏度條件同1.3.1。繪制果膠溶液的表觀黏度受金屬離子的影響曲線。

1.3.5 統計學處理

采用Kinexus data analysis軟件進行數據采集、處理。每個實驗重復3次。

2 結果與分析

2.1 PPCH溶液質量分數及剪切速率對PPCH溶液黏度的影響

不同質量分數的PPCH溶液，在剪切速率為0.001～600 s-1，測定其黏度/剪切速率曲線如圖1所示。同時，利用Kinexus data analysis軟件對不同濃度PPCH溶液流動曲線進行冪律方程自動擬合，得到不同果膠溶液的冪律方程及相關參數如表1所示。

由圖1和表1可知，當剪切速率相同時，隨著果膠溶液質量分數的增大，其表觀黏度在增大；流體稠度系數K值從0.013 68逐漸增大到0.030 87。這是因為果膠的流動是通過果膠分子鏈段躍遷來實現的。生物大分子溶液剪切黏度受大分子鏈段躍遷的快慢和大分子平移所需的躍遷的次數因素影響。前者與分子間的摩擦力有關, 后者與大分子聚合物的分子結構有關[24]。不同質量分數的果膠溶液的分子質量是相同的，因此，使果膠分子平移所需的躍遷次數也相同，所以剪切黏度主要受果膠分子鏈段躍遷速度影響。當果膠溶液質量分數增大時, 果膠分子鏈間纏結增多，分子間摩擦力也增大，果膠分子鏈段躍遷變慢，使溶液的黏度增大。

由圖1可知，隨著剪切速率的增大，不同質量分數的溶液表觀黏度均降低，出現“剪切變稀”的現象；并且這一現象隨著果膠質量分數的增加而更加明顯。對于低質量分數的果膠溶液(0.4%、0.8%)，在剪切速率低于30 s-1時，溶液表觀黏度明顯下降，在剪切速率大于30 s-1時，溶液表觀黏度緩慢下降，趨于穩定；而較高質量分數的果膠溶液(1.0%、1.5%)，在剪切速率低于50 s-1時，溶液表觀黏度急劇下降；在剪切速率大于50～150 s-1時，溶液表觀黏度明顯下降；在剪切速率大于150 s-1時，溶液表觀黏度緩慢下降，趨于穩定。不同質量分數的PPCH溶液流動指數n在0.536 0～0.562 5變化，n<1。可見，PPCH溶液屬于典型的假塑性非牛頓流體。這是因為果膠分子的流動是通過鏈段躍遷實現的。果膠分子鏈有較好的柔順性，所以當剪切速率增大時，果膠分子很容易通過鏈段運動而取向，使剪切黏度明顯降低[24]。

圖1 不同質量分數PPCH溶液流體曲線

表1 計算機擬合不同質量分數PPCH溶液的冪律方程相關參數

2.2 溫度對PPCH溶液流體性能的影響

不同溫度下0.6%PPCH溶液的流動曲線如圖2所示，對果膠溶液黏度和溫度關系進行Arrhenius方程擬合，建立黏度對數lnη與1/T的關系式，得出果膠溶液活化能Ea的變化結果如表2所示，PPCH溶液流體行為受溫度的影響。在剪切速率為50 s-1時，溫度為10～47 ℃，PPCH溶液表觀黏度隨著溫度升高而急速下降，表觀黏度與溫度的關系遵循Arrhenius方程規律，活化能Ea為44 917.4 J/mol。其原因是在此升溫過程中，內部分子熱運動加快，溶液中膠體分子間的纏結大部分得到削弱，故表觀黏度降低幅度很大，活化能很大[25-26]。溫度為47～65 ℃，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而緩慢波動，則較難以用Arrhenius方程加以解釋。溫度為65～80 ℃，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而緩慢下降，黏度與溫度的關系遵循Arrhenius方程規律，活化能Ea急劇降為19 167.0 J/mol。原因可能是，溫度為65～80 ℃時分子間的纏結只剩余小部分，幾乎完全削弱，故表觀黏度也下降但幅度很小，活化能很小。PPCH溶液該流體性能與文獻報道結果類似[27]。在剪切速率為100、500 s-1時，溫度為10～80 ℃，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而緩慢下降。黏度與溫度的關系遵循Arrhenius方程規律，活化能Ea分別為19 428.8、18 393.4 J/mol。這可能是由于在高速剪切的作用力(100、500 s-1)對分子間的相互作用有明顯破壞作用，從而導致其聚集體的解離所致。

溫度為10～47 ℃時，當剪切速率由50 s-1增加到100 s-1時，活化能Ea急劇下降低；當剪切速率從100 s-1增加到500 s-1時，活化能Ea緩慢降低。說明溫度為10～47 ℃，PPCH溶液活化能Ea與剪切速率有較大的相關性。這可能是由于在100 s-1剪切的作用下，分子間的相互作用有明顯破壞作用，從而導致其聚集體的解離所致。溫度為65～80 ℃時，當剪切速率50 s-1增加到100 s-1時，活化能Ea略有升高；當剪切速率由100 s-1增加到500 s-1時，活化能Ea略有降低。說明溫度為47～80 ℃時，活化能與剪切速率相關性較小。

圖2 不同溫度下PPCH溶液的流動曲線

表2 不同剪切速率下PPCH溶液的活化能

2.3 pH對PPCH溶液流體性能的影響

不同pH的1%PPCH溶液，在剪切速率為0.001～600 s-1時，利用動態流變儀測定其流變曲線，結果如圖3所示，同時，對不同pH的果膠溶液流動曲線進行冪律方程擬合，得到的冪律方程及相關參數如表3和圖4所示，pH 值對果膠溶液流動性能有較大的影響。隨著pH的升高，果膠溶液的黏度呈現先增加后減小的趨勢。隨著pH 值由3.0增大到3.5時，果膠溶液黏度緩慢增大，稠度系數K緩慢增大，流動指數n緩慢降低；當繼續增大pH值至4.0時，溶液黏度快速增大，達到最大值，此時K為0.129 20，n快速降低，說明溶液流動能力變差，溶液流動行為更加偏離理想牛頓流體。當pH 值由4.0增大到5.0時，果膠溶液黏度快速降低，K快速降低，n逐漸增大；當pH值由5.0增大到6.0時，果膠溶液黏度緩慢降低，K緩慢降低，n緩慢增大。分析原因，馬鈴薯果膠屬于酸性多糖，果膠溶液呈酸性，pH會影響半乳糖醛酸上羧基的解離狀態，而影響果膠分子間相互作用，從而影響果膠溶液的流動性能。羧基的解離常數(pKa)為3.5，當果膠溶液pH≤pKa時，果膠的大多數羧基都是質子化的，羧基基團電荷量逐漸消失，故當pH值為3.0和3.5時，果膠主鏈羧基的解離程度更弱，果膠分子只是通過旋轉和伸屈占有的空間、分子鍵相互碰撞，而不具有相同電荷的斥力伸展構型，因而使得果膠溶液黏度較低。而當果膠溶液pH>pKa時，pH值為4.0和4.5時，果膠的大多數羧基以解離狀態存在為主，帶電荷較多。由于相同電荷較強的斥力使果膠呈伸展構型，增加了鏈長，果膠占有的體積增大，因而使得果膠溶液的黏度大大提高[28]。在 pH值低于5.0時，果膠溶液中幾乎沒有離子存在，靜電作用較弱，黏度降低[29]。

圖3 pH對PPCH溶液流體影響曲線

表3 擬合不同pH值PPCH的冪律方程相關參數

圖4 pH 值對K 值和n 值的影響

2.4 金屬離子對PPCH溶液流體性能的影響

在1%的PPCH中加入不同濃度的Ca2+和Mg2+，考察這2種金屬離子對PPCH流變學性能影響的實驗結果如圖5、圖6所示。隨著 Ca2+和Mg2+濃度增加，PPCH溶液的黏度隨之增大。Ca2+濃度增加對PPCH溶液黏度具有更為顯著的影響；而Mg2+對于PPCH溶液黏度的增加幅度明顯低于Ca2+，且Mg2+濃度<0.4 mg/mL時PPCH溶液黏度沒有顯著變化，說明Ca2+的增稠效果優于Mg2+。分析原因，PPCH屬于富含RG-I的低酯果膠，由于其分子結構中含有較多的未被甲基化的羧酸基團，分子間的電荷排斥作用明顯。多價離子的存在可起到中和電荷及分子間的橋聯作用, 從而改變果膠分子的流動性能及聚集狀態。形成橋聯的密度越高，果膠的黏度越大。橋聯的密度則與架橋離子的濃度和架橋離子與羧基的結合能力有關。同價元素隨原子半徑的增大與果膠羧基的結合能力增強(Ca2+>Mg2+)[30]。在適宜濃度范圍內, 分子間的有序排列最終可導致凝膠形成[18]。

圖5 Ca2+離子對PPCH溶液流體性能的影響

圖6 Mg2+離子對PPCH溶液流體性能的影響

3 結論

PPCH溶液的黏度隨溶液質量分數上升而增加。隨著剪切速率的增大，PPCH溶液黏度下降，出現“剪切變稀”的現象；并且這一現象隨著果膠質量分數的增加而更加明顯。采用冪律方程擬合不同質量分數PPCH溶液黏度和剪切速率的關系，它們的流動指數n<1，符合冪律方程對非牛頓流體特征的解釋，屬于非牛頓流體。

PPCH溶液流體行為受溫度的影響。在剪切速率為50 s-1時，當溫度為10～47 ℃時，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而急速下降，黏度與溫度的關系遵循Arrhenius方程規律，活化能Ea較高。在溫度為47～65 ℃時，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而緩慢波動，較難以用Arrhenius方程加以解釋。在溫度為65～80 ℃時，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而緩慢下降，黏度與溫度的關系遵循Arrhenius方程規律，活化能Ea較低。在剪切速率為100、500 s-1時，溫度為10～80 ℃，PPCH溶液黏度隨著溫度升高而緩慢下降。黏度與溫度的關系遵循Arrhenius方程規律，活化能Ea較低。說明溫度為10～47 ℃，PPCH溶液活化能與剪切速率有較大的相關性；溫度為47～80 ℃，活化能與剪切速率相關性較小。

pH值對PPCH溶液流動性能有較大的影響。隨著pH的升高，果膠溶液的黏度呈現先增加后減小的趨勢，當pH值為4.0時，黏度為最大值，且n最低，說明溶液流動能力差，溶液流動行為更加偏離理想牛頓流體。

二價金屬離子(Ca2+、Mg2+)可提高PPCH溶液的黏度，Ca2+濃度增加對PPCH溶液黏度增加具有顯著的影響；而Mg2+對于PPCH溶液黏度的增加幅度明顯低于Ca2+。