桑枝多糖與桑枝低聚糖的流變學特性

楊詩沅，鄒宇曉，黎爾納*，廖森泰*

（1.廣東省農業科學院蠶業與農產品加工研究所，農業農村部功能食品重點實驗室，廣東省農產品加工重點實驗室，廣東 廣州 510610；2.華南農業大學食品學院，廣東 廣州 510642）

桑枝（Ramulus mori）是桑科桑樹（Morus alba L.）的細長的分支[1]，其含有桑枝多糖、1-脫氧野尻霉素（1-deoxynojirimycin，DNJ）、槲皮素、白藜蘆醇等活性物質[2]。我國的桑樹資源極其豐富，每年有超過上千萬噸的桑枝條用于板材和農業，其利用率約為10%[3]。

流變學是研究樣品在力的作用下表現出來的由力觸發或者引起的某些流動行為和結構的變化[4]，預測、解釋物質的流變性在食品加工制造、開發等方面發揮重要作用[5]。流變學研究主要包括靜態和動態流變學。靜態流變學是研究樣品的流體類型（如牛頓流體和非牛頓流體）[4]，動態流變學用于測定樣品的黏彈性，是黏性和彈性的判斷依據，黏彈性一般用儲能模量（G′）、損耗模量（G″）以及二者對剪切頻率的依賴性來表征[6-7]。多糖等高分子的流變特性與其分子質量大小、結構性狀、分子間相互作用、物理纏結等多種因素有關，并影響其生物功能、加工及運輸方式[8]。

目前，桑枝多糖和桑枝低聚糖的研究主要集中在提取純化[9]、促進益生菌增殖[10]、抗腫瘤[11]、腎臟損傷保護[12]和降血糖[13]等方面，對桑枝多糖和桑枝低聚糖的流變學性質鮮有報道。在食品流變學的研究中，流變儀廣泛應用于多糖流變學性質測定，WANG等[14]通過流變儀測得刺梨果實多糖是假塑性流體；ZHONG等[15]和WANG等[16]發現物理超聲改性可以改變多糖的流體類型，降低多糖表觀黏度和彈性。隨著消費者健康意識的增強，含益生菌、功能性多糖和低聚糖類健康飲品成為越來越多人的選擇，但是保持產品在生產、輸送、貨架期中的穩定性是目前面臨的重點問題。本課題組前期研究發現，桑枝多糖經生物酶解后能夠提高其對乳酸菌生長的促進作用[10]，但桑枝多糖和桑枝低聚糖在食品工業中作為穩定劑和增稠劑等功能缺乏一定理論依據，本研究對桑枝多糖和桑枝低聚糖的流變學特性進行測定，探討其凝膠特性，為桑枝多糖和桑枝低聚糖類健康天然植物乳化劑相關產品開發提供理論數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桑枝多糖（Ramulus mori polysaccharides，RP）：北京五和博澳藥業有限公司；桑枝低聚糖（Ramulus mori oligosaccharides，EROS）為桑枝多糖經生物酶解制備的凍干粉；HCl、NaOH、NaCl、CaCl2（分析純）：廣州化學試劑廠；蔗糖、檸檬酸（分析純）：天津市福晨化學試劑廠。

1.2 主要儀器設備

DHR-2流變儀：美國TA公司；HWS26型電熱恒溫水浴鍋：上海一恒科學儀器有限公司；VORTEX 3型旋渦振蕩器：德國IKA公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品的制備

取RP和EROS分別配制成40 mg/mL溶液，混勻后室溫25℃靜置12 h，充分溶解。

1.3.2 動態振蕩測試

根據MINJARES-FUENTES等[17]的方法進行動態振蕩測試，選取平行鋼板（直徑40 mm，間隙1.0 mm）在頻率10 Hz下進行應變掃描測試（25℃）；在線性黏彈區、剪切頻率 1 rad/s～100 rad/s下測定 G′和 G″。

1.3.3 靜態流變學測試

根據焦宇知等[18]的方法稍作修改，選取直徑40 mm平行鋼板（間隙1.0 mm），溫度25℃，剪切力0.01 s-1～100 s-1。

1.3.3.1 濃度對表觀黏度的影響

取 1.3.1 溶液配制成 5、10、20、40、60、80 mg/mL 的RP和EROS溶液，采用流變儀測定溶液的表觀黏度。

1.3.3.2 pH值對表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，用1 mol/L HCl溶液和 1 mol/L NaOH 溶液調節 pH 值至 3、4、5、7、9，室溫25℃靜置12 h后測定表觀黏度。

1.3.3.3 加熱時間對表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，80℃水浴加熱15、30、60、120 min，室溫25℃靜置12 h后測定表觀黏度。

1.3.3.4 放置時間對表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，分別放置1、5、10、15、20 d 后，測定表現黏度。

1.3.3.5 凍融對表觀黏度的影響

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，分別在4℃和-20℃儲藏24h，室溫25℃靜置12h后測定表觀黏度。

1.4 數據統計

所有流變學測試，結果為至少兩次重復的平均值。采用Origin8.5繪圖。

2 結果與分析

2.1 動態測試

G′和G″分別反映彈性（固體）和黏性（液體）特征，可通過動態測試獲得。但動態流變學特性測定需要保持樣品的結構完整性，即需在線性黏彈性區間進行動態測試[19-20]，所以在頻率掃描測試前，進行應變掃描測試以確定樣品的線性黏彈區。圖1和圖2為應變測試結果。

圖1 RP的應變測試Fig.1 Strain test of RP

圖2 EROS的應變測試Fig.2 Strain test of EROS

由圖1和圖2可知，RP和EROS的G′和G″的變化趨勢一致，在整個應變力范圍內，G″受應變力的影響較小，G′隨應變力增大先快速減小后趨于平緩。RP的G′在應變力60%～70%范圍幾乎不變，EROS的G′在應變力60%～70%幾乎保持穩定值，所以選擇應變力65%進行頻率掃描測試[17]。

若G′和G″值存在交叉點表明材料具有黏彈性，并且交點頻率與樣品的黏彈性相關[16，21]。圖3和圖4為動態測試結果。

圖3 RP的動態測試Fig.3 Dynamic test of RP

圖4 EROS的動態測試Fig.4 Dynamic test of EROS

由圖3可知，G′和G″隨剪切速率的增加而增大，剪切速率小于1.258 9 rad/s時G″＞G′，溶液以黏性占優勢，剪切速率為 1.258 9 rad/s時，G′=G″，說明 RP 能形成膠體，隨剪切速率的提高G′迅速升高而超過G″，此時溶液以彈性占優勢。由圖4可見，G′和G″存在速率依賴性，G′對速率的依賴性比G″大。低速率時G″＞G′，表現出黏性行為，在1.258 9 rad/s～1.584 9 rad/s范圍內G′與 G″有交叉點，而后 G′＞G″，研究報道刺梨水溶性多糖也有該行為[14]，說明EROS也具有凝膠特性。

綜上所述，RP和EROS均具有黏彈性，但EROS的彈性較RP弱，即生物酶解使多糖的彈性減弱，同樣，ZHONG等[15]發現超聲波處理能夠降低裂褶菌多糖的分子量使其彈性減弱。

2.2 濃度對表觀黏度的影響

圖5和圖6為濃度對RP和EROS的表觀黏度影響測試結果。

圖5 濃度對RP表觀黏度的影響Fig.5 Effect of concentration on apparent viscosity of RP

圖6 濃度對EROS表觀黏度的影響Fig.6 Effect of concentration on apparent viscosity of EROS

由圖5和圖6可知，RP和EROS的表觀黏度隨濃度的增加而提高，隨剪切力的增加而降低。各濃度的RP和EROS隨剪切力的增加表觀黏度下降，表現出剪切稀化行為，說明二者為非牛頓流體；同一濃度下RP的初始表觀黏度大于EROS的初始表觀黏度，可能是生物酶解促使糖鏈降解，糖分子之間的交聯度和聚合度降低，溶液表觀黏度下降[8]；白背毛木耳多糖溶液的流體類型不受濃度影響，對濃度變化具有穩定性[22]，而RP和EROS溶液濃度的改變沒有影響其流體類型，說明RP和EROS的流變性對其濃度具有穩定性，生物酶解不改變桑枝多糖的流體類型。

2.3 pH值對表觀黏度的影響

圖7和圖8為pH值對RP和EROS的表觀黏度影響測試結果。

圖7 pH值對RP表觀黏度的影響Fig.7 Effect of pH on apparent viscosity of RP

圖8 pH值對EROS表觀黏度的影響Fig.8 Effect of pH on apparent viscosity of EROS

由圖7可知，pH值對RP溶液表觀黏度的影響較小，只影響溶液的初始表觀黏度，RP在pH值為7時初始表觀黏度最大（0.005 6 Pa·s），當pH值小于7時，初始表觀黏度隨pH值降低而提高，在pH值為9時初始表觀黏度最小（0.002 1 Pa·s）。由圖8可知，低剪切力時，pH值為5時EROS的表觀黏度最大，可能是EROS溶液呈酸性，H+使分子以較為伸展的構象存在，pH值降低或升高，表觀黏度均降低[23]。剪切力大于45 s-1時，溶液表觀黏度趨向一致。可見，RP和EROS有較好的酸堿穩定性，可用于酸性和堿性食品中，相對于RP而言EROS的酸堿穩定性稍有降低。

2.4 加熱時間對表觀黏度的影響

圖9和圖10為加熱時間對RP和EROS的表觀黏度影響測試結果。

圖9 加熱時間對RP表觀黏度的影響Fig.9 Effect of heating time on apparent viscosity of RP

圖10 加熱時間對EROS表觀黏度的影響Fig.10 Effect of heating time on apparent viscosity of EROS

由圖9可知，熱處理后RP仍保持剪切稀化行為，低剪切力下，表觀黏度隨加熱時間的延長而降低，剪切力達到45 s-1后，各處理組RP的表觀黏度趨向穩定值。在魔芋葡甘聚糖溶液中也觀察到類似的現象[24]。由圖10可知，低剪切力下，EROS的表觀黏度隨加熱時間的延長先升高后降低，可能是加熱使多糖分子鏈斷裂，溶解性和分散性提高，表觀黏度升高[25]；但加熱時間過長（＞60 min），多糖結構嚴重破壞，分子間斥力增強，表觀黏度降低。剪切力達到45 s-1后溶液的表觀黏度也趨向穩定。

2.5 放置時間對表觀黏度的影響

圖11和圖12為放置時間對RP和EROS的表觀黏度影響測試結果。

圖11 放置時間對RP表觀黏度的影響Fig.11 Effect of placement time on apparent viscosity of RP

圖12 放置時間對EROS表觀黏度的影響Fig.12 Effect of placement time on apparent viscosity of EROS

由圖11可知，放置1 d～10 d，RP的初始表觀黏度隨放置時間的延長而降低，10 d后其初始表觀黏度隨放置時間的延長而升高，可能是短時間內RP溶液不穩定，一定時間后分子水合作用穩定；在高剪切力時各處理組溶液表觀黏度趨于一致。由圖12可知，放置1、5 d和10 d的EROS溶液表觀黏度曲線趨于一致，放置15 d和20 d的表觀黏度曲線趨于一致，各放置時間溶液的表觀黏度隨剪切力增大而趨向穩定值。可見放置時間并不改變RP和EROS流變類型，但RP和EROS的響應程度不同。帶形蜈蚣藻多糖的黏度雖會隨放置時間延長稍有下降，但一定時間后趨于穩定，因其具有抗降解性[25]。

2.6 凍融對表觀黏度的影響

圖13和圖14分別為凍融對RP和EROS的表觀黏度影響測試結果。

圖13 凍融對RP表觀黏度的影響Fig.13 Effect of freeze-thaw on the apparent viscosity of RP

圖14 凍融對EROS表觀黏度的影響Fig.14 Effect of freeze-thaw on the apparent viscosity of EROS

由圖13可知，凍融處理未改變RP的流體類型，但表觀黏度稍有降低，4℃和-20℃儲存影響差別不大，可能是低溫處理使氫鍵斷裂、糖鏈結構被破壞，造成表觀黏度降低。由圖14可知，凍融處理并未改變EROS的表觀黏度曲線的趨勢，4℃冷藏的初始表觀黏度略有提高，而-20℃凍藏使初始黏度提高但低于4℃儲存，這可能是冷藏處理使EROS分子間交聯加強，致使表觀黏度提高[24]，而凍藏處理破壞EROS的分子交聯使表觀黏度稍有降低；隨著剪切力增大，各處理組EROS表觀黏度趨于一致，說明EROS具有較好的抗凍融能力，并且較RP強。

3 結論

RP和EROS均為黏彈性非牛頓流體，適用于管道輸送，有利于食品加工利用，但生物酶解后的EROS彈性減弱。濃度、pH值和凍融對二者表觀黏度的影響較小，但EROS耐酸堿穩定性較RP弱，而抗凍融能力比RP好，對pH值變化的穩定性表明RP和EROS適用于酸性和堿性食品中。加熱時間和放置時間對二者表觀黏度的影響較大，主要是影響其低剪切力時的表觀黏度，當到達中等剪切力后表觀黏度趨于穩定。本研究考察了桑枝多糖和桑枝低聚糖溶液在不同影響因素條件下的表觀黏度變化情況，為其在食品工業中的應用及品質控制提供理論支持。