菠蘿蜜多糖流變學特性研究

馬之原，朱科學，吳桂萍，張彥軍，譚樂和, ，吳 剛，徐 飛

（1.華中農業大學食品科技學院，湖北武漢 430070；2.中國熱帶農業科學院香料飲料研究所，海南萬寧 571533；3.海南省特色熱帶作物適宜性加工與品質控制重點實驗室，海南萬寧 571533）

多糖是一類來源廣泛的天然高分子聚合物，由單糖通過糖苷鍵相互結合而成[1]，具有抗氧化、抗病毒、抗疲勞、抑制腫瘤、降血脂、降血糖、保肝、免疫調節等生理活性[2?7]。多糖溶液本身具有一定的粘彈性，此外，多糖的凝膠化對于食品質構和感官特性至關重要，因此可用作食品中的增稠劑、穩定劑、膠凝劑和粘合劑[8]等。

多糖流變學特性對于多糖類的提取工藝、食品設計、感官評價、產品研發、貨架期評估等都具有重要意義[9]。在食品加工過程中，濃度、剪切速率、溫度、pH、金屬離子等因素都影響著多糖的流體特性。IAGHER等[10]發現芒果果肉中多糖溶液濃度為3 g/L時具有假塑性行為并且表現為粘彈性液體；MA等[9]報道了薯蕷粗多糖溶液和濃度為40%、60%的薯蕷多糖溶液的流變性都表現為假塑性和“凝膠狀”行為。

菠蘿蜜（Artocarpus heterophyllusLam.）是一種木本糧食作物，分布于我國華南地區，種植歷史悠久[11]，雖易于種植、產量較大但商品化程度不高，經濟效益低；大多以鮮果或粗加工產品形式銷售，缺乏精深加工限制了菠蘿蜜產業價值的提升[12?13]。菠蘿蜜多糖（JFP-Ps）具有較強的體外抗氧化活性及免疫調節等活性[2?3]；對于人體腸道微生物菌群調節有明顯益處[14]，是一種具有開發潛力的生物活性物質。目前，對菠蘿蜜多糖的流變性仍有待深入研究。本文通過分析濃度、剪切速率、溫度、pH、凍融和鹽濃度等因素對JFP-Ps表觀粘度和粘彈性的影響，考察JFPPs溶液的流變學特性，為JFP-Ps在食品工業的研發和生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

JFP-Ps（總糖含量為79.12%，主要由鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和半乳糖醛酸組成，平均分子量為1668 kDa[2]） 由中國熱帶農業科學院香料飲料研究所提取純化制得；HCl、NaOH 分析純，國藥集團化學試劑有限公司；NaCl、KCl 分析純，西隴化工股份有限公司。

DV2T粘度計 美國博勒飛公司；MCR302流變儀 奧地利安東帕公司；FE20pH計、AL104型電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司；K-98-IIA電熱恒溫水浴鍋 天津市泰斯特儀器有限公司；Master-s-plus UVF全自動超純水設備 上海和泰公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 濃度和剪切速率對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響 分別稱取一定質量的JFP-Ps樣品，蒸餾水配制0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%（w/v，下同）的 JFP-Ps溶液，室溫（25 ℃）下測定60 r/min下的表觀粘度。室溫（25 ℃）條件下分別測定0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的JFP-Ps溶液在5、15、30和60 r/min剪切速率條件下的表觀粘度。

1.2.2 溫度對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響 蒸餾水配制 0.8% JFP-Ps溶液在 30、40、50、60、70、80和90 ℃下恒溫保持10 min，分別于60 r/min下測定其表觀粘度。

1.2.3 凍融變化對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響 蒸餾水配制 0.8% JFP-Ps溶液，4 ℃和?20 ℃下保持24 h，解凍至室溫（25 ℃），分別于60 r/min下測定其表觀粘度，與未處理溶液的表觀粘度值進行比較。

1.2.4 加熱時間對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響 蒸餾水配制0.8% JFP-Ps溶液，60 ℃下分別加熱0.5、1、1.5、2、2.5、5 h，冷卻至室溫（25 ℃）后，分別于60 r/min下測定其表觀粘度。

1.2.5 pH對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響 蒸餾水配制 0.8% JFP-Ps溶液，用 1 mol/L HCl溶液和1 mol/L NaOH溶液調節 JFP-Ps溶液 pH至 2、3、4、5、6、7、8、9、10，分別于 60 r/min下測定其表觀粘度[15]。

1.2.6 JFP-Ps溶液耐鹽性研究 蒸餾水配制0.8%JFP-Ps 溶液，室溫（25 ℃）下加入 NaCl、KCl使溶液中NaCl、KCl的終濃度均為5%，攪拌均勻，加入無機鹽后，膠溶液體系不穩定，靜置1 d后測量在60 r/min下的表觀粘度，連續測定5 d，研究JFP-Ps溶液的耐鹽性[16?17]。

1.2.7 JFP-Ps粘彈性的測定 采用MCR302流變儀對樣品的流變特性進行研究。采用動態應變掃描法測定應變范圍為0.01%~100%的線性粘彈性體系。在控制應變模式下，用振蕩法對儲能模量G'和損耗模量G''進行動態頻率掃描測量。將試樣加載到流變儀上，使其平衡至測量溫度（（25±1）℃, 0.5 min）。頻率掃描條件：頻率 0.1~10 Hz（應變 0.01%），記錄G隨頻率變化的曲線圖。

1.2.8 抗降解性能 蒸餾水配制0.8%JFP-Ps溶液，室溫（25 ℃）下放置 3、6、12、24、48、72、96 h，測定JFP-Ps溶液表觀粘度。

1.3 數據處理

所有實驗重復三次，使用 Excel 2020、SPSS 24.0軟件處理數據，實驗結果均用平均值±標準差表示，用Origin 2020軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 濃度和剪切速率對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響

濃度對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響如圖1所示，JFP-Ps溶液的表觀粘度與濃度呈正相關，該變化可能是隨著溶液濃度的增加，溶液中單位體積內分子數增加，鏈內、鏈間相互無順序的纏繞和鏈間的相互作用增強，使溶液的流動阻力進一步增加[17?18]，多糖濃度為1.0%時，表觀粘度基本上達到最大值3.79 mPa·s。ANVARI[19]、WU[20]、CHEN[21]分別研究了Alyssum homolocarpum種子果膠、船果仁酸性多糖和秋葵多糖的表觀粘度，溶液的表觀粘度隨著濃度的增加而增加，與本結果一致。

圖1 濃度對JFP-Ps表觀粘度的影響Fig.1 Effect of concentration on viscosity of JFP-Ps

濃度和剪切速率對JFP-Ps表觀粘度的影響如圖2所示。JFP-Ps溶液濃度在0.2%~1.0%時，JFPPs溶液的表觀粘度隨剪切速率的增加而降低，呈現剪切稀釋現象，說明JFP-Ps為“非牛頓流體”，呈現假塑性行為。在相同濃度下，剪切速率越高，JFP-Ps溶液表觀粘度越低，即JFP-Ps溶液表觀粘度隨剪切速率的增大而減小。相同剪切速率下，濃度越高，JFPPs溶液表觀粘度越大。當剪切速率增大時，高濃度JFP-Ps溶液（0.6%~1.0%）的表觀粘度降低的速率逐漸減慢。可能是由于低剪切速率時，單糖分子鏈通過靜電阻力、氫鍵等作用形成無規則體系，其分子鏈相互纏繞，產生很大的粘性阻力。在高剪切速率下，布朗運動隨機取向被破壞，傾向于使顆粒沿定向流動[22]。剪切速率增大時，分子間作用力被破壞，分子鏈的運動阻力降低，由該取向阻力產生的表觀粘度隨著剪切速率的增加而降低。當剪切速率超出一定范圍后，體系的分子鏈形成比較穩定有序的結構，剪切速率的變化對表觀粘度造成的影響不明顯[23]。本實驗結果與朱會霞[24]、郭守軍[18]、XU[25]、STOKES[26]、GALL?O[27]等研究的樟芝多糖、龍須菜多糖、花菇多糖和鐵架木種子多糖等報道結果一致。

圖2 剪切速率和濃度對JFP-Ps表觀粘度的影響Fig.2 Effects of shear rate and concentration on viscosity of JFP-Ps

2.2 溫度對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響

如圖3所示，隨著溫度的上升，JFP-Ps溶液的表觀粘度由 2.97 mPa·s逐漸下降至 1.66 mPa·s。當體系溫度升高時，分子熱運動加劇，導致分子鏈間和鏈內氫鍵的斷裂[19,27]，削弱了多糖大分子間的纏結[28]，使溶液出現了熱脹現象，即JFP-Ps溶液產生了“稀釋效應”，此效應降低了JFP-Ps溶液的表觀粘度。研究結果與菅紅磊[29]、蔣建新[28]、郭守軍[30]等研究的皂莢多糖、塔拉多糖膠、帶形蜈蚣藻多糖結果一致。

圖3 溫度對JFP-Ps表觀粘度的影響Fig.3 Effect of temperature on viscosity of JFP-Ps

2.3 凍融變化對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響

凍融變化對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響如圖4所示，與空白組相比，?20 ℃冷凍處理后的JFPPs溶液表觀粘度升高了0.78 mPa·s，4 ℃冷藏處理后的JFP-Ps溶液表觀粘度升高了0.23 mPa·s，這表明冷凍和冷藏的處理過程中多糖溶液中分子的物理性交聯增加，從而升高了JFP-Ps溶液的表觀粘度。此外，冷凍處理使多糖分子間交聯程度增加的幅度較大[17,28]，因而溶液表觀粘度有較大幅度的增加。但總體來看，凍融變化對JFP-Ps溶液的表觀粘度影響較小。研究結果與郭守軍[17,28]研究的龍須菜多糖和帶形蜈蚣藻多糖結果一致。

圖4 凍融變化對JFP-Ps表觀粘度的影響Fig.4 Effect of freezing thawing on viscosity of JFP-Ps

2.4 加熱時間對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響

加熱時間對JFP-Ps溶液表觀粘度有一定的影響，當加熱時間在1.5 h內，JFP-Ps溶液的表觀粘度隨時間的延長而增加，當加熱至1.5 h時，JFP-Ps溶液的表觀粘度增至最大達到2.98 mPa·s，當加熱時間超過1.5 h，JFP-Ps溶液的表觀粘度逐漸減小（圖5）。加熱增加了JFP-Ps的溶解性和分散性，即相應的增加溶液的表觀粘度，但是隨著時間的延長，分子熱運動加劇，分子間相互作用力減弱，因此溶液的流動阻力下降[18]；此外，溶液中的多糖分子可能發生降解，多糖分子鏈變短，經過長時間的高溫加熱，溶液出現了熱脹現象[29]，導致JFP-Ps溶液的表觀粘度降低。

圖5 加熱時間對JFP-Ps表觀粘度的影響Fig.5 Effect of heating time on viscosity of JFP-Ps

2.5 pH對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響

pH對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響如圖6所示，JFP-Ps溶液在pH4~10區間內表觀粘度值為3.05~3.07 mPa·s，未產生較大變化。當溶液pH小于4時，溶液表觀粘度隨酸性增強而下降，由3.07 mPa·s降至2.92 mPa·s，可能是由于JFP-Ps溶液中，大分子糖呈無規則線團狀，彼此交疊，相互纏結，過量的酸根離子起到了靜電屏蔽作用而使單個高分子無規線團緊縮[29]，從而減弱了纏結程度，導致JFP-Ps表觀粘度降低。但總體結果表明JFP-Ps溶液具有良好的耐酸堿穩定性，故JFP-Ps可用于酸性和堿性食品中。

圖6 pH對JFP-Ps表觀粘度的影響Fig.6 Effect of pH on viscosity of JFP-Ps

2.6 JFP-Ps溶液耐鹽性研究

JFP-Ps溶液的耐鹽性如圖7所示，5% NaCl溶液和5% KCl溶液對JFP-Ps溶液表觀粘度的影響存在差異。Na+的加入使JFP-Ps溶液的表觀粘度隨著時間的延長而減小，放置3 d后的表觀粘度變化量（0.23 mPa·s）大于放置 1~ 2 d 的表觀粘度變化量（0.09 mPa·s），原因可能是 Na+與 JFP-Ps 分子上的羥基反應生成鈉鹽[28]，阻礙了分子間締合氫鍵的形成，造成表觀粘度的下降。K+的加入使JFP-Ps溶液的表觀粘度隨著時間的延長而增大，加入KCl的JFPPs溶液放置4 d時，JFP-Ps溶液表觀粘度升高了0.22 mPa·s，說明 K+與 JFP-Ps分子間可能發生了交聯反應[31]，可能是K+減少了JFP-Ps分子的電荷，促使可溶性分子配合物的產生[32]，掩蓋了半乳糖醛酸殘基之間的靜電作用，溶液的聚合更加靈活[33]，從而使表觀粘度增大。溶液在放置4 d后表觀粘度變化不大，說明JFP-Ps有良好的耐鹽特性，可應用于高鹽食品中。

圖7 JFP-Ps溶液耐鹽性研究Fig.7 Study on salt tolerance of JFP-Ps

2.7 JFP-Ps粘彈性測量分析

儲能模量G'指粘彈性材料在交變應力作用下一個周期內儲存能量的能力，通常指彈性；耗能模量G''指在一個變化周期內所消耗能量的能力，通常指粘性。本實驗用頻率振蕩測試JFP-Ps溶液的粘彈特性，不同濃度JFP-Ps振蕩測試結果如圖8所示。JFP-Ps溶液的儲能模量G'和損耗模量G''隨著溶液濃度的增大而上升，這是由于在低濃度下不能參與非共價交叉連接的分子間帶，在較高的濃度下可以形成結合帶[19]，使分子間網絡增多。濃度為0.4%、0.8%和1%的JFP-Ps溶液的儲能G′和損能G″隨著頻率的增大而增大，且G′一直高于G″，表明在0.1~10 Hz整個頻率范圍內，JFP-Ps仍表現出彈性行為，呈現凝膠性質。此時高濃度下的JFP-Ps溶液可能會形成凝膠網絡[31]，其凝膠的穩定與其濃度有一定的依賴性，呈現的凝膠性質可能與其具有的三維網狀結構、官能團、交聯程度及聚合度等相關[34]。

圖8 不同濃度JFP-Ps振蕩測試結果Fig.8 Test results of different concentrations of JFP-Ps oscillation

2.8 JFP-Ps溶液的抗降解性能

如圖9所示，JFP-Ps溶液在放置0~12 h時，多糖溶液表觀粘度逐漸由3.16 mPa·s下降至2.49 mPa·s，可能是多糖自身帶有的α-半乳糖苷酶和β-甘露聚糖酶起到降解作用，以及其他微生物的侵蝕作用導致表觀粘度降低[35]。12~48 h時，多糖溶液表觀粘度下降速率變慢，變化量為0.3 mPa·s，放置超過48 h后，溶液表觀粘度基本不變，表明JFP-Ps具有良好的抗降解性能。郭守軍[30]和朱科學等[32]研究結果表明帶形蜈蚣藻多糖溶液和苦丁茶冬青多糖溶液均具有良好的抗降解性能，本實驗研究結果與之相一致。

圖9 JFP-Ps抗降解性曲線Fig.9 JFP-Ps degradation resistance curve

3 結論

JFP-Ps為“非牛頓流體”，呈現假塑性行為，具有良好的抗降解性能；JFP-Ps溶液的表觀粘度與濃度呈正相關，隨剪切速率的增加呈現剪切稀釋現象；隨著溫度的升高，JFP-Ps溶液表觀粘度降低；冷凍（?20 ℃）和冷藏（4 ℃）均能使 JFP-Ps溶液表觀粘度增加；JFP-Ps溶液表觀粘度隨加熱時間的增加而增大，當加熱時間超過1.5 h時，JFP-Ps溶液的表觀粘度逐漸減小；JFP-Ps溶液在pH4~10范圍內表觀粘度值變化不大；Na+的加入使JFP-Ps溶液的表觀粘度減小，K+的加入使JFP-Ps溶液的表觀粘度增大；在粘彈性測試中，JFP-Ps的儲能G′和損能G″隨著頻率的增大而增大，且G′始終高于G″，另外，JFP-Ps溶液的儲能模量G'和損耗模量G''隨著溶液濃度的增大而上升，呈現凝膠性質；研究表明，JFP-Ps具有良好的酸堿穩定性、耐鹽穩定性和良好的抗降解性能，可廣泛應用于酸性或堿性食品、高鹽食品、冷凍冷藏食品等食品中。本研究為JFP-Ps在食品工業中的功能食品、食品感官評價及天然增稠劑的選擇提供了一定的理論支持。