茶籽粕多糖流變學性質分析

焦宇知,汪艷芝,朱　云,徐　桃,蔡　云,何志勇,梁家冰,翟瑋瑋

(1.江蘇食品藥品職業技術學院,江蘇淮安 223005;2.Purdue University,West Lafayette,IN,USA,47907;3.江南大學,江蘇無錫 214122;4.山東省莒縣人民醫院,山東莒縣 276511)

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茶籽粕多糖流變學性質分析

焦宇知1,2,汪艷芝1,朱云1,徐桃1,蔡云3,何志勇3,梁家冰4,翟瑋瑋1

(1.江蘇食品藥品職業技術學院,江蘇淮安 223005;2.Purdue University,West Lafayette,IN,USA,47907;3.江南大學,江蘇無錫 214122;4.山東省莒縣人民醫院,山東莒縣 276511)

以研究茶籽粕多糖溶液流變學特性為目的,以分級沉淀和去蛋白后得到的茶籽粕多糖(TSPs80)為對象,采用AR1000流變儀測定了其流變學特性及溫度、剪切速率、pH、蔗糖、檸檬酸和金屬離子等因素對流變學特性的影響。實驗結果表明,TSPs80為假塑性流體,具有觸變流體特征。TSPs80的粘度在相同剪切速率條件下與濃度呈正線性相關(p<0.05);相同濃度條件下,雖然粘度低于黃原膠,但粘度變化的穩定性隨剪切速率變化高于黃原膠(p<0.05);25～70 ℃內,粘度保持高度穩定,而黃原膠則隨溫度上升粘度迅速下降;粘度隨pH升高而升高,隨Na+和Ca2+添加量的增加而降低,但變化幅度不大;蔗糖和檸檬酸能顯著提高TSPs80粘度(p<0.05)。

茶籽粕,多糖,粘度,流變學性質

我國盛產油茶籽,油茶籽加工后的副產品茶籽餅粕資源豐富[1]。取油之后的茶籽粕中除含有茶皂素、茶蛋白外,還含有大量的糖類物質。研究表明,茶籽多糖具有促進生長、抗氧化、抑制白血病細胞生長和抗腫瘤的作用[1-5]。

流變學是研究樣品在力的作用下表現出來的某些流動行為變化和結構變化。流變學性質方面的研究主要包括靜態流變學性質(研究流體類型,如牛頓流體和非牛頓流體)和動態流變學性質(在頻率、溫度和時間掃描下儲能模量G′和損耗模量G″的響應變化值)兩種。通過粘度(如旋轉粘度計法)、屈服應變(如流動曲線法、Casson法等)、觸變性、靜態粘彈性(如應力松弛測量和蠕變測量)、動態粘彈性(如縱向振動法和剪切振動法)等流變學性質的檢測,可了解其在食品加工(如混和、攪拌、泵抽吸等)中的性質變化、粘彈性和穩定性等。

目前,茶籽多糖的研究主要集中在多糖的提取[6-9]、分離純化[10-12]、及生物活性[13]和多糖含量測定方法等方面[14-15]。鮮見茶籽粕多糖的流變學性質研究報道。流變儀作為食品流變學性質測量的常見儀器,已在多糖流變學性質測定中得到廣泛應用。如胡建國等采用ARES 流變儀測定了黃原膠溶液的流體模型和動態粘彈特性等[18]。因此,本工作擬以茶籽粕經脫脂、分級沉淀并去蛋白的茶籽粕多糖為實驗對象,采用AR1000流變儀測定其流變學特性及溫度、剪切速率、pH、蔗糖、檸檬酸和金屬離子等常見食品環境因素對其流變學特性的影響,從而為茶籽粕多糖在食品工業中的應用提供參考。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

茶籽餅粕福建天香集團;黃原膠、氯化鈉、蔗糖、氯化鈣、檸檬酸國藥集團,分析純。

Beckman J-26xp高速冷凍離心機美國貝克曼公司;B-811索氏抽提器瑞士BUCHI公司;3K-15冷凍干燥機德國Sigma公司;PHS型數顯酸度計瑞士梅特勒-托利多公司;AR1000流變儀英國TA儀器公司。

1.2實驗方法

1.2.1茶籽多糖的提取和純化精確稱取過篩后的茶籽餅粕50 g置于索氏提取器中,石油醚90 ℃下回流提取1 h后抽濾,得到脫脂茶籽粕。茶籽粕加入12倍質量的水,于55 ℃浸提3 h后8000 r/min離心20 min,抽濾,濾液濃縮至25 mL,加入100 mL 90%乙醇,于8 ℃靜置沉淀12 h,沉淀物用無水乙醇、丙酮、乙醚交替洗滌2次,所得固體樣品凍干,得到茶籽粕粗多糖(TSPs)。TSPs中加入100 mL 60%乙醇,于8 ℃靜置沉淀12 h,8000 r/min離心20 min,取上清液用80%乙醇,于8 ℃靜置沉淀12 h,所得固體樣品凍干,得到初步純化的茶籽粕多糖。取凍干樣品1.0 g,用10 mL蒸餾水溶解,加3 mL氯仿和1 mL正丁醇,20 min后離心5 min(3000 r/min),取上清液,用4倍體積的95%乙醇醇析,離心后沉淀冷凍干燥,得到部分去蛋白的茶籽粕多糖TSPs80,所得TSPs80中蛋白質含量為4.32 g/100 g。

1.2.2茶籽粕多糖流變學特性測定

1.2.2.1濃度對茶籽多糖溶液流變特性的影響配制質量濃度分別為10、20、50、75、100 mg/mL的TSPs80水溶液,采用AR1000流變儀的雙圓筒測試系統(下同)分別測定其在同一剪切速率(0.1 s-1)條件下的粘度。

1.2.2.2剪切速率對茶籽多糖溶液流變特性的影響配制質量濃度分別為10、20、50、75、100 mg/mL的TSPs80水溶液,分別測定相同濃度條件下TSPs80溶液粘度隨剪切速率的變化規律,以10 mg/mL的黃原膠水溶液作對比。另配制質量濃度為100 mg/mL的TSPs80水溶液,分別測定剪切遞增和剪切遞減時粘度的變化規律。

1.2.2.3茶籽多糖溶液觸變性實驗測定在30 ℃,34.41 s-1剪切速率條件下,10～60 s范圍內粘度隨剪切時間變化。

1.2.2.4溫度對茶籽多糖水溶液流變特性的影響20 mg/mL和100 mg/mL的TSPs80水溶液分別從25 ℃均勻升溫至80 ℃,剪切速率為0.1 s-1,測定其粘度變化,以10 mg/mL的黃原膠水溶液作對比,比較兩者流變特性差異。

1.2.3模擬食品體系環境對茶籽粕多糖流變學特性的影響

1.2.3.1pH對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性的影響用HCl或NaOH調節100 mg/mL TSPs80水溶液的pH分別至3.0、4.0、5.0、6.0,測定其不同剪切速率條件下的粘度。

1.2.3.2蔗糖添加量對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性的影響100 mg/mL TSPs80水溶液中加入蔗糖,使其質量濃度分別為0、100、200、300 mg/mL,測定其不同剪切速率條件下的粘度。

1.2.3.3檸檬酸添加量對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性的影響100 mg/mL TSPs80水溶液中加入檸檬酸,使其濃度分別為0、10、50、100 mg/mL,測定其不同剪切速率條件下的粘度。

1.2.3.4Na+和Ca2+添加量對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性的影響100 mg/mL TSPs80水溶液中分別加入NaCl和CaCl2,使Na+和Ca2+濃度分別為50、150和250 mmol/L,測定其不同剪切速率條件下的粘度。

1.3數據統計分析

所有實驗都重復3次,采用IBM SPSS 20和OriginPro 8對數據進行差異分析和作圖。

2　結果與分析

2.1濃度和剪切速率對茶籽多糖溶液流變特性的影響

圖1　TSPs80粘度隨濃度變化Fig.1　Variation of viscosity of TSPs80 with concentration

剪切速率不變(0.1 s-1)時,TSPs80在一定濃度范圍內(20～100 mg/mL),粘度與濃度呈正線性相關(圖1,R2=0.9973)。隨著剪切速率的增加,溶液粘度逐漸降低,呈現典型的假塑性特征,屬于非牛頓型流體(圖2)。雖然100 mg/mL的TSPs80粘度在低剪切速率條件下遠低于10 mg/mL的黃原膠(圖2),但當剪切速率到達36.12 s-1(接近人咀嚼食物時舌頭的攪拌速率[17])后,兩者粘度無顯著差異(p<0.05),且黃原膠粘度此后仍持續緩慢下降,而TSPs80粘度則趨于穩定,表現出黃原膠比TSPs80對剪切敏感。

圖2　TSPs80和黃原膠粘度隨剪切速率變化Fig.2　Variation of viscosity of TSPs80and xanthan gum with shear rate

2.2茶籽多糖溶液觸變性

TSPs80(100 mg/mL)在34.41s-1的外切力剪切作用下(接近人咀嚼時舌頭的攪拌速率[17]),TSPs80粘度(100 mg/mL)隨剪切時間的延長而降低(圖3),說明茶籽多糖溶液具有一定的觸變性[18]。

TSPs80(100 mg/mL)的粘度隨剪切速率的增加而逐漸降低,而剪切速率下降過程中,粘度呈現一定程度的恢復(圖3),這可能是由于TSPs80在高剪切速率下,雙螺旋網狀聚合體結構發生解聚,形成無規則線團結構,而在剪切速率下降過程中,結構又逐步恢復到聚合狀態,從而導致粘度增加[18]。

圖3　TSPs80的粘度隨剪切時間剪切速率循環變化Fig.3　Variation of viscosity of TSPs80with shear time and cycle of shear rate change

2.3溫度對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性的影響實驗結果分析

TSPs80在25～70 ℃范圍內的粘度無顯著變化,而黃原膠溶液的粘度下降迅速(圖4)。TSPs80在食品加工常見的溫度范圍內粘度保持穩定,使TSPs80比黃原膠更適合于需要溫度變化但粘度穩定的食品加工。在溫度高于75 ℃時,TSPs80粘度快速升高,可能是由于TSPs80溶液在高溫下失水增多而使得濃度快速上升,從而導致其粘度快速升高。

圖4　TSPs80和黃原膠的粘度隨溫度變化Fig.4　Variation of viscosity of TSPs80and xanthan gum with temperature

2.4模擬食品體系環境對茶籽粕多糖粘度和流變學特性的影響實驗結果分析

2.4.1pH對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性的影響實驗結果分析TSPs80(100 mg/mL)粘度隨pH升高而升高,但升高幅度不大(圖5),且粘度變化趨勢未發生變化。原因可能是TSPs80是一種帶負電的酸性多糖,隨著pH的增加,已有的負電荷逐漸被中和,原有的負-負斥力減弱,從而破壞了部分分子間的氫鍵,使分子高度伸展而易于溶解在水中,導致粘度增大。據報道,阿拉伯膠、海藻酸鈉、刺槐豆膠等常見食品膠水溶液的粘度對pH的變化都很敏感[19]?？梢?在常見食品體系的酸度范圍內,TSPs80表現出較高的耐酸性,且溶液未發生膠凝作用,可應用到酸性飲料等食品中。

圖5　TSPs80的粘度隨pH變化Fig.5　Variation of viscosity of TSPs80 with pH

2.4.2蔗糖和檸檬酸添加量對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性影響的實驗結果分析TSPs80(100 mg/mL)粘度隨蔗糖添加量的增加而顯著增加(圖6,p<0.05)。原因可能是蔗糖本身對體系的粘度有一定程度的貢獻,且蔗糖分子的水化作用使TSPs80自由水降低,TSPs80分子鏈相互作用增強,加劇多糖分子間氫鍵的聚合導致粘度增加[20]。添加蔗糖后的TSPs80溶液的流變性特性未發生改變,仍然是假塑性流體,且溶液未發生膠凝作用。因此TSPs80可添加在含糖食品中。TSPs80(100 mg/mL)粘度隨檸檬酸添加量的增加而顯著增加(圖7,p<0.05),但增加幅度較蔗糖要低,原因可能是檸檬酸導致TSPs80體系pH下降,另外其對TSPs80體系粘度的貢獻和水化作用均弱于蔗糖。

圖6　TSPs80的粘度隨蔗糖添加量變化Fig.6　Variation of viscosity of TSPs80with amount of sugar addition

圖7　TSPs80的粘度隨檸檬酸添加量變化Fig.7　Variation of viscosity of TSPs80with amount of citric acid addition

圖8　TSPs80的粘度隨NaCl添加量變化Fig.8　Variation of viscosity of TSPs80with amount of NaCl addition

圖9　TSPs80的粘度隨CaCl2添加量變化Fig.9　Variation of viscosity of TSPs80with amount of CaCl2 addition

2.4.3Na+和Ca2+添加量對茶籽多糖水溶液粘度和流變特性影響的實驗結果分析實驗濃度范圍內,隨著Na+和Ca2+濃度的增加,TSPs80(100 mg/mL)粘度下降(圖8和圖9)。原因可能是,隨著鹽類的添加量的增加,多糖溶液的離子環境發生改變,導致分子鏈凈電荷間的作用力減弱加劇,降低了多糖溶液分子間的締合度,從而使溶液的黏度下降[21]。另外,有研究認為加入的金屬離子改變多糖溶液的pH,也一定程度上導致了粘度的變化[22]。Na+和Ca2+的添加導致TSPs80粘度下降的幅度隨剪切速率變化呈現無規律性變化(圖8和圖9),這可能是不同剪切速率下多糖聚合體結構變化、分子鏈凈電荷間的作用力變化和pH變化三者綜合作用的結果。Na+和Ca2+在同一添加量條件下,對TSPs80粘度下降的貢獻無顯著差異(圖8和圖9),原因可能是兩者對于多糖溶液的離子環境和pH改變的影響相近?？傮w而言,Na+和Ca2+的添加對TSPs80溶液的粘度變化幅度及趨勢影響不大,具有良好的耐鹽穩定性[23]。因此,TSPs80可應用于高鹽食品體系中,這對于具有一定滲透壓的食品(如:運動型飲料、鹽汽水等)中有著重要的應用價值。

3　結論

以茶籽餅粕經脫脂、分級沉淀和去蛋白后得到的TSPs80為對象,測定了其粘度性質、流變學特性及模擬食品體系環境條件對茶籽粕多糖流變學特性的影響。實驗結果表明,TSPs80為假塑性流體,且流體性質不隨質量濃度和pH變化、金屬離子、蔗糖和檸檬酸的添加量而改變,具有觸變流體特征。TSPs80的粘度在相同剪切速率條件下與濃度呈線性正相關;相同濃度條件下,粘度低于黃原膠,但其隨剪切速率變化的粘度變化穩定性高于黃原膠;25～70 ℃內,粘度保持高度穩定,而黃原膠則隨溫度上升粘度迅速下降;粘度隨pH升高而升高,隨Na+和Ca2+添加量的增加而降低,但變化幅度不大;蔗糖和檸檬酸能顯著提高TSPs80粘度。

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Analysis of rheological properties of polysaccharides from oil-tea-cake

JIAO Yu-zhi1,2,WANG Yan-zhi1,ZHU Yun1,XU Tao1,CAI Yun3, HE Zhi-yong3,LIANG Jia-bing4,ZHAI Wei-wei1

(1.Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College,Huai’an 223005,China; 2.Purdue University,West Lafayette,IN,USA,47907; 3.Jiangnan University,Wuxi 214122,China; 4.Civil Hospital of Juxian,Juxian 276511,China)

To investigate rheological properties of polysaccharides from oil-tea-cake,TSPs80produced by fractional precipitation and then deproteinization of polysaccharides from oil-tea-cake was used as sample. AR1000 rheometer was employed to test rheological properties as well as its influencing factors of TSPs80,including temperature,sheer rate,pH and amount of sugar,citric acid and metal ions etc. Results showed TSPs80was a typical pseudoplastic fluid with thixotropy. TSPs80solutions showed a positive linear correlation between viscosity and concentration at a fixed share rate(p<0.05),and significant higher viscosity stability than xanthan gum under varied shear rates in spite of lower viscosity than xanthan gum at same concentrations(p<0.05). Compared with xanthan solution’s sharp decrease in viscosity,TSPs80solutions remained highly stable with increase of temperature between 25 ℃ and 70 ℃. Both metal ions(Na+and Ca2+)and changes of pH had little effect on the viscosity of TSPs80solution,which increased significantly with increasing amount of sugar and citric acid(p<0.05).

oil-tea-cake;polysaccharides;viscosity;rheological property

2016-02-01

焦宇知(1979-)，男，碩士，副教授，研究方向：植物功能因子開發，E-mail：ningmen3749574@163.com。

江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人計劃資助(蘇教師(2014)23號)；淮安市食品技術研究院項目(HAP201301)；企業委托橫向合作項目(蘇食院合字(2015)432號)；江蘇省首批高校優秀中青年教師境外研修計劃(蘇教師[2011]34號)；2016江蘇省高校大學生實踐創新計劃。

TS229

A

1002-0306(2016)17-0134-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.017