白木通果膠的結構和流變特性

汪新潔 羅君蘭 楊晨希 趙 強 熊 華

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室 南昌330047）

果膠是一種結構和功能復雜的多糖， 主要存在于植物細胞的細胞壁中[1]。果膠分子主要由3 部分構成：同型半乳糖醛酸聚糖（Homogalacturonan，HG）、Ⅰ型鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（Rhamnogalacturonan Ⅰ，RG-Ⅰ）和Ⅱ型鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（Rhamnogalacturonan Ⅱ，RG-Ⅱ）[2]。 果膠具有多種生理功能，被廣泛應用于食品、醫藥和化工領域。 如在食品工業中，果膠常被用于糖果產品（如果醬、果凍、蜜餞）[3]、飲料[4-5]和冷凍食品[6]的生產；在制藥行業， 果膠常被用來控制血液中膽固醇的含量，治療腸胃疾病[7]或作為控制藥物持續釋放的膠囊劑；化工行業，如用于水/油乳液的穩定劑、可食用薄膜、紙張替代品、泡沫和增塑劑等[8]。

果膠的性質主要表現為凝膠特性， 其凝膠特性通常受到多種因素的影響，如果膠濃度、溫度、金屬離子種類和強度以及溶液中其它溶質等。Chou 等[9]研究了番茄醬、蘋果和柑橘果膠的流變性質， 結果表明每一種果膠凝膠系統均表現出無規則盤繞行為，并且加工后果膠的黏度易受到pH值、濃度和剪切速率的影響。 Han 等[10]研究了果膠濃度、蔗糖濃度、Ca2+等對LMP 的影響，研究結果表明果膠濃度、 蔗糖含量和Ca2+的增加都會導致凝膠強度增加。 Huang 等[11]研究了果膠和MTGase酶復合改性的魚明膠的流變性特性及凝膠特性，通過試驗發現， 可以觀察到0.8 g/100 mL 果膠凝膠強度和熔化溫度的最高值。然而，在最高果膠濃度1.6 g/100 mL 下， 復合改性明膠的凝膠強度和熔融溫度都降低。 Koocheki 等[12]研究了果膠濃度、溫度、pH、 鹽濃度和蔗糖濃度對香雪球種子黏液流變學特性的影響，結果表明，果膠濃度的增加和溫度的降低導致果膠的假塑性和黏度的增加。

近年來， 隨著人們對優質膳食多糖營養性的關注，有關果膠的研究報道越來越多。 然而，目前商業化的果膠一般都從桔皮或蘋果渣中提取，市場為少數國際企業所掌控， 亟待開發新的果膠資源。白木通是一種木通科木通屬植物，又稱八月瓜藤、地海參，其果皮中含有豐富的果膠。 本課題組前期研究了其基本理化性質[13]，尚未研究其流變學特性。 本試驗中采用鹽酸和檸檬酸從白木通果皮中提取果膠，通過掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）、 傅里葉變換紅外光譜儀 （FTIR）、X-衍射（XRD）對其結構進行表征，研究其流變學特性。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

成熟的白木通果，采摘于江西廬山種植基地。其它試劑均為國產分析純。

BS 224S 電子分析天平， 上海奕宇電子科技有限公司；磁力攪拌水浴鍋，金壇市良友儀器有限公司；DHG-9240 恒溫鼓風干燥箱，上海柏欣儀器設備廠；FD-1 真空冷凍干燥機， 北京神泰偉業儀器設備有限公司；RW 20 機械攪拌器、RV 10 旋轉蒸發儀，德國IKA 公司；JSM 6701F 場發射掃描電鏡，日本電子公司；Nicolet 5700 傅里葉變換紅外光譜儀， 美國Thermo 公司；D8 FOCUS 粉末衍射儀，德國Bruker 公司；DHR-2 流變儀，美國TA公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 果膠的制備 果膠的前處理參照Jiang[13]的方法。 將已烘干的果皮粉碎后過60 目篩，裝袋密封，在4 ℃下儲存備用。 根據Taboada 等[14]的方法提取果膠，稍作修改。 10 g 果皮粉加入到300 mL 0.05 mol/L 的鹽酸/檸檬酸溶液中，攪拌均勻，85 ℃水浴條件下機械攪拌提取1.5 h，用200 目紗布趁熱過濾，冷卻后，濾液用2 倍體積100%的乙醇進行沉淀， 邊加邊攪拌， 使乙醇的最終體積分數為67%。 濾液于4 ℃下靜置1 h 后，用200 目紗布進行過濾， 依次用65%，85%，95%，100%的乙醇洗滌。 將醇洗后的果膠進行反復的復溶旋蒸以除去多余的乙醇。 樣品凍干后，用袋封裝，保存在-18℃冰箱中。 鹽酸和檸檬酸提取的果膠分別記為HEP 和CEP。

1.2.2 微觀形態觀察 采用場發射SEM 對2 種果膠的微觀形態進行研究。 用雙面膠將樣品黏在循環樣品臺上，噴金后上機，在電壓5.00 kV 和電流10 μA 的條件下進行觀察。

1.2.3 紅外光譜分析 采用FT-IR 對果膠進行研究。 取少量果膠凍干樣品與溴化鉀混合， 研磨均勻， 然后壓片， 測定FTIR。 掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，掃描次數32 次。 果膠酯化度的計算根據Manrique[15]的FT-IR 光譜方法。

1.2.4 X-衍射分析 采用XRD 測定樣品的結晶性能。 衍射條件為：Cu ka 輻射，電壓為40 kV，電流為40 mA，2θ 范圍為5°～50°。

1.2.5 流變性質的測定 樣品制備：（1）準確稱取2 種果膠，配制成1，3，6 和10 g/100 mL 的果膠溶液， 靜置4 h 后測試；（2）取相同體積的5 g/100 mL 的果膠溶液，經不同溫度（35，55，75，95 ℃）處理10 min，將其冷卻至室溫后測試；（3）取相同體積的5 g/100 mL 的果膠溶液，經95 ℃處理不同時間（5，10，15，20 min）后，將其冷卻至室溫后測試；（4）將2 mL 5 g/100 mL 的果膠溶液與1 mL 不同質量分數（5，10，15，20 g/100 mL）的蔗糖溶液進行混合，搖勻后測試；（5）將2 mL 5 g/100 mL 的果膠溶液中加入1 mL 不同質量濃度 （1，2，3，4 g/100 mL）的CaCl2溶液進行混合，搖勻后測試。

采用DHR-2 流變儀對兩種果膠的靜態流變學性質進行測定。平板直徑為40 mm，板間距離為1 000 μm。靜態測試剪切速率范圍設置為0.1～200 s-1，溫度設置為（25±0.1）℃。

1.3 試驗數據處理

采用origin 8.0 軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 掃描電鏡分析

圖1 為2 種白木通果膠在放大500 倍和5 000 倍下的微觀形態。 從圖中可以看出，HEP 和CEP 的表觀形態具有一定的差異性。 HEP 呈多層重疊的片狀結構，表面比較平整，結構緊致，從高倍圖可以看出，其表面粗糙，有很多顆粒狀和塊狀的分子；CEP 和HEP 的表面形態有些相似， 也是呈多層的片狀結構，但其形狀不規則，片層零散且較薄，從高倍圖上看，CEP 表面比較平滑，呈褶皺狀， 并且有一些塊狀的凸起。 本試驗得到的SEM結果與Jiang[13]報道的不同，這可能是由于果膠提取條件的不同導致其表觀形態出現差異。

2.2 紅外光譜分析

圖1 白木通果膠的表觀形態Fig.1 Morphology of the two Akebia pectins

圖2 為兩種白木通果膠的紅外光譜圖。 從圖中可以看出，兩種果膠的光譜圖大體相似。 3 420 cm-1處的寬吸收峰是由-OH 伸縮振動引起的，2 930 cm-1處的吸收峰是-CH2中的C-H 伸縮振動引起的，2 360 cm-1被認為是三鍵或累積雙鍵的伸縮振動。1 740 cm-1處的吸收峰是甲酯化的羧基的伸縮振動引起的，而1 430 cm-1和1 630 cm-1處的吸收峰分別是由O=C-O 結構的對稱和非對稱振動引起的。1 235 cm-1處的吸收峰是S=O 的伸縮振動引起的，表明白木通果膠中可能存在硫酸根。1 150～1 010 cm-1區域有3 個吸收峰，表明果膠以吡喃糖形式存在。1 147 cm-1處的吸收峰表明果膠分子可能在脂肪環二級醇上存在-CH-OH 結構。1 102 cm-1和1 102 cm-1處的吸收峰表明兩種果膠均富含糖醛酸。 由于兩種果膠在891 cm-1處無吸收峰且在760 cm-1處有吸收峰， 可初步判斷這兩種果膠均為α-異構體D-吡喃糖[16]。 該圖譜與Jiang[13]和Liang[17]的報道相似，而且其吸收類型也與商業果膠相似，證明所提取物確實為果膠。

通過紅外圖譜表征羧基基團區域（1 740 cm-1和1 630 cm-1）酯化羧基和自由羧基的峰面積可以計算果膠的甲酯化度[15]。 根據標準曲線MED=124.7R+2.2013（r2=0.9967），算出HEP 和CEP 的酯化度分別為94.89%和54.03%，該結果表明從白木通果皮中提取的果膠均為高酯果膠， 與Jiang[13]報道的白木通果膠的酯化度59.10%和81.42%的結果有明顯差異，這可能和白木通的種植地點、采摘季節以及果膠的提取方式不同有關。同時，低酯化度的果膠具有更好的溶解性[18]，由此可知CEP的溶解性應該優于HEP。

圖2 兩種白木通果膠的紅外光譜圖Fig.2 FT-IR spectra of the two Akebia pectins

2.3 X-衍射分析

圖3a 和圖3b 分別顯示了HEP 和CEP 的晶體形貌。如圖所示，兩種果膠都存在一定程度的結晶。 HEP 特征峰所在角度為12.93°（2θ）和42.11°（2θ），CEP 特征峰所在角度為42.73°（2θ），HEP 的峰強度大于CEP。 X-衍射結果與樣品的溶解性優劣存在很好的一致性，結晶度越高，樣品溶解性越差。 從結果上看，CEP 的溶解性要優于HEP，這與FT-IR 結果相符合。

圖3 兩種白木通果膠的X-衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of the two Akebia pectins

2.4 靜態流變性分析

2.4.1 果膠濃度的影響 圖4a 和圖4b 顯示了不同濃度的HEP 和CEP 溶液表觀黏度和剪切應力隨剪切速率的變化情況。 如圖所示，在0.1～200 s-1的剪切速率范圍內， 兩種果膠的黏度隨著果膠濃度的增加而增加。 這可能是因為果膠濃度增加使得果膠鏈之間交聯區的數量的增加和果膠分子中羧基基團數量的增加， 果膠分子間作用力增大并且形成網狀結構，使得流體流動阻力增大，從而使表觀黏度增大[16]。 許多文獻報道也證明了果膠的凝膠強度強烈依賴于果膠的濃度[19-20]。對比兩種果膠， 在相同濃度和相同剪切速率下，CEP 比HEP表現出了更大的黏度值，其中，10%的CEP 溶液表現出了最大的黏度值和明顯的假塑性流體特征。結合放大圖和應力圖可以看出，6%的CEP 溶液也表現出了明顯的假塑性流體特征，10% HEP 溶液表現出了較弱的假塑性流體特征。 而其它濃度下的樣品， 其流動行為更接近于理想狀態的牛頓流體——隨著剪切速率的增大， 溶液表觀黏度基本不變。 這說明CEP 的凝膠能力要好于HEP，這可能是因為相比于HEP，CEP 的溶解性更好，果膠分子更容易和水分子結形成氫鍵，更容易形成凝膠。

圖4 不同濃度的HEP 和CEP 溶液的黏度（a）和剪切應力（b）隨剪切速率的變化曲線Fig.4 Curves of viscosity （a）and shear stress （b）vs. shear rate for HEP and CEP solutions with different concentrations

2.4.2 鈣離子濃度的影響 圖5a 和圖5b 顯示了不同鈣離子濃度的HEP 和CEP 溶液黏度和剪切應力隨剪切速率的變化情況。從圖中可以看出，所有的果膠溶液都表現出了假塑性流體的特征，并且相比于CEP，HEP 的假塑性特征更為明顯。在相同剪切速率下， 加入Ca2+后的HEP 的黏度要比CEP 大，這可能是因為HEP 果膠分子中含有更多的羧基基團，可以與Ca2+發生交聯反應，形成“蛋盒”模型，增強了溶液中的果膠網絡[21]。 試驗還發現，對于單獨的HEP 和CEP 溶液，加入2%的Ca2+時， 果膠溶液表現出最大的黏度值， 而繼續增加Ca2+濃度，果膠的黏度反而減小。 這可能是因為一方面在過量的Ca2+加入時果膠溶液中的羧基基團與Ca2+的結合已經達到飽和狀態，繼續增加Ca2+濃度，反而使得溶液中分子間的斥力增大，使得溶液的黏度減小，果膠的凝膠性減弱，另一方面Ca2+的過量加入使得果膠溶液發生了鹽析效應， 溶液中產生了沉淀，使得果膠的凝膠性減弱[22]。

圖5 不同Ca2+濃度的HEP 和CEP 溶液的黏度（a）和剪切應力（b）隨剪切速率的變化曲線Fig.5 Curves of viscosity （a）and shear stress （b）vs. shear rate for HEP and CEP solutions with different Ca2+ concentrations

2.4.3 蔗糖濃度的影響 圖6a 和圖6b 顯示了不同蔗糖濃度的HEP 和CEP 溶液黏度和剪切應力隨剪切速率的變化情況。 在加入不同濃度的蔗糖溶液之后，果膠溶液的黏度相差并不大，這說明較低蔗糖濃度對高酯果膠總體的凝膠性的影響可能較小。從放大圖可以看出，在低剪切速率下（0.1～5 s-1），兩種果膠的黏度突然減小，這可能是因為果膠分子物理交聯點被破壞的速度大于重建的速度，使黏度下降。 從圖6a 放大圖中可以看出，在加入蔗糖的條件下，CEP 表現出了較明顯的剪切稀化特性，而HEP 則表現出了剪切增稠特性。 在剪切速率＞10 s-1時，加入20%的蔗糖溶液的CEP 和HEP 溶液表現出最大的表觀黏度， 這說明蔗糖濃度的增加在一定程度上增加了果膠的凝膠性。 蔗糖分子對果膠的這種作用， 可歸因于糖分子和果膠分子中的羧基和甲酯基基團發生了分子間的締合，使得果膠的凝膠性增強[23]。

圖6 不同蔗糖濃度的HEP 和CEP 溶液的黏度（a）和剪切應力（b）隨剪切速率的變化曲線Fig.6 Curves of viscosity （a）and shear stress （b）vs. shear rate for HEP and CEP solutions with different sucrose concentrations

2.4.4 熱處理時間的影響 圖7a 和圖7b 顯示了不同熱處理時間的HEP 和CEP 溶液黏度和剪切應力隨剪切速率的變化情況。如圖所示，隨著剪切速率的增加， 兩種果膠都表現出了明顯的剪切稀化現象，且HEP 比CEP 剪切稀化程度更高。 對于兩種果膠，在相同剪切速率下，隨著熱處理時間的增加，溶液的黏度越來越小。這可能是因為在加熱條件下， 果膠發生了降解反應， 而熱處理時間越長，果膠分子降解程度越高，分子運動也越劇烈，使得溶液的黏度減小[24]。對于單獨的HEP 和CEP，增加熱處理時間，HEP 的黏度值相差不大，而CEP黏度值變化較為明顯。 這種結果表明熱處理時間對CEP 的影響可能更大。 有研究表明，果膠的酸水解速度受果膠的甲酯化水平影響， 較高的甲酯化程度使得果膠酸水解速率降低[25]，這可能是導致CEP 比HEP 黏度值變化更為明顯的原因，相比于CEP，HEP 甲酯化程度更高，酸水解速率更慢。

圖7 不同熱處理時間的HEP 和CEP 溶液的黏度（a）和剪切應力（b）隨剪切速率的變化曲線Fig.7 Curves of viscosity （a）and shear stress （b）vs. shear rate for HEP and CEP solutions with different treatment time

2.4.5 熱處理溫度的影響 圖8a 和圖8b 顯示了不同熱處理溫度對HEP 和CEP 溶液表觀黏度和剪切應力隨剪切速率的變化情況。如圖所示，兩種果膠也都表現出了表觀黏度隨剪切速率增大而減小的剪切稀化現象。原因和圖7 可能相似，溫度升高， 導致果膠分子運動加劇， 果膠鏈柔順程度增強，流動性增大[24]；分子間氫鍵被破壞，果膠分子降解，也導致果膠分子間的交聯作用逐漸減小，從而導致了溶液的黏度減小[26]。 從圖中可以看出，在相同剪切速率（0.1～200 s-1）下，隨著熱處理溫度的增加，CEP 溶液的黏度逐漸增大， 而HEP 溶液黏度先增大后減小，CEP 比HEP 表現出更高的黏度值，對于HEP，溫度越高，其剪切稀化程度越明顯，95 ℃處理的HEP 果膠的剪切稀化程度最高；對于CEP，溫度升高，對其剪切稀化程度影響并不大，95 ℃處理的CEP 果膠表現出最大的黏度值。 這可能是因為HEP 果膠的分子鏈更長，在較高的溫度處理下， 果膠鏈斷裂越多， 剪切稀化程度也越明顯，而對于CEP，溫度升高，使得其分子運動加劇，果膠分子之間的作用更頻繁， 網狀結構不斷被破壞和重建，反而使得溶液的黏度增加。

3 結論

圖8 不同熱處理溫度的HEP 和CEP 溶液的黏度（a）和剪切應力（b）隨剪切速率的變化曲線Fig.8 Curves of viscosity （a）and shear stress （b）vs. shear rate for HEP and CEP solutions with different treatment temperature

本研究采用鹽酸和檸檬酸溶液從白木通果皮中提取了兩種不同的白木通果膠， 并對其結構特性和流變學特性進行了表征和研究。 試驗結果表明， 所得的果膠結構和流變性質因所采取的提取方法的不同而異。 SEM 結果表明，HEP 結構比較緊致、CEP 結構比較松散。 FT-IR 結果表明，兩種果膠均為α-異構體D-吡喃糖且富含糖醛酸，HEP比CEP 具有更高的酯化度。 X-衍射結果表明，HEP 比CEP 結晶度高，而結晶度越低，溶解性越好，該發現與紅外光譜結果相符合。靜態流變學結果表明，在相同剪切速率下，兩種果膠的黏度隨著果膠濃度的增加而增加，在相同濃度下，CEP 表現出比HEP 更高的表觀黏度；在加入不同濃度Ca2+的條件下， 所有的果膠溶液都表現出了假塑性流體的特征，相比于CEP，HEP 的假塑性特征更為明顯。 對于單獨的兩種果膠，加入2%的Ca2+時，果膠溶液都表現出了最大的黏度值； 在加入不同濃度的蔗糖溶液之后， 果膠溶液的黏度總體相差并不大，在剪切速率＞10 s-1時，加入20%的蔗糖溶液的CEP 和HEP 溶液表現出最大的表觀黏度；對于不同熱處理時間處理的樣品，隨著剪切速率的增加，兩種果膠都表現出了明顯的剪切稀化現象，且HEP 比CEP 剪切稀化程度更高。對于單獨的HEP和CEP，增加熱處理時間，CEP 黏度值變化更為明顯；對于不同溫度處理的樣品，隨著剪切速率的增加， 兩種果膠也都表現出了剪切稀化現象， 并且95 ℃處理的HEP 果膠的剪切稀化程度最高。綜合來看，HEP 和CEP 的這種流變性的不同， 可能是由于它們結構的差異所導致。