金钱菇多糖的流变学性质研究
2015-06-05王军辉徐金龙杜逸群
王军辉,徐金龙,杜逸群,刘 咏,王 浩
(合肥工业大学生物与食品工程学院,安徽合肥 230009)
金钱菇多糖的流变学性质研究
王军辉,徐金龙,杜逸群,刘 咏,王 浩
(合肥工业大学生物与食品工程学院,安徽合肥 230009)
从金钱菇子实体水提残渣中纯化获得了一个多糖组分JQPs,采用DHR-3型旋转流变仪研究了JQPs溶液流变学性质,为其在食品工业中的应用提供理论支持。静态流变学实验结果表明,JQPs溶液流动指数n<1,为假塑性流体,浓度越高其假塑性越明显。通过对溶液流动曲线的拟合,发现幂律方程可以作为描述JQPs溶液流动曲线的模型;动态粘弹性实验表明JQPs溶液的G′和G″在1～100rad/s扫描频率下与测试浓度和测试温度均具有一定的相关性。一定温度下,随着浓度的增加,G′的增加速率超过G″,当浓度达到2.0%时曲线重合,开始形成弱凝胶。浓度为2.5%的JQPs溶液的G′和G″随着温度的升高而逐渐减小,在15℃时基本重合,开始形成弱凝胶。
金钱菇,多糖,流变学,粘弹性
流变学是研究样品在力的作用下,样品所表现出来的由力触发或者引起的某些流动行为变化和结构变化[1]。研究溶液的流变学性质主要包括静态流变学和动态流变学性质。静态流变学研究样品体系的流体类型,主要包括牛顿流体和非牛顿流体[2]。流体动态流变学主要是探讨样品体系在频率扫描、温度扫描和时间扫描下储能模量G′和损耗模量G″的响应变化值[3-5]。
多糖是由多个单糖分子通过糖苷键连接成的一种天然高分子聚合物[6-7]。目前,对于多糖的结构、物理化学性质和生物活性都进行了大量的研究和报导[8-10],对多糖的研究已经成为现代研究的一个热点。多糖流变学性质对多糖的提取工艺、结构性质和加工过程中的稳定性都具有重要的作用[11]。通过流变学的研究可以了解多糖在溶液中的链构象和构象转变以及其他物理性质[5],为研究多糖的构效关系提供重要的工具。
金钱菇(Lentinusedodes(Berk)Sing),是一种未开伞的蘑菇,属于香菇的一种[12]。在前期研究中,我们从金钱菇子实体中分离纯化出了一个多糖组分JQPs,并对其结构和体外抗氧化活性进行了测定[13]。结果表明JQPs是一个带有支链的β-(1→3)-葡聚糖,具有较高的体外抗氧化活性,预示了其在食品中的应用前景。本文即对金钱菇多糖JQPs溶液的流变学性质进行了相关研究,主要考察了温度和浓度对金钱菇多糖溶液的稳态剪切流动性质和动态粘弹性的影响。通过对其流变学性质的研究,找出其在加工过程中的变化规律,为今后金钱菇多糖的开发和在食品工业中的应用提供理论支持。
1 材料和方法
1.1 材料与仪器
金钱菇子实体 由安徽省华国茗人农业有限公司提供,经干燥粉碎后备用;氢氧化钠、丙酮和无水乙醇 均为分析纯,购于国药集团化学试剂有限公司。
高速冷冻离心机CR22GⅡ 日本日立公司;旋转蒸发仪R502 上海申胜生物技术有限公司;真空冷冻干燥机FD-1A-50 北京博医康实验仪器有限公司;漩涡混合器QT-1 上海琪特分析仪器有限公司;旋转流变仪DHR-3 美国TA公司。
1.2 金钱菇碱提多糖JQPs的制备
称取一定质量的金钱菇子实体粉末,用乙醇脱色脱脂24h,45℃烘干,依次经过25℃和90℃去离子水提取后,将残渣用5% NaOH/0.05% NaBH4溶液在25℃提取两小时,提取两次,合并提取液,用乙酸中和并除去不溶性糖后,依次经过浓缩、丙酮沉淀、透析、离心和冻干处理,得到金钱菇碱提多糖样品(JQPs)。
1.3 金钱菇碱提多糖的流变学性质测试
1.3.1 浓度对金钱菇多糖的流变学性质影响 配制浓度分别为1.0%,1.5%,2.0%的JQPs溶液,经漩涡混合器混合后静置过夜,使得溶液分散均匀,通过流变仪测试不同浓度下JQPs溶液的粘度随着剪切速率的变化。测试条件为:40mm平行板夹具,间隙设置1mm,测试温度20℃,温度控制系统精度±0.01℃,剪切速率范围1～1000s-1,为防止水分蒸发,周围用硅油密封。
配制浓度分别为1.5%,2.0%,2.5%,3.0%的JQPs溶液,经旋涡混合器混合后静置过夜,使得溶液充分分散均匀,用流变仪测试不同浓度JQPs溶液的频率扫描曲线。测试条件如下:40mm 2°椎板夹具,间隙设置59μm,测试温度15℃,频率扫描区间1～100rad/s。
1.3.2 温度对JQPs的流变学性质影响 配制浓度分别为2.5%的JQPs溶液,经旋涡混合器混合后静置过夜,使得溶液充分分散均匀,用流变仪测试JQPs溶液分别在10、13、15、20℃下的频率扫描曲线,测试条件如下:40mm 2°椎板夹具,间隙设置59μm,扫描频率区间1～100rad/s。
以上所有实验均在线性黏弹区域内进行。
2 结果和讨论
2.1 浓度对金钱菇多糖溶液的流体类型的影响
浓度分别为1.0%、1.5%和2.0%的JQPs溶液粘度随剪切速率变化曲线如图1所示。由图可知,JQPs溶液的粘度随着浓度的增加而增大,这主要是由于随着浓度的增加,单位区域的多糖分子增加,导致多糖分子之间相互缠结,从而使得粘度增大[14]。当剪切速率逐渐增大时,粘度逐渐减小,表现出剪切变稀的流体行为。这主要是由于当剪切速率达到一定值时,物理交联点破坏速度大于其重建速度,从而导致其粘度的下降[5]。由图1可知,当浓度增加时,斜率绝对值越来越大,表示剪切变稀行为越来越明显。
图1 JQPs溶液粘度随剪切速率变化曲线Fig.1 Flow behavior of JQPs solution
幂律定律目前是使用最广泛的用来表征流体类型的流体流动模型,其方程为η*=kγn-1,其中n称为流动指数,也称为非牛顿指数,n反映流体与牛顿流体的偏离程度[15]。当n=1时,流体为牛顿流体,当n<1时,流体为假塑性流体,当n>1时,流体为胀塑性流体,根据n值的大小和偏离1的程度,可以用来表示流体的流体类型[16]。为进一步更加客观的表示JQPs溶液的流体性质,通过对曲线进行幂律方程拟合,拟合曲线的各个参数如表1所示。由表1可知,当剪切速率在1～1000s-1时,流动指数n值均小于1,表明JQPs溶液均为假塑性流体。浓度为1.0%,1.5%和2.0%的JQPs溶液的流动指数n分别为0.89,0.78和0.65,可见随着浓度的增大n越来越小,表明溶液的非牛顿现象越明显,越来越偏离牛顿流体。
表1 幂律方程拟合参数表Table 1 Parameters of Power law equation
2.2 浓度对金钱菇多糖溶液的动态粘弹性的影响
为了研究JQPs溶液的动态粘弹性,在15℃下对浓度为1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的JQPs溶液进行了频率扫描,扫描曲线如图2所示。当浓度较低时(小于1.5%),几乎在整个频率扫描区间内G′
图2 不同浓度下JQPs溶液的频率扫描曲线Fig.2 Frequency dependence of G′ and G″ of JQPs with various concentration at 15℃
随着扫描频率的增加,所有浓度下的复合粘度均减小,同时随着浓度的不断增加,复合粘度也不断增加,表明JQPs溶液为假塑性流体且浓度影响溶液的粘度,浓度越大,粘度也越大。
tan δ=G″/G′可以更准确直观地反映流体的动态粘弹性[18]。当tan δ<1时,说明G′相对于G″占主要优势,流体主要表现为流体性质,反之则主要表现为弹性性质[19]。不同浓度的JQPs溶液的tan δ随角频率的变化曲线如图3所示。由图3可知,当JQPs溶液浓度大于2.5%时,tan δ<1,并且在一定的扫描区间范围内,tan δ基本上保持平行,与扫描频率之间呈现弱相关性,表现出弱凝胶的行为,结果与图2吻合。因此随着多糖浓度的增加,溶液的凝胶行为增强,主要是因为浓度的增加有助于形成网络结构。
图3 不同浓度的JQPs溶液的复合粘度(a) 和tan δ(b)随角频率的变化曲线Fig.3 Complex viscosity and Tan δ as a function of JQPs concentration at 15℃
2.3 温度对金钱菇多糖溶液的流变学性质的影响
浓度为2.5%的JQPs溶液分别在10、13、15、20℃下的频率扫描曲线如图4所示。由图可知,随着温度的升高,G″逐渐接近于G′,当温度达到15℃时,G″和G′近似重合,当温度达到20℃时,G″完全超过G′,此时溶液主要呈现液体性质。因此随着温度的升高,溶液的黏性性质越来越显著,而弹性性质则越来越弱,储能模量和损耗模量相互接近。
图4 浓度为2.5%的JQPs溶液 在不同温度下的频率扫描曲线Fig.4 G′ and G″ of JQPs(2.5%)as a function of frequency at different temperature
研究表明G′～ωn可以用来判断聚合物体系的凝胶点是否生成,G′～ωn中的n值通过两边取对数求得[20],结果如图5a所示。n值可以用来表征凝胶转变,当n值趋向去0时,表明溶液逐渐向弹性提转变,反之则向液体性质转变。由图可知,JQPs溶液的n值随着温度的升高而逐渐升高,当温度为20℃时,n>1,液体性质占主导地位,与图4相互吻合。不同温度下tan δ随角频率的关系如图5b所示。在整个频率扫描区间内,温度在很大程度上影响tan δ的分布,当温度低于15℃时,tan δ<1,并且其与角频率有一定程度上的相关性,表现出弱凝胶的特性。
图5 温度对n值和tan δ值的影响Fig.5 Tan δ and n as a function of temperature注：(a)G′～ωn中的n值关系,(b)tan δ与角频率的关系。
3 结论
论文通过5% NaOH/0.05% NaBH4提取液从金钱菇子实体水提残渣中纯化获得了一个多糖组分JQPs,并利用旋转流变仪探讨了金钱菇凝胶多糖JQPs溶液的流变学性质,主要考察了其稳态流动性质和动态粘弹性。通过稳态剪切实验,表明JQPs溶液为假塑性流体,低浓度的多糖溶液在低剪切速率时近似表现为牛顿流体,随着浓度的增大,其非牛顿性越明显。通过不同浓度和温度的频率扫描模式下的动态模量响应表明,JQPs溶液在一定的温度下,随着浓度的升高,G″和G′逐渐增大并且相互接近,与扫描频率之间有弱相关性,呈弱凝胶状态。随着测试温度的升高,2.5%的JQPs溶液的G″和G′变得越来越小且G′的降低速率超过G″,使得多糖溶液的状态由凝胶态变为弱凝胶直至其液体性质显著。论文通过研究多糖溶液在不同浓度和温度下溶液状态的改变和凝胶态的形成对金钱菇多糖在食品加工中的应用提供理论支持。
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Rheological properties of Jinqian mushroom
WANG Jun-hui,XU Jin-long,DU Yi-qun,LIU Yong,WANG Hao
(School of Biotechnology and Food Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)
A polysaccharide fraction JQPs was isolated and purified from Jinqian mushroom. In this study,the rheological properties of polysaccharide of JQPs were investigated. The viscoelastic properties were determined as a function of concentration and temperature by using rheometer. The results showed that the JQPs solution exhibited pseudoplastic flow behavior. The low concentration solution exhibited almost Newtonian flow behavior at low shear rate region. With the increase of shear rate,the viscosity decreased and the non-Newtonian behavior became more and more obvious. The storage modulusG′ and loss modulusG″ were in correlation with temperature and frequency. With the increase in polysaccharide concentrations,theG′ increased more rapidly than theG″. At the concentration of 2.0%,the polysaccharide solution showed weak gel behavior. With the increase in polysaccharide temperature,theG′ decreased more rapidly than theG″,the polymer solution(2.5%)revealed weak gel behavior at 15℃. The study could provide theoretical foundation and reference for JQPs application in food industry.
Jinqian mushroom;polysaccharide;rheological properties;viscoelastic
2014-04-01
王军辉(1976-)，男，博士，副教授，研究方向：食品胶体大分子的结构与功能研究。
国家自然科学基金项目(31370371);安徽省自然科学基金项目(1408085MC45)。
TS201.7
A
1002-0306(2015)03-0091-04
10.13386/j.issn1002-0306.2015.03.010
