茶籽粕多糖流变学性质分析

焦宇知,汪艳芝,朱　云,徐　桃,蔡　云,何志勇,梁家冰,翟玮玮

(1.江苏食品药品职业技术学院,江苏淮安 223005;2.Purdue University,West Lafayette,IN,USA,47907;3.江南大学,江苏无锡 214122;4.山东省莒县人民医院,山东莒县 276511)



茶籽粕多糖流变学性质分析

焦宇知1,2,汪艳芝1,朱云1,徐桃1,蔡云3,何志勇3,梁家冰4,翟玮玮1

(1.江苏食品药品职业技术学院,江苏淮安 223005;2.Purdue University,West Lafayette,IN,USA,47907;3.江南大学,江苏无锡 214122;4.山东省莒县人民医院,山东莒县 276511)

以研究茶籽粕多糖溶液流变学特性为目的,以分级沉淀和去蛋白后得到的茶籽粕多糖(TSPs80)为对象,采用AR1000流变仪测定了其流变学特性及温度、剪切速率、pH、蔗糖、柠檬酸和金属离子等因素对流变学特性的影响。实验结果表明,TSPs80为假塑性流体,具有触变流体特征。TSPs80的粘度在相同剪切速率条件下与浓度呈正线性相关(p<0.05);相同浓度条件下,虽然粘度低于黄原胶,但粘度变化的稳定性随剪切速率变化高于黄原胶(p<0.05);25～70 ℃内,粘度保持高度稳定,而黄原胶则随温度上升粘度迅速下降;粘度随pH升高而升高,随Na+和Ca2+添加量的增加而降低,但变化幅度不大;蔗糖和柠檬酸能显著提高TSPs80粘度(p<0.05)。

茶籽粕,多糖,粘度,流变学性质

我国盛产油茶籽,油茶籽加工后的副产品茶籽饼粕资源丰富[1]。取油之后的茶籽粕中除含有茶皂素、茶蛋白外,还含有大量的糖类物质。研究表明,茶籽多糖具有促进生长、抗氧化、抑制白血病细胞生长和抗肿瘤的作用[1-5]。

流变学是研究样品在力的作用下表现出来的某些流动行为变化和结构变化。流变学性质方面的研究主要包括静态流变学性质(研究流体类型,如牛顿流体和非牛顿流体)和动态流变学性质(在频率、温度和时间扫描下储能模量G′和损耗模量G″的响应变化值)两种。通过粘度(如旋转粘度计法)、屈服应变(如流动曲线法、Casson法等)、触变性、静态粘弹性(如应力松弛测量和蠕变测量)、动态粘弹性(如纵向振动法和剪切振动法)等流变学性质的检测,可了解其在食品加工(如混和、搅拌、泵抽吸等)中的性质变化、粘弹性和稳定性等。

目前,茶籽多糖的研究主要集中在多糖的提取[6-9]、分离纯化[10-12]、及生物活性[13]和多糖含量测定方法等方面[14-15]。鲜见茶籽粕多糖的流变学性质研究报道。流变仪作为食品流变学性质测量的常见仪器,已在多糖流变学性质测定中得到广泛应用。如胡建国等采用ARES 流变仪测定了黄原胶溶液的流体模型和动态粘弹特性等[18]。因此,本工作拟以茶籽粕经脱脂、分级沉淀并去蛋白的茶籽粕多糖为实验对象,采用AR1000流变仪测定其流变学特性及温度、剪切速率、pH、蔗糖、柠檬酸和金属离子等常见食品环境因素对其流变学特性的影响,从而为茶籽粕多糖在食品工业中的应用提供参考。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

茶籽饼粕福建天香集团;黄原胶、氯化钠、蔗糖、氯化钙、柠檬酸国药集团,分析纯。

Beckman J-26xp高速冷冻离心机美国贝克曼公司;B-811索氏抽提器瑞士BUCHI公司;3K-15冷冻干燥机德国Sigma公司;PHS型数显酸度计瑞士梅特勒-托利多公司;AR1000流变仪英国TA仪器公司。

1.2实验方法

1.2.1茶籽多糖的提取和纯化精确称取过筛后的茶籽饼粕50 g置于索氏提取器中,石油醚90 ℃下回流提取1 h后抽滤,得到脱脂茶籽粕。茶籽粕加入12倍质量的水,于55 ℃浸提3 h后8000 r/min离心20 min,抽滤,滤液浓缩至25 mL,加入100 mL 90%乙醇,于8 ℃静置沉淀12 h,沉淀物用无水乙醇、丙酮、乙醚交替洗涤2次,所得固体样品冻干,得到茶籽粕粗多糖(TSPs)。TSPs中加入100 mL 60%乙醇,于8 ℃静置沉淀12 h,8000 r/min离心20 min,取上清液用80%乙醇,于8 ℃静置沉淀12 h,所得固体样品冻干,得到初步纯化的茶籽粕多糖。取冻干样品1.0 g,用10 mL蒸馏水溶解,加3 mL氯仿和1 mL正丁醇,20 min后离心5 min(3000 r/min),取上清液,用4倍体积的95%乙醇醇析,离心后沉淀冷冻干燥,得到部分去蛋白的茶籽粕多糖TSPs80,所得TSPs80中蛋白质含量为4.32 g/100 g。

1.2.2茶籽粕多糖流变学特性测定

1.2.2.1浓度对茶籽多糖溶液流变特性的影响配制质量浓度分别为10、20、50、75、100 mg/mL的TSPs80水溶液,采用AR1000流变仪的双圆筒测试系统(下同)分别测定其在同一剪切速率(0.1 s-1)条件下的粘度。

1.2.2.2剪切速率对茶籽多糖溶液流变特性的影响配制质量浓度分别为10、20、50、75、100 mg/mL的TSPs80水溶液,分别测定相同浓度条件下TSPs80溶液粘度随剪切速率的变化规律,以10 mg/mL的黄原胶水溶液作对比。另配制质量浓度为100 mg/mL的TSPs80水溶液,分别测定剪切递增和剪切递减时粘度的变化规律。

1.2.2.3茶籽多糖溶液触变性实验测定在30 ℃,34.41 s-1剪切速率条件下,10～60 s范围内粘度随剪切时间变化。

1.2.2.4温度对茶籽多糖水溶液流变特性的影响20 mg/mL和100 mg/mL的TSPs80水溶液分别从25 ℃均匀升温至80 ℃,剪切速率为0.1 s-1,测定其粘度变化,以10 mg/mL的黄原胶水溶液作对比,比较两者流变特性差异。

1.2.3模拟食品体系环境对茶籽粕多糖流变学特性的影响

1.2.3.1pH对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性的影响用HCl或NaOH调节100 mg/mL TSPs80水溶液的pH分别至3.0、4.0、5.0、6.0,测定其不同剪切速率条件下的粘度。

1.2.3.2蔗糖添加量对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性的影响100 mg/mL TSPs80水溶液中加入蔗糖,使其质量浓度分别为0、100、200、300 mg/mL,测定其不同剪切速率条件下的粘度。

1.2.3.3柠檬酸添加量对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性的影响100 mg/mL TSPs80水溶液中加入柠檬酸,使其浓度分别为0、10、50、100 mg/mL,测定其不同剪切速率条件下的粘度。

1.2.3.4Na+和Ca2+添加量对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性的影响100 mg/mL TSPs80水溶液中分别加入NaCl和CaCl2,使Na+和Ca2+浓度分别为50、150和250 mmol/L,测定其不同剪切速率条件下的粘度。

1.3数据统计分析

所有实验都重复3次,采用IBM SPSS 20和OriginPro 8对数据进行差异分析和作图。

2　结果与分析

2.1浓度和剪切速率对茶籽多糖溶液流变特性的影响

图1　TSPs80粘度随浓度变化Fig.1　Variation of viscosity of TSPs80 with concentration

剪切速率不变(0.1 s-1)时,TSPs80在一定浓度范围内(20～100 mg/mL),粘度与浓度呈正线性相关(图1,R2=0.9973)。随着剪切速率的增加,溶液粘度逐渐降低,呈现典型的假塑性特征,属于非牛顿型流体(图2)。虽然100 mg/mL的TSPs80粘度在低剪切速率条件下远低于10 mg/mL的黄原胶(图2),但当剪切速率到达36.12 s-1(接近人咀嚼食物时舌头的搅拌速率[17])后,两者粘度无显著差异(p<0.05),且黄原胶粘度此后仍持续缓慢下降,而TSPs80粘度则趋于稳定,表现出黄原胶比TSPs80对剪切敏感。

图2　TSPs80和黄原胶粘度随剪切速率变化Fig.2　Variation of viscosity of TSPs80and xanthan gum with shear rate

2.2茶籽多糖溶液触变性

TSPs80(100 mg/mL)在34.41s-1的外切力剪切作用下(接近人咀嚼时舌头的搅拌速率[17]),TSPs80粘度(100 mg/mL)随剪切时间的延长而降低(图3),说明茶籽多糖溶液具有一定的触变性[18]。

TSPs80(100 mg/mL)的粘度随剪切速率的增加而逐渐降低,而剪切速率下降过程中,粘度呈现一定程度的恢复(图3),这可能是由于TSPs80在高剪切速率下,双螺旋网状聚合体结构发生解聚,形成无规则线团结构,而在剪切速率下降过程中,结构又逐步恢复到聚合状态,从而导致粘度增加[18]。

图3　TSPs80的粘度随剪切时间剪切速率循环变化Fig.3　Variation of viscosity of TSPs80with shear time and cycle of shear rate change

2.3温度对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性的影响实验结果分析

TSPs80在25～70 ℃范围内的粘度无显著变化,而黄原胶溶液的粘度下降迅速(图4)。TSPs80在食品加工常见的温度范围内粘度保持稳定,使TSPs80比黄原胶更适合于需要温度变化但粘度稳定的食品加工。在温度高于75 ℃时,TSPs80粘度快速升高,可能是由于TSPs80溶液在高温下失水增多而使得浓度快速上升,从而导致其粘度快速升高。

图4　TSPs80和黄原胶的粘度随温度变化Fig.4　Variation of viscosity of TSPs80and xanthan gum with temperature

2.4模拟食品体系环境对茶籽粕多糖粘度和流变学特性的影响实验结果分析

2.4.1pH对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性的影响实验结果分析TSPs80(100 mg/mL)粘度随pH升高而升高,但升高幅度不大(图5),且粘度变化趋势未发生变化。原因可能是TSPs80是一种带负电的酸性多糖,随着pH的增加,已有的负电荷逐渐被中和,原有的负-负斥力减弱,从而破坏了部分分子间的氢键,使分子高度伸展而易于溶解在水中,导致粘度增大。据报道,阿拉伯胶、海藻酸钠、刺槐豆胶等常见食品胶水溶液的粘度对pH的变化都很敏感[19]。可见,在常见食品体系的酸度范围内,TSPs80表现出较高的耐酸性,且溶液未发生胶凝作用,可应用到酸性饮料等食品中。

图5　TSPs80的粘度随pH变化Fig.5　Variation of viscosity of TSPs80 with pH

2.4.2蔗糖和柠檬酸添加量对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性影响的实验结果分析TSPs80(100 mg/mL)粘度随蔗糖添加量的增加而显著增加(图6,p<0.05)。原因可能是蔗糖本身对体系的粘度有一定程度的贡献,且蔗糖分子的水化作用使TSPs80自由水降低,TSPs80分子链相互作用增强,加剧多糖分子间氢键的聚合导致粘度增加[20]。添加蔗糖后的TSPs80溶液的流变性特性未发生改变,仍然是假塑性流体,且溶液未发生胶凝作用。因此TSPs80可添加在含糖食品中。TSPs80(100 mg/mL)粘度随柠檬酸添加量的增加而显著增加(图7,p<0.05),但增加幅度较蔗糖要低,原因可能是柠檬酸导致TSPs80体系pH下降,另外其对TSPs80体系粘度的贡献和水化作用均弱于蔗糖。

图6　TSPs80的粘度随蔗糖添加量变化Fig.6　Variation of viscosity of TSPs80with amount of sugar addition

图7　TSPs80的粘度随柠檬酸添加量变化Fig.7　Variation of viscosity of TSPs80with amount of citric acid addition

图8　TSPs80的粘度随NaCl添加量变化Fig.8　Variation of viscosity of TSPs80with amount of NaCl addition

图9　TSPs80的粘度随CaCl2添加量变化Fig.9　Variation of viscosity of TSPs80with amount of CaCl2 addition

2.4.3Na+和Ca2+添加量对茶籽多糖水溶液粘度和流变特性影响的实验结果分析实验浓度范围内,随着Na+和Ca2+浓度的增加,TSPs80(100 mg/mL)粘度下降(图8和图9)。原因可能是,随着盐类的添加量的增加,多糖溶液的离子环境发生改变,导致分子链净电荷间的作用力减弱加剧,降低了多糖溶液分子间的缔合度,从而使溶液的黏度下降[21]。另外,有研究认为加入的金属离子改变多糖溶液的pH,也一定程度上导致了粘度的变化[22]。Na+和Ca2+的添加导致TSPs80粘度下降的幅度随剪切速率变化呈现无规律性变化(图8和图9),这可能是不同剪切速率下多糖聚合体结构变化、分子链净电荷间的作用力变化和pH变化三者综合作用的结果。Na+和Ca2+在同一添加量条件下,对TSPs80粘度下降的贡献无显著差异(图8和图9),原因可能是两者对于多糖溶液的离子环境和pH改变的影响相近。总体而言,Na+和Ca2+的添加对TSPs80溶液的粘度变化幅度及趋势影响不大,具有良好的耐盐稳定性[23]。因此,TSPs80可应用于高盐食品体系中,这对于具有一定渗透压的食品(如:运动型饮料、盐汽水等)中有着重要的应用价值。

3　结论

以茶籽饼粕经脱脂、分级沉淀和去蛋白后得到的TSPs80为对象,测定了其粘度性质、流变学特性及模拟食品体系环境条件对茶籽粕多糖流变学特性的影响。实验结果表明,TSPs80为假塑性流体,且流体性质不随质量浓度和pH变化、金属离子、蔗糖和柠檬酸的添加量而改变,具有触变流体特征。TSPs80的粘度在相同剪切速率条件下与浓度呈线性正相关;相同浓度条件下,粘度低于黄原胶,但其随剪切速率变化的粘度变化稳定性高于黄原胶;25～70 ℃内,粘度保持高度稳定,而黄原胶则随温度上升粘度迅速下降;粘度随pH升高而升高,随Na+和Ca2+添加量的增加而降低,但变化幅度不大;蔗糖和柠檬酸能显著提高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，硕士，副教授，研究方向：植物功能因子开发，E-mail：ningmen3749574@163.com。

江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人计划资助(苏教师(2014)23号)；淮安市食品技术研究院项目(HAP201301)；企业委托横向合作项目(苏食院合字(2015)432号)；江苏省首批高校优秀中青年教师境外研修计划(苏教师[2011]34号)；2016江苏省高校大学生实践创新计划。

TS229

A

1002-0306(2016)17-0134-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.017