猕猴桃果胶的黏度特性与流变性分析

顾晓俊，陈晓楠，金邦荃,*，刘春泉

（1.南京师范大学金陵女子学院，江苏 南京 210097；2.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏 南京 210014）

猕猴桃果胶的黏度特性与流变性分析

顾晓俊1，陈晓楠1，金邦荃1,*，刘春泉2

（1.南京师范大学金陵女子学院，江苏 南京 210097；2.江苏省农业科学院农产品加工研究所，江苏 南京 210014）

采用冷冻干燥和热风干燥方法制备出猕猴桃果胶（kiwifruit pectin，KP），得到KP1和KP2两种成分，二者的pH值分别为3.16和3.39，主要含有半乳糖醛酸。以羧甲基纤维素钠( carboxy methyl cellulose-Na，CMC-Na）为参照系，采用MCR301旋转流变仪研究4因素（pH值、质量浓度、温度和剪切速率）对KP溶液流变性的影响。结果表明，KP1和KP2溶液黏度较低，在1.0 mPa·s上下，溶液pH值和质量浓度对其影响有限。研究KP1和KP2溶液黏度与温度倒数1/T间的对数关系并观测到，10～30 ℃区间内其黏度随温度升高而下降，与CMC-Na溶液黏度变化相似。但40～50 ℃时其溶液黏度和流动性不完全遵循Arrhenius方程，究其原因，KP1和KP2活化能Ea分别为10.075 kJ/mol和4.510 kJ/mol，它们对温度的敏感性低，而导致其黏度和流动性发生改变。幂律方程对KP1和KP2溶液黏度和剪切速率的关系拟合，二者流动指数n均小于1，符合幂律定律对非牛顿流体特征的解释。因此，KP1和KP2溶液具有较典型的剪切稀化现象和流变性，可归属于非牛顿流体。但KP是一种低黏度果胶，故Arrhenius方程不能有效诠释KP溶液黏度与温度变化的规律。

黏度；剪切稀化；流变性；幂律定律；猕猴桃果胶

中国是猕猴桃（Actinidia）的故乡，也是世界四大生产国之一[1-2]。它含有丰富的VC和膳食纤维，有利于健康[3-4]。随着中国食品加工业的兴起，大量猕猴桃皮渣废弃[3,5]。研究业已表明，可从猕猴桃皮渣中分离得到约10%可溶性膳食纤维-果胶（soluble dietary fiberpectin，SDF-P），其中含有50.0%左右的D-半乳糖醛酸（D-galacturonic acid，D-GA）[6-7]，具有明显的生物学功能[3-4,8]。274～524 kD分子质量的猕猴桃果胶（kiwifruit pectin，KP）主要以α-1,4-糖苷键形成D-GA的碳骨架，以β-糖苷键连接木糖和葡萄糖等，属于杂多糖类[9]。它在消化道内能吸附剩余营养物和能量，通过降糖、降脂、减肥和增进肠蠕动等改善机体健康，从而引起广泛关注[10-14]。

研究认为，大分子胶体的流变性与真溶液完全不同，不服从牛顿定律[15]，但可借助于幂律方程（η=K×n-1）[16-17]和Arrhenius方程（η=AeEa/RT，或lnη=Ea/ RT＋lnA）[18-20]建立物理模型，探究植物果胶的流变性。幂律方程建立了流体的黏度与剪切速率的函数关系（流变性）[16-18]，Arrhenius方程主要解释速率常数与温度之间的关系[19-20]，通过解读这类大分子胶体的流变性以促进其在食品加工中的应用[15,17]。为此，本实验试图从流体力学的角度，深入解析KP的黏度及流变性，为其功能开发提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

猕猴桃果胶：分别采用冷冻干燥和热风干燥方法制成2种猕猴桃果胶（kiwifruit pectin，KP）KP1和KP2为研究对象，并以羧甲基纤维素钠（carboxy methyl cellulose-Na，CMC-Na）为参照。

D-GA（生物纯） 上海安谱科学仪器有限公司；咔唑（化学纯） 国药集团化学试剂有限公司；浓硫酸、无水乙醇（均为分析纯） 上海化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

MCR301旋转流变仪 奥地利安东帕公司；UV-6100A紫外分光光度计 上海元析仪器有限公司；722可见分光光度计 上海棱光技术有限公司；PHS-3C pH计上海三信仪表厂。

1.3 方法

1.3.1 D-GA含量的测定

D-GA标准曲线：配制质量浓度梯度0.00、10.00、20.00、30.00、40.00、50.00、60.00 μg/mL的D-GA溶液，采用咔唑-硫酸法于525 nm波长处检测D-GA含量（μg/mL）[6-7,21]。以D-GA质量浓度（X）为横坐标，吸光度（Y）为纵坐标建立标准曲线，Y=0.009X＋0.009 5（R²=0.996 9，P＜0.01），在0.00～60.00 μg/mL范围内线性关系良好。

称取0.1 g KP，溶于20 mL 0.5 moL H2SO4并稀释至50 mL，75 ℃水浴15 min，冷却后100 mL定容，从其中吸取40 mL再定容至100 mL，准确吸取1 mL溶液采用咔唑-硫酸法[6]检测2 种KP溶液OD值，并采用公式（1）计算出其D-GA含量。

式中：C为从标准曲线查得的D-GA质量浓度/（μg/mL）；m为称取样品质量/g；25为稀释倍数。

1.3.2 KP黏度与流变性的测定

以CMC-Na为参照物，选择影响KP黏度的4 个主要因素，即pH值、KP质量浓度、温度和剪切速率，采用单因素方差分析法（One-way ANOVA）设计，研究KP溶液的黏度与流变性，见表1。研究pH值对KP黏度的影响时，以0.3 g/100 mL CMC-Na、KP1和KP2溶液为对象；探究KP质量浓度对KP黏度的影响时，条件为pH 3、温度30 ℃和剪切速率128 s－1；研究温度对KP1和KP2溶液的黏度影响时，以Arrhenius方程中溶液黏度的对数为纵坐标，以温度倒数1/T为横坐标，建立对数关系式（lnη=Ea/ RT＋lnA），并进行分析。

表1 单因素试验设计Table1 One-way ANOVA design

KP高分子溶液流体行为与温度的关系用Arrhenius方程表示，见公式（2）[18-19]，该式反映了溶液黏度随温度改变的对数关系。

式中：η为黏度/（mPa·s）；A为频率因子（常数）；Ea为活化能/（kJ/mol）；R为摩尔系数，8.31 J/（mol·K）；T为绝对温度/K。

幂律方程建立KP溶液黏度与剪切速率的函数关系式，见公式（3）[16-17]：

1.4 数据处理与统计分析

2 结果与分析

2.1 KP的纯度、D-GA含量与pH值

2.1.1 纯度

采用紫外光谱全程扫描KP，其主要成分均在200 nm波长处呈现果胶多糖的特征峰，而250～600 nm区间未出现核酸、蛋白或肽类物质特征峰。表明本实验用KP为高纯度精制果胶多糖，无核酸、蛋白/肽类等杂质（图1）。

图1 猕猴桃果胶紫外光谱Fig.1 UV absorption spectra of kiwifruit pectin

2.1.2 D-GA含量

经D-GA标准曲线比对和公式（1）分别计算出冷冻干燥和热风干燥的KP1和KP2的D-GA含量。结果表明，不同干燥方式对KP含量的影响较大。冻干KP1中D-GA含量为（48.6±0.78）%，而热干KP2中D-GA含量为（33.05±0.59）%，KP1的D-GA含量明显高于KP2（P＜0.01，图2）。根据物体水分蒸发特点的推测，冷冻干燥使KP1物料冰点下降，更有利于水分子的挥发和蒸腾；而热风干燥过程中，KP2水分热干燥脱水效果较冷冻干燥差，从而导致2种KP中D-GA含量存在15.6%差异。

图2 猕猴桃果胶含量Fig.2 Pectin contents of KP1 and KP2

2.1.3 pH值

将KP1和KP2按质量与体积1∶40的比例分别溶于重蒸水（ddH2O），完全溶解后，室温条件下PHS-3C pH计检测其pH值。结果示KP1和KP2的pH值分别是3.16±0.015和3.39±0.015，均属弱酸性大分子碳水化合物，其酸性主要来自KP中的D-GA和果胶酸。

2.2 KP黏度与流变性

2.2.1 pH值对KP黏度的影响

图3 pH值对CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影响Fig.3 Effect of pH on viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

0.3 g/100 mL CMC-Na溶液的黏度变化见图3A，在pH 2.0～5.0间，其黏度从1.8 mPa·s缓慢增加到6.0 mPa·s；当pH 6.0时，CMC-Na溶液黏度陡然上升到16.0 mPa·s，较初始黏度极显著增加了8.9 倍。pH 2.0～5.0范围内CMC-Na黏度较低，具有较好的流动性；而当pH值达到6.0时，CMC-Na黏度极大增加并明显影响其流动性。

在相同的工作条件下，观测0.3 g/100 mL KP1和KP2溶液黏度与pH值的关系。发现KP1和KP2溶液黏度随pH值的变化不明显，徘徊在1.0 mPa·s上下，且均显著低于0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度（P＜0.05，P＜0.01）。pH 3.0时，KP1黏度略有降低，而KP2黏度略有增加，推测pH 3.0可能是KP1的适宜pH值（图3B）[15,27]。

2.2.2 溶液质量浓度对KP黏度的影响

由图4可知，当质量浓度为0.1 g/100 mL时，CMC-Na黏度为9.2 mPa·s，KP1和KP2黏度分别为0.84 mPa·s和0.87 mPa·s；前者黏度明显大于后二者，几乎相差10 倍（P＜0.01）。表明同样条件下，KP溶液黏度明显较CMC-Na小，而且可能更容易流动。

图4 质量浓度对CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影响Fig.4 Concentration-dependent viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

同时观察到，随着CMC-Na和KP溶液质量浓度的增加，其黏度也不断增加。0.2～0.5 g/100 mL CMC-Na黏度从14.0 mPa·s上升到42.0 mPa·s，每增加0.1 g/100 mL，其黏度增加近8.0～12.0 mPa·s。KP1和KP2溶液黏度随质量浓度增大的上升幅度较小，0.1～0.5 g/100 mL质量浓度范围内，它们的黏度仅增加0.03～0.34 mPa·s；表明在一定范围内，KP溶液质量浓度变化对其黏度的影响较小。由此推测，KP质量浓度对其流动性影响不明显。

2.2.3 温度对KP黏度的影响

图5 温度对CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影响Fig.5 Effect of temperature on viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

由图5A可知，0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度与温度上升呈反对数关系。随着温度升高，0.3 g/100 mL CMCNa溶液黏度从37.97 mPa·s逐渐下降至17.73 mPa·s，即CMC-Na溶液黏度随着温度升高而显著下降，从而可伴随着流动性提高，它黏度与温度间的规律符合Arrhenius方程（R2=0.99，P＜0.01）。

10～30 ℃时，0.3 g/100 mL KP1和KP2溶液黏度随着温度升高而有所下降，从1.50 mPa·s下降至0.80～1.00 mPa·s，该温度范围内KP溶液黏度和流动性与0.3 g/100 mL CMC-Na相似，基本遵循Arrhenius方程规律。但当测试温度上升到40～50 ℃时，0.3 g/100 mL KP溶液的黏度曲线趋于平缓，KP1黏度约为0.90 mPa·s，KP2黏度约为1.10 mPa·s，则较难以用Arrhenius方程加以解释（=0.76，PKP1＜0.01；=0.33）。因此，温度对0.3 g/100 mL KP溶液黏度的影响与0.3 g/100 mL CMC-Na不尽相同，而且40～50 ℃时0.3 g/100 mL KP溶液黏度比0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度明显低1 个数量级（表2）。

表2 CMC-Na、KP1和KP2溶液的Arrhenius方程和参数Table2 Arrhenius equations and parameters of CMC-Na, KP1 and KP2

分别对CMC-Na、KP1和KP2溶液黏度和温度关系进行Arrhenius方程拟合，建立黏度对数lnη与1/T的关系式，从而得出3 种溶液的活化能Ea及频率因子A。CMC-Na、KP1和KP2溶液流动的Ea依次为14.57、10.075 kJ/mol和4.510 kJ/mol，CMC-Na溶液流动所需的Ea明显大于KP1和KP2，意味着CMC-Na溶液流动过程中从原位置跃迁至附近“空穴”需要克服的活化能大，且黏度大而流动不易；而同质量浓度KP溶液流动时需要的Ea小很多，尤其是KP2，表明KP溶液流动性较CMC-Na溶液大。比较三者的黏性，依次为CMC-Na＞KP1＞KP2；由于Ea代表高分子溶液黏度变化的温度敏感性，因此3 种溶液黏度对温度的敏感性也依次为CMC-Na＞KP1＞KP2（图5，表2）。理论上，热敏感性越强的溶液，其胶体溶液温度越高，内部分子热运动越快，分子间相互作用力越小；高温会导致黏度下降，溶液流动性快速增加并遵循Arrhenius方程的规律[15,27,29-31]。而KP2的Ea仅为4.510 kJ/mol，加热时其内部分子间作用力的改变不完全遵循Arrhenius方程。

2.2.4 剪切速率与KP流变性

以CMC-Na为参照，研究KP1和KP2溶液的剪切稀化现象（流变性）。由图6可知，0.3 g/100 mL CMC-Na溶液黏度随剪切速率倍增而呈曲线下降，幂律指数n为0.881（n＜1），ηCMC-Na=75.346×，剪切速率与其黏度互呈对数关系，属于典型的假塑性非牛顿流体[25-26]。

图6 剪切速率对CMC-Na（A）、KP1和KP2（B）黏度的影响Fig.6 Effect of shear rate on viscosity of CMC-Na (A), KP1 and KP2 (B)

在8 s－1和16 s－1低剪切速率下，KP1和KP2溶液黏度呈较典型的剪切稀化现象；在32、64～128 s－1高剪切速率时，它们黏度曲线下降平缓。因此，KP溶液的剪切稀化现象与CMC-Na溶液不尽相同（表3）。

表3 CMC-Na、KP1和KP2的牛顿幂律方程和参数Table3 Power Law equations and parameters of CMC-Na, KP1 and KP2

对KP1和KP2溶液流体曲线进行幂律方程拟合，分别得到它们的质量浓度系数K和流动指数n。KP1和KP2的n分别为0.690和0.843，二者n均小于1（n＜1）。根据流动指数n初步判断，KP1和KP2可归属于假塑性非牛顿流体（图6，表3）。文献[32]指出，假塑性流体流动初始阶段，因剪切速率较低，而表现出较大的黏度；但随着剪切速率的不断增加，曲线斜率逐渐减小，溶液黏度曲线的下降趋势趋缓，这就是幂律方程的基本规律[2,4,15-16]。由图6所示，KP1和KP2溶液的流体延展性基本符合假塑性非牛顿流体特征。当胶体溶液遵循非牛顿流体力学特征时，大分子悬浮溶液流动时不但具有延展性，而且通过分子间相互作用力和内部摩擦力而减缓流速，还可增加胶体溶液（如KP）对其他物质的吸附性[4,15-16,28,31]。

3 结 论

对KP溶液黏度特性与流变性的研究表明，pH值变化对KP1和KP2溶液的黏度影响较小；但KP1和KP2溶液的黏度随质量浓度上升而增加，而且KP溶液黏度均显著低于CMC-Na溶液。根据Arrhenius方程研究KP1和KP2溶液黏度和温度的关系，发现10～30 ℃区间，KP1和KP2溶液黏度对数与温度倒数1/T的关系基本遵循Arrhenius方程规律；但温度进一步升高时，KP1和KP2溶液黏度和流动性发生改变；它们流动所需的活化能较小，对温度的敏感性也较低，尤其是KP2溶液，不能完全用Arrhenius方程加以解释。采用幂律方程拟合KP1和KP2溶液黏度和剪切速率的关系，尽管它们的质量浓度系数K小，但它们的流动指数n均小于1，符合幂律方程对非牛顿流体特征的解释。总而言之，猕猴桃果胶溶液KP1和KP2具有胶体的剪切稀化现象和延展性，基本归属于非牛顿流体。但其溶液活化能Ea小且黏度低，KP的流变性不完全符合Arrhenius方程。

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Viscosity and Rheological Properties of Kiwifruit (Actinidia deliciosa) Pectin

GU Xiaojun1, CHEN Xiaonan1, JIN Bangquan1,*, LIU Chunquan2
(1. Ginling College, Nanjing Normal University, Nanjing 210097, China; 2. Institute of Agricultural Products Processing, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China)

Kiwifruit pectin (KP), named as KP1 and KP2, were prepared by hot-air drying and freeze drying, respectively, the pH of which were 3.16 and 3.39 and both of which contained mainly D-galacturonic acid (D-GA). Using carboxy methyl cellulose-Na (CMC-Na) as control, the effects of four factors including pH, pectin concentration, temperature and shear rate on rheological properties of KP solution were explored by MCR301 rotary rheometer. The results showed the viscosity of both KP1 and KP2 solutions was low, approximately 1.0 mPa·s, and it was little impacted by pH and KP concentration. The observed logarithmic relationship between pectin viscosity (lnη) and reciprocal temperature (1/T) indicated that the viscosity of both pectin solutions went down with the increase in temperature in the range of 10-30 ℃, similar to CMC-Na. However, the viscosity and fl uidity of KP1 and KP2 solutions failed to completely follow the Arrhenius equation in the range of 40-50 ℃, which may be due to the lower activation energy (Ea) of 10.075 kJ/mol for KP1 and 4.510 kJ/mol for KP2, and consequently lower temperature sensitivity. The relationship between viscosity and shear rate for the pectin solutions was fi tted with a power law equation. Both fl ow indexes n were less than 1. The non-Newtonian fl uid properties of KP1 and KP2 could be explained by the Power Law equation. Therefore, both of them exhibited a typical shear thinning phenomenon and ductility, which can be attributed to non-Newtonian fl uid. But KP was a low viscosity pectin, so the Arrhenius equation could not effectively explain the relationship of its viscosity and temperature.

viscosity; shear thinning; rheology; power law; kiwifruit pectin

10.7506/spkx1002-6630-201703021

TS201.7

A

1002-6630（2017）03-0125-06

顾晓俊, 陈晓楠, 金邦荃, 等. 猕猴桃果胶的黏度特性与流变性分析[J]. 食品科学, 2017, 38(3)： 125-130. DOI：10.7506/spkx1002-6630-201703021. http：//www.spkx.net.cn

GU Xiaojun, CHEN Xiaonan, JIN Bangquan, et al. Viscosity and rheological properties of kiwifruit (Actinidia deliciosa) pectin[J]. Food Science, 2017, 38(3)： 125-130. (in Chinese with English abstract)

10.7506/spkx1002-6630-201703021.http：//www.spkx.net.cn

2016-06-24

公益性行业（农业）科研专项（201503142-5）；2011江苏省现代农业技术创新项目（CX（11）2067-1）

顾晓俊（1990—），女，硕士，研究方向为功能食品。E-mail：983731671@qq.com

*通信作者：金邦荃（1956—），女，教授，博士，研究方向为食品科学。E-mail：jinbangquan@njnu.edu.cn