谷物β-葡聚糖流变学特性研究进展

李 磊,谢 晶,甘建红,薛 斌,邵则淮,孙 涛

(上海海洋大学食品学院,上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306)



谷物β-葡聚糖流变学特性研究进展

李 磊,谢 晶,甘建红,薛 斌,邵则淮,孙 涛*

(上海海洋大学食品学院,上海水产品加工及贮藏工程技术研究中心,上海 201306)

流变学是研究天然多糖理化性质的重要手段。β-葡聚糖的功能性质如降血糖、降血脂与流变学性质密切相关。β-葡聚糖的结构、分子量决定其流变学性质,温度、浓度、pH等外部因素也影响着流变学特性。β-葡聚糖的加工过程,化学改性同样使其流变学性质发生改变,进而拓展β-葡聚糖在食品领域中的应用。本文将从以上方面对谷物β-葡聚糖的流变性质的影响进行概括总结。

β-葡聚糖,流变学,研究进展

谷物β-葡聚糖(以下简称β-葡聚糖)是一种主要存在于大麦、小麦和燕麦的麦粒糊粉层、亚糊粉层和胚乳细胞壁中的天然非淀粉类水溶性植物多糖。其基本结构是β-D-吡喃型葡萄糖基单元,通过β-(1→4)糖苷键重复连接并被单一β-(1→3)糖苷键分离而形成的一种线性无分支多糖[1]。β-葡聚糖属于可溶性膳食纤维的一种,具有清肠、调节血糖[2]、降低胆固醇[3]、提高免疫力[4]等四大生理功能,且β-葡聚糖的生理功能与β-葡聚糖的流变学特性有着显著的关联性。为此,国内外许多学者对β-葡聚糖的流变学特性进行研究。

流变学是研究天然多糖理化性质的重要手段,可间接提供多糖分子特征、在溶液中的构象及其转变,乃至凝胶-溶胶转变、与其它成分间相互作用等丰富的信息。β-葡聚糖的流变学的研究可分为两个方面,一是主要通过静态检测来研究流体的黏度、触变性等,二是主要通过动态检测来研究流体的储能模量G′和损耗模量G″等。β-葡聚糖流变特性是由β-葡聚糖的结构、分子量决定的,且同时受到溶液浓度、温度、pH、盐类浓度等因素的影响。国内外对β-葡聚糖的流变特性进行了大量的研究,但鲜有人对其流变学进行综述。本文将从上述因素,加工过程及化学改性三个方面对β-葡聚糖流变学特性的研究进行总结,以期为相关研究提供参考。

1 结构和分子量对β-葡聚糖流变学性质的影响

1.1 结构对β-葡聚糖流变学性质的影响

β-葡聚糖的流变学性质与其结构密切相关。如β-葡聚糖结构中纤维三糖和四糖的比例、聚合度更高的纤维寡聚物的含量以及β-(1→4)键和β-(1→3)的比例[5]都会决定其流变学性质。

β-葡聚糖组成的基础是由β-D-吡喃型葡萄糖基单元通过β-(1→4)糖苷键重复连接形成纤维三糖或四糖为主的纤维寡聚物,再通过单一的β-(1→3)糖苷键连接组合形成的一种线性同聚多糖。大多数的纤维链段为三聚体和四聚体,但聚合度更高的的纤维单元也同样存在于β-葡聚糖链中[6]。具有相同分子质量和回旋半径的两种大麦和一种燕麦β-葡聚糖,其中大麦β-葡聚糖含有更多的3-O-纤维素二糖-D-葡萄糖(DP3),而燕麦β-葡聚糖含有较多的3-O-纤维素三糖-D-葡萄糖(DP4)。燕麦β-葡聚糖有最小的DP3/DP4(1.51)的摩尔比。三种β-葡聚糖均具有很强的剪切稀化行为,DP4含量最高的燕麦β-葡聚糖具有最大的黏度。并且对其热性质研究表明,DP3/DP4(2.53)的比值最大的大麦β-葡聚糖形成凝胶时有更低的起始温度和峰值温度(分别为28.3 ℃和36.7 ℃),热扫描曲线是可逆的。起始温度和峰值温度随着β-葡聚糖的DP3/DP4比例的增加而降低。这表明纤维四糖单元和β-(1→4)连接的片段是提高谷物β-葡聚糖溶液黏度和凝胶形成的主导因素[7]。Böhm等[8]首次提出,凝胶化的速率可以用一个新的参数-弹性增量IE(IE=(dlogG′/dt)max)来表示,IE越高表示凝胶化的速率越快。研究结果发现,三种β-葡聚糖都能够形成固溶胶。浊度、脱水收缩作用、凝胶的熔化温度、凝胶化的速率按照燕麦<大麦<地衣β-葡聚糖的顺序增加,暗示着它们交联区范围的不断扩大。地衣β-葡聚糖有最规则的链结构,纤维三糖单元是它的主要结构特征。

1.2 分子量对β-葡聚糖流变学性质的影响

β-葡聚糖分子量是它的一个重要特性。葡聚糖分子量取决于谷物的品种、产地、β-葡聚糖的提取方法和测定方法等因素。分子量直接影响β-葡聚糖的溶解性、在水溶液中的存在状态,黏度等流变学性质,进而影响到β-葡聚糖生理功能的发挥。

Mikkelsen等[9]的研究发现,在相同的浓度下,燕麦β-葡聚糖比大麦β-葡聚糖的黏度高100倍。燕麦β-葡聚糖具有剪切稀化行为,而大麦β-葡聚糖则表现为牛顿流体行为,这可能是因为它们的分子量不同所致。源于不同品种燕麦的β-葡聚糖流变学性质存在显著的差异。在浓度为1%(w/v)时,较传统的燕麦品种相比,高含量β-葡聚糖燕麦品种分离的β-葡聚糖具有更高的黏性。且随着浓度的增加,它们的黏度的增加速率也不相同。这些行为都与它们分子量的分布不同有关[10]。Agbenorhevi等[11]研究表明,燕麦β-葡聚糖的分子量决定着它的特性黏度、流动性和黏弹性质。β-葡聚糖溶液的假塑性和牛顿流动性行为取决于它的浓度和分子量。汪海波等[12]的研究表明,燕麦β-葡聚糖溶液黏度与其分子量成正比,分子量越大,黏度也越大,在相同浓度下,燕麦β-葡聚糖分子量增大则其流体牛顿幂律方程的流动指数n减小。随着燕麦β-葡聚糖分子量的增大,其流体的黏性行为特征减少而弹性行为特征增强。

β-葡聚糖具有凝胶特性。通常高分子黏弹性能用Maxwell力学模型来表示。G*=G′+G″,其中G*为动态模量或绝对模量,G′为弹性模量或储能模量,G″为黏性模量或损耗模量。tanδ=G′/G″(δ为损耗角)表征体系的黏弹特性,tanδ大于1时,表示流体的黏性行为大于其弹性行为,当tanδ小于1时,表示流体的弹性行为大于黏性行为。

分子量对β-葡聚糖的凝胶化能力有较大的影响。这是因为分子量较小的分子更容易移动和扩散,故而更易于聚集而形成凝胶化[13]。当浓度为8%(w/v)时,大麦β-葡聚糖在低频率范围G′低于G″,在高频率范围G′接近于G″。分子量不同的三种大麦β-葡聚糖(8%,25 ℃)的凝胶动力学表明:随着多糖的分子量的下降,溶液的凝胶化的速率增加,凝胶时间减少。大麦β-葡聚糖溶液(10%,w/v)在25 ℃时形成凝胶的时间为7 d[14]。大麦品种的不同会导致β-葡聚糖分子量有较大的差异,进而使得它们的黏弹性有很大的差别,这与其分子量及其分布有关。β-葡聚糖分子量越高,分布范围越窄,零剪切黏度与模量越高。浓度为2.0%的江苏啤麦β-葡聚糖溶液具有显著弹性特征,在5个品种中表现出最高增稠能力[15]。Lazaridou等[16]的研究发现,分子量对β-葡聚糖的黏度、黏弹性、剪切稀化行为起着决定性的作用。低分子量β-葡聚糖和高分子量β-葡聚糖都表现出了无规则卷曲的流变特性,且低分子量β-葡聚糖有一个更快的聚集速度,从而形成网络结构。凝胶结构形成的速率随着β-葡聚糖分子量的减小而加快,凝胶的熔融温度随分子量的增加而上升,暗示着交联区的范围的扩大,即凝胶化性质取决于分子量,浓度和凝胶固化温度。

根据《地球化学普查规范(1∶5万)》(DZ/T 0011-2015)以及东天山类似景观区近年来取得的地球化学勘查方法技术研究成果和勘查效果，在东疆地区中低山—丘陵—干旱荒漠戈壁区适宜开展土壤测量，采样截取粒级-4～+20目，采用正规网布设采样点，基本采样网度为500m×250m，可以取得最佳地球化学勘查效果。

2 外界因素对β-葡聚糖流变学特性的影响

β-葡聚糖的流变学性质与溶液浓度、温度、pH和盐类浓度等外界因素有关。浓度的改变,β-葡聚糖的流变学行为会发生改变。温度升高，β-葡聚糖分子链柔顺程度增强而使流动能力提高,从而黏度可能会有所下降。pH、盐等溶液环境因素的改变对葡聚糖分子间的相互作用及由此决定的分子聚集行为和空间构象均有较大影响,从而导致流变学特性发生改变。

2.1 浓度对β-葡聚糖流变学特性的影响

溶液浓度与β-葡聚糖的流变学性质有重要关系。燕麦β-葡聚糖溶液黏度随剪切速率的增高而逐渐降低,表现为典型的剪切稀化型非牛顿流体;当溶液浓度从0.1%增加到1.0%时,其对应牛顿幂律方程的流动指数n从0.998降低至0.842,流体的剪切稀化行为增强[12]。管骁等[17]的研究表明β-葡聚糖溶液是一种非触变的假塑性流体体系,且假塑性随着浓度的升高而增强。一定条件下溶液同时表现出黏弹性质,但无屈服应力的存在。与其它几种常用的食品胶体相比,β-葡聚糖能产生更大的黏度及良好的口感。申瑞玲等[18]研究结果表明,燕麦β-葡聚糖溶液是剪切变稀假塑性流体,其黏度随浓度增加而逐渐增加。浓度3%(w/w)的燕麦β-葡聚糖溶液具有触变性。同时β-葡聚糖溶液具有黏弹性,在低频率区域,体系以粘性为主;高频率区域体系以弹性为主且随着浓度增大而增大。浓度为5%(w/w)β-葡聚糖溶液在4 ℃放置12 h,可以形成凝胶。差示扫描量热法测定结果显示5%(w/w)燕麦β-葡聚糖凝胶的溶解温度为75 ℃。Xu等[19]的研究表明,浓度低于1%时候,β-葡聚糖显示出较好的均质特性和黏性流体特性。然而,当浓度达到2%时,β-葡聚糖就会显示出一些异质和黏弹性,这种变化由于在高浓度情况下β-葡聚糖分子链之间的强烈的相互作用及聚合所致。富含β-葡聚糖的分散体系的线性黏弹性质与β-葡聚糖浓度有关。当β-葡聚糖的浓度为20%、30%时，体系的流体行为表现的更显著,当浓度为50%、95%时,体系表现出稳定的黏弹性质。且该体系是物理性的交联产生网络结构,而不是化学性的交联[20]。

2.2 温度对β-葡聚糖流变学特性的影响

温度也是影响着β-葡聚糖的流变学性质的重要因素。β-葡聚糖溶液的表观黏度,随着温度的升高而降低。由于温度升高,β-葡聚糖分子链柔顺程度增强,流动能力提高。故而可以通过提高温度,来降低β-葡聚糖的黏度,使其在工业加工中更容易泵送和搅拌,从而减少能量的消耗。5%(w/v)的大麦和燕麦β-葡聚糖在0.01～1200 s-1的剪切速率范围内,溶液的表观黏度随着温度的升高(10～50 ℃)而下降,同时稠度指数k下降而流动指数n升高,即溶液由假塑性向牛顿流体转化[14]。Burkus等[21]的研究发现不同温度(0.1～75 ℃)下的大麦β-葡聚糖的黏度均随着温度的升高而降低。而Dawkins等[22]的研究发现燕麦β-葡聚糖(0.5%)的黏度随着温度的增加(25～37 ℃)而增大;而61 ℃时,其黏度稍低于25 ℃的黏度;100 ℃时的黏度远远低于25 ℃时的黏度。这可能是因为起初的不完全水化和加热至37 ℃时β葡聚糖的进一步溶胀所致。Gomez[23]发现,70 ℃时大麦β-葡聚糖的黏度(1.5%)高于其25 ℃时的黏度,这可能是由于在高温下,β-葡聚糖溶液的蒸发会产生皮状层,这种皮状层使得低剪切速率下有较高的黏度,而较高剪切速率下,皮状层被破坏,黏度读数才会接近预期值。因此实验中样品必须用油脂覆盖来防止它的蒸发。

2.3 pH和盐类浓度对β-葡聚糖流变学特性的影响

与中性条件相比,β-葡聚糖在酸性和碱性条件下,其溶液黏度均有所降低,且酸性条件下溶液黏度下降最多。在中性、碱性和酸性条件下,其对应的流动指数n分别为0.806、0.818和0.829,数值逐渐增大,表明流体行为逐渐向理想流体接近,即pH的改变可能引起β-葡聚糖分子间相互作用的改变[12]。而Dawkins等[22]的研究中指出,β-葡聚糖的黏度在一个很大的pH(2～10)范围内保持稳定。管骁等[24]的研究发现,NaCl的存在并不影响β-葡聚糖体系黏度的变化,说明了β-葡聚糖分子在溶液中基本保持电中性。而Dawkins等[22]的研究发现NaCl的浓度大于1.0%时,β-葡聚糖的黏度降低。但在低浓度(0.1%)的NaCl条件下,燕麦β-葡聚糖的黏度上升。

3 加工过程对β-葡聚糖流变学的影响

谷物β-葡聚糖经过不同的加工方法(如挤压、超微粉碎、磨粉、蒸汽加热等)往往能引起其分子结构、理化性质以及功能特性等方面的改变,进而可以拓展其在食品领域中的应用。

对燕麦进行超细粉碎和纤维素酶水解处理,考察处理前后提取得到的β-葡聚糖的结构及性能的变化。未处理提取的β-葡聚糖(OBG-1)和超细粉碎后提取的β-葡聚糖(OBG-2)的平均分子量分别是2.79×105Da和3.26×105Da。纤维素酶水解后得到的β-葡聚糖(OBH-1和OBH-2)的平均分子量下降到1.98×105Da和1.05×105Da。β-葡聚糖颗粒大小、热稳定性、溶解度和持水力与分子量分布显著相关,OBG-1和OBG-2均呈现出一个剪切稀化行为,而OBH-1和OBH-2呈现一个剪切增稠行为。扫描电子显微镜观察表明,纤维素酶水解的燕麦β-葡聚糖具有纤维结构,其中小颗粒团聚粘附到纤维素骨架上。与未处理和超细粉碎的燕麦β-葡聚糖相比,部分水解的燕麦β-葡聚糖显示出不同的流变性质,这可能在食品工业中具有潜在的用途[25]。湿法提取的大麦β-葡聚糖较商业β-葡聚糖相比,呈现出了一个更高的表观黏度。二者分别表现出了假塑性流体行为和牛顿流体行为。这可能是由于湿法提取样品中有更高的淀粉(13.83%)所致。湿法提取的β-葡聚糖作为增稠剂和稳定剂在食品工业中有潜在的应用[26]。

从挤压的燕麦粉、高压蒸汽处理的燕麦粉以及燕麦麸中分离制得三种β-葡聚糖,对其流变学性能进行研究[27],当溶液浓度为2%和4%时,挤压燕麦粉和燕麦麸制得的β-葡聚糖,二者的G′和G″均随着频率的上升而不断的增加,主要表现出黏性行为。而经高压蒸汽处理燕麦粉制得的β-葡聚糖主要表现为弹性行为。三种β-葡聚糖的复合黏度都随频率增加而下降。当溶液浓度为2%时,燕麦麸制得的β-葡聚糖具有最高的黏度,而高压蒸汽处理的燕麦粉制得的β-葡聚糖具有最低的黏度。这表明,加工过程影响着燕麦β-葡聚糖复杂的流变学行为,进而影响β-葡聚糖在肠道中的生理功能。

4 化学改性对β-葡聚糖流变学特性的影响

多糖的化学改性是一种重要的多糖结构修饰方法,是增强多糖生物活性、降低其副作用的有效途径。谷物β-葡聚糖作为一种膳食纤维,有降血糖、降血脂等功效,但β-葡聚糖独特的物理性质如高黏度,低溶解性限制其在食品上的应用。谷物β-葡聚糖的化学改性方法通常有酶降解、氧化降解、酸降解、乙酰化等作用。改性后β-葡聚糖的功能性质,流变学性质通常会发生变化。

经过不同浓度(0.3%,0.6%,0.9%)和反应时间(30,60 min)的过氧化氢氧化处理后,燕麦β-葡聚糖中的羰基和羧基增加,且其溶胀能力发生改变。其胆酸结合能力增加,但脂肪结合能力未发生变化。过氧化氢降低了β-葡聚糖胶体的黏度、硬度、黏合性和胶黏度,β-葡聚糖黏度的降低可能是因为其分子的解聚所致[28]。乙酰化前后燕麦β-葡聚糖的结构、形态学以及流变学性能研究表明,乙酰化取代度的变化范围是0.03～0.12。乙酰化增加了分子降解的异质性并且促进了一个更加紧密的无孔微观结构,增加了其溶胀能力和胆汁酸的结合能力,降低了β-葡聚糖胶体的硬度。β-葡聚糖的黏度随着乙酰化程度的增加而降低,并且具有黏性行为[29]。用2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)氧化处理燕麦β-葡聚糖,研究衍生物的物化性质和降胆固醇性质[30]。结果发现,C6位上的伯醇羟基被选择性的氧化成了羧基。衍生物的水溶性和体外胆汁酸结合能力增强。当高胆固醇血症大鼠进食含有该衍生物的食物时,大鼠中甘油三酯、总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇、极低密度脂蛋白胆固醇水平显著降低,血清血脂水平得以改善。用酸、纤维素酶、地衣聚糖酶三种方法对β-葡聚糖进行水解,研究产物的结构和流变学特性[31],产物分子量的变化范围为31000～237000 g/mol,6%的小分子量的β-葡聚糖溶液在4 ℃情况下,需要4 d时间才能形成弹性凝胶,而大分子量的β-葡聚糖溶液在7 d后仍保持着黏性液体。这是由于β-(1→3)糖苷键连接的纤维三糖单元部分形成凝胶网络交联区所致。

5 结语

β-葡聚糖的流变学特性与生理功能密切相关。深入研究β-葡聚糖在溶液状态下的流变特性及其外界影响因素对进一步分析其生理功效的作用机制具有重要意义。谷物中提取出的β-葡聚糖,其流变学特性比较复杂,主要受物料来源、前处理技术和溶液的浓度、温度、pH和盐类浓度以及β-葡聚糖的结构和分子量等因素的影响。本文总结了上述因素对葡聚糖流变学特性的影响。β-葡聚糖的流变学性质在其生理功能中所起的作用有待进一步研究,这种研究对最大限度的发挥β-葡聚糖的生理功能具有极大的指导意义。

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Research progress in rheological properties of cerealβ-glucan

LI Lei,XIE Jing,GAN Jian-hong,XUE Bin,SHAO Ze-huai,SUN Tao*

(College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

Rheology is an important method to study the physicochemical properties of polysaccharides. The functional properties ofβ-glucan such as hypoglycemic and hypolipidemic were closely related to rheological properties. The rheological properties ofβ-glucan were determined by its structure and molecular weight,and influenced by external factors such as temperature,concentration and pH,as well as affected by processing and chemical modification. In this paper,the effects of the above mentioned factors on the rheological properties of cerealβ-glucan are summarized.

β-glucan;rheology;research progress

2016-11-21

李磊(1990-),男,在读硕士研究生,研究方向:多糖的改性及应用,E-mail:hekedaqingfeng@163.com。

*通讯作者:孙涛(1970-),女,理学博士,副教授,研究方向:多糖的改性及生物功能的开发,E-mail:taosun@shou.edu.cn。

国家自然科学基金面上项目(31571914);上海市科委(14dz1205101)。

TS201.7

A

1002-0306(2017)13-0335-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.063