天然产物中功能因子的流变性质研究进展

岳贤田，杨继亮，任 军，张日武

（1.巢湖学院，安徽 合肥 238000；2.巢湖今辰药业有限公司，安徽 合肥 23800）

1 物质流变学研究简介

流变学是有关物质的形变和流动的科学，是关于物质流动和变形发生、发展规律的科学。1928年美国化学家首次提出了流变学的概念。近年来，流变学的研究范围主要侧重从胶体体系、高分子的黏弹性、异常黏弹性和塑性流变等方面。流变学可以将物料加工过程中的那些微观的变化机理通过直观的常量加以衡量，这些变化是无法通过简单或者复杂的化学变化来研究的[1-3]。由于物质组成的复杂性、特殊性，究其物理特性方面来研究几乎囊括了所有不同流变特性的物质，所以必须结合物质的特性对其流变特性加以研究，来建立一套适合物质流变特性分析、研究的理论和方法。从目前的研究现状来看，多数研究者主要从宏观和微观层面对物质的流变特性进行了研究。宏观层面主要把物质看作连续介质来进行研究，在实验的基础上，对物质的流变特性进行分类，建立流变模型，构建预测方程来掌握同类物质的流变特性；微观层面的研究主要通过对物质组成结构的分析来研究其流变特性，从实验的结果和模拟的特性曲线来归纳物质结构的基本图形。通过单个物质组分的结构特性分析，在此基础上，把多个单个组分的结构分析曲线根据各组分之间的相互作用与影响加以组合。通过研究宏观外力的作用下单模型组合的流变特性，衍生出其结构数学方程，可以为物质在加工过程中流变特性变化的分析提供理论参考[4-6]。

2 天然产物中物质与流变学之间协同研究的分析

天然产物中物质与流变学之间的关系主要是因为天然产物中一些高分子物质在加工过程中衍生的。天然产物高分子化合物是由重复单元连接成的线性长链为基本结构的高分子量化合物。目前研究比较多的天然高分子化合物主要是蛋白、多糖类化合物。由于这些天然高分子物质在加工过程中受外加力的推动下会发生变形，而物质在加工过程中的黏度是研究流体流动规律的关键。对于这些天然高分子物质来说，相关的理论和实验研究表明，天然高分子物质的剪切黏度受如下因素的影响：实验条件和生产工艺的影响，如温度、压力、剪切应力；物料结构及成分的影响；天然大分子结构参数的影响，如平均分子量、分子量分布、长链支化度等[7-8]。从其内在形成机理来看，有研究表明：当天然高分子物质在加工过程中分子链受剪切应力的作用，分子链段之间扩展开。此时链段发生取向作用，混合溶液出现各向异性，当外加推动力突然变化时，天然大分子物质自由化，形成高弹压缩状态，能够瞬时得以回复。分子链能够恢复到大体无序状态，链间距离增大，以至流体流动状态发生膨胀，导致流变行为的产生。从研究天然高分子化合物的流变意义来看，对天然高分子物质的结构流变学的研究能够对天然高分子物质凝聚态物理基础理论提高一定的参考价值。科学和生产实践过程中，天然高分子材料成型加工过程，外加推动力的作用能够决定材料制品的质量，对于天然高分子材料链的结构的研究，是决定了高分子制品的结构和性能的一个重要环节[9-10]。

3 天然产物中物质流变学研究现状

3.1 蛋白流变学研究及其应用

由于蛋白具有营养价值和显著的功能特性，在食品行业中具有广泛的应用。凝胶特性是蛋白最重要的功能特性，能够影响食品的质构性质。目前针对蛋白的流变特性研究主要侧重在原料的热处理情况下的研究。热处理情况下蛋白的流变学研究研究主要分为以下两步：首先是蛋白的热降解和蛋白分子链折叠形式的改变，然后是蛋白内部分子的重新组合和相互作用。在这个过程中不同的外加因素如pH、离子浓度和机械外力能够同时导致物料特性和质构的改变，从而最终影响物料的性质和风味。蛋白在外加剪切力的作用下能够使得物料发生生物性质和物理性质的改变，有利于加工条件的改善，机械剪切力的作用能够改善胶凝蛋白的凝胶特性，同时机械剪切力的作用也有利于经过酶处理和化学处理过的食品的性质和功能特性的改善[11-12]。

在天然植物蛋白中，大豆蛋白具有广泛的应用。由于大豆蛋白较强的功能特性和低成本性，在肉类和食品加工中有较广泛的应用前景。李冰等人选取黄原胶作为研究对象，研究了黄原胶对面筋蛋白流变特性和微观结构的影响，发现：添加一定量的黄原胶，面筋蛋白弹性减弱而黏性增强；面筋蛋白网络结构，随着黄原胶的添加而变得更加均匀[13]。王研等人对恒定的蛋白与纤维素质量比及不同蛋白浓度的蛋白-纤维复合凝胶体系的流变特性进行了研究，并且探讨了在酶催化下该复合体系的黏弹特性的变化，结果发现：这种复合凝胶蛋白体系的储能模量和损耗模量随蛋白浓度的增加而大幅增加，随时间的延长逐渐增加，通过模型分析数据显示随着蛋白浓度的增加，复合体系凝胶的黏性减弱而弹性增强[14]。汤晓智等人对乳清蛋白-大米淀粉混合体系的动态流变学特性进行了研究，研究结果发现：这种复合体系在升温过程中的储能模量和损耗模量明显低于乳清蛋白，而降温过程中却高于乳清蛋白，表明蛋白质淀粉分子间的相互作用的增强对混合凝胶的特性有一定的协同效用特性，强化了形成的凝胶网络；同时他们研究发现盐例子和蛋白质分子间的相互作用阻碍了淀粉与蛋白质分子间的相互作用，弱化了形成的凝胶结构网络[15]。

3.2 多糖流变学研究及其应用

随着食品加工和食品质构学的研究的需要，多糖由于其生物相容性、奇特的物理功能特性，引起了很多研究者的兴趣。近年来，多糖的可溶性片段的研究特别是基于不同的提取和加工方法对其流变性质的研究比较广泛。研究发现，多糖的流变性质的研究主要由于其分子链中可溶性片段的存在。另外，由于多糖的其它优良的营养功能性，从而导致食品的质构能够发生显著的变化，常见的多糖的提取加工方法通常有热处理、光照、化学改性和酶处理等温和的加工方法[16-17]。

多糖具有降血糖、降血脂、增强免疫力、抗氧化、抗肿瘤以及抗凝血等多种功效，在食品加工和医药行业具有广泛的应用。特别是，多糖的流变学对于食品加工成型技术、产品质量和力学性质的研究起着重要的作用[18]。陈慧等人对白背毛木耳多糖溶液的流变学进行了研究，重点考察了浓度、剪切应力、温度、加热时间、冻融变化、金属离子等因素对溶液黏度的影响，结果表明：多糖溶液的黏度与浓度成正相关，与剪切力成负相关，多糖溶液是非牛顿流体，随温度的升高而黏度递减，加热时间、冻融变化和金属离子对多糖溶液的黏度均有轻微的影响[19]。陈志娜等人对西藏灵菇发酵乳中的胞外多糖的流变学进行了研究，结果表明：胞外多糖的水溶液表现为非牛顿假塑形流体特性，流动行为受胞外多糖的质量浓度、温度、离子种类和浓度的影响[20]。

3.3 果胶流变学研究及其应用

随着人们生活水平的提高，对食品的需求量的加大和食品质量要求的提高。低脂食品逐渐成为一种趋势。食品加工企业更多的关注低脂、低糖、低胆固醇、低盐和低添加剂产品的生产。低脂肪产品如牛奶、饮料、冰淇淋和乳化产品更加得到人们的青睐。果胶作为一种绿色食品添加剂能够降低食品的低脂、具有降血糖等功效，同时能够改善食品的风味和质构[21]。

果胶是一种多样化胞壁多糖，具有复杂的多分子结构组织。相关研究发现，构成果胶的结构主要是线性多糖酸链。这种多糖酸链的残留物能够被乙醇酯化，所以根据酯化度的高低把果胶分为低酯果胶和高酯果胶。酯化度能够直接影响到果胶的功能特性。高酯果胶能够在高糖浓度环境中酸性条件下形成胶体，低酯果胶的胶体特性是能够在多糖酸链之间形成钙桥。近年来的研究表明，研究者多数重点关注钙桥的形成成因、内在的结构机理，以及外在的因素的影响对果胶功能特性的影响，从而为食品加工提供理论参考和依据[22-23]。支梓鉴等人通过稀酸提醇沉法提取果胶粗品，研究溶液的浓度和热处理温度对果胶粗品的流变学性质的影响，并对其分子量、半乳糖醛酸、单糖组成及酯化度等进行了分析，结果表明：果胶是典型的剪切稀化型非牛顿流体[23]。李洁等人采用传统酸法、纤维素酶法、超声辅助法、微波辅助法提取苹果肉渣果胶并对其流变特性进行了研究，考察了剪切速率、浓度、温度和放置实践对果胶流变特性的影响，同时测定了分子量来验证其流变学特点。结果发现：果胶溶液浓度大，稀化现象明显，典型的假塑形流体行为，温度高果胶溶液表观黏度降低，放置时间越久，果胶溶液表观黏度越小[24]。韩万友等人采用柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液制备不同pH的低酯苹果果胶凝胶，建立了凝胶强度及破裂强度的数学模型，并依据流变学测量了储能模量及损耗模量，从而解释了不同pH范围的凝胶机理[25]。

3.4 色素流变学研究及其应用

色素作为一种天然高分子化合物，其流变学研究最初源自于高分子化合物的流变学研究。色素作为一种高分子固体添加剂，在一些高分子聚合物的流变学研究中，添加色素能够使得聚合物的凝胶特性发生一定的改变。从材料学的角度来看，能够改变高分子材料的结构和性能的改善，使得高分子聚合物的物理化学性能得到一定的加强。但是当色素作为一种固体添加剂加入到一定量后，反而使得其黏度下降[26-7]。

现在研究比较多的是将一些植物特别是药材中色素与相应的药物相互互溶作为药品来使用。王志等人就对红花黄色素氯化钠注射液用来治疗髋关节置换术患者血液流变学和凝血功能进行了研究，结果表明：髋关节置换术会引起患者血液流变学改变，血液处于高凝状态，而红花黄色素氯化钠注射液可以维持血液流变学稳定，改善凝血功能[28]。

3.5 黄酮流变学研究及其应用

有关研究发现，天然产物中黄酮类化合物具有抗心律失常、降血脂、增强心肌功能和抗衰老等作用[29]，其流变学研究多数集中在血液流变学研究中。王秉文等人用沙棘总黄酮对大鼠进行灌胃研究，结果表明：连续灌胃16d，大鼠高切变率下全血黏度，对红细胞电泳时间、红细胞比积、还原黏度及血沉均为显著性影响，结果提示降低全血黏度可能是其抗心绞痛机理之一[30]。俞浩等人用滁菊总黄酮对糖尿病大鼠血液流变学进行了研究，结果发现：滁菊总黄酮能显著改善延长糖尿病大鼠凝血时间，结论是滁菊总黄酮能够改善糖尿病大鼠血液流变学异常[31]。

4 结语

随着天然产物的不断深入研究，相信会有更多的天然大分子物质在流变学领域有广泛的应用和研究。在食品加工领域，可以针对某一种食品物质进行流变特性的测量和分析形成系统的理论，特别要结合与感官特性之间的关系加以研究。对于非均质和不定形食品的流变学可以结构一些数理理论采用计算机模拟技术加以研究。对于流变学仪器的研发要结合生产实际和成本加以研发，开发适合实践的新型仪器和新方法。

总之，未来天然产物中流变学研究要不断拓展化合物的范围，优化现有的理论数据模型，对于检测结果要进行深层次分析，通过比较界面黏弹特性、界面张力等特征参数，建立分类对应的食品组分相互作用的模型数据库；其次，由于乳液体系是复杂的多项多组分的复杂体系，其内部结构及流变特性对应着不同的特征长度和时间尺度，所以有必要对于乳液的宏观性能，如稳定性、质构特性要详加研究，对于乳液体系的研究和应用有重要的意义；最后，对于一些高新技术的应用，如超声波、复合乳液体系、微波等体系下乳液的稳定性和质构特性的研究也将是流变学研究的热点。