亚临界水对柑橘果胶流变学特性和分子质量的影响

陈剑兵 夏其乐 曹 艳 谭兴和

（1 湖南农业大学食品科学技术学院 长沙 410128

2 浙江省农业科学院食品科学研究所 浙江省果蔬保鲜与加工技术研究重点实验室 杭州 310021）

亚临界水是指温度介于100～300℃的水[1-2]，又称超加热水、高压热水或热液态水，其很多物理性质都异于常温水，具有很强的降解能力。随着温度的升高，水体系的密度降低，体系氢键作用减弱，水的黏度降低，扩散性能增强，其介电常数由70减至1，其性质由强极性渐变为非极性，可将溶质按极性由高到低萃取出来。亚临界水在高温和高压下具有强烈的溶解能力和分解能力。早在30年前，Andersen[3]就提出在ZrO2催化下，利用270℃以上的水可将有机物转化为小分子的物质。Zhang等[4]研究发现利用亚临界水处理香菇多糖，对多糖的分子质量有显著影响，且当温度超过150℃时，三重螺旋结构不复存在。亚临界水可使多糖发生结构和分子上的变化，从而增强其生物功能[5]，Molino等[6]利用亚临界水作用于葡萄糖生成糠醛和醛类物质。由于具有无毒，不易燃，无爆炸性，操作简单，易于产业化等优势，亚临界水越来越受到研究人员的关注[7]。

柑橘果胶（Citrus pectin，CP）是从柑橘果皮中提取的一种复杂多聚糖长链碳水化合物，在食品上用作胶凝剂、增稠剂和稳定剂等。天然柑橘果胶分子质量较大，食用后不能被肠道吸收，虽有一些在大肠内发酵，但对人体没有非常有效的功用。低分子柑橘果胶 （Low Molecular Citrus Pectin，LMCP）是将天然柑橘果胶经过改性处理后，分子质量明显小于天然果胶，水溶性好，容易被肠道吸收而进入血液循环的改性柑橘果胶，对大肠癌细胞[8-9]、前列腺癌细胞[9]等均具有杀伤活性，并在吸附重金属[10]，肠道菌群调节[11]，免疫调节[12]，防治哮喘[13]等方面表现出良好的活性，被认为是一种新兴的生物活性多糖[14]。若要果胶在体内发挥作用的，就要进行分子大小等的改性[15]。研究发现利用超高压微射流技术[16]、超高静压技术[17]、超声波[18]等食品工程中的物理加工技术均可使果胶发生一定程度的降解。作者前期研究中[19]发现利用亚临界水处理能较好地降低柑橘果胶的分子质量，而其降解规律和作用过程仍不清楚。鉴于此，本文从对流变学特性和分子质量的影响方面研究，探讨食品加工中常用的亚临界水 （温度100～130℃的水）对柑橘果胶的作用规律和机理。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

柑橘果胶：烟台安德利果胶股份有限公司产品。

硝酸钠、二硝基水杨酸、氢氧化钠等试剂均为化学纯。

1.2 主要仪器设备

D-1型高压蒸汽灭菌锅，北京发恩科贸有限公司；P230高效液相色谱仪，大连依利特分析仪器有限公司；RI-201H示差折光检测器，日本Shodex公司；S3100自动进样器，大连依利特分析仪器有限公司；R/S plus流变仪，美国Brookfield公司；UV-1800分光光度计，日本Shimadzu公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品制备 柑橘果胶溶液的制备：将柑橘果胶粉末用热水溶解，配成1.5%的果胶溶液，玻璃瓶灌装、封口备用。

亚临界水法改性果胶样品的制备：将配制的果胶溶液置于高压蒸汽灭菌锅中，分别在100，110，120和130℃的温度下处理5～100 min，冷却后进行测试分析。

1.3.2 流变性质 用流变仪来测量样品的流变特性，选用型号为DG3的转子，设定60 s剪切率逐渐增大的程序，剪切率范围为50～1 000 s-1，测试20个点。用非牛顿流体的状态方程公式表示：

τ=k（γ）n（1＜n＜∞，0＜n＜1）

式中，k——稠度系数；n——流态特性指数。

1.3.3 分子质量 采用高效凝胶色谱法测定分子质量，主要包括数均分子质量（Mn）和重均分子质量（Mw）。

色谱条件：选用Ultrahydrogel水溶性GPC色谱柱 250（7.8 mm×300 mm），柱温 40℃，流动相为0.1 mol/L硝酸钠溶液，流速为0.5 mL/min，进样体积为 50 μL。

标准曲线的制作：已知分子质量分别为200，70，40，20，6，3 ku 的标准葡聚糖经流动相溶解，配制成5 mg/mL的标准溶液。以标准葡聚糖分子质量的对数lgMw对保留时间T作图，得到标准曲线方程。

样品处理：待测样品0.45 μm滤膜过滤后，用自动进样器进样进行色谱检测。

1.3.4 果胶降解度 以分子质量的变化表示果胶的降解率：

1.3.5 总糖、还原糖 二硝基水杨酸法测总糖和还原糖含量。

1.3.6 数据分析 采用Excel软件进行数据统计分析和制图。

2 结果与讨论

2.1 亚临界水处理对柑橘果胶流变特性方程的影响

亚临界水处理对柑橘果胶流变曲线的影响如图1所示，由该图可知，亚临界水处理能改变果胶的流变曲线，随着处理温度的升高和处理时间增加，剪切应力变小。将所得数据用非牛顿流体幂律模型回归，所得各参数如表1所示。由该表可知，亚临界处理会使稠度系数降低、流变指数增大，随着处理温度的升高和处理时间增加，这个变化更加显著。随着温度的升高和时间的增加，流变指数从小于1逐渐增加到大于1，说明柑橘果胶溶液从假塑性流体逐渐变为牛顿流体，再变为胀塑性流体。这可能因为果胶颗粒为棒状，静止时颗粒运动受阻，当受到剪切时，颗粒因形成队列而黏度减小，表现为剪切稀化；亚临界水处理后，果胶大分子发生断裂形成小分子，当小分子颗粒的浓度逐渐增多后，形成紧密排列，两层间的相对运动将使颗粒偏离紧密排列，体积增加，需消耗额外能量，表现为剪切稠化。

2.2 亚临界水处理对柑橘果胶黏度的影响

图2所示为500 s-1和900 s-1的剪切率下，亚临界水处理对柑橘果胶溶液黏度的影响情况，由该图可知，亚临界水处理后果胶的黏度有明显下降，随着处理温度的升高和处理时间增加，这个变化更加显著。这说明经亚临界水处理后，果胶大分子发生降解，分子质量变小，由于高分子聚合物的黏度与分子质量成正相关，故表现出黏度的下降。

图1 亚临界水处理对果胶流变曲线的影响Fig.1 Effect of subcritical water on pectin rheological curve

表1 不同亚临界处理条件下果胶的幂律模型参数Table1 Power law model parameters of pectin under different subcritical conditions

图2 亚临界水处理对果胶溶液表观黏度的影响Fig.2 Effect of subcritical water on pectin apparent viscosity

2.3 亚临界水处理对柑橘果胶分子质量的影响

图3 亚临界水处理对果胶分子质量的影响Fig.3 Effect of subcritical water on pectin molecular weight

图4 亚临界水处理后果胶分子的降解度变化Fig.4 The degree of degradation of pectin molecules after subcritical water treatment

柑橘果胶经亚临界处理后分子质量会有不同程度的下降。图3显示不同处理条件下柑橘果胶分子质量的变化，图4表示以数均分子质量和重均分子质量表示的果胶降解度的变化情况。由两图可知，在相同的时间下，温度越高，果胶样品的分子质量越小；在相同的温度下，时间越长，样品分子质量越小；本试验条件下，数均分子质量最高从120 ku下降到23.7 ku，以此表示的果胶降解度最高达80.5%；重均分子质量最高从160 ku下降到44.5 ku，以此表示的降解度最高达71.7%。由于数均分子质量更多的是体现分子质量小的组分的贡献，可见，果胶的降解大部分不是从中间断裂的，而是断裂成许多分子质量较小的片段。此外，由两图可知在同一温度下，果胶分子质量随时间的变化基本上在一条直线上，可见，在特定温度下，果胶大分子的降解速率不变。

2.4 亚临界水处理对柑橘果胶还原糖含量的影响

不同处理条件下柑橘果胶样品溶液中还原糖含量的变化如表2所示。由该表可知，果胶溶液经亚临界水处理后，随着处理温度的升高和处理时间的延长，果胶溶液中还原糖的含量逐渐增高。这说明经亚临界水处理后，果胶分子被降解，有更多的还原性基团游离出来。基于此，可从所测还原糖含量的变化表征果胶分子的降解程度，图5所示为柑橘果胶样品中非还原糖转化为还原糖的变化情况。由该图可知，在本试验条件下，总糖的水解度可达75.1%，与以分子质量表示的果胶降解度基本一致。

图5 亚临界水处理后果胶样品总糖的水解率Fig.5 Hydrolysis rate of total sugar of pectin samples treated by subcritical water

表2 不同亚临界水处理对果胶样品还原糖含量的影响（mg/mL）Table2 Reducing sugar content of pectin after different subcritical water treatments （mg/mL）

3 结论

在试验所选的温度和时间下，亚临界水处理对柑橘果胶的流变特性和分子质量都有明显的影响。随着亚临界水温度的升高和处理时间的延长，果胶溶液从假塑性流体逐渐变为胀塑性流体，表观黏度逐渐下降。随着亚临界水温度的升高和处理时间的延长，柑橘果胶分子质量逐渐减小，数均分子质量最低达23.7 ku，重均分子质量最低达44.5 ku，果胶降解度分别可达80.5%和71.7%；在特定温度下，果胶大分子的降解速率不随时间变化而变化。随着亚临界水温度的升高和处理时间的延长，果胶溶液中还原糖的含量逐渐增高，总糖水解度可达75.1%。