黄原胶对流质配方食品流变特性的影响

李慧 ，付鑫，任元海，孙婉婷 ，王猛 ，周泉城 *

1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院食品科学系（淄博 255049）；2. 农产品功能化技术山东省高校重点实验室（淄博 255049）；3. 华润圣海健康科技有限公司（淄博 255000）

流质配方食品是以碳水化合物和蛋白质为基础，可添加维生素和矿物质的用于特殊医学用途的食品配方，比如用于进食困难、吞咽困难的患者等，而老年人是吞咽障碍发生率最高的群体[1]。随着全球老龄化社会的到来，吞咽障碍已成为世界各国所要面临的重大健康问题[2]。从安全吞咽的角度来讲，对于吞咽障碍特殊食用人群而言，对质地稀薄的流体食物增稠可以提高流体食物的黏度，减缓其流经咽喉的速度，降低食物吸入肺里的危险，从而避免吸入性肺炎导致食用人群死亡[3]。据调查，吞咽障碍造成的吸入性肺炎已经成为致使老年人死亡的重要原因之一[4]。

流质配方选用的蛋白质是豌豆蛋白肽和乳清蛋白。豌豆蛋白肽是豌豆蛋白经酶解破坏肽键后得到的小分子肽，它的抗氧化活性更高，并具有凝胶形成性、乳化性和乳化稳定性。乳清蛋白是一种营养丰富的重要食品组分，它不仅易消化，而且有很高的代谢效率，同时还含有很多生物活性物质，具有很高的功能特性，所以它们被广泛用于提高食品质地和营养价值[5]。而对流质食品增稠可保持食品的色、香、味结构，并对食品的相对稳定性起相当重要的作用[6]。黄原胶由于其强烈假塑性的流变学特性常被作为增稠剂，在吞咽困难的饮食护理中显示出积极的作用[3]。黄原胶由5个糖残基单元组成，其中侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群赋予了黄原胶负电荷，带负电荷的侧链相互作用决定了黄原胶优良的乳化稳定性、温度稳定性、与食品中其他组分的相容性以及流变性，是已知所有亲水性胶体中用途较广泛、使用较多的胶体[7-9]，可以和淀粉等其他多糖相配伍，可控制最终产品的糊化性和流变性[10]。它还具有良好的水溶性，即使在冷水中也可较好溶解[11]。要对其流变特性进行评估和控制，最重要的是探究这些因素的影响[12]。

试验从流变学等物性学角度出发，探究了不同浓度的黄原胶对流质配方食品的增稠效果及食用安全性的影响规律，讨论了流质配方食品的黏度的时间依赖性以及稳态、动态流变性，以期对该流质配方食品设计开发、临床护理方面提供理论数据和应用指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

黄原胶（上海鸿键食品配料有限公司）；豌豆蛋白肽（烟台双塔食品有限公司）；乳清蛋白（上海爱纯生物科技有限公司）；羟丙基淀粉（上海爱纯生物科技有限公司）；核桃油（南阳磨坊麻麻原生态食品有限公司）；氯化钠、磷酸二氢钾（郑州瑞普生物工程有限公司）。

1.2 仪器与设备

Malvern旋转流变仪（马尔文公司）；SMC渗透压摩尔浓度测定仪（天津斯格瑞科技有限公司）；雷磁PHS-25 pH计；AL-1D4电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海有限公司）。

1.3 方法

1.3.1 流质配方食品制备

流质配方食品溶液的配制：分别添加0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%和3.0%黄原胶（黄原胶-营养素，质量比）于由0.8 g豌豆蛋白肽、0.7 g乳清蛋白、0.25 g核桃油、7.60 g羟丙基淀粉、0.01 g混合维生素、0.16 g混合矿物质、0.11 g氯化钠、0.06 g磷酸二氢钾组成的配方食品中，混匀，加55 ℃水，高速分散均质机以10 000 r/min均质5 min后即得测定所需试样。

1.3.2 pH测定

取1.3.1中试样测定pH。

1.3.3 渗透压测定

取1.3.1中试样，用渗透压摩尔浓度测定仪测试渗透压。

1.3.4 流变学性质的测定

取1.3.1中试样，放入应力可控型Malvern旋转流变仪测定平台，采用平板-平板测量系统，平板直径为40 mm，平板间距为0.5 mm，刮去平板外多余样品，加上盖板。为了使样品保持相同的初始状态，装样后使之平衡5 min后开始测试。每次测试均使用新的样品，并用轻质硅油封样以防止水分挥发。测试温度我25 ℃。稳态剪切黏度曲线测试中，采用控制剪切速率的测试模式，剪切速率由0.1 s-1升至1 000 s-1，记录样品的黏度随剪切速率的变化以及应力随剪切速率的变化。样品时间依赖性试验中，分别在剪切率50 s-1和200 s-1时剪切5 min，静置1 min，再剪切1 min测试黏度随着时间的变化情况。动态应变扫描测试中，初始频率为6.28 rad/s，应变扫描范围0.001～3，记录储能模量G'、损耗模量G”以及损耗因子tanδ随应变的变化。

2 结果与分析

2.1 黄原胶浓度对流质配方pH影响

黄原胶是一种酸性胞外杂多糖，其溶液对酸碱十分稳定[11]。随着黄原胶浓度的增高，其分子体积增大，相互作用概率增加，吸附水分子增多，这导致作为溶剂的水分子减少，因此pH发生变化。从图1可看出，黄原胶浓度越大，其调节的流质配方食品pH越大，由酸性pH升高到中性的7左右。人体最佳的pH为7.3～7.4，未添加黄原胶流质配方食品呈酸性，而黄原胶添加后，流质配方食品pH则趋向最佳值，更有利于人体的健康。此外，流质配方食品的pH与流质配方溶液的黏度及其稳定性有着密切关系，对流质配方溶液的黏度及其稳定性调节有重要作用，而且两者也会影响到患者食用效果。

图1 黄原胶浓度对流质配方食品pH影响

2.2 黄原胶浓度对流质配方渗透压影响

任何溶液都因有不同的溶质浓度而呈现不同的渗透压。渗透压调节人体内酸碱平衡，对恢复神经正常作用具有重要作用。黄原胶在电解质溶液中呈螺旋结构，在含有钠盐的流质配方食品中，黄原胶分子间存在的氢键维持黄原胶分子双螺旋结构，而分子内氢键则保持黄原胶分子的刚性，使流质配方食品在热力学上更稳定。双螺旋解开为单链，对渗透压起到很大作用，黄原胶可以减缓流质配方食品的凝沉，可能的原因是亲水性胶体结合了部分水分，而使水分活度降低，因此增加了凝沉的时间，这方面研究与文献[13]研究结果一致。正常人体的血浆渗透浓度为280～320 mOsmol/kg。从图2可以看出，此次试验的黄原胶添加量渗透压均在此范围，不但不会对人体造成危害，还使其长时间不发生分层，改善口感与体态。

2.3 流变学性质分析

2.3.1 稳态剪切黏度曲线测试未添加黄原胶的流质配方食品表观黏度基本不随剪切速率的增加而发生改变，仅0.08 Pa·s，为低黏度流体。此黏度食用时，易发生呛吸，而引起窒息，因此不适合吞咽困难患者直接食用。在剪切速率的作用下，添加黄原胶的流质配方食品表现为典型的非牛顿假塑性流体[14]。从图3可以看出，当剪切速率为0 s-1时，溶液表观黏度最大；当剪切速率从0 s-1增加到500 s-1时，表观黏度随剪切速率的增加而迅速降低；500 s-1之后，表观黏度的下降趋势逐渐趋于平缓。这是因为黄原胶为网状螺旋复合体长链结构，剪切速率较低时，它与流质配方食品中的支链淀粉相互缠绕，彼此交织缠结，形成缠节与三维网状结构，增加分子间的作用力，黏度最高[15]，而当剪切速率不断增加时，分子之间形成的网状结构被破坏，缠结被完全解开，降低了流体阻力，从而使溶液的表观黏度减小，表现出典型假塑性流体特性[16-17]。剪切稀化是流体特有的现象，即流体的表观黏度随剪切速率的增加而降低[18]。

图2 黄原胶浓度对流质配方渗透压影响研

图3 不同黄原胶添加量下剪切速率对流质配方食品黏度的影响

图4 不同黄原胶添加量下剪切速率对流质配方食品剪切应力的影响

在相同剪切速率条件下，黄原胶的质量浓度越大其表观黏度越大，流体假塑性越强，剪切稀化效应越显著。但当黄原胶浓度达到2.5%时，再增加其浓度，黏度减小不显著。可通过调节黄原胶质量浓度来调控黏度下降程度，以满足不同吞咽困难患者对黏度和口感的多方面需求，优良的黏度冲调性对于吞咽困难患者来说至关重要，它保证了食用期间流动性的黏度安全性。

2.3.2 时间依赖性试验

两种剪切速率的选择依据：50 s-1为流体食物在喉咙吞咽时的速率，且该剪切速率可类比流体食物在容器中被轻微搅动时受到的剪切作用；而200 s-1则对应于流体食物经历比较大强度搅拌时的剪切速率[22]。

图5 不同浓度黄原胶流质配方溶液在50 s-1和200 s-1恒定速率下黏度随剪切时间的变化

从图5可见，在同一黄原胶添加量下，第2次剪切时的黏度与第1次剪切后无显著性差别，黏度随时间变化不明显，说明剪切时间和剪切程度基本不会对其黏度造成影响，外力撤出后体系恢复到未经力作用的体系状态所需的时间短。但200 s-1恒定剪切相较50 s-1恒定剪切造成的黏度下降较明显。黄原胶分子间靠氢键形成二级螺旋立体结构，双股螺旋结构间靠微弱的非共价键结合，形成三级螺旋聚合体结构。在高剪切速率下，三级聚合体结构解聚为一级刚性结构，因而溶液黏度迅速下降，当剪切速率解除时，分子结构又恢复到双螺旋聚合体状态，使溶液黏度恢复到最大[23]。黄原胶的添加其溶液黏度不受剪切历史的影响，无明显的触变性，并表现出剪切变稀的行为，对施加的剪切应变做出即时响应[24]。这样的溶液可给予咽部较长的吞咽反应时间，从而减少吸入危险。试验给出了黄原胶添加量在0～3%的浓度范围内流质配方溶液的特征，其结果均符合人体安全食用的要求，实际临床需求可根据特殊吞咽患者对黏度等的要求调整实现。

2.3.3 动态应变扫描测试

tanδ为损耗模量与储能模量的比值，可以反映流体的黏弹性[13]。储能模量（G'）代表剪切时能量储存并且可以恢复的弹性能力，损耗模量（G”）代表流体受到外部剪切力作用而产生的黏性能力[25]。

从图6可见，未增稠的流质溶液，它的储能模量小于损耗模量，损耗角正切值tanδ大于1，及G'＜G”，tanδ＞1，为类液体的性质；而经黄原胶增稠的流质溶液，它的储能模量大于损耗模量，损耗角正切值tanδ小于1，及G'＞G”，tanδ＜1。由此可知动态机械损耗角正切大于1主要是黏性行为，说明体系流动性强；小于1主要是弹性行为，说明其固体特性强[26]。黄原胶的添加，使流质溶液成为弹性高于黏性的黏弹体，表现为典型的弱凝胶体系。原因可能是亲水性胶体与溶出的直链淀粉通过范德华力或氢键作用，形成比原淀粉凝胶更强的网络结构体[27]。这与刘敏等[7]的试验结果相似。

流质配方食品的储能模量和损耗模量的改变受黄原胶添加影响，是因为黄原胶分子支链与主链之间形成螺旋构象与其直链淀粉之间作用[28]。储能模量的增大说明溶液体系的固体特征上升，是由于亲水胶体与淀粉之间形成不兼容的网状结构类似于同种类型的直链淀粉之间的网络结构，导致黏度的增加、储能模量的增加，这与BeMiller等[29]研究所得结果一致。

图6 不同浓度黄原胶流质配方溶液模量（G'和G”）和损耗角正切随应变的变化

3 结论

黄原胶与流质配方混合体系体现出非牛顿流体的性质，其具有更好的增稠作用和更强的假塑性。在稳态剪切黏度曲线测试中，添加黄原胶增加了流质配方的黏度和剪切稀化效应，使其产生一定的应力，提高了混合体系的稳定性。当黄原胶浓度达到一定程度后（高于2.5%），混合体系性质趋向稳定。在时间依赖性试验中，黄原胶的添加其溶液黏度不受剪切作用的影响，无明显的触变性，更适合吞咽困难患者。在动态应变扫描测试中，加入黄原胶后混合体系的G'、G”值增加，损耗角正切值tanδ增加，弹性高于黏性，咀嚼性降低，形成了更加均匀稳定的网状结构。该流质配方的pH、渗透压测定表明相关食用品性安全。此次试验为该流质配方产品市场化提供了物性安全稳定依据，并为吞咽困难患者的临床饮食护理提供有效依据。