葫芦巴胶添加对藜麦汁流变特性的影响

赵保堂，罗启，尚琪，张志华，杨富民，杨发荣，黄杰

1(甘肃农业大学 食品科学与工程学院，甘肃 兰州，730070) 2(甘肃省农业科学院 畜草与绿色农业研究所，甘肃 兰州，730070)

藜麦是一种“类全谷物”，最早产于南美洲安第斯山脉地区，在当地已有约7 000年的种植历史[1]。藜麦具有耐旱性、耐瘠薄性、耐盐碱等性质，其籽粒含有抗肿瘤、抗氧化、增强免疫等多种活性成分[2]。藜麦具有低脂、低糖、低热量、零胆固醇的特点，是最适宜人类的完美的营养食品之一[3]，藜麦食用后良好的饱腹感[4]，使其具有保健和塑身功能[5]。联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)将藜麦列为全球十大健康营养食品之一，其活性物质也被用于食品加工行业[6-7]。但单独食用藜麦汁口感单一，通过添加食品胶可调节藜麦汁的黏稠度进而改善其口感。从葫芦巴种子的胚乳提取的葫芦巴胶-半乳甘露聚糖，因其较高的持水性常作为食品增稠剂，对液态食品的结构稳定性起着重要作用，而这种作用的大小则通常与其黏弹性有关[8-10]。

本研究以葫芦巴胶作为藜麦汁的增稠剂，通常与其研究葫芦巴胶添加量及不同贮藏条件(25、4、-18 ℃)对藜麦汁流变特性的影响，以期为藜麦产品的开发提供一定理论支持[11]。

1 材料与方法

1.1 实验材料

葫芦巴胶粉，山东滕州泰山生物有限公司；藜麦籽，甘肃省金昌市永昌镇。

1.2 主要仪器

GT10-1高速台式离心机，北京时代北利离心机有限公司；RE-52AA旋转蒸发器，上海亚荣生化仪器厂；MCR301流变仪，奥地利安东帕公司；FA2204B电子天平，上海越平科学仪器有限公司；H01-1G磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 藜麦汁的制备

藜麦籽经粉碎后过60目筛，加一定量蒸馏水，在60 ℃浸提2 h，4 000 r/min离心20 min,取上清液配制质量分数为10%的藜麦汁备用。

1.3.2 不同质量比葫芦巴胶对藜麦汁流变性影响

以藜麦汁干物质的质量分数(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)加入葫芦巴胶，置于磁力搅拌器，在25 ℃下以1 000 r/min搅拌50 min，测定其流变学特性。

1.3.3 不同贮藏条件对藜麦汁流变性影响

取葫芦巴胶-藜麦汁(葫芦巴胶添加量为0.6%)，置于不同储藏条件(25、4、-18 ℃)下保存24 h，恢复至室温，参照何兴芬等[11]的方法，采用MCR301流变仪分别测定其流变学特性。

1.4 数据分析

利用Origin 8.0进行作图和数据分析。

2 结果与讨论

2.1 葫芦巴胶添加对藜麦汁流变特性的影响

2.1.1 应变扫描

如图1所示，随着葫芦巴胶质量分数的增大，藜麦汁的储藏模量与损耗模量明显高于未加葫芦巴胶的样品，同时未加葫芦巴胶组的藜麦汁损耗模量呈下降趋势，而加入葫芦巴胶的藜麦汁损耗模量则呈平稳态势，说明加入葫芦巴胶会提高藜麦汁的稳定性。

2.1.2 温度扫描

由图2-a和图2-b可知，加入葫芦巴胶后藜麦汁的储藏模量、损耗模量和混合黏度都高于未加葫芦巴胶的藜麦汁；图2-c和图2-d可知，未加葫芦巴胶的藜麦汁tan δ较其他加入葫芦巴胶的藜麦汁大。且所有样品经过升温处理后其储能模量与复合黏度均高于升温前，说明藜麦汁的黏性和弹性对温度有一定依赖性，加入葫芦巴胶后的藜麦汁对温度的依赖性有所上升，且体系的弹性比例增大，流动性减弱。这可能与颗粒间的摩擦和碰撞的概率有关，随着温度的升高，微粒间的摩擦和碰撞的几率增大，流动性减弱。

a-储能模量；b-损耗模量图1 葫芦巴胶对藜麦汁应变的影响Fig.1 Effect of fenugreek gum content on the deformation of quinoa juice

a-储能模量；b-损耗模量；c-复合黏度；d-阻尼因子图2 葫芦巴胶浓度对黏弹性的影响Fig.2 Effect of fenugreek gum contents on quinoa juice

2.1.3 时间扫描

从图3可以看出，加入葫芦巴胶的藜麦汁储藏模量、损耗模量和混合黏度都远大于未加胶的藜麦汁。随着时间的增加，葫芦巴胶-藜麦汁的储藏模量和损耗模量以及混合黏度也在增大。说明加入葫芦巴胶后的藜麦汁弹性和黏性对时间依赖性增大。

2.1.4 频率扫描

图4是葫芦巴胶-藜麦汁储藏模量和损耗模量随角频率的增大而变化的情况。当角频率达到一定程度时G′和G″曲线相交，此时G′=G″，表示凝胶状态的开始，加入葫芦巴胶后葫芦巴胶-藜麦汁的凝胶点较藜麦汁提前。当G′G″时，葫芦巴胶-藜麦汁更多地表现出固体弹性性质[12]，且葫芦巴胶浓度关系下始终存在G′>G″，加入葫芦巴胶后的储藏模量和损耗模量都显著增大。加入葫芦巴胶后样品弹性增大，这是因为葫芦巴胶成分中含有半乳甘露聚糖，对增稠和稳定具有良好作用，所以加入葫芦巴胶会使得葫芦巴胶-藜麦汁的弹性增大。

在角速度较高的时候，它们有相互靠近的趋势，表明葫芦巴胶-藜麦汁具有类似固体的弹性行为。如图5所示，复合黏度随着温度的升高和频率的增大而降低[13]，储藏模量高于损耗模量，所以弹性占主导。损耗角正切值表示为tanδ=G″/G′，是指样品的黏性和弹性的比值。

a-储能模量；b-损耗模量；c-复合黏度图3 葫芦巴胶对藜麦汁体系动态黏弹性的影响Fig.3 Effects of fenugreek gum content on the dynamic viscoelasticity of quinoa juice

a-储能模量；b-损耗模量；c-复合黏度；d-阻尼因子图4 葫芦巴胶浓度对复合体系储能模量、损耗模量、复合黏度、阻尼因子的影响Fig.4 Effect of addition of fenugreek gum on quinoa juice

图5 不同浓度葫芦巴胶对复合体系黏度的影响Fig.5 Effect of fenugreek gum contents on viscosity of fenugreek gum-quinoa juice

由图6可知，加入葫芦巴胶的藜麦汁tanδ<1，说明体系的弹性比例较大，流动性较差，其在线性范围内的形变是可压缩和恢复的[14]。但未加胶的藜麦汁tanδ>1，说明藜麦汁体系的黏性比例较大，流动性较好。说明加入葫芦巴胶后样品弹性增大且弹性占主导，具有类似固体的弹性行为，体系组分中高聚物聚合度大。

图6 葫芦巴胶对藜麦汁触变性的影响Fig.6 Effect of fenugreek gum contents on thixotropy of fenugreek gum-quinoa juice

2.1.5 剪切扫描

利用Carreau-Gahleitner Ⅰ模型对样品的流动曲线进行拟合，模型方程如公式(1)所示：

(1)

式中：y0-yinf>0，y0，零剪切黏度，Pa·s；yinf，无限剪切黏度，Pa·s；a，回归参数；p，回归参数；x，剪切速率；y，黏度。

由表1可知，除了对照和添加量为1%的样品，其他样品Carreau-Gahleitner Ⅰ模型有较高的R2值，因此，Carreau-Gahleitner Ⅰ模型能够很好地拟合实验数据，适合于描述样品的流动性。但对于不加胶的藜麦汁和添加量为1%的葫芦巴胶溶液，Carreau-Gahleitner Ⅰ 模型的相关性较差，R2值较小。除了0.2%的样品，其他加胶样品零剪切速率(y0)随浓度的增大而增大，但始终没有原始样品的y0高，而无限剪切黏度(yinf)表现出先上升再下降的趋势。

由图5可知，随着剪切速率的上升，所有样品的黏度都呈下降趋势，出现剪切变稀，这不同于理想的塑性流动，葫芦巴胶的水溶液在到达最大值后就会表现出剪切变稀的假塑性行为[21]，葫芦巴胶加入藜麦汁也表现出类似的行为。没有加胶的藜麦汁随着剪切速率的增大，出现剪切增稠，归因于随剪切速率增大，以流体中分子链内连结减小为代价增大了分子链间连结的概率，从而导致黏度的增大；随着剪切速率的增加，添加葫芦巴胶的藜麦汁的黏度呈下降趋势，但随着胶浓度的增大，黏度也在增加，表明复合黏度对葫芦巴胶胶的质量浓度有一定的依赖性。

表1 不同浓度样品的 Carreau-Gahleitner Ⅰ模型拟合参数Table 1 Carreau-Gahleitner I model fitting parameters for different concentrations of samples

2.1.6 触变扫描

触变性是在非破坏或剪切条件下，材料的形变对剪切应力的反应。剪切速率随着时间增大而增大到最大剪切值。然后在没有任何外界干扰的情况下，通过降低剪切速率使此过程得以恢复，所以形成闭合的曲线。而这个闭合曲线所包围的区域则被称为触变环，触变环的面积越大说明样品的触变性越大，即样品的恢复性越弱，弹性越小[9,16]。如图6所示，添加量为0.6%的滞后环面积最大，即此时样品恢复性较差，胶质量分数0.2%的样品滞后环面积最小，即弹性最大，样品恢复性最好，滞后环面积随着胶质量分数增大呈先增大后减小趋势。说明样品弹性随着胶质量分数增加而先增大后减小，胶质量分数为0.6%时样品触变环最大(257.74 Pa/s)，即弹性最小。

2.2 不同储藏条件对葫芦巴胶-藜麦汁流变特性的影响

2.2.1 温度扫描

由图7可知，随温度升高，低温处理的葫芦巴胶储藏模量、损耗模量和复合黏度大小关系：冷藏<冷冻<常温，说明温度对低温保存处理的葫芦巴胶-藜麦汁影响不明显，即随着温度变化低温条件下保存的葫芦巴胶-藜麦汁的黏性和弹性都不发生显著变化。

2.2.2 时间扫描

如图8所示，随着时间的增加，冷藏和冷冻的葫芦巴胶损耗模量、储藏模量和混合黏度都没有明显变化，常温保存的葫芦巴胶-藜麦汁的胶损耗模量、储藏模量和混合黏度则随着时间显著增加。说明常温保存的葫芦巴胶-藜麦汁受时间影响较明显，随时间推移，其弹性和黏性会发生较显著的变化，而经过低温保存的葫芦巴胶-藜麦汁则受时间影响不明显，随着时间的增长，弹性和黏性不会发生显著变化。

a-储能模量；b-损耗模量；c-复合黏度；d-阻尼因子图7 不同储藏条件对藜麦汁黏弹性的影响Fig.7 Effects of different storage conditions on quinoa juice

a-储能模量；b-复合黏度；c-损耗模量图8 不同储藏条件对藜麦汁动态黏弹性的影响Fig.8 Effects of fenugreek gum content on the dynamic viscoelasticity of quinoa juice

2.2.3 频率扫描

从图9-a可知，样品不管在什么条件下保存，储能模量始终大于损耗模量，即葫芦巴胶-藜麦汁体系中弹性占主导。在较高的角频率下，它们有相互靠近的趋势，表明样品具有类似固体的弹性行为。图9-b可以看出，冷冻后的tanδ最大，冷藏条件下保存的样品tanδ最小，由图9-c可知，随角频率增大，混合黏度都呈急剧下降的局势。说明冷藏保存使得体系弹性比例较大，高聚物数量增大或聚合度变大，而冷冻保存的样品内高聚物数量下降或聚合度较原来减小。葫芦巴胶-藜麦汁的复合黏度在常温、冷藏、冷冻条件下无显著变化，同时复合体系的损耗模量在常温与冷冻条件下相一致，归因于冷冻过程形成的冰晶促进葫芦巴胶-藜麦汁中的胶体分子间有序结合，形成局部的高浓度，使葫芦巴胶-藜麦汁的凝胶强度增加，即冷冻过程对葫芦巴胶-藜麦汁的凝胶网络的内部交联结构具有促进作用[17]。龙秀明等[18]通过在粉条中添加魔芋胶提高了粉条的咀嚼性。

2.2.4 频率扫描

如图10所示，随剪切速率增大，黏度呈下降趋势，且3个条件下保存的葫芦巴胶-藜麦汁黏度的下降趋势几乎相同。当剪切达一定程度时，常温保存的葫芦巴胶-藜麦汁黏度比低温保存的葫芦巴胶-藜麦汁黏度稍大，表明低温保存会使葫芦巴胶-藜麦汁的黏度受影响[17-18]。

2.2.5 触变扫描

由图11可以看出，冷藏条件下保存的葫芦巴胶-藜麦汁滞后环最小，常温保存的葫芦巴胶-藜麦汁的滞后环最大。说明葫芦巴胶-藜麦汁在低温条件下保存会增加其恢复能力，即弹性较好。这可能与藜麦中蛋白质含量较高有关，在较低温度下更有利于蛋白质的结构保存[19-20]。

a-损耗模量；b-阻尼因子；c-复合黏度图9 不同储藏条件对复合体系储能模量和损耗模量、复合黏度、阻尼因子的影响Fig.9 Effects of different storage conditions on the storage modulus, loss modulus, complex viscosity and damping factor of composite system

图10 不同储藏条件对藜麦汁复合体系黏度的影响Fig.10 Effect of different storage conditions on viscosity of fenugreek gum-quinoa juice

图11 不同储存条件对藜麦汁触变性的影响Fig.11 Effect of different storage conditions on thixotropy of fenugreek gum-quinoa juice

3 结论

葫芦巴胶-藜麦汁复合体系符合流变学的Carreau-Gahleitner模型，随葫芦巴胶浓度增大，复合体系的弹性和黏性增加，呈浓度依赖性，当复合体系中葫芦巴胶质量分数为0.8%时，体系黏度最大。当温度升高时，体系黏性和弹性有所下降，呈弹性增大趋势，且弹性占主导，具有类似固体的弹性行为。葫芦巴胶是由乳糖与甘露糖之比为1∶1.2的半乳甘露聚糖组成，其分子溶胀度随温度升高而增大，同时溶胀度也随着浓度的升高而增大，从而增加了复合体系的黏度，低温处理后体系的触变环较小，表明低温处理对于体系中各种成分的影响较小，体系恢复能力较强[19,21]。低温处理后的葫芦巴胶-藜麦汁的黏性和弹性对时间依赖性很小，冷冻后微波解冻的葫芦巴胶-藜麦汁的黏性和弹性对时间的依赖性增强，但没有常温下保存的葫芦巴胶-藜麦汁的黏性和弹性对时间的依赖性明显。低温条件(冷藏2～4 ℃)下保存会较好保持葫芦巴胶-藜麦汁的弹性，但是过低温度(-18 ℃)下保存会破坏葫芦巴胶-藜麦汁的黏性和弹性。其半乳甘露聚糖大分子在速度梯度场中会产生定向效应，且随速度梯度的增大而增强，使分子与流动方向趋于一致，减小对液体流动的干扰，同时使大分子间的缠结减弱[17]。