超声处理对肉苁蓉多糖流变学性质的影响*

田文静 周 瑫 黄群惠 史金涵 丁 旭 张 继**

（1 西北师范大学生命科学学院 甘肃兰州 730000 2 甘肃省特色植物有效成分制品工程技术研究中心 甘肃兰州 730030）

肉苁蓉（Cistanche deserticolaY.C.Ma）属被子植物亚门双子叶植物纲唇形目列当科肉苁蓉属植物，别名纵蓉、地精、金笋、大芸［1］。为多年生寄生草本，被多数肉质鳞片状叶，颜色为黄色至褐黄色。以列当科植物肉苁蓉的肉质茎为药用肉苁蓉。生于盐碱地，干河沟沙地、戈壁滩一带，分布于内蒙古、陕西、甘肃、宁夏、新疆等地。据《中药大辞典》记载，肉苁蓉甘酸咸、温；入肾、大肠经；可补肾，益精，润燥，滑肠；治男子阳痿，女子不孕，带下，血崩，腰膝冷痛，血枯便秘［2］。经现代药理学研究发现，肉苁蓉中含有许多生物活性物质，主要有苯乙醇苷类、环烯醚萜及其苷类、黄酮类、多糖等［3］，苯乙醇苷类具有抗阿尔茨海默病、抗帕金森病、提高学习记忆能力等作用［4］，多糖类在免疫调节、抗衰老、改善脾虚、抗病毒抗肿瘤、促进造血等方面具有药理作用［5］，屠鹏飞等［6］已分离鉴定了17 个新多糖的结构，发现6 个免疫活性多糖。因此，探究肉苁蓉多糖具有重要意义。

与传统的热水浸提法进行比较，超声波辅助浸提法提取红枸杞等多种植物多糖，具有大幅度缩短提取时间、降低能量消耗、提高多糖提取率、操作简单等优点，且超声提取的多糖具有较高的抗氧化活性，不会破坏多糖原有的结构［7］。

近年来，流变学特性的研究在中草药保鲜及深加工中越发重要。准确检测和控制生产过程中流体食品的流变性质，对于提高产品质量非常重要。通过流变学实验（基础实验、模拟实验）可预测产品的质量及其在市场上的接受性，指导新产品的开发。在食品流变学的基础上，研究肉苁蓉独特的流变学特性，可为肉苁蓉中药材后期的保鲜及深加工提供理论参考［8］。

大多数文献从超声、微波、复合酶等方面着手研究肉苁蓉多糖的提取工艺，并测定其含量［9-10］，很少有研究从流变学性质分析肉苁蓉多糖的特性。本次实验对肉苁蓉多糖的超声波辅助浸提法和热水浸提法进行比较，并测定其流变学性质，从应力、频率、触变、剪切等4 个方面分析了超声提取对肉苁蓉多糖的流变学性质的影响，旨在为肉苁蓉及其他珍贵中药材的流变学及其他特性的研究提供有效依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验原料 实验所用原料新鲜肉苁蓉来自甘肃陇南，经西北师范大学植物组陈学林教授鉴定为列当科肉苁蓉（C.deserticolaY.C.Ma）。

1.2 仪器及设备 高级旋转流变仪（Physica MCR 301，奥地利Anton Paar）、多功能食品加工机（AMR600G，中安电器）、数显磁力搅拌水浴锅（JRA-6，金坛市杰瑞尔电器有限公司）、雪花制冰机（XB-20，宁波新芝生物科技股份有限公司）、杯式超声波细胞粉碎机（Scientz-4D，宁波新芝生物科技股份有限公司）、旋转蒸发仪（RE-52，上海亚荣生化仪器厂）、循环水式多用真空泵（SHB-Ⅲ，郑州长城科工贸有限公司）、台式大容量冷冻离心机（L-535R，湘仪离心机仪器有限公司）。

1.3 肉苁蓉多糖的制备 称取一定量的肉苁蓉，加蒸馏水并粉碎，70℃水浴2 h，过滤；浸提2 次，合并2 次滤液，实验过程的肉苁蓉和蒸馏水的料、液比为1∶10。将肉苁蓉多糖滤液抽滤、离心，取出上清液加入旋转蒸发器60℃浓缩至25 mL；将肉苁蓉多糖冰浴，在杯式超声波细胞粉碎机中进行不同时间（在1 000 W 的功率下分别进行5 min、10 min、15 min、20 min、25 min 的超声处理，工作次数相对应为100 次、200 次、300 次、400 次、500 次，工作时间为3 s，间隔时间为2 s）、不同功率［分别在400 W、800 W、1 000 W、1 200 W、1 600 W、2 000 W 的超声功率下进行处理15 min（300 次）］的处理。对照组采用热水提取法进行处理。

本文针对杯式超声波细胞粉碎机的可改变条件，从超声时间和功率2 个方面，对肉苁蓉多糖流变学性质的影响各进行了5 组实验组与1 组对照组的实验。

1.4 动态粘弹性测定

应变扫描：采用MCR301 流变仪的平板PP50（内径=50 mm） 系统，1 mm 的平行板间距在25℃的测量温度下，给样品以恒定的频率（1 Hz）施加一个范围（0.01～100%）的正弦形变（应变），通过测定储能模量与损耗模量的变化描述肉苁蓉多糖的线性粘弹性范围［11-12］。

频率扫描：采用振荡动态扫频技术，对不同时间和不同功率下超声波辅助提取多糖和热水提取多糖溶液的粘弹性模量（储能模量）和损失模量进行模拟计算。在实验前，用应变扫描法（0.01～100%）在恒频1 Hz（未提供数据）下建立了解的线性粘弹性范围。然后，在控制应变模式下，用PP50的MCR 301 流变仪对不同条件下的超声波辅助提取多糖和热水提取多糖在25℃和pH=7.0 条件下进行了动态振荡扫频。角频率范围为0.01～100 s-1，应变幅值0.1%［13］。

1.5 流动性能测定 在25℃、pH=7.0 条件下，用带有PP50 的MCR 301 流变仪对不同处理的肉苁蓉多糖进行了稳态剪切流动测量。采用旋转模式描述了随着剪切速率（0.01～100 s-1）增加，肉苁蓉多糖的表观粘度的变化趋势［12-13］。

1.6 触变性测定 在25℃、pH=7.0 条件下，用带有PP50 的MCR 301 流变仪对不同处理的肉苁蓉多糖的触变性进行了表征，该实验包括向上曲线、平台曲线和向下曲线3 个步骤。采用0.01～100 s-1的增大剪切速率斜率测量上升曲线。以100 s-1为剪切速率，50 s 的剪切得到最高曲线。然后，设置剪切速率斜率为100～0.01 s-1，测量下降曲线。采用旋转模式描述了随着剪切速率（0.01～100 s-1）增加肉苁蓉多糖的剪切应力的变化趋势［14-15］。

2 结果与讨论

2.1 动态粘弹性分析

2.1.1 应变扫描 应变扫描的结果显示在图1～图4中，图1和图3是不同时间处理的肉苁蓉多糖的储能模量、损耗模量随着应变的变化趋势，图2和图4是不同功率处理的肉苁蓉多糖的储能模量、损耗模量随着应变的变化趋势。结果表明，随着应变的增大，肉苁蓉多糖的储能模量和损耗模量呈现先增大，到达一定峰值后再减小的趋势［16］；超声处理后的肉苁蓉多糖的储能模量和损耗模量虽然随着处理时间的增加而增大（25 min>15 min>5 min），且其储能模量也随着处理功率的增加而增大（2 000 W>1 600 W>400 W），但仍小于热水浸提法提取的肉苁蓉多糖的储能模量，表明超声辅助浸提对肉苁蓉多糖的储能模量有负影响作用。但超声处理的肉苁蓉多糖的承受能力减小，可能是由于超声处理导致肉苁蓉多糖的分子链间的缠结程度减小，其形成氢键的数目也减小，肉苁蓉多糖的三维网络结构强度也随之减小，粘弹性也减小［17-18］。

图1 不同时间处理的肉苁蓉多糖的储能模量与正弦形变（应变）的关系

图2 不同功率处理的肉苁蓉多糖的储能模量与正弦形变（应变）的关系

图3 不同时间处理的肉苁蓉多糖的损耗模量与正弦形变（应变）的关系

图4 不同功率处理的肉苁蓉多糖的损耗模量与正弦形变（应变）的关系

2.1.2 频率扫描 图5、图6为不同时间、不同功率的处理的肉苁蓉多糖的复数粘度随着角频率的变化曲线。结果表明，随扫描角频率的增加，所有实验组和对照组的肉苁蓉多糖溶液的复数粘度也随之下降，呈现出典型的切力变稀特征［19］。图5中随着杯式超声波细胞粉碎机工作时间的增加，复数粘度也随之上升，但始终小于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的复数粘度，而图6则显示，随着杯式超声波细胞粉碎机对肉苁蓉多糖工作功率的增加，其复数粘度一直呈下降趋势，清晰地呈现了剪切稀化行为，这是许多聚合物的典型特征，其粘度随着角频率的增加而降低。已有文献报道了类似结果，在频率扫描期间，颗粒之间的断键和键合可能导致影响流变性质的结构变化。在高频率下，时间间隔不足以破坏内部和内部分子键而进行重整。可能该现象导致长链聚合物的永久分子排列或解缠结，并因此导致复数粘度降低；还表明粘度高度依赖于浓度［20］。

图5 不同时间处理的肉苁蓉多糖的复数粘度与角频率的关系

图6 不同功率处理的肉苁蓉多糖的复数粘度与角频率的关系

图7、图8为不同时间、不同功率处理的肉苁蓉多糖的储能模量与角频率的关系曲线图，图9、图10为不同时间、不同功率处理的肉苁蓉多糖的损耗模量与角频率的关系图。结果表明，随扫描角频率的增加，所有实验组和对照组的肉苁蓉多糖溶液的储能模量和损耗模量呈连续下降状态［10］。图7、图9中随着杯式超声波细胞粉碎机工作时间的增加，储能模量和损耗模量也随之上升，但始终小于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的储能模量和损耗模量，而图8、图10则显示，在所有实验组处理中，随着杯式超声波细胞粉碎机对肉苁蓉多糖工作功率的增加，其储能模量和损耗模量在800 W处到达最大值，但仍然都小于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的储能模量和损耗模量，由此可见，超声对肉苁蓉多糖类物质的储能模量起负影响作用，使其损耗模量降低，即不可逆形变减小。

图7 不同时间处理的肉苁蓉多糖的储能模量与角频率的关系

图8 不同功率处理的肉苁蓉多糖的储能模量与角频率的关系

图9 不同时间处理的肉苁蓉多糖的损耗模量与角频率的关系

图10 不同功率处理的肉苁蓉多糖的损耗模量与角频率的关系

图11、图12为不同时间、不同功率处理的肉苁蓉多糖的损耗系数随角频率增加的变化关系图。图11中所有数据显示，随着角频率的增加，损耗系数的大小呈先增加后下降的趋势，且杯式超声波细胞粉碎机处理的所有实验组的损耗系数都大于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的损耗系数，而在4 组数据中，在10 min、1 000 W 的处理下的肉苁蓉多糖的损耗系数最大，表明损耗系数并没有随着处理时间的增多而持续增大。而图12则显示，随着角频率的增加，损耗系数的大小整体呈下降趋势，且随着杯式超声波细胞粉碎机对肉苁蓉多糖工作功率的增加，其损耗系数在1 200 W 处到达最大值，表明随着其工作功率的增加，肉苁蓉多糖的损耗系数一直增大，且基本都大于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的损耗系数，由此可见，超声对肉苁蓉多糖类物质的损耗系数增大，即超声处理使肉苁蓉多糖的粘弹性减小。

图11 不同时间处理的肉苁蓉多糖的损耗系数与角频率的关系

图12 不同功率处理的肉苁蓉多糖的损耗系数与角频率的关系

2.2 触变性分析 触变性即通过接触而变化。随切变应力增加粘度下降，剪切应力消除后粘度在等温条件下缓慢地恢复原来状态的现象［21］。图13、图14为不同时间、不同功率处理的肉苁蓉多糖的剪切应力随剪切速率增大的变化曲线图。图13显示，随着剪切速率的增加，剪切应力的大小呈持续增加的趋势，且超声处理的所有实验组的剪切应力都大于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的剪切应力，而在4 组数据中，在10 min、1 000 W 的处理下的肉苁蓉多糖的剪切应力最大，表明剪切应力并没有随着处理时间的增多而持续上升。图14则显示，且随着杯式超声波细胞粉碎机对肉苁蓉多糖工作功率的增加，剪切应力也在持续增加，2 000 W 处理下的剪切应力最大，且超声处理的肉苁蓉多糖的剪切应力基本都大于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的剪切应力，由此可见，超声使肉苁蓉多糖类物质的表观粘度增大。由于剪切变稀的粘度随剪切速率的增加而增加，所以超声处理使肉苁蓉多糖表现出明显的剪切变稀行为。

图13 不同时间处理的肉苁蓉多糖的剪切应力与剪切速率的关系

图14 不同功率处理的肉苁蓉多糖的剪切应力与剪切速率的关系

2.3 流动性能测定 使用稳定剪切流动实验在0.01～100 s-1的剪切速率范围内分析不同处理下的肉苁蓉多糖溶液的流动曲线。超声辅助提取多糖法和热水提取多糖法提取溶液的表观粘度显示在图15和图16中。肉苁蓉多糖溶液具有剪切变稀性，其表观粘度随剪切速率的增加而降低，直至基本稳定，属于非牛顿流体。图15显示，随着剪切速率的增加，肉苁蓉多糖的表观粘度的大小呈大幅下降直至基本稳定状态，且杯式超声波细胞粉碎机处理的所有实验组的粘度都大于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的粘度，在4 组数据中，表观粘度随处理时间的增多而持续上升。图16则显示，随着杯式超声波细胞粉碎机对肉苁蓉多糖工作功率的增加，粘度也在持续增加，2 000 W 处理下的表观粘度最大，且超声处理的肉苁蓉多糖的剪切应力都大于热水提取多糖法提取的肉苁蓉多糖的表观粘度。由此可知，超声使肉苁蓉多糖的流动性增大。

图15 不同时间处理的肉苁蓉多糖的粘度与剪切速率的关系

图16 不同功率处理的肉苁蓉多的糖粘度与剪切速率的关系

3 小结

本文探讨了肉苁蓉多糖的超声处理对其流变学性质的影响，具体在流变仪上从应力、频率、触变、剪切等4 个方面对肉苁蓉多糖类物质的流变学性质进行分析，得出经过应力扫描和频率扫描发现超声使肉苁蓉多糖的动态粘弹性减小，经过触变扫描发现超声处理使肉苁蓉多糖的剪切应力增大，触变性变高，呈现出典型的剪切变稀现象；经剪切扫描发现超声使肉苁蓉多糖的表观粘性增加，流动性增大。从应力、频率、触变、剪切等4 个方面分析了超声提取对肉苁蓉多糖的流变学性质的影响，旨在为肉苁蓉及其他珍贵中药材的流变学及其他特性的研究提供有效的依据，以及对后期其他珍贵中药材的保鲜及深加工提供理论依据。