菠萝蜜多糖流变学特性研究

马之原，朱科学，吴桂萍，张彦军，谭乐和, ，吴 刚，徐 飞

（1.华中农业大学食品科技学院，湖北武汉 430070；2.中国热带农业科学院香料饮料研究所，海南万宁 571533；3.海南省特色热带作物适宜性加工与品质控制重点实验室，海南万宁 571533）

多糖是一类来源广泛的天然高分子聚合物，由单糖通过糖苷键相互结合而成[1]，具有抗氧化、抗病毒、抗疲劳、抑制肿瘤、降血脂、降血糖、保肝、免疫调节等生理活性[2−7]。多糖溶液本身具有一定的粘弹性，此外，多糖的凝胶化对于食品质构和感官特性至关重要，因此可用作食品中的增稠剂、稳定剂、胶凝剂和粘合剂[8]等。

多糖流变学特性对于多糖类的提取工艺、食品设计、感官评价、产品研发、货架期评估等都具有重要意义[9]。在食品加工过程中，浓度、剪切速率、温度、pH、金属离子等因素都影响着多糖的流体特性。IAGHER等[10]发现芒果果肉中多糖溶液浓度为3 g/L时具有假塑性行为并且表现为粘弹性液体；MA等[9]报道了薯蓣粗多糖溶液和浓度为40%、60%的薯蓣多糖溶液的流变性都表现为假塑性和“凝胶状”行为。

菠萝蜜（Artocarpus heterophyllusLam.）是一种木本粮食作物，分布于我国华南地区，种植历史悠久[11]，虽易于种植、产量较大但商品化程度不高，经济效益低；大多以鲜果或粗加工产品形式销售，缺乏精深加工限制了菠萝蜜产业价值的提升[12−13]。菠萝蜜多糖（JFP-Ps）具有较强的体外抗氧化活性及免疫调节等活性[2−3]；对于人体肠道微生物菌群调节有明显益处[14]，是一种具有开发潜力的生物活性物质。目前，对菠萝蜜多糖的流变性仍有待深入研究。本文通过分析浓度、剪切速率、温度、pH、冻融和盐浓度等因素对JFP-Ps表观粘度和粘弹性的影响，考察JFPPs溶液的流变学特性，为JFP-Ps在食品工业的研发和生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

JFP-Ps（总糖含量为79.12%，主要由鼠李糖、阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖、木糖和半乳糖醛酸组成，平均分子量为1668 kDa[2]） 由中国热带农业科学院香料饮料研究所提取纯化制得；HCl、NaOH 分析纯，国药集团化学试剂有限公司；NaCl、KCl 分析纯，西陇化工股份有限公司。

DV2T粘度计 美国博勒飞公司；MCR302流变仪 奥地利安东帕公司；FE20pH计、AL104型电子天平 上海梅特勒-托利多仪器有限公司；K-98-IIA电热恒温水浴锅 天津市泰斯特仪器有限公司；Master-s-plus UVF全自动超纯水设备 上海和泰公司。

1.2 实验方法

1.2.1 浓度和剪切速率对JFP-Ps溶液表观粘度的影响 分别称取一定质量的JFP-Ps样品，蒸馏水配制0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%（w/v，下同）的 JFP-Ps溶液，室温（25 ℃）下测定60 r/min下的表观粘度。室温（25 ℃）条件下分别测定0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%的JFP-Ps溶液在5、15、30和60 r/min剪切速率条件下的表观粘度。

1.2.2 温度对JFP-Ps溶液表观粘度的影响 蒸馏水配制 0.8% JFP-Ps溶液在 30、40、50、60、70、80和90 ℃下恒温保持10 min，分别于60 r/min下测定其表观粘度。

1.2.3 冻融变化对JFP-Ps溶液表观粘度的影响 蒸馏水配制 0.8% JFP-Ps溶液，4 ℃和−20 ℃下保持24 h，解冻至室温（25 ℃），分别于60 r/min下测定其表观粘度，与未处理溶液的表观粘度值进行比较。

1.2.4 加热时间对JFP-Ps溶液表观粘度的影响 蒸馏水配制0.8% JFP-Ps溶液，60 ℃下分别加热0.5、1、1.5、2、2.5、5 h，冷却至室温（25 ℃）后，分别于60 r/min下测定其表观粘度。

1.2.5 pH对JFP-Ps溶液表观粘度的影响 蒸馏水配制 0.8% JFP-Ps溶液，用 1 mol/L HCl溶液和1 mol/L NaOH溶液调节 JFP-Ps溶液 pH至 2、3、4、5、6、7、8、9、10，分别于 60 r/min下测定其表观粘度[15]。

1.2.6 JFP-Ps溶液耐盐性研究 蒸馏水配制0.8%JFP-Ps 溶液，室温（25 ℃）下加入 NaCl、KCl使溶液中NaCl、KCl的终浓度均为5%，搅拌均匀，加入无机盐后，胶溶液体系不稳定，静置1 d后测量在60 r/min下的表观粘度，连续测定5 d，研究JFP-Ps溶液的耐盐性[16−17]。

1.2.7 JFP-Ps粘弹性的测定 采用MCR302流变仪对样品的流变特性进行研究。采用动态应变扫描法测定应变范围为0.01%~100%的线性粘弹性体系。在控制应变模式下，用振荡法对储能模量G'和损耗模量G''进行动态频率扫描测量。将试样加载到流变仪上，使其平衡至测量温度（（25±1）℃, 0.5 min）。频率扫描条件：频率 0.1~10 Hz（应变 0.01%），记录G随频率变化的曲线图。

1.2.8 抗降解性能 蒸馏水配制0.8%JFP-Ps溶液，室温（25 ℃）下放置 3、6、12、24、48、72、96 h，测定JFP-Ps溶液表观粘度。

1.3 数据处理

所有实验重复三次，使用 Excel 2020、SPSS 24.0软件处理数据，实验结果均用平均值±标准差表示，用Origin 2020软件作图。

2 结果与分析

2.1 浓度和剪切速率对JFP-Ps溶液表观粘度的影响

浓度对JFP-Ps溶液表观粘度的影响如图1所示，JFP-Ps溶液的表观粘度与浓度呈正相关，该变化可能是随着溶液浓度的增加，溶液中单位体积内分子数增加，链内、链间相互无顺序的缠绕和链间的相互作用增强，使溶液的流动阻力进一步增加[17−18]，多糖浓度为1.0%时，表观粘度基本上达到最大值3.79 mPa·s。ANVARI[19]、WU[20]、CHEN[21]分别研究了Alyssum homolocarpum种子果胶、船果仁酸性多糖和秋葵多糖的表观粘度，溶液的表观粘度随着浓度的增加而增加，与本结果一致。

图1 浓度对JFP-Ps表观粘度的影响Fig.1 Effect of concentration on viscosity of JFP-Ps

浓度和剪切速率对JFP-Ps表观粘度的影响如图2所示。JFP-Ps溶液浓度在0.2%~1.0%时，JFPPs溶液的表观粘度随剪切速率的增加而降低，呈现剪切稀释现象，说明JFP-Ps为“非牛顿流体”，呈现假塑性行为。在相同浓度下，剪切速率越高，JFP-Ps溶液表观粘度越低，即JFP-Ps溶液表观粘度随剪切速率的增大而减小。相同剪切速率下，浓度越高，JFPPs溶液表观粘度越大。当剪切速率增大时，高浓度JFP-Ps溶液（0.6%~1.0%）的表观粘度降低的速率逐渐减慢。可能是由于低剪切速率时，单糖分子链通过静电阻力、氢键等作用形成无规则体系，其分子链相互缠绕，产生很大的粘性阻力。在高剪切速率下，布朗运动随机取向被破坏，倾向于使颗粒沿定向流动[22]。剪切速率增大时，分子间作用力被破坏，分子链的运动阻力降低，由该取向阻力产生的表观粘度随着剪切速率的增加而降低。当剪切速率超出一定范围后，体系的分子链形成比较稳定有序的结构，剪切速率的变化对表观粘度造成的影响不明显[23]。本实验结果与朱会霞[24]、郭守军[18]、XU[25]、STOKES[26]、GALLÃO[27]等研究的樟芝多糖、龙须菜多糖、花菇多糖和铁架木种子多糖等报道结果一致。

图2 剪切速率和浓度对JFP-Ps表观粘度的影响Fig.2 Effects of shear rate and concentration on viscosity of JFP-Ps

2.2 温度对JFP-Ps溶液表观粘度的影响

如图3所示，随着温度的上升，JFP-Ps溶液的表观粘度由 2.97 mPa·s逐渐下降至 1.66 mPa·s。当体系温度升高时，分子热运动加剧，导致分子链间和链内氢键的断裂[19,27]，削弱了多糖大分子间的缠结[28]，使溶液出现了热胀现象，即JFP-Ps溶液产生了“稀释效应”，此效应降低了JFP-Ps溶液的表观粘度。研究结果与菅红磊[29]、蒋建新[28]、郭守军[30]等研究的皂荚多糖、塔拉多糖胶、带形蜈蚣藻多糖结果一致。

图3 温度对JFP-Ps表观粘度的影响Fig.3 Effect of temperature on viscosity of JFP-Ps

2.3 冻融变化对JFP-Ps溶液表观粘度的影响

冻融变化对JFP-Ps溶液表观粘度的影响如图4所示，与空白组相比，−20 ℃冷冻处理后的JFPPs溶液表观粘度升高了0.78 mPa·s，4 ℃冷藏处理后的JFP-Ps溶液表观粘度升高了0.23 mPa·s，这表明冷冻和冷藏的处理过程中多糖溶液中分子的物理性交联增加，从而升高了JFP-Ps溶液的表观粘度。此外，冷冻处理使多糖分子间交联程度增加的幅度较大[17,28]，因而溶液表观粘度有较大幅度的增加。但总体来看，冻融变化对JFP-Ps溶液的表观粘度影响较小。研究结果与郭守军[17,28]研究的龙须菜多糖和带形蜈蚣藻多糖结果一致。

图4 冻融变化对JFP-Ps表观粘度的影响Fig.4 Effect of freezing thawing on viscosity of JFP-Ps

2.4 加热时间对JFP-Ps溶液表观粘度的影响

加热时间对JFP-Ps溶液表观粘度有一定的影响，当加热时间在1.5 h内，JFP-Ps溶液的表观粘度随时间的延长而增加，当加热至1.5 h时，JFP-Ps溶液的表观粘度增至最大达到2.98 mPa·s，当加热时间超过1.5 h，JFP-Ps溶液的表观粘度逐渐减小（图5）。加热增加了JFP-Ps的溶解性和分散性，即相应的增加溶液的表观粘度，但是随着时间的延长，分子热运动加剧，分子间相互作用力减弱，因此溶液的流动阻力下降[18]；此外，溶液中的多糖分子可能发生降解，多糖分子链变短，经过长时间的高温加热，溶液出现了热胀现象[29]，导致JFP-Ps溶液的表观粘度降低。

图5 加热时间对JFP-Ps表观粘度的影响Fig.5 Effect of heating time on viscosity of JFP-Ps

2.5 pH对JFP-Ps溶液表观粘度的影响

pH对JFP-Ps溶液表观粘度的影响如图6所示，JFP-Ps溶液在pH4~10区间内表观粘度值为3.05~3.07 mPa·s，未产生较大变化。当溶液pH小于4时，溶液表观粘度随酸性增强而下降，由3.07 mPa·s降至2.92 mPa·s，可能是由于JFP-Ps溶液中，大分子糖呈无规则线团状，彼此交叠，相互缠结，过量的酸根离子起到了静电屏蔽作用而使单个高分子无规线团紧缩[29]，从而减弱了缠结程度，导致JFP-Ps表观粘度降低。但总体结果表明JFP-Ps溶液具有良好的耐酸碱稳定性，故JFP-Ps可用于酸性和碱性食品中。

图6 pH对JFP-Ps表观粘度的影响Fig.6 Effect of pH on viscosity of JFP-Ps

2.6 JFP-Ps溶液耐盐性研究

JFP-Ps溶液的耐盐性如图7所示，5% NaCl溶液和5% KCl溶液对JFP-Ps溶液表观粘度的影响存在差异。Na+的加入使JFP-Ps溶液的表观粘度随着时间的延长而减小，放置3 d后的表观粘度变化量（0.23 mPa·s）大于放置 1~ 2 d 的表观粘度变化量（0.09 mPa·s），原因可能是 Na+与 JFP-Ps 分子上的羟基反应生成钠盐[28]，阻碍了分子间缔合氢键的形成，造成表观粘度的下降。K+的加入使JFP-Ps溶液的表观粘度随着时间的延长而增大，加入KCl的JFPPs溶液放置4 d时，JFP-Ps溶液表观粘度升高了0.22 mPa·s，说明 K+与 JFP-Ps分子间可能发生了交联反应[31]，可能是K+减少了JFP-Ps分子的电荷，促使可溶性分子配合物的产生[32]，掩盖了半乳糖醛酸残基之间的静电作用，溶液的聚合更加灵活[33]，从而使表观粘度增大。溶液在放置4 d后表观粘度变化不大，说明JFP-Ps有良好的耐盐特性，可应用于高盐食品中。

图7 JFP-Ps溶液耐盐性研究Fig.7 Study on salt tolerance of JFP-Ps

2.7 JFP-Ps粘弹性测量分析

储能模量G'指粘弹性材料在交变应力作用下一个周期内储存能量的能力，通常指弹性；耗能模量G''指在一个变化周期内所消耗能量的能力，通常指粘性。本实验用频率振荡测试JFP-Ps溶液的粘弹特性，不同浓度JFP-Ps振荡测试结果如图8所示。JFP-Ps溶液的储能模量G'和损耗模量G''随着溶液浓度的增大而上升，这是由于在低浓度下不能参与非共价交叉连接的分子间带，在较高的浓度下可以形成结合带[19]，使分子间网络增多。浓度为0.4%、0.8%和1%的JFP-Ps溶液的储能G′和损能G″随着频率的增大而增大，且G′一直高于G″，表明在0.1~10 Hz整个频率范围内，JFP-Ps仍表现出弹性行为，呈现凝胶性质。此时高浓度下的JFP-Ps溶液可能会形成凝胶网络[31]，其凝胶的稳定与其浓度有一定的依赖性，呈现的凝胶性质可能与其具有的三维网状结构、官能团、交联程度及聚合度等相关[34]。

图8 不同浓度JFP-Ps振荡测试结果Fig.8 Test results of different concentrations of JFP-Ps oscillation

2.8 JFP-Ps溶液的抗降解性能

如图9所示，JFP-Ps溶液在放置0~12 h时，多糖溶液表观粘度逐渐由3.16 mPa·s下降至2.49 mPa·s，可能是多糖自身带有的α-半乳糖苷酶和β-甘露聚糖酶起到降解作用，以及其他微生物的侵蚀作用导致表观粘度降低[35]。12~48 h时，多糖溶液表观粘度下降速率变慢，变化量为0.3 mPa·s，放置超过48 h后，溶液表观粘度基本不变，表明JFP-Ps具有良好的抗降解性能。郭守军[30]和朱科学等[32]研究结果表明带形蜈蚣藻多糖溶液和苦丁茶冬青多糖溶液均具有良好的抗降解性能，本实验研究结果与之相一致。

图9 JFP-Ps抗降解性曲线Fig.9 JFP-Ps degradation resistance curve

3 结论

JFP-Ps为“非牛顿流体”，呈现假塑性行为，具有良好的抗降解性能；JFP-Ps溶液的表观粘度与浓度呈正相关，随剪切速率的增加呈现剪切稀释现象；随着温度的升高，JFP-Ps溶液表观粘度降低；冷冻（−20 ℃）和冷藏（4 ℃）均能使 JFP-Ps溶液表观粘度增加；JFP-Ps溶液表观粘度随加热时间的增加而增大，当加热时间超过1.5 h时，JFP-Ps溶液的表观粘度逐渐减小；JFP-Ps溶液在pH4~10范围内表观粘度值变化不大；Na+的加入使JFP-Ps溶液的表观粘度减小，K+的加入使JFP-Ps溶液的表观粘度增大；在粘弹性测试中，JFP-Ps的储能G′和损能G″随着频率的增大而增大，且G′始终高于G″，另外，JFP-Ps溶液的储能模量G'和损耗模量G''随着溶液浓度的增大而上升，呈现凝胶性质；研究表明，JFP-Ps具有良好的酸碱稳定性、耐盐稳定性和良好的抗降解性能，可广泛应用于酸性或碱性食品、高盐食品、冷冻冷藏食品等食品中。本研究为JFP-Ps在食品工业中的功能食品、食品感官评价及天然增稠剂的选择提供了一定的理论支持。