pH 值对苹果果胶-多酚复配物体系流变性和凝胶性的影响

姜涵骞，王撼辰，王海龙，胡金保，李绍振，刘凤松，李 丽，李 斌*

（1.沈阳农业大学食品学院，辽宁沈阳 110000；2.上海本优机械有限公司，上海 200000；3.北京汇源果汁饮料有限公司，北京 100000；4.无限极（营口）有限公司，辽宁营口 115000）

苹果果胶是苹果中的主要成分之一，是重要的商品果胶来源，也是食品生产加工过程中常见的食品原料。研究表明，苹果果胶具有降血脂、抗肿瘤和抗肥胖等功能[1-2]，其广泛应用于食品、制药和化工等行业。同时，苹果果胶本身无毒无害，是优良的天然食品添加剂，其凝胶性和稳定性较强[3]，能够显著提高食品品质。pH 值是苹果果胶生产加工中重要的化学加工条件，武文洁等[4]以苹果果胶为原料，ZnCl2为交联剂，制成的复合凝胶球中包含果胶、吲哚美辛和卵磷脂，并发现pH 值显著影响复合凝胶球的稳定性。

苹果多酚是植物多酚的一种，广泛存在于未成熟的苹果中，具有抗氧化、降血糖、降低胆固醇等多种生理功能[5]，常被用于制作功能性食品。同时，苹果多酚可以与多糖结合，相互作用后形成的产物有助于提高多糖的稳定性并改变微观结构，苹果多酚与苹果果胶相互作用后组成的复配物浓缩液，在降低胆固醇和提高脂质率等方面明显优于单一的苹果多酚和苹果果胶[6]。

pH 在食品的生产加工过程中具有重要作用，其对果胶-多酚复合型食品相互作用的影响研究已经成为热点，有人提出，适宜的pH 环境能够提高苹果果胶的凝胶性和流变性[7]，本文以苹果果胶和苹果多酚为试验材料，分别用不同的pH 处理苹果果胶-苹果多酚的复配物体系，从而探究pH 值对复配体系流变性和凝胶性的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

苹果果胶，食品级，购于深圳金富源生物科技有限公司，纯度为99%；苹果多酚，主要化学成分为绿原酸和儿茶素，购于四川华源盛泰生物科技有限公司，纯度为92%；柠檬酸（纯度99%）、柠檬酸钠、2-甲基硅油、盐酸、氢氧化钠，均为分析纯，由北京百灵威科技有限公司提供。

1.2 仪器与设备

FA2204A 电子分析天平（精度为0.001 g），上海始恒仪器设备有限公司；pH S-25A 精密酸度计，上海右一仪器设备有限公司；Discovery 混合型变仪，美国TA 仪器公司；RCT basic 磁力搅拌器，德国IKA 仪器设备有限公司。

1.3 方法

1.3.1 苹果果胶与苹果多酚复配物样品的制备

参考梁申[8]的方法有所改动。配制1 000 mL、0.1 mol/L的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液，用2 mol/L 的盐酸和氢氧化钠调整pH 至3.0，将配制完成的缓冲液倒入若干个容量为100 mL 的烧杯中，原料添加量参考张卉等[9]的方法，并有所改动。取0.1 g 苹果多酚和1 g 苹果果胶，将其溶解于烧杯中，用盐酸和氢氧化钠调节pH，设置不同的复配物pH 梯度，分别为3.0、3.2、3.4、3.6 和3.8，将配制完成的复配物溶液分为甲乙两组，甲组使用RCT 磁力搅拌器进行搅拌，初始温度设定为65 ℃，初始转速设定为300 r/min，20 min 后将转速匀速提升至600 r/min 进行搅拌，并将温度匀速提高10 ℃，再过20 min 后将转速匀速提升至900 r/min 继续搅拌，温度再匀速提高10 ℃，搅拌30 min 后，将转速匀速提升至1 100 r/min 进行搅拌，温度设定为92 ℃，搅拌30 min，得到不同pH 处理的苹果果胶多酚复配物样品，放到冰箱中4 ℃冷藏24 h，测定其凝胶性和流变性；乙组经过上述操作后，放入-80 ℃超低温冰箱中处理48 h 备用。

1.3.2 流变特性的测定

本实验中，静态剪切和动态频率扫描代表复配物体系的流变特性。

静态剪切的测量：取不同pH 处理的苹果果胶-苹果多酚复配物质，对流变性的测量采用双平板测量系统，平板宽度设置为40 mm，并将间距设置为2 mm，用药匙精确舀取试样，并置于流变仪平板中心处，用棉签蘸取适量的2-甲基硅油溶液，并将其涂刷于试样周围，从而减少非线性流变检测时水分挥发，扫描温度固定为20℃，剪切速度由静止提高到270 s-1，测量此过程中剪切应力的转变，重复测量3 次，取平均值。Power-Law 方程具体如（1）所示。

式中，σ为剪切应力，Pa；K为黏度系数，Pa·sn；γ为剪切速率，s-1；n为流体运动指标。

动态频率扫描测量：取经不同梯度pH 处理的苹果果胶-多酚复配物质，对流变性的测量采用双平板测量系统，平板宽度设置为40 mm，并将间距设置为2 mm，用药匙精确舀取试样，并置于流变仪平板中心处，用棉签蘸取适量的2-甲基硅油溶液，将其涂刷于试样周围，从而减少非线性流变检测时水分的挥发。数字化扫描应变设定为1%，数字化扫描温度设置为20 ℃，初始频率为0.1 Hz，终止频率为100 Hz，测量频率升高过程中3 个指标储能模量（G′）、损耗模量（G″）以及损耗角正切值（tanδ）的改变，重复测量3 次，取平均值。

1.3.3 平均凝胶形成速率的测定

有研究人员指出，维持同样速度降温有助于更直观地认识凝胶在生成过程中体系结构的变化程度[10-11]。取不同pH 处理的苹果果胶-多酚复配物质，对流变性的测量采用双平板测量系统，平板宽度设置为40 mm，并将间距设置为2 mm，用药匙精确舀取试样，并置于流变仪平板中心处，用棉签蘸取适量的2-甲基硅油溶液，将其涂刷于试样周围，从而减少非线性流变检测时水分的挥发。数字化扫描应变设定为1%，凝胶的初始温度和终止温度分别设置为5、95 ℃，计算试样从初始温度升至终止温度的平均凝胶形成速率，计算公式见式（2）。

式中，SDRa为平均凝胶形成速率，Pa/s；G′End为冷却初始阶段时，复配物的弹性模量，Pa；G′lst为冷却终止阶段时，复配物的弹性模量，Pa；tEnd为冷却初始阶段时间，s；tlst为冷却终止时间，s。

1.4 数据处理

所有试验重复3 次，每次测试均需要更换样品，采用Power-Law、Origin 9.0、Microsoft Excel 2020 等进行数据分析及绘图。

2 结果与分析

2.1 流变特性分析

2.1.1 静态剪切变化结果

如图1 所示，苹果果胶-多酚复配体系经不同pH 处理后，剪切速度的增大导致剪切应力呈规律性改变，各种复配物体系样品的剪切应力随pH 的增加而增大，在同样剪切速度下，pH 值稳定在3.6 时，剪切应力达到最大值。出现这一结果的原因是处于酸性环境时，当苹果果胶-多酚复配物样品溶液pH 值从3.0 增加到3.6 时，苹果果胶的半乳糖醛酸（C6H10O7）电离度递增，复配物样品的粒子半径逐渐减小，复配物体系稳定性变强，流变性呈剪切变稀的趋势[12]；当复配作用物质pH 值高于3.6时，因为pH 的变化程度大，破坏了苹果果胶的半乳糖醛酸电离平衡的稳定状态，复配作用物质在样品水溶液中的总电荷含量逐渐下降，破坏溶液稳定性，使复配物系统的溶液稳定性逐渐变差[13]。

图1 苹果果胶-多酚复配物体系剪切应力随剪切速率变化曲线Fig.1 Curve of shear stress of apple pectin-apple polyphenol complex with shear rate

上行、下行是流动曲线图中上行曲线、下行曲线的简称，n、K都是实验中的关键指数，R2为拟合优度。n为流体指数，代表流体运动指标，是非牛顿流体稳定程度的判定依据，假设n＜1，则该流体是假塑性的非牛顿流体，且n值越小，流体模型所显示出来的假塑性特征就越强；比例系数K为稠度系数，K值的高低反映了流体的黏稠程度。如表1 所示，以Power-Law为基础对所得的数值进行拟合，所有的模型拟合优度R2均超过95%，从而显示出了较高的建模拟合准确度。苹果果胶-多酚复配物水溶液的流体指数均低于1，说明各种pH 值的复配物溶液都呈假塑性流体，当pH 值上升时，流体指数缓慢下降，当pH 值为3.6 时，n值最小，复配物K值最大，黏稠性最好。当pH 值的继续升高超过3.6 时，复配物体系的流体指数又开始出现回升，说明溶液pH 值高于3.6 后，复配物体系的稠度系数逐步减小，溶液稠度变弱。

表1 不同pH 值的复配物体系Power-Law 方程拟合参数Table 1 Fitting parameters of Power-Law equation for complex systems with different pH

2.1.2 动态频率扫描

如表2 所示，在进行动态频率扫描过程中，pH 为3.0时，复配物的tanδ值最大，为0.699；当pH 增加时，tanδ值逐渐下降，在pH 为3.6 时，tanδ值达到最小，为0.245。说明pH 值从3.0 增加到3.6 时，体系所对应的相位角逐渐下降；而pH 值＞3.6 时，tanδ增加，说明pH 值＞3.6后，体系所对应的相位角也增加，意味着pH 值为3.6 时，复配物系统整体最平衡。

表2 不同pH 值的复配物流变性指标的动态频率扫描Table 2 Dynamic frequency scanning of complex flow denaturation index at different pH

如图2 所示，随pH 值由3.0 增加到3.6，G′的增幅逐渐高于G″，复黏度呈上升态势，当pH 值为3.6 时，复黏度达到峰值24.6 Pa·s，意味着pH＜3.6 时，复配物体系更接近于黏性流体，动态的黏弹性能变好。pH 值＞3.6 后，tanδ又变大，复黏度呈下降趋势，表明复配物体系近似非黏性流体，动态黏弹性减弱，复配物体系在pH 高于3.6后的溶液中难以形成凝胶[14-15]，因此在pH 为3.6 时，复配物的动态黏弹性最强，而后逐渐降低。当苹果果胶和苹果多酚的复配体系物作为食品生产加工过程中主要原材料时，就要严格地将食品生产工艺的环境pH 值限制在3.6 附近，以便使成品具有良好的动态黏弹性能、黏度和稳定性。

图2 复配物体系损耗角正切值随频率的变化Fig.2 The loss angle tangent of the complex system varies with frequency

2.1.3 平均凝胶形成速率的测定结果

由图3（见下页）可知，随着pH 值的升高，SDRa先升高后降低，当pH 为3.6 时，达到最大值，为0.336 Pa/s。这可能是因为随着复配物体系pH 值的不断升高，苹果果胶自身的凝胶性不断增强[16]，当pH 值继续升高时，存在于苹果果胶分子与苹果多酚分子中的疏水相互作用被破坏，而这种疏水相互作用力决定着苹果果胶与苹果多酚复配物体系形成的凝胶强度，因此抑制了凝胶的形成，最终使SDRa大幅度降低[17]。

3 结论

通过对不同pH 苹果果胶-多酚复配物体系的凝胶强度、动态黏弹性等流变性能分析得出，pH 稳定在3.6时，复配物体系的凝胶强度最高、动态黏弹性最好、平均凝胶形成速率最快；pH 大于3.6 时，复配物的凝胶强度变弱，流变性能变差，平均凝胶形成速率变慢。表明pH超过3.6 后，以苹果果胶-多酚复配作用物质体系为基料的食品，其品质将会变差。因此，在此类食品的生产加工过程中，pH 值应限制在3.6 最佳。通过pH 影响苹果果胶-多酚复配物的相互作用，从而改良复配物体系流变性和凝胶性的技术能够普及到食品领域，在后续试验中，将研究其他化学加工条件对复配物体系中苹果果胶-多酚性能的影响。