桑枝多糖与桑枝低聚糖的流变学特性

杨诗沅，邹宇晓，黎尔纳*，廖森泰*

（1.广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所，农业农村部功能食品重点实验室，广东省农产品加工重点实验室，广东 广州 510610；2.华南农业大学食品学院，广东 广州 510642）

桑枝（Ramulus mori）是桑科桑树（Morus alba L.）的细长的分支[1]，其含有桑枝多糖、1-脱氧野尻霉素（1-deoxynojirimycin，DNJ）、槲皮素、白藜芦醇等活性物质[2]。我国的桑树资源极其丰富，每年有超过上千万吨的桑枝条用于板材和农业，其利用率约为10%[3]。

流变学是研究样品在力的作用下表现出来的由力触发或者引起的某些流动行为和结构的变化[4]，预测、解释物质的流变性在食品加工制造、开发等方面发挥重要作用[5]。流变学研究主要包括静态和动态流变学。静态流变学是研究样品的流体类型（如牛顿流体和非牛顿流体）[4]，动态流变学用于测定样品的黏弹性，是黏性和弹性的判断依据，黏弹性一般用储能模量（G′）、损耗模量（G″）以及二者对剪切频率的依赖性来表征[6-7]。多糖等高分子的流变特性与其分子质量大小、结构性状、分子间相互作用、物理缠结等多种因素有关，并影响其生物功能、加工及运输方式[8]。

目前，桑枝多糖和桑枝低聚糖的研究主要集中在提取纯化[9]、促进益生菌增殖[10]、抗肿瘤[11]、肾脏损伤保护[12]和降血糖[13]等方面，对桑枝多糖和桑枝低聚糖的流变学性质鲜有报道。在食品流变学的研究中，流变仪广泛应用于多糖流变学性质测定，WANG等[14]通过流变仪测得刺梨果实多糖是假塑性流体；ZHONG等[15]和WANG等[16]发现物理超声改性可以改变多糖的流体类型，降低多糖表观黏度和弹性。随着消费者健康意识的增强，含益生菌、功能性多糖和低聚糖类健康饮品成为越来越多人的选择，但是保持产品在生产、输送、货架期中的稳定性是目前面临的重点问题。本课题组前期研究发现，桑枝多糖经生物酶解后能够提高其对乳酸菌生长的促进作用[10]，但桑枝多糖和桑枝低聚糖在食品工业中作为稳定剂和增稠剂等功能缺乏一定理论依据，本研究对桑枝多糖和桑枝低聚糖的流变学特性进行测定，探讨其凝胶特性，为桑枝多糖和桑枝低聚糖类健康天然植物乳化剂相关产品开发提供理论数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

桑枝多糖（Ramulus mori polysaccharides，RP）：北京五和博澳药业有限公司；桑枝低聚糖（Ramulus mori oligosaccharides，EROS）为桑枝多糖经生物酶解制备的冻干粉；HCl、NaOH、NaCl、CaCl2（分析纯）：广州化学试剂厂；蔗糖、柠檬酸（分析纯）：天津市福晨化学试剂厂。

1.2 主要仪器设备

DHR-2流变仪：美国TA公司；HWS26型电热恒温水浴锅：上海一恒科学仪器有限公司；VORTEX 3型旋涡振荡器：德国IKA公司。

1.3 试验方法

1.3.1 样品的制备

取RP和EROS分别配制成40 mg/mL溶液，混匀后室温25℃静置12 h，充分溶解。

1.3.2 动态振荡测试

根据MINJARES-FUENTES等[17]的方法进行动态振荡测试，选取平行钢板（直径40 mm，间隙1.0 mm）在频率10 Hz下进行应变扫描测试（25℃）；在线性黏弹区、剪切频率 1 rad/s～100 rad/s下测定 G′和 G″。

1.3.3 静态流变学测试

根据焦宇知等[18]的方法稍作修改，选取直径40 mm平行钢板（间隙1.0 mm），温度25℃，剪切力0.01 s-1～100 s-1。

1.3.3.1 浓度对表观黏度的影响

取 1.3.1 溶液配制成 5、10、20、40、60、80 mg/mL 的RP和EROS溶液，采用流变仪测定溶液的表观黏度。

1.3.3.2 pH值对表观黏度的影响

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，用1 mol/L HCl溶液和 1 mol/L NaOH 溶液调节 pH 值至 3、4、5、7、9，室温25℃静置12 h后测定表观黏度。

1.3.3.3 加热时间对表观黏度的影响

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，80℃水浴加热15、30、60、120 min，室温25℃静置12 h后测定表观黏度。

1.3.3.4 放置时间对表观黏度的影响

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，分别放置1、5、10、15、20 d 后，测定表现黏度。

1.3.3.5 冻融对表观黏度的影响

取1.3.1配制的RP和EROS溶液，分别在4℃和-20℃储藏24h，室温25℃静置12h后测定表观黏度。

1.4 数据统计

所有流变学测试，结果为至少两次重复的平均值。采用Origin8.5绘图。

2 结果与分析

2.1 动态测试

G′和G″分别反映弹性（固体）和黏性（液体）特征，可通过动态测试获得。但动态流变学特性测定需要保持样品的结构完整性，即需在线性黏弹性区间进行动态测试[19-20]，所以在频率扫描测试前，进行应变扫描测试以确定样品的线性黏弹区。图1和图2为应变测试结果。

图1 RP的应变测试Fig.1 Strain test of RP

图2 EROS的应变测试Fig.2 Strain test of EROS

由图1和图2可知，RP和EROS的G′和G″的变化趋势一致，在整个应变力范围内，G″受应变力的影响较小，G′随应变力增大先快速减小后趋于平缓。RP的G′在应变力60%～70%范围几乎不变，EROS的G′在应变力60%～70%几乎保持稳定值，所以选择应变力65%进行频率扫描测试[17]。

若G′和G″值存在交叉点表明材料具有黏弹性，并且交点频率与样品的黏弹性相关[16，21]。图3和图4为动态测试结果。

图3 RP的动态测试Fig.3 Dynamic test of RP

图4 EROS的动态测试Fig.4 Dynamic test of EROS

由图3可知，G′和G″随剪切速率的增加而增大，剪切速率小于1.258 9 rad/s时G″＞G′，溶液以黏性占优势，剪切速率为 1.258 9 rad/s时，G′=G″，说明 RP 能形成胶体，随剪切速率的提高G′迅速升高而超过G″，此时溶液以弹性占优势。由图4可见，G′和G″存在速率依赖性，G′对速率的依赖性比G″大。低速率时G″＞G′，表现出黏性行为，在1.258 9 rad/s～1.584 9 rad/s范围内G′与 G″有交叉点，而后 G′＞G″，研究报道刺梨水溶性多糖也有该行为[14]，说明EROS也具有凝胶特性。

综上所述，RP和EROS均具有黏弹性，但EROS的弹性较RP弱，即生物酶解使多糖的弹性减弱，同样，ZHONG等[15]发现超声波处理能够降低裂褶菌多糖的分子量使其弹性减弱。

2.2 浓度对表观黏度的影响

图5和图6为浓度对RP和EROS的表观黏度影响测试结果。

图5 浓度对RP表观黏度的影响Fig.5 Effect of concentration on apparent viscosity of RP

图6 浓度对EROS表观黏度的影响Fig.6 Effect of concentration on apparent viscosity of EROS

由图5和图6可知，RP和EROS的表观黏度随浓度的增加而提高，随剪切力的增加而降低。各浓度的RP和EROS随剪切力的增加表观黏度下降，表现出剪切稀化行为，说明二者为非牛顿流体；同一浓度下RP的初始表观黏度大于EROS的初始表观黏度，可能是生物酶解促使糖链降解，糖分子之间的交联度和聚合度降低，溶液表观黏度下降[8]；白背毛木耳多糖溶液的流体类型不受浓度影响，对浓度变化具有稳定性[22]，而RP和EROS溶液浓度的改变没有影响其流体类型，说明RP和EROS的流变性对其浓度具有稳定性，生物酶解不改变桑枝多糖的流体类型。

2.3 pH值对表观黏度的影响

图7和图8为pH值对RP和EROS的表观黏度影响测试结果。

图7 pH值对RP表观黏度的影响Fig.7 Effect of pH on apparent viscosity of RP

图8 pH值对EROS表观黏度的影响Fig.8 Effect of pH on apparent viscosity of EROS

由图7可知，pH值对RP溶液表观黏度的影响较小，只影响溶液的初始表观黏度，RP在pH值为7时初始表观黏度最大（0.005 6 Pa·s），当pH值小于7时，初始表观黏度随pH值降低而提高，在pH值为9时初始表观黏度最小（0.002 1 Pa·s）。由图8可知，低剪切力时，pH值为5时EROS的表观黏度最大，可能是EROS溶液呈酸性，H+使分子以较为伸展的构象存在，pH值降低或升高，表观黏度均降低[23]。剪切力大于45 s-1时，溶液表观黏度趋向一致。可见，RP和EROS有较好的酸碱稳定性，可用于酸性和碱性食品中，相对于RP而言EROS的酸碱稳定性稍有降低。

2.4 加热时间对表观黏度的影响

图9和图10为加热时间对RP和EROS的表观黏度影响测试结果。

图9 加热时间对RP表观黏度的影响Fig.9 Effect of heating time on apparent viscosity of RP

图10 加热时间对EROS表观黏度的影响Fig.10 Effect of heating time on apparent viscosity of EROS

由图9可知，热处理后RP仍保持剪切稀化行为，低剪切力下，表观黏度随加热时间的延长而降低，剪切力达到45 s-1后，各处理组RP的表观黏度趋向稳定值。在魔芋葡甘聚糖溶液中也观察到类似的现象[24]。由图10可知，低剪切力下，EROS的表观黏度随加热时间的延长先升高后降低，可能是加热使多糖分子链断裂，溶解性和分散性提高，表观黏度升高[25]；但加热时间过长（＞60 min），多糖结构严重破坏，分子间斥力增强，表观黏度降低。剪切力达到45 s-1后溶液的表观黏度也趋向稳定。

2.5 放置时间对表观黏度的影响

图11和图12为放置时间对RP和EROS的表观黏度影响测试结果。

图11 放置时间对RP表观黏度的影响Fig.11 Effect of placement time on apparent viscosity of RP

图12 放置时间对EROS表观黏度的影响Fig.12 Effect of placement time on apparent viscosity of EROS

由图11可知，放置1 d～10 d，RP的初始表观黏度随放置时间的延长而降低，10 d后其初始表观黏度随放置时间的延长而升高，可能是短时间内RP溶液不稳定，一定时间后分子水合作用稳定；在高剪切力时各处理组溶液表观黏度趋于一致。由图12可知，放置1、5 d和10 d的EROS溶液表观黏度曲线趋于一致，放置15 d和20 d的表观黏度曲线趋于一致，各放置时间溶液的表观黏度随剪切力增大而趋向稳定值。可见放置时间并不改变RP和EROS流变类型，但RP和EROS的响应程度不同。带形蜈蚣藻多糖的黏度虽会随放置时间延长稍有下降，但一定时间后趋于稳定，因其具有抗降解性[25]。

2.6 冻融对表观黏度的影响

图13和图14分别为冻融对RP和EROS的表观黏度影响测试结果。

图13 冻融对RP表观黏度的影响Fig.13 Effect of freeze-thaw on the apparent viscosity of RP

图14 冻融对EROS表观黏度的影响Fig.14 Effect of freeze-thaw on the apparent viscosity of EROS

由图13可知，冻融处理未改变RP的流体类型，但表观黏度稍有降低，4℃和-20℃储存影响差别不大，可能是低温处理使氢键断裂、糖链结构被破坏，造成表观黏度降低。由图14可知，冻融处理并未改变EROS的表观黏度曲线的趋势，4℃冷藏的初始表观黏度略有提高，而-20℃冻藏使初始黏度提高但低于4℃储存，这可能是冷藏处理使EROS分子间交联加强，致使表观黏度提高[24]，而冻藏处理破坏EROS的分子交联使表观黏度稍有降低；随着剪切力增大，各处理组EROS表观黏度趋于一致，说明EROS具有较好的抗冻融能力，并且较RP强。

3 结论

RP和EROS均为黏弹性非牛顿流体，适用于管道输送，有利于食品加工利用，但生物酶解后的EROS弹性减弱。浓度、pH值和冻融对二者表观黏度的影响较小，但EROS耐酸碱稳定性较RP弱，而抗冻融能力比RP好，对pH值变化的稳定性表明RP和EROS适用于酸性和碱性食品中。加热时间和放置时间对二者表观黏度的影响较大，主要是影响其低剪切力时的表观黏度，当到达中等剪切力后表观黏度趋于稳定。本研究考察了桑枝多糖和桑枝低聚糖溶液在不同影响因素条件下的表观黏度变化情况，为其在食品工业中的应用及品质控制提供理论支持。