影響沙蒿籽膠表觀黏度的因素

楊續(xù)金，劉 陽，范貴生*，賈 紅

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

影響沙蒿籽膠表觀黏度的因素

楊續(xù)金，劉 陽，范貴生*，賈 紅

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

利用響應(yīng)面法和控制變量法分析沙蒿籽膠溶液表觀黏度受溫度、溶液體積分?jǐn)?shù)、pH值和鹽離子的影響變化，同時(shí)研究了添加不同比例增稠劑海藻酸鈉、魔芋膠、羧甲基纖維素（carboxyl methyl cellulose，CMC）和卡拉膠對(duì)沙蒿籽膠溶液表觀黏度的影響。結(jié)果表明：溫度對(duì)沙蒿籽膠表觀黏度影響不大；隨溶液體積分?jǐn)?shù)的增加沙蒿籽膠溶液的表觀黏度增加；pH值在3.0～9.0時(shí)，沙蒿籽膠溶液表觀黏度隨pH值的上升而增大；加入鹽會(huì)使沙蒿籽膠黏度有不同程度的下降，不同陽離子對(duì)其黏度影響的強(qiáng)弱為Fe3+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+；沙蒿籽膠與CMC復(fù)配后，具有黏度增強(qiáng)的效果。

沙蒿籽膠；表觀黏度；影響因素

沙蒿在我國西北和華北的荒漠、半荒漠地區(qū)大量分布，在內(nèi)蒙古的騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠和毛烏素沙漠其資源豐富、種類繁多[1-2]。籽蒿（Artemis sphaerocephalaKrasch）又叫白沙蒿，經(jīng)工藝提取得到沙蒿籽膠[3]。沙蒿籽膠是一種安全性高的食用膠體，小鼠經(jīng)口的毒理實(shí)驗(yàn)中半數(shù)致死量（median lethal dose，LD50）＞10 g/kg，微核實(shí)驗(yàn)、精子畸變實(shí)驗(yàn)及污染物致突變性檢測(cè)均呈陰性[4]，安全無毒。2009年沙蒿膠作為食品增稠劑被列入我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 2760—2011《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》），其在食用小麥粉、雜糧制品、方便面制品、西式火腿等的應(yīng)用有明確的使用標(biāo)準(zhǔn)[5]。此外，沙蒿籽膠具有高吸水性和高黏性，我國民間有食用沙蒿籽或用其做面食以改善面粉粉質(zhì)、防止面條糊湯和斷條的習(xí)慣。不同的應(yīng)用條件下沙蒿籽膠表現(xiàn)出不同的黏性特性[6-10]。本實(shí)驗(yàn)主要研究沙蒿籽膠溶液體積分?jǐn)?shù)、溫度、pH值、鹽離子對(duì)沙蒿籽膠溶液表觀黏度的影響，以及其與不同增稠劑復(fù)配后黏度的變化情況，為沙蒿籽膠在食品添加劑領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與試劑

沙蒿籽膠、海藻酸鈉 青島明月海藻集團(tuán)有限公司；魔芋膠 湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司；羧甲基纖維素（carboxyl methyl cellulose，CMC） 威怡化工（蘇州）有限公司；卡拉膠 上海北連生物科技有限公司；可得然膠 山東科技生物科技股份有限公司；丙酸鈉泰州市榮昌食品添加劑有限公司；雙乙酸鈉 山西三維歐美科化學(xué)有限公司；檸檬酸鈉 濰坊英軒實(shí)業(yè)有限公司；檸檬酸鐵、MgCl2上海鶴善實(shí)業(yè)有限公司；CaCl2廊坊亞太龍興化工有限公司；NaCl市售。以上試劑均為食品級(jí)。

1.2儀器與設(shè)備

LVDVE230 E5973黏度計(jì) 美國Brookfield公司；PHSJ-3F精密酸度計(jì) 上海儀電科學(xué)儀器有限公司；RW20攪拌器 德國IKA公司。

1.3方法

1.3.1沙蒿籽膠溶液的制備

分別配制體積分?jǐn)?shù)0.25%、0.50%、0.75%、1.00%的沙蒿籽膠溶液，并在室溫23℃條件下用LVDVE230黏度計(jì)分別測(cè)其黏度。

1.3.2 不同溫度對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

在食用膠通常的應(yīng)用范圍內(nèi)設(shè)定10、25、40、55、70、85℃溫度梯度，分別測(cè)定體積分?jǐn)?shù)為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%沙蒿籽膠溶液對(duì)應(yīng)的黏度。用LVDVE230黏度計(jì)，選用4號(hào)轉(zhuǎn)子。

1.3.3 不同pH值對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

取體積分?jǐn)?shù)為1.00%的沙蒿籽膠溶液，分別用濃HCl（16 mol/L）和濃NaOH溶液（5 mol/L）調(diào)節(jié)pH值為3.0～10.0，用LVDVE230黏度計(jì)，選用4號(hào)轉(zhuǎn)子，在室溫23℃條件下分別測(cè)其黏度。

1.3.4 不同種類的鹽對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%的NaCl、雙乙酸鈉、檸檬酸鈉、檸檬酸鐵、MgCl2、CaCl2和丙酸鈣分別加入體積分?jǐn)?shù)為0.50%和1.00%的沙蒿籽膠溶液中，攪拌均勻，用LVDVE230黏度計(jì)，選用4號(hào)轉(zhuǎn)子，在室溫23℃條件下分別測(cè)混合液的黏度。

1.3.5不同增稠劑對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

取增稠劑海藻酸鈉、魔芋膠、CMC、卡拉膠分別與水混合并攪拌均勻，配制成體積分?jǐn)?shù)均為1.00%的4種溶液。與體積分?jǐn)?shù)為1.00%的沙蒿籽膠溶液按1∶1、1∶2、1∶3、2∶1、2∶3和3∶1的體積比分別進(jìn)行復(fù)配[11]，攪拌均勻，用LVDVE230黏度計(jì)，選用4號(hào)轉(zhuǎn)子，分別測(cè)復(fù)配液的黏度。

2 結(jié)果與分析

2.1體積分?jǐn)?shù)、溫度對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

利用響應(yīng)面法對(duì)不同沙蒿籽膠體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響進(jìn)行處理分析，結(jié)果見圖1。在同一溫度下，隨著沙蒿籽膠體積分?jǐn)?shù)的增加其溶液的表觀黏度逐漸升高。這是由于沙蒿籽膠溶液體積分?jǐn)?shù)的增加使分子間的氫鍵力增大，流體流動(dòng)的阻力增加，溶液的黏度會(huì)有所增大[12]。沙蒿籽膠的黏度受其自身體積分?jǐn)?shù)的影響因子顯著，成正相關(guān)。

圖1 不同體積分?jǐn)?shù)和溫度對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響Fig.1 Effects of different concentrations and temperatures on the viscosity of Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

由圖1可知，隨著溫度的升高沙蒿籽膠溶液的表觀黏度稍有變化，但其增減幅度不超過4.7%。說明沙蒿籽膠溶液的黏度在10～85℃范圍內(nèi)對(duì)溫度變化不敏感?？赡艿慕忉尀殡S著溫度的上升，沙蒿籽膠穩(wěn)定的高分子復(fù)合團(tuán)聚體的分子布朗運(yùn)動(dòng)也有所增加但不明顯，沙蒿籽膠溶液黏度有所下降[12]?？梢娚齿镒涯z分子所形成的高分子剛性的復(fù)合團(tuán)聚體相當(dāng)穩(wěn)定，受溫度影響不大。

2.2不同pH值對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

體積分?jǐn)?shù)為1.00%的沙蒿籽膠溶液在室溫23℃條件下的pH值為7.22，呈中性。在pH值在3.0～10.0范圍內(nèi)，其黏度與pH值的關(guān)系如圖2所示，沙蒿籽膠溶液在pH值3.0～9.0時(shí)，隨pH值的增加其黏度增加；而在pH值為9.0～10.0時(shí)，隨pH值的增加其黏度減小。沙蒿籽膠是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多糖，由此推測(cè)，在酸性條件下發(fā)生酸性水解，分子間的作用力發(fā)生變化引起分子構(gòu)象改變，而影響其黏度[13]。

圖2 不同pH值對(duì)1..00%沙蒿籽膠溶液黏度的影響Fig.2 Effect of different pH values on the viscosity of 1.00% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

2.3不同種類鹽離子及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)沙蒿籽膠溶液黏度的影響

在室溫下，體積分?jǐn)?shù)為0.50%的沙蒿籽膠溶液的黏度為0.420 Pa·s，體積分?jǐn)?shù)為1.00%的沙蒿籽膠的黏度為1.242 Pa·s，向0.50%沙蒿籽膠溶液中加入不同種類和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽均會(huì)使沙蒿籽膠溶液黏度下降，結(jié)果見圖3。

圖3 不同的鹽離子對(duì)體積分?jǐn)?shù)為0..50%沙蒿籽膠溶液黏度的影響Fig.3 Effect of different salts on the viscosity of 0.50% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

由圖3可知，檸檬酸鐵對(duì)沙蒿籽膠溶液表觀黏度的影響最為明顯，鹽的種類影響的顯著性由強(qiáng)及弱順序?yàn)闄幟仕徼F、CaCl2、丙酸鈣、MgCl2、雙乙酸鈉、檸檬酸鈉、NaCl。當(dāng)沙蒿籽膠體積分?jǐn)?shù)為1.00%時(shí)，加入的鹽對(duì)其表觀黏度的影響規(guī)律與0.50%沙蒿籽膠溶液類似（圖4）。

圖4 不同的鹽離子對(duì)體積分?jǐn)?shù)為1..00%沙蒿籽膠溶液黏度的影響Fig.4 Effect of different salts on the viscosity of 1.00% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

由圖3、4可知，鈉鹽（NaCl、雙乙酸鈉、檸檬酸鈉）對(duì)沙蒿籽膠溶液表觀黏度的影響不大。陽離子化合價(jià)越高，沙蒿籽膠溶液表觀黏度越低；同一種鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高時(shí)，沙蒿籽膠溶液的表觀黏度下降越大。

根據(jù)沙蒿籽膠內(nèi)部分子的結(jié)合力和膠分子空間構(gòu)象的特點(diǎn)，其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可將水分包裹起來，具有一定的保水性和溶脹能力，加入鹽均會(huì)使其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遭到破壞，被包裹的水分流出，溶脹能力下降從而黏度降低[14-18]。研究的這幾種鹽中，不同陽離子鹽對(duì)其表觀黏度影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篎e3+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+。

2.4不同增稠劑與沙蒿籽膠復(fù)配后對(duì)其表觀黏度的影響

2.4.1海藻酸鈉與沙蒿籽膠復(fù)配

室溫下1.00%沙蒿籽膠溶液的表觀黏度為1.242 Pa·s，1.00%海藻酸鈉溶液的表觀黏度為0.502 Pa·s，前者明顯高于后者。海藻酸鈉與沙蒿籽膠兩者按1.3.5節(jié)的方法復(fù)配后，混合液的黏度變化如圖5所示。結(jié)果表明，海藻酸鈉為天然高分子多糖，易降解[19-20]，加入海藻酸鈉形成的復(fù)配液，其表觀黏度沒有增強(qiáng)效果。

圖5 1..00%沙蒿籽膠溶液和11..0000%海藻酸鈉溶液按不同比例復(fù)配后其表觀黏度的變化Fig.5 Effect of addition of different amounts of 1.00% sodium alginate solution on the viscosity of 1.00% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

2.4.2魔芋膠與沙蒿籽膠復(fù)配

室溫下1.00%沙蒿籽膠溶液的表觀黏度為1.242 Pa·s，1.00%魔芋膠的表觀黏度為3.021 Pa·s，后者明顯高于前者。魔芋膠與沙蒿籽膠兩者按1.3.5節(jié)的方法復(fù)配后形成的7種混合液的黏度變化如圖6所示。

圖6 1..00%沙蒿籽膠溶液和11..0000%魔芋膠溶液按不同比例復(fù)配后其表觀黏度的變化Fig.6 Effect of addition of different amounts of 1.00% konjac gum solution on the viscosity of 1.00% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

由圖6可知，魔芋膠具有特殊的凝膠性，在一定條件下可以形成熱不穩(wěn)定凝膠和熱穩(wěn)定凝膠[21]，該組混合液復(fù)配比為1∶3時(shí)的表觀黏度明顯高于1.00%沙蒿籽膠的，其值為2.676 Pa·s，低于單獨(dú)1.00%魔芋膠的表觀黏度，通過添加魔芋膠可增強(qiáng)沙蒿籽膠的表觀黏度。

2.4.3 CMC與沙蒿籽膠復(fù)配

室溫下1.00%沙蒿籽膠溶液的表觀黏度為1.242 Pa·s，1.00%CMC的黏度為1.373 Pa·s，沙蒿籽膠與CMC按1.3.5節(jié)所述方法配制的7種混合液的黏度變化如圖7所示。1.00%沙蒿籽膠溶液與1.00%CMC的體積之比為1∶1、1∶2、1∶3時(shí)復(fù)配液的表觀黏度均比兩者任何一種都高，有黏度增強(qiáng)效果。CMC是一種分散劑，能夠使添加的沙蒿籽膠的微粒充分分散，形成一個(gè)穩(wěn)定的膠體分散體系，從而獲得良好的黏度增強(qiáng)效果[22]。CMC還具有一定的乳化作用，當(dāng)與沙蒿籽膠溶液混合形成復(fù)配液時(shí)，使復(fù)配液在體系中充分分散得到數(shù)量較多的能產(chǎn)生氫鍵力的羥基（—OH），通過氫鍵力，膠黏劑與被黏物緊密黏合在一起[23-24]。

圖7 1..0000%沙蒿籽膠溶液和1..00% CMC溶液按不同比例復(fù)配后其表觀黏度的變化Fig.7 Effect of addition of different amounts of 1.00% CMC solution on the viscosity of 1.00% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

2.4.4卡拉膠與沙蒿籽膠復(fù)配

室溫下1.00%沙蒿籽膠溶液的表觀黏度為1.242 Pa·s，1.00%卡拉膠的黏度為0.736 Pa·s，卡拉膠溶液的表觀黏度小于沙蒿籽膠溶液。沙蒿籽膠與卡拉膠按1.3.5節(jié)所述方法配制的7種混合液的黏度變化如圖8所示。復(fù)配后混合液的表觀黏度均低于單一沙蒿籽膠或單一卡拉膠的黏度，無增強(qiáng)的效果。聚合物溶液的溶解性可以用混合自由能（ΔGmix）來解釋[25]：沙蒿籽膠、卡拉膠的分子大，混合后增加的熵值較小，不足以越過焓分布，所以其復(fù)配液的ΔGmix為正值，黏度無增強(qiáng)效果。

圖8 1.00%沙蒿籽膠溶液和11..0000%卡拉膠溶液按不同比例復(fù)配后其表觀黏度的變化Fig.8 Effect of addition of different amounts of 1.00% carrageenan solution on the viscosity of 1.00% Artemis sphaerocephala Krasch gum solution

3 結(jié) 論

研究表明，沙蒿籽膠的熱穩(wěn)定較好，在10～85℃的范圍內(nèi)其表觀黏度的變化幅度小于4.7%；沙蒿籽膠溶液的表觀黏度隨其體積分?jǐn)?shù)的增加而迅速增大；pH值在3.0～9.0時(shí)，沙蒿籽膠溶液表觀黏度隨pH值的下降而降低；此外，加入鹽均會(huì)使沙蒿籽膠表觀黏度下降，同一種鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，沙蒿籽膠溶液的表觀黏度下降得越大；不同陽離子的鹽對(duì)其黏度影響的強(qiáng)弱為Fe3+＞Ca2+＞Mg2+＞Na+；1.00%沙蒿籽膠溶液與1.00%CMC按體積比為1∶1、1∶2、1∶3復(fù)配后有增強(qiáng)表觀黏度的效果。

[1] 吳建. 野生植物白沙蒿種籽的應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D]. 蘭州∶ 西北師范大學(xué), 2005∶ 1-6.

[2] 李恩菊. 巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠沉積物特征對(duì)比研究[D]. 西安∶ 陜西師范大學(xué), 2011∶ 3-8.

[3] 馬驥, 李俊禎, 孔紅. 我國沙區(qū)6種蒿屬植物的種子微形態(tài)特征[J].中國沙漠, 2002, 22(6)∶ 1-5.

[4] 胡國華. 食品膠的功能性及其選擇[C]//第八屆中國國際食品添加劑和配料展覽會(huì)暨第十一屆全國食品添加劑生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)展示會(huì)學(xué)術(shù)論文集. 上海∶ 中國食品添加劑生產(chǎn)應(yīng)用工業(yè)協(xié)會(huì), 2004∶ 109-115.

[5] 中華人民共和國衛(wèi)生部. GB 2760—2011食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)[S].北京∶ 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[6] 楊玉民, 王大為. 高纖維玉米掛面生產(chǎn)技術(shù)[J]. 食品科學(xué), 2010, 31(20)∶ 509-512.

[7] 郝毓倩. 白沙蒿子膠多糖的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和免疫活性研究[D]. 西安∶西北大學(xué), 2009∶ 37-42.

[8] 宋宏新, 陳合. 食用沙蒿籽膠流變學(xué)特性研究[J]. 食品科學(xué), 2002, 23(9)∶ 53-55.

[9] 劉敦華, 谷文英. 沙蒿籽膠的流變學(xué)性質(zhì)研究[J]. 食品科學(xué), 2006, 27(2)∶ 76-80.

[10] 劉敦華. 沙蒿籽膠性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的研究[D]. 無錫∶ 江南大學(xué), 2006∶ 57-71.

[11] ALBERTSSON P A. Partition of cell particles and macromolecules[M]. New York∶ Wiley and Son, 1986∶ 30-45.

[12] 胡國華. 功能性食品膠[M]. 北京∶ 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004∶ 136-144.

[13] 何曼君, 陳維孝, 董西俠. 高分子物理[M]. 上?！?復(fù)旦大學(xué)出版社, 2000∶ 20-25.

[14] CHIOTELLI E, PILOSIO G, MESTE M L. Effect of sodium chloride on the gelatinization of starch∶ a multimeasurement study[J]. Biopolymers, 2002, 62∶ 41-58.

[15] 張繼. 沙蒿多糖的提取、純化工業(yè)研究[J]. 食品科學(xué), 2007, 28(5)∶125-127.

[16] 陳貽芳. 不同鹽對(duì)馬鈴薯淀粉特性影響的研究[D]. 武漢∶ 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012∶ 7-13.

[17] ZHANG Ji, WU Jian, LIANG Junyu, et al. Chemical characterization of Artemisia seed polysaccharide[J]. Carbohydrate Polymers, 2007, 67∶ 213-218.

[18] 耿樹香, 王麗. 沙蒿膠特性運(yùn)用研究[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 21(5)∶ 698-670.

[19] 陳昀, 趙謀明, 孫哲浩. 蛋白質(zhì)與多糖類交互作用研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2001, 22(4)∶ 90-93.

[20] KOICHI A, WANG Bo, CHEN Jingyuan, et al. Diffusion coefficients in viscous sodium alginate solutions[J]. Electrochimica Acta, 2012, 83∶ 348-353.

[21] 王元蘭. 低濃度魔芋膠溶液的流變學(xué)特性及其影響因素研究[C]//中國化學(xué)會(huì)、中國力學(xué)學(xué)會(huì)第九屆全國流變學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議. 長沙∶ 中國化學(xué)會(huì)、中國力學(xué)學(xué)會(huì)流變學(xué)專業(yè)委員會(huì), 2008∶ 168-172.

[22] HASHEMIPOUR H, KERMANSHAHI H, GOLIAN A, et al. Effects of carboxy methyl cellulose and thymol + carvacrol on performance, digesta viscosity and some blood metabolites of broilers[J]. Journal of Animal Physiology and Animal Nutrition, 2014, 98(4)∶ 672-679.

[23] 代永上. 羧甲基纖維素(CMC)復(fù)配淀粉膠粘劑的研究[D]. 青島∶ 中國海洋大學(xué), 2012∶ 14-23.

[24] PRAJAPATI V D, MAHERIYA P M, JANI G K, et al. Carrageenan∶a natural seaweed polysaccharide and its applications[J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 105(5)∶ 97-112.

[25] 劉芳, 趙謀明, 彭志英. 卡拉膠與其它多糖類協(xié)同作用機(jī)理的研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2000, 21(1)∶ 8-11.

Factors Influencing the Apparent Viscosity of Artemis sphaerocephala Krasch Gum

YANG Xujin, LIU Yang, FAN Guisheng*, JIA Hong (College of Food Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

This study was conducted to investigate factors affecting the apparent viscosity ofArtemis sphaerocephalaKrasch seed gum, including temperature, gum concentration, pH and salt ions. Meanwhile, the effect of addition of different amounts and types of thickener, including sodium alginate, konjac gum, carboxyl methyl cellulose (CMC) and carrageenan, on the viscosity ofArtemis sphaerocephalaKrasch seed gum was also examined. The results showed that the apparent viscosity of the gum slightly changed with increasing temperature. An increase in the apparent viscosity was observed with increasing concentration as well as pH from 3.0 to 9.0. The apparent viscosity ofArtemis sphaerocephalaKrasch gum was decreased by adding salts to different extents, in the descending order of Fe3+> Ca2+> Mg2+> Na+. The addition of CMC increased the viscosity of the gum solution.

Artemis sphaerocephalaKrasch gum; viscosity; influencing factors

TS201.7

1002-6630（2015）17-0114-04

10.7506/spkx1002-6630-201517022

2014-11-24

楊續(xù)金（1975—），男，講師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail：eter88@163.com

*通信作者：范貴生（1957—），男，教授，博士，研究方向?yàn)楦衫壹庸ぜ案衫伊髯儗W(xué)。E-mail：470903648@qq.com