葫蘆巴膠添加對藜麥汁流變特性的影響

趙保堂，羅啟，尚琪，張志華，楊富民，楊發(fā)榮，黃杰

1(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州，730070) 2(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州，730070)

藜麥?zhǔn)且环N“類全谷物”，最早產(chǎn)于南美洲安第斯山脈地區(qū)，在當(dāng)?shù)匾延屑s7 000年的種植歷史[1]。藜麥具有耐旱性、耐瘠薄性、耐鹽堿等性質(zhì)，其籽粒含有抗腫瘤、抗氧化、增強免疫等多種活性成分[2]。藜麥具有低脂、低糖、低熱量、零膽固醇的特點，是最適宜人類的完美的營養(yǎng)食品之一[3]，藜麥?zhǔn)秤煤罅己玫娘柛垢衃4]，使其具有保健和塑身功能[5]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)將藜麥列為全球十大健康營養(yǎng)食品之一，其活性物質(zhì)也被用于食品加工行業(yè)[6-7]。但單獨食用藜麥汁口感單一，通過添加食品膠可調(diào)節(jié)藜麥汁的黏稠度進(jìn)而改善其口感。從葫蘆巴種子的胚乳提取的葫蘆巴膠-半乳甘露聚糖，因其較高的持水性常作為食品增稠劑，對液態(tài)食品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著重要作用，而這種作用的大小則通常與其黏彈性有關(guān)[8-10]。

本研究以葫蘆巴膠作為藜麥汁的增稠劑，通常與其研究葫蘆巴膠添加量及不同貯藏條件(25、4、-18 ℃)對藜麥汁流變特性的影響，以期為藜麥產(chǎn)品的開發(fā)提供一定理論支持[11]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

葫蘆巴膠粉，山東滕州泰山生物有限公司；藜麥籽，甘肅省金昌市永昌鎮(zhèn)。

1.2 主要儀器

GT10-1高速臺式離心機，北京時代北利離心機有限公司；RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，上海亞榮生化儀器廠；MCR301流變儀，奧地利安東帕公司；FA2204B電子天平，上海越平科學(xué)儀器有限公司；H01-1G磁力攪拌器，上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 藜麥汁的制備

藜麥籽經(jīng)粉碎后過60目篩，加一定量蒸餾水，在60 ℃浸提2 h，4 000 r/min離心20 min,取上清液配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的藜麥汁備用。

1.3.2 不同質(zhì)量比葫蘆巴膠對藜麥汁流變性影響

以藜麥汁干物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)加入葫蘆巴膠，置于磁力攪拌器，在25 ℃下以1 000 r/min攪拌50 min，測定其流變學(xué)特性。

1.3.3 不同貯藏條件對藜麥汁流變性影響

取葫蘆巴膠-藜麥汁(葫蘆巴膠添加量為0.6%)，置于不同儲藏條件(25、4、-18 ℃)下保存24 h，恢復(fù)至室溫，參照何興芬等[11]的方法，采用MCR301流變儀分別測定其流變學(xué)特性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Origin 8.0進(jìn)行作圖和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 葫蘆巴膠添加對藜麥汁流變特性的影響

2.1.1 應(yīng)變掃描

如圖1所示，隨著葫蘆巴膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，藜麥汁的儲藏模量與損耗模量明顯高于未加葫蘆巴膠的樣品，同時未加葫蘆巴膠組的藜麥汁損耗模量呈下降趨勢，而加入葫蘆巴膠的藜麥汁損耗模量則呈平穩(wěn)態(tài)勢，說明加入葫蘆巴膠會提高藜麥汁的穩(wěn)定性。

2.1.2 溫度掃描

由圖2-a和圖2-b可知，加入葫蘆巴膠后藜麥汁的儲藏模量、損耗模量和混合黏度都高于未加葫蘆巴膠的藜麥汁；圖2-c和圖2-d可知，未加葫蘆巴膠的藜麥汁tan δ較其他加入葫蘆巴膠的藜麥汁大。且所有樣品經(jīng)過升溫處理后其儲能模量與復(fù)合黏度均高于升溫前，說明藜麥汁的黏性和彈性對溫度有一定依賴性，加入葫蘆巴膠后的藜麥汁對溫度的依賴性有所上升，且體系的彈性比例增大，流動性減弱。這可能與顆粒間的摩擦和碰撞的概率有關(guān)，隨著溫度的升高，微粒間的摩擦和碰撞的幾率增大，流動性減弱。

a-儲能模量；b-損耗模量圖1 葫蘆巴膠對藜麥汁應(yīng)變的影響Fig.1 Effect of fenugreek gum content on the deformation of quinoa juice

a-儲能模量；b-損耗模量；c-復(fù)合黏度；d-阻尼因子圖2 葫蘆巴膠濃度對黏彈性的影響Fig.2 Effect of fenugreek gum contents on quinoa juice

2.1.3 時間掃描

從圖3可以看出，加入葫蘆巴膠的藜麥汁儲藏模量、損耗模量和混合黏度都遠(yuǎn)大于未加膠的藜麥汁。隨著時間的增加，葫蘆巴膠-藜麥汁的儲藏模量和損耗模量以及混合黏度也在增大。說明加入葫蘆巴膠后的藜麥汁彈性和黏性對時間依賴性增大。

2.1.4 頻率掃描

圖4是葫蘆巴膠-藜麥汁儲藏模量和損耗模量隨角頻率的增大而變化的情況。當(dāng)角頻率達(dá)到一定程度時G′和G″曲線相交，此時G′=G″，表示凝膠狀態(tài)的開始，加入葫蘆巴膠后葫蘆巴膠-藜麥汁的凝膠點較藜麥汁提前。當(dāng)G′G″時，葫蘆巴膠-藜麥汁更多地表現(xiàn)出固體彈性性質(zhì)[12]，且葫蘆巴膠濃度關(guān)系下始終存在G′>G″，加入葫蘆巴膠后的儲藏模量和損耗模量都顯著增大。加入葫蘆巴膠后樣品彈性增大，這是因為葫蘆巴膠成分中含有半乳甘露聚糖，對增稠和穩(wěn)定具有良好作用，所以加入葫蘆巴膠會使得葫蘆巴膠-藜麥汁的彈性增大。

在角速度較高的時候，它們有相互靠近的趨勢，表明葫蘆巴膠-藜麥汁具有類似固體的彈性行為。如圖5所示，復(fù)合黏度隨著溫度的升高和頻率的增大而降低[13]，儲藏模量高于損耗模量，所以彈性占主導(dǎo)。損耗角正切值表示為tanδ=G″/G′，是指樣品的黏性和彈性的比值。

a-儲能模量；b-損耗模量；c-復(fù)合黏度圖3 葫蘆巴膠對藜麥汁體系動態(tài)黏彈性的影響Fig.3 Effects of fenugreek gum content on the dynamic viscoelasticity of quinoa juice

a-儲能模量；b-損耗模量；c-復(fù)合黏度；d-阻尼因子圖4 葫蘆巴膠濃度對復(fù)合體系儲能模量、損耗模量、復(fù)合黏度、阻尼因子的影響Fig.4 Effect of addition of fenugreek gum on quinoa juice

圖5 不同濃度葫蘆巴膠對復(fù)合體系黏度的影響Fig.5 Effect of fenugreek gum contents on viscosity of fenugreek gum-quinoa juice

由圖6可知，加入葫蘆巴膠的藜麥汁tanδ<1，說明體系的彈性比例較大，流動性較差，其在線性范圍內(nèi)的形變是可壓縮和恢復(fù)的[14]。但未加膠的藜麥汁tanδ>1，說明藜麥汁體系的黏性比例較大，流動性較好。說明加入葫蘆巴膠后樣品彈性增大且彈性占主導(dǎo)，具有類似固體的彈性行為，體系組分中高聚物聚合度大。

圖6 葫蘆巴膠對藜麥汁觸變性的影響Fig.6 Effect of fenugreek gum contents on thixotropy of fenugreek gum-quinoa juice

2.1.5 剪切掃描

利用Carreau-Gahleitner Ⅰ模型對樣品的流動曲線進(jìn)行擬合，模型方程如公式(1)所示：

(1)

式中：y0-yinf>0，y0，零剪切黏度，Pa·s；yinf，無限剪切黏度，Pa·s；a，回歸參數(shù)；p，回歸參數(shù)；x，剪切速率；y，黏度。

由表1可知，除了對照和添加量為1%的樣品，其他樣品Carreau-Gahleitner Ⅰ模型有較高的R2值，因此，Carreau-Gahleitner Ⅰ模型能夠很好地擬合實驗數(shù)據(jù)，適合于描述樣品的流動性。但對于不加膠的藜麥汁和添加量為1%的葫蘆巴膠溶液，Carreau-Gahleitner Ⅰ 模型的相關(guān)性較差，R2值較小。除了0.2%的樣品，其他加膠樣品零剪切速率(y0)隨濃度的增大而增大，但始終沒有原始樣品的y0高，而無限剪切黏度(yinf)表現(xiàn)出先上升再下降的趨勢。

由圖5可知，隨著剪切速率的上升，所有樣品的黏度都呈下降趨勢，出現(xiàn)剪切變稀，這不同于理想的塑性流動，葫蘆巴膠的水溶液在到達(dá)最大值后就會表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性行為[21]，葫蘆巴膠加入藜麥汁也表現(xiàn)出類似的行為。沒有加膠的藜麥汁隨著剪切速率的增大，出現(xiàn)剪切增稠，歸因于隨剪切速率增大，以流體中分子鏈內(nèi)連結(jié)減小為代價增大了分子鏈間連結(jié)的概率，從而導(dǎo)致黏度的增大；隨著剪切速率的增加，添加葫蘆巴膠的藜麥汁的黏度呈下降趨勢，但隨著膠濃度的增大，黏度也在增加，表明復(fù)合黏度對葫蘆巴膠膠的質(zhì)量濃度有一定的依賴性。

表1 不同濃度樣品的 Carreau-Gahleitner Ⅰ模型擬合參數(shù)Table 1 Carreau-Gahleitner I model fitting parameters for different concentrations of samples

2.1.6 觸變掃描

觸變性是在非破壞或剪切條件下，材料的形變對剪切應(yīng)力的反應(yīng)。剪切速率隨著時間增大而增大到最大剪切值。然后在沒有任何外界干擾的情況下，通過降低剪切速率使此過程得以恢復(fù)，所以形成閉合的曲線。而這個閉合曲線所包圍的區(qū)域則被稱為觸變環(huán)，觸變環(huán)的面積越大說明樣品的觸變性越大，即樣品的恢復(fù)性越弱，彈性越小[9,16]。如圖6所示，添加量為0.6%的滯后環(huán)面積最大，即此時樣品恢復(fù)性較差，膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的樣品滯后環(huán)面積最小，即彈性最大，樣品恢復(fù)性最好，滯后環(huán)面積隨著膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大呈先增大后減小趨勢。說明樣品彈性隨著膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而先增大后減小，膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時樣品觸變環(huán)最大(257.74 Pa/s)，即彈性最小。

2.2 不同儲藏條件對葫蘆巴膠-藜麥汁流變特性的影響

2.2.1 溫度掃描

由圖7可知，隨溫度升高，低溫處理的葫蘆巴膠儲藏模量、損耗模量和復(fù)合黏度大小關(guān)系：冷藏<冷凍<常溫，說明溫度對低溫保存處理的葫蘆巴膠-藜麥汁影響不明顯，即隨著溫度變化低溫條件下保存的葫蘆巴膠-藜麥汁的黏性和彈性都不發(fā)生顯著變化。

2.2.2 時間掃描

如圖8所示，隨著時間的增加，冷藏和冷凍的葫蘆巴膠損耗模量、儲藏模量和混合黏度都沒有明顯變化，常溫保存的葫蘆巴膠-藜麥汁的膠損耗模量、儲藏模量和混合黏度則隨著時間顯著增加。說明常溫保存的葫蘆巴膠-藜麥汁受時間影響較明顯，隨時間推移，其彈性和黏性會發(fā)生較顯著的變化，而經(jīng)過低溫保存的葫蘆巴膠-藜麥汁則受時間影響不明顯，隨著時間的增長，彈性和黏性不會發(fā)生顯著變化。

a-儲能模量；b-損耗模量；c-復(fù)合黏度；d-阻尼因子圖7 不同儲藏條件對藜麥汁黏彈性的影響Fig.7 Effects of different storage conditions on quinoa juice

a-儲能模量；b-復(fù)合黏度；c-損耗模量圖8 不同儲藏條件對藜麥汁動態(tài)黏彈性的影響Fig.8 Effects of fenugreek gum content on the dynamic viscoelasticity of quinoa juice

2.2.3 頻率掃描

從圖9-a可知，樣品不管在什么條件下保存，儲能模量始終大于損耗模量，即葫蘆巴膠-藜麥汁體系中彈性占主導(dǎo)。在較高的角頻率下，它們有相互靠近的趨勢，表明樣品具有類似固體的彈性行為。圖9-b可以看出，冷凍后的tanδ最大，冷藏條件下保存的樣品tanδ最小，由圖9-c可知，隨角頻率增大，混合黏度都呈急劇下降的局勢。說明冷藏保存使得體系彈性比例較大，高聚物數(shù)量增大或聚合度變大，而冷凍保存的樣品內(nèi)高聚物數(shù)量下降或聚合度較原來減小。葫蘆巴膠-藜麥汁的復(fù)合黏度在常溫、冷藏、冷凍條件下無顯著變化，同時復(fù)合體系的損耗模量在常溫與冷凍條件下相一致，歸因于冷凍過程形成的冰晶促進(jìn)葫蘆巴膠-藜麥汁中的膠體分子間有序結(jié)合，形成局部的高濃度，使葫蘆巴膠-藜麥汁的凝膠強度增加，即冷凍過程對葫蘆巴膠-藜麥汁的凝膠網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有促進(jìn)作用[17]。龍秀明等[18]通過在粉條中添加魔芋膠提高了粉條的咀嚼性。

2.2.4 頻率掃描

如圖10所示，隨剪切速率增大，黏度呈下降趨勢，且3個條件下保存的葫蘆巴膠-藜麥汁黏度的下降趨勢幾乎相同。當(dāng)剪切達(dá)一定程度時，常溫保存的葫蘆巴膠-藜麥汁黏度比低溫保存的葫蘆巴膠-藜麥汁黏度稍大，表明低溫保存會使葫蘆巴膠-藜麥汁的黏度受影響[17-18]。

2.2.5 觸變掃描

由圖11可以看出，冷藏條件下保存的葫蘆巴膠-藜麥汁滯后環(huán)最小，常溫保存的葫蘆巴膠-藜麥汁的滯后環(huán)最大。說明葫蘆巴膠-藜麥汁在低溫條件下保存會增加其恢復(fù)能力，即彈性較好。這可能與藜麥中蛋白質(zhì)含量較高有關(guān)，在較低溫度下更有利于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)保存[19-20]。

a-損耗模量；b-阻尼因子；c-復(fù)合黏度圖9 不同儲藏條件對復(fù)合體系儲能模量和損耗模量、復(fù)合黏度、阻尼因子的影響Fig.9 Effects of different storage conditions on the storage modulus, loss modulus, complex viscosity and damping factor of composite system

圖10 不同儲藏條件對藜麥汁復(fù)合體系黏度的影響Fig.10 Effect of different storage conditions on viscosity of fenugreek gum-quinoa juice

圖11 不同儲存條件對藜麥汁觸變性的影響Fig.11 Effect of different storage conditions on thixotropy of fenugreek gum-quinoa juice

3 結(jié)論

葫蘆巴膠-藜麥汁復(fù)合體系符合流變學(xué)的Carreau-Gahleitner模型，隨葫蘆巴膠濃度增大，復(fù)合體系的彈性和黏性增加，呈濃度依賴性，當(dāng)復(fù)合體系中葫蘆巴膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%時，體系黏度最大。當(dāng)溫度升高時，體系黏性和彈性有所下降，呈彈性增大趨勢，且彈性占主導(dǎo)，具有類似固體的彈性行為。葫蘆巴膠是由乳糖與甘露糖之比為1∶1.2的半乳甘露聚糖組成，其分子溶脹度隨溫度升高而增大，同時溶脹度也隨著濃度的升高而增大，從而增加了復(fù)合體系的黏度，低溫處理后體系的觸變環(huán)較小，表明低溫處理對于體系中各種成分的影響較小，體系恢復(fù)能力較強[19,21]。低溫處理后的葫蘆巴膠-藜麥汁的黏性和彈性對時間依賴性很小，冷凍后微波解凍的葫蘆巴膠-藜麥汁的黏性和彈性對時間的依賴性增強，但沒有常溫下保存的葫蘆巴膠-藜麥汁的黏性和彈性對時間的依賴性明顯。低溫條件(冷藏2～4 ℃)下保存會較好保持葫蘆巴膠-藜麥汁的彈性，但是過低溫度(-18 ℃)下保存會破壞葫蘆巴膠-藜麥汁的黏性和彈性。其半乳甘露聚糖大分子在速度梯度場中會產(chǎn)生定向效應(yīng)，且隨速度梯度的增大而增強，使分子與流動方向趨于一致，減小對液體流動的干擾，同時使大分子間的纏結(jié)減弱[17]。