提取溫度對(duì)亞麻籽膠流變性質(zhì)的影響

邢 星，魏安池*，王瑛瑤

（1.河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.國(guó)家糧食局 科學(xué)研究院，北京 100037）

0 引言

亞麻全籽除了含油30%～50%、含蛋白質(zhì)20%左右以外[1]，籽粒表層上還含有占整籽質(zhì)量8%～12%（約占皮殼質(zhì)量的25%）的膠狀物質(zhì)[2]，即亞麻籽膠.亞麻籽膠是一種以多糖為主，含有少量蛋白質(zhì)和礦物元素的天然高分子植物膠，具有黏性、持水性、乳化及乳化穩(wěn)定性、發(fā)泡及泡沫穩(wěn)定性等多種功能特性，在食品、日用化工、制藥等行業(yè)具有廣泛用途.

亞麻籽膠是一種親水膠體，有很強(qiáng)的吸水溶脹能力，能夠與水形成黏稠的溶液.親水膠體的流變性質(zhì)對(duì)其在食品中的應(yīng)用至關(guān)重要，能夠影響到食品的口感、質(zhì)構(gòu)及其他感官品質(zhì)[3].亞麻籽膠水溶液也是一種假塑性流體，其表觀黏度會(huì)隨著剪切速率的增加而降低，這種剪切變稀現(xiàn)象對(duì)于食品加工的過(guò)程有重要意義.亞麻籽膠的各種性質(zhì)受溫度影響很大，提取溫度與應(yīng)用過(guò)程中的溫度不同，其所表現(xiàn)出的性質(zhì)也不盡相同.作者對(duì)不同溫度下提取的亞麻籽膠的組成、色澤及黏度進(jìn)行比較，初步研究探討了不同溫度下提取的膠在不同應(yīng)用條件下的流變性質(zhì)，并采用流變學(xué)方法對(duì)其膠凝性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，以期為亞麻籽膠的提取和應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

亞麻籽：新疆綠旗（集團(tuán)）有限公司；所用試劑均為分析純.

1.2 儀器與設(shè)備

FE20 型實(shí)驗(yàn)室pH 計(jì)：梅特勒-托利多儀器（上海）公司；LGJ -10C 真空冷凍干燥機(jī)：北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司；TA AR2000ex 流變儀：美國(guó)TA 儀器；CM-5 分光測(cè)色儀：日本柯尼卡美能達(dá).

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 亞麻籽膠的提取與制備

亞麻籽原料直接加水浸泡提取，在不同溫度下，浸提一定的次數(shù)，每次浸提時(shí)間為45 min.提取液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器真空濃縮，經(jīng)冷凍干燥后研磨成粉，即得亞麻籽膠.

1.3.2 亞麻籽膠多糖含量的測(cè)定

采用苯酚-硫酸法.

1.3.3 亞麻籽膠總蛋白含量的測(cè)定

采用考馬斯亮藍(lán)法（Bradford 法）[4].

1.3.4 亞麻籽膠流變性質(zhì)的測(cè)定

亞麻籽膠溶液樣品的制備：亞麻籽膠在一定溫度下用蒸餾水溶解一定時(shí)間，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的溶液.

亞麻籽膠溶液靜態(tài)流變性質(zhì)的測(cè)定：采用直徑40 mm 不銹鋼平板測(cè)量系統(tǒng)，平行板間距為1 mm，設(shè)定溫度25 ℃，在剪切速率0～400 s-1的范圍內(nèi)，測(cè)定亞麻籽膠溶液黏度隨剪切速率的變化.

亞麻籽膠溶液在升溫降溫過(guò)程中黏度變化的測(cè)定：采用直徑40 mm 不銹鋼平板測(cè)量系統(tǒng)，平行板間距為1 mm，測(cè)定亞麻籽膠溶液溫度從25 ℃上升至90 ℃以及從90 ℃下降至25 ℃的過(guò)程中，不同溫度下的黏度.測(cè)定過(guò)程中用高溫密封和硅油密封，以防止水分蒸發(fā).

膠凝性質(zhì)的測(cè)定：樣品加到流變儀樣品臺(tái)上，用高溫密封和硅油密封，以防止水分蒸發(fā).采用直徑40 mm 不銹鋼平板測(cè)量系統(tǒng)，平行板間距為1 mm，從25 ℃快速升溫至90 ℃（第一次升溫），停留2 min，以5 ℃/min 的速度降至10 ℃，停留10 min，最后以5 ℃/min 的速度升至90 ℃（第二次升溫）.測(cè)定降溫和第二次升溫過(guò)程中儲(chǔ)能模量（G′）和損耗模量（G″）的變化.

2 結(jié)果與分析

2.1 提取溫度對(duì)亞麻籽膠成分、色澤及黏度的影響

亞麻籽膠的基本成分為多糖，并含有少量的蛋白質(zhì)和其他成分.測(cè)定不同溫度下提取1 次（45 min）所得亞麻籽膠的色澤及多糖和蛋白含量，發(fā)現(xiàn)隨著提取溫度的升高，色澤逐漸加深（表現(xiàn)為L(zhǎng)* 值降低），多糖含量與總蛋白含量均增加（表1）.這說(shuō)明高溫提取所得亞麻籽膠的蛋白雜質(zhì)增加，純度降低.

表1 不同溫度下1 次提取所得亞麻籽膠的成分與色澤Table 1 The components and color of flaxseed gums extracted once under different temperatures

在不同溫度下分別對(duì)亞麻籽進(jìn)行3 次浸提，分析測(cè)定所得到膠的成分，發(fā)現(xiàn)總蛋白含量仍隨著提取溫度的升高而增加，但提取溫度超過(guò)70 ℃后，多糖含量有所下降（表2）.比較提取1 次和提取3 次時(shí)所得亞麻籽膠的測(cè)定數(shù)據(jù)，可以看出，70 ℃提取時(shí)，產(chǎn)品中多糖的含量比較穩(wěn)定，隨提取次數(shù)（提取時(shí)間）增加（延長(zhǎng)）無(wú)顯著變化.由于亞麻籽膠中含有蛋白，這有利于亞麻籽膠的功能性質(zhì)如乳化性、乳化穩(wěn)定性和增稠穩(wěn)定性等，在食品工業(yè)中可用作增稠劑、穩(wěn)定劑、乳化劑和發(fā)泡劑等[5].

表2 不同溫度下3 次提取所得亞麻籽膠的多糖和總蛋白含量Table 2 The polysaccharide and protein contents of flaxseed gums extracted for 3 times under different temperatures

對(duì)不同溫度下提取所得到的亞麻籽膠進(jìn)行黏度測(cè)定，發(fā)現(xiàn)不同溫度下提取的亞麻籽膠黏度差別顯著，提取溫度越高，膠的黏度越大；并且不同溫度下提取的膠均表現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象（圖1）.

圖1 不同溫度下提取所得膠在不同剪切速率下的黏度（70 ℃溶解3 h，25 ℃測(cè)定）Fig.1 The viscosity of flaxseed gums extracted under different temperatures at different shear rates(Dissolved at 70 ℃for 3 h，determined at 25 ℃)

2.2 亞麻籽膠的應(yīng)用流變性質(zhì)

不同溫度提取的亞麻籽膠，除了在組成、色澤及黏度方面有差異外，其在不同的溶解溫度下以及在應(yīng)用時(shí)的升溫降溫過(guò)程中也表現(xiàn)出了不同的流變性質(zhì).

2.2.1 溶解溫度對(duì)黏度的影響

圖2 為不同溫度下提取1 次的膠經(jīng)冷凍干燥成粉末后，在不同的溫度下溶解3 h 后黏度隨剪切速率的變化.由圖2 可以看出，除了80 ℃提取的膠在70 ℃和80 ℃溶解黏度無(wú)明顯差異外，其他溫度提取的膠在其提取溫度下再溶解后，黏度均比在70 ℃溶解的要高.不同溫度下提取的膠溶液的稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)也表明了同樣的現(xiàn)象（表3）.猜測(cè)可能是由于不同溫度提取的膠對(duì)溫度的耐受力不同，提取溫度越高，越能經(jīng)得起高溫長(zhǎng)時(shí)間的溶解.而且90 ℃提取的膠在90 ℃溶解，因經(jīng)受高溫時(shí)間長(zhǎng)，冷卻后有形成弱凝膠趨勢(shì)，因此測(cè)得的黏度較大.這些都可能與不同溫度下提取的膠的成分不同有關(guān).多糖的溶解性質(zhì)依賴于溫度和時(shí)間，其溶解程度對(duì)其功能性質(zhì)影響較大，這方面尚需進(jìn)一步的深入研究.

亞麻籽膠溶液流動(dòng)時(shí)的剪應(yīng)力σ 與剪切速率ε 的關(guān)系服從冪定律σ=K·εn，其中K 是稠度系數(shù)，n 是流動(dòng)指數(shù)，二者為與液體性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[6-8].冪律流體的稠度系數(shù)是和流變行為指數(shù)結(jié)合在一起的.流體的黏度在定量上規(guī)定為剪應(yīng)力σ 和剪切速率ε 的比值.非牛頓流體的流變特性由表觀黏度、液態(tài)特性系數(shù)即K 和n 來(lái)表示.K是液體黏稠的度量，K 越大，表示液體越黏稠.n是表征非牛頓流體與牛頓流體之間的差異程度[9]，當(dāng)0

圖2 不同提取溫度與溶解溫度下亞麻籽膠黏度隨剪切速率的變化Fig.2 The viscosity changes of flaxseed gums with the shear rate changes under different extracted and dissolved temperatures

表3 不同溫度下提取所得亞麻籽膠的稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)Table 3 The consistency coefficient and flow index of gums extracted under different temperatures

2.2.2 升溫降溫過(guò)程中不同溫度提取的膠黏度的變化

亞麻籽膠對(duì)溫度有很強(qiáng)的依賴關(guān)系.黏度會(huì)隨著溫度的升高而降低.因溫度升高，亞麻籽膠分子運(yùn)動(dòng)加劇，分子流動(dòng)阻力降低，所以黏度下降.加熱后再降溫對(duì)膠溶液黏度影響很大.從膠的分子結(jié)構(gòu)來(lái)分析，升溫后再降溫使膠分子開始逐步纏結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).溫度越低，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，使得膠液黏度不斷增加，所以在降溫過(guò)程中膠液黏度上升幅度很大，有形成弱凝膠的現(xiàn)象.

圖3 為不同溫度提取所得到的膠在70 ℃溶解3 h 后黏度在升溫降溫過(guò)程中的變化.可以看出，膠液在升溫降溫過(guò)程中表現(xiàn)出了不對(duì)稱性，溫度越高提取膠的不對(duì)稱性越明顯，例如90 ℃提取的膠在升溫降溫過(guò)程中呈現(xiàn)出了顯著的溫度滯后性.這說(shuō)明高溫下提取的膠更容易形成凝膠.

圖3 不同溫度下提取所得亞麻籽膠在升溫降溫過(guò)程中的黏度變化Fig.3 The viscosity changes of flaxseed gums extracted under different temperatures during cooling and heating

2.3 亞麻籽膠的膠凝性質(zhì)

膠凝是親水膠體的一個(gè)重要功能性質(zhì).親水膠體在溫?zé)釛l件下為黏稠性流動(dòng)液體，當(dāng)溫度降低時(shí)，高分子溶液形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分散介質(zhì)水被包含在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成了不流動(dòng)的半固體狀物，這一過(guò)程稱為膠凝.由前面的研究結(jié)果可知，70 ℃提取的膠組成較為穩(wěn)定，因此，選在70 ℃提取3 次的亞麻籽膠，冷凍干燥后配制成2%的膠液，在70 ℃溶解3 h，測(cè)其膠凝性質(zhì).

圖4 和圖5 為亞麻籽膠在降溫和第二次升溫過(guò)程中模量的變化.

圖4 亞麻籽膠降溫過(guò)程中模量變化Fig.4 Temperate dependence of modulus for flaxseed gums during cooling

圖5 亞麻籽膠第二次升溫過(guò)程中模量變化Fig.5 Temperate dependence of modulus for flaxseed gums during reheating

由圖4 可知，在降溫過(guò)程中，剛開始損耗模量（G″）大于儲(chǔ)能模量（G′），亞麻籽膠呈溶液狀態(tài)，體系以黏性為主；隨著溫度的降低，G′和G″逐漸增大，但G′增加程度比G″大；當(dāng)溫度降至40～45 ℃時(shí)，G′開始超過(guò)G″，出現(xiàn)交匯點(diǎn)，這說(shuō)明體系中的彈性成分增加，體系開始膠凝，此交匯點(diǎn)的溫度稱為膠凝點(diǎn)Tgel.溫度繼續(xù)降低，G′始終大于G″，體系呈現(xiàn)弱凝膠的特性[10].這說(shuō)明亞麻籽膠溶液在加熱到足夠高的溫度后，進(jìn)行冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生膠凝，屬于冷致凝膠.

由圖5 可知，在第二次升溫過(guò)程中，隨著溫度的升高，亞麻籽膠凝膠的G′和G″逐漸降低，但G′降低程度比G″大，當(dāng)溫度升高至60 ℃左右時(shí)，G″超過(guò)G′出現(xiàn)交匯點(diǎn)，這說(shuō)明體系中的黏性成分增加，體系開始熔化，此交匯點(diǎn)的溫度為熔化點(diǎn)Tmelt.溫度繼續(xù)升高，G″始終大于G′，表現(xiàn)出黏彈流體的特性.這說(shuō)明亞麻籽膠凝膠在加熱到足夠高的溫度后，會(huì)發(fā)生熔化，屬于熱可逆凝膠.

表4 為亞麻籽膠溶液的膠凝點(diǎn)Tgel和熔化點(diǎn)Tmelt.

表4 亞麻籽膠的Tgel 和Tmelt*Table 4 Tgel and Tmelt of flaxseed gum

從表4 可以看出，凝膠的熔化點(diǎn)要高于其溶液的膠凝點(diǎn)，即亞麻籽膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變具有溫度上的滯后現(xiàn)象.這是因?yàn)槟z凝是一個(gè)自發(fā)放熱的過(guò)程，溫度的降低有利于膠凝，而熔化是非自發(fā)的吸熱過(guò)程，溫度回升至膠凝溫度需要增加更多能量來(lái)克服分子鏈間的相互作用，所以熔化點(diǎn)比膠凝點(diǎn)高.

3 結(jié)論

亞麻籽膠的成分和黏度與提取時(shí)所用的溫度和時(shí)間有關(guān).在較短的浸提時(shí)間內(nèi)，溫度升高，膠中多糖和總蛋白含量均增加；但高溫下長(zhǎng)時(shí)間浸提，多糖含量反而有所下降.

亞麻籽膠是一種剪切變稀的假塑性非牛頓流體.越高溫度下提取的膠黏度越大.不同溫度下提取所得的亞麻籽膠，其稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)不同.稠度系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)也通常會(huì)隨溶解溫度的不同而變化.亞麻籽溶膠加熱后再降溫，膠液的黏度上升幅度很大，表現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，膠的提取溫度越高，這種不對(duì)稱性越明顯.亞麻籽膠是熱可逆的冷致凝膠.亞麻籽膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變具有溫度上的滯后現(xiàn)象.

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