黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的流变学性质

黄秋葵（Abelmoschus esculentus L.Moench），也称秋葵、羊角菜，起源于非洲，目前在我国南北方广泛种植。黄秋葵嫩荚中含有大量的黏性多糖物质，其主要成分包括果胶多糖、阿拉伯聚糖、半乳聚糖及少量糖蛋白。

研究表明，黄秋葵嫩果中含蛋白质约2.5%，含果胶多糖约24.8%，可用作食品乳化剂、增稠剂、稳定剂以及用作药片缓释膜。黄秋葵果实的利用方式主要是嫩荚用作烹饪，有学者研究了黄秋葵酒的发酵工艺，亦有企业研发出黄秋葵酒投放市场，但黄秋葵酒发酵过程中产生的大量酒渣尚未得到充分利用。

国内关于黄秋葵的研究主要集中在果胶多糖、黄酮等活性成分的提取工艺及理化性质方面，对黄秋葵发酵酒渣制备的果胶多糖的流变学特性鲜有报道。黄秋葵果胶多糖的溶液是一种非牛顿流体，具有很明显的剪切稀化现象，黄秋葵果胶多糖的这种特殊性质可能具有进一步利用的潜力。集美大学食品与生物工程学院的陈发河、周彦强和吴光斌研究了黄秋葵果胶多糖和黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的流变学性质，以期为黄秋葵发酵酒渣的综合利用和黄秋葵果胶的应用提供理论指导。

1 黄秋葵酒渣果胶多糖的流变学特性

1.1 特性黏度和黏均分子质量

分别将图1和图2曲线外推可以得到特性黏度。对黄秋葵酒渣果胶多糖，通过Huggins和Kraemer计算得到的[η]分别为41.89 dL/g和41.28 dL/g；而对于黄秋葵酒渣果胶多糖，[η]分别为5.15 dL/g和4.71dL/g。使用乌氏黏度仪测得的此黄秋葵果胶多糖和黄秋葵酒渣果胶多糖的特性黏度分别为41.12 dL/g和4.66 dL/g。酒渣中提取的黄秋葵果胶多糖的特性黏度明显低于原始黄秋葵果胶多糖较低的特性黏度可能是由于分子质量的降低，亦或是分子内相互作用导致的分子收缩或分子链的随机缠绕使其在水溶液中的空间占有量减小。

本实验中黄秋葵经过发酵后的酒渣果胶多糖特性黏度的降低，可能是由于发酵过程中果胶多糖分子链的破坏导致其分子质量的下降，从而导致单个分子占据的溶液体积的下降，使得特性黏度下降。此外，Huggies常数K还可以提供分子链柔性的近似信息。本实验中黄秋葵发酵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖的Huggies常数分别为和0.55和0.59，说明2种分子链都具有较好的柔性，同时也可以说明黄秋葵酒渣果胶多糖分子质量的降低并没有对分子链的柔性造成太大影响。 将Huggies方程和Kramer方程得到的特性黏度取平均值计算黏均分子质量，得到黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖的黏均分子质量分别为2.47×105 g/mol和1.466×10 6 g/mol。

1.2 流动阶梯实验

由图3、4可知，在0.01～2 000 s－1剪切速率范围内，2种溶液的黏度都随溶液质量浓度的加大而增大，而对每种质量浓度的溶液，其黏度随着剪切速率的增加而减小，其变化趋势为非牛顿流体中的假塑性流体，具有明显的剪切稀化现象。

相比于黄秋葵果胶多糖溶液，黄秋葵发酵酒渣果胶多糖溶液的黏度要明显降低，0.1 g/dL的黄秋葵果胶多糖溶液在低剪切速率的黏度，与质量浓度为5 g/dL黄秋葵发酵酒渣果胶多糖溶液的黏度大致相等。黄秋葵酒渣经过了较长时间的发酵过程，可能会造成果胶多糖分子链的断裂，使得其分子质量变小，从而减少了水溶液中分子间的相互缠绕，具有明显的剪切稀化。黄秋葵酒渣果胶多糖这种假塑性特性在实际应用中具有一定的实际意义，其黏度范围表明黄秋葵酒渣果胶多糖非常适合用作食品的增稠剂；又因为其具有的剪切稀化现象和不成凝胶的特性，也可以用作工业中需要泵送或者搅拌的物料。

在图3和图4的双对数曲线上，溶液的黏度在中间呈现剪切变稀现象而在低、高剪切速率下则均为几乎不依赖于剪切速率的常数。根据不同的质量浓度下的零剪切黏度，计算比浓黏度ηsp。特性黏度与溶液的质量浓度之积表示大分子占据的空间大小，将其作为横坐标，再将比浓黏度ηsp为纵坐标，绘制双对数曲线。通常可以用来探究随机缠绕分子的临界质量浓度c*，其结果如图5所示。临界质量浓度c*的数值可作为增稠剂添加量的参考，当其质量浓度大于临界质量浓度c*时，黏度的增加变得更快；而小于临界质量浓度时，黏度的变化缓慢。

从图5可以看出，黄秋葵果胶多糖并没有临界质量浓度c*；而黄秋葵发酵果胶多糖的临界质量浓度c*在4 g/dL附近，此时的分子空间占据量在20附近。在果胶多糖质量浓度小于c*时，可以认为溶液中的分子还是相互独立，彼此的距离较远；而当质量浓度大于c*时，溶液的体积不足以提供每个分子需要的占据的空间，分子间的挤压、穿插开始出现，使得此时的图像斜率明显上升。通常，无序的大分子链的双对数曲线都可以部分叠加。

1.3 线性黏弹区域的确定

黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖溶液的模量与施加应变的关系如图6和图7所示。可以看出，两者的线性黏弹区域都较宽，并且都随着溶液质量浓度的降低线性范围收窄。较窄的线性范围通常意味着溶液体系的不稳定型增加或是溶液中有效分子质量的减少。可以看出当振荡应变大于10%或是小于2%时，溶液的模量不再是线形的，所以后续的实验选择5%作为振荡实验的应变。

1.4 振荡扫描实验

图8显出了10 g/dL的黄秋葵酒渣果胶多糖溶液的黏度与温度的关系。在10～90 ℃的温度变化范围内，溶液的模量随着温度的升高而逐渐降低，且没有明显的G’和G’’急剧变化。这说明了在较广的温度范围内，黄秋葵酒渣果胶多糖没有明显凝胶化的性质。当溶液的温度升高时，水分活度上升，果胶多糖分子链变得更为柔软同时更加延展，这会增加分子流体力学体积，而且果胶多糖分子链之间相互作用的水平也会提高。同时，温度上升也补偿了分子之间摩擦所造成的能量损失。果胶多糖溶液的模量随温度增加而呈现出线性地降低，这可能是由于加热影响了诸如弱范德华力的相互作用维持着的相对松散的网络区域的剪切变形。

图9和图10显示了G’和G’’随着角频率的变化。在本实验的角频率范围内，G’和G’’没有显示出交点；同时黄秋葵果胶多糖溶液的G’大于G’’，这说明原始黄秋葵果胶多糖溶液更多的表现出弹性而非黏性。G’和G’’都随着角频率的减小而减小。黄秋葵果胶多糖溶液在实验的角频率范围内是一种弱凝胶。从图10可以看出，黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的G’’要略大于G’，表明发酵酒渣果胶多糖溶液更多表现出黏性而非弹性，这表明可在某些加热的物料中用作添加剂。

黄秋葵发酵酒渣果胶多糖3 种质量浓度的水溶液的测定结果基本符合Cox-Merz公式（图11）。但是在低剪切速率的时候出现了偏离，其复合黏度要大于稳态剪切黏度，而在高剪切速率时并未出现此现象。所以，在使用Cox-Merz规则进行非线性模型黏度预测的时候，高频下的溶液可以使用此规则进行预测，而低频下会出现偏离，不适用此规则。

2 黄秋葵酒渣果胶多糖主要理化性质

结果显示，黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖两者半乳糖醛酸含量相近，前者的酯化度明显高于后者，两者均为高酯果胶且高于QB 2484—2000《食品添加剂果胶》的标准。相比从黄秋葵酒渣中提取得到果胶多糖的半乳糖酸酸含量和蛋白质含量较低，灰分较高，具有较高的酯化度。高脂果胶在食品加工中应用较广，相对于低酯果胶，高脂果胶凝胶速率快，凝胶温度高，一般用可作为食品的增稠剂、胶凝剂、稳定剂、乳化剂等。黄秋葵原料经过了发酵，可能导致酯化度改变、灰分增加等性质的变化。

3 黄秋葵酒渣果胶多糖的单糖组成

采用PMP柱前衍生HPLC法检测黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖的单糖组成，从其单糖组成可以看出，黄秋葵果胶多糖和黄秋葵酒渣果胶多糖均含有甘露糖、葡萄糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、半乳糖和阿拉伯糖，这表明这两种果胶多糖均属于酸性杂多糖，7 种单糖组分分别占这2种来源的果胶多糖的54.7%和52.3%。

由图12可知，发酵后黄秋葵酒渣果胶多糖的单糖组分发生了部分变化。其中变化较为明显的有鼠李糖的含量由20.0%减少到8.8%，半乳糖由22.3%增加到25.6%，葡萄糖由2.7%增加到30.6%，半乳糖由46.2%减少到20.4%，阿拉伯糖由4.8%增加到8.7%。果胶多糖中含量较高的结构是HG、RG I和RG II。其中RG II的分子链较小，并且通常连接于HG的末端，所以在果胶多糖中的含量也较少。

结果显示，单糖的物质的量比例可以反映果胶多糖分子结构包括支链上的差异,黄秋葵果胶多糖具有很高比例的RG I组分，这可以从HG、RG I的比例或是Rha/GalA的比值（0.90）得出结论。本实验中黄秋葵果胶多糖的RG I比例为91%。不同来源的果胶多糖其HG和RG I的比例不相同。黄秋葵果胶多糖的RG I比例要比其他植物的果胶多糖高很多，例如甜菜浆果胶多糖中RG I为22%，苹果为31.9%，大豆为43%。黄秋葵酒渣果胶多糖的RG I组分为46.74%，低于黄秋葵果胶多糖的90%；其HG组分为16.76%，高于黄秋葵果胶多糖的2.21%。（Ara＋Gal）/Rha的比例可以反映RGI组分侧链上的多糖数量，两者的比值分别为2.54和3.29，这表明黄秋葵酒渣果胶多糖RG I的侧链长度或侧链数量要大于黄秋葵果胶多糖RG I的侧脸。

结 论

黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的流变学性质研究表明，黄秋葵果胶多糖和黄秋葵酒渣果胶多糖的特性黏度分别为41.12 dL/g和4.66 dL/g，黏均分子质量分别为1.466×10 6 g/mol和2.470×105 g/mol，黄秋葵经过发酵后的酒渣果胶多糖特性黏度的降低，但两者的Huggies常数相差不大，分别为0.59和0.55，说明2 种分子链都具有较好的柔性，同时也可以说明黄秋葵酒渣果胶多糖分子质量的降低并没有对分子链的柔性造成太大影响。流动阶梯实验显示，黄秋葵发酵酒渣果胶多糖属于非牛顿流体中的假塑性流体，具有剪切稀化现象，但没有黄秋葵果胶多糖的剪切稀化现象明显，黄秋葵酒渣果胶多糖这一特性使其非常适合用作食品的增稠剂。

将流动曲线拟合Cross模型，结合双对数曲线得到黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的临界质量浓度c*约为4 g/dL，此时的分子空间占据量约为20，而黄秋葵果胶多糖并没有临界质量浓度c*。振荡实验显示其线性黏弹区域在2%～10%内均为线性。在振荡实验的温度范围内黄秋葵发酵酒渣果胶多糖是一种弱凝胶，没有明显的凝胶点。频率扫描实验表明黄秋葵果胶多糖溶液的G’大于G’’，说明其更多的表现出弹性而非黏性；黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的G’’大于G’，其更多的表现出液体的黏性特征。Cox-Merz公式的拟合表明，黄秋葵发酵酒渣果胶多糖在低剪切速率下的复合黏度要大于稳态剪切黏度，表明其分子之间可能有新的结构生成，同时此结构对稳态剪切更为敏感。

黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的主要理化性质研究表明：黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖酯化度分别为74.45%和55.817%，两者均为高酯果胶，前者的酯化度明显高于后者；从单糖组成可以看出，黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖均含有甘露糖、葡萄糖、鼠李糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸、半乳糖和阿拉伯糖，这表明这2 种果胶多糖均属于酸性杂多糖，7 种单糖组分分别占这两种来源的果胶多糖的52.3%和54.7%。根据单糖组分计算得到黄秋葵酒渣果胶多糖和黄秋葵果胶多糖的RG I组分分别为46.74%和90.00%，HG组分分别为16.76%和2.21%；两者的（Ara+Gal）/Rha比值分别为3.29和2.54，表明黄秋葵酒渣果胶多糖RG I的侧链长度或侧链数量要大于黄秋葵果胶多糖RG I的侧链。本研究结果可为黄秋葵发酵酒渣果胶多糖应用提供理论指导。

本文《黄秋葵发酵酒渣果胶多糖的流变学性质》来源于《食品科学》2020年41卷22期64-73页，作者：陈发河，周彦强，吴光斌。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20190916-180。

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修改/编辑：袁月；责任编辑：张睿梅

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