大麦β葡聚糖的流变性能

1、大麦0葡聚糖的流变性能ZvonkoBurkus，FeralTemelliDepartmentofAgricultural,FoodandNutritionalScience,UniversityofAlberta,Edmonton,Alta,CanadaT6G2P5Received11April2004;revised30October2004;accepted31October2004Availableonline19December2004摘要：谷物卩葡聚糖的营养保健功能与其高黏度有着紧密的联系。尽管目前对于卩葡聚糖凝胶溶液的黏度的研究已有报道，在升高温度时其流变学表现仍有冲突之处。因此，

2、本课题在不同的剪切速率(1.29-129s-i)和不同的温度(0.1-75C)下对大麦卩葡聚糖凝胶的黏性性能进行了测定，包括小规模工厂试验和实验室试验。这两种试验都证明了凝胶的黏度随着温度的下降而降低。活化能Ea可由a阿伦纽斯方程计算得到。所有的浓度低于1%(w/w)的新制凝胶溶液均未表现出触变特性，但是实验证实提高剪切速率不适合低浓度的多分子溶液。有关卩葡聚糖流变特性的资料可以帮助我们在生理学和工艺条件方面对其有更深刻的理解。1.概述：卩葡聚糖是大麦和燕麦胚乳细胞壁的葡萄糖多聚物中的一个不起眼的名字，它占谷重的3-7%。从结构上讲，它是(1f3)(14)-b-葡聚糖和类纤维成分通过(1-3)

3、糖苷键连接而成的，这决定了它较强的溶解性。P键不易被人体胃肠道重的酶消化，因此卩葡聚糖被划分到可溶性膳食纤维的行列中。天然的卩葡聚糖具有很高的黏度，这与其保健功能密不可分。P葡聚糖的这种天然高粘度会因提取和深加工而削减。Wood等发现，血糖、胰岛素反应和燕麦卩葡聚糖黏度的对数值成倒数关系。由于黏度是分子量和浓度的函数，可以类似地推出血糖与浓度的分子量次方之间的关系(Wood,Beer，&Butler,2000)。大麦和燕麦的卩葡聚糖(分别为BBG和OBG)在结构上很相似，都含有约90%的纤维三己糖和纤维四己糖单元。由于燕麦卩葡聚糖分子链较长，通常表现出更高的黏性(Beer,Wood,&Weis

4、z,1997;Wood,Weisz,&Mahn,1991)但是人们往往希望BBG也能具有和OBG相似的分子量和性能。所以，以下的讨论强调这两种卩葡聚糖凝胶。卩葡聚糖的触变性早已被证实，并且高粘度(HV)凝胶都具有高的稠度系数和较低(VV1)的流动指数(动力定律方程参数，Eq(1)。Bhatty(1995)和Burkus(1996)报道，BBG和OBG凝胶的流动指数都0.7。而接近1的流动指数值意味着它们具有好的脂肪替代特性(Szczesniak&Farkas,1962)。但是，Autio,Myllymaki和Malkki(1987)发现浓度$1%(w/w)的高黏度燕麦凝胶，流动指数V0.3，这

5、说明这样具有脂肪替代品潜能的凝胶推荐浓度应该W0.5%。低浓度的低黏度(LV)凝胶和HV凝胶都具有牛顿流体的性能(Burkus,1996)。高黏度凝胶在浓度0.2%时应该会表现出触变性(Autioetal等,1987)。温度会引起卩葡聚糖凝胶黏度值的逆转(Dawkins&Nnanna,1995)。通常，黏度随着温度的升高而升高，但是据报道,BBG预期黏度值的减少值随着温度的升高会有一些偏差。例如,Dawkins和Nnanna(1995)发现OBG凝胶(0.5%，w/w)的黏度在温度从25升至37C时升高，而在61C时的黏度会轻微低于在25C时的控制值。100C时的黏度与25C时相比，大幅降低。

6、Gomez,Navarro,Garnier,Horta和Carbonell(1997)在低剪切速率(V3s-i)下测定了70C时1.5%BBG溶液的黏度要高于25C时的黏度。因此，他们关于高温下卩葡聚糖聚集体的结论有一定的问题，用卩葡聚糖胶粒结构变化来解释黏度偏离还是比较合理的。所以，就需要对升温过程中BBG的性能有更为深刻的阐述，特别是在工业加工应用条件下。触变性是指在恒定剪切速率下剪切一段时间后黏度下降的现象。LinemannandKruger(1997)对啤酒中BBG的触变性进行了研究。使用的程序是流动曲线测定,其剪切速率从0增至120s-1，然后在8min内减至0s-i。其原因应该是在

7、LinemannandKruger(1997)的研究中，触变特性不能被完全阻止已水解的啤酒BBG迅速凝胶化和搅拌下胶体颗粒的分散。同时检测系统的惰性也会引起这样的现象。这样的黏度试验的流动曲线的不恰当已经被Burkus（1996）证明；因此，唯一有用的试验应该是步进式的试验，这也得到了Speers（1999）的赞同。Linemann和Kruger（1997）也发现，在55C时触变性会消失，这应该是由于胶束结构的融解（Burkus与Temelli,2000;Morgan和Ofman,1998）和升温时黏度的降低所引起的。相反，Autio等（1987,1992），Wikstrom,Lindahl,

8、AnderssonWesterlund（1994）和Wood,Weisz,Fedec,Burrows（1989）没有发现OBG凝胶的触变性。因此，本课题的目的是：（a）研究温度和剪切速率对实验室和小规模试验工厂提取BBG凝胶的黏度的影响，并且用阿伦纽斯方程和动力定律方程表述其各自的影响；（b）证实BBG的触变性能。2.材料与方法2.1材料小规模试验工厂和实验室BBG凝胶取自混合型糯性大麦（SB89528和SB89497的混合试验栽培品种）,如先前Burkus（2001）和Burkus，Temelli（2000）所描述的原料。p葡聚糖的分离，是在淀粉取出之后，用碱水溶液在pH9.4、温度53-5

9、5C下稳定p葡聚糖的提取，消化剩余的淀粉，使酸性蛋白质沉淀，然后用乙醇沉淀P葡聚糖。在小规模试验工厂中，以上每一步使用不同的加工设备，并延长加工时间，使得P葡聚糖凝胶纯度更高，但是产率下降。小规模试验工厂和实验室依据McCleary和Glennie-Holmes（1985）测定的p葡聚糖凝胶含量（分别为78.9和71.1%）。经BurkusTemelli（1998）测定，这两种凝胶的主要成分如表1所示。淀粉和葡聚糖的测定分别依据Hashimoto、Shogren、Pomeranz（1987）和Holm等（1986）。利用力可氮素分析仪（FP-428，力可公司）测定蛋白质。根据标准方法08-01

10、（AOAC，1995）测定灰分。Burkus和Temelli（2003）测定PP和LAB凝胶的分子质量（MW）分别为198和598K。MW这一明显的差距是由于小规模试验工厂设备的高剪切作用造成的，并且主要是用于分离淀粉和蛋白质的离心机。表1PP凝胶和LAB凝胶主要成分（,db）成分PP凝胶LAB凝胶p葡聚糖83.378.0蛋白质1.53.6淀粉1.20.5戊聚糖1.74.1灰分4.14.1脂质002.2流变学检测根据Burkus和Temelli（1998），p葡聚糖溶液在合适的浓度（0.25或1.0%凝胶，w/w）下用当地蒸馏水制备，一式两份。使用具有波尔贴升温系统的PAARPhysicaUD

11、S200流变仪（GlennAllen,VA）在剪切速率1.29-129s-i的固定速度测试中测定凝胶溶液的黏度。测试使用DG27型杯和7mL样品大小的双口浮子几何体，并在最佳温度（0.03C）下进行。样品大小不是用体积衡量的而是用重量衡量的。将干净的DG27型杯置于天平上，归零，直接向杯中称取7.010.005g样品。为了防止在高温下蒸发，样品上覆盖约0.4ml低粘度的S3标准油脂（25C下3.408mPas）。剪切速率用rpm表示，或者根据生产技术规范乘以转换系数1.29,用s-i表示。LV测定时，仪器用S3标准油脂进行校准；HV测定时用布鲁克菲尔德黏度标准流体500标准油脂（25C下482

12、mPas）进行校准。触变性用动力定律模型（方程1）描述：SS=cSRn（1）这里SS是剪切应力（N/m2），SR是剪切速率（s-1），c是稠度系数，n是流动指数。1%（w/w）的PP凝胶和LAB凝胶的黏度在0.1-75C的温度范围下进行。温度对黏度的影响用阿伦纽斯方程描述：n=a-e（一Ea/RT）a2）这里n是表观粘度，A是常数，E是活化能(J/mol),R是气体常数(8.314J/molK),T是温度(K)。活化能可以从lnn对1/T的图像斜率得到。由于已有报道称E与浓度和剪切无关(Autio等，1987),Ea在剪切速率在1.29-25.8s-i变化过程中测定。传统的触变测试通常在恒定剪

13、切速率(如20s-1)和一定的时间范围内(如15min)测定。由于在这样的试验中没有样品出现黏度损耗，使用一个不同的、具有更多的综合性的合适的方法。触变性是通过测定1%(w/w)PP、LAB凝胶溶液和0.25%(w/w)LAB凝胶溶液(w/w)在高剪切作用后的黏度恢复来确定的。在US200-V.2.04软件的测定窗口，输入预置变量如时间、温度、剪切率或速率、作用点数和每个作用点的初始值，如表2。这种改进的触变性测定方案的一个优点就是它可以在相同的实验中收集数据以进行流变性能的评估。表2用于2001_3000rpm(1.29-3870S-1)下PP和LAB凝胶触变性试验的PAARPhysicaU

14、DS200流变仪窗口设定参数区间123456789LABlOOOrpm旋转(rpm)1510205010010001-测试点，#777777208-测试时间1min12s6s3s3s3s3s1min-原始值/点20,000400020001000自动自动自动20,000-LAB3000rpm旋转(rpm)1510205010010001-测试点，#47777772010测试时间1min12s6s3s3s3s3s3s1min原始值/点20,000400020001000自动自动自动自动20,000PPl000rpm旋转(rpm)510205010010005-测试点，#777772010-测试时

15、间12s6s3s3s3s3s12s-原始值/点400020001000自动自动自动4000-3结果与讨论3.1温度和剪切对黏度的影响PP和LAB葡聚糖凝胶溶液(1%,w/w)的黏度对于0.1-750下剪切速率的函数如图1,2所示。在0.1-75C下黏度曲线的动力方程系数如表3,4所示。0葡聚糖溶液在这么宽的温度范围内黏度的性能变化近来还未见报道。表30.1-75C下1-20rpm(129-258s-i)转速下1%(w/w)LAB凝胶黏度曲线能量定律常数温度(C)相关系数，c流动指数，nR20.12.95030.68990.994552.24860.72640.9952101.71920.760

16、70.9957151.27040.80750.9958201.03240.81970.9968250.77450.85710.9977350.4910.89670.9984450.31320.93640.9988550.21760.94940.9994650.15440.95570.9998750.11030.96590.9999表401-75C下1-20rpm（129-258s-i）转速下1%（w/w）PP凝胶黏度曲线能量定律常数温度（C）相关系数，c流动指数，nR20.10.04340.9961150.03410.99611100.02720.99641150.02190.99721200

17、.0180.99661250.01450.99741350.01050.99551450.00780.99521550.00580.99771650.00480.99451750.00390.98651正如预料的，在从0.1到75C的整个升温过程中，PP和LAB的卩葡聚糖凝胶溶液没有出现Dawkinsa和Nnanna（1995）还有Gomez等（1997）所描述的异常变化。Dawkins和Nnanna（1995）解释的出现偏差的原因是HV燕麦凝胶起初的不完全水化和加热至37C时卩葡聚糖的进一步溶胀。Dawkins和Nnanna（1995）的实验数据的这一偏差在温度升至61C的过程中继续延续，抵

18、消了随着温度上升而非导致的黏度下降，然而继续加热至100C时又导致了黏度的下降。如Gomez等（1997）所描述的，BBG在70C、低剪切速率下黏度偏高是反常的，是会导致实验错误的。他们的设备是否装有自动裂缝控制装置（AGC）并未阐明。这一装置（AGC）能够自动调整由热膨胀而发生变化的测量因子的位置。同时，Gomez等（1997）并没有说明他们采取任何措施来防止样品在圆锥边缘蒸发，这很可能是发生偏差的原因。在升高的温度下，如果没有混合充分或者没有较高的湿度环境，P葡聚糖凝胶溶液的蒸发会导致皮状层的形成。这种皮状层很可能会导致低剪切速率下的高粘度，而在高剪切作用下，皮状层破坏，黏度读数接近于预期

19、值。因此，在升高温度、长时间操作甚至室温下的实验中样品必须用油脂覆盖，这也是本实验所做到的。由于观察到的随着温度的升高黏度的可逆下降可以使泵送和搅拌更容易，从而降低能量消耗，所以这也许在卩葡聚糖的工业加工中有一定意义。不管温度的变化，在0.1-75C范围内，PP凝胶溶液的流动指数0.986（表4），从本质上表现出牛顿流变性能，而对于1%的LAB凝胶溶液流动指数由0.1C时的0.69升至75C时的0.966（表3）,表明了由触变性流体向牛顿流体的过度。在浓度为0.25%的时候，LAB凝胶溶液的流动指数0.99,表现出牛顿流体的特性。由于在小规模工业浸提试验中的高剪切速率，PP凝胶溶液比LAB凝胶

20、溶液的黏度低得多。1%的LAB凝胶溶液的黏度的阿伦纽斯曲线如图3所示，在0.1-75C范围内不同的剪切速率下PP凝胶溶液和LAB凝胶溶液的活化能如图5所示。HVLAB凝胶溶液的Ea随着剪切速率的降低而降低a的情况与Autio等（1987）的研究相一致。本课题中的E值稍微偏高一些，但是剪切速率比Autio等a（1987）低很多（92.3W下Ea=3.1kcal/mol）。由于PP凝胶溶液具有牛顿流体的性质，其Ea与剪切速aa率无关，是一个常数（图2）。研究发现线性一致性（R2）较好。高的Ea说明黏度是由温度变化决定a的。卩葡聚糖的活化能与浓度和剪切无关（Autio等，1987），这两个变量都应报

21、道。3.2触变性尽管有高剪切作用，所有BBG凝胶的触变性都没有测定，LAB凝胶的剪切速率大概达到2800s-i，PP凝胶大概为1300s-1（如图4,5）。这与Autio等（1987）和Wikstrom等（1994）的结论相吻合。LAB样品从3000rpm恢复到1rpm的起始黏度超过了4min，其间未中断，这证明了阶梯式检测的重要性，特别是HV样品。PP凝胶恢复到其起始黏度非常迅速（V12s）,这对于下一个5rpm的测试点很重要。因此，可以十分谨慎地接受Linemann和Kruger（1997）关于啤酒卩葡聚糖触变性的结论，并且可以恰当地称之为凝胶或者网络结构破坏。他们的发现可以用阶梯式检测证

22、明出来。1%的PP凝胶和0.25%的LAB凝胶的触变性都不能在3000rpm转速下测得（图6）。LAB凝胶（0.25%）在1000rpm下已经表现出更多的黏性。当剪切速率调整至初始值5rpm（6.45s-1），两种样品的黏度曲线都向上递增，这很有可能是因为样品中的弱摩擦力和剪切速率从1000升至3000rpm或图2.0.1-20C下（A）和1-20rpm下（B）测得的1%PP凝胶溶液黏度速率急剧下降时出现了湍流。在这些条件下测定触变性可以提高对合适的黏度检测的洞察力。显然，LV样品在V1000s-i时有一个剪切速率上限，可以作为合适的黏度测定条件。对于黏度更低的样品（如黏度接近于水，一1mPa

23、s）,使用双缝光栅时剪切速率上限大约为100s-1。因此，剪切速率可以超过100s-1的其他一些类型的粘度计可能会出现度数偏大的错误情况。如果实验目的是测定固有粘度，那么这就非常重要了。由于表示低溶质浓度的分数是一个很小的值，即使是一个在0.1-0.2mPas的很小的错误都会导致黏度下降值的增大。所以，这会引起对固有粘度的过高估计。A30005014540-35-3025-20-15-10-5-0-oTt0.1C古5C10C*15C亠2口C*3D0510152025Shearrate,s108QD-.1UU-I*a51表5由阿伦纽斯曲线计算出的0.1-75C下1%PP和LAB凝胶活化能和相关性剪切速率Ea(kJ/mol)A(mPas)R2LAB1.2933.21.13X10-30.99956.4529.83.75X10-30.999212.927.48.50X10-30.997925.824.621.3X10-30.9963PP1.2925.84.75X10-40.99566.4525.84.66X10-40.995912.925.94.44X10-40.996325.826.04.33X10-40.9964图1.01-20C下（A）和1-20rpm下（B）测得的1%LAB凝胶溶液黏度120D-.8点厂一&(b7,57.06