新疆酸李(Prunus cerasifera Ehrhart),别名樱桃李,俗称野酸梅,是一种蔷薇科李属落叶灌木。野生酸李主要分布于西亚、中亚、东南欧、小亚细亚和巴尔干半岛等地[1],在我国仅生长于新疆伊犁霍城县的科古尔琴山大、小西沟,现已被列为我国国家和新疆维吾尔自治区Ⅱ级重点保护植物[2]。酸李果实具备较高营养价值,自古就为我国哈萨克族和蒙古族等群众所采食,享有“雪域珍果”的美誉[3]。野生酸李也具有一定的药用价值,我国维吾尔民族药学认为其具有清除黑胆质、调和胆液质、退热、止咳和止泻等功效,现已作为药用植物收载于《中华人民共和国卫生部药品标准》(维吾尔药分册)[4]。现代研究表明,酸李果实中富含维生素、氨基酸、蛋白质、糖类、有机酸等有机营养成分[5]和Ca、Mg、Fe、Zn、Se、Mn等矿物元素[6]以及酚类、黄酮类[3]等植物化学物质,同时还含有较为丰富的天然色素[7-8]。体内外生物活性研究表明,其具有抗氧化[9]、抗炎[3]、抗菌[10]、治疗便秘[11]、解毒[12]、治疗伤口[13]、降脂[14]和降糖[15]等药效作用。
目前,有关酸李的研究主要集中于其化学成分和营养成分分析及简单的生物药效学评价等方面,对其多糖的关注较少,甚至没有对其理化性质和功能特性的报道。因此,本文采用超声辅助复合酶热缓冲液提取法制备酸李多糖(Prunus cerasifera Ehrhart polysaccharides,PCP),并对其理化性质、功能和流变学特性进行研究,为其在食品和化妆品工业中的应用提供一定的理论基础。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
酸李,新疆阿图什市当地市场;果胶酶(5 000 U/g)、纤维素酶(11 000 U/g),夏盛生物科技开发有限公司;葡聚糖和单糖标准品,美国Sigma;低黏度微分子润滑剂,深圳市赛领车业科技有限公司;葵花籽油,当地市场;8 000～14 000 Da透析袋,北京索莱宝科技有限公司;其他试剂均为国产分析纯。
1.2 仪器与设备
KQ-400DE超声清洗机,昆山市超声仪器有限公司;FDU-2100冷冻干燥机,日本EYELA;Thermo ICS 5000+离子色谱仪、NICOLET 6700傅里叶变换红外光谱仪,美国Thermo公司;UV-2550紫外分光光度计、LC-20A高效液相色谱仪,日本岛津公司;ZS90纳米粒径电位分析仪,英国Malvern公司;Spectra Max 190全波长酶标仪,美国Molecular Devices公司;DS-16015均质机,大龙兴创实验仪器股份有限公司;JSM-7610FPlus热场发射扫描电子显微镜,日本JEOL公司;MCR302应力控制旋转流变仪,奥地利Anton Paar公司。
1.3 实验方法
1.3.1 酸李多糖的制备
新购酸李用清水洗涤3遍,去核后于室内通风处晾干,称取适量,以液料比为20∶1(mL∶g)加入pH 6.4的Na2HPO4柠檬酸缓冲液,再加入相当于酸李质量10%的复合酶(纤维素酶与果胶酶质量比为3∶1),75 ℃ 下360 W超声提取1.5 h后,8 000 r/min离心15 min,上清液沸水浴孵育10 min以灭活复合酶,蒸馏水透析48 h后浓缩至原提取液体积的1/5左右,4 ℃ 下醇沉(80%,体积比)过夜。经过滤后,滤饼用无水乙醇洗涤3次,然后用蒸馏水复溶,使用HPD450型大孔吸附树脂脱色,利用Sevage试剂(CH2Cl2与正丁醇体积比为4∶1)脱蛋白,蒸馏水透析24 h后于-80 ℃冷冻干燥得PCP。
1.3.2 理化性质分析
1.3.2.1 化学组成分析
采用蒽酮-H2SO4法测定中性糖含量,间羟基联苯比色法测定酸性糖含量,以BSA为标准品用Bradford法测定蛋白质含量。
1.3.2.2 单糖组分分析
参考JIAO等[16]方法采用离子色谱检测PCP的单糖组成。
1.3.2.3 相对分子质量测定
参考已有方法[17]利用HPLC分析PCP的相对分子质量。
1.3.2.4 粒径分布和ζ电位测定
动态光散射纳米粒径电位分析法检测PCP(1.0 mg/mL)的粒径分布和ζ电位。
1.3.2.5 红外光谱分析
1.5 mg PCP样品与200 mg光谱纯KBr磨匀压片后扫描400～4 000 cm-1红外光谱。
1.3.2.6 刚果红试验
PCP水溶液(2 mg/mL,2 mL)与刚果红试剂(100 μmol/L,2 mL)混合,NaOH(2 mol/L)调节混合液NaOH终浓度达0～0.5 mol/L。混匀后暗箱孵育5 min,用紫外分光光度计检测400～600 nm内λmax的变化。
1.3.2.7 扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)分析
PCP水溶液(10 mg/mL)于-80 ℃冻干后取适量置于样品架,通过离子溅射镀上一层金后在5 000 V加速电压下观察其微观结构。
1.3.2.8 热重分析
N2保护(20 mL/min)下以10 ℃/min的速度于30～600 ℃对PCP进行热重分析,得到热重(thermogravimetric,TG)曲线、微商热重(derivative thermogravimetric,DTG)曲线和示差扫描量热分析(differential scanning calorimetry,DSC)曲线。
1.3.3 功能特性分析
1.3.3.1 水溶性(water solubility,WS)、膨胀度(swelling power,SP)、持水性(water holding capacity,WHC)和持油性(oil holding capacity,OHC)测定
0.1 g PCP(m0)溶于10 mL蒸馏水,90 ℃水浴30 min后7 000 r/min离心20 min,移除上清液后冻干沉淀,记录质量(m1),WS的计算如公式(1)所示:
(1)
0.2 g PCP(m0)置于25 mL膨胀管,移入10 mL蒸馏水,待PCP完全湿润后静置24 h,弃去上清液,读取混合物体积(V),SP的计算如公式(2)所示:
(2)
0.2 g PCP和10 mL蒸馏水/葵花籽油于50 mL离心管混合,100 r/min磁力搅拌30 min,7 000 r/min离心20 min,移除上清液,WHC/OHC的计算如公式(3)所示:
(3)
1.3.3.2 吸湿性(moisture absorption rate,MA)和保湿性(moisture residual rate,MR)测定
0.2 g PCP置于盛有Na2CO3饱和溶液(相对湿度43%)的干燥器中,检测不同时间点下样品的重量变化,MA的计算如公式(4)所示:
(4)
10 mg/mL PCP溶液(10 mL)置于装有硅胶的干燥器中,检测不同时间点下溶液的重量变化,MR的计算如公式(5)所示:
(5)
1.3.3.3 乳化能力(emulsifying capacity,EC)和乳化稳定性(emulsifying stability,ES)测定
5、10、15、20、25、30 mg/mL的PCP溶液(20 mL)与葵花籽油(6 mL)高速均质2 min,4 000 r/min下离心15 min,EC的计算如公式(6)所示:
(6)
混合液在80 ℃水浴孵育30 min,冷却至室温后4 000 r/min离心15 min,ES的计算如公式(7)所示:
(7)
1.3.3.4 体外抗氧化活性测定
参考已有方法[17]评价PCP抗氧化活性。96孔中以每孔100 μL PCP溶液(0.125、0.25、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mg/mL)与100 μL DPPH工作液混合,室温下避光孵育30 min后测定515 nm处吸光度值,维生素C作为阳性对照。DPPH自由基清除率的计算如公式(8)所示:
DPPH自由基消除率
(8)
96孔板以每孔40 μL PCP溶液(0.125、0.25、0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mg/mL)与160 μL ABTS工作液混合,室温下避光孵育5 min后测定734 nm处吸光度值,维生素C作为阳性对照。同公式(8)计算ABTS阳离子清除率。
1.3.4 流变学特性分析
搭配50 mm平行板的流变仪用于研究PCP的流变特性,0.2 mm间隙用于静态黏度测试,1.0 mm间隙用于动态振荡测试。
1.3.4.1 静态黏度测试
测定PCP溶液(10、20、30、40、50 mg/mL)0.01～1 000 s-1剪切速率(γ)范围内25 ℃的表观黏度(η),考察η的浓度相关性。检测PCP溶液(20 mg/mL)在不同温度(5、15、25、45、65 ℃)下的η,考察温度对其η的影响,为避免脱水,在平行板边缘密封一圈低黏度微分子润滑剂。25 ℃下测量含NaCl和CaCl2的PCP溶液(20 mg/mL)0.01～1 000 s-1内的η考察不同金属离子在不同浓度(0、0.1、1.0 mol/L)下对η的影响。利用Ostwald de-Waele方程(τ=Kγn)和Herschel-Bulkley方程(τ=τ0+Kγn)拟合τ和γ的关系及Arrhenius方程[η=Aexp(Ea/RT)]评估η和T的关系,式中τ、τ0、K、γ、n、η、A、Ea、R和T分别代表剪切应力(Pa)、屈服应力(Pa)、黏度系数(Pa·sn)、剪切速率(s-1)、流动行为指数、表观黏度(Pa·s)、频率因子、活化能(J/mol)、气体常数[8.314 J/(mol·K)]和温度(K)[18]。
1.3.4.2 动态黏弹性测定
固定角频率(ω)10 rad/s,0.01%～100%应变范围内进行应变扫描,以确定PCP溶液(10、20、40 mg/mL)的线性黏弹区(linear viscoelastic region,LVR)。固定应变1%,100～0.1 rad/s下运行频率扫描模式来分析PCP溶液(10、20、40 mg/mL)储能模量(storage modulus,G′)和损耗模量(loss modulus,G″)的频率相关性。固定应变1%和角频率10 rad/s,采用振荡温度斜坡模式,以5 ℃/min在5～85 ℃内分析PCP溶液(10、20、40 mg/mL)模量的温度依赖性。温度扫描测试中在平行板边缘密封一圈低黏度微分子润滑剂以避免实验过程中发生脱水。所有动态试验均在LVR内进行。
1.4 数据分析
实验结果以x±SD表示,采用SPSS 26.0方差分析进行比较,使用Origin Pro 2021和Graphpad Prism 8.0.2绘制图表。邓肯多重范围检验用于均值的多重比较,P<0.05为统计学意义标准。
2 结果与分析
2.1 理化性质分析
2.1.1 化学组成和单糖组分分析
化学组成分析结果显示,PCP中含中性糖(37.21±5.06)%、酸性糖(70.89±3.41)%和蛋白质(0.82±0.11)%,酸性糖含量高于中性糖(P<0.05),说明PCP是一种酸性多糖,而(0.82±0.11)%的蛋白质可能是残留的复合酶或较稳定的蛋白质-多糖共轭体。单糖分析结果(图1)表明,PCP由岩藻糖(Fuc)、鼠李糖(Rha)、阿拉伯糖(Ara)、半乳糖(Gal)、葡萄糖(Glc)、木糖(Xyl)和甘露糖(Man)组成,物质的量比为0.42∶7.50∶26.39∶28.51∶29.15∶3.33∶4.70,说明PCP是一种杂多糖。
1-Fuc;2-Rha;3-Ara;4-Gal;5-Glc;6-Xyl;7-Man;8-Fru;9-Rib
a-单糖标准品离子色谱图;b-PCP离子色谱图
图1 单糖标准品与PCP单糖组成离子色谱对比图
Fig.1 Ion chromatogram of monosaccharide standards and monosaccharide compositions of PCP
a-不同分子质量葡聚糖标准曲线;b-PCP高效液相色谱图;c-PCP(1 mg/mL)纳米粒径分布图
图2 葡聚糖标准曲线和PCP高效液相色谱图以及PCP纳米粒径分布图
Fig.2 Dextran standard curve,high performance liquid chromatography and particle size distribution of PCP
2.1.2 相对分子质量、粒径分布和ζ电位
如图2所示,PCP的相对分子质量集中在1 248.33 kDa,粒径呈双峰分布(峰1:51～1 106 nm,峰2:2 305～5 560 nm),平均粒径为(2 781±298) nm,说明PCP是以大分子质量为主的复合多糖。ζ电位检测结果显示,PCP携带高负电荷[(-38.1±5.1) mV],这归因于糖醛酸的存在[19],进一步表明PCP是酸性多糖。
2.1.3 红外光谱分析
PCP的红外光谱特征见图3,3 398 cm-1处的峰为分子内/分子间氢键引起的O—H伸缩振动,2 934 cm-1处的峰来自—CH、—CH2、—CH3基团中C—H的伸缩振动。950～1 200 cm-1内的伸缩峰提示吡喃糖和呋喃糖环的存在[20],1 019 cm-1和1 097 cm-1处的强峰归因于C—O—C或C—O—H伸缩振动,而1 145 cm-1处的峰则为糖苷的C—O—C振动。1 741 cm-1处的微弱峰应为酯化的羧基(—COOR)[21]。1 612 cm-1和1 417 cm-1处的峰应为C
O不对称伸缩振动和C—H对称伸缩振动或羧基中O—H形变振动[22],进一步说明PCP是一种酸性多糖。762～957 cm-1的峰意味着PCP中可能存在α和β连接的异构碳[16]。
图3 PCP的红外光谱特征
Fig.3 The Fourier transform infrared spectroscopy of PCP
2.1.4 刚果红试验
多糖的三维螺旋构象与其生物功能相关,该结构存在与否可通过刚果红试验来验证。刚果红与具备三维螺旋结构的多糖结合形成的复合物的λmax在低NaOH浓度下红移,而随NaOH浓度的增加而蓝移[17]。图4显示,0～0.5 mol/L NaOH范围内,λmax呈现出与空白刚果红相同的变化趋势,表明PCP不具三维螺旋构象,单糖组成和提取过程可能是其原因。杂多糖骨架中丰富的单糖会干扰分子间交联和螺旋骨架的稳定,使其无法形成稳固的螺旋结构[23],此构象的稳定性受分子内和分子间氢键影响[24],而超声波的机械和空化效应以及复合酶的酶解作用会影响共价键、氢键和范德华力,进而影响其理化性质、功能和生物活性[22,24]。
图4 不同NaOH浓度下刚果红-PCP复合物λmax的变化趋势图
Fig.4 The trend of λmax of Congo red-PCP complex at different NaOH concentrations
2.1.5 SEM微观形貌分析
图5显示,PCP呈现出不规则的致密光滑的层状结构,分层间隙明显,各层相互交叠成网且结构完整,未出现明显的坍塌和断裂,展现出良好的刚性,说明其具有一定的抗形变能力。相关报道表示该种结构与材料的凝胶特性相关,分层结构越光滑,凝胶强度越好,这可能归因于光滑的表面可增加多糖的承载面积,使其表面受力更加均匀,有利于抵抗变形[21]。
a-SEM(100×);b-SEM(500×);c-SEM(5 000×)
图5 PCP的扫描电子显微镜成像图
Fig.5 The SEM of PCP
2.1.6 热重分析
30～600 ℃内PCP主要有3个质量损失阶段(图6)。第一阶段(30～165 ℃),PCP重量损失5.19%,由水分蒸发引起[25],DSC曲线上的宽内热峰(98 ℃)也反映出此现象,该些水分可能来源于储存中吸收的水分或结晶水。此外,糖环也可能发生了构象变化(4C1-椅式构象转变为1C4-反-椅式构象)[26]。第二阶段中,165～390 ℃ PCP降解了52.93%,DSC曲线上261 ℃出现一个微弱的放热峰,DTG曲线显示PCP在257 ℃时质量损失速率最大(-6.98 %/min),表明PCP在此阶段开始降解,脱碳和脱羧反应也在此阶段发生(PCP降解为HCOOH、CH3COOH、CH4、CO2和CO)[27]。第三阶段,PCP重量损失较慢,即使在600 ℃仍残余33.86%,这些残留物可能是碳质材料或残留的盐[28],也可能是非常稳定的聚合物,需要更高的温度才能降解。上述结果表明,PCP具有良好的热稳定性,适用于热加工条件下的应用。
图6 PCP的热学行为
Fig.6 The thermal behavior of PCP
2.2 功能特性分析
2.2.1 WS、SP、WHC和OHC
如表1所示,PCP显示出较高的WS[(97.67±0.85)%]和SP[(17.50±1.50) mL/g]。其WHC为(17.42±1.07) g水/g,远高于火龙果多糖[(3.87±0.35)～(7.66±0.51) g水/g][22]和三七多糖[(6.75±0.67)～(8.62±0.91) g水/g][23],这应归因于其分子质量和粒径分布,长的PCP链状分子重叠交错而形成网状结构,分子间相互作用增强,使PCP分子吸水并与水分子结合后不易分散并保持刚性水凝胶结构。PCP的OHC为(14.02±0.70) g油/g,与豆薯多糖[(14.68±0.01) g油/g]相似[29],但低于其自身的WHC(P<0.05),这应与PCP本身为水溶性有关。食品的稠度、风味和质地在一定程度上受到WHC和OHC的影响,良好的WHC和OHC使PCP可作为天然食品添加剂以保持食品风味和改善质地[25,29]。
表1 用Ostwald de-Waele和Herschel-Bulkley模型方程拟合各PCP溶液稳态流动行为的参数
Table 1 Parameters fitted by Ostwald de-Waele and Herschel-Bulkley model equations of PCP solutions in steady flow behavior
质量浓度/(mg/mL)Ostwaldde-Waele模型方程Herschel-Bulkley模型方程KnR2τ0KnR2100.0117±1.2433E-40.8720±0.00170.99990.0000±0.00150.0118±1.5034E-40.8707±0.00190.9999200.0666±9.0673E-40.7611±0.00210.99990.0153±0.00580.0650±0.00100.7644±0.00240.9999300.1798±0.00240.7305±0.00210.99990.0197±0.01410.1775±0.00290.7323±0.00250.9999400.6401±0.01090.6348±0.00270.99970.1303±0.04050.6141±0.01260.6407±0.00310.9997502.9506±0.14340.4931±0.00800.99502.2127±0.18172.1095±0.08540.5408±0.00620.9988
2.2.2 MA和MR
图7-a显示,PCP的MA随放置时间(0～131 h)的延长而上升,但上升速率随时间的延长而降低。相反,10 mg/mL的PCP溶液的MR随时间(0～118 h)的延长而以接近常数-0.095 8的速率下降。131 h时PCP的MA为(66.25±1.75)%,118 h时PCP溶液的MR为(88.76±0.33)%,二者均高于已报道的甘油(MA=57.96%,MR=41.97%)[30],相对高的MA和MR表明PCP具有一定的化妆品开发潜力。
a-PCP的吸湿性和保湿性曲线;b-PCP的乳化能力和乳化稳定性
图7 PCP的吸湿性、保湿性和乳化能力及乳化稳定性
Fig.7 The hygroscopicity and moisturizing,emulsifying capacity and emulsifying stability of PCP
注:不同字母表示差异显著(P<0.05)。
2.2.3 EC和ES
EC和ES随PCP质量浓度的增加而升高(图7-b),这与刺梨多糖[25]和豆薯多糖[29]相似。EC和ES可能与其分子质量、粒径、流变学特性和负电荷的携带能力有关。较高的分子质量和黏度可使样品分子更好地停留在油/水界面,从而表现更强的EC,而较强的ES常伴随着较高的ζ电位绝对值[16]。上述结果表明PCP具有一定的乳化性能,拥有较好的生物乳化剂开发和应用潜力。
2.2.4 体外抗氧化活性
采用DPPH/ABTS法评估PCP的抗氧化作用,结果如图8所示。PCP的DPPH自由基、ABTS阳离子自由基清除能力随着其浓度的增加而上升,对DPPH自由基清除的EC50为8.703 mg/mL,对ABTS阳离子自由基清除的EC50为2.358 mg/mL,且PCP对ABTS阳离子自由基的清除能力高于DPPH,但均低于相同浓度下的维生素C。
a-PCP的DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除率和浓度相关曲线;b-维生素C的DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除率和浓度相关曲线
图8 PCP和维生素C的DPPH自由基和ABTS阳离子自由基清除活性
Fig.8 The DPPH and ABTS radical scavenging activity of PCP and vitamin C
2.3 流变学特性分析
2.3.1 质量浓度对PCP水溶液表观黏度的影响
如图9-a所示,PCP溶液的η随γ的增加而降低,相同γ下,η随PCP浓度的增加而升高,表现出非牛顿流体的剪切稀化流动行为。这由PCP分子组分的运动取向引起[31],随着γ增加,PCP分子链之间的相互缠结被破坏,分子运动空间增大,分子流动速度加快,分子链的运动方向有序性增加,相邻分子链之间的相互作用减弱,η随之降低。
a-PCP表观黏度的浓度依赖性;b-PCP表观黏度的温度依赖性;c-金属离子种类和浓度对PCP表观黏度的影响;d-PCP溶液的线性黏弹区;e-PCP溶液模量与振荡频率的关系图;f-PCP溶液模量与温度的关系图
图9 浓度、温度、金属离子种类和浓度对PCP表观黏度的影响以及PCP溶液的应变扫描、振荡频率扫描和温度扫描曲线
Fig.9 Effect of concentration,temperature,metal ion species and concentration on the apparent viscosity of PCP,and the strain sweep curves,oscillatory frequency sweep curves and temperature sweep curves of PCP solutions
Ostwald de-Waele和Herschel-Bulkley模型方程拟合结果(表1)显示,K值随PCP浓度的升高而增大,而其与样品的黏度和内部结构有关[32],这与η的实验结果一致。n是评估材料流动性能的有效指标,牛顿流体的n值接近或等于1,当n值下降并趋于0时,材料的假塑性增强[27,33]。所有PCP溶液的n值均低于1,并且随着浓度的增加而减小,表明PCP在高浓度下显示出更强的假塑性。τ0是使样品从弹性向黏性转变时所受到的临界力[18,33],PCP溶液的τ0随浓度的增加规律性上升,表明其弹性强度随浓度的增加而增加。
2.3.2 温度对PCP水溶液表观黏度的影响
图9-b显示,PCP溶液的η随测试温度的上升(5～65 ℃)而下降,升高的温度使PCP分子热运动增加,分子间的相互作用(静电、氢键和疏水键)减弱,相互交错聚合的PCP分子在高温下解离,同时,糖醛酸等静电基团随温度升高而包裹于分子内部,分子间静电排斥作用减弱,导致η降低[34]。Arrhenius模型拟合结果如表2所示,Ea均值为(26.64±2.72) kJ/mol,低于50 mg/mL的Pachyrhizus erosus多糖(31.03～38.34) kJ/mol[29]而高于10 mg/mL的Cucurbita moschata多糖(14.15～17.44) kJ/mol[16]。Ea与分子运动以及分子内和分子间的相互作用有关,其值越大意味着相互作用越强[16],其η的温度依赖性也越高[29],相对较高的Ea表明PCP分子内和分子间存在较强的相互作用,并且该些作用受温度的影响。同时,较小分子质量的多糖通常表现出更少的链缠结和更低的Ea,但当分子质量>104 Da时,Ea将不再受到影响[16],这解释了为何PCP的相对分子质量大于Pachyrhizus erosus多糖(18.30 kDa),但Ea却相对更低。
表2 基于温度对PCP溶液(20 mg/mL)表观黏度影响的Arrhenius模型拟合参数
Table 2 Parameters fitted with the Arrhenius model based on the effect of temperature on PCP solutions (20 mg/mL)
剪切速率/s-1lnη=lnA+Ea/RTEa/RlnAEa/(kJ/mol)R20.108Y=2815.8650X-9.83342815.8650±119.5986-9.8334±0.396323.41110.99461.12Y=3439.0026X-13.42833439.0026±170.6852-13.4283±0.565628.59190.992711.7Y=3597.3782X-14.91303597.3782±91.2071-14.9130±0.302229.90860.9981122Y=3376.8955X-14.81943376.8955±50.8650-14.8194±0.168528.07550.9993310Y=3169.9013X-14.35163169.9013±62.6290-14.3516±0.207526.35460.99881000Y=2825.2267X-13.48242825.2267±65.0555-13.4824±0.215623.48890.9984
2.3.3 金属离子种类和浓度对PCP水溶液表观黏度的影响
图9-c显示,PCP溶液的η随NaCl和CaCl2的加入而增大,且表现出浓度依赖性。此外,在引入等量金属离子的情况下,Ca2+的影响明显大于Na+,这表明PCP的η受引入金属离子种类和价态的影响。金属离子对聚合物的影响主要归因于其可阻断聚合物带电基团间的静电斥力,导致分子聚集而使η增强[35]。同时,金属离子与PCP分子上—COO-等负电基团结合,导致分子上有效负电荷减少的同时,分子间相互作用增强并形成具有网络结构的可溶性分子配位化合物[29,36]。此外,随着金属离子的引入,具备一定流动性的PCP溶液在静置后转变为固体凝胶,金属离子表现出明显的促凝胶效应。
2.3.4 动态黏弹性测定
根据图9-d结果,后续动态振荡测量均在1%应变下进行。多糖是具有固体弹性和液体黏性特性的黏弹性材料,该特性可通过动态振荡测试评估,G′和G″分别代表固体和液体特性[16,31]。损耗因子(tanδ=G″/G′)>1材料表现液体黏性,否则固体弹性特性占主导[16]。同时,根据黏弹性行为,多糖可分为溶液、缠结网络、弱凝胶和真凝胶四类[37],凝胶类型可根据其G′/G″比值判断,真凝胶含有高结合能的分子间连接,其G′/G″>3[38]。图9-e表明,高频率下,PCP溶液tanδ<1,表现凝胶的固体弹性,随着频率降低,10和20 mg/mL溶液从tanδ<1逐渐转变为tanδ>1,显现出液体黏性。在一定频率下(10 mg/mL:56.6 rad/s;20 mg/mL:28.3 rad/s),G′和G″曲线相交(tanδ=1),交叉频率值越低,PCP的固体弹性特性越强,且交叉点随PCP浓度的增加而减小[39],表明PCP的凝胶化特性随浓度的上升而增强。对于40 mg/mL的PCP溶液,在实验频率范围内tanδ<1,且在低频率下G′/G″>3,表现出理想的凝胶固体弹性性质。
图9-f中PCP溶液的G′和G″随着温度的升高而减小,这是由于分子热运动随温度的升高而增强,引起分子自由体积膨胀,分子间氢键结合减弱[25,31]。10和20 mg/mL的PCP溶液在测试温度范围内表现出绝对液体黏性性质(tanδ>1),40 mg/mL的PCP溶液在初始低温状态下为凝胶固体(tanδ<1),而随着温度的上升,G′和G″曲线在60 ℃处相交,此时样品发生相变(从固体凝胶状态变为液态溶液状态)。PCP在不同浓度下展现的不同流变学特性意味着它可用于不同的应用场景,而在成水凝胶浓度下相对适中的固-液转化温度表明其适合热加工生产。
3 结论
本研究以超声辅助复合酶热缓冲液提取法制得新疆酸李果实多糖(PCP),研究其理化性质、功能特性和流变学特性。结果表明,PCP是一种由Fuc、Rha、Ara、Gal、Glc、Xyl和Man组成的以Ara、Gal和Glc为主的大分子酸性杂多糖,其分子质量集中于1 248.33 kDa,热稳定性高,微观上表现出光滑致密的层状结构,具有较高的吸水性、保湿性、持水性和持油性以及较好的促乳化能力,同时具备一定的体外抗氧化活性。PCP水溶液是一种假塑性非牛顿流体,具备良好的黏弹性,其表观黏度随浓度的增加而增大,而随温度的升高而降低,金属离子种类和浓度对其流变学行为存在一定影响,且可促使PCP水溶液凝胶化。PCP溶液具备良好的水溶液成凝胶特性并随浓度的增加而增强,高浓度下PCP溶液所形成的水凝胶具备优良的凝胶性能。综上,PCP是一种具备良好功能和流变学特性的大分子碳水化合物,可作为一种新型的天然生物乳化剂、增稠剂和水胶体应用于食品或化妆品工业。
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