黑木耳(Auriculariaheimuer)又称树耳、木蛾,富含多糖、蛋白质、黑色素和矿物质等[1],具有调节免疫、降血脂、抗衰老等作用[2],是一种具有食药两用价值的食用菌。目前黑木耳主要以干品的形式销售,深加工利用率较低。

研究表明,用黑木耳为原料制备的黑木耳全粉,不仅完全保留鲜黑木耳的营养成分,还有利于人体快速吸收。但是黑木耳全粉的口感微苦,闻起来稍有中药味,不适于直接食用。因此,将黑木耳全粉作为一种功能性食品配料用于食品开发,或成为国内外学者的研究热点。王丹等发现相对于普通面条,添加黑木耳全粉的面条不仅必需氨基酸总含量提高了8.85%,还能更好地延缓淀粉老化[3]。BAO等报道黑木耳多糖表现出良好的热稳定性,可用于耐热性食品的加工[4]。ZHOU等将0.1%～0.6%的黑木耳多糖和山药淀粉复配成凝胶,通过流变学实验发现其具有良好的增稠性,表明黑木耳多糖具有在淀粉类食品加工中应用的潜力[5]。KHASKHELI等发现黑木耳多糖具有良好的抗氧化性,可用于延长腌菜的保质期[6]。

流变学是力学的一个分支,其主要研究物体在外力作用下的变形和流动。当给食物施以外力时,其会变形,去掉作用力后,食物形状会有一定的恢复。大部分食品既有弹性,又有黏性。弹性反映食物形状发生可逆变化的参数,黏性则是反映其发生不可逆变化的参数,而损耗角正切(tanδ)表示弹性和黏性之间的比值。剪切黏度是指剪切应力和剪切速率之间的比值,可以反映流态化食品的流动性。预测食品的流变学特性可以为评估其质量、配方和加工条件提供参数,从而优化食品品质。在食品加工过程中通常需要热、酸、碱、挤压等处理,或添加盐、蔗糖、亲水胶体等成分,而这些因素对食品的流变学特性均会产生不同的影响。陈慧等发现酸碱条件均会引起白背毛木耳(A.polytricha)多糖溶液的黏度降低[7]。HAO等发现绣球菌(Sparassiscrispa)多糖的表观黏度随质量分数的增加而增加[8]。张亚坤发现添加不同质量分数氯化钠的银耳全粉的黏度会发生变化[9]。可见,充分了解不同因素对食品流变学特性的影响,对选择合适的食品加工条件尤为重要。

笔者以黑木耳全粉为原料,研究不同质量分数(1%、2%、3%、4%)、热处理时间(5、10、20、30min)、蔗糖添加量(0、5%、10%、15%)、pH(3、5、7、9)以及3种盐(氯化钠、氯化钾、氯化钙)、3种亲水胶体(卡拉胶、瓜尔胶、黄原胶)对其动态黏弹性和剪切黏度的影响,为扩大黑木耳全粉在食品工业中的应用范围提供参考。

1、材料与方法

1.1材料与试剂

黑木耳(A.heimuer)(干品,蛋白质含量12.1%、脂肪含量1.5%、碳水化合物含量65.6%)(河北昊德盟农副产品有限公司);K-卡拉胶(北京索莱宝科技有限公司);黄原胶、瓜尔胶(美国Sigma-Aldrich公司);其余试剂购自西陇科技股份有限公司。

1.2仪器与设备

101型电热恒温鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂);HK-06B中药粉碎机(广州旭朗机械有限公司);FE28pH计(上海锐析仪器设备有限公司);Mili-Q超纯水机(美国默克公司);DHR-2Discovery流变仪(美国TA公司)。

1.3黑木耳全粉的制备

选取外观均匀、无异味的黑木耳(干品),在40℃条件下干燥至恒重,用中药粉碎机粉碎后过120目筛,保存备用。

1.4流变学特性测定方法

1.4.1动态黏弹性测定

采用流变仪测定样品的储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切(tanδ)随角频率变化的关系。测定条件如下:40mm平板,测试间距为1mm,温度为25℃,扫描范围为0.1～100rad·s-1。测定在线性黏弹区域内(0.1%～10%)进行,应力为3%。测定时样品表面需要覆盖一层硅油,防止水分散失。

1.4.2剪切黏度测定

采用流变仪测定样品的黏度随剪切速率变化的情况,测定条件如下:40mm平板,测试间距为1mm,温度为25℃,剪切速率为1～100s-1。采用幂律模型对流变曲线进行拟合,公式为τ=K·εn,其中τ为表观黏度(Pa·s),ε为剪切速率(s-1),K为黏度指数,n为流动指数。

1.5样品处理及流变学特性测定

1.5.1不同质量分数黑木耳全粉流变学特性测定

用蒸馏水分别配制30mL质量分数为1%、2%、3%、4%的黑木耳全粉悬浮液,置于50mL离心管中,在(95±0.5)℃、转速150r·min-1水浴摇床中持续振荡20min,室温冷却后参照1.4测定其动态黏弹性和剪切黏度,每个处理设置3次重复。

1.5.2热处理不同时间黑木耳全粉流变学特性测定

用蒸馏水配制30mL质量分数为4%的黑木耳全粉悬浮液于50mL离心管中,分别在(95±0.5)℃、转速150r·min-1水浴摇床中持续振荡5、10、15、20min,室温冷却后参照1.4测定其动态黏弹性和剪切黏度,每个处理设置3次重复。

1.5.3添加不同盐黑木耳全粉流变学特性测定

用蒸馏水分别配制30mL质量分数为0.3%的氯化钠、氯化钾、氯化钙溶液于50mL离心管中,然后用3种盐溶液分别配制黑木耳全粉质量分数为4%的悬浮液,水浴条件同1.5.1,室温冷却后参照1.4测定其动态黏弹性和剪切黏度,每个处理设置3次重复。

1.5.4蔗糖不同添加量黑木耳全粉流变学特性测定

用蒸馏水分别配制30mL质量分数为0、5%、10%、15%的蔗糖溶液于50mL离心管中,再用蔗糖溶液分别配制黑木耳全粉质量分数为4%的悬浮液,水浴条件同1.5.1,室温冷却后参照1.4测定其动态黏弹性和剪切黏度,每个处理设置3次重复。

1.5.5不同pH黑木耳全粉流变学特性测定

配制30mL质量分数为4%的黑木耳全粉悬浮液于50mL离心管中,用0.1mol·L-1NaOH、HCl调节pH为3、5、7和9,水浴条件同1.5.1,室温冷却后参照1.4测定其动态黏弹性和剪切黏度,每个处理设置3次重复。

1.5.6添加不同亲水胶体黑木耳全粉流变学特性的测定

用蒸馏水分别配制30mL质量分数为0.04%的卡拉胶、瓜尔胶、黄原胶溶液于50mL离心管中,然后用这些胶体溶液分别配制质量分数为4%的黑木耳全粉悬浮液,水浴条件同1.5.1,室温冷却后参照1.4测定其动态黏弹性和剪切黏度,每个处理设置3次重复。

1.6数据分析

本实验采用IBMSPSSStatistics22软件进行数据处理,所得结果以平均值±标准差表示,用origin9进行绘图。

2、结果与分析

2.1不同质量分数对黑木耳全粉流变学特性的影响

图1A、B显示了不同质量分数的黑木耳全粉悬浮液的储能模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗角正切(tanδ)在25℃条件下与角频率的关系。黑木耳全粉质量分数高于3%时,tanδ小于1,表明弹性始终占主导地位,说明在扫描频率范围内,黑木耳全粉悬浮液表现出典型的类凝胶性质。随着黑木耳全粉质量分数的增加,G′和G″逐渐增大,呈正相关;tanδ逐渐减小,呈负相关。

图1C和表1显示剪切速率为1～100s-1时,不同质量分数黑木耳全粉悬浮液的剪切黏度。采用幂律模型曲线拟合,所有样品的相关系数(R2)均高于0.99,表明该模型适合描述黑木耳全粉悬浮液流动特性。K表征流体的黏度指数,数值越大越黏稠;n表征流体的流动指数,数值越大流动性越强。如表1所示,随着质量分数增加,K从1.43增大到24.82,n从0.46持续下降到0.34。

图1不同质量分数黑木耳全粉的流变学特性

A：弹性模量（G′）和损耗模量（G″）；B：损耗角正切（tanδ）；C：剪切黏度

表1不同质量分数黑木耳全粉的流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数

同列不同字母表示差异显著（P<0.05)

2.2热处理不同时间对黑木耳全粉流变学特性的影响

热处理不同时间对黑木耳全粉流变学特性的影响如图2所示。在5～30min热处理范围内,加热时间越长,样品的G′和G″越小,tanδ越大。经过5min热处理的样品tanδ最低,弹性最弱。由图2C可知,经过5min热处理的黑木耳全粉悬浮液的剪切黏度最大,而经过30min热处理的剪切黏度最小。用幂律公式得到热处理不同时间的黑木耳全粉悬浮液的流变曲线拟合方程参数如表2所示,K随着热处理时间的增加而降低,由44.97降低至21.96,n则从0.30上升至0.35。

图2热处理不同时间黑木耳全粉流变学特性

注同图1

表2热处理不同时间黑木耳全粉的流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数

注同表1

2.3不同盐对黑木耳全粉流变学特性的影响

与对照组相比,添加不同盐的实验组动态黏弹性均变小。由图3可以看出,3种盐对黑木耳全粉悬浮液黏弹性的影响是:氯化钙>氯化钾>氯化钠。值得注意的是,当角频率在0.1～1rad·s-1时,氯化钙实验组的tanδ大于1,表明黏性占主导地位。表3显示剪切速率为1～100s-1时,添加3种盐对黑木耳全粉悬浮液剪切黏度的影响。3种盐对黑木耳全粉悬浮液的流变学特性均有影响,其中氯化钙的影响最大,与对照组相比,K由24.82显著减少至8.99,n由0.34增大到0.42。

图3不同盐对黑木耳全粉流变学特性的影响

注同图1

表3添加不同盐黑木耳全粉的流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数

注同表1

2.4蔗糖不同添加量对黑木耳全粉流变学特性的影响

如图4所示,蔗糖不同添加量与tanδ呈负相关。黑木耳全粉悬浮液的G′和G″随蔗糖添加量的增加而增加,说明蔗糖可以增加其黏弹性。由图4C可知,未添加蔗糖的黑木耳全粉悬浮液的黏度最小,蔗糖添加量为15%的黏度最大。用幂律公式得到蔗糖不同添加量黑木耳全粉悬浮液的流变曲线拟合方程参数如表4所示,随着蔗糖添加量的增加,K由24.82增加到44.64,n则从0.34显著降低至0.29。

图4蔗糖不同添加量对黑木耳全粉流变学特性的影响

注同图1

表4蔗糖不同添加量黑木耳全粉的流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数

注同表1

2.5不同pH对黑木耳全粉流变学特性的影响

由图5可以看出,pH7时,黑木耳全粉悬浮液的G′最大,tanδ也达到最低。pH3～9时,G′随pH的升高呈现先升高后降低的趋势。与pH7相比,pH3、pH9均显著降低黑木耳全粉悬浮液的K,而pH5对K的影响不显著;pH3时,n较大,为0.47(表5)。

图5pH对黑木耳全粉流变学特性的影响注同图1

LegendsasinFig.1

表5不同pH黑木耳全粉的流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数

注同表1

2.6不同亲水胶体对黑木耳全粉流变学特性的影响

如图6所示,3种亲水胶体均可以增加黑木耳全粉悬浮液的动态黏弹性。添加卡拉胶实验组的G′和G″大于其他实验组,而tanδ低于其他实验组。由图6C可以看出,3种亲水胶体均能提高黑木耳全粉悬浮液的剪切黏度。表6显示,与对照组相比,添加卡拉胶实验组的K最大,为41.59,而n则从0.34下降至0.27。

图6不同亲水胶体对黑木耳全粉流变学特性的影响

注同图1

表6添加不同亲水胶体黑木耳全粉的流变曲线拟合方程(τ=K·εn)参数

3、讨论

流变学特性是食品物性的重要特性之一,与保持食品状态(流态、凝胶)的结构及稳定性密切相关。食品的弹性和黏性常被用来描述其流变学特性[10]。黑木耳全粉悬浮液G′与G″的变化均取决于角频率的改变,表明它们具有典型的黏弹特性[3]。黏弹性行为通过动态测量的优势可以量化为tanδ,tanδ小于1表示弹性行为占主导地位,表现出类凝胶的特征;相比之下,当tanδ大于1表示黏性行为为主[9]。本研究发现tanδ随着黑木耳全粉的质量分数增大而减小,这是因为黑木耳多糖之间相互交联,分子间形成连接纽带将分散体系转化为凝胶状,从而使结构更稳定。黑木耳全粉悬浮液的黏度随着剪切率增大而降低,即所谓“剪切变稀”现象,表明黑木耳全粉悬浮液为“非牛顿流体”,且为假塑性流体。随着黑木耳全粉质量分数的增加,限制了聚合物链在悬浮液体系中的移动和拉伸,链状聚合物在剪切应力作用下卷曲成球状,并沿流体流动方向发生变形[11],分子间的碰撞变得更加频繁,分子间开始相互接触,导致剪切黏度增加。

加工过程中经常会对食物进行热处理,例如加热熟化或者高温灭菌等。在升温过程中分子热运动加快,分子间距离扩大,运动阻力降低,食物流动性增强。由于黑木耳多糖分解,生成小分子的糖,使分子间的黏滞阻力降低。而高温破坏了黑木耳多糖分子的氢键和离子键,多糖分子之间交联网络结构也随着加热时间增加而逐渐被破坏。同时加热时间越长,多糖分子分解越多,导致其聚合度下降,使得黑木耳全粉悬浮液的剪切黏度下降。

盐在食品加工中对增稠剂存在潜在影响,本研究发现示Ca2+破坏了黑木耳全粉悬浮液的类凝胶性质,使其转变为弱凝胶甚至流体;相对分子质量和价数越高的金属盐,对黑木耳全粉悬浮液黏弹性的影响越大,这可能因为金属离子压缩双电层的能力越大,双电层的厚度越薄[12]。添加盐后黑木耳全粉悬浮液的剪切黏度降低可能是由于金属阳离子与聚合物分子的反离子作用,导致聚合物链上带电基团的静电斥力减小,分子内电荷排斥,多糖分子收缩导致分子链发生变形[13]。另外,电解质和黑木耳的蛋白质侧链基团通常会与水发生竞争性结合,导致发生盐析效应[14],从而降低了黑木耳全粉悬浮液的剪切黏度。

许多加工食品都用蔗糖作为食品添加剂,确定其添加量对剪切黏度的影响对评价黑木耳全粉的流变性具有重要意义。蔗糖、黑木耳分子之间会相互交联,增加体系的氢键强度[15,16],形成了一个凝胶的状态。可能是因为蔗糖本身有吸水性,造成自由流动的水减少[17],两者之间的相互作用增强从而使剪切黏度增加。陈学玲等认为随着蔗糖质量分数的增加,蔗糖分子与水分子之间相互作用会增强,水的活性降低[18]。较高的G′和低tanδ表示蔗糖与黑木耳全粉的复配适合在食品加工中作为稳定剂或者增稠剂[19]。

黑木耳全粉作为一类大分子物质,在酸性或者碱性环境下会发生氢键断裂,从而使黏弹性降低。酸性条件下黑木耳全粉结合的固定化水转变为自由水,造成tanδ增加,从类凝胶态转变为液态。苏现波等认为这是由于在等电点时净电荷为零,导致分子与水之间的相互作用减弱,水合作用最小[14]。当pH为中性时,黑木耳全粉分子间形成稳定的氢键,结构稳定可以包裹住水分从而降低析水率;酸性条件可能导致黑木耳多糖与蛋白质水解;碱性条件下强大的静电排斥力会降低凝胶网络形成的趋势[20],引发内部结构不稳定,导致黑木耳全粉悬浮液黏度降低。

食用性亲水胶体的复配通常在各种食物凝胶化或者增稠方面起着关键作用。卡拉胶与其他亲水胶体相比,G′和G″更大。可能因为卡拉胶是阴离子多糖,而黑木耳含有金属阳离子,两者之间发生静电吸引从而使分子缔合[21],促进了凝胶网络的形成,表现较强的弹性。亲水性胶体可以增加凝胶网络交联程度,将自由水转化为固定化水[22],增加剪切黏度和锁水能力。亲水胶体和黑木耳全粉悬浮液的相互作用增加了剪切稳定性,祁营利发现亲水胶体可以有效地增强类似凝胶网络的密度,使结构变得紧凑从而有效锁住水分[23]。说明亲水胶体可以优化黑木耳全粉的增稠性能,复配后在食品加工中可作为凝胶剂或稳定剂等使用。

本研究表明黑木耳全粉具有良好的胶质性,通过改变黑木耳全粉的流变学特性,可以为扩大黑木耳全粉作为一种功能性食品配料的应用范围提供参考。

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基金:江西省农业科技协同创新专项(JXXTCX201803-04).