岳賢田，楊繼亮，任 軍，張日武

（1.巢湖學(xué)院，安徽 合肥 238000；2.巢湖今辰藥業(yè)有限公司，安徽 合肥 23800）

1 物質(zhì)流變學(xué)研究簡(jiǎn)介

流變學(xué)是有關(guān)物質(zhì)的形變和流動(dòng)的科學(xué)，是關(guān)于物質(zhì)流動(dòng)和變形發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的科學(xué)。1928年美國(guó)化學(xué)家首次提出了流變學(xué)的概念。近年來(lái)，流變學(xué)的研究范圍主要側(cè)重從膠體體系、高分子的黏彈性、異常黏彈性和塑性流變等方面。流變學(xué)可以將物料加工過(guò)程中的那些微觀的變化機(jī)理通過(guò)直觀的常量加以衡量，這些變化是無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單或者復(fù)雜的化學(xué)變化來(lái)研究的[1-3]。由于物質(zhì)組成的復(fù)雜性、特殊性，究其物理特性方面來(lái)研究幾乎囊括了所有不同流變特性的物質(zhì)，所以必須結(jié)合物質(zhì)的特性對(duì)其流變特性加以研究，來(lái)建立一套適合物質(zhì)流變特性分析、研究的理論和方法。從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，多數(shù)研究者主要從宏觀和微觀層面對(duì)物質(zhì)的流變特性進(jìn)行了研究。宏觀層面主要把物質(zhì)看作連續(xù)介質(zhì)來(lái)進(jìn)行研究，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)物質(zhì)的流變特性進(jìn)行分類，建立流變模型，構(gòu)建預(yù)測(cè)方程來(lái)掌握同類物質(zhì)的流變特性；微觀層面的研究主要通過(guò)對(duì)物質(zhì)組成結(jié)構(gòu)的分析來(lái)研究其流變特性，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和模擬的特性曲線來(lái)歸納物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本圖形。通過(guò)單個(gè)物質(zhì)組分的結(jié)構(gòu)特性分析，在此基礎(chǔ)上，把多個(gè)單個(gè)組分的結(jié)構(gòu)分析曲線根據(jù)各組分之間的相互作用與影響加以組合。通過(guò)研究宏觀外力的作用下單模型組合的流變特性，衍生出其結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)方程，可以為物質(zhì)在加工過(guò)程中流變特性變化的分析提供理論參考[4-6]。

2 天然產(chǎn)物中物質(zhì)與流變學(xué)之間協(xié)同研究的分析

天然產(chǎn)物中物質(zhì)與流變學(xué)之間的關(guān)系主要是因?yàn)樘烊划a(chǎn)物中一些高分子物質(zhì)在加工過(guò)程中衍生的。天然產(chǎn)物高分子化合物是由重復(fù)單元連接成的線性長(zhǎng)鏈為基本結(jié)構(gòu)的高分子量化合物。目前研究比較多的天然高分子化合物主要是蛋白、多糖類化合物。由于這些天然高分子物質(zhì)在加工過(guò)程中受外加力的推動(dòng)下會(huì)發(fā)生變形，而物質(zhì)在加工過(guò)程中的黏度是研究流體流動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵。對(duì)于這些天然高分子物質(zhì)來(lái)說(shuō)，相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，天然高分子物質(zhì)的剪切黏度受如下因素的影響：實(shí)驗(yàn)條件和生產(chǎn)工藝的影響，如溫度、壓力、剪切應(yīng)力；物料結(jié)構(gòu)及成分的影響；天然大分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，如平均分子量、分子量分布、長(zhǎng)鏈支化度等[7-8]。從其內(nèi)在形成機(jī)理來(lái)看，有研究表明：當(dāng)天然高分子物質(zhì)在加工過(guò)程中分子鏈?zhǔn)芗羟袘?yīng)力的作用，分子鏈段之間擴(kuò)展開(kāi)。此時(shí)鏈段發(fā)生取向作用，混合溶液出現(xiàn)各向異性，當(dāng)外加推動(dòng)力突然變化時(shí)，天然大分子物質(zhì)自由化，形成高彈壓縮狀態(tài)，能夠瞬時(shí)得以回復(fù)。分子鏈能夠恢復(fù)到大體無(wú)序狀態(tài)，鏈間距離增大，以至流體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生膨脹，導(dǎo)致流變行為的產(chǎn)生。從研究天然高分子化合物的流變意義來(lái)看，對(duì)天然高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)流變學(xué)的研究能夠?qū)μ烊桓叻肿游镔|(zhì)凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)理論提高一定的參考價(jià)值。科學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，天然高分子材料成型加工過(guò)程，外加推動(dòng)力的作用能夠決定材料制品的質(zhì)量，對(duì)于天然高分子材料鏈的結(jié)構(gòu)的研究，是決定了高分子制品的結(jié)構(gòu)和性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[9-10]。

3 天然產(chǎn)物中物質(zhì)流變學(xué)研究現(xiàn)狀

3.1 蛋白流變學(xué)研究及其應(yīng)用

由于蛋白具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和顯著的功能特性，在食品行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。凝膠特性是蛋白最重要的功能特性，能夠影響食品的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)。目前針對(duì)蛋白的流變特性研究主要側(cè)重在原料的熱處理情況下的研究。熱處理情況下蛋白的流變學(xué)研究研究主要分為以下兩步：首先是蛋白的熱降解和蛋白分子鏈折疊形式的改變，然后是蛋白內(nèi)部分子的重新組合和相互作用。在這個(gè)過(guò)程中不同的外加因素如pH、離子濃度和機(jī)械外力能夠同時(shí)導(dǎo)致物料特性和質(zhì)構(gòu)的改變，從而最終影響物料的性質(zhì)和風(fēng)味。蛋白在外加剪切力的作用下能夠使得物料發(fā)生生物性質(zhì)和物理性質(zhì)的改變，有利于加工條件的改善，機(jī)械剪切力的作用能夠改善膠凝蛋白的凝膠特性，同時(shí)機(jī)械剪切力的作用也有利于經(jīng)過(guò)酶處理和化學(xué)處理過(guò)的食品的性質(zhì)和功能特性的改善[11-12]。

在天然植物蛋白中，大豆蛋白具有廣泛的應(yīng)用。由于大豆蛋白較強(qiáng)的功能特性和低成本性，在肉類和食品加工中有較廣泛的應(yīng)用前景。李冰等人選取黃原膠作為研究對(duì)象，研究了黃原膠對(duì)面筋蛋白流變特性和微觀結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)：添加一定量的黃原膠，面筋蛋白彈性減弱而黏性增強(qiáng)；面筋蛋白網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著黃原膠的添加而變得更加均勻[13]。王研等人對(duì)恒定的蛋白與纖維素質(zhì)量比及不同蛋白濃度的蛋白-纖維復(fù)合凝膠體系的流變特性進(jìn)行了研究，并且探討了在酶催化下該復(fù)合體系的黏彈特性的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這種復(fù)合凝膠蛋白體系的儲(chǔ)能模量和損耗模量隨蛋白濃度的增加而大幅增加，隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增加，通過(guò)模型分析數(shù)據(jù)顯示隨著蛋白濃度的增加，復(fù)合體系凝膠的黏性減弱而彈性增強(qiáng)[14]。湯曉智等人對(duì)乳清蛋白-大米淀粉混合體系的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：這種復(fù)合體系在升溫過(guò)程中的儲(chǔ)能模量和損耗模量明顯低于乳清蛋白，而降溫過(guò)程中卻高于乳清蛋白，表明蛋白質(zhì)淀粉分子間的相互作用的增強(qiáng)對(duì)混合凝膠的特性有一定的協(xié)同效用特性，強(qiáng)化了形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)他們研究發(fā)現(xiàn)鹽例子和蛋白質(zhì)分子間的相互作用阻礙了淀粉與蛋白質(zhì)分子間的相互作用，弱化了形成的凝膠結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[15]。

3.2 多糖流變學(xué)研究及其應(yīng)用

隨著食品加工和食品質(zhì)構(gòu)學(xué)的研究的需要，多糖由于其生物相容性、奇特的物理功能特性，引起了很多研究者的興趣。近年來(lái)，多糖的可溶性片段的研究特別是基于不同的提取和加工方法對(duì)其流變性質(zhì)的研究比較廣泛。研究發(fā)現(xiàn)，多糖的流變性質(zhì)的研究主要由于其分子鏈中可溶性片段的存在。另外，由于多糖的其它優(yōu)良的營(yíng)養(yǎng)功能性，從而導(dǎo)致食品的質(zhì)構(gòu)能夠發(fā)生顯著的變化，常見(jiàn)的多糖的提取加工方法通常有熱處理、光照、化學(xué)改性和酶處理等溫和的加工方法[16-17]。

多糖具有降血糖、降血脂、增強(qiáng)免疫力、抗氧化、抗腫瘤以及抗凝血等多種功效，在食品加工和醫(yī)藥行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。特別是，多糖的流變學(xué)對(duì)于食品加工成型技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量和力學(xué)性質(zhì)的研究起著重要的作用[18]。陳慧等人對(duì)白背毛木耳多糖溶液的流變學(xué)進(jìn)行了研究，重點(diǎn)考察了濃度、剪切應(yīng)力、溫度、加熱時(shí)間、凍融變化、金屬離子等因素對(duì)溶液黏度的影響，結(jié)果表明：多糖溶液的黏度與濃度成正相關(guān)，與剪切力成負(fù)相關(guān)，多糖溶液是非牛頓流體，隨溫度的升高而黏度遞減，加熱時(shí)間、凍融變化和金屬離子對(duì)多糖溶液的黏度均有輕微的影響[19]。陳志娜等人對(duì)西藏靈菇發(fā)酵乳中的胞外多糖的流變學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：胞外多糖的水溶液表現(xiàn)為非牛頓假塑形流體特性，流動(dòng)行為受胞外多糖的質(zhì)量濃度、溫度、離子種類和濃度的影響[20]。

3.3 果膠流變學(xué)研究及其應(yīng)用

隨著人們生活水平的提高，對(duì)食品的需求量的加大和食品質(zhì)量要求的提高。低脂食品逐漸成為一種趨勢(shì)。食品加工企業(yè)更多的關(guān)注低脂、低糖、低膽固醇、低鹽和低添加劑產(chǎn)品的生產(chǎn)。低脂肪產(chǎn)品如牛奶、飲料、冰淇淋和乳化產(chǎn)品更加得到人們的青睞。果膠作為一種綠色食品添加劑能夠降低食品的低脂、具有降血糖等功效，同時(shí)能夠改善食品的風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)[21]。

果膠是一種多樣化胞壁多糖，具有復(fù)雜的多分子結(jié)構(gòu)組織。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成果膠的結(jié)構(gòu)主要是線性多糖酸鏈。這種多糖酸鏈的殘留物能夠被乙醇酯化，所以根據(jù)酯化度的高低把果膠分為低酯果膠和高酯果膠。酯化度能夠直接影響到果膠的功能特性。高酯果膠能夠在高糖濃度環(huán)境中酸性條件下形成膠體，低酯果膠的膠體特性是能夠在多糖酸鏈之間形成鈣橋。近年來(lái)的研究表明，研究者多數(shù)重點(diǎn)關(guān)注鈣橋的形成成因、內(nèi)在的結(jié)構(gòu)機(jī)理，以及外在的因素的影響對(duì)果膠功能特性的影響，從而為食品加工提供理論參考和依據(jù)[22-23]。支梓鑒等人通過(guò)稀酸提醇沉法提取果膠粗品，研究溶液的濃度和熱處理溫度對(duì)果膠粗品的流變學(xué)性質(zhì)的影響，并對(duì)其分子量、半乳糖醛酸、單糖組成及酯化度等進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：果膠是典型的剪切稀化型非牛頓流體[23]。李潔等人采用傳統(tǒng)酸法、纖維素酶法、超聲輔助法、微波輔助法提取蘋果肉渣果膠并對(duì)其流變特性進(jìn)行了研究，考察了剪切速率、濃度、溫度和放置實(shí)踐對(duì)果膠流變特性的影響，同時(shí)測(cè)定了分子量來(lái)驗(yàn)證其流變學(xué)特點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：果膠溶液濃度大，稀化現(xiàn)象明顯，典型的假塑形流體行為，溫度高果膠溶液表觀黏度降低，放置時(shí)間越久，果膠溶液表觀黏度越小[24]。韓萬(wàn)友等人采用檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液制備不同pH的低酯蘋果果膠凝膠，建立了凝膠強(qiáng)度及破裂強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)流變學(xué)測(cè)量了儲(chǔ)能模量及損耗模量，從而解釋了不同pH范圍的凝膠機(jī)理[25]。

3.4 色素流變學(xué)研究及其應(yīng)用

色素作為一種天然高分子化合物，其流變學(xué)研究最初源自于高分子化合物的流變學(xué)研究。色素作為一種高分子固體添加劑，在一些高分子聚合物的流變學(xué)研究中，添加色素能夠使得聚合物的凝膠特性發(fā)生一定的改變。從材料學(xué)的角度來(lái)看，能夠改變高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能的改善，使得高分子聚合物的物理化學(xué)性能得到一定的加強(qiáng)。但是當(dāng)色素作為一種固體添加劑加入到一定量后，反而使得其黏度下降[26-7]。

現(xiàn)在研究比較多的是將一些植物特別是藥材中色素與相應(yīng)的藥物相互互溶作為藥品來(lái)使用。王志等人就對(duì)紅花黃色素氯化鈉注射液用來(lái)治療髖關(guān)節(jié)置換術(shù)患者血液流變學(xué)和凝血功能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：髖關(guān)節(jié)置換術(shù)會(huì)引起患者血液流變學(xué)改變，血液處于高凝狀態(tài)，而紅花黃色素氯化鈉注射液可以維持血液流變學(xué)穩(wěn)定，改善凝血功能[28]。

3.5 黃酮流變學(xué)研究及其應(yīng)用

有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，天然產(chǎn)物中黃酮類化合物具有抗心律失常、降血脂、增強(qiáng)心肌功能和抗衰老等作用[29]，其流變學(xué)研究多數(shù)集中在血液流變學(xué)研究中。王秉文等人用沙棘總黃酮對(duì)大鼠進(jìn)行灌胃研究，結(jié)果表明：連續(xù)灌胃16d，大鼠高切變率下全血黏度，對(duì)紅細(xì)胞電泳時(shí)間、紅細(xì)胞比積、還原黏度及血沉均為顯著性影響，結(jié)果提示降低全血黏度可能是其抗心絞痛機(jī)理之一[30]。俞浩等人用滁菊總黃酮對(duì)糖尿病大鼠血液流變學(xué)進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：滁菊總黃酮能顯著改善延長(zhǎng)糖尿病大鼠凝血時(shí)間，結(jié)論是滁菊總黃酮能夠改善糖尿病大鼠血液流變學(xué)異常[31]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著天然產(chǎn)物的不斷深入研究，相信會(huì)有更多的天然大分子物質(zhì)在流變學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用和研究。在食品加工領(lǐng)域，可以針對(duì)某一種食品物質(zhì)進(jìn)行流變特性的測(cè)量和分析形成系統(tǒng)的理論，特別要結(jié)合與感官特性之間的關(guān)系加以研究。對(duì)于非均質(zhì)和不定形食品的流變學(xué)可以結(jié)構(gòu)一些數(shù)理理論采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)加以研究。對(duì)于流變學(xué)儀器的研發(fā)要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際和成本加以研發(fā)，開(kāi)發(fā)適合實(shí)踐的新型儀器和新方法。

總之，未來(lái)天然產(chǎn)物中流變學(xué)研究要不斷拓展化合物的范圍，優(yōu)化現(xiàn)有的理論數(shù)據(jù)模型，對(duì)于檢測(cè)結(jié)果要進(jìn)行深層次分析，通過(guò)比較界面黏彈特性、界面張力等特征參數(shù)，建立分類對(duì)應(yīng)的食品組分相互作用的模型數(shù)據(jù)庫(kù)；其次，由于乳液體系是復(fù)雜的多項(xiàng)多組分的復(fù)雜體系，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流變特性對(duì)應(yīng)著不同的特征長(zhǎng)度和時(shí)間尺度，所以有必要對(duì)于乳液的宏觀性能，如穩(wěn)定性、質(zhì)構(gòu)特性要詳加研究，對(duì)于乳液體系的研究和應(yīng)用有重要的意義；最后，對(duì)于一些高新技術(shù)的應(yīng)用，如超聲波、復(fù)合乳液體系、微波等體系下乳液的穩(wěn)定性和質(zhì)構(gòu)特性的研究也將是流變學(xué)研究的熱點(diǎn)。