超声作用过程中超声强度对果胶溶液构象的变化、机理及对功能特性的影响

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果胶广泛存在于水果、蔬菜等植物类食物中,是一种重要的膳食多糖来源,具有凝胶、稳定、增稠、乳化和质构改良等功能特性。然而,由于其分子量大、结构复杂,在食品、医药等行业的实际应用受到极大限制。超声改性果胶已成为研究热点,但改性过程中果胶溶液构象的变化及其转变机理有待于进一步深入研究。因此,本论文以商业果胶为研究对象,通过高分子链构象方法和稀溶液理论研究超声作用过程中超声强度对果胶分子尺寸、链构象及微观形貌的影响,初步探讨果胶分子链构象的转变机理。在此基础上,研究果胶及其降解产物的功能特性,为果胶的功能化结构设计及加工过程中的调控奠定理论基础,拓宽其在食品工业中的应用。主要研究结果如下:(1)通过物理、化学相结合方法和高分子稀溶液理论,分析了原始商业果胶的分子结构和链构象。研究表明,果胶的半乳糖醛酸(GalUA)、甲氧基和甲酯化度(DM)含量分别为71.69±1.7%、12.27±2.4%和76.63±0.5%,表明该果胶为高甲酯化果胶,主要由GalUA、阿拉伯糖、鼠李糖和半乳糖组成,重均分子量(Mw)为173.7 kDa。同时,果胶的特性粘度([η])、均方根旋转半径(Rg)、流体力学半径(RH)、Mark-Houwink方程指数(a)、构象参数(α)和结构特征参数(ρ)分别为457.93 cm3 g-1、33.1 nm、17.5 nm、0.8205、0.6068和1.894,表明果胶在水溶液中呈刚性半柔顺链构象。(2)在超声作用过程中,随着超声强度和时间的增加,果胶的分子参数[η]、Mw、Rg、RH及链构象参数a、α、ρ均呈减小趋势,分形维数呈增加趋势,且较高的超声强度产生较明显的影响。这些结果揭示在超声作用过程中果胶刚性半柔顺链逐渐变为柔顺链,甚至柔顺卷曲链。原子力显微镜分析表明,超声作用使果胶链分子内/分子间缠绕形成的网状结构变得无序并部分断裂,甚至发生离解;果胶分子间的结点也被不同程度的破坏,线性单片段结构增加,进一步直观地证实了果胶分子链构象的转变。(3)红外光谱和单糖组成分析表明,在超声作用过程中,果胶的单糖类型和一级化学结构没有被改变,较长的处理时间和较高的超声强度增加了果胶主链中GalUA的含量,降低了果胶的DM和侧链中性糖的含量,削弱了果胶分子链的空间位阻和链刚性。同时,通过高灵敏差式微量热仪和圆二色光谱研究揭示,较高的超声强度(5.00 W/mL)打断了果胶分子内/分子间氢键相互作用,导致果胶分子的缠结或聚集被破坏,从而增强了果胶分子链的柔顺性。(4)随着超声强度和时间的增加,果胶降解产物溶液的表观粘度和复合粘度均降低,由非牛顿假塑性流体逐渐变为牛顿流体,而且,动态粘弹性分析表明,超声处理后的果胶更倾向于粘性行为。乳化特性研究发现,超声处理后果胶乳状液呈现较好的乳化活性和乳化稳定性,且随超声强度和时间的增加而增强;同时,果胶降解产物乳状液的粒径及电位均随超声强度和时间的增加而呈先下降后上升的趋势,在超声时间30 min时,表现出良好的稳定性,且储藏7天后,乳状液仍保持稳定。此外,显微观察分析表明,超声处理使果胶乳状液粒径变小且分布均一。
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