蛋白质—多糖共混体系的非线性流变行为与相行为研究

Protein-polysaccharide mixed dispersion system is increasingly being used in food because of its many good features. Currently the study on phase behavior of protein-polysaccharide dispersion system is limited to the conditions of equilibrium state and linear small amplitude oscillatory shear flow field. This topic is to investigate the effect of nonlinear large strain oscillatory shear flow field on the phase behavior of the protein-polysaccharide mixed system. The combination of Fourier transform rheology and Chebyshev stress decomposition method will be firstly applied in order to quantify and elucidate the nonlinear rheological behavior of mixed system. We will track phase separation process by using thermodynamics and kinetics of phase separation theory, and explore new parameters to indicate the phase separation process of protein-polysaccharide mixed system. Getting phase diagrams by using optical and microscopy methods and combining the evolution of microstructure and nonlinear rheological results, we will establish the phase behavior theory model of protein-polysaccharide dispersion system in nonlinear large strain oscillatory shear flow field. The research results of the project will lay the theoretical foundation for the control of structure and functional properties of protein-polysaccharide mixed dispersion system in actual manufacturing practice, which has practice guiding significance.

蛋白质-多糖共混体系具有多种优良功能特性，在食品工业中应用广泛。目前对蛋白质-多糖共混体系相行为的研究局限于在平衡状态和线性小振幅振荡剪切流场中，本课题将对更加复杂的非线性大应变振荡剪切流场下共混体系的相行为进行研究，首次把傅立叶转换流变和切比雪夫应力分解两种分析手段相结合来研究蛋白质-多糖共混体系的非线性流变特性，并结合热力学、相分离动力学理论追踪相分离过程，探究表征共混体系相分离过程的新参数。利用光学、显微学手段获得相图，结合微观结构演变与非线性流变结果，建立蛋白质-多糖共混体系在非线性大应变振荡剪切流场下的相行为理论模型。该项目的研究成果将为实际加工过程中控制蛋白质—多糖共混体系的结构和功能特性奠定理论基础，具有实践指导意义。

蛋白质、多糖在食品工业中应用广泛，其共混体系具有优良的功能特性。目前对蛋白质-多糖共混体系相行为的研究局限在平衡状态和线性小振幅振荡剪切流场中，而在非线性大应变振荡剪切（LAOS）流场下的研究欠缺。本课题选取3种蛋白质（酪蛋白酸钠、大豆分离蛋白、藻蓝蛋白）和7种多糖（魔芋葡甘聚糖、刺槐豆胶、卡拉胶、瓜尔豆胶、羧甲基亚麻胶、纤维素纳米晶、微晶纤维素）形成共混体系，对其进行非线性流变特性与微观结构研究。. 结果表明，在宏观层面上，蛋白质种类和多糖浓度影响蛋白质-多糖共混体系的LAOS行为。酪蛋白酸钠-刺槐豆胶/卡拉胶共混体系表现为LAOS类型III（弱应变过冲）；藻蓝蛋白-卡拉胶/瓜尔豆胶共混体系表现为类型Ⅰ（应变稀化）；随魔芋葡甘聚糖浓度的增加，酪蛋白酸钠-魔芋葡甘聚糖共混体系由类型III转变为类型IV（强应变过冲），体系形成了更稳定的三维网络结构；而随羧甲基亚麻胶浓度的增加，大豆分离蛋白-羧甲基亚麻胶共混体系的LAOS行为由类型IV转变为类型III。在微观层面上，多糖种类影响蛋白质分子间相互作用力，进而影响其网络结构的形成。相比于卡拉胶，添加瓜尔豆胶后藻蓝蛋白凝胶的二硫键含量显著降低，阻碍了蛋白网络的连接，导致其发生分离式相分离；此外，刺槐豆胶和微晶纤维素分别导致酪蛋白酸钠和大豆分离蛋白凝胶发生分离式相分离，而卡拉胶和纤维纳米晶分别加入酪蛋白酸钠和大豆分离蛋白，其未发生相分离。. 本研究获得了蛋白质-多糖共混体系的典型非线性流变学特征，建立了利用LAOS测试技术并结合Lissajous曲线、傅立叶转换流变法和切比雪夫应力分解法研究蛋白质-多糖共混体系非线性流变行为的方法，探明了共混体系中多糖含量等重要因素对体系在非线性大应变振荡剪切流场下相行为的影响规律及相关机理，具有重要的科学意义，并为实际加工过程中控制蛋白质-多糖共混体系的结构和功能特性奠定理论基础。本项目圆满完成预期的研究任务，并取得相应研究成果。在本项目的支持下发表学术论文13篇（均为SCI收录论文），进行国际学术会议专题报告1人次，培养博士生1名，硕士生4名。