高?；Y(jié)冷膠的溶膠和凝膠特性研究及結(jié)構(gòu)初步分析

孟岳成，盧 晶，江一菲，邱 蓉

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310035)

結(jié)冷膠是繼黃原膠之后開發(fā)的新一代微生物多糖，它是在有氧條件下由少動鞘脂單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)產(chǎn)生的。我國于1996年批準(zhǔn)其作為食品增稠劑、穩(wěn)定劑使用[1]。不管在溶膠還是凝膠狀態(tài)下，結(jié)冷膠都能呈現(xiàn)出優(yōu)越的流變特性和功能特性。目前，市售商品化結(jié)冷膠主要有高酰基結(jié)冷膠和低?；Y(jié)冷膠兩種，但由于兩者的不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)致流變及功能特性上的差異。近20年來，國外對高酰基結(jié)冷膠進(jìn)行了一系列研究，Chandrasekaran等[2]用X射線衍射方法提出了高酰基結(jié)冷膠的分子模型，Noda等[3]通過原子力顯微鏡對高?；Y(jié)冷膠的凝膠機(jī)理進(jìn)行了探討，Mao等[4]對高低?；Y(jié)冷膠復(fù)配體系進(jìn)行了研究，相比之下，國內(nèi)對高?；Y(jié)冷膠的研究尤其是機(jī)理方面的研究較少，成堅等[5]研究了濃度、溫度、熱處理溫度、熱處理時間、剪切速率、剪切時間、靜置時間等對結(jié)冷膠LT100溶液流變特性的影響。本實驗通過對高?；Y(jié)冷膠特性的研究以及結(jié)構(gòu)的初步分析，旨在為高?；Y(jié)冷膠在國內(nèi)食品工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

高?；Y(jié)冷膠 LT100(HA)、低酰基結(jié)冷膠 Kelcogel(LA) 美國 CP Kelco 公司。

氫氧化鈉、鹽酸、酚酞、鹽酸羥胺、三氯化鐵、氯化乙酰膽堿、甲醇、冰乙酸等均為分析純 匯普化工儀器有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

90-1型強(qiáng)力磁力攪拌器 杭州儀表電機(jī)有限公司；UV2500紫外-可見分光光度計 日本島津公司；傅里葉紅外光譜儀 美國熱電公司；DHZ-C大容量恒溫振蕩器 太倉市實驗設(shè)備廠；Bruker 500 AVANCEⅢ 核磁共振波譜儀 瑞士Bruker公司；TA-XT2i 物性儀 英國Stable Micro System公司；Brookfield DV-Ⅱ+Pro旋轉(zhuǎn)黏度計 Brookfield Engineering Laboratories公司。

1.3 方法

1.3.1 表觀黏度測定

準(zhǔn)確稱取一定量的高?；Y(jié)冷膠，溶解于70℃蒸餾水中，磁力攪拌器攪拌至完全溶解，室溫冷卻，靜置2h后，一定轉(zhuǎn)速條件下用2號轉(zhuǎn)子測定表觀黏度[5]。

1.3.2 凝膠強(qiáng)度測定

準(zhǔn)確稱取一定量的高酰基結(jié)冷膠，溶解于70℃蒸餾水中，磁力攪拌器攪拌至完全溶解，加入一定質(zhì)量濃度的鹽離子，混勻，迅速冷卻，靜置2h后，利用質(zhì)構(gòu)儀測定凝膠強(qiáng)度[6]。

1.3.3 ?；繙y定

準(zhǔn)確稱取一定量樣品于250mL具塞三角瓶中，加水50mL，使樣品溶解，加幾滴酚酞指示劑，用0.1mol/L NaOH溶液滴定至粉紅色剛好不褪為止；再準(zhǔn)確加入25.0mL 0.5mol/L NaOH溶液，經(jīng)一定溫度和時間振蕩后，用0.3mol/L HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定體系中過量的堿直到粉紅色剛好消失，記下所用HCl溶液的體積V1(mL)；另外，用同一種HCl溶液標(biāo)定0.5mol/L NaOH溶液作空白，記下所耗HCl溶液體積V2(mL)。計算公式[7]如下：

式中：c為HCl溶液的濃度/(mol/L)；m為樣品質(zhì)量/g。

1.3.4 紅外光譜掃描分析

在紅外燈照下，取lm g完全干燥的高?；Y(jié)冷膠，與100～200mg完全干燥的KBr粉末在瑪瑙研缽中研磨均勻，壓片后在400～4000cm-1波數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行紅外掃描。

1.3.5 核磁共振1H-NMR分析

取樣品7mg溶于1.0mL D2O中，利用Bruker 500 AVANCEⅢ核磁共振儀進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 高?；Y(jié)冷膠在低質(zhì)量濃度下的溶膠特性

2.1.1 膠體質(zhì)量濃度對溶液表觀黏度的影響

由圖1可知，在質(zhì)量濃度為0.05～0.08g/100mL時，表觀黏度隨質(zhì)量濃度增加趨勢較緩，而在質(zhì)量濃度大于0.08g/100mL時，表觀黏度迅速增加，這可能是由于質(zhì)量濃度低時，結(jié)冷膠分子鏈間的交互作用比較弱，而隨著質(zhì)量濃度的增加，分子間相互作用加強(qiáng)，因此在轉(zhuǎn)速不變的情況下測得的表觀黏度迅速增加。

圖1 高?；Y(jié)冷膠質(zhì)量濃度對溶液表觀黏度的影響Fig.1 Effect of HA gellan gum concentration on colloidal viscosity of the solution

2.1.2 轉(zhuǎn)速對溶液表觀黏度的影響

圖2 轉(zhuǎn)速對溶液表觀黏度的影響Fig.2 Effect of rotation speed on colloidal viscosity of HA gellan gum solution

由圖2可知，質(zhì)量濃度為0.1g/100mL的高?；Y(jié)冷膠溶液在較低轉(zhuǎn)速下表觀黏度很高，隨著轉(zhuǎn)速的增加，表觀黏度呈下降趨勢，由計算機(jī)擬合的冪律方程可知該流體具有剪切稀變的性質(zhì)，呈現(xiàn)假塑性流體的特性。

2.2 高?；Y(jié)冷膠在高質(zhì)量濃度下的凝膠特性

2.2.1 Ca2+質(zhì)量濃度及高低酰基結(jié)冷膠復(fù)配對凝膠強(qiáng)度的影響

圖3 Ca2+質(zhì)量濃度及高低?；Y(jié)冷膠復(fù)配對凝膠強(qiáng)度的影響Fig.3 Effects of Ca2+ concentration and HA/LA ratio on gel strength of HA/LA mixed gellan gum solution

由圖3可知，隨著Ca2+質(zhì)量濃度增大，復(fù)配膠的凝膠強(qiáng)度增大，當(dāng)Ca2+質(zhì)量濃度達(dá)到0.04g/100mL之后凝膠強(qiáng)度不再升高。根據(jù)結(jié)冷膠凝膠理論，這是由于低?；Y(jié)冷膠由陽離子誘導(dǎo)形成凝膠，其羧基側(cè)鏈由于靜電相互作用而互相排斥，這阻礙了螺旋的緊密聚集，而陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用，一個陽離子連接一對羧基，因此隨著陽離子質(zhì)量濃度的提高，凝膠強(qiáng)度也隨之提高；但過多的陽離子又會阻礙結(jié)冷膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序聚集，減弱凝膠，所以當(dāng)質(zhì)量濃度超過一定限度，又會使凝膠強(qiáng)度下降[8]。

高低?；Y(jié)冷膠的比例對復(fù)配膠的凝膠強(qiáng)度有較明顯的影響，低酰基結(jié)冷膠的含量越高，復(fù)配膠體的凝膠強(qiáng)度越大，而增加高?；Y(jié)冷膠含量時，復(fù)配膠的硬度會相應(yīng)減小。這是由于高?；Y(jié)冷膠?；目臻g位阻作用阻止了雙螺旋鏈間的接近聚合，導(dǎo)致凝膠性質(zhì)減弱或改變[9]。

圖4 高?；Y(jié)冷膠的質(zhì)量濃度對凝膠強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of HA gellan gum concentration on its gel strength

2.2.2 膠體質(zhì)量濃度對凝膠強(qiáng)度的影響由圖4可知，凝膠強(qiáng)度隨著質(zhì)量濃度的增加而增加。高?；Y(jié)冷膠凝膠形成是由于其分子鏈之間相互交聯(lián)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，質(zhì)量濃度增加使得分子交聯(lián)增強(qiáng)，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越致密，故表現(xiàn)出凝膠強(qiáng)度的增強(qiáng)。

2.3 高?；Y(jié)冷膠?；康臏y定

圖5 高?；Y(jié)冷膠酰基含量的測定結(jié)果Fig.5 Acyl content of HA gellan gum shaked for different times at different temperatures

由圖5可知，隨著溫度的升高，所測得酰基含量明顯增高，在25℃條件下振蕩60min?；炕緵]有增加，而60℃、20min酰基基本脫除。這是由于在常溫條件下，高?；Y(jié)冷膠分子鏈長，在空間形成三級或四級網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，多數(shù)?；话衿渲?，使堿不能充分與之作用。高溫條件下，高?；Y(jié)冷膠分子一方面由于獲取熱能，加快分子的振動，分子鏈發(fā)生伸展，使包埋的酰基暴露出來，增加了反應(yīng)的概率；另一方面，伸展的長分子鏈被堿作用斷開，形成較短的分子鏈，使更多的酰基暴露出來，進(jìn)一步促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，隨著時間的推移，堿與酰反應(yīng)充分，從而最終將?；棵摮齕7]。

2.4 紅外光譜掃描分析

圖6 高?；Y(jié)冷膠的紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of HA gellan gum

由圖6可知，在3700～3200cm-1處出現(xiàn)一個吸收較強(qiáng)的寬峰，3629.78cm-1和3423.84cm-1為羥基(—OH)的伸縮振動；在3000～2800cm-1范圍出現(xiàn)的2928.25cm-1的吸收峰較弱，為C—H的伸縮振動。這兩組吸收峰是糖的特征吸收峰。1725.74cm-1和1624.39cm-1是—C＝O的吸收峰，表明該結(jié)構(gòu)中含有酰基。

2.5 核磁共振1H-NMR分析

圖7 高?；Y(jié)冷膠氫譜譜圖Fig.7 NMR spectrum of HA gellan gum

根據(jù)圖7可以分析出：共振頻率對應(yīng)的化學(xué)位移分別為：5.360、3.915、3.797、3.659、3.601、3.363、1.266，δ5.360為糖端基C1質(zhì)子信號，δ3.915～3.363為糖非端基質(zhì)子信號，δ1.266為鼠李糖上的甲基。δ5.360表明組成高酰基結(jié)冷膠的單糖的異頭碳只有α型存在。

3 結(jié) 論

高?；Y(jié)冷膠在低質(zhì)量濃度時呈溶膠狀態(tài)，溶膠是假塑性流體，表觀黏度隨膠體濃度增加而增加。質(zhì)量濃度較高時形成凝膠，凝膠的凝膠強(qiáng)度受離子質(zhì)量濃度影響顯著。結(jié)冷膠具有良好的復(fù)配性，高低?；Y(jié)冷膠復(fù)配可形成硬度不同的結(jié)冷膠，通過改變高低?；Y(jié)冷膠在復(fù)合膠中的比例可以調(diào)節(jié)復(fù)合膠的性質(zhì)，得到滿足需要的各種復(fù)配產(chǎn)品，組織結(jié)構(gòu)可從脆性到黏彈性方面任意調(diào)節(jié)，這些特性在實際應(yīng)用中有重大的意義[10]。

紅外光譜掃描和核磁共振技術(shù)驗證了高?；Y(jié)冷膠中酰基和羥基等特征基團(tuán)以及高?；Y(jié)冷膠線性四糖重復(fù)單位中鼠李糖的存在，為今后的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。

[1] 卓訓(xùn)蘭.新型微生物多糖: 結(jié)冷膠[J].糧食與油脂, 2001(9): 34-35.

[2] CHANDRASEKARAN R, RADHA A.Molecular architectures and functional properties of gellan gum and related polysaccharides[J].Trends in Food Science and Technology, 1995, 6(5): 179-188.

[3] NODA S, FUNAMI T, NAKAUMA M, et al.Molecular structures of gellan gum imaged with atomic force microscopy in relation to the rheological behavior in aqueous systems.1.Gellan gum with various acyl contents in the presence and absence of potassium[J].Food Hydrocolloids, 2008, 22(6): 1148-1159.

[4] MAO R, TANG J, SWANSON B G.Texture properties of high and low acyl mixed gellan gels[J].Carbohydrate Polymers, 2000, 41(4): 331-338.

[5] 成堅, 劉曉艷, 禤沂笑.結(jié)冷膠LT100流變學(xué)特性的研究[J].食品科技, 2006, 31(9): 164-167.

[6] 孫彩玲, 田紀(jì)春, 張永祥.TPA質(zhì)構(gòu)分析模式在食品研究中的應(yīng)用[J].實驗科學(xué)與技術(shù), 2007, 5(2): 1-4.

[7] 秦方, 詹曉北.Gellan Gum(激冷膠)中?；康臏y定[J].食品與機(jī)械, 1997(5): 32-33.

[8] 孟岳成, 洪倫波.結(jié)冷膠的成膠特性及應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國食品添加劑, 2006(C00): 63-64.

[9] HUANG Yiqun, TANG Juming, SWANSON B G, et al.Effect of calcium concentration on textural properties of high and low acyl mixed gellan gels[J].Carbohydrate Polymers, 2003, 54(4): 517-522.

[10] 詹曉北.食用膠的生產(chǎn)、性能與應(yīng)用[M].北京: 中國輕工業(yè)出版社, 2003.