大豆皮低酯-高酯復(fù)合果膠凝膠的持水能力及力學(xué)、光學(xué)特性

劉 賀，劉昊東，郭曉飛，朱丹實(shí)

大豆皮低酯-高酯復(fù)合果膠凝膠的持水能力及力學(xué)、光學(xué)特性

劉 賀，劉昊東，郭曉飛，朱丹實(shí)

(渤海大學(xué)生物與食品科學(xué)學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

研究蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)及大豆皮低酯與高酯果膠復(fù)配比例對(duì)復(fù)合凝膠體系的持水能力及力學(xué)、光學(xué)特性的影響。結(jié)果表明：蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)復(fù)合凝膠的持水性、力學(xué)特性及光學(xué)特性均有較大影響，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，其持水性越高，破壞應(yīng)力越大，凝膠的彈性和透明度均有提高。低酯與高酯果膠的配比同樣對(duì)上述性質(zhì)有較大影響，二者合適的配比可以誘導(dǎo)兩種果膠分子之間的協(xié)同作用，使產(chǎn)品具有更好的持水能力和力學(xué)性質(zhì)。

大豆皮果膠；復(fù)合凝膠；持水能力；力學(xué)特性；光學(xué)特性

在食品行業(yè)中，果膠因其具有凝膠特性主要作為穩(wěn)定劑和質(zhì)構(gòu)改良劑。利用果膠的膠凝性質(zhì)可以賦予乳制品良好的穩(wěn)定性，為糖果加工業(yè)提供新原料，果膠是制備優(yōu)質(zhì)果醬的關(guān)鍵配料。果膠分子是由D-半乳糖醛酸經(jīng)α-(1→4)糖苷鍵相連聚合而成，有些半乳糖醛酸C6上的羧基被甲酯化，在半乳糖醛酸C2或C3的位置上常帶有乙?；蚱渌行蕴侵ф?，如L-鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等[1]。果膠因其分子所含甲氧基數(shù)量的多少而分為低酯果膠和高酯果膠。對(duì)于高酯果膠來說，凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成主要依靠甲酯基之間的氫鍵以及疏水相互作用引起的主鏈之間的交聯(lián)，要求蔗糖的質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)不低于60%，體系的pH值為3.5以下[2]。出于健康的考慮，目前市場上低糖食品的需求逐漸增多，因此高酯果膠的應(yīng)用有一定限制[3]，而低酯果膠凝膠形成主要通過自由羧基與鈣離子進(jìn)行橋聯(lián)而形成締合區(qū)[4]，沒有蔗糖添加量方面的苛刻要求。因此有學(xué)者考察低酯和高酯果膠復(fù)合使用以開發(fā)新的凝膠產(chǎn)品，Lofgren等[3]研究了高酯與低酯果膠復(fù)合凝膠的流變學(xué)性質(zhì)，以期獲得低糖果膠凝膠且具有高酯果膠凝膠的流變學(xué)特性，但凝膠宏觀的力學(xué)性質(zhì)及凝膠的持水能力則未進(jìn)行探討。凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部束縛了大量的水分子，凝膠保持水分子的能力是其重要的一個(gè)特性[5-6]，持水能力影響產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)特性和產(chǎn)品的加工損失[7]。

目前國內(nèi)關(guān)于果膠提取方面的研究很多，提取原料包括香蕉皮[8-9]、南瓜[10]和菠蘿蜜果皮[11]，但大豆皮果膠提取方面的研究國內(nèi)外均較少[12-15]，而對(duì)其凝膠特性方面的研究則尚未見相關(guān)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)室制備的大豆皮果膠研究蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低酯果膠/高酯果膠混合凝膠的持水能力及力學(xué)和光學(xué)特性的影響，從而為工業(yè)化應(yīng)用大豆皮果膠生產(chǎn)低糖產(chǎn)品用凝膠提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆皮果膠為實(shí)驗(yàn)室制備，產(chǎn)品符合我國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QB 2484—2000《食品添加劑 果膠》。制備方法：將大豆皮粉碎后過60目篩，然后按料液質(zhì)量比為1:35添加溶劑水，調(diào)節(jié)體系pH值為5.50，溫度50℃，加復(fù)合纖維素酶進(jìn)行預(yù)處理，然后調(diào)節(jié)體系pH值為2.50，迅速升溫至95℃，提取時(shí)間為2h，提取后進(jìn)行抽濾并離心以除去大豆皮渣，取濾液，減壓濃縮后進(jìn)行乙醇沉淀，真空干燥后得高酯果膠(HMP)，酯化度為60%。低酯大豆皮果膠的獲得是通過果膠甲酯酶脫除高酯果膠的甲氧基，具體酶解條件為pH3.50、溫度45℃、酶解30min，獲得酯化度為37.2%的低酯果膠(LMP)。

Celluclast 1.5L復(fù)合纖維素酶(10000U/g) 諾維信公司；果膠甲酯酶(5000U/g) 帝斯曼公司；CaCl2、蔗糖(均為分析純) 上海醫(yī)藥集團(tuán)總公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JJ-1型電動(dòng)攪拌器、85-2型數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 金壇榮華儀器制造有限公司；LFRA 1000物性分析儀 美國Brookfield公司；80-2B型低速離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠；721可見光分光光度計(jì) 上海精密儀器儀表有限公司。

1.3 方法

1.3.1 凝膠的制備

低酯和高酯果膠分別用pH3.5的0.1mol/L檸檬酸緩沖液配制成質(zhì)量濃度為4g/100mL的果膠貯備液。然后按一定質(zhì)量配比(0:100、10:90、20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20、90:10、100:0)配制成質(zhì)量濃度為1.2g/100mL的混合膠體溶液，在95℃條件下滴加含CaCl2的檸檬酸緩沖液(pH3.5)，使體系CaCl2終質(zhì)量濃度為0.1g/100mL，進(jìn)行磁力攪拌1min，加入蔗糖使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到30%、45%、60%，繼續(xù)加熱攪拌以使蔗糖充分溶解形成均勻的溶液。最后將蒸發(fā)掉的水分用95℃的去離子水進(jìn)行補(bǔ)充。然后將膠體溶液倒入長為21cm、直徑為21mm的圓柱形不銹鋼材料制成的模具內(nèi)室溫放置24h待測。

1.3.2 持水性測定

將制備的凝膠體系1mL左右加入到1.5mL塑料離心管中，待其凝膠后，于4000r/min離心30min，吸去上層水，測量質(zhì)量差，計(jì)算持水能力[4,16]，持水能力(WHC)計(jì)算公式如式(1)。

式中：m0為空離心管質(zhì)量；m1為離心前裝有凝膠的離心管質(zhì)量；m2為吸去水分后離心管質(zhì)量。重復(fù)測定5次。

1.3.3 力學(xué)特性檢測

將凝膠從模具中取出并切成21mm長的小圓柱體。然后置于直徑為50mm的鋁制探頭下用LFRA 1000進(jìn)行壓縮測試，測試速度為1mm/s，壓縮距離為20mm，獲得力學(xué)曲線，重復(fù)測定5次。從力學(xué)曲線中可以讀取凝膠破裂時(shí)所受力及壓縮距離，然后根據(jù)如下各式計(jì)算破壞應(yīng)變(failure strain)、破壞應(yīng)力(failure stress)。

1.3.4 凝膠的光學(xué)分析

將每個(gè)制備的凝膠體系注入3個(gè)4.5mL 1cm×1cm的聚苯乙烯比色皿中，室溫靜置24h后在波長490nm處測定吸光度[17]，取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 凝膠的持水能力(WHC)分析

圖1 不同蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)及LMP與HMP值對(duì)復(fù)合凝膠持水能力的影響Fig.1 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the water-holding capacity of the complex pectin gel studied at different sugar contents

高酯果膠單獨(dú)膠體溶液在低的蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況下未形成凝膠。圖1所示為單獨(dú)高酯果膠在蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%、低酯/高酯復(fù)合凝膠以及單獨(dú)的低酯果膠在不同蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的持水能力曲線。在離心力的作用下，高酯果膠凝膠表現(xiàn)出較強(qiáng)的持水能力，離心后凝膠表面未見有水析出，說明氫鍵及疏水相互作用構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)限制水分子遷移的能力是極強(qiáng)的。而其他凝膠體系在離心力的作用下則不同程度地失去部分水分。在相同的低酯與高酯果膠配比的情況下，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠WHC影響顯著，其值越大，則相應(yīng)的WHC值越高，此規(guī)律同樣適用于單獨(dú)的低酯果膠凝膠，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增加至60%，其WHC值從低于84%增加至近95%，其原因一方面可能是蔗糖的多羥基結(jié)構(gòu)對(duì)水產(chǎn)生了較好的吸附力，另外，在蔗糖的存在情況下，果膠分子之間形成更多的氫鍵[18]，從而增強(qiáng)凝膠的持水能力。在相同的蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的情況下，LMP與HMP的配比對(duì)凝膠體系的持水能力同樣有較大影響。隨著體系中LMP量的增加，凝膠的WHC值先下降后上升至最大值后又有下降的趨勢，當(dāng)LMP所占比例從10%升高至40%時(shí)，WHC值下降近5～8個(gè)百分點(diǎn)，原因在于，LMP的量未達(dá)到膠凝臨界點(diǎn)，與鈣離子的結(jié)合位點(diǎn)較少，而此時(shí)HMP的量較低也未能較好形成較穩(wěn)定的凝膠，因此對(duì)水分子的束縛能力較弱。隨著LMP比例的進(jìn)一步提高，一方面LMP與鈣離子的橋聯(lián)位點(diǎn)增多，形成更多的締合區(qū)，另一方面LMP與HMP之間產(chǎn)生協(xié)同作用[3]，形成更多的氫鍵，進(jìn)而提高體系的持水能力，但研究表明，此協(xié)同作用與二者的比例關(guān)系甚大，其依據(jù)是當(dāng)LMP的比例高于60%時(shí)，持水能力又下降，可能原因是形成的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較松散所造成的[2]。綜合來看，蔗糖分子的存在可以增強(qiáng)凝膠的持水能力，當(dāng)LMP:HMP為60:40時(shí)，凝膠體系的持水能力達(dá)到95%以上，在此配比條件下，當(dāng)蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，凝膠體系在離心力的作用下，未見有水析出，表現(xiàn)出極強(qiáng)的持水能力。

2.2 凝膠的力學(xué)特性

圖2 不同蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)及LMP與HMP質(zhì)量配比對(duì)復(fù)合凝膠破壞應(yīng)力的影響Fig.2 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the failure stress of the complex pectin gel studied at different sugar contents

食品的質(zhì)構(gòu)特性對(duì)消費(fèi)者的感官接受性有較大影響，因此本研究探討蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和不同LMP和HMP配比對(duì)所形成凝膠力學(xué)性質(zhì)的影響，主要考察了兩個(gè)力學(xué)指標(biāo)：破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變，其中凝膠的破壞應(yīng)力表征體系的強(qiáng)度，破壞應(yīng)變表征凝膠的彈性。從圖2可以看出，在不同的膠體配比體系中，蔗糖對(duì)其破壞應(yīng)力的影響是不同的，當(dāng)LMP低于40%或高于80%時(shí)，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠的強(qiáng)度影響不大；當(dāng)LMP比例在50%～70%時(shí)，即使蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，其破壞應(yīng)力也高于HMP單獨(dú)凝膠；而當(dāng)LMP比例為60%，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，體系的破壞應(yīng)力值為HMP單獨(dú)凝膠近7倍。再一次表明LMP與HMP之間存在較強(qiáng)的協(xié)同作用[19]，蔗糖分子對(duì)二者協(xié)同作用具有重要影響。

圖3 不同蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)及LMP與HMP質(zhì)量配比對(duì)復(fù)合凝膠破壞應(yīng)變的影響Fig.3 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the failure strain of the complex pectin gel studied at different sugar contents

從凝膠的破壞應(yīng)變來看，破壞應(yīng)變?cè)酱?，說明凝膠的彈性越好。從圖3可知，彈性較好的凝膠為HMP單獨(dú)凝膠，破壞應(yīng)變值接近0.85，而LMP單獨(dú)凝膠的破壞應(yīng)變值相對(duì)而言較低，表現(xiàn)出的是較強(qiáng)的脆性，HMP的加入提高了凝膠的彈性，其分子鏈包裹了LMP與鈣離子形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使凝膠結(jié)構(gòu)不容易被破壞[3]。蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，同樣提高了凝膠的彈性，可能是由于蔗糖分子降低了水分子的流動(dòng)性，有利于—CH3之間相互作用而產(chǎn)生更強(qiáng)的疏水網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[17]。

圖4 不同蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)及LMP與HMP質(zhì)量配比對(duì)復(fù)合凝膠吸光度的影響Fig.4 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the absorbance at 490 nm of the complex pectin gel studied at different sugar contents

2.3 凝膠的光學(xué)特性從凝膠體系在食品行業(yè)中的應(yīng)用來看，其澄清度是非常重要的一個(gè)指標(biāo)。從圖4可知，凝膠體系中蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可明顯降低凝膠的吸光度，提高凝膠的澄清度。而研究表明，蔗糖本身不會(huì)對(duì)溶液的吸光度有太大影響[17]，蔗糖降低吸光度的原因可能是由于蔗糖分子與膠體分子相互作用降低了膠體體系的光對(duì)比度從而降低了體系的折光系數(shù)。凝膠體系內(nèi)部存在的締合區(qū)由于具有較高密度及折光系數(shù)從而使吸光度增加，締合區(qū)類似于一個(gè)個(gè)的粒子分散在凝膠體系的內(nèi)部，大的締合區(qū)導(dǎo)致凝膠更混濁，而大的締合區(qū)也促使凝膠體系的強(qiáng)度更大。當(dāng)LMP比例為50%～60%時(shí)，凝膠體系吸光度較高，澄清度較差，而由前文可知，此時(shí)的凝膠體系強(qiáng)度較好，進(jìn)一步驗(yàn)證了LMP和HMP之間存在明顯的協(xié)同作用而形成了更大的締合區(qū)，使凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更緊密，持水性和凝膠的強(qiáng)度均增加。

3 結(jié) 論

3.1 大豆皮低酯果膠與高酯果膠的協(xié)同作用賦予復(fù)合凝膠體系較好的凝膠強(qiáng)度和持水能力，將體系的蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)由60%降低至30%，可獲得單獨(dú)高酯果膠在高糖存在情況下的力學(xué)特性和持水能力，但凝膠的透明度有所下降，這個(gè)缺陷并不會(huì)對(duì)其在低糖果醬類產(chǎn)品中的應(yīng)用造成太大影響。

3.2 結(jié)合復(fù)合凝膠體系及單獨(dú)大豆皮低酯和高酯果膠的凝膠的結(jié)合水分子的能力、力學(xué)特性及光學(xué)特性來看，研究表明低酯果膠與高酯果膠分子在共存的情況下會(huì)發(fā)生顯著的協(xié)同作用，凝膠的微觀結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步通過掃描電鏡或激光共聚焦掃描電鏡考察。

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Water-holding Capacity and Mechanical and Optical Characteristics of Soy Hull Low and High Methoxyl Pectin Complex Gel

LIU He，LIU Hao-dong，GUO Xiao-fei，ZHU Dan-shi
(College of Biology and Food Science, Bohai University, Jinzhou 121000, China)

The effects of sucrose content and the ratio of soy hull low to high methooxyl pectins on the water-holding capacity and mechanical and optical characteristics of soy hull low and high methooxyl pectin complex gel were examined in this work. Sucrose content had large effects on all the water-holding capacity and mechanical and optical characteristics of the complex gel and increasing sucrose content resulted in higher water-holding capacity, failure stress, elasticity and clarity. The ratio of soy hull low to high methooxyl pectins also had obvious effects on the above properties, and an appropriate ratio could induce the synergistic effect between molecules of the two pectins and the resultant product had better water-holding capacity and mechanical properties.

soy hull pectin；complex gel；water-holding capacity (WHC)；mechanical characteristics；optical characteristics

TS214.9；TS201.2

A

1002-6630(2010)19-0111-04

2010-01-19

遼寧省教育廳高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2009S001)

劉賀(1979—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槎嗵墙Y(jié)構(gòu)與功能及其修飾。E-mail：cranelau2049@yahoo.com.cn