紅外光對魔芋葡甘聚糖影響研究及優(yōu)化

朱于鵬，汪 超，龔元元，王金華，李冬生，曹約澤

（1湖北工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北省校企共建中心，湖北十堰，442300）

魔芋（konjac）屬天南星科草本塊莖植物，其主成分魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是由D－葡萄糖與D－甘露糖按1∶1.6的比例以β－1，4－糖苷鍵連接的雜多糖［1－2］.分子量可達百萬道爾頓，水溶膠粘度大，其優(yōu)良的增稠性、膠凝性、粘結(jié)性被應(yīng)用于食品、包裝、涂料、生物醫(yī)藥及化妝等領(lǐng)域［3－7］.我國魔芋加工約65%是土炕烘烤和烤房烘烤干燥，一級品率僅20%～70%［8］，常出現(xiàn)“黑心”，“黑角”等質(zhì)量問題.據(jù)文獻［9］報道，紅外輻射干燥不僅縮短干燥時間25%～40%，節(jié)約能源25%～35%，提高產(chǎn)量17.4%，而且解決了“黑心”、“黑角”的問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量.本文通過探討紅外光對KGM的影響，為魔芋的紅外輻照干燥和KGM的保藏提供參考.

1 材料與儀器

1.1 材料與試劑

魔芋精粉購于上海北連食品有限公司，魔芋特級粉，其他試劑均為國產(chǎn)分析純.

1.2 實驗儀器

WS70－1遠紅外干燥器，上海索譜儀器有限公司；DAWN／HELEOS靜態(tài)激光光散射儀，美國懷雅特技術(shù)公司；Opticlab rEX示差折光檢測器，美國懷雅特技術(shù)公司；NDJ－8S數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；Quanta 200SEM，荷蘭FEI.

2 實驗方法

2.1 KGM分子量分析

參照李斌［10］的方法制備 KGM.以0.2mol／L磷酸鹽緩沖液作為稀釋液配制1.0g／L的KGM溶膠，經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾，備用.采用靜態(tài)激光光散射儀分析 GPC－LS聯(lián)用技術(shù)分析：Shodex－G805凝膠柱，Opticlab rEX示差折光檢測器，波長658nm，溫度25℃，流動相0.2mol／L磷酸鹽緩沖溶液，流速1.0mL／min，進樣量20μL.數(shù)據(jù)分析采用Astra軟件.

2.2 KGM水溶膠粘度測量

恒溫25℃水浴中，將KGM樣品分散于離子水中充分溶脹1.0h，配制10g／L的KGM溶膠，測其粘度［11－13］.

2.3 單因素實驗

2.3.1 光強度 將已知分子量（1.34×106D）和水分含量（w＝9.3% ）的KGM置于紅外干燥器中持續(xù)照射時間24h，調(diào)節(jié)KGM樣品位置來恒定設(shè)定的紅外光輻照溫度（49℃、73℃）.調(diào)節(jié)紅外輸出電壓（U）改變光強，分別選取140V、160V、180V、200V和220V電壓處理KGM樣品.

2.3.2 輻照溫度 取2.3.1KGM 照射相同時間，固定電壓220V，調(diào)節(jié)KGM樣品位置改變來輻照溫度，分別選取49℃、55℃、61℃、67℃、73℃和79℃處理KGM樣品.

2.3.3 照射時間 固定電壓220V和輻照溫度55℃，取2.3.1KGM 分別處理12h、24h、36h、48 h、60h、72h.

2.3.4 KGM含水量 含水量測定方法參照國標GB 5009.3－85《食品中水分的測定方法》.利用康氏皿將KGM與不同的飽和鹽溶液恒溫（30℃）作用獲取不同含水量的KGM.固定電壓220V、輻照溫度73℃和照射時間24h，分別對含水量9.3%、10.8%、20.7%、31.3%、42.1%和54.3%的 KGM （分子量1.34×106D）樣品處理.為消除樣品含水量對KGM溶膠粘度的影響，實驗以KGM樣品吸水前的初始質(zhì)量來計量.

2.4 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

根據(jù)SAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件中Box－Benhnken的中心組合實驗設(shè)計原理，選擇單因素實驗中與因變量有明顯相關(guān)性的因素進一步研究探討.

3 結(jié)果與討論

3.1 分子量測定

根據(jù)分子尺寸大小與散射光強的對應(yīng)關(guān)系分析其分子量及分布.圖1可見KGM分子量近似正態(tài)分布，峰寬較窄，重均分子量Mw＝1.34×106，多分散系數(shù)Mw／Mn＝1.12.可見KGM分子大小分布集中，為相對均一多糖.

圖1 KGM的GPC－LS譜圖

3.2 單因素實驗

3.2.1 光強度 不同強度紅外光照射對KGM的影響見圖2.輻照溫度49℃，KGM溶膠隨光強增大，粘度基本不變；73℃表現(xiàn)出49℃類似的規(guī)律，但所有紅外處理樣品均較空白樣品的溶膠粘度顯著降低，這可能與較高輻照溫度有關(guān)，表明在相同輻照溫度下強度變化對KGM粘度沒有明顯影響.

圖2 紅外光強度對溶膠粘度的影響

3.2.2 輻照溫度 由圖3可知，KGM溶膠隨溫度升高，粘度先緩慢上升后急劇下降.實驗測得55℃處理KGM樣品水分含量降至2.7%.表明輻照使KGM樣品水分揮發(fā)，同比溶膠濃度增大，導(dǎo)致粘度升高［11］；隨輻照溫度繼續(xù)升高，KGM吸收輻照能轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能，溫度升高，可能導(dǎo)致分子斷鏈致使溶膠粘度降低.

圖3 紅外光輻照溫度對溶膠粘度的影響

3.2.3 照射時間 圖4顯示隨照射時間延長，55℃下的溶膠粘度先升后降，可能原因是前期樣品水分揮發(fā)致使溶膠濃度增加，后期熱能增加導(dǎo)致斷鏈，致使溶膠粘度下降，表明較高的輻照溫度長時間照射對KGM有明顯的降解作用.

圖4 紅外光照射時間對溶膠粘度的影響

3.2.4 KGM含水量 圖5可見，輻照溫度73℃時溶膠粘度除較空白樣品明顯降低基本不變，含水量大于31.3%的KGM的溶膠粘度逐漸降低.這可能是KGM含水量達到一定值時，分子鏈部分展開，受紅外影響程度較含水量低的樣品加劇，導(dǎo)致分子量下降，溶膠粘度降低.

圖5 KGM初始含水量對溶膠粘度的影響

3.3 響應(yīng)面優(yōu)化實驗

3.3.1 因素水平的選取 通過上面的單因素實驗分析，上述三個因素紅外光持續(xù)照射時間、紅外光輻照熱、KGM的含水量均對KGM水溶膠粘度的影響顯著，具有進一步試驗分析的價值.因此，根據(jù)Box－Benhnken的中心組合實驗設(shè)計原理，對紅外光輻照熱、紅外光持續(xù)照射時間、KGM的含水量三個因素進行更深入研究，所得因素水平如表1所示.

表1 響應(yīng)面分析因素與水平

3.3.2 響應(yīng)面分析方案及結(jié)果 對紅外光輻照熱、紅外光持續(xù)照射時間、KGM的含水量作如下變換：以X1、X2、X3為自變量，以 KGM 水溶劑的粘度為響應(yīng)值（Y），試驗方案及結(jié)果見表2.

表2 響應(yīng)面分析方案及試驗結(jié)果

15個試驗分為析因點和零點，試驗號1－12是析因試驗，13－15是中心試驗.其中析因點為自變量取值在X1、X2、X3所構(gòu)成的三維定點，零點區(qū)域為中心點，零點試驗重復(fù)3次，以估計試驗誤差.以KGM水溶膠的粘度為響應(yīng)值，利用SAS數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件回歸擬合，得到回歸分析結(jié)果如表3，回歸方程為

表3 回歸分析結(jié)果

由表3可知，上述回歸方程描述各因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系時，擬合的多元相關(guān)系數(shù)為R2＝4.6237×109／（4.7283×109）＝0.9779，說明模型對實際情況擬合很好，可以較好地描述各因素與響應(yīng)值之間的真實關(guān)系.若p＜0.05方程是顯著的，則表3中X1、X2、X3、X1X1和X1X2項的影響是顯著的，即一次項和二次項都有顯著性因素，因此各試驗因子對響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系.所以，可以利用該回歸方程確定紅外光對KGM的影響.

響應(yīng)面圖形是響應(yīng)值對各試驗因子X1、X2、X3所構(gòu)成的三維空間的曲面圖，根據(jù)回歸方程作出不同因子的響應(yīng)面分析圖，結(jié)果見圖6.對式（2）一階偏導(dǎo)數(shù)并令其為0得

解式（3）得紅外光對KGM影響最小的條件：X1＝－0.79，X2＝0.18，X3＝－1.10.將其代入式（1）得A＝56.51，B＝40.30，C＝－2.40%，但是C表示水分含量在實際中不可為負值，故C趨近0，即X3趨近0時，代入回歸方程得Y≈71 765.59.即在56.50℃紅外光持續(xù)照射時間為40.30h，KGM的含水量趨近0%處理所得KGM的水溶膠粘度最高71 765.59 mPa·s.

圖6 Y ＝f （X1，X2）／（X1，X3）／（X2，X3）的響應(yīng)面圖

4 結(jié)論

1）紅外光對KGM的影響主要來源于紅外光產(chǎn)生的輻照熱，即紅外光照射過程中產(chǎn)生的較高溫度對KGM的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了破壞，且溫度越高照射時間越長破壞越大，但控制合理，紅外光照射產(chǎn)生的溫度在40～60℃范圍內(nèi)時對KGM有較好的干燥效果，且在一定的時間范圍內(nèi)對其分子結(jié)構(gòu)沒有明顯的影響.

2）KGM的含水量越高，在經(jīng)較高溫度的紅外光照射處理時，其破壞越嚴重，表明KGM含水量越高越不利于保藏.

3）56.50℃紅外光持續(xù)照射40.30h對KGM有很好的干燥效果，且不會破壞KGM分子結(jié)構(gòu)，能在加工中保證KGM品質(zhì)的穩(wěn)定.

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