結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系流變與凝膠特性*

朱桂蘭，陶思遠(yuǎn)，童群義

1(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)2(合肥師范學(xué)院生命科學(xué)系，安徽合肥，230601)

結(jié)冷膠(gellan)是近年來在食品領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的凝膠劑，是由少動鞘鞍醇單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)合成的胞外多糖。結(jié)冷膠最初被稱為多糖S-60，是一個具有四糖重復(fù)單位的陰離子多糖，包括2分子葡萄糖、1分子的葡萄糖酸和鼠李糖(如圖1所示)。在天然結(jié)構(gòu)中，也就是生物合成的，在葡萄糖殘基的2位和6位分別被甘油?；鸵阴；〈?。在商業(yè)化生產(chǎn)中，這兩類基團被在發(fā)酵液的熱堿處理過程中去除，把這種去?；木酆衔锓Q為結(jié)冷膠［1－3］。

圖1 結(jié)冷膠的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of gellan

近年來，學(xué)者們做了大量有關(guān)于結(jié)冷膠應(yīng)用于食品和生物醫(yī)藥工業(yè)的應(yīng)用研究。作為凝膠劑，結(jié)冷膠具有良好的穩(wěn)定性，耐酸、耐高溫、熱可逆以及用量少等特點，同時結(jié)冷膠凝膠質(zhì)地脆性大，并且受陽離子濃度影響，從而限制了結(jié)冷膠的在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因而，在很多的實際應(yīng)用中，通常將2種甚至多種親水膠體復(fù)配使用來改變單一親水膠體在實際生產(chǎn)應(yīng)用中的缺陷，進(jìn)而替代食品原料和改善質(zhì)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)結(jié)冷膠與其他親水膠體具有良好的復(fù)配性能，如結(jié)冷膠與魔芋膠、結(jié)冷膠與木聚糖等［4－9］。黃原膠也是一種微生物多糖，具有突出的高黏度，優(yōu)良的溫度穩(wěn)定性和pH值穩(wěn)定性等特性，其水溶液不能形成凝膠，但一定程度上可以提高復(fù)配膠的黏彈性。

本文以結(jié)冷膠為原料，加入不同比例的黃原膠，利用流變儀、物性測試儀和離心機，研究復(fù)配后體系流變和凝膠特性的變化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低?；Y(jié)冷膠和黃原膠，C.P.Kel Co公司;CaCl2，中國國藥集團。

1.2 儀器與設(shè)備

旋轉(zhuǎn)流變儀AR－100(美國TA儀器公司)，物性測試儀XT21(美國TA儀器公司)，冷凍高速離心機(賽默飛世爾科技有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品的制備

依據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果，選取4個不同配比結(jié)冷膠/黃原膠復(fù)配體系(質(zhì)量比為 10∶0，7∶3，5∶5，3∶7)。準(zhǔn)確稱取不同配比的結(jié)冷膠/黃原膠樣品，加入去離子水調(diào)成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的懸浮液(以干基計)，置于80℃恒溫水浴鍋中充分加熱溶解，然后加入2 mmol/L的Ca2+，最后將蒸發(fā)掉的水分用80℃的去離子水進(jìn)行補充。

1.3.2 流變特性的測定

將制備好的樣品置于流變儀測試平臺上，采用平板-平板測量系統(tǒng)，平板直徑40 mm，設(shè)置間隙1 000 μm，測過程中在夾具邊緣涂上硅油以防止水分蒸發(fā)。每次測試均需更換樣品。

動態(tài)黏彈性測定:溫度70℃，掃描應(yīng)變1%，測定由低頻率(0.1 Hz)至高頻率(100 Hz)內(nèi)貯能模量(G')、損耗模量(G″)的變化。

在結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配體系頻率掃描的線性黏彈區(qū)域，G'和G″隨角頻率的變化可用下面方程進(jìn)行擬合［10］:

其中:G'和G″代表儲能模量和損耗模量，n'和n″分別是其相關(guān)系數(shù)，ω是頻率。K'是每個正弦剪切變形周期儲存和恢復(fù)的能量。它的增加顯示出與彈性凝膠結(jié)構(gòu)形成有關(guān)的樣品的彈性。K″是在1 Hz條件下每個正弦剪切變形周期損耗的以熱量形式散失的能量。

溫度掃描測定:溫度范圍為20～90℃，降溫和升溫速度為5℃/min，掃描頻率為10 rad/s，剪切應(yīng)力為5 s－1。在進(jìn)行溫度掃描之前，需要進(jìn)行動態(tài)應(yīng)變掃描。每次測試均使用新樣品。

1.3.3 凝膠質(zhì)構(gòu)的測定［11］

將制備好的樣品倒入20 mm×20 mm的平皿內(nèi)，室溫放置24 h后進(jìn)行質(zhì)構(gòu)測定。采用物性測試儀對制備的不同條件的共混凝膠進(jìn)行質(zhì)地剖面分析。測定條件:測前速度為2.0 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測后速度 1.0 mm/s，觸發(fā)力 0.049 N，壓縮程度40%。比較凝膠的硬度，彈性和內(nèi)聚性。重復(fù)測量5次，取平均值。

1.3.4 持水性測定［12］

將制備的凝膠體系1 mL左右加入到1.5 mL塑料離心管中，待其凝膠后，于10 000 r/min離心30 min，吸去上層水，測量質(zhì)量差，計算持水能力，持水能力(WHC)計算:

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，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)黏彈性

凝膠體系的動態(tài)黏彈性與其實際應(yīng)用性能直接相關(guān)。儲能模量G＇能反映黏彈性物質(zhì)的類固體的性質(zhì)即彈性和剛性，而損耗模量G″能反映黏彈性物質(zhì)的類液體的性質(zhì)即黏性和流動性［13－14］。結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配體系在70℃時儲能模量和損耗模量隨角頻率的變化如圖1所示，儲能模量和損耗模量隨角頻率的增加而增加。隨復(fù)配體系中黃原膠含量的增加，儲能模量和損耗模量均增加，這表明黃原膠比例的增加不僅提高了復(fù)配體系的彈性，而且提高了流動性。當(dāng)體系中黃原膠的含量在30%以下，儲能模量大于損耗模量;黃原膠含量達(dá)到50%以上，損耗模量大于儲能模量。隨著黃原膠比例的增加，復(fù)配體系表現(xiàn)出更為優(yōu)越的粘彈性。這說明黃原膠可提高復(fù)配體系的粘性和流動性。

圖2 結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系動態(tài)模量的變化Fig.2 Dynamic modulus of gellan-xanthan mixtures

通過方程(1)和方程(2)對復(fù)配體系的線性黏彈區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計算得到的參數(shù)如表所示。從動態(tài)流變數(shù)據(jù)可以看出(表1)，隨黃原膠比例的增加，復(fù)配體系的n'從0.399降至0.258，n″從0.379降至0.212，說明復(fù)配體系的彈性增強。同時K'值和K″值隨黃原膠的比例增加而增大，這可能由于黃原膠的增稠性質(zhì)而提高了結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配體系中連續(xù)相的黏彈性［13］。從這些結(jié)果來看，結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配體系的動態(tài)流變性質(zhì)會受到黃原膠的添加比例的影響，黃原膠的含量對復(fù)配體系的動態(tài)流變性質(zhì)起到?jīng)Q定性的作用。

表1 結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系的方程1和方程2的參數(shù)Table 1 The parameters as determined from Eqs.(1)and(2)of gellan-xanthan mixtures

2.2 動態(tài)溫度掃描

儲能模量G'和損耗模量G″隨溫度的變化過程如圖3所示。不同比例的復(fù)配體系，其溫度掃描曲線呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。以結(jié)冷膠和黃原膠的質(zhì)量比7∶3為例，降溫至41.2℃時模量突然增加，這個突變點被認(rèn)為是凝膠溫度的臨界點［15－16］。隨溫度的逐漸降低，儲能模量G'和損耗模量G″會進(jìn)一步增加，在溫度最低時達(dá)到最大值。在升溫階段，復(fù)配體系的儲能模量G'和損耗模量G″明顯降低，當(dāng)溫度達(dá)到最高時，G'和G″達(dá)到最低值。結(jié)果表明，該復(fù)配體系具有黏彈性聚合物的基本特點，即黏彈性隨溫度升高而下降。從圖3中的降溫過程可以看出，隨著黃原膠比例的增加，儲能模量G'和損耗模量G'增加，凝膠溫度略有升高。這可能說明了結(jié)冷膠與黃原膠分子鏈之間存在著相互作用。

圖3 升溫和降溫過程中復(fù)配體系儲能模量和損耗模量的變化Fig.3 Master curvers of storage modulus(G')and loss modulus(G″)for increaning temperature and decreasing temperature of gellan-xanthan mixtures

2.3 結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系凝膠質(zhì)構(gòu)

質(zhì)構(gòu)是反映凝膠性質(zhì)的重要因素之一，全質(zhì)構(gòu)分析產(chǎn)生的參數(shù)可以評價凝膠的性質(zhì)［17］。不同比例的結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配體系的凝膠質(zhì)構(gòu)如圖4所示，黃原膠的添加顯著降低了復(fù)配凝膠的硬度(圖4－a)，這種現(xiàn)象在結(jié)冷膠和其他多糖復(fù)配中也有報道［6，12］，因此，在復(fù)配體系中，結(jié)冷膠是決定凝膠硬度的關(guān)鍵性因素［18］。還可以說明在復(fù)配體系中，凝膠硬度主要來自于結(jié)冷膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而不是聚合物的重排。

彈性也是表征凝膠性質(zhì)的一個重要的TPA參數(shù)，高彈性的凝膠在TPA第一次壓縮的過程中形成幾個大的碎片，而低彈性的凝膠會形成許多非常小的碎片［6，12］。隨著黃原膠比例的增加，凝膠彈性增加，在7∶3時最大(圖4－b)。說明黃原膠與結(jié)冷膠分子間的纏繞使其復(fù)配體系形成了質(zhì)地更為柔軟的凝膠。如圖(4－c)所示，黃原膠可提高復(fù)配體系凝膠的內(nèi)聚性。

2.4 結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系凝膠持水力

結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配凝膠的持水力如圖4所示，所測試的樣品均呈現(xiàn)良好的持水能力，數(shù)值均大于90%，在結(jié)冷膠和黃原膠質(zhì)量比為7∶3、5∶5時，其持水力分別為98.3%、97.36%，高于純結(jié)冷膠的持水力(96.79%)，但當(dāng)黃原膠的比例增大到3∶7時，其持水力下降。這與前面全質(zhì)構(gòu)分析中彈性的結(jié)果一致，分析原因可能是黃原膠為增稠劑，結(jié)冷膠為凝膠劑，在復(fù)配體系中結(jié)冷膠的比例較大時，黃原膠穿插在凝膠體系中，所以有較高的持水力［19］。

圖4 結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系凝膠質(zhì)構(gòu)Fig.4 Textural properties of gellan-xanthan mixtures

圖5 結(jié)冷膠與黃原膠復(fù)配體系的持水力Fig.5 Water holding capacity(WHC)of the gellan-xanthan mixtures

3 結(jié)論

(1)動態(tài)頻率掃描表明，黃原膠可提高結(jié)冷膠-黃原膠復(fù)配體系的粘彈性和流動性，黃原膠的含量對復(fù)配體系的動態(tài)流變性質(zhì)起到?jīng)Q定性的作用。

(2)溫度掃描實驗中，隨著黃原膠比例的增加，儲能模量G'和損耗模量G″增加，凝膠溫度升高。說明了結(jié)冷膠與黃原膠分子鏈之間存在著一定的相互作用。

(3)結(jié)冷膠是結(jié)冷膠-黃原膠復(fù)配體系的凝膠硬度的決定性因素，黃原膠的添加會提高復(fù)配體系的粘彈性、內(nèi)聚性和持水力。

總之，在結(jié)冷膠和黃原膠復(fù)配體系中，2種聚合物相互混合，形成單獨的凝膠彼此滲透，形成了一個互相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用復(fù)配的方法，可改善結(jié)冷膠本身性能的不足，從而拓寬結(jié)冷膠在食品中的應(yīng)用。通過對結(jié)冷膠和黃原膠流變和質(zhì)構(gòu)的研究，為探討大分子多糖間復(fù)配機理及其性能影響規(guī)律的基本依據(jù)。

［1］ Bajaj I B，Survase S A，Saudagar P S，et al.Gellan gum:Fermentative production，downstream processing and applications［J］.Food Technology and Biotechnology，2007，45(4):341－354.

［2］ Banik R M，Kanari B，Upadhyay S N.Exopolysaccharide of the gellan family:prospects and potential［J］.World Journal of Microbiology and Biotechnology，2000，16(5):407－414.

［3］ Fialho A M，Moreira L M，Granja A T，et al.Occurrence，production，and applications of gellan:Current state and perspectives［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2008，79(6):889 －900.

［4］ Banerjee S，Bhattacharya S.Compressive textural attributes，opacity and syneresis of gels prepared from gellan，agar and their mixtures［J］.Journal of Food Engineering，2011，102(3):287 －292.

［5］ Miyoshi E，Takaya T，Williams P A，et al.Effects of sodium chloride and calcium chloride on the interaction between gellan gum and konjac glucomannan［J］.Journal of Agricultural and Food Chemistry，1996，44(9):2 486 －2 495.

［6］ Lau M H，Tang J，Paulson A T.Texture profile and turbidity of gellan/gelatin mixed gels［J］.Food Research International，2000，33(8):665 －671.

［7］ Lau M H，Tang J，Paulson A T.Effect of polymer ratio and calcium concentration on gelation properties of gellan/gelatin mixed gels［J］.Food Research International，2001，34(10):879－886.

［8］ Miyoshi E，Takaya T，Williams P A，et al.Rheological and DSC studies of mixtures of gellan gum and konjac glucomannan［J］.Macromolecular Symposia，1997，120(1):271－280.

［9］ Nitta Y，Kim B S，Nishinari K，Shirakawa M，et al.Synergistic gel formation of xyloglucan/gellan mixture as studied by rheology，DSC and circular dichroism［J］.Biomacromolecules，2003，4(6):1 654 －1 660.

［10］ Kim C，Yoo B.Rheological properties of rice starch －xanthan gum mixtures［J］.Journal of Food Engineering，2006，75(1):120 －128.

［11］ Huang M，Kennedy J F，Li B，et al.Characters of rice starch gel modified by gellan，carrageenan，and glucomannan:A texture profile analysis study［J］.Carbohydrate Polymers，2007，69(3):411 －418.

［12］ Huang Yiqun，Juming Tang，Barry G.et al.Effect of calcium concentration on textural properties of high and low acyl mixed gellan gels［J］.Carbohydrate Polymers，2003，54(1):517－522.

［13］ Higiro J，Herald T J，Alavi S.Rheological study of xanthan and locust bean gum interaction in dilute solution［J］.Food Research International，2006，39(2):165 －175.

［14］ Higiro J，Herald T J，Alavi S，et al.Rheological study of xanthan and locust beangum interaction in dilute solution:Effect of salt［J］.Food Research International，2007，40(4):435－447.

［15］ Tang J，Tung M A，Zeng Y.Gelling properties of gellan solutions containing monovalent and divalent cations［J］.Journal of Food Science，1997，62(4):688 －692，712.

［16］ Tang J，Tung M A，Zeng Y.Gelling temperature of gellan solutions containing calcium ions［J］.Journal of Food Science，1997，62(4):276 －280.

［17］ Foo W T，Liong M T，Easa A M.Textural and structural breakdown properties of selected hydrocolloid gels［J］.Food Research International， http://dx.doi.org/10.1016/j.foodres，2011.07.044.

［18］ Lee K Y，Shim J，Bae I Y，Cha J，et al.Characterization of gellan/gelatin mixed solutions and gels［J］.LWTFood Science and Technology，2003，36(8):795 －802.

［19］ Saha D，Bhattacharya S.Hydrocolloids as thickening and gelling agents in food:a critical review［J］.Journal of Food Science and Technology，2010，47(6):587 －597.