蔗糖和果糖對羅非魚皮明膠流變性質(zhì)的影響

張志平,彭　帥,牛麗紅,黃軼群,樊玉霞,賴克強

(上海海洋大學食品學院,上海 201306)

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蔗糖和果糖對羅非魚皮明膠流變性質(zhì)的影響

張志平,彭帥,牛麗紅,黃軼群,樊玉霞,賴克強*

(上海海洋大學食品學院,上海 201306)

以羅非魚皮明膠為原料,探討了添加不同濃度(5.0%、10.0%、15.0%，w/w)的蔗糖和果糖對明膠溶液(1.5%、2.0%、4.0%、6.67%，w/w)pH、黏度、凝膠點和熔化點的影響。實驗結果表明:蔗糖和果糖基本不改變明膠溶液的pH;隨著明膠濃度的增加,其黏度值分別為1.7、2.2、5.0、13.3 mPa·s,二者之間呈二項式增大趨勢(R2=0.9994),其凝膠點(TG)和熔化點(TM)分別為11.7、14.6、18.8、21.2 ℃和26.0、26.7、27.8、28.9 ℃,呈對數(shù)增大趨勢(R2=0.9949、1);加入糖后,明膠體系的黏度隨明膠濃度的增加呈二項式增大趨勢(R2=0.9993～0.9997),其凝膠點和熔化點也隨之增大,相同濃度的蔗糖對凝膠點和熔化點的影響比果糖強;添加糖前后明膠熔化點或凝膠點絕對溫度的倒數(shù)與明膠濃度的對數(shù)呈線性關系(R2=0.9772～0.9886),符合Eldridge-Ferry模型,可根據(jù)該模型求得明膠凝膠過程或熔化過程焓中的值。

明膠,蔗糖,果糖,流變性質(zhì)

明膠是一種天然蛋白質(zhì),可從哺乳動物的皮、骨和結締組織中提取獲得,并且具有良好的膠凝性、熱可逆性和“入口即化”等性質(zhì),因此常作為穩(wěn)定劑、增稠劑和膠凝劑被廣泛應用在食品工業(yè)中[1-2]。但由于宗教信仰或素食主義等原因,傳統(tǒng)牛皮膠和豬皮膠產(chǎn)品的應用受到限制,因此人們開始尋求從魚類組織中提取明膠[3-4]。

我國是水產(chǎn)品生產(chǎn)和貿(mào)易大國,總量居世界第一位[5]。羅非魚由于具有生長快、肉質(zhì)好、易養(yǎng)殖和產(chǎn)量高等特點,成為養(yǎng)殖的主要魚種之一。目前,羅非魚產(chǎn)量中的大部分用于加工成冷凍魚片出口,生產(chǎn)加工過程剩下的大量魚皮、魚鱗等下腳料是提取明膠潛在的良好原料[6],而且羅非魚皮明膠的理化性質(zhì)(如凝膠強度和黏度等)更接近哺乳動物明膠,使其成為一種良好的哺乳動物明膠替代品[7]。流變性質(zhì)是反映有些食品品質(zhì)的重要指標,在一些食品(如甜點、果凍、酸奶等)的生產(chǎn)過程中除了加入明膠外,也常加入蔗糖和果糖等作為甜味劑以改善風味,而且糖的加入也影響著膠體的流變性能。Choi Y H[8]等研究了蔗糖、葡萄糖和果糖對2.0%(w/w)明膠溶液動態(tài)粘彈性質(zhì)的影響,指出明膠的儲能模量隨糖的含量而變化,糖分子中的羥基可與明膠蛋白質(zhì)分子形成氫鍵,提高明膠體系穩(wěn)定性。Choi S S[9]報道蔗糖可提高明膠的熔化溫度。Naftalin R J[10]等研究了糖類對明膠穩(wěn)定性的影響,但很少有文獻報道糖-明膠體系的流變性質(zhì)與明膠濃度變化之間關系。

表1　添加不同濃度的蔗糖和果糖對明膠pH的影響

本實驗研究了添加不同濃度的蔗糖和果糖對不同濃度明膠溶液的pH、黏度、凝膠點和熔化點的影響及其與明膠濃度的關系,旨在為蔗糖、果糖和明膠在食品加工中的應用提供理論指導。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

羅非魚皮海南翔泰漁業(yè)有限公司;羅非魚皮明膠參照Niu[11]等人的方法提取;pH緩沖試劑上海雷磁創(chuàng)益儀器儀表有限公司;D-(-)-果糖(99%)、蔗糖(99%)美國Sigma公司。

DV215CD分析天平美國Ohaus公司;PHS-3C pH計上海精密儀器有限公司;IS-RDD3型臺式恒溫振蕩器美國精騏有限公司;MCR301流變儀奧地利Anton Paar公司。

1.2實驗方法

1.2.1樣品溶液的配制分別稱取不同質(zhì)量的明膠于4個燒杯(100 mL)之中,加入去離子水,在室溫下放置1 h使其充分溶脹,隨后置于50 ℃搖床中溶解30 min,配制成濃度為1.5%、2.0%、4.0%和6.67%(w/w)的明膠溶液。向上述制備好的明膠溶液中分別加入一定量的蔗糖或果糖,溶解、攪拌均勻后使明膠溶液中糖的濃度分別為5.0%、10.0%、15.0%(w/w),未加入糖的明膠溶液作為對照組。

1.2.2pH的測定pH的測定參照Avena-Bustillos R J[12]等人的方法。在25 ℃條件下使用pH計測定樣品溶液的pH,每個樣品重復測定3次。測定前使用兩點矯正法,即pH為6.68和4.0的緩沖溶液校正儀器。

1.2.3黏度的測定根據(jù)See S F[13]等人的方法使用流變儀測定樣品的黏度。測試前將樣品置于40 ℃下穩(wěn)定20 min,設定剪切速率從0.1 s-1升至100 s-1,進行變剪切速率掃描得到流動曲線,當剪切速率為50 s-1時得到樣品的黏度值[14],每個樣品重復測定3次。

1.2.4凝膠點和熔化點的測定根據(jù)Kosaraju S L[15]等人的方法使用流變儀測定樣品的凝膠點和熔化點。具體過程如下:將樣品倒入測試圓筒,在40 ℃條件下穩(wěn)定10 min,再以0.5 ℃/min的速率降低至2 ℃,并在2 ℃條件下穩(wěn)定10 min,然后以相同的速率升溫至40 ℃。測試中使用的應變?yōu)?.5%,頻率為1 Hz。以降溫過程和升溫過程中彈性模量與損耗模量的交點分別作為其凝膠點和熔化點,樣品均重復測定3次。

1.3數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2007進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,用軟件Origin 8.0對數(shù)據(jù)進行擬合。

2　結果與討論

2.1蔗糖和果糖對明膠溶液pH的影響

蔗糖和果糖對明膠體系pH的影響如表1所示。在25 ℃條件下,1.5%～6.67%明膠溶液的pH范圍為5.21～5.23,添加5.0%～15.0%的蔗糖和果糖后明膠溶液的pH范圍分別為5.19～5.23和5.21～5.24,明膠溶液的pH略有變化,但并不顯著(p>0.05),這可能是因為糖、明膠蛋白質(zhì)分子和水之間通過氫鍵形成糖-明膠-水三元體系,僅微弱地改變了明膠蛋白質(zhì)分子解離出H+的能力,對明膠溶液的pH基本無影響[10]。

2.2蔗糖和果糖對明膠黏度的影響

圖1所示為6.67%明膠的黏度,剪切速率-剪切應力曲線隨蔗糖和果糖濃度的變化關系。在40 ℃時,測得6.67%(w/w)明膠溶液的黏度為13.3 mPa·s,且不隨其剪切速率而改變(如圖1),表明其屬于牛頓流體,與Marcotte M[16]等人的報道結果一致。同樣的方法測得濃度為1.5%、2.0%和4.0%明膠溶液的黏度值分別為1.7、2.2、5.0 mPa·s,且黏度不隨剪切速率而改變,屬于牛頓流體。隨著明膠濃度增加,黏度呈二項式升高趨勢(圖2,R2=0.9994),與Yang[17]的實驗結果相符。這主要是因為隨著明膠濃度的增加,明膠蛋白質(zhì)分子的螺旋結構含量越高,單螺旋鏈的連接點增加,使肽鏈聚集形成更強的交聯(lián)結構,增大其剪切應力,明膠體系的黏度也隨之增大[18]。

圖1　6.67%明膠的黏度,剪切速率-剪切應力曲線隨蔗糖和果糖濃度的變化Fig.1　Changes in viscosity,shear rate-shear stress curves of 6.67% gelatin with sucrose and fructose concentrations

加入蔗糖和果糖后溶液的黏度不隨剪切速率而改變(分別為圖1A和圖1B),仍屬于牛頓流體。隨著蔗糖濃度的增加,體系黏度和剪切速率-剪切應力斜率也隨之增加。當添加蔗糖的含量為5.0%、10.0%、15.0%時,6.67%明膠溶液的黏度分別為15.8、19.0、24.4 mPa·s;當添加果糖的含量為5.0%、10.0%、15.0%時,6.67%明膠溶液的黏度分別為15.9、19.1、23.9 mPa·s。蔗糖和果糖對明膠體系黏度的改變相似,加入糖后明膠體系黏度與明膠濃度的關系也呈二項式增加趨勢(圖2,R2=0.9993～0.9997),這主要是因為蔗糖和果糖中的羥基與明膠蛋白質(zhì)分子中的化學基團作用生成氫鍵,有利于蛋白質(zhì)分子之間的聚集,削弱了體系的流動性而使黏度增大;另外,蔗糖和果糖溶液本身的黏度也隨著濃度的增加而增大,因此明膠溶液的黏度隨蔗糖和果糖濃度的增加而增大,這些研究結果與有關文獻報道結論一致[19-20]。

圖2　明膠黏度隨蔗糖和果糖濃度的變化Fig.2　Changes in viscosity of gelatin with various sucrose and fructose concentrations

2.3蔗糖和果糖對明膠凝膠點和熔化點的影響

濃度為1.5%、2.0%、4.0%、6.67%明膠溶液的凝膠點和熔化點為別11.7、14.6、18.8,21.2 ℃和26.0、26.7、27.8、28.9 ℃。明膠濃度越高,其凝膠點和熔化點也越高,這是因為較高濃度的明膠溶液中含有較多的螺旋和無規(guī)則卷曲結構,分子間的交聯(lián)點增加,從而有助于蛋白質(zhì)分子間形成更致密的交聯(lián)結構[21]。如圖3所示,明膠溶液的濃度與其熔化點和凝膠點之間呈對數(shù)關系(R2(TM)=0.9949,R2(TG)=1),由此可從建立的關系式中計算出其他明膠溶液的凝膠點和熔化點。

圖3　明膠濃度與熔化點和凝膠點的關系Fig.3　Relationship between gelatin concentration and melting temperature or gelling temperature

圖4所示為明膠濃度、糖濃度與熔化點和凝膠點之間的關系。從圖4中可知,添加糖的濃度越高,明膠體系的熔化點和凝膠點也越大,明膠溶液(1.5%、2.0%、4.0%、6.67%，w/w)中添加15.0%的蔗糖和果糖后其熔化點分別增加4.8%,4.7%,4.7%,4.3%和2.2%,2.3%,2.4%,1.8%,蔗糖和果糖添加之后體系的熔化點都增加,但添加蔗糖后熔化點增加的幅度較為明顯,這主要是因為蔗糖和果糖分子中的羥基與明膠蛋白質(zhì)分子內(nèi)的羥基等基團形成氫鍵,增強了明膠的網(wǎng)狀交聯(lián)結構和熱穩(wěn)定性,因蔗糖分子的羥基比果糖多,形成的糖-明膠-水三元體系更穩(wěn)定,所以蔗糖對明膠熔化點的改變稍強于果糖[8,10]。Eldridge J E[22]等報道明膠濃度的對數(shù)與其熔化點絕對溫度的倒數(shù)呈線性關系,Eldridge-Ferry模型如下:

式(1)

其中c表示明膠濃度×100,ΔH表示熔化焓,R為氣體摩爾熱函數(shù),T為熔化點的絕對溫度。本研究中,將明膠濃度的對數(shù)與加入蔗糖或果糖后體系熔化點或凝膠點絕對溫度的倒數(shù)作圖(圖4),發(fā)現(xiàn)均存在很好的線性關系(R2=0.9772～0.9934),與Eldridge J E-Ferry J D模型相吻合。根據(jù)得到的數(shù)學模型,不但可求得添加糖后其它明膠體系的凝膠點和熔化點,還可計算出熔化過程和凝膠過程焓的值。

圖4　明膠濃度及添加蔗糖或果糖后與熔化點和凝膠點的關系Fig.4　Relationship between gelatin concentration and absolute temperature of melting and gellingwith sucrose or fructose concentrations

3　結論

研究了蔗糖和果糖對羅非魚皮明膠pH、黏度、凝膠點和熔化點的影響。實驗結果表明添加蔗糖和果糖不影響明膠溶液的pH。明膠的黏度隨其濃度的增加均呈二次項增大趨勢(R2=0.9993～0.9997),加入糖后，這種趨勢不改變，蔗糖和果糖對明膠黏度的影響相似。添加糖后,明膠體系的凝膠點和熔化點也隨之增大,且相同濃度的蔗糖對凝膠點和熔化點的影響比果糖強,凝膠點和熔化點絕對溫度的倒數(shù)與明膠濃度的對數(shù)呈線性關系(R2=0.9772～0.9886),符合Eldridge -Ferry模型,根據(jù)得到的數(shù)學模型不但可求得添加糖之后其他明膠體系的凝膠點和熔化點,還能計算出凝膠過程和熔化過程中焓的值。

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Effect of sucrose and fructose on the rheological properties of gelatin derived from tilapia skin

ZHANG Zhi-ping,PENG Shuai,NIU Li-hong,HUANG Yi-qun,FAN Yu-xia,LAI Ke-qiang*

(College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The influence of sucrose or fructose(5.0%,10.0%,15.0% w/w)on pH,viscosity,gelling point and melting point of fish gelatin(1.5%,2.0%,4.0%,6.67%,w/w)was investigated in this paper. The results showed that the pH of gelatin solutions did not change with the addition of sucrose and fructose. The viscosity of gelatin(1.5%～6.67% w/w)were 1.7,2.2,5.0,13.3 mPa·s respectively,which were increased binomially(R2=0.9994)with the gelatin concentration went up. The gelling points(TG)were 11.7,14.6,18.8,21.2 ℃ and the melting points(TM)were 26.0,26.7,27.8,28.9 ℃ with the increase of gelatin concentration,both TGand TMwere increased logarithmically(R2=0.9949 and 1,respectively).After the addition of sucrose or fructose,the viscosity of solutions were also increased binomially(R2=0.9993～0.9997). The concentration effect of sucrose on TGand TMof gelatin was stronger than fructose. A nearly linear relation(R2=0.9772～0.9886)was found between the logarithm of the gelatin concentration and the reciprocal absolute temperature of melting or gelling,which was in line with Eldridge-Ferry model.

fish gelatin;sucrose;fructose;rheological properties

2016-01-12

張志平(1989-),男,碩士研究生,研究方向:功能性食品開發(fā),E-mail:zhangzhiping1989@163.com。

賴克強(1976-),男,博士,副教授,主要從事食品質(zhì)量與分析及功能性食品開發(fā),E-mail:kqlai@shou.edu.cn。

上海市教委創(chuàng)新項目(14YZ123)。

TS254.9

A

1002-0306(2016)13-0262-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.045