青稞β葡聚糖凝膠熱特性、動(dòng)態(tài)粘彈性及微觀結(jié)構(gòu)研究

邵　舒,董吉林,*,申瑞玲,孫永敢

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,河南鄭州 450000;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450000)

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邵舒1,2,董吉林1,2,*,申瑞玲1,2,孫永敢1,2

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品與生物工程學(xué)院,河南鄭州 450000;2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院食品生產(chǎn)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,河南鄭州 450000)

本文采用差示掃描量熱儀(DSC)、動(dòng)態(tài)粘彈譜儀(DMA)及原子力顯微鏡(AFM)研究了青稞β-葡聚糖(BG)凝膠的熱特性、動(dòng)態(tài)粘彈性及微觀結(jié)構(gòu)變化,旨在為BG凝膠在食品中的應(yīng)用提供依據(jù)。DSC結(jié)果表明,當(dāng)樣品的儲(chǔ)存溫度相同時(shí),BG凝膠隨著濃度的升高起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc)及熱焓值(ΔH)增加;而當(dāng)樣品濃度相同時(shí),凝膠熱穩(wěn)定性隨溫度增加而降低;DMA實(shí)驗(yàn)表明,BG凝膠的濃度越大、形成溫度越低,彈性響應(yīng)的系數(shù)(G′)值越大,表明BG分子間的交聯(lián)增加,凝膠的彈性增強(qiáng);AFM結(jié)果顯示青稞BG分子會(huì)發(fā)生自然聚集,且隨著濃度增加和存放時(shí)間的延長(zhǎng),聚集程度就越高,當(dāng)其濃度為100 μg/mL時(shí)樣品中就會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀聚集結(jié)構(gòu)。

青稞β-葡聚糖,凝膠,熱特性,動(dòng)態(tài)粘彈性,微觀結(jié)構(gòu)

隨著生活水平的提高,人們的膳食結(jié)構(gòu)也在悄然的發(fā)生著變化,膳食纖維的攝入量與健康的關(guān)系引起了人們的關(guān)注。青稞富含膳食纖維,特別是其中的β-葡聚糖(BG),作為一種水溶性膳食纖維具有調(diào)節(jié)血糖、降低膽固醇、增強(qiáng)免疫力等生理功能[1],因此,富含BG青稞食品的研發(fā)也受到行業(yè)的重視。BG是一種大分子粘性多糖,在一定條件下能夠形成凝膠,并具有增稠和乳化穩(wěn)定性,因此,也可作為食品配料應(yīng)用于乳制品、肉制品等多種食品中[2]。但由于原料的不同、BG制備方法和分子大小的不同,BG形成凝膠的條件和性質(zhì)也存在很大差異。Burkus[3]等人研究了溫度和濃度對(duì)大麥BG凝膠形成的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)濃度的增加和黏度的減小有利于BG凝膠的形成,且凝膠的強(qiáng)度也隨濃度的增加和黏度的減小而增大。Vassilis[4]研究發(fā)現(xiàn)大麥BG分子越小凝膠形成的速率越快,但形成凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性和BG分子量成正比。Lrakli[5]等人研究了多羥基化合物對(duì)大麥BG凝膠的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在6%(w/v)的大麥BG溶液中分別添加30%(w/v)的葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖、核糖,都能夠延緩凝膠形成時(shí)間延長(zhǎng),并影響凝膠的強(qiáng)度。但針對(duì)我國(guó)產(chǎn)青稞BG的凝膠方面的研究,特別是對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)變化研究較少,因此,本實(shí)驗(yàn)以青稞BG凝膠為研究對(duì)象,對(duì)青稞BG凝膠的熱特性、動(dòng)態(tài)粘彈性及微觀動(dòng)態(tài)聚集過程進(jìn)行細(xì)致的研究,目的是深入了解BG結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,為富含BG青稞食品的研發(fā)提供理論依據(jù)。

表1　濃度及溫度對(duì)青稞BG凝膠的熱特性參數(shù)的影響Table 1　Effect of concentration and temperature on the thermal parameters of hulless barley β-glucans gel

注:平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3),不同字母代表差異顯著(p<0.05)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

青稞BG(純度為98.1%,相對(duì)分子量為9×103～1.0×104)西藏圣伯力生物技術(shù)有限公司;β-葡聚糖測(cè)試試劑盒愛爾蘭Megazyme公司。

Nanoscopy Ⅲa型原子力顯微鏡美國(guó)VECCO公司;T6新世紀(jì)紫外-可見分光光度計(jì) 北京普析通用儀器有限公司;JA1203電子天平海越平科學(xué)儀器有限公司;Q100型差示掃描量熱儀美國(guó)TA公司;Q800型動(dòng)態(tài)粘彈譜儀美國(guó)TA公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1青稞BG凝膠的制備參照文獻(xiàn)[6]并對(duì)其方法加以改進(jìn),將青稞BG加入蒸餾水中,配制成不同濃度的BG溶液(3.6%,4.8%和6.0%),在95 ℃水浴中加熱800 r/min攪拌2 h。然后一組放置在溫度為21 ℃的環(huán)境中,而另一組置于冰箱中(5 ℃)。放置48 h后對(duì)其特性進(jìn)行研究。

1.2.2青稞BG凝膠熱特性的測(cè)定準(zhǔn)確稱量2.5 mg樣品于40 μL鋁質(zhì)樣品盤中,加入蒸餾水分別配制成濃度為3.6%、4.8%、6.0%的BG凝膠溶液,密封后置室溫下平衡2 h。利用DSC測(cè)定樣品的熱特性,參數(shù)設(shè)置為:從25 ℃開始升溫,以3 ℃/min的速率升溫到100 ℃,并且用密封空的鋁盒做參比。結(jié)果以吸熱曲線表示,測(cè)定凝膠糊化的起始溫度T0,峰值溫度Tp,終止溫度Tc并計(jì)算熱焓值ΔH。

1.2.3青稞BG凝膠動(dòng)態(tài)粘彈性的測(cè)定采用DMA測(cè)定不同濃度青稞BG凝膠的儲(chǔ)能模量(G')隨溫度的變化。測(cè)定設(shè)置為:從25 ℃開始升溫,以3 ℃/min的速率升溫到100 ℃,升溫速率為3 ℃/min,選用單懸臂梁的夾具,應(yīng)力0.5 g。

1.2.4青稞BG凝膠形成的微觀結(jié)構(gòu)表征采用滴液沉積法制備樣品,將青稞BG放入重蒸水中,在85 ℃水浴中充分溶解1 h,降到室溫后過0.45 μm微孔濾膜,然后稀釋成1、20、50、100、200 μg/mL系列濃度的樣品,將1 μg/mL的樣品直接制樣實(shí)驗(yàn),將20、50、100、200 μg/mL系列濃度的樣品室溫儲(chǔ)存20 d再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。制樣時(shí)取3 μL樣品溶液滴加在洗凈的硅片上,放在無塵的環(huán)境中自然揮發(fā)干燥,制好的樣品用Nanoscopy Ⅲa型原子力顯微鏡成像,采用輕敲模式,在室溫和正常大氣濕度下操作,掃描范圍為10 μm×10 μm。

1.2.5數(shù)據(jù)分析每個(gè)實(shí)驗(yàn)均平行測(cè)定3次,采用Origin對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并作圖,用SPSS軟件分析數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與討論

2.1青稞BG凝膠熱特性

DSC是獲得高聚物在構(gòu)象轉(zhuǎn)變時(shí)熱力學(xué)變化信息的有效手段。濃度及溫度對(duì)青稞BG凝膠熱特性影響的分析結(jié)果如表1所示,青稞BG凝膠的DSC曲線如圖1所示。由表1可以看出,BG凝膠轉(zhuǎn)化為熔膠的過程中,吸收熱量在55～80 ℃之間,這和Lazaridou[7-8]等人的報(bào)道結(jié)果是一致的。從表1中還可以看出,5、21 ℃形成的凝膠的起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc),及熱焓值(ΔH)值都隨著凝膠濃度的增加而增加。這是因?yàn)榍囡鼴G凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成是通過分子鏈的聚集、交聯(lián)和纏繞等作用形成的,隨著濃度的增大,分子鏈密度增大,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中能夠形成更多的交聯(lián)點(diǎn)和交聯(lián)區(qū)域,從而使得凝膠在熔化時(shí)需要吸收較多的熱量以破壞氫鍵等的交聯(lián)作用,從而使得ΔH隨著濃度的升高而增大;濃度高時(shí)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也更致密,穩(wěn)定性增強(qiáng),使得T0、Tp、Tc升高[9]。當(dāng)凝膠的濃度相同時(shí),5 ℃形成的凝膠熱焓值(ΔH)要小于21 ℃形成的凝膠,但融化溫度起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc)卻高于21 ℃形成的凝膠,這表明在相同濃度的體系中,和21 ℃形成的凝膠相比,5 ℃形成的凝膠具有更致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)且穩(wěn)定性較強(qiáng)。

圖1　青稞BG DSC曲線Fig.1　The DSC curve of hulless barley β-glucans gel

2.2青稞BG凝膠動(dòng)態(tài)粘彈性

青稞BG凝膠動(dòng)態(tài)粘彈性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2,G′是對(duì)于彈性響應(yīng)的系數(shù)。由圖2可以看出G凝膠在加熱時(shí)G′值隨著溫度的升高而下降,這因?yàn)槟z在加熱時(shí)發(fā)生凝膠向熔膠的轉(zhuǎn)變,交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞,表現(xiàn)為儲(chǔ)能模量G′隨溫度升高而下降,轉(zhuǎn)化的溫度不是出現(xiàn)在某一溫度值,而是在某一溫度區(qū)間內(nèi)G′值劇烈的下降[10]。對(duì)于同一儲(chǔ)存溫度的BG,當(dāng)樣品濃度從4.8%增大到6.0%時(shí),G′值大幅度增加,這是因?yàn)镚′值被用來衡量凝膠網(wǎng)絡(luò)的連通性,與聚集的微觀結(jié)構(gòu)中交聯(lián)點(diǎn)的數(shù)量和強(qiáng)度有關(guān),而G′值的大小與樣品的濃度有很大的相關(guān)性,所以隨著濃度的增加BG聚合物之間的交聯(lián)區(qū)域和粘度都會(huì)增加[11-12]。從圖中還可以看出,當(dāng)BG濃度相同時(shí),5 ℃形成凝膠的G′值大于21 ℃形成凝膠的G′值,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,凝膠結(jié)構(gòu)中的氫鍵等交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞,交聯(lián)區(qū)域減少,從而G′值下降,凝膠彈性下降。從圖2中還可以看出,隨著凝膠濃度的增加,凝膠形成的溫度對(duì)G′值的影響加大,這是因?yàn)楹?1 ℃條件下形成的凝膠相比,5 ℃條件下形成的凝膠具有更加牢固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),溫度是影響凝膠形成的一個(gè)重要因素[13]。根據(jù)Morgan[14]等人研究發(fā)現(xiàn),青稞BG凝膠的形成是通過分子鏈之間的相互作用和交聯(lián)區(qū)域的聚集等作用形成的,且融化溫度較低,在40～80 ℃之間。

圖2　濃度及溫度對(duì)青稞BG凝膠動(dòng)態(tài)粘彈性的影響Fig.2　Effect of concentration and temperature on dynamic viscoelasticity the of hulless barley β-glucans gel

圖3　青稞BG凝膠的AFM圖Fig.3　AFM photographs of hulless barley β-glucans gel注:a～e青稞BG的濃度分別為1、20、50、100、200 μg/mL。

2.3青稞BG凝膠的微觀結(jié)構(gòu)表征

實(shí)驗(yàn)研究了青稞BG在稀溶液中的存在狀態(tài),結(jié)果如圖3,圖3a為新鮮配制的1 μg/mL的樣品原子力顯微鏡掃描圖片,由圖可以看到硅片上的BG分子呈現(xiàn)為細(xì)小的圓形顆粒,數(shù)量較多,也有細(xì)長(zhǎng)的近似微纖維的結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)看上去比較緊密;溶液經(jīng)過20 d儲(chǔ)存后,不同濃度的樣品實(shí)驗(yàn)得到的原子力顯微鏡圖片表現(xiàn)出不同的分子聚集狀態(tài),圖3b是濃度為20 μg/mL的樣品,由圖可以清晰地看到硅片上的BG分子聚集為較大的圓形顆粒,顆粒大小一致性較好,而且顆粒中間部分較致密,而邊緣部分相對(duì)稀疏,呈毛絨狀;當(dāng)濃度增大到50 μg/mL時(shí)(圖3c),樣品中出現(xiàn)長(zhǎng)的纖維,圓形的顆粒狀聚集物變得稀少,纖維形狀不是規(guī)則的直線型,而是略帶彎曲,纖維粗細(xì)也不均勻;當(dāng)濃度增大到100 μg/mL時(shí)(圖3d)時(shí),硅片上的聚集分子呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu),纖維彼此錯(cuò)綜相連,形成了清晰可見的網(wǎng)狀物,但也有個(gè)別小的圓形顆粒出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中。隨著樣品濃度的進(jìn)一步增大(200 μg/mL),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中纖維的寬度也增大,出現(xiàn)類似于片狀的纖維連接(圖3e),這可能是出現(xiàn)了粗的纖維連接。

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,青稞BG分子在溶液中的存在狀態(tài)與濃度,存放時(shí)間存在一定的相關(guān)性,青稞BG分子的聚集是自發(fā)的過程,分子之間通過氫鍵等作用彼此交聯(lián)在一起,形成纖維、網(wǎng)絡(luò)等結(jié)構(gòu),當(dāng)溶液中的BG濃度達(dá)到一定值時(shí),便會(huì)形成有一定機(jī)械強(qiáng)度和形狀的凝膠[15]。Thomas Moschakis[16]等人利用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察了燕麥及青稞BG溶液的聚集過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在存放2 h后,BG分子聚集為纖維狀結(jié)構(gòu),隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng),分子之間相互作用的加強(qiáng),形成球形或圓形的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Keith R. Morgan[17]等人利用原子力顯微鏡觀察到,青稞BG稀溶液存放三天后顯微圖片上顯示BG分子聚集為圓形小顆粒和微小纖維。在類似的報(bào)道中,有人對(duì)燕麥BG的分子微觀結(jié)構(gòu)和聚集性質(zhì)做了研究,Jia Wu[18]等人利用原子力顯微鏡觀察了BG的聚集過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)10 μg/mL 的樣品在室溫存放10 d后,BG分子聚集為纖維狀分子。

3　結(jié)論

BG凝膠在溫度升高時(shí)能夠熔化,凝膠熔化溫度范圍為40～80 ℃;對(duì)于同一儲(chǔ)存溫度下的BG凝膠,熱力學(xué)參數(shù)值隨著凝膠的濃度增加而增加;對(duì)于同一濃度的樣品,凝膠的熱穩(wěn)定性隨著溫度降低而增加。DMA分析結(jié)果表明BG凝膠,當(dāng)樣品儲(chǔ)存溫度相同時(shí),凝膠G′值隨著樣品濃度的增加而增加;當(dāng)樣品濃度相同時(shí),5 ℃形成的凝膠G′值大于21 ℃形成的凝膠的G′值。利用AFM從微觀上了解青稞BG分子的聚集過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn)青稞BG分子在溶液中會(huì)發(fā)生自動(dòng)聚集,且聚集狀態(tài)與青稞BG凝膠存放時(shí)間和濃度有關(guān),在不同聚集階段的樣品中分別發(fā)現(xiàn)有小球狀、纖維狀和網(wǎng)狀聚集結(jié)構(gòu)。

本文研究發(fā)現(xiàn)青稞BG能夠形成熱可逆的水凝膠,具有作為凝膠劑應(yīng)用于食品工業(yè)的潛力,尤其是應(yīng)用于保健食品。所以可以采用不同濃度的樣品,制備出性質(zhì)不同的凝膠以適用于不同的應(yīng)用需要。而且作為高分子多糖,青稞BG凝膠在生物材料和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有廣闊的發(fā)展前景。

[1]Valéria M,Limberger-Bayer,Alicia de Francisco,et al. Barleyβ-glucans extraction and partial characterization[J].Food Chemistry,2014,154:84-89.

[2]Shelat K J,Vilaplana F,Nicholson T M,et al. Diffusion and rheology characteristics of barley mixed linkage beta-glucan and possible implications for digestion[J].Carbohydrate Polymers,2011,86(4):1732-1738.

[3]Burkus Z,Temelli F. Gealtion of barleyβ-glucan concentrate[J].Journal of Food Science,1999,64(2):198-201.

[4]Vassilis K,Vaikousi H,Lasaridou A,et al.A fractal analysis approach to viscoelasticity of physically cross-linked barleyβ-glucan gel network[J].Colloids and Surfaces,2006,49(2):145-152.

[5]Irakli M,Biliaderis C G,Izydorczyk M S,et al. Isolation,structural features and rheological properties of water-extractableβ-glucans from different Greek barley cultivars[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2004,84(10):1170-1178.

[6]Judy Yeung,Thava Vasanthan. Pearling of Hull-less Barley:Product Composition and Gel Color of Pearled Barley Flours As Affected by the Degree of Pearling[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2001,49:331-335.

[7]Lazaridou A,Biliaderis C G.Cryogelation of cerealβ-glucans:structure and molecular size effects[J].Food Hydrocolloids,2004,18(6):933-947.

[8]Lazaridou A,Vaikousi H,Biliaderis C G. Effects of polyols on cryostructurization of barleyβ-glucans[J]. Food Hydrocolloids,2008,22(2):263-277.

[9]Vaikousi H,Biliaderis C G,Izydorczyk M S. Solution flow behavior and gelling properties of water-soluble barley(1→3,1→4)-β-glucans varying in molecular size[J].Journal of Cereal Science,2004,39(1):119-137.

[10]Thomas M,Lazaridou A,Biliaderis C G. Using particle tracking to probe the local dynamics of barleyβ-glucan solutions upon gelation[J].Journal of Colloid and Interface Science,2012,375:50-59.

[11]Tosh S M,Brummer Y,Wood P J,et al.Evaluation of structure in the formation of gels by structurally diverse(1→3)(1→4)-β-D-glucans from four cereal and one lichen species[J]. Carbohydrate Polymers,2004,57(3):249-259.

[12]Melissa G Y,Kwong Thomas M S,Wolever Yolanda Brummer,et al. Attenuation of glycemic responses by oatβ-glucan solutions and viscoelastic gels is dependent on molecular weight distribution[J].Food and Function,2013,4(3):401-408.

[13]Lozinsky V I,Golovina T O,Gusev D G,et al. Studying of cryostructuring of polymer systems:-XIII. Some characteristic features of the behaviour of macromolecular thiols in frozen aqueous solutions[J].Polymer,2000,41(1):35-47.

[14]Morgan K R,Ofman D J. Glucagel,a gelling beta-glucan from barley[J].Cereal Chemistry,1998,75(6):879-881.

[15]Yolanda Brummer,Cheryl Defelice,Ying Wu,et al. Textural and Rheological Properties of Oat Beta-Glucan Gels with Varying Molecular Weight Composition[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2014,62(14):3160-3167.

[16]Thomas M,Lazaridou A,Costas G B. A micro-and macro-scale approach to probe the dynamics of solegel transition in cereal b-glucan solutions varying in molecular characteristics[J].Food Hydrocolloids,2014,42:81-91.

[17]Keith R M,Clive J R,Saul J B,et al. Tendler. A 13C CP/MAS NMR spectroscopy and AFM study of the structure of GlucagelTM,a gellingβ-glucan from barley[J].Carbohydrate Research,1999,315(1-2):169-179.

[18]Jia Wu,Yun Zhang,Lan Wang,et al. Visualization of single and aggregated hulless oat(Avenanuda L.)(1→3),(1→4)-β-D-glucan molecules by atomic force microscopy and confocal scanning laser microscopy[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry,2006,54(3):925-934.

Study on the thermal property,dynamic viscoelasticity and microstructure of Hulless barleyβ-glucan gel

SHAO Shu1,2,DONG Ji-lin1,2,*,SHEN Rui-ling1,2,SUN Yong-gan1,2

(1.College of Food and Biological Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China;2.Collaborative Innovation Center for Food Production and Safety,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China)

The thermal property and dynamic viscoelasticity of Hulless barleyβ-glucan gel(BG)as well as microstructure were investigated respectively in order to provide a theory foundation on food industry. The differential scanning calorimeter(DSC)analysis showed that the onset temperature(To),peak temperature(Tp),end temperature(Tc)and enthalpy of gelatinization(ΔH)increased with the increase of the concentration,when the gels were prepared in the same temperature;while the gels had the same concentration,the thermostability of gels decreased with the increase of the preparation temperature. The dynamic viscoelastometer(DMA)analysis demonstrated that the value of G′increased with the increase of solution concentration and the preparation temperature,suggesting that the cross-linked structures among the gels was increased. The atomic force microscope(AFM)indicated that the BG molecules could naturally gather. In addition,the aggregation level of BG molecules became higher with the rise of gels concentration and the extension of the storing time of gels. Especially,when solution concentration was 100 μg/mL,the network-like structures would be formed among BG molecules.

Hulless barleyβ-glucan;gel;thermal property;dynamic viscoelasticity;microstructure

2015-06-03

邵舒(1988-),女,碩士,研究方向:谷物營(yíng)養(yǎng)與加工研究,E-mail:245480974@qq.com。

董吉林(1968-),博士,副教授,研究方向:谷物加工,E-mail:dji1968@163.com。

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201403063)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0054-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.002