魚(yú)明膠/海藻酸鈉復(fù)合凝膠特性研究

劉鳳華, 劉佳林, 陳 浩, 王 煚, 楊夢(mèng)煊, 姚 瑤

(山東大學(xué)(威海)海洋學(xué)院,山東威海264209)

凝膠是一種高分子聚合物[1],在特定條件下,體系中的高分子鏈相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在溶劑內(nèi)溶脹而不溶解。水凝膠具有一定流體性質(zhì)、黏彈性和良好的生物相容性,故而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品等行業(yè)[2-3]。而在實(shí)際生產(chǎn)中,水凝膠多是以天然多糖為原料制備的單網(wǎng)絡(luò)凝膠,其性能往往不能滿(mǎn)足產(chǎn)品需要[4]。隨著水凝膠應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,各種復(fù)配膠的性能及作用機(jī)理成了國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[5]。近幾年,國(guó)內(nèi)研究的主要是多糖復(fù)合凝膠,對(duì)蛋白質(zhì)與多糖的復(fù)配則鮮有報(bào)道[6]。

蛋白與多糖是食品體系中最常見(jiàn)的高聚物,對(duì)構(gòu)建食品的微結(jié)構(gòu)也起著重要作用,但二者的共混體系熱力學(xué)不相容[7-9]。已有研究表明,通過(guò)共混、交聯(lián)制備互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物的方法能改善材料性能[10]。因此,研究蛋白與多糖的復(fù)配及凝膠性質(zhì),有望獲得高品質(zhì)的凝膠產(chǎn)品[11-12]。

魚(yú)明膠是從魚(yú)皮、魚(yú)骨和魚(yú)鱗等部位提取出來(lái)的膠原經(jīng)過(guò)進(jìn)一步水解獲得的多肽。安全無(wú)毒并且具有許多優(yōu)良性質(zhì)的魚(yú)明膠已作為海洋資源開(kāi)發(fā)利用的典范,成為食品加工領(lǐng)域中的重要新材料[13]。海藻酸鈉是從褐藻中獲取的一種多糖,因其分子鏈中存在大量親水性基團(tuán)(—COOH和—OH)而具有很好的生物相容性[14]。魚(yú)明膠和海藻酸鈉單獨(dú)在食品中的應(yīng)用國(guó)內(nèi)外都有較深入的研究[15-18],但二者單一網(wǎng)絡(luò)凝膠各自的力學(xué)性能較差,限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用,而有關(guān)二者在適宜的條件下能否交聯(lián)形成雙網(wǎng)絡(luò)凝膠的報(bào)道也很少[19]。有鑒于此,文章在優(yōu)化魚(yú)明膠單一網(wǎng)絡(luò)凝膠的研究基礎(chǔ)上,添加海藻酸鈉,制備二者雙網(wǎng)絡(luò)凝膠,并對(duì)其凝膠特性進(jìn)行研究,以期得到性質(zhì)更為優(yōu)良的凝膠產(chǎn)品。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

250 BL-60魚(yú)明膠,嘉吉亞太食品系統(tǒng)(北京)有限公司;海藻酸鈉(食品級(jí)),鄭州食全食美商貿(mào)有限公司;氯化鈉(分析純),天津市瑞金特化學(xué)品有限公司;硅油(分析純),萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠。

1.2 儀器與設(shè)備

YP601N型電子天平(準(zhǔn)確度等級(jí)(Ⅲ)),上海精密科學(xué)儀器有限公司;CP224C型電子天平(準(zhǔn)確度等級(jí)(Ⅰ)),奧豪斯儀器(上海)有限公司;RHKT/C型磁力攪拌器,IKA Works Guangzhou;EMS-12型磁力攪拌器,天津歐諾儀器儀表股份有限公司;B-260型恒溫水浴鍋,上海亞榮生化儀器廠;DHG-9140A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;NR110型精密色差儀,深圳市三恩馳科技有限公司;Hakke Mars 3型流變儀,德國(guó)Hakke公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 凝膠制備

1.3.1.1 魚(yú)明膠單網(wǎng)絡(luò)凝膠制備

預(yù)實(shí)驗(yàn)制備魚(yú)明膠凝膠時(shí),發(fā)現(xiàn)質(zhì)量濃度在0.05 g/mL以下的魚(yú)明膠凝膠成型性差甚至無(wú)法形成凝膠,因此實(shí)驗(yàn)將魚(yú)明膠用蒸餾水配制成0.06、0.07、0.08、0.09、0.10 g/mL 5 個(gè)梯度的溶液,磁力攪拌1 h使其充分溶解,后放置于4℃冰箱冷藏24 h,待充分水化。將水化后的魚(yú)明膠置于60℃的B-260型恒溫水浴鍋中加熱30 min,然后稱(chēng)取50 g該溶液倒入9 cm×9 cm塑料培養(yǎng)皿中,室溫靜置存放20 min后,4℃冷藏24 h使其充分形成凝膠。用模具取2 cm×2 cm×3 cm圓柱體凝膠,測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3.1.2 魚(yú)明膠/海藻酸鈉復(fù)合凝膠制備

將0.08 g/mL魚(yú)明膠與不同質(zhì)量濃度海藻酸鈉復(fù)合,制備復(fù)合凝膠。稱(chēng)取一定質(zhì)量魚(yú)明膠和海藻酸鈉粉末,用蒸餾水配制成溶液(見(jiàn)表1),磁力攪拌1 h后,放入4℃冰箱冷藏24 h以保證魚(yú)明膠、海藻酸鈉充分水化。后續(xù)方法同1.3.1.1所述。

1.3.2 感官評(píng)定

對(duì)制備好的凝膠,先觀察其顏色、透明度和成型性;再用手適度按壓,判斷凝膠的硬度、質(zhì)地等特征。

表1 不同質(zhì)量濃度復(fù)合凝膠樣品組成Tab.1 Samples with different mass concentration 10-2 g/mL

1.3.3 凝膠色度測(cè)定

用NR110型精密色差儀測(cè)定凝膠色度,并用白板校準(zhǔn)。L*表示照度即明亮指數(shù)(L*=0表示黑色,L*=100表示白色),a*表示紅綠值(+a方向是紅色方向,-a方向?yàn)榫G色方向),b*表示黃藍(lán)值(+b方向是黃色方向,-b方向是藍(lán)色方向)。

1.3.4 流變性質(zhì)測(cè)定

采用Hakke Mars3型流變儀測(cè)定樣品流體力學(xué)性質(zhì)。選擇型號(hào)為P35TiL的轉(zhuǎn)子和35 mm的平行板測(cè)量系統(tǒng),平行板間距1 mm,頻率1 Hz,應(yīng)變0.5%。用移液槍取1 mL樣品于流變儀樣品臺(tái)上,用硅油密封縫隙防止水分蒸發(fā),平衡5 min。以5℃/min升溫速率將樣液從室溫連續(xù)加熱至60℃,平衡10 min后再以5℃/min速度冷卻至10℃。記錄整個(gè)過(guò)程中貯能模量G′和損耗模量G″的變化,其中G′越大,彈性越大,G″越大,黏性越大。加熱-冷卻循環(huán)之后,在10℃下對(duì)凝膠進(jìn)行頻率掃描(0.1～100 Hz),記錄掃描過(guò)程中G′和G″的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 感官評(píng)價(jià)結(jié)果

隨著魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加,凝膠顏色由無(wú)色透明逐漸呈現(xiàn)出淡鵝黃色,但透過(guò)凝膠觀察紙上字跡,可以發(fā)現(xiàn)0.06～0.10 g/mL魚(yú)明膠凝膠均具有良好的透明度,且成型效果良好(見(jiàn)圖1)。

0.08 g/mL魚(yú)明膠添加了不同質(zhì)量濃度海藻酸鈉制成的復(fù)合凝膠,選取了單一魚(yú)明膠凝膠作為對(duì)照,結(jié)果見(jiàn)圖2。發(fā)現(xiàn)隨著海藻酸鈉加入量增加,凝膠質(zhì)地更加堅(jiān)挺,但亮度和透明度略有下降。

魚(yú)明膠單一凝膠的感官特征見(jiàn)表2。隨著魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加,凝膠的顏色略有加深,質(zhì)地更加堅(jiān)挺,不易碎,韌性提高,成型性變好且均具有極高的透明度。魚(yú)明膠與海藻酸鈉復(fù)合凝膠的外觀特征見(jiàn)表3。隨著海藻酸鈉加入量增加,凝膠的顏色略有加深,硬度增加,成型性得到顯著改善。相比0.08 g/mL魚(yú)明膠單一凝膠,復(fù)合凝膠的透明度略有下降但彈性明顯提高。

圖1 不同質(zhì)量濃度魚(yú)明膠凝膠樣品Fig.1 Different mass concentration samples of fish gelatin

圖2 不同質(zhì)量濃度復(fù)合凝膠樣品Fig.2 Different mass concentration samples of composite gelation

表2 不同質(zhì)量濃度魚(yú)明膠凝膠的感官評(píng)定Tab.2 Sensory evaluation of different mass concentration fish gelatin

2.2 色澤比較結(jié)果

2.2.1 魚(yú)明膠質(zhì)量濃度對(duì)單網(wǎng)絡(luò)凝膠色澤的影響

魚(yú)明膠凝膠的色度值L*、a*、b*和ΔE值隨魚(yú)明膠質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖3,其中 ΔE=[(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2],并以0.08 g/mL魚(yú)明膠凝膠作為對(duì)照,圖中小寫(xiě)字母不同代表差異顯著。

表3 不同質(zhì)量濃度復(fù)合凝膠的感官評(píng)定Tab.3 Sensory evaluation of different mass concentration composite gelation

由圖3可知,隨著魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加,L*值從57.22降至54.26,亮度下降,a*和b*逐漸升高,ΔE值均小于6.5,即肉眼不能分辨凝膠色彩的差異。L*值可表征凝膠聚集物顆粒的數(shù)量和空隙的大小,間接表征凝膠網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度;一般而言,隨機(jī)微粒聚合成的凝膠透光性差,有序結(jié)構(gòu)狀凝膠透光性好[20]。由此推斷,魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加使凝膠聚集物顆粒數(shù)量增加,凝膠網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)程度變大,凝膠的濁度變高,透光度變低,透過(guò)凝膠到達(dá)白色背景再反射回來(lái)的光線(xiàn)變?nèi)?即明亮指數(shù)下降。雖然魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加使亮度變小,但是凝膠的整體色澤較均一,仍具有良好的視覺(jué)效果。

2.2.2 海藻酸鈉質(zhì)量濃度對(duì)復(fù)合凝膠色澤的影響

不同質(zhì)量濃度復(fù)合凝膠色度值結(jié)果見(jiàn)圖4,樣品編號(hào)見(jiàn)表1,以0.08 g/mL單一魚(yú)明膠凝膠為對(duì)照。隨著海藻酸鈉質(zhì)量濃度提高,復(fù)合凝膠的L*持續(xù)下降,由1號(hào)樣品的57.65,降低至5號(hào)樣品的51.47,說(shuō)明海藻酸鈉的添加降低了復(fù)合凝膠的亮度。推測(cè)原因可能是多糖對(duì)于蛋白質(zhì)凝膠有空間占位效應(yīng)[21],添加海藻酸鈉后,凝膠網(wǎng)絡(luò)空間變得致密,不利于光線(xiàn)透過(guò),使復(fù)合凝膠的明亮指數(shù)下降。各樣品間a*值和b*值均有顯著差異,且隨著海藻酸鈉質(zhì)量濃度提高,逐漸升高。由圖4d可知,復(fù)合凝膠的色度值較單一魚(yú)明膠凝膠而言均表現(xiàn)出顯著差異,海藻酸鈉加入量為0.03 g/mL時(shí),ΔE值高達(dá)8.92,說(shuō)明樣品間出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的差別。

圖3 不同質(zhì)量濃度魚(yú)明膠凝膠色度值Fig.3 Chromatic values of different mass concentration fish gelatin

圖4 不同質(zhì)量濃度復(fù)合凝膠色度值Fig.4 Chromatic values of different mass concentration composite gelation

2.3 凝膠的流變性質(zhì)分析

2.3.1 海藻酸鈉對(duì)魚(yú)明膠熱誘導(dǎo)凝膠過(guò)程的影響

0.10 g/mL魚(yú)明膠單一凝膠在升溫過(guò)程中貯能模量G′及損耗模量G″的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。由圖5可知,升溫過(guò)程中凝膠的G′和G″均降低,但G′的下降幅度較大;當(dāng)溫度升至接近40℃時(shí),G″開(kāi)始大于G′,說(shuō)明體系開(kāi)始由以彈性為主的凝膠狀態(tài)向以黏性為主的溶膠狀態(tài)轉(zhuǎn)變,凝膠熔化。加熱過(guò)程中G″和G′交匯點(diǎn)的溫度即為熔化點(diǎn)[22-23]。其他質(zhì)量濃度魚(yú)明膠升溫過(guò)程呈現(xiàn)相同趨勢(shì)即交點(diǎn)。由此可知魚(yú)明膠凝膠具有熱可逆性,其黏彈性與溫度有關(guān),溶膠-凝膠態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在40℃左右。

圖5 0.10 g/mL魚(yú)明膠凝膠的G′及G″在加熱凝膠過(guò)程中的變化Fig.5 Changes of G′and G″of 0.10 g/mL fish gelatinduring heat-induced gelation

1號(hào)復(fù)合凝膠的貯能模量G′及損耗模量G″在加熱過(guò)程中的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。與圖5呈現(xiàn)大致相同的趨勢(shì),由此可推斷,該復(fù)合凝膠亦具有熱可逆性;其他復(fù)合凝膠也呈現(xiàn)出相同趨勢(shì)。

圖6 1號(hào)復(fù)合凝膠G′及G″在加熱凝膠過(guò)程中的變化Fig.6 Changes of G′and G″of No.1 composite gelation during heat-induced gelation

圖7 0.10 g/mL魚(yú)明膠凝膠降溫過(guò)程中G′及G″的變化Fig.7 Changes of G′and G″of 0.10 g/mL fish gelatin in process of cooling

圖8 1號(hào)復(fù)合凝膠在降溫過(guò)程中G′及G″的變化Fig.8 Changes of G′and G″of No.1 composite gelation in process of cooling

0.10 g/mL魚(yú)明膠單一凝膠和1號(hào)復(fù)合凝膠降溫過(guò)程中貯能模量G′及損耗模量G″變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7、圖8。從圖7可以看出,降溫過(guò)程中單一凝膠的G′和G″逐漸增大,當(dāng)溫度降至10℃左右時(shí),G′和G″均急劇上升且G′的上升幅度大于G″。此時(shí),G′開(kāi)始大于G″,說(shuō)明體系中的彈性成分增加,體系開(kāi)始發(fā)生膠凝。分析圖8可知,復(fù)合凝膠也發(fā)生類(lèi)似變化,但圖中G′和G″的圖線(xiàn)相互靠近并未相交,依據(jù)現(xiàn)實(shí)成膠結(jié)果推測(cè)海藻酸鈉的加入提高了魚(yú)明膠的熱穩(wěn)定性,延長(zhǎng)了成膠時(shí)間,所成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加細(xì)致均一,與之前研究結(jié)果一致[24]。

2.3.2 海藻酸鈉對(duì)魚(yú)明膠熱凝膠動(dòng)態(tài)黏彈性的影響

不同質(zhì)量濃度魚(yú)明膠凝膠在10℃下儲(chǔ)能模量G′及損耗模量G″隨頻率的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。由圖9可知,單一凝膠樣品的G′均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于G″,而且隨著魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加,G′和G″逐漸增大,這說(shuō)明魚(yú)明膠凝膠體系以彈性為主,呈膠凝狀態(tài)且隨著魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增加,凝膠彈性增大,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸改善,即0.10 g/mL的魚(yú)明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)質(zhì)地結(jié)構(gòu)最好,這與感官評(píng)價(jià)結(jié)果相一致。隨著頻率增加,G′和G″均增大,可知魚(yú)明膠凝膠是介于固體與液體之間的黏彈體[25]。當(dāng)頻率增至85 Hz左右時(shí),G″急劇上升,G′急劇下降,二者交匯,此時(shí)體系彈性下降,黏性上升,這是因?yàn)轭l率升高到一定程度時(shí),分子能量高,形變快,膠體破裂。

圖9 魚(yú)明膠凝膠的G′及G″隨頻率的變化Fig.9 Changes of G′and G″of fish gelatin with frequency

0、1、5號(hào)復(fù)合凝膠在10℃下儲(chǔ)能模量G′及損耗模量G″隨頻率的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。隨著海藻酸鈉質(zhì)量濃度升高,G′逐漸減小,G″逐漸增大,說(shuō)明海藻酸鈉的加入使復(fù)合凝膠的彈性下降,黏性上升[26]。但是3組體系中的G′均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于G″,可見(jiàn)體系仍以彈性為主,呈膠凝狀態(tài)。G′和G″均隨頻率增加而增大,說(shuō)明復(fù)合凝膠亦是介于固體與液體之間的黏彈體[25]。當(dāng)頻率增至75 Hz左右時(shí),0.08 g/mL魚(yú)明膠單一凝膠破裂,而復(fù)合凝膠的G′和G″均急劇上升,且G′上升幅度較大,說(shuō)明海藻酸鈉的加入能提高復(fù)合凝膠的強(qiáng)度。繼續(xù)增大頻率,G″進(jìn)一步增大,復(fù)合凝膠呈現(xiàn)破裂的趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

1)魚(yú)明膠單一凝膠和魚(yú)明膠/海藻酸鈉復(fù)合凝膠的表觀特征、色差、流變性質(zhì)均與魚(yú)明膠以及海藻酸鈉的質(zhì)量濃度呈現(xiàn)出密切依存關(guān)系。

2)魚(yú)明膠單一凝膠是一種顏色微黃,外觀形態(tài)良好,透明度高的凝膠。隨著魚(yú)明膠質(zhì)量濃度增大,凝膠的彈性提高,機(jī)械強(qiáng)度增大,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更優(yōu)且硬度增加,成型性變好。相對(duì)于單一凝膠,復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度顯著提高,且隨著海藻酸鈉質(zhì)量濃度增加,凝膠成型性顯著改善。

圖 10 0、1、5 號(hào)復(fù)合凝膠的 G′及 G″隨頻率的變化Fig.10 Changes of G′and G″of No.0,No.1,No.5 composite gelation with frequency

3)魚(yú)明膠單一凝膠和魚(yú)明膠/海藻酸鈉復(fù)合凝膠均屬于熱可逆凝膠,且膠凝點(diǎn)在40℃左右。

4)探討了魚(yú)明膠單一凝膠和魚(yú)明膠/海藻酸鈉復(fù)合凝膠的各項(xiàng)凝膠特性,具體的分子內(nèi)及分子間相互作用機(jī)理有待進(jìn)一步研究。