不同分子量的β-葡聚糖復(fù)合凝膠的制備及其凝膠特性的研究

樊蕊，周丹，馬培華，曹學(xué)麗，袁芳，*

（1.北京工商大學(xué)北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京 100048；2.北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，北京 100191；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083；4.北京化工大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 102200）

燕麥是世界公認的營養(yǎng)價值很高的糧種之一，其營養(yǎng)價值居谷類糧食之首，被譽為谷類食品中最好的全價食品之一。燕麥在谷類糧食中的蛋白質(zhì)含量最髙。且含有豐富的礦質(zhì)元素和良好的維生素。燕麥的碳水化合物含量在谷類糧食中很低，但膳食纖維含量很高。燕麥具有較高的醫(yī)療保健價值，主要得益于其中大量的水溶性膳食纖維，尤其是β-葡聚糖，賦予燕麥不僅具有降膽固醇、降血脂化及預(yù)防心血管疾病等功效，而且對糖尿病、肥胖也有顯著的控制作用[1-2]。因此，燕麥葡聚糖的深入研究對人類健康和燕麥的開發(fā)利用具有巨大的社會意義和經(jīng)濟價值。

研究發(fā)現(xiàn)，燕麥β-葡聚糖在較低濃度下具有較高的粘度，且具有獨特的凝膠特性，β-葡聚糖可以起到增稠、穩(wěn)定、優(yōu)化質(zhì)構(gòu)的作用，還可以用在低脂食品中，在食品工業(yè)中具有獨特的用途[3]。較低相對分子質(zhì)量（<100 000 Da）的β-葡聚糖凝膠的速度快于較高相對分子質(zhì)量[3-5]，但高相對分子質(zhì)量的β-葡聚糖形成的凝膠硬度更大，更能抵抗機械壓力[3，5-6]。對于β-葡聚糖的健康效益以及溶液和凝膠特性，其作為傳遞體系以及代脂食品具有光明的前景。但高相對分子質(zhì)量的高粘度產(chǎn)生的粘稠的不適口感的問題亟待解決。本文旨在采用不同相對分子質(zhì)量的燕麥β-葡聚糖制備復(fù)合凝膠，通過探索其β-葡聚糖的濃度優(yōu)化其凝膠特性（流變特性、質(zhì)構(gòu)特性以及持水持油特性），以其制備優(yōu)良凝膠特性的新興食品原料。

1 材料與方法

1.1 材料

燕麥 β-葡聚糖（OG：2.0×105Da、LOG：1.0×105Da）：廣州中康食品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

AR1140 分析天平：美國奧豪斯公司；Alpha 1-2 D Plus 冷凍干燥：德國 Marin Christ；AR-1500ex 流變儀：美國TA 公司；TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀：英國Stable Micro Systems；JSM-6701F 掃描電鏡：日本 JEOL 公司。

1.3 方法

1.3.1 β-葡聚糖復(fù)合凝膠的制備

分別稱取一定量的燕麥β-葡聚糖（LOG）和燕麥β-葡聚糖（OG），按 1 ∶1（質(zhì)量比）比例混合，在一定溫度下加熱使之溶解，待充分溶解后制成β-葡聚糖溶液，放置于4 ℃的冰箱過夜，觀察β-葡聚糖凝膠的形成和外觀特性，研究溫度、總質(zhì)量分數(shù)對β-葡聚糖凝膠形成的影響。將每份溶液倒入50 mL 小燒杯中，當小燒杯傾斜60°時樣品無流動性即認為形成凝膠。

1.3.2 β-葡聚糖復(fù)合凝膠的表觀特征

樣品經(jīng)冷卻后，通過肉眼觀察各個樣品的組織狀態(tài)，結(jié)果繪制于表1。

1.3.3 持水性測定

根據(jù)Zhang 等[7]測定持水性的方法，并稍作修改。稱取3 g 凝膠樣品于10 mL 離心管中，離心（10 000 r/min，20 min），用濾紙小心地吸除離心出來的水分，20 min后再次離心稱重，直至兩次離心排水后離心管和樣品的總重量之差小于0.05 g，根據(jù)公式計算持水性，試驗3 次取平均值。

式中：W1為離心排水后離心管和樣品的總質(zhì)量，g；W0為離心管的質(zhì)量，g；W2為離心管和樣品的總質(zhì)量，g。

1.3.4 持油性測定

吸油性的測定采用左鋒[8]方法有所改進。準確稱取1 g 凝膠置于10 mL 離心管中，再加入5 mL 大豆色拉油，漩渦振動5 min，使全部分散均勻后于室溫下靜置 30 min，離心（3 000 r/min，20 min），倒掉上清色拉油，再稱重。直至兩次離心排水后離心管和樣品的總重量之差小于0.05 g，根據(jù)公式計算持油性，試驗3 次取平均值。

式中：W1為離心排水后離心管和樣品的總質(zhì)量，g；W0為離心管的質(zhì)量，g；W2為離心管和樣品的總質(zhì)量，g。

1.3.5 流變特性測定

凝膠的特殊結(jié)構(gòu)使其同時具有固體和液體的性質(zhì)，即在力學(xué)上表現(xiàn)為固體的性質(zhì)而在熱動力學(xué)上則表現(xiàn)出濃溶液的性質(zhì)。本試驗利用AR-1500ex 流變儀對β-葡聚糖復(fù)合凝膠進行流變測試，選擇平板系統(tǒng)（型號：PP-40，直徑 40 mm，設(shè)置間隙為 5 mm），恒溫25 ℃由循環(huán)水系統(tǒng)精確控制。將凝膠進行頻率掃描測試，設(shè)置頻率范圍 0.1 rad/s～100 rad/s，溫度為 25 ℃，平衡時間為2 min，為保證所有樣品在線性黏彈范圍內(nèi)，應(yīng)變選擇1%。

1.3.6 質(zhì)構(gòu)特性測定

測試前，將樣品切成高度為1 cm 的圓柱形，并置于室溫25 ℃下平衡2 h，然后利用TA-XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀進行測量，主要參數(shù)如下：運行模式texture profile analysis（TPA）；探頭 P/0.25；測試速度保持恒定為60 mm/min；壓縮變形為樣品的30%；起始力為0.4 N。本試驗選取的質(zhì)構(gòu)指標包括硬度、內(nèi)聚性、彈性、咀嚼性。每個樣品處理重復(fù)6 次。

1.3.7 掃描電鏡

將制備的凝膠樣品冷凍干燥，噴金，通過掃描電鏡進行觀察，加速電壓為5 kV，每個樣品觀察5～10 個區(qū)域。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

每組試驗至少重復(fù)3 次，結(jié)果通過Origin 8.6 處理后用平均值M±標準差SD 表示。運用SPSS 18.0 進行單因素方差分析（ANOVA），若方差分析效果顯著，則使用 Duncan 進行多重比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 β-葡聚糖復(fù)合凝膠表觀特征

不同制備溫度和β-葡聚糖總濃度對混合β-葡聚糖成膠的影響如表1所示。

表1 溫度和β-葡聚糖總濃度對混合β-葡聚糖成膠的影響Table 1 The effects of temperature and concentration on the βglucan mixed gel formation

由表1可知，溫度60 ℃處理的β-葡聚糖溶液均無法形成凝膠，而溫度高于70 ℃時，β-葡聚糖溶液總濃度高于11%均可以形成凝膠。β-葡聚糖在溶液中以無規(guī)則線團存在，屬于黏彈性體系，并且和質(zhì)量分數(shù)有一定關(guān)系，這就使得在一定條件下能形成凝膠[9]。隨著溫度升高至80 ℃，β-葡聚糖成較濃度降低，總濃度為7%便可形成穩(wěn)定的凝膠，此結(jié)論與前人報道結(jié)果一致[10]。從表1可看出，70 ℃形的凝膠結(jié)構(gòu)較松散；而80 ℃形成的凝膠表面平整光滑，結(jié)構(gòu)緊實。

2.2 β-葡聚糖復(fù)合凝膠流變特性

在觀察β-葡聚糖凝膠組織狀態(tài)的基礎(chǔ)上，對經(jīng)超高壓處理后的β-葡聚糖樣品進行頻率掃描，G'、G''隨角速率ω 的變化趨勢見圖1。

圖1 β-葡聚糖復(fù)合凝膠的頻率掃描曲線Fig.1 The frequency scan curve of β-glucan mixed gel

Morris 等[11]從流變學(xué)角度定義了凝膠，認為典型的凝膠體系在10-2rad/s～102rad/s 范圍內(nèi)，儲能模量G'遠大于損耗模量G''，且G'和G''基本不依賴頻率變化，即G'和G''在該頻率范圍內(nèi)相互平行。Winter 和Chambon[12]也發(fā)現(xiàn)對于典型的凝膠體系，G'和G''相互平行且G'＞G''。由頻率掃描曲線圖1可知：復(fù)合β-葡聚糖在較低濃度（7%～10%）依然可以形成凝膠，但其G'、G''隨著ω 增加，呈現(xiàn)增加的趨勢，因此，未形成典型凝膠。但是復(fù)合β-葡聚糖在較高濃度（10%～14%）形成典型的凝膠，即G'大于G''且兩者均不依賴于頻率變化。

2.3 β-葡聚糖復(fù)合凝膠持水、持油性

不同β-葡聚糖濃度對β-復(fù)合凝膠持水性和持油性的影響如圖2所示。

持水性是指食品加工過程中對原料中水分保持能力的高低，持水性的高低與凝膠風(fēng)味、口感、質(zhì)構(gòu)及組織狀態(tài)直接相關(guān)[13]。由圖2可知，β-葡聚糖總濃度對復(fù)合凝膠持水性的影響差異顯著（P＜0.05），隨著β-葡聚糖濃度的增加，持水性不斷提高。凝膠持水性的大小與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨著總濃度的增加，OG 分子的纏繞限制了β-葡聚糖的流動性，并且分子重排利于凝膠的形成，OG 阻礙了分子間作用力，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成中發(fā)揮了繩索作用，形成了更為致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，凝膠內(nèi)部孔徑減小，有利于持水性的增加[3-14]。

持油性是指吸附油的能力，它在食品配方及加工中起著非常重要的作用。例如在碎肉食品中，它可以減少蒸煮時的重量損失，并且有助于維持外形的穩(wěn)定。持油能力與凝膠表面性質(zhì)有關(guān)和水合狀態(tài)以及黏度有關(guān)，隨著濃度增加，其黏度隨之增加，導(dǎo)致其持油性增加[15]。不同濃度β-復(fù)合葡聚糖凝膠持油性結(jié)果展示于圖2（b），可以看出，總β-葡聚糖濃度對復(fù)合凝膠持水性的影響差異顯著（P＜0.05），隨著β-葡聚糖濃度的增加，持油性不斷提高，當濃度為13%時，持油性最大，為1.39%，進一步增加β-葡聚糖濃度，持油性降低。

圖2 β-葡聚糖復(fù)合凝膠持水性和持油性Fig.2 The water and oil holding capacity of β-glucan mixed gel

2.4 β-葡聚糖復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性的分析

復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)見圖3。

β-葡聚糖濃度對復(fù)合凝膠的硬度、彈性和咀嚼性影響較大（P＜0.05），隨著濃度的增大，復(fù)合凝膠的硬度、彈性和咀嚼性也隨之增大。硬度反映了凝膠被壓縮時的強度大小，β-葡聚糖濃度明顯提高了復(fù)合凝膠的強度（P＜0.05），這表明濃度的升高促進了LOG 與OG 之間的相互作用，從而提高了其凝膠強度，當濃度大于14%時，硬度降低源于脆性的增加，這也表現(xiàn)在此濃度下彈性的降低。彈性反映了被測凝膠樣品初始壓縮時被破壞結(jié)構(gòu)的多少，彈性高表明第一次質(zhì)構(gòu)壓縮時許多大塊結(jié)構(gòu)被破壞，而彈性低更多地說明小塊結(jié)構(gòu)被破壞[16]，試驗結(jié)果表明復(fù)合凝膠的彈性，隨著濃度的增加而明顯增加（P＜0.05）。此現(xiàn)象與汪海波研究結(jié)果一致[17]。咀嚼性是硬度、彈性等參數(shù)的補充，其在數(shù)值上等于硬度、彈性、內(nèi)聚性三者的乘積[18]，試驗結(jié)果表明隨總濃度的增大，復(fù)合凝膠的咀嚼性增大。內(nèi)聚性是衡量破壞凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的困難程度，內(nèi)聚性越大，破壞凝膠結(jié)構(gòu)越困難，凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密[19]，本試驗發(fā)現(xiàn)不同濃度復(fù)合凝膠的內(nèi)聚性差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 β-葡聚糖復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)特性Fig.3 The properties of β-glucan mixed gel

2.5 β-葡聚糖復(fù)合凝膠表面結(jié)構(gòu)分析

不同濃度的β-葡聚糖復(fù)合凝膠掃描電鏡圖如圖4所示。

圖4 β-葡聚糖復(fù)合凝膠掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope micrographs of β-glucan mixed gel

由圖4可知，10%復(fù)合β-葡聚糖凝膠結(jié)構(gòu)不均勻，表面存在明顯的空洞和空隙，13%復(fù)合β-葡聚糖凝膠結(jié)構(gòu)稍顯致密，15%復(fù)合β-葡聚糖結(jié)構(gòu)均勻，表面空洞明顯減少。這也反映在隨著復(fù)合β-葡聚糖濃度的增加，其持水性增加。這可能是由于低分子量的葡聚糖可以穿插形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠[20]。

3 結(jié)論

本文利用熱誘導(dǎo)技術(shù)制備了不同分子量的β-葡聚糖復(fù)合凝膠，并揭示了β-葡聚糖濃度在10%～14%范圍內(nèi)，濃度的增加提高其凝膠強度、硬度、彈性和功能性質(zhì)的現(xiàn)象。此結(jié)論為優(yōu)化β-葡聚糖凝膠，擴大其在食品中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。