超聲對(duì)蔗糖共溶質(zhì)場(chǎng)中大豆分離蛋白/魔芋膠共混體系流變及凝膠性質(zhì)的影響

朱建華 鄒秀容 劉日斌 單 斌 陳鈺雍

(韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，韶關(guān) 512005)

半固體(semi-solid)凝膠態(tài)食品占據(jù)廣泛的食品市場(chǎng)份額，對(duì)食品產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)和滿足民眾消費(fèi)意義重大，市場(chǎng)常見的素食類產(chǎn)品多為大豆蛋白及魔芋膠等蛋白或多糖基材制備的可食性凝膠。凝膠產(chǎn)品制備成型過程可借鑒材料科學(xué)研究領(lǐng)域已非常完善的聚合物共混改性方法，對(duì)蛋白和多糖高分子進(jìn)行共混以發(fā)揮各食品高分子組分的性質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，并可克服使用單一食品高分子基材時(shí)存在的成本過高及品質(zhì)缺陷等劣勢(shì)[1,2]。

凝膠態(tài)素食產(chǎn)品工業(yè)化制備成型過程通常在共溶質(zhì)場(chǎng)中完成溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，此類凝膠產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)等性能受制于微觀結(jié)構(gòu)特性[3,4]。共溶質(zhì)場(chǎng)指食品蛋白或多糖高分子溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程所處的環(huán)境并非僅含高分子組分的水溶液環(huán)境，同時(shí)存在蔗糖、鹽分、乳化劑等單一或多元低分子共溶質(zhì)，共溶質(zhì)的分子質(zhì)量雖遠(yuǎn)小于蛋白或多糖分子質(zhì)量，但可改變蛋白或多糖高分子在溶液中的折疊和纏結(jié)，并影響到溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程的相行為、流變性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)形成[5,6]。超聲波處理可以在液態(tài)體系中產(chǎn)生空化、剪切、劇烈攪拌等作用，是一種有效的改變高分子共混體系相行為、流變及凝膠等性能的方法[7]。

迄今國(guó)內(nèi)外鮮見共溶質(zhì)場(chǎng)中超聲處理對(duì)蛋白多糖共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程物性文獻(xiàn)報(bào)道，因此開展該領(lǐng)域的流變及凝膠性質(zhì)研究具有十分重要的理論意義，利于闡明共溶質(zhì)場(chǎng)及超聲處理?xiàng)l件下素食類產(chǎn)品凝膠形成的機(jī)理。以大豆分離蛋白/魔芋膠(SPI/Konj)為雙食品高分子組分模型共混體系，研究超聲對(duì)蔗糖共溶質(zhì)場(chǎng)中SPI/Konj共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變性質(zhì)、凝膠質(zhì)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，以期為改善蛋白多糖共混凝膠類素食配方及工藝設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

大豆分離蛋白(SPI，蛋白干基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.0%，含水量為7.3%)；KJ30魔芋膠(Konj)；蔗糖(一級(jí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)>99.6%)，食品級(jí)。scientz-IID超聲處理儀；MCR92旋轉(zhuǎn)流變儀；TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀；TM3030掃描電子顯微鏡型；FTIR-8400S傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SPI/Konj溶液共混體系的制備

分別稱取適量SPI、Konj分散于盛放蒸餾水的燒杯中，加入蔗糖(質(zhì)量濃度分別為0%、10%、20%)進(jìn)行充分?jǐn)嚢璺稚⒕鶆颍缓笠迫?0 ℃恒溫水浴鍋中恒溫振蕩30 min，制備獲得SPI/Konj(10.0%/0.3%)溶液共混體系。

1.2.2 超聲處理

將超聲探頭浸入配制好的SPI/Konj共混溶液液面以下2 cm，超聲探頭與盛放樣品的高型燒杯同軸放置并位于液面中間，同時(shí)將盛放樣品的燒杯置于冰水浴中，超聲處理處理全過程按超聲0.8 s，暫停1.2 s 模式進(jìn)行，以避免樣品因連續(xù)超聲作用而使溫度驟升。設(shè)定超聲處理儀功率為475 W，處理時(shí)間梯度為0、10、20 min。

1.2.3 流變學(xué)性質(zhì)測(cè)試

不同條件處理的SPI/Konj共混溶液于60 ℃恒溫 30 min后轉(zhuǎn)移至保溫桶中，然后將1 mL樣品快速轉(zhuǎn)移到預(yù)先加熱到25 ℃的流變儀平行板(上下板直徑45 mm，狹縫1 mm)，除去過量樣品并在樣品外緣加一層輕質(zhì)硅油防止樣品中的水分蒸發(fā)。保持在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)的應(yīng)變條件下(γ=0.5%)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)流變測(cè)試。溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程測(cè)試程序：①首先于25 ℃以2 ℃/min升溫至95 ℃，然后在95 ℃恒溫20 min，最后由95 ℃以2 ℃/min降溫至25 ℃，此過程頻率(ω)為6.28 rad/s，記錄隨時(shí)間(t)變化的彈性模量(G′)、損耗模量(G″)及損耗系數(shù)(tanδ)值，用于質(zhì)構(gòu)、SEM、FTIR測(cè)試分析的SPI/Konj共混凝膠的熱處理過程同此程序；②恒溫末進(jìn)行頻率掃描分析共混體系力學(xué)響應(yīng)性質(zhì)，頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s，記錄隨ω變化G′、G″值；③振幅掃描范圍為0.001～100，用于監(jiān)測(cè)凝膠的線性黏彈區(qū)域變化趨勢(shì)。

1.2.4 凝膠結(jié)構(gòu)形成速度分析

特定時(shí)間階段共混凝膠形成相對(duì)快慢常用凝膠結(jié)構(gòu)平均形成速度(SDRa)進(jìn)行表征[8 ]:

(1)

(2)

式中：vg為即時(shí)凝膠化速度/Pa/min; SDRa及vg分別表征時(shí)間段及時(shí)間點(diǎn)的凝膠化相對(duì)快慢。

1.2.5 TPA質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定

用于質(zhì)構(gòu)分析的SPI/Konj共混凝膠尺寸規(guī)格為：下底面直徑(23±1.0) mm，上底面直徑(20±1.0) mm，高度為(7±0.5) mm的圓臺(tái)體。質(zhì)構(gòu)分析采用TPA測(cè)試模式，匹配P/36R圓柱形探頭，測(cè)前以及測(cè)后速度均為1.0 mm/s，測(cè)試速度為0.5 mm/s，壓縮程度為70%，觸發(fā)力為0.10 N。

1.2.6 SEM測(cè)試

將SPI/Konj共混凝膠樣品切成10 mm×10 mm×10 mm薄片狀，放入超低溫冰箱凍結(jié)，隨后置于凍干機(jī)凍干，然后轉(zhuǎn)移至干燥器中密封保存。掃描電鏡觀察前用薄刀片將樣品切片，并選擇低真空模式后在15 kV加速電壓下觀察。

1.2.7 FTIR測(cè)試

測(cè)試前SPI/Konj共混凝膠樣品烘干至恒重，采用常規(guī)溴化鉀壓片法制備紅外掃描用樣品，掃描波長(zhǎng)范圍選取 4 000～400 cm-1，分辨率為 0.5 cm-1，記錄樣品的紅外光譜。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，利用Origin9.0軟件繪圖，采用SPSS21.0軟件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過單因素方差分析比較組間數(shù)據(jù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性差異以P<0.05示出。

2 結(jié)果與討論

2.1 SPI/Konj共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變性質(zhì)分析

圖1a顯示升溫階段未經(jīng)超聲處理共混體系的G′及G″值均相對(duì)較高，其中G′>60 Pa且G′>G″，此階段G′及G″的相對(duì)大小及變化趨勢(shì)與未添加蔗糖共溶質(zhì)場(chǎng)中大豆蛋白組分黏彈性模量變化趨勢(shì)存在較大差異[10,11]，主要原因是大豆蛋白與魔芋膠共存時(shí)大豆蛋白變性進(jìn)程受到魔芋膠多糖影響所致。隨蔗糖濃度增加，SPI/Konj共混體系的G′呈降低趨勢(shì)，可能原因是蔗糖存在抑制和遲滯了SPI變性所致，但在后續(xù)恒溫及降溫階段此趨勢(shì)逐漸被逆轉(zhuǎn)為升高趨勢(shì)，降溫過程蔗糖的存在利于由變性大豆蛋白及魔芋膠兩種高分子共同參與的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成和鞏固。圖1b顯示，與未經(jīng)超聲處理組相比，超聲處理10 min后， 共混體系的G′整體顯著下降了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，升溫過程G′及G″值銳減至低于10 Pa，且G′及G″相對(duì)更加接近，主要因?yàn)槌暯到饬四в竽z多糖高分子的鏈段所致。超聲處理10 min條件下，恒溫及降溫過程添加20%蔗糖共混體系的G′顯著低于添加10%蔗糖及未添加蔗糖樣品G′，表明超聲處理屏蔽了添加蔗糖可提高共混體系G′的效應(yīng)，主要因?yàn)槌曁幚斫到飧叻肿渔湺魏螅^一定濃度的蔗糖會(huì)因氫鍵效應(yīng)更不利于長(zhǎng)鏈膠束及三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成所致。圖1c顯示超聲處理20 min后，此種超聲降低共混體系G′的屏蔽效應(yīng)更加顯著。

表1 SPI/Konj共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變學(xué)特征參數(shù)

由圖3a可知，未經(jīng)超聲處理組，全頻率范圍G′>G″，G′、G″對(duì)頻率的依賴性較弱，表明均能形成相對(duì)較強(qiáng)的凝膠體系。超聲處理10 min后(圖3b)，低頻范圍，隨頻率增加G′、G″變化更大，且高頻區(qū)隨頻率增加，G′出現(xiàn)陡增趨勢(shì)，表明高頻區(qū)各凝膠結(jié)構(gòu)容易被破壞，產(chǎn)生切變流動(dòng)行為[12]。相同頻率條件下，隨著蔗糖濃度的增大，SPI/Konj共混凝膠的G′值呈先增加而后降低趨勢(shì)，進(jìn)一步說明低濃度蔗糖共溶質(zhì)的存在強(qiáng)化了共混凝膠結(jié)構(gòu)，而高濃度蔗糖共存時(shí)使共混凝膠結(jié)構(gòu)遭到破壞，研究考察結(jié)冷膠凝膠性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)了類似蔗糖濃度效應(yīng)[13]。與超聲處理10 min樣相比，圖3c顯示超聲處理20 min后切變流動(dòng)點(diǎn)進(jìn)一步向低頻方向偏移，說明凝膠結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被弱化，且此超聲條件下，隨蔗糖濃度增加，降溫末頻率掃描范圍共混體系G′呈顯著降低趨勢(shì)，表明超聲處理20 min后，完全屏蔽了蔗糖增效共混體系凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用。

● 0% G′ ○ 0%G″ ▼ 10%G′ ▽ 10%G″ ▲ 20%G′ △ 20%G″

圖2 SPI/Konj共混體系凝膠化速度圖

● 0%蔗糖G′ ○ 0%蔗糖G″ ▼ 10%蔗糖G′ ▽ 10%蔗糖G″ ▲ 20%蔗糖G′ △ 20%蔗糖G″

● 0%蔗糖G′ ○ 0%蔗糖G″ ▼ 10%蔗糖G′ ▽ 10%蔗糖G″ ▲ 20%蔗糖G′ △ 20%蔗糖G″

圖4a顯示未經(jīng)超聲處理組，整個(gè)掃描區(qū)域G′、G″存在一平臺(tái)區(qū)，即線性黏彈區(qū)域，且平臺(tái)區(qū)內(nèi)G′均高于1 000 Pa，隨振幅逐漸增加，出現(xiàn)平滑下降區(qū)域，表明整個(gè)共混體系為非脆性凝膠。圖4b及圖4c分別顯示超聲10 min和20 min組樣品未發(fā)現(xiàn)類似平滑下降區(qū)域，整個(gè)振幅掃描范圍G′、G″對(duì)振幅幾乎沒有依賴性且G′、G″均低于100 Pa，隨蔗糖濃度增加和超聲時(shí)間延長(zhǎng)，G′、G″被顯著降低。

2.2 SPI/Konj共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)分析

表2顯示未經(jīng)超聲處理時(shí)SPI/Konj共混凝膠的硬度值及黏附性值均隨蔗糖濃度增加而增加。超聲處理10 min后，添加等濃度蔗糖共溶質(zhì)條件下，硬度和黏附性值均被顯著降低，且與未超聲組相比該超聲條件下蔗糖濃度增加硬度及黏附性的趨勢(shì)被改變，超過10%蔗糖質(zhì)量濃度的共混體系凝膠硬度和黏附性值均低于對(duì)照樣。超聲處理20 min共混凝膠的硬度和黏附性進(jìn)一步被降低。超聲處理后，SPI/Konj共混體系中的蛋白和多糖高分子鏈被降解，不利于形成三維結(jié)構(gòu)的同時(shí)，短鏈產(chǎn)生的黏附性作用也被削弱，此過程超聲降解占主導(dǎo)作用，因而屏蔽了添加蔗糖強(qiáng)化共混凝膠強(qiáng)度的作用。

表2 不同處理?xiàng)l件下SPI/Konj共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)

注：超聲時(shí)間相同組，字母不同表示凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)之間具有顯著差異(P<0.05)。

2.3 共混體系凝膠微觀結(jié)構(gòu)分析

比較圖5a、圖5b及圖5c可知，未經(jīng)超聲處理組SPI/Konj共混凝膠的微觀凝膠結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)連續(xù)網(wǎng)絡(luò)特征，且隨蔗糖濃度升高，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)微孔結(jié)構(gòu)數(shù)量和平均孔隙率和尺度均呈輕微增加趨勢(shì)。圖5d、圖5e及圖5f顯示超聲處理10 min樣品共混凝膠微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因發(fā)生團(tuán)塊狀聚集而顯著減少。圖5g、圖5h及圖5i表明進(jìn)一步延長(zhǎng)超聲時(shí)間至20 min，微觀三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成團(tuán)塊狀的趨勢(shì)愈加明顯。與未經(jīng)超聲處理樣品比較，超聲處理因機(jī)械剪切及空化效應(yīng)等復(fù)合作用使共混凝膠微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，并導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度進(jìn)一步被弱化。研究發(fā)現(xiàn)隨超聲作用加強(qiáng)可弱化馬鈴薯淀粉糊凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并降低凝膠的力學(xué)強(qiáng)度[14]，而超聲處理魚糜后可使凝膠的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)更加致密、均勻并能提升凝膠的強(qiáng)度[15]，超聲對(duì)不同食品高分子凝膠微觀結(jié)構(gòu)的改變趨勢(shì)存在較大差異，主要源于不同食品高分子結(jié)構(gòu)耐受超聲剪切和空化降解效應(yīng)不同所致。

圖5 SPI/Konj共混體系凝膠掃描電鏡圖

2.4 SPI/Konj共混凝膠體系紅外光譜分析

a 超聲0 min+0%蔗糖 b 超聲10 min+0%蔗糖c 超聲20 min+0%蔗糖 d 超聲0 min+10%蔗糖e 超聲10 min+10%蔗糖 f 超聲20 min+10%蔗糖g 超聲20 min+20%蔗糖圖6 SPI/Konj共混體系凝膠傅里葉紅外測(cè)試結(jié)果圖

3 結(jié)論

未經(jīng)超聲處理時(shí)，共混凝膠化速度、黏彈模量、質(zhì)構(gòu)硬度及黏附性均隨蔗糖濃度增加而增加，提高了凝膠結(jié)構(gòu)化速率，并最終強(qiáng)化凝膠強(qiáng)度。隨超聲時(shí)間延長(zhǎng)，未添加蔗糖時(shí)凝膠體系微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了團(tuán)塊狀聚集，從而導(dǎo)致凝膠三維網(wǎng)絡(luò)破壞并顯著降低共混凝膠強(qiáng)度。同時(shí)施加超聲處理和添加蔗糖共溶質(zhì)，蔗糖共溶質(zhì)提高凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度效應(yīng)被超聲弱化，表明超聲處理和蔗糖共溶質(zhì)對(duì)SPI/Konj共混體系凝膠結(jié)構(gòu)及性能不具備協(xié)同增效作用。