低?；?高?；鶑?fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠的凝膠特性研究

陳 青 周濤濤 程紅梅 韓曉祥

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 杭州 310018)

0 引言

目前，肥胖已成為威脅人類健康的重要因素[1-4]。文獻(xiàn)[5]發(fā)現(xiàn)，體質(zhì)量如果能減少10～15 kg，就有可能逆轉(zhuǎn)Ⅱ型糖尿病?？刂坪椭委煼逝肿钣行У耐緩绞菧p少熱量攝入或延長(zhǎng)食物在胃部的消化時(shí)間。多糖是食品中的重要組分，在食品微觀結(jié)構(gòu)、貯藏穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要的作用，對(duì)多糖結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)食品質(zhì)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味的調(diào)節(jié)[6-7]。如果能在食品中加入一種或多種對(duì)酸敏感的多糖，使其在接觸胃酸時(shí)形成凝膠，就有可能在不改變食品風(fēng)味和口感的前提下延長(zhǎng)消化時(shí)間，從而達(dá)到減肥的目的。海藻酸鈉遇酸可形成酸性凝膠，并可延長(zhǎng)胃部消化時(shí)間，但海藻酸鈉遇鈣離子立刻凝膠，影響其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[8]。結(jié)冷膠(Gellan gum, GLG)是一種陰離子多糖，具有香味釋放性強(qiáng)、復(fù)配性佳、安全性和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在食品、制藥、化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9-12]。商品化結(jié)冷膠[13]主要包括高?；Y(jié)冷膠(High acyl gellan gum，HA)和低?；Y(jié)冷膠(Low acyl gellan gum，LA)。低?；Y(jié)冷膠可以形成性質(zhì)良好、凝膠速率適中的酸性凝膠，且在模擬胃腸液中消化時(shí)間延長(zhǎng)，有望成為減肥食品的新型添加劑。在食品工業(yè)中，生產(chǎn)者經(jīng)常將高?；偷王；Y(jié)冷膠復(fù)配使用，以滿足不同的功能要求[14-16]。但目前關(guān)于低?；?高?；鶑?fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠的研究鮮見報(bào)道。

應(yīng)力松弛可靈敏地反映材料的質(zhì)地和結(jié)構(gòu)變化[17-19]，且在測(cè)試中不會(huì)對(duì)材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。為全面了解結(jié)冷膠酸化凝膠的形成過(guò)程，本文以應(yīng)力松弛作為表征手段，研究LA/HA質(zhì)量配比、基體濃度、pH值對(duì)復(fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠的凝膠特性的影響，同時(shí)模擬胃液環(huán)境研究復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)重建，以期為結(jié)冷膠在我國(guó)食品工業(yè)及其他領(lǐng)域中的加工應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

高?；Y(jié)冷膠LT100(美國(guó)Kelco公司)，低?；Y(jié)冷膠Kelcogel(美國(guó)Kelco公司)，HCl(成都市科龍化工試劑廠，分析純)；去離子水(實(shí)驗(yàn)室自制)。

JZ78-1型磁力攪拌器(杭州通用電子儀表廠)，電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司)，XMT-E5000型加熱器(威利斯公司)，TA TX型物性分析儀(英國(guó)SMS公司)，BL-180型集成防爆冷柜(上海億思科技有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1低?；?高?；Y(jié)冷膠復(fù)合酸性凝膠制備

在室溫(20℃)下將適量結(jié)冷膠粉末加入去離子水中，溶脹24 h，于90℃下進(jìn)行磁力攪拌，直至結(jié)冷膠粉末完全溶解，用HCl調(diào)節(jié)pH值，將溶液分裝在Φ30 mm×20 mm模具中，用15℃的冷水浴冷卻10 min，在4℃冰箱中放置36 h后脫模進(jìn)行測(cè)試分析，在進(jìn)行測(cè)試前，凝膠試樣均在室溫下放置0.5 h進(jìn)行平衡。

本研究中制備的復(fù)合酸性凝膠中LA/HA的質(zhì)量配比為0∶100、25∶75、50∶50、75∶25和100∶0，復(fù)合凝膠體系的pH值為2、3、4、5、5.4(未調(diào)節(jié))，基體總質(zhì)量濃度為0.005、0.010、0.015 g/mL。

1.2.2復(fù)合酸性凝膠的凝膠特性測(cè)定

利用兩種方式測(cè)試了復(fù)合酸性凝膠的凝膠特性，并對(duì)其進(jìn)行了關(guān)聯(lián)對(duì)比。第1種方式是應(yīng)力松弛，采用TA TX型物性分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定模式：hold test；測(cè)定前探頭速度：1 mm/s；測(cè)定時(shí)探頭速度：1 mm/s；測(cè)定后探頭速度：3 mm/s；壓縮應(yīng)變：10%；觸發(fā)類型：自動(dòng)；觸發(fā)力：0.049 N；測(cè)試時(shí)間：600 s；探頭型號(hào)：P45(直徑為45 mm的圓柱探頭)。根據(jù)得到的力-時(shí)間關(guān)系曲線，計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次，文中所用數(shù)據(jù)為3次重復(fù)測(cè)量的平均值。

利用TA TX型物性分析儀對(duì)復(fù)合酸性凝膠的硬度進(jìn)行了表征，選用的夾具為P45，測(cè)試模式為TPA (Texture profile analysis)。具體測(cè)試參數(shù)為：預(yù)壓速度3 mm/s，下壓速度1 mm/s，回復(fù)速度3 mm/s，變形量6 mm，兩次壓縮之間的停留時(shí)間10 s，觸發(fā)力0.049 N。取TPA測(cè)試結(jié)果中的硬度表征凝膠強(qiáng)度。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定5次，文中所用數(shù)據(jù)為5次重復(fù)測(cè)量的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

文中所有數(shù)據(jù)均利用Origin 8.0和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高數(shù)據(jù)的可信度，本研究中每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3～5次，文中所用數(shù)據(jù)為多次重復(fù)測(cè)量結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠(L/H-GLG)的形成

圖1 低酰基/高?；鶑?fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠照片F(xiàn)ig.1 Typical macroscopic aspect of low acyl (LA) and high acyl (HA) mixed acid gellan gum gels (L/H-GLG)

圖1給出了低?；?高?；鶑?fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠的照片。LA/HA質(zhì)量配比越大，凝膠的透明性越好，這是因?yàn)榈王；Y(jié)冷膠形成的是透明凝膠，而高酰基結(jié)冷膠則形成白色不透明凝膠，體系內(nèi)低酰基結(jié)冷膠含量高，這時(shí)低?；Y(jié)冷膠會(huì)形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，復(fù)合凝膠主要表現(xiàn)出低?；Y(jié)冷膠的特性。此外，低酰基結(jié)冷膠含量越高，凝膠越堅(jiān)實(shí)，而高?；Y(jié)冷膠含量越高，形成的凝膠則越柔軟。隨著體系pH值的降低，復(fù)合凝膠的顏色均會(huì)變成不透明的白色。

基體總濃度、LA/HA質(zhì)量配比和pH值對(duì)復(fù)合凝膠的形成均有影響?；w總質(zhì)量濃度越低時(shí)越不容易形成堅(jiān)實(shí)的凝膠。當(dāng)基體總質(zhì)量濃度為0.005 g/mL時(shí)，LA/HA質(zhì)量配比為100∶0時(shí)只有在pH值為2時(shí)才能形成堅(jiān)實(shí)凝膠?；w總質(zhì)量濃度升高到0.010 g/mL時(shí)，除了未調(diào)節(jié)pH值且LA/HA質(zhì)量配比為100∶0的樣品以外，其它樣品均形成了堅(jiān)實(shí)的凝膠。當(dāng)pH值為2、LA/HA質(zhì)量配比為0∶100時(shí)，基體總質(zhì)量濃度為0.005 g/mL與0.015 g/mL的體系均不能形成堅(jiān)實(shí)的凝膠，說(shuō)明當(dāng)pH值很低時(shí)，高?；Y(jié)冷膠含量越高，則越不容易形成堅(jiān)實(shí)的復(fù)合凝膠。由此可見，相對(duì)高?；Y(jié)冷膠而言，低?；Y(jié)冷膠對(duì)酸更為敏感。文獻(xiàn)[20]考察鈣離子對(duì)低酰基/高?；鶑?fù)合凝膠的凝膠性質(zhì)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，低酰基結(jié)冷膠對(duì)鈣離子更敏感，這也與本文研究結(jié)果一致。

圖2 低?；?高?；Y(jié)冷膠復(fù)合酸性凝膠典型的應(yīng)力松弛曲線和Peleg模型擬合Fig.2 Typical stress relaxation curves of L/H-GLG and stress relaxation data after conversion to linear form by graphing Peleg model

2.2 應(yīng)力松弛模式對(duì)復(fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠特性的表征

用來(lái)描述食品體系松弛行為最常用的模型是Maxwell模型，但文獻(xiàn)[21]認(rèn)為食品體系很多時(shí)候表現(xiàn)出非線性粘彈性的特點(diǎn)，且因?yàn)槭称敷w系成分復(fù)雜多變，因此Mawell模型對(duì)于食品體系并不適用，食品體系的應(yīng)力松弛行為可以用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的歸一化模型進(jìn)行擬合，即

(1)

式中F0——應(yīng)力松弛曲線中初始作用力，N

F(t)——t時(shí)刻的作用力，N

k1——松弛單位作用力所需要的時(shí)間，s

k2——松弛程度系數(shù)

松弛之后體系的平衡模量EA計(jì)算公式為

(2)

式中A——試樣的橫截面積，m2

ε——施加的應(yīng)變

圖2a給出了復(fù)合酸性凝膠典型的應(yīng)力松弛曲線，可見，復(fù)合凝膠在受到外力作用并保持應(yīng)變不變時(shí)，樣品的應(yīng)力會(huì)迅速達(dá)到一個(gè)最大值。隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)，初始時(shí)應(yīng)力會(huì)快速降低，當(dāng)時(shí)間超過(guò)某個(gè)臨界值后，應(yīng)力下降速率減慢，并逐漸趨于穩(wěn)定，總地來(lái)說(shuō)，復(fù)合酸性凝膠的應(yīng)力松弛曲線可以分為兩個(gè)區(qū)，一個(gè)為快速松弛區(qū)，另一個(gè)則為穩(wěn)定區(qū)。復(fù)合酸性凝膠的應(yīng)力不會(huì)松弛為零，說(shuō)明其是一個(gè)典型的具有殘余應(yīng)力的體系。多次重復(fù)測(cè)試的測(cè)試曲線基本重合，且彼此之間偏差小于5%，說(shuō)明應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)可重復(fù)且可信。

根據(jù)復(fù)合酸性凝膠應(yīng)力曲線的變化特點(diǎn)，利用Peleg模型對(duì)其應(yīng)力松弛行為進(jìn)行了擬合，圖2b給出了擬合結(jié)果，顯然，Peleg模型可以很好地?cái)M合復(fù)合酸性凝膠的應(yīng)力松弛行為。

2.2.1k1和k2

圖3給出了復(fù)合酸性凝膠k1與體系pH值以及LA/HA質(zhì)量配比之間的關(guān)系曲線。復(fù)合酸性凝膠的k1均隨LA/HA質(zhì)量配比的升高出現(xiàn)了先增大后減小的變化規(guī)律，樣品基本都在LA/HA質(zhì)量配比為50∶50時(shí)出現(xiàn)最大值，說(shuō)明此時(shí)凝膠松弛單位應(yīng)力的時(shí)間越長(zhǎng)，即凝膠更強(qiáng)。此外，還可發(fā)現(xiàn)，LA/HA質(zhì)量配比對(duì)復(fù)合酸性凝膠k1也有較為明顯的影響，總地來(lái)說(shuō)，體系內(nèi)低?；Y(jié)冷膠含量越高，k1對(duì)pH值的敏感性越強(qiáng)，說(shuō)明相對(duì)于高?；Y(jié)冷膠而言，低酰基結(jié)冷膠對(duì)pH值更為敏感。固定的LA/HA質(zhì)量配比下，復(fù)合酸性凝膠基本都在pH值為3～4時(shí)獲得了最大值，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展得較為完善。體系的pH值會(huì)影響到結(jié)冷膠分子構(gòu)象[22]，一方面H+會(huì)屏蔽結(jié)冷膠分子鏈上帶負(fù)電的羧基，另一方面pH值還會(huì)影響低酰基結(jié)冷膠分子鏈上羧基的解離度。體系內(nèi)酸含量越高，酸化速率越快，結(jié)冷膠分子鏈聚集越快，越不容易形成致密結(jié)構(gòu)，當(dāng)pH值為3～4時(shí)，體系內(nèi)部分子鏈的聚集速度適中，結(jié)構(gòu)致密。

圖3 LA/HA質(zhì)量配比及pH值對(duì)復(fù)合酸性凝膠k1的影響Fig.3 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on k1 of L/H-GLG

圖4給出了復(fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠k2與pH值、LA/HA質(zhì)量配比的關(guān)系。k2表示的是凝膠應(yīng)力松弛的程度，k2越大，說(shuō)明樣品的彈性越大，純液體k2=1，理想虎克固體k2→∞。顯然，k2與k1的變化規(guī)律基本相似。在所研究的基體總濃度的范圍內(nèi)，當(dāng)pH值為2時(shí)，復(fù)合凝膠的k2最小，為1.05～2.07，說(shuō)明pH值為2時(shí)形成的復(fù)合凝膠是弱凝膠。這可能是因?yàn)榇藭r(shí)體系的酸化速率過(guò)快，使得結(jié)冷膠分子鏈聚集速率加快，造成凝膠內(nèi)部的三維網(wǎng)絡(luò)無(wú)法發(fā)展完善。文獻(xiàn)[21]研究發(fā)現(xiàn)，玉米粒的k2為5.81，奶酪的k2為1.11，低甲氧基果膠的k2為1.21，豆子的k2為2.26。與k1的變化特點(diǎn)類似，復(fù)合酸性凝膠k2隨著LA/HA質(zhì)量配比的升高出現(xiàn)了先基本保持平穩(wěn)然后降低的變化趨勢(shì)，這是由高酰基結(jié)冷膠形成的凝膠彈性更大，而低?；Y(jié)冷膠形成的凝膠更脆造成的。這與文獻(xiàn)[20]的研究結(jié)果一致。

圖4 LA/HA質(zhì)量配比及pH值對(duì)復(fù)合酸性凝膠k2的影響Fig.4 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on k2 of L/H-GLG

2.2.2平衡模量

如果材料是理想彈性體，可以一直維持施加在樣品上的作用力，如果材料是純粘性流體，則作用力會(huì)快速松弛掉。平衡模量(EA)是一個(gè)與初始應(yīng)力和彈性相關(guān)的物理量。對(duì)于多糖凝膠來(lái)說(shuō)，EA與凝膠強(qiáng)度之間存在正相關(guān)性，即凝膠強(qiáng)度越大，EA越大。對(duì)于低?；?高?；Y(jié)冷膠復(fù)合酸性凝膠而言，EA也是其凝膠網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)弱的體現(xiàn)，可用來(lái)表征凝膠的強(qiáng)弱。因?yàn)楦啧；Y(jié)冷膠形成的凝膠軟而彈，無(wú)法用壓縮法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行表征，故而利用TPA測(cè)定了凝膠的硬度。平衡模量EA與硬度之間具有顯著的正相關(guān)性(相關(guān)系數(shù)0.948 2～0.956 4)，凝膠強(qiáng)度越大，平衡模量也越高，因此本研究利用EA作為復(fù)合酸性凝膠凝膠強(qiáng)度的表征。

圖5 LA/HA質(zhì)量配比及pH值對(duì)復(fù)合凝膠EA的影響Fig.5 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on EA of L/H-GLG

圖5給出了LA/HA質(zhì)量配比和pH值對(duì)復(fù)合酸性凝膠平衡模量的影響。顯然，復(fù)合凝膠的EA隨著LA/HA質(zhì)量配比的增大先升高后降低，基本都在LA/HA質(zhì)量配比為50∶50時(shí)取得最大值，說(shuō)明此時(shí)凝膠的強(qiáng)度最大。文獻(xiàn)[23]研究發(fā)現(xiàn)，低?；透啧；Y(jié)冷膠混合時(shí)，會(huì)各自形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)王；Y(jié)冷膠含量較低時(shí)，高?；Y(jié)冷膠形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而低?；Y(jié)冷膠分散在其中，但低?；|(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到50%時(shí)，低?；Y(jié)冷膠和高?；Y(jié)冷膠形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此時(shí)強(qiáng)度最大。之后隨著低?；Y(jié)冷膠含量的進(jìn)一步增大，高?；Y(jié)冷膠則作為分散相存在于低?；Y(jié)冷膠形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，平衡模量會(huì)降低。文獻(xiàn)[24]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)HA質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%～60%之間時(shí)，LA和HA會(huì)形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得本體模量最大，這也與本研究結(jié)果一致。

pH值對(duì)復(fù)合酸性凝膠EA也有影響，基本所有的復(fù)合酸性凝膠都在pH值為3時(shí)平衡模量最大，可能是因?yàn)榇藭r(shí)分子量聚集速率較為合適，形成的凝膠結(jié)構(gòu)較為致密所致。結(jié)冷膠總濃度越大，單位體積內(nèi)高分子鏈越多，凝膠的平衡模量也越高。

2.3 酸液浸泡對(duì)復(fù)合酸性凝膠的凝膠特性的影響

為了模擬復(fù)合凝膠進(jìn)入胃部之后結(jié)構(gòu)的變化，考察了復(fù)合酸性凝膠在pH值為2的酸液中凝膠性質(zhì)的演變，圖6給出了酸液浸泡對(duì)不同初始pH值的復(fù)合酸性凝膠EA的影響。顯然，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，復(fù)合酸性凝膠的EA也出現(xiàn)了先增大后穩(wěn)定的變化特性，隨著復(fù)合凝膠內(nèi)部高?；Y(jié)冷膠含量的增多，酸液浸泡時(shí)間對(duì)復(fù)合酸性凝膠EA影響越來(lái)越小，這也說(shuō)明了高酰基結(jié)冷膠對(duì)pH值改變不敏感。由圖6a可見，初始pH值3的復(fù)合酸性凝膠在pH值2的酸液中浸泡6 h后，LA/HA質(zhì)量配比為100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100凝膠的EA從初始的11.36、8.02、14.16、6.36、2.05 kPa分別變?yōu)?3.58、17.14、19.13、11.65、1.47 kPa。由圖6b可以看出，初始pH值為5.4的復(fù)合凝膠在pH值為2的酸液中浸泡6 h后， LA/HA質(zhì)量配比為75∶25、50∶50、25∶75和0∶100的凝膠EA則從初始的3.24、6.42、3.95、3.29 kPa變?yōu)?9.05、22.03、11.88、1.93 kPa。顯然，復(fù)合凝膠的初始pH值與浸泡溶液的pH值相差越大，酸液浸泡的影響越明顯，這是因?yàn)镠+能進(jìn)一步促進(jìn)分子鏈間的聚集，增強(qiáng)凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。當(dāng)復(fù)合酸性凝膠與外界環(huán)境的pH值相差越大，H+的遷移越容易，影響也就越大，這也說(shuō)明了復(fù)合酸性凝膠的結(jié)構(gòu)不僅可以通過(guò)制備條件進(jìn)行控制，還可以通過(guò)環(huán)境的pH值進(jìn)行調(diào)控。

圖6 酸液浸泡對(duì)復(fù)合酸性凝膠EA的影響Fig.6 EA of L/H-GLG as a function of length of exposure to acidic environment

3 結(jié)論

(1)低酰基/高?；鶑?fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠的凝膠特性可用應(yīng)力松弛參數(shù)進(jìn)行表征，Peleg模型可以對(duì)復(fù)合酸性凝膠的應(yīng)力松弛行為進(jìn)行擬合。

(2)LA/HA質(zhì)量配比對(duì)復(fù)合凝膠應(yīng)力松弛行為影響顯著，隨LA/HA質(zhì)量配比的增加，k1表現(xiàn)出先增大、后減小的變化規(guī)律，當(dāng)LA/HA質(zhì)量配比為50∶50時(shí)獲得最大值。相對(duì)于高?；Y(jié)冷膠，低酰基結(jié)冷膠對(duì)酸更為敏感。

(3)平衡模量EA可用來(lái)表征復(fù)合酸性凝膠的凝膠強(qiáng)度。隨著LA/HA質(zhì)量配比的增大，復(fù)合酸性凝膠的EA先增大、后減小，在LA/HA質(zhì)量配比為50∶50時(shí)取得最大值，說(shuō)明此時(shí)凝膠的強(qiáng)度最大， LA和HA形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所有的復(fù)合凝膠都在pH值為3時(shí)平衡模量最大。結(jié)冷膠總濃度越高，復(fù)合酸性凝膠的平衡模量也越大。

(4)低?；?高?；鶑?fù)合酸性結(jié)冷膠凝膠的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)制備條件和環(huán)境pH值進(jìn)行調(diào)控。