濕熱降解對花魔芋魔芋膠/κ-卡拉膠復(fù)配凝膠性能的影響

任艷艷 李 斌 商龍臣 李 晶

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是魔芋膠的關(guān)鍵組分，由β-1, 4吡喃糖苷鍵將β-D-葡萄糖和β-D-甘露糖以1.00∶1.60或1.00∶1.69的摩爾比連接而成[1]。研究[2]表明，1% KGM多糖溶液黏度可達(dá)90 Pa·s，是已知黏度最高的多糖溶膠之一。其超高黏度在于其分子為巨型線性分子，運(yùn)動時(shí)需要巨大的自由空間，因此在水體系中其分子運(yùn)動易受阻并纏結(jié)交聯(lián)，從而顯示出較大的表觀黏度[3]。由于其巨大的分子量，魔芋膠具有優(yōu)良的凝膠性、增稠性、成膜性等功能性質(zhì)，但另一方面其應(yīng)用也因此受到了很大限制，尤其在凝膠復(fù)配領(lǐng)域，其水合過程中表現(xiàn)出的巨大黏度會嚴(yán)重影響其他組分在溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變中的相分離或自組裝進(jìn)程。因此，對其進(jìn)行有限降解，推測可能對這一進(jìn)程產(chǎn)生調(diào)控作用[4]。

κ-卡拉膠是由1，3-α-D-吡喃半乳糖和1，4-β-D-吡喃半乳糖為基本骨架交替連接而成的一種線性多糖，其具有凝膠、成膜、增稠等特性，從而使其在食品添加劑領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用[5]。然而，由κ-卡拉膠自身形成的凝膠往往具有脆性大、彈性小、易脫水收縮等缺陷，因此，在應(yīng)用時(shí)多將其與其他膠體復(fù)配使用，如刺槐豆膠、黃原膠等，以提升凝膠性能[6]。另有研究[7]表明，魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配，可形成彈性好、強(qiáng)度大、不易脫水收縮的凝膠。目前關(guān)于這兩種多糖配比、溶質(zhì)濃度、溶劑離子強(qiáng)度等因素對復(fù)合凝膠性能的探討已見于諸多報(bào)道[8-10]，但利用特定分子量的魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配從而提升復(fù)配凝膠性能的研究并不多見。研究[11]表明，不同分子量魔芋膠與黃原膠復(fù)配可對其凝膠性能產(chǎn)生較大影響。賀雪姣[12]以分子量范圍為1 898.36～4 436.50 kDa的4種魔芋膠與卡拉膠進(jìn)行復(fù)配，同樣也發(fā)現(xiàn)一定限度降解的魔芋膠有利于復(fù)配凝膠性能的提升。所以筆者推測不同降解度魔芋膠在復(fù)配體系冷卻成膠的過程中，由于分子量不同，勢必對凝膠組裝過程和最終的性能產(chǎn)生影響。受品種、加工方式、貯藏時(shí)間等因素影響，KGM精細(xì)結(jié)構(gòu)和分子量并不一致，通常分子量在200～2 000 kDa范圍內(nèi)變動[13-15]，而中國產(chǎn)花魔芋品種中葡甘聚糖分子量一般在1 000 kDa以下[16]，基于中國商業(yè)上應(yīng)用的魔芋膠基本上來源于花魔芋(占98%以上)，KGM分子量1 000 kDa以下的魔芋膠，是否仍然存在可以提升與卡拉膠復(fù)合凝膠性能的某個(gè)降解范圍，目前依然沒有定論，因此研究擬以源于花魔芋的魔芋膠為原料，采取濕熱降解的方法制備分子量范圍為137.8～621.5 kDa的魔芋膠，將其與κ-卡拉膠進(jìn)行復(fù)配，考察其對凝膠拉伸性能、質(zhì)構(gòu)特性、流變特性、持水性等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

花魔芋魔芋膠：食品級，湖北強(qiáng)森魔芋制品有限公司；

κ-卡拉膠：食品級，上海北連生物科技有限公司；

超純水：實(shí)驗(yàn)室自制。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

分析天平：BAS1245-CW型，德國Sartorius公司；

電動攪拌機(jī)：HD2010W型，上海司樂儀器有限公司；

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，武漢德力祥儀器設(shè)備有限公司；

真空冷凍干燥機(jī)：LGJ-30FD型，北京松源華興科技發(fā)展有限公司；

低速離心機(jī)：SC-3614型，安徽中科中佳儀器有限公司；

18角度激光光散射凝膠色譜：DAWN HELEOSII型，美國WYATT公司；

質(zhì)構(gòu)儀：TA.XT plus型，英國TA公司；

掃描電子顯微鏡：JSM-6390LV型，日本NTC公司；

流變儀：AR2000ex型，美國TA公司。

1.2 方法

1.2.1 降解魔芋膠的制備 將花魔芋魔芋粉在高壓蒸汽滅菌鍋中采用4種不同加熱溫度加熱一定時(shí)間，收集干燥后，采用凝膠排阻色譜—激光光散射聯(lián)用法測定分子量。未降解魔芋膠分子量為621.5 kDa，4個(gè)降解魔芋膠樣品其分子量分別為415.6，325.6，233.3，137.8 kDa。

1.2.2 凝膠樣品的制備 室溫下將0.5%魔芋膠溶入水中攪拌2 h，攪拌結(jié)束后靜置1 h，待其充分溶脹后置于75 ℃水浴中，根據(jù)配比添加2%的κ-卡拉膠，不斷攪拌使兩者充分混合，經(jīng)一定時(shí)間水浴消泡后，倒入相應(yīng)模具中初步成型，再將其放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中凝膠12 h即可。樣品A由κ-卡拉膠單獨(dú)制備，樣品B～F分別由分子量為621.5，415.6，325.6，233.3，137.8 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠混合制備。

1.2.3 機(jī)械性能測定 采用質(zhì)構(gòu)儀對凝膠機(jī)械性能進(jìn)行測定。

(1) 拉伸性能測定參數(shù)：橫軸拉伸模式，A/TG探頭，測前速率2 mm/s，測試速度2 mm/s，測后速率10 mm/s，拉伸距離140 mm，試樣每份平行測5次。

(2) 彈性、硬度測定參數(shù)：TPA模式，P/0.5探頭，測前速率1 mm/s，測試速度1 mm/s，試后速率2 mm/s，觸發(fā)力5.00 g，形變量50%，試樣每份平行測3次，各測4個(gè)點(diǎn)，共12個(gè)點(diǎn)。

1.2.4 流變特性測定 將凝膠置于帕爾貼板上，進(jìn)行溫度掃描、頻率掃描、穩(wěn)態(tài)剪切掃描測試。使用直徑60 mm的平行板夾具，平行板間距均設(shè)置為500 μm，平衡時(shí)間120 s。溫度掃描在應(yīng)變1%(通過應(yīng)變掃描確定)，頻率10 rad/s的條件下考察凝膠黏彈性與溫度的關(guān)系，掃描范圍75～25 ℃，降溫速率2 ℃/min；頻率掃描在25 ℃，應(yīng)變1%的條件下考察凝膠凝膠黏彈性隨頻率的變化，掃描范圍為0.1～100.0 rad/s；穩(wěn)態(tài)剪切掃描在75 ℃下進(jìn)行，剪切速率為0.01～100.00 s-1。

1.2.5 持水性測試 將制備好的凝膠，離心前擦干表面水分稱重，然后在25 ℃條件下將樣品置于10 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心15 min后取出凝膠，用吸水紙擦干其表面水分稱重，每個(gè)樣品設(shè)6次重復(fù)，凝膠的持水性可由式(1)求得。

(1)

式中：

WHC——凝膠持水性，%；

m2——凝膠離心后的質(zhì)量，g；

m1——凝膠離心前的質(zhì)量，g。

1.2.6 SEM分析 凝膠樣品通過浸入液氮中進(jìn)行冷凍破碎，以避免水分遷移。然后將冷凍的樣品立即轉(zhuǎn)移到真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥48 h得到所需凍干樣品。再用掃描電鏡觀察之前，樣品需進(jìn)行噴金處理，涂布時(shí)間約為30 s，最后在15 kV的加速電壓下捕獲圖像以觀察樣品的表面形態(tài)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降解度魔芋膠對凝膠機(jī)械性能的影響

2.1.1 拉伸性能 由圖1可以看出，凝膠的斷裂強(qiáng)度(TS)和斷裂伸長率(EIO)均隨魔芋膠分子量的減小呈先增大后減小的趨勢。單獨(dú)的κ-卡拉膠形成的凝膠具有最小的TS和較小的EIO，當(dāng)未降解魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配后其TS和EIO增大，這是因?yàn)镵GM分子穿插在κ-卡拉膠形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，形成分子間氫鍵從而增強(qiáng)了凝膠性能[17]。魔芋膠經(jīng)有限降解后(分子量415.6 kDa)，復(fù)配膠的TS、EIO同時(shí)顯著增大；當(dāng)進(jìn)一步降解后(分子量<325.6 kDa)凝膠機(jī)械性能急劇下降。綜上所述，魔芋膠在分子量為415.6 kDa時(shí)對復(fù)配凝膠機(jī)械性能的提升最顯著。Kohyama等[18]在研究中提出“在KGM與κ-卡拉膠的復(fù)配體系中，隨著KGM分子量的增大，分子鏈長度增加，與κ-卡拉膠的弱結(jié)合位點(diǎn)越多，因此形成的凝膠擁有更為緊密的結(jié)構(gòu)，其斷裂應(yīng)力和模量也會增加”，這在137.8～325.6 kDa的分子量分布范圍內(nèi)是成立的，但分子量>415.6 kDa時(shí)并不成立，但這種現(xiàn)象與Mitchel[19]提出的“一個(gè)凝膠體系中當(dāng)其中一種成分的分子量大于某臨界值時(shí)，則體系的規(guī)則程度和彈性模量便不再直接受到分子量影響”的觀點(diǎn)是一致的?；诖?筆者對復(fù)合凝膠機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)的原因進(jìn)行如下推測：① 魔芋膠的分子量在415.6 kDa附近時(shí)與κ-卡拉膠弱結(jié)合位點(diǎn)較多；② 有限降解使KGM分子運(yùn)動性增強(qiáng)，從而對復(fù)合凝膠在溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變中兩組分的相分離和自組裝進(jìn)程產(chǎn)生影響。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 質(zhì)構(gòu)性能 由圖2可以看出，凝膠的硬度隨魔芋膠降解度的增大呈先增大后減小的趨勢，并在233.3 kDa時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)凝膠依然維持高彈性狀態(tài)，但當(dāng)凝膠分子量<233.3 kDa時(shí)，這兩個(gè)質(zhì)構(gòu)關(guān)鍵指標(biāo)顯著降低。推測分子量為233.3 kDa的魔芋膠在濃度為0.5%時(shí)，仍大于其臨界纏接濃度，此時(shí)KGM分子間相互纏繞并能夠更加均勻地穿插在由κ-卡拉膠構(gòu)成的凝膠骨架中，從而賦予復(fù)合凝膠良好的硬度和彈性。更低分子量的魔芋膠(137.8 kDa)則因?yàn)镵GM分子無法相互纏接，僅起到填充作用[20]。

2.2 不同降解度魔芋膠對凝膠流變性能的影響

2.2.1 凝膠頻率掃描 圖3顯示了凝膠體系的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)隨振蕩頻率變化的關(guān)系圖，穩(wěn)定狀態(tài)下6種凝膠的儲能模量G′均大于其損耗模量G″，呈顯著的凝膠特性。圖3(b)中未降解魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配后其儲能模量G'稍低于104Pa，而圖3(c)中分子量為415.6 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配后的G'值則稍高于104Pa，但隨著魔芋膠的進(jìn)一步降解，G'呈下降趨勢，且凝膠變得不穩(wěn)定，與圖4中剪切應(yīng)力和黏度隨魔芋膠分子量的變化是一致的。有研究[21]表明，二者復(fù)合凝膠體系內(nèi)存在兩類凝膠區(qū)，其一由κ-卡拉膠自身的螺旋結(jié)構(gòu)形成，另一個(gè)由魔芋膠與κ-卡拉膠共同構(gòu)成。魔芋膠分子量輕微地降低(415.6 kDa)，可能使KGM更好地穿插在與κ-卡拉膠共同構(gòu)成的凝膠區(qū)中，從而提高其凝膠性能，但是KGM分子量的進(jìn)一步降低會導(dǎo)致凝膠區(qū)KGM之間的纏接減弱，表現(xiàn)為凝膠儲能模量的減弱。

圖3 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)合凝膠的頻率掃描模式曲線

2.2.2 凝膠穩(wěn)態(tài)剪切掃描 圖4(a)顯示了不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)合溶膠剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系。在較低的剪切速率(0.01～0.10 s-1)下，凝膠的剪切應(yīng)力緩慢增加，當(dāng)剪切速率達(dá)到0.10 s-1時(shí)，凝膠的剪切應(yīng)力迅速增大。這可能是在低速剪切區(qū)，分子在剪切力作用下發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)解纏結(jié)，隨著時(shí)間的延長，使溶膠內(nèi)部的分子會逐漸恢復(fù)剛開始的纏結(jié)狀態(tài)，使得凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得以維持，而在高剪切速率范圍內(nèi)則無法恢復(fù)。圖4(b)顯示了不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)合溶膠表觀黏度與剪切速率的關(guān)系。較低的剪切速率(0.01～0.10 s-1)下，凝膠的表觀黏度降低緩慢，但在高剪切速率范圍內(nèi)，表觀黏度迅速下降，說明在高剪切速率范圍內(nèi)，鏈纏結(jié)點(diǎn)被破壞的速度大于重構(gòu)速度，分子的結(jié)構(gòu)無法恢復(fù)，表現(xiàn)為表觀黏度的下降。另外表觀黏度可以反映凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞的難易程度[22]，由圖4可知，破壞κ-CA/KGM (415.6 kDa)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最難，說明分子量為415.6 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠形成的復(fù)合凝膠協(xié)同增效性最強(qiáng)。而且，在整個(gè)剪切速率范圍內(nèi)，分子量為415.6 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠形成的復(fù)合凝膠的剪切應(yīng)力和表觀黏度均大于未降解魔芋膠與κ-卡拉膠形成的凝膠。

圖4 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)合溶膠的穩(wěn)態(tài)剪切掃描模式曲線

2.2.3 凝膠溫度掃描 圖5顯示了不同降解程度的魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)合凝膠的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)與溫度的關(guān)系，各類混合凝膠與κ-卡拉膠凝膠過程相似，說明復(fù)配凝膠體系是以κ-卡拉膠形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)為主。整個(gè)降溫過程中，復(fù)合凝膠的儲能模量G′均高于κ-卡拉膠獨(dú)自形成的凝膠，且分子量為415.6 kDa的魔芋膠與卡拉膠所復(fù)配出的凝膠儲能模量相對更大。值得注意的是：未降解魔芋膠的加入幾乎沒有改變κ-卡拉膠的凝膠轉(zhuǎn)變溫度，但分子量為415.6，325.6 kDa魔芋膠的添加使得凝膠轉(zhuǎn)變溫度顯著升高，但進(jìn)一步降解后其凝膠轉(zhuǎn)變溫度又回到原位。凝膠轉(zhuǎn)變溫度的高低，影響到溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變中兩組分的相分離或自組裝進(jìn)程[23]，推測κ-卡拉膠與分子量為415.6 kDa的魔芋膠復(fù)配后之所以展示出良好機(jī)械特性，與其冷卻過程中，處于溶膠狀態(tài)下的時(shí)間更短、相分離發(fā)生更少；相反處于凝膠狀態(tài)下時(shí)間更長，自組裝更加充分有關(guān)。

圖5 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)合凝膠的溫度掃描模式曲線

2.3 不同降解度魔芋膠對凝膠持水性的影響

圖6為不同降解度的魔芋膠對凝膠持水特性的影響，加入未降解魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配后，凝膠持水性稍有增加但不顯著，當(dāng)分子量為415.6 kDa的魔芋膠與卡拉膠復(fù)配后其持水性有顯著性的增加(P<0.05)，但魔芋膠進(jìn)一步降解后其持水性降低，與以上機(jī)械特性、流變特性的規(guī)律一致。

2.4 不同降解度魔芋膠對凝膠結(jié)構(gòu)的影響

圖7是不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配后得到的掃描電子顯微鏡圖，由前文各項(xiàng)表征得知魔芋膠經(jīng)輕度降解后(415.6 kDa)，復(fù)配凝膠的性能得到顯著提升，但過度降解的魔芋膠(137.8 kDa)卻適得其反。所以，選取有代表性的樣品，針對魔芋膠最高分子量、最適分子量、最低分子量分別進(jìn)行復(fù)合凝膠微觀結(jié)構(gòu)的觀察比較。從圖7可以看出，κ-卡拉膠單獨(dú)形成的凝膠多孔、孔徑較大且不規(guī)則；加入未降解的魔芋膠后其孔洞變小，均一性增大，但表面粗糙；加入415.6 kDa魔芋膠后其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密且有序、呈均勻細(xì)密孔狀，且表面光滑，而最大降解度魔芋膠與卡拉膠復(fù)配后形成的凝膠結(jié)構(gòu)松散，孔洞大且不均一，這一表征與水凝膠的性能表現(xiàn)相呼應(yīng)。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

圖7 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復(fù)配后凝膠的微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

對花魔芋魔芋膠進(jìn)行有限濕熱降解處理，是提升魔芋膠/κ-卡拉膠復(fù)配凝膠性能的有效方法，但降解程度的控制必須恰當(dāng)。試驗(yàn)中未降解魔芋膠(621.5 kDa)經(jīng)輕度降解后(415.6 kDa)，顯著提升了復(fù)配凝膠的凝膠轉(zhuǎn)變溫度(5.98 ℃)，同時(shí)儲能模量G'、剪切應(yīng)力、黏度小幅增加，分別增加了592.04 Pa、126.09 Pa、1.26 Pa·s，致使冷卻成膠后，凝膠斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、凝膠持水性顯著增加(P<0.05)，分別提高了21.64%，163.35%，0.39%，SEM顯示凝膠結(jié)構(gòu)更加緊密有序。

在多糖水凝膠研究中心，通常認(rèn)為分子量大更利于凝膠優(yōu)越性能的形成。但試驗(yàn)揭示在溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變中，盡管魔芋膠/κ-卡拉膠的配比一致，但由于魔芋膠具有分子量大、分子運(yùn)動性小，分子量小、分子運(yùn)動性大的性質(zhì)，導(dǎo)致各復(fù)配凝膠特性的不同。有限濕熱降解的魔芋膠(分子量415.6 kDa)與卡拉膠復(fù)配之所以展現(xiàn)出良好的凝膠特性，與其在溶膠—凝膠轉(zhuǎn)變中的相分離或自組裝進(jìn)程有關(guān)，這不僅為諸如果凍等產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了一個(gè)新的配料，更揭示了高濃度多糖水凝膠復(fù)雜體系的最終性能受到各種消長因素的影響，而對這一個(gè)消長過程的綜合優(yōu)化，可為相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的思路作為借鑒。此外，關(guān)于有限降解魔芋膠對復(fù)合凝膠體系的冷卻凝膠演變過程的作用機(jī)制，仍有待深入研究。