黃原膠添加對堿法誘導(dǎo)魔芋膠凝膠特性及凝膠機(jī)制的影響

李曉飛，李培源，李安琪，余文艷，郭綽，楊曦，郭玉蓉

黃原膠添加對堿法誘導(dǎo)魔芋膠凝膠特性及凝膠機(jī)制的影響

李曉飛，李培源，李安琪，余文艷，郭綽，楊曦，郭玉蓉

（陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，西安 710119）

【】探究黃原膠添加量對魔芋膠凝膠特性及凝膠機(jī)制的影響，為相關(guān)凝膠食品的開發(fā)利用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。以2%的魔芋膠溶膠為基質(zhì)，通過添加不同濃度的黃原膠，制備混合多糖體系，并在2%的堿濃度（Na2CO3）及90℃的高溫下加熱混合體系2 h，冷卻后制得不同黃原膠含量（0-1.5%，w/v）的混合凝膠。通過測定混合凝膠強度，研究去離子水浸泡、2%檸檬酸溶液浸泡和凍融處理對凝膠樣品的影響。同時，采用掃描電鏡觀察不同處理凝膠的微觀形貌，探究不同處理及黃原膠添加量對魔芋膠凝膠結(jié)構(gòu)的影響。另外，基于流變學(xué)、X-射線衍射以及熱重分析等手段，探究魔芋膠-黃原膠混合體系在熱堿處理過程中凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成過程，揭示凝膠化機(jī)制。90℃恒溫加熱2 h后，隨黃原膠含量增加，混合凝膠強度反而降低，表明90℃加熱過程中，黃原膠的存在影響了魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成。但室溫條件下，黃原膠含量越高，混合凝膠強度也越高，表明冷卻過程中黃原膠可能加強了凝膠網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)去離子水、2%檸檬酸溶液浸泡后，各處理凝膠強度均呈下降趨勢，以2%檸檬酸溶液浸泡處理后的凝膠強度降低最明顯。此外，凍融處理后，魔芋膠凝膠出現(xiàn)明顯的析水現(xiàn)象，析水率可達(dá)50%，但加入黃原膠后，混合凝膠的析水作用顯著降低，黃原膠含量越高，析水作用越弱。流變學(xué)測試結(jié)果表明，在90℃恒溫加熱2 h的過程中，隨黃原膠添加量增加，體系凝膠化速率減小，表明加入黃原膠降低了魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成。隨后對該混合體系進(jìn)行降溫掃描，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從90℃降低至60℃時，凝膠彈性模量呈明顯降低趨勢，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至室溫時，凝膠彈性模量呈明顯增加趨勢，轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的溫度為60℃，溫度越低，彈性模量越高，表明黃原膠分子在60℃時開始與魔芋膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生協(xié)同結(jié)合作用。黃原膠添加可顯著提高堿法誘導(dǎo)的魔芋膠凝膠在室溫下的凝膠強度，同時可改善該凝膠的凍融穩(wěn)定性，該結(jié)論可為魔芋膠凝膠相關(guān)食品的開發(fā)提供有益參考。

魔芋膠；黃原膠；凝膠強度；流變學(xué)特性；凍融穩(wěn)定性

0 引言

【研究意義】魔芋（）屬天南星科多年生草本植物，在我國西南部地區(qū)和中西部地區(qū)有著悠久的種植歷史，魔芋膠（KGM）的主要成分是魔芋葡甘聚多糖，存在于球狀塊莖中[1-3]，是一種低熱能、低蛋白質(zhì)、高膳食纖維的物質(zhì)，并且富含人體所需的十幾種氨基酸和微量元素，對高血壓、肥胖癥、糖尿病、便秘等有一定療效，可作為功能性食品食用[3-6]。魔芋膠還具有良好的水溶、增稠、穩(wěn)定、懸浮、凝膠、成膜、粘結(jié)等多種優(yōu)良的理化特性，可作為食品添加劑[1-2,7]。魔芋膠屬于非凝膠多糖，但在強堿性加熱條件下，魔芋膠會發(fā)生脫乙?；磻?yīng)形成熱不可逆凝膠[8-9]。然而，該凝膠存在凝膠強度低、析水明顯等缺點，一定程度上限制了魔芋膠食品的開發(fā)應(yīng)用[10]。黃原膠（Xanthan）又稱黃膠、漢生膠，是由甘藍(lán)黑腐病野油菜黃單胞菌以碳水化合物為主要原料，經(jīng)過好氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種高黏度水溶性微生物胞外多糖[3,11]。在冷水和熱水中，黃原膠均可溶解[12]，黃原膠溶液黏度很高，具有顯著的觸變性，且耐高溫、對pH不敏感等，在食品工業(yè)中常作為增稠劑、穩(wěn)定劑，被廣泛應(yīng)用[3,13-14]。黃原膠也屬于非凝膠多糖，但有研究表明[3,8]，黃原膠與魔芋膠能形成協(xié)同凝膠，這種凝膠在室溫下有較好的粘彈性，但是在加熱條件下會由凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z，是熱可逆凝膠，從而限制了該凝膠的進(jìn)一步應(yīng)用。本研究基于魔芋膠堿法誘導(dǎo)的凝膠特性以及魔芋膠與黃原膠協(xié)同凝膠化原理，制備出將兩種凝膠網(wǎng)絡(luò)貫穿為一體的凝膠。這種凝膠不僅具有熱不可逆的特性，而且兼具魔芋膠與黃原膠協(xié)同凝膠的優(yōu)勢，可有效解決堿法誘導(dǎo)的魔芋膠凝膠在室溫下凝膠強度較低、析水明顯等問題，以期為魔芋膠相關(guān)食品的開發(fā)利用提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】游東宏等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在pH為9.0、溫度75℃、以碳酸氫鈉為膠凝劑的條件下，魔芋葡甘聚糖凝膠的凝膠強度較大。GENEVRO等[16]研究表明，冷凍速度是影響魔芋膠凝膠最終物理性質(zhì)的重要因素，冷凍速率緩慢時，凝膠網(wǎng)絡(luò)呈各向同性，且孔徑較大；冷凍速率較快時，網(wǎng)絡(luò)孔徑較小且網(wǎng)孔排列規(guī)整。此外，較高溫度條件下（-8℃）冷凍的水凝膠比低溫（-28℃）冷凍的水凝膠具有更高的穿透模量。ZHOU等[17]研究表明，與Na2CO3混合后，KGM鏈立即發(fā)生脫乙酰反應(yīng)，誘導(dǎo)凝膠化，當(dāng)溫度上升到70℃以上時，凝膠化才能完成，這表明KGM鏈的分子聚集不僅與氫鍵有關(guān)，而且與疏水相互作用有關(guān)。王元蘭等[11]將魔芋膠與黃原膠復(fù)配，發(fā)現(xiàn)在魔芋膠與黃原膠質(zhì)量比為3﹕7時，復(fù)配凝膠表現(xiàn)出最高的黏度，且黏度隨溫度升高而下降。倪俊杰等[18]研究表明，魔芋膠-黃原膠復(fù)配體系具有假塑性，當(dāng)魔芋膠的添加比例逐漸增大時，復(fù)配體系黏度系數(shù)K增大，流體系數(shù)n減小，當(dāng)魔芋膠與黃原膠質(zhì)量比為6﹕4時，復(fù)配體系的K值達(dá)到最大、n值最小，具有最強的假塑性及黏彈性。YANG等[19]測定了總膠濃度為1%的條件下，去離子水中魔芋膠與黃原膠的最佳協(xié)同比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩者比例為魔芋膠﹕黃原膠=6﹕4時，凝膠強度最大，這與倪俊杰等[18]研究結(jié)果一致。此外，YANG等[20]基于混合多糖體系的一般原理，研究了魔芋膠和海藻酸鈉的兼容性，并以魔芋膠和海藻酸鈉的混合體系為基質(zhì)，制備出一類具有粘彈性、觸變性和涂抹性的乳液凝膠。上述結(jié)果表明，混合多糖體系可以改善單一多糖的缺點，擴(kuò)大多糖在凝膠特性改良方面的應(yīng)用范圍。【本研究切入點】雖然前人對魔芋膠凝膠形成條件以及魔芋膠-黃原膠協(xié)同凝膠方面進(jìn)行了深入研究，但尚未解決魔芋膠凝膠強度較低、凍融穩(wěn)定性差等缺點，也未能將魔芋膠-黃原膠協(xié)同凝膠的特性拓展應(yīng)用于魔芋膠凝膠改性方面。本研究根據(jù)食品膠復(fù)配原理，首次將魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)與魔芋膠-黃原膠協(xié)同凝膠網(wǎng)絡(luò)貫穿在一起，制備出兼具兩種凝膠網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)凝膠，具有較深理論基礎(chǔ)及良好的應(yīng)用前景?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于流變學(xué)、電子顯微學(xué)、X-射線衍射以及熱重分析等手段，探究魔芋膠-黃原膠混合多糖體系在熱堿處理過程中凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成過程，揭示兩層網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用。

1 材料與方法

試驗于2019年8—11月在陜西師范大學(xué)食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院進(jìn)行。

1.1 材料與試劑

魔芋膠、黃原膠，上海源葉生物科技有限公司；無水碳酸鈉，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；檸檬酸，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；以上均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

PL203電子天平；EYELA OSB-2100恒溫水浴鍋；TA. XT. Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國stable micro system公司；FD-1A-50真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)康實驗儀器有限公司；Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡，F(xiàn)EI公司；AR-G2流變儀，美國TA公司；D8 Advance粉末X射線衍射儀，德國布魯克公司；Q1000DSC+LNCS+ FACS Q600SDT熱分析系統(tǒng)，美國TA公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備 母液配置：用分析天平準(zhǔn)確稱取30.00 g魔芋膠粉末溶解于1 L去離子水中，用去離子水溶解時一邊添加魔芋膠粉末一邊快速攪拌，隨后置于90℃的水浴鍋中加熱，不斷攪拌至完全水化，在室溫下平衡12 h，配置成3%的魔芋膠母液，備用。用分析天平準(zhǔn)確稱取50.00 g黃原膠粉末溶解于1 L的去離子水中，用去離子水溶解時一邊添加黃原膠粉末一邊快速攪拌，隨后置于90℃的水浴鍋中加熱，不斷攪拌至完全水化，在室溫下平衡12 h，配置成5%的黃原膠母液，備用。水化過程中，用去離子水補償魔芋膠和黃原膠溶液因水分蒸發(fā)造成的損失。

取7個干凈的250 mL燒杯，編號為0—6號，按表1配方添加配置好的3% KGM母液、5% Xanthan母液和去離子水，置于90℃的水浴鍋中加熱，用玻璃棒攪拌至完全混合均勻，另外準(zhǔn)確稱取4.00 g Na2CO3用10 mL去離子水溶解，緩慢加入到0—5號燒杯中，快速攪拌1 min，攪拌均勻后倒入100 mL燒杯中，用保鮮膜密封，在90℃水浴鍋加熱2 h后取出，在室溫下平衡12 h，制備的凝膠為圓柱形，大小和100 mL燒杯一致。同時，準(zhǔn)確稱取4.00 g Na2CO3用6.7 mL去離子水溶解，緩慢加入到6號燒杯中，快速攪拌1 min，攪拌均勻后倒入100 mL燒杯中，用保鮮膜密封，在90℃水浴鍋中加熱2 h后取出，室溫下平衡12 h。

表1 樣品制備各組分添加量

1.3.2 凝膠強度測定 在90℃的條件下，將制備好的復(fù)合凝膠樣品用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行凝膠強度的測定[19,21]。參數(shù)設(shè)定：TPA壓縮模式，探頭P/0.5（直徑0.5英寸的圓柱狀平頭探頭），測試前速度：1.5 mm·s-1，測試速度：1.0 mm·s-1，測試后速度：1.0 mm·s-1，感應(yīng)力：2 g，凝膠破裂點的力為凝膠強度，每個樣品重復(fù)3次。

此外，將制備好的樣品在室溫下平衡12 h，按照上述方法測定凝膠強度。

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)觀察 將所有凝膠切割成邊長約為2 cm的立方塊，立刻將凝膠小塊浸沒于液氮中速凍。液氮浸沒約3 min后，將凍住的凝膠立刻轉(zhuǎn)移至真空冷凍干燥機(jī)中，在-50℃條件下凍干48 h。將凍干的凝膠折斷后，用導(dǎo)電雙面膠固定到樣品臺上，斷面朝上，噴金，采用Quanta 200環(huán)境掃描電鏡觀察凝膠斷面形貌，觀察時選擇高真空模式，高壓為20.0 kV，放大倍數(shù)800×[19,22]。

1.3.4 凍融穩(wěn)定性 將制備好的凝膠在-18℃冷凍12 h，然后在室溫下解凍6 h后[5]，參照1.3.2中的方法測定凝膠強度，并參照1.3.3中的方法觀察微觀結(jié)構(gòu)。

此外，凝膠凍融后出現(xiàn)明顯的析水現(xiàn)象，因此也測定凝膠的析水率。具體操作如下：用分析天平準(zhǔn)確稱取凍融前凝膠的質(zhì)量記為1，準(zhǔn)確稱取凍融處理后凝膠的質(zhì)量記為2。每個樣品重復(fù)3次。按照以下公式計算樣品的析水率：

1.3.5 溶脹特性 將制備好的復(fù)合凝膠樣品分別浸泡在去離子水和2%檸檬酸溶液中12 h[8]，參照1.3.2中的方法測定凝膠強度，并參照1.3.3中的方法觀察微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.6 流變學(xué)特性測定 時間掃描：按照表1添加配置好的3% KGM母液、5% Xanthan母液和去離子水，在室溫下攪拌均勻，準(zhǔn)確稱取4.00 g的Na2CO3用10 mL去離子水溶解，加入燒杯中快速攪拌至均勻，移取3 mL混合樣品置于已經(jīng)升溫至90℃的樣品臺上，立刻進(jìn)行時間掃描，監(jiān)測儲能模量G'與損耗模量G"的變化趨勢[23-24]。采用直徑為20 mm的轉(zhuǎn)子，平行板間隙設(shè)置為1 mm，應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1 Hz，時間為2 h，在轉(zhuǎn)子邊緣涂抹低密度硅油，防止試驗過程中樣品水分蒸發(fā)。

降溫掃描：時間掃描過程結(jié)束后，立刻進(jìn)行降溫掃描，監(jiān)測G'與G"的變化趨勢。采用直徑為20 mm的轉(zhuǎn)子，平行板間隙設(shè)置為1 mm，應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1 Hz，溫度從90℃降低到20℃，降溫速率為2 ℃·min-1，在轉(zhuǎn)子邊緣涂抹低密度硅油，防止試驗過程中水的蒸發(fā)[3,18]。

頻率掃描：當(dāng)樣品溫度降低至20℃后，在該溫度條件下平衡10 min，然后在1—100 rad·s-1頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，應(yīng)變?yōu)?%[18]。

方程擬合：為了進(jìn)一步分析凝膠在相同的堿濃度（2%）、溫度（90℃）條件下的凝膠化過程，本研究把上述時間掃描的G'匯總，并采用如下方程進(jìn)行擬合：

其中，G'為在無限的加熱時間下，的極限值；為凝膠化速率參數(shù)；為時間；為儲能模量。

1.3.7 X-射線衍射測定 將經(jīng)過真空冷凍干燥的樣品置于60℃的烘箱中保持干燥，取干燥樣品進(jìn)行X-射線衍射測定，XRD掃描范圍為2θ=5-80°[22,25-26]。

1.3.8 熱重分析 取大約10 mg樣品，以氮氣作為保護(hù)氣體，從室溫（20℃）加熱到600℃，加熱速率為10 ℃·min-1。結(jié)果分析采用TA Universal 2000 software[25]。

1.3.9 數(shù)據(jù)處理 上述所有測定均重復(fù)3次，每次測試均需更換樣品。所有圖表均使用Origin 2018軟件進(jìn)行繪制，利用IBM SPSS22.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析（＜0.05為差異顯著）。

2 結(jié)果

2.1 90℃和室溫下的凝膠強度

凝膠強度是反映凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)。如圖1所示，在90℃下，所有樣品均表現(xiàn)出較低的凝膠強度，并且隨著黃原膠添加量的增加，樣品的凝膠強度呈下降趨勢，可能是因為黃原膠添加不利于魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)形成。冷卻至室溫后，樣品的凝膠強度急劇增加，隨著黃原膠添加量的增加，樣品的凝膠強度呈上升趨勢，一方面是因為總多糖濃度增加，另一方面是因為隨黃原膠添加量的增加，更多的黃原膠可以與魔芋膠分子形成協(xié)同凝膠。由于濃度高于5%的黃原膠母液較難制備，因此本研究并未進(jìn)一步增加黃原膠添加量。

相同處理中，標(biāo)注不同字母表示樣品間差異顯著（P＜0.05）。下同

2.2 微觀結(jié)構(gòu)

凝膠微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的致密程度與凝膠強度密切相關(guān)。如圖2所示，在黃原膠添加量為0的情況下，魔芋膠凝膠呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)黃原膠添加量為0.25%時，復(fù)合凝膠層狀結(jié)構(gòu)更加明顯；隨黃原膠添加量進(jìn)一步增加，復(fù)合凝膠層狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪宦?lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；隨著黃原膠添加量持續(xù)增加，復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)更加致密，表明黃原膠的添加能夠增大整個凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)致密度，從而增強凝膠強度，一方面是因為總多糖濃度增加，另一方面是因為隨黃原膠添加量的增加，更多的黃原膠可以與魔芋膠分子形成協(xié)同凝膠。這與凝膠在室溫下測定的凝膠強度結(jié)果一致。

2.3 凍融穩(wěn)定性

由圖3-A、B可知，在黃原膠添加量為0—1.0%時，凍融后凝膠樣品的強度增大，這是因為凍融導(dǎo)致水分析出，造成凝膠體積收縮，致使凝膠網(wǎng)絡(luò)致密度增加。然而當(dāng)黃原膠添加量大于1.0%時，樣品凍融后凝膠強度顯著降低（＜0.05）。此外，由圖3-C可看出，隨黃原膠添加量增加，凍融后樣品的析水率顯著降低（＜0.05），說明添加黃原膠可改善魔芋膠凝膠的析水行為。由圖3-D可以看出，在黃原膠添加量為0的情況下，魔芋膠凝膠的層狀結(jié)構(gòu)更加緊密，當(dāng)黃原膠添加量為0.25%時，復(fù)合凝膠層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪宦?lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相較于未經(jīng)過凍融處理的樣品凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密。當(dāng)黃原膠添加量大于1.0%時，復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔明顯增大。

圖2 樣品的微觀結(jié)構(gòu)

2.4 去離子水與檸檬酸溶液浸泡對凝膠強度和微觀形貌的影響

由圖4可以看出，在去離子水和2%檸檬酸溶液中浸泡后，樣品的凝膠強度均呈現(xiàn)降低趨勢；浸泡在2%檸檬酸溶液中的樣品的凝膠強度更低，可能是因為制樣過程中添加了Na2CO3，浸泡過程中檸檬酸與Na2CO3反應(yīng)生成CO2氣體，引起凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被輕微擾亂。當(dāng)黃原膠添加量為0時，魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不明顯，以片層狀結(jié)構(gòu)為主，當(dāng)黃原膠添加量為0.25%時，復(fù)合凝膠開始呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黃原膠添加量越高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越密集。此外，與去離子水相比，2%檸檬酸溶液浸泡后的復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)孔徑略大。

2.5 凝膠化過程監(jiān)測及凝膠流變學(xué)特性

2.5.1 時間掃描 魔芋膠凝膠化過程是時間依賴型的過程，在相同的堿濃度（2%）、溫度（90℃）條件下，隨時間的變化，魔芋膠的凝膠強度也會隨之變化。因此，本研究對2% KGM（對照）、2% KGM+0.25% Xanthan、2% KGM+0.5% Xanthan、2% KGM+0.75% Xanthan、2% KGM+1.0% Xanthan和2% Xanthan進(jìn)行90℃下的時間掃描，如圖5所示?？梢钥闯?，在最初的1 200 s內(nèi)，G'和G''迅速增加，表明在此階段隨著時間的延長，凝膠網(wǎng)絡(luò)迅速形成；在2 400 s后，G'和G''雖然仍有增加，但增加趨勢明顯變緩，說明凝膠網(wǎng)絡(luò)基本形成；且只有2.0% KGM和2.0% KGM+0.25% Xanthan監(jiān)測到G'與G''的交點，其他混合體系未監(jiān)測到，可能是因為黃原膠的存在，使整個復(fù)合體系表現(xiàn)出G'＞G''的特點。此外，從圖5-F中可以看出，2% Xanthan在相同的堿濃度（2%）、溫度（90℃）條件下，G'總是大于G"，說明黃原膠表現(xiàn)出類似弱凝膠的結(jié)構(gòu)，但隨著時間的延長，其模量逐漸降低，這可能是因為黃原膠分子在堿性條件下加熱發(fā)生降解，導(dǎo)致黃原膠分子量減小[27]。

2.5.2 黃原膠添加量對復(fù)合體系中魔芋膠凝膠化過程的影響 對樣品的G'進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)擬合度2均在0.98以上，表現(xiàn)出較高的擬合精度。擬合的G'sat和k值見表2。

從表2和圖6可以看出，2% KGM（對照）的G'sat和k最大，隨著黃原膠添加量的增多，G'sat和k都降低，說明黃原膠的添加，不僅降低了魔芋膠凝膠最終的凝膠強度，而且減緩了魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成速率，這與在90℃下測得的凝膠強度一致。

圖3 樣品在凍融處理前后凝膠強度、析水率及微觀結(jié)構(gòu)

表2 不同黃原膠添加量的復(fù)合凝膠90℃加熱時凝膠網(wǎng)絡(luò)G'變化趨勢一級動力學(xué)擬合參數(shù)

圖4 樣品在去離子水和2%檸檬酸溶液中浸泡后的凝膠強度以及微觀結(jié)構(gòu)

a：2.0%魔芋膠；b：2.0%魔芋膠+0.25%黃原膠；c：2.0%魔芋膠+0.5%黃原膠；D：2.0%魔芋膠+0.75%黃原膠；e：2.0%魔芋膠+1.0%黃原膠；f：2.0% 黃原膠

圖6 樣品時間掃描的儲能模量以及擬合曲線

2.5.3 降溫掃描 魔芋膠-黃原膠協(xié)同凝膠的形成與溫度有關(guān)，體系在90℃加熱2 h后，對其進(jìn)行自然冷卻降溫，在此過程中，黃原膠分子可能與魔芋膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，起到加固凝膠體系的作用。如圖7所示，2% KGM+0.5% Xanthan和2% KGM+1.0% Xanthan在整個溫度范圍內(nèi)都表現(xiàn)出G'＞G"，說明整個體系為較強的凝膠；隨著溫度的降低，體系的儲能模量（G'）表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，上升的拐點約為60℃。下降的原因可能是在降溫過程中，魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)疏水相互作用力減弱，降低了魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的縛束力，這與在高溫下魔芋膠凝膠強度較大，在低溫下魔芋膠凝膠強度較小這一性質(zhì)相一致。當(dāng)溫度降低至60℃左右時，黃原膠分子與魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生協(xié)同作用，開始加固整個凝膠體系，G'不斷增大，隨著溫度進(jìn)一步降低，這種加固作用更明顯，這與在室溫下測得的整個體系的凝膠強度較大相一致。從圖7還可以看出，2% KGM+1.0% Xanthan體系的儲能模量（G'）大于2% KGM+0.5% Xanthan體系，說明隨著黃原膠添加量增多，體系的凝膠強度越大。此外，無論黃原膠添加量為0.5%還是1.0%，拐點對應(yīng)的溫度均約為60℃，表明黃原膠分子與魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同結(jié)合溫度不隨黃原膠添加量的變化而改變。

圖7 樣品降溫掃描過程中儲能模量變化趨勢

2.5.4 頻率掃描 當(dāng)整個體系溫度降低到20℃時，對其進(jìn)行頻率掃描，頻率范圍為1—100 rad·s-1，掃描結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在整個頻率范圍內(nèi)，樣品都表現(xiàn)出G'＞G"的特點，并且有明顯的平臺區(qū)出現(xiàn)，說明所有的復(fù)合體系均形成了較強的凝膠。由圖8-F可知，黃原膠也表現(xiàn)出G'＞G"，說明黃原膠也有類似凝膠的特性，但隨著頻率增加，黃原膠體系的G'和G"都呈現(xiàn)出輕微增加的趨勢，說明黃原膠體系是一種弱凝膠。

2.6 X-射線衍射測定

X-射線衍射是表征聚合物結(jié)晶情況的常用手段。如圖9所示，在2θ=20—80°的衍射角度范圍內(nèi)，Na2CO3有若干尖銳的散射峰，表明Na2CO3以高度結(jié)晶化的晶體結(jié)構(gòu)存在，這是典型無機(jī)化合物的特點。2% KGM凝膠的散射峰在35°左右，但其并不明顯，說明該體系以無定型狀態(tài)以及由若干微晶區(qū)存在。2% Xanthan體系的散射峰非常??；不同量黃原膠的添加，體系的散射峰仍然存在，說明黃原膠的添加并沒有改變2% KGM體系微晶區(qū)的結(jié)構(gòu)。

2.7 熱重分析

凍干后凝膠樣品的熱穩(wěn)定性見圖10。從圖10-A可以看出，Na2CO3在100℃以內(nèi)出現(xiàn)一個明顯的重量降低階段，很可能是由于水分喪失而引起。其余5個樣品均出現(xiàn)2—3個明顯的重量降低階段，在100℃內(nèi)的重量損失可能是樣品游離水喪失而引起，在150℃左右出現(xiàn)的重量損失可能是由于結(jié)合水喪失而引起，在200—300℃，所有凝膠樣品有一個明顯的重量降低趨勢，這可能是多糖分子的熱降解所致。隨著黃原膠添加量的增加，多糖分子熱降解的溫度輕微增大，說明整個凝膠體系的熱穩(wěn)定性增加，進(jìn)一步表明凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密。

a：2.0%魔芋膠；b：2.0%魔芋膠+0.25%黃原膠；c：2.0%魔芋膠+0.5%黃原膠；D：2.0%魔芋膠+0.75%黃原膠；e：2.0%魔芋膠+1.0%黃原膠；f：2.0% 黃原膠

圖9 樣品X-射線衍射

3 討論

3.1 堿法誘導(dǎo)的魔芋膠-黃原膠混合體系凝膠化的理論基礎(chǔ)

在堿性條件下加熱魔芋膠溶液即可獲得魔芋膠凝膠，這種方式是魔芋膠凝膠的傳統(tǒng)制備方式[28]。近年來，有研究表明[3]，混合魔芋膠和黃原膠也可制得凝膠，凝膠化原理在于魔芋膠分子和黃原膠分子之間存在協(xié)同結(jié)合作用。然而，這兩種方式制得的魔芋膠凝膠各有優(yōu)缺點。本試驗基于對上述兩種凝膠形成過程及機(jī)制的理解，提出以下假設(shè)：在堿性條件下加熱魔芋膠和黃原膠的混合體系時，魔芋膠因為去乙?；饔枚紫劝l(fā)生分子間交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨后冷卻混合體系時，黃原膠分子可能和魔芋膠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步結(jié)合，從而加固整個凝膠網(wǎng)絡(luò)體系。通過這種方法制備的凝膠理論上應(yīng)具有上述兩種凝膠網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，即該凝膠既是熱不可逆凝膠，而且在室溫下可以克服熱堿法誘導(dǎo)的魔芋膠凝膠強度較差、析水嚴(yán)重等缺點?；诖嗽O(shè)想，本研究成功制備出了復(fù)合凝膠。此外，雖然魔芋膠和kappa-卡拉膠也具有明顯的協(xié)同效應(yīng)[29-30]，但由于魔芋膠凝膠制備時需要在堿性條件下長時間加熱，kappa-卡拉膠會發(fā)生明顯的分子降解而極大降低與魔芋膠協(xié)同結(jié)合的能力。因此，本試驗未采用kappa-卡拉膠和魔芋膠的混合體系制備凝膠，而是選擇具備優(yōu)良熱穩(wěn)定性以及酸堿穩(wěn)定性的黃原膠。

a：2.0%魔芋膠；b：2.0%魔芋膠+0.25%黃原膠；c：2.0%魔芋膠+0.5%黃原膠；D：2.0%魔芋膠+0.75%黃原膠；e：2.0%魔芋膠+1.0%黃原膠；f：2.0% 黃原膠

3.2 堿法誘導(dǎo)的魔芋膠-黃原膠復(fù)合凝膠體系的形成過程

當(dāng)在堿性條件下加熱混合溶膠體系時，魔芋膠分子聚集速率（k值）及聚集程度（G′sat）明顯受到抑制。原因很可能是由于堿性條件下加熱時，一部分碳酸鈉參與了黃原膠分子的降解，因此只有一部分碳酸鈉誘導(dǎo)魔芋膠發(fā)生凝膠化，意味著該復(fù)合體系中誘導(dǎo)魔芋膠分子發(fā)生凝膠化的碳酸鈉有效濃度降低了。有研究表明[31]，魔芋膠在熱堿性條件下的凝膠化速率和魔芋膠濃度、魔芋膠乙?；潭?、堿濃度以及加熱溫度等因素密切相關(guān)，即魔芋膠濃度越高、堿濃度越大、加熱溫度越高，凝膠化速率越快。在堿性條件下加熱魔芋膠和黃原膠的復(fù)合體系2 h后，立刻測定了各個混合凝膠體系的凝膠強度，發(fā)現(xiàn)隨黃原膠添加量增加，復(fù)合體系的凝膠強度呈顯著降低趨勢（＜0.05），進(jìn)一步說明黃原膠的添加抑制了魔芋膠分子聚集速率及聚集程度。

堿性條件下加熱魔芋膠和黃原膠混合溶膠體系2 h后，冷卻凝膠體系至室溫，發(fā)現(xiàn)室溫條件下，該凝膠體系的強度極大增加，且黃原膠添加量越多，凝膠強度越高。例如，當(dāng)黃原膠添加量增加至1.5%時，室溫下測得的凝膠強度高達(dá)2 000 g，是該凝膠體系在90℃條件下的20倍以上。通過對魔芋膠和黃原膠混合凝膠體系進(jìn)行降溫掃描，發(fā)現(xiàn)在90℃至20℃的溫度范圍內(nèi)，所有凝膠的彈性模量總是高于黏性模量，沒有發(fā)現(xiàn)兩者的交點，這是由于在整個溫度范圍內(nèi)，魔芋膠和黃原膠混合體系均表現(xiàn)出凝膠的特性，因此其彈性模量占主導(dǎo)。此外，發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝膠體系的溫度從90℃降低至60℃時，凝膠彈性模量呈明顯降低趨勢，這可能是由于疏水作用力是維持魔芋膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要因素，溫度降低時，疏水作用力減弱，導(dǎo)致魔芋膠三維網(wǎng)絡(luò)松散[28]；然而，當(dāng)溫度降低至60℃時，凝膠彈性模量開始呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，溫度越低，彈性模量越高，這是因為當(dāng)溫度降低至60℃時，黃原膠分子開始與魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)生協(xié)同結(jié)合作用，氫鍵是維持黃原膠分子與魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的主要作用力，隨溫度降低，協(xié)同結(jié)合作用越明顯，使整個凝膠體系在室溫條件下表現(xiàn)出較大的凝膠強度。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，魔芋膠和黃原膠協(xié)同結(jié)合的溫度與黃原膠添加量無關(guān)，對于黃原膠添加量為0.5%和1.0%的混合體系，協(xié)同作用的起始溫度均為60℃。

3.3 復(fù)合凝膠體系的凍融穩(wěn)定性

魔芋膠分子上的乙?；怯绊懩в竽z水溶解性的關(guān)鍵因素[28]。乙酰基含量越高，魔芋膠分子水化越容易。堿性條件下，魔芋膠分子上的乙?；饾u脫除，雖然可以誘導(dǎo)魔芋膠分子發(fā)生聚集，形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是也降低了魔芋膠分子的親水性。尤其是凍融處理后，魔芋膠凝膠出現(xiàn)明顯的析水現(xiàn)象，原因是冷凍過程中魔芋膠分子在冰晶體的擠壓作用下形成分子間結(jié)合區(qū)。當(dāng)冷凍的凝膠解凍后，形成的分子間交聯(lián)能夠很好地保留，雖然一定程度上增加了凍融后的凝膠強度。但冰晶體仍然會轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)水從凝膠網(wǎng)絡(luò)中流出。單純魔芋膠凝膠析水率可達(dá)50%，然而，當(dāng)魔芋膠凝膠體系中含有黃原膠后，該凝膠體系的析水作用顯著降低，這是因為黃原膠表現(xiàn)出較強的親水性和凍融穩(wěn)定性，當(dāng)黃原膠加入魔芋膠凝膠體系時，黃原膠對水分子的親和力更強，有效減弱凝膠在冷凍過程中的水分子結(jié)晶現(xiàn)象。此外，當(dāng)黃原膠添加量在0—1.0%的情況下，凍融后復(fù)合凝膠均出現(xiàn)凝膠強度增加的現(xiàn)象，原因可能是冷凍過程中，不斷長大的冰晶體迫使魔芋膠分子彼此靠近，形成局部的高濃度，有利于魔芋膠分子間形成規(guī)整有序的結(jié)合區(qū)。當(dāng)凝膠解凍后，這樣的結(jié)合區(qū)也不會消失，因此引起凝膠強度增加。然而，當(dāng)黃原膠添加量大于1.0%的情況下，凍融后復(fù)合凝膠出現(xiàn)凝膠強度降低的趨勢，原因可能是在黃原膠添加量大于1.0%的情況下，復(fù)合凝膠冷凍過程中冰晶體生成破壞了凝膠原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且這種破壞作用大于冷凍過程對凝膠的促進(jìn)作用，從而使整個凝膠體系解凍后凝膠強度降低。

4 結(jié)論

以碳酸鈉作為堿性調(diào)節(jié)劑，采用高溫條件下加熱魔芋膠和黃原膠混合體系的方式，制備出雙重凝膠網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合凝膠，該凝膠兼具魔芋膠凝膠網(wǎng)絡(luò)、魔芋膠與黃原膠協(xié)同凝膠網(wǎng)絡(luò)二者的優(yōu)點，不僅保持了魔芋膠凝膠的熱不可逆性，也改善了魔芋膠凝膠強度低、凍融穩(wěn)定性差等缺點。隨著黃原膠濃度增加，復(fù)合凝膠的強度不僅表現(xiàn)出增加趨勢，且凝膠凍融后析水現(xiàn)象明顯降低。本研究提出的魔芋膠凝膠改性方法簡單可行、可操作性強，能夠?qū)⒛в竽z凝膠機(jī)制和魔芋膠與黃原膠協(xié)同結(jié)合機(jī)制合二為一，可為魔芋膠凝膠相關(guān)食品的設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

致謝：感謝陜西師范大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院大型儀器共享平臺的儀器支持及管理老師在測樣過程中的指導(dǎo)和幫助。

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Effects of Xanthan Addition on the Gel Properties and Gel Mechanism of Alkaline-Induced Konjac Glucomannan Gels

LI XiaoFei, LI PeiYuan, LI AnQi, YU WenYan, GUO Chuo, YANG Xi, GUO YuRong

(College of Food Engineering and Nutritional Science, Shaanxi Normal University, Xi’ an 710119)

【】The effects of xanthan addition amounts on the gel properties and gelation mechanism of konjac glucomannan (KGM) gels were investigated, which was expected to provide a theoretical basis and technique references for developing KGM-related gel foods.【】The mixed KGM and xanthan systems were prepared by adding different concentrations of xanthan into 2% KGM solution, and then the mixed polysaccharide systems were subjected to heating at 90℃ for 2 h in the presence of 2% Na2CO3. After cooling to room temperature, the composite KGM-xanthan gels were prepared. By determining the gel strength, the effects of deionized water immersion and 2% citric acid immersion as well as freeze-thaw treatment on the composites were investigated. Meanwhile, scanning electron microscope was used to visualize the microstructures of the composite gels, and then the effects of different treatment methods and xanthan addition amounts on the gel structures were also revealed. Moreover, based on rheology, X-ray scattering and thermogravimetric analyses, the gel formation process of the mixed KGM and xanthan systems during heating at hot alkaline condition was explored, and the gelation mechanism was also revealed.【】During heating at 90℃ for 2 h, it was found that with the increasing of xanthan addition, the gel strength of the composite gels was decreased, indicating that the presence of xanthan negatively affected the formation of KGM gel network in this process. However, at room temperature, with increasing xanthan content, the gel strength of the composite gels was increased. The higher the xanthan content, the greater the gel strength, indicating that xanthan might strengthen the composite gels during cooling. After dezionized water and 2% citric acid immersion, gel strength decreased, and the gel samples with citric acid immersion showed a more pronounced decreased trend. Besides, after freeze-thaw treatment, KGM gels exhibited significant syneresis effect, with an approximately 50% of syneresis rate. However, after adding xanthan, the syneresis rate of the composite gels was significantly decreased. The higher the xanthan content, the lower the syneresis rate. Rheological test results suggested that during heating at 90℃ for 2 h, with the increasing of xanthan content, the gelling rate of the mixed KGM-xanthan system was decreased, indicating that the addition of xanthan decreased the formation of KGM gel network. Subsequent decreasing temperature sweep results showed that when the temperature decreased from 90℃ to 60℃, the elastic modulus of the composite gels exhibited a decreasing trend. When the temperature was continuously decreased to room temperature, the elastic modulus showed an increasing trend, and the transition temperature was corresponding to 60℃, suggesting that xanthan began to synergistically bind with KGM gel network at this temperature.【】The addition of xanthan significantly improved the gel strength of alkali-induced KGM gels at room temperature, and also enhanced the freeze-thaw stability of the gels. This result could provide valuable reference to development of KGM gel-related food.

konjac glucomannan; xanthan; gel strength; rheological properties; freeze-thaw stability

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.017

2019-12-02；

2020-04-29

農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-27）

李曉飛，E-mail：xiaofeili@snnu.edu.cn。通信作者郭玉蓉，E-mail：yrguo730@snnu.edu.cn

（責(zé)任編輯 趙伶俐）