羧基化纖維素納米晶須對(duì)魔芋葡甘聚糖復(fù)合凝膠性能的影響

寧 芊， 郭永輝， 吳春華， 龐 杰,*， 吳先輝

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院， 福建 福州 350002； 2.福建農(nóng)林大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院， 福建 福州 350002；3.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 福安 355000)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是一種平均相對(duì)分子質(zhì)量在200～2 000 kDa的非離子線型中性多糖[1-2]。KGM通過(guò)甘露聚糖酶和纖維素酶在酸性條件下水解，可以產(chǎn)生D-葡萄糖和D-甘露糖[3-4]。KGM是一種極為豐富的可再生天然高分子資源，在我國(guó)已經(jīng)被確認(rèn)為食品添加劑和健康食品原料[5]。KGM優(yōu)良的理化性質(zhì)如凝膠性、增稠性、流變性和持水性等使其在食品工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、功能材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。凝膠性能是KGM最為突出的性質(zhì)，當(dāng)KGM單獨(dú)形成純凝膠時(shí)，由于其脆度高而力學(xué)強(qiáng)度差且對(duì)熱不穩(wěn)定，極大地限制了其在各領(lǐng)域的綜合應(yīng)用和發(fā)展[7-8]。近年來(lái)，將KGM與其他多糖復(fù)配，以改善凝膠特性，使KGM更好地應(yīng)用于食品領(lǐng)域的研究[9-12]較多。龔靜妮等[13]、倪俊杰等[14]、王曉珊等[7]、劉子奇等[15]的研究均通過(guò)優(yōu)化KGM與其他多糖的配比，制得較好熱穩(wěn)定性和凝膠強(qiáng)度的復(fù)合水凝膠。

納米纖維素是以自然界中分布最廣的、可再生的生物高分子物質(zhì)[8]——纖維材料作為原料。納米纖維素不僅具有良好的生物相容性和生物降解性[16]，耐高溫和低溫，而且由于其表面積大而露出大量羥基[17]，具有很強(qiáng)的親水性，同時(shí)還兼具乳化和增稠的作用。有研究發(fā)現(xiàn)，添加少量的納米微晶纖維素，就能夠?qū)?fù)合物材料產(chǎn)生明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，而經(jīng)改性后的羧基化納米纖維素，通過(guò)酰胺化反應(yīng)，在羧基化納米纖維素表面引入疏水基團(tuán)或作為基體與不同分子(氟化物、抗體、多肽等)接枝復(fù)合，更加擴(kuò)展其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用[12，18-19]。目前，有關(guān)將魔芋葡甘聚糖(KGM)與羧基化纖維素納米晶須(CCNC)復(fù)合成水凝膠的研究，尚少見報(bào)道。本研究擬將KGM與CCNC進(jìn)行復(fù)配，使之產(chǎn)生交聯(lián)狀態(tài)以及協(xié)同增效作用，研究KGM與CCNC的不同配比對(duì)復(fù)合凝膠的流變特性和質(zhì)構(gòu)特性的影響，以期得到熱穩(wěn)定性、凝膠特性等綜合性能均優(yōu)良的復(fù)合凝膠，并為其在納米食品的生產(chǎn)、包裝以及精細(xì)化工等領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋葡甘聚糖，食品級(jí)，云南昭通三艾有機(jī)魔芋發(fā)展有限責(zé)任公司；羧基化纖維素納米晶須，100～500 nm，桂林奇宏科技有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

PL402- C型電子分析天平，上海梅特勒- 托利多儀器有限公司；JB200- S型數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速電動(dòng)攪拌機(jī)，上海標(biāo)本模型廠；MCR301型流變儀，奧地利安東帕有限公司；HH- 2型數(shù)顯恒溫水浴鍋，江陰市保利科研器械有限公司；JSM- 7500F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社(JEOL)；AVATAR360型傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)尼高力公司；DSC200F3型差示掃描量熱計(jì)，上海魯玟科學(xué)儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1CCNC與KGM復(fù)合凝膠的制備

分別稱取0.2、0.5、0.8、1.0 g的CCNC粉末，與4份1.5 g KGM兩兩混合，另稱取1.5 g KGM做空白對(duì)照。在25 ℃下，將不同比例的CCNC與KGM的混合物倒入裝有去離子水(每份KGM、CCNC和去離子水的質(zhì)量之和保持在100.0 g)的燒杯中，后將它們置于60 ℃的水浴鍋內(nèi)，在電動(dòng)攪拌器中以500 r/min將其均勻攪拌30 min，使其形成復(fù)合凝膠。流變特性分析之外的數(shù)據(jù)測(cè)定需另備上述凝膠樣品進(jìn)行冷卻、靜置并制成凍干。依據(jù)羧基化纖維素納米晶須的添加量為：0、0.2、0.5、0.8、1.0 g，可將復(fù)合凝膠樣品依次編號(hào)為KGM、CCNC0.2、CCNC0.5、CCNC0.8、CCNC1.0。

1.3.2復(fù)合凝膠流變特性的測(cè)定

使用流變儀測(cè)試加入不同質(zhì)量CCNC的KGM復(fù)合凝膠的流變性。測(cè)試條件為：室溫25 ℃下，選擇PP- 50探頭，平行板間距1.0 mm，頻率0.1～100 Hz。測(cè)量不同比例的CCNC/KGM凝膠的G′(彈性模量)和G″(黏性模量)；測(cè)量范圍在0～100 Pa的剪切應(yīng)力下，CCNC/KGM復(fù)合凝膠的穩(wěn)態(tài)剪切黏度。在0～160 s-1剪切速率范圍內(nèi)測(cè)量CCNC/KGM凝膠的剪切力。

1.3.3掃描電鏡分析

稱取凍干后(-80 ℃、24 h)的CCNC/KGM復(fù)合凝膠4.00 mg，將其表面均勻噴灑金粉20 min，最大加速電壓15 kV。將掃描電鏡(SEM)的放大倍率調(diào)至1 000倍，觀察復(fù)合凝膠的表面形貌。依次對(duì)不同濃度的復(fù)合凝膠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并保存多份復(fù)合凝膠樣品成像。

1.3.4紅外光譜分析

從凍干后(-80 ℃、24 h)的CCNC/KGM 復(fù)合凝膠刮下粉末，置于瑪瑙研缽中，按1∶100的比例與KBr混勻并研磨至粉末勻均一體，再進(jìn)行壓片，用紅外光譜儀在4 000～500 cm-1波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描測(cè)定。

1.3.5熱重曲線分析

在氮?dú)夥諊拢瑢龈傻膹?fù)合凝膠樣品約3.00 mg，置于鋁坩堝中，以5 ℃/min的升溫速率在25～400 ℃內(nèi)用量熱計(jì)測(cè)試，得到CCNC/KGM復(fù)合凝膠樣品的熱重(TG)曲線。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel 2017和 Orgin 2018軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CCNC/KGM 凝膠的流變特性分析

彈性模量G′是材料在發(fā)生形變時(shí)，代表彈性形變而儲(chǔ)存能量的大小，可以反映出凝膠彈性的大?。火ば阅Ａ縂″是材料在發(fā)生形變時(shí)，代表黏性形變而損耗的能量大小，可以反映出凝膠黏性大小。通過(guò)流變儀掃描測(cè)定CCNC/KGM復(fù)合凝膠的動(dòng)態(tài)黏彈性隨頻率變化情況[13]，可以反映出不同濃度的CCNC/KGM復(fù)合凝膠體系的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完整性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 G′和G″隨角頻率的變化Fig.1 Changes of G′ and G″ with angular frequency

從圖1中可以看到，純KGM凝膠的G′和G″隨著角頻率的增加，黏性流體(G′G″)，出現(xiàn)從溶膠轉(zhuǎn)為凝膠的交換點(diǎn)。隨著CCNC含量的增加，可以看到G′增加明顯，G″趨于平穩(wěn)甚至有些許下降趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著CCNC加入量的增多，在相對(duì)擁擠的空間內(nèi)，其分子鏈的運(yùn)動(dòng)變得困難，內(nèi)摩擦力增大，導(dǎo)致黏度不斷增加。從CCNC的開始加入，其趨勢(shì)始終保持G′>G″，即CCNC/KGM復(fù)合凝膠體系的彈性形變比黏性形變更加優(yōu)秀，保證了CCNC/KGM體系的凝膠化，增強(qiáng)了膠體的力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)CCNC添加為0.8 g和1.0 g時(shí)，所得到的彈性模量和黏性模量曲線非常接近，復(fù)合凝膠體系的黏彈性不再有明顯的提升。

在25 ℃下，加入不同量CCNC所形成的CCNC/KGM凝膠的穩(wěn)態(tài)剪切黏度測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 CCNC/KGM復(fù)合凝膠的剪切應(yīng)力- 黏度曲線Fig.2 Shear stress-viscosity curve of CCNC/KGM composite gel

由圖2可知，復(fù)合凝膠的黏度隨著剪切應(yīng)力的增大而減小，這是因?yàn)榫酆衔锓肿渔準(zhǔn)芗羟袘?yīng)力的作用發(fā)生定向，同時(shí)纏繞逐步解體，使其在流動(dòng)方向上從較為散亂的隨機(jī)排列趨于一致，減少了相互連結(jié)，從而使相鄰聚合物鏈之間的相互作用減小，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。這種剪切稀釋行為是一種導(dǎo)向作用的結(jié)果[20-21]，大多含有高分子的膠體粒子也有發(fā)生類似流動(dòng)特性[22-23]的情況。隨著CCNC所含比例的增加，體系黏度明顯高于純KGM凝膠，這主要是因?yàn)樘砑覥CNC越多，高聚合分子的自由運(yùn)動(dòng)越受到限制，分子鏈間纏繞增強(qiáng)，導(dǎo)致黏度增加，假塑性提高[7]。據(jù)Hosseini等[20]的報(bào)道，假塑性膠體在流動(dòng)狀態(tài)下，容易沖模成型，并會(huì)使消費(fèi)者產(chǎn)生更為愉悅的口感體驗(yàn)。當(dāng)CCNC添加量為0.8 g時(shí)，黏度增長(zhǎng)不再明顯。

圖3表示的是在室溫下(25 ℃)，復(fù)合凝膠的剪切應(yīng)力隨著剪切速率的變化情況。由圖3可知，隨著復(fù)合凝膠剪切速率的增加，剪切應(yīng)力急劇增大，隨后到達(dá)一定速率后便趨于平緩，這也是剪切稀化現(xiàn)象的表現(xiàn)之一。從圖中可以得出，復(fù)合凝膠的剪切應(yīng)力隨著CCNC含量的增加而增大，當(dāng)CCNC與KGM質(zhì)量比為0.8∶1.5時(shí)，剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化不再明顯，這主要是因?yàn)榉肿咏宦?lián)點(diǎn)的解體和重建達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，復(fù)合凝膠體系達(dá)到了相對(duì)理想的狀態(tài)。相對(duì)于單一的純KGM凝膠，復(fù)合凝膠具有更大的剪切應(yīng)力，這是在CCNC與KGM間的分子協(xié)同作用下，大分子纏結(jié)形成交聯(lián)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，分子間的作用力對(duì)外力的破壞作用具有一定的抵抗所致[24]。

圖3 剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化Fig.3 Shear stress changes with shear rate

2.2 復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)分析

2.2.1復(fù)合凝膠掃描電鏡分析結(jié)果

CCNC/KGM復(fù)合凝膠的電鏡照片見圖4。由圖4可以看出，純KGM所形成的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較完整的薄壁狀，排列致密有序，較為平整，但大面積的連續(xù)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了相當(dāng)高的分子間摩擦力[25]，斷層堆疊下的凝膠結(jié)構(gòu)，不夠穩(wěn)定且太過(guò)脆弱而易于受到破壞；隨著CCNC的加入，復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)間隙所造成的斷層得到了改善，由片狀層疊轉(zhuǎn)而形成交聯(lián)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且當(dāng)CCNC添加量增加到0.8 g時(shí)，CCNC與KGM的復(fù)配，使得水凝膠的密度減小，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更加豐富，凝膠結(jié)構(gòu)與性能得以凸顯。然而當(dāng)CCNC添加量增加到1.0 g時(shí)，復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)變得非常勻?qū)嵉珔s失去了部分蜂窩狀內(nèi)部空隙，反而失去部分凝膠特性。

圖4 CCNC/KGM復(fù)合凝膠的SEM圖Fig.4 SEM images of CCNC/KEM composite gel

2.2.2復(fù)合凝膠紅外光譜分析結(jié)果

CCNC/KGM復(fù)合凝膠的紅外光譜見圖5。

圖5 CCNC與KGM復(fù)合凝膠的紅外光譜Fig.5 Infrared spectra of CCNC and KGM composite gel

KGM水凝膠和CCNC/KGM復(fù)合凝膠的紅外光譜比較，可以說(shuō)明，這一系列特征峰的伸縮振動(dòng)與CCNC分子間存在氫鍵等相對(duì)較弱的分子作用力，使得CCNC/KGM復(fù)合凝膠對(duì)溫度較為敏感，當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍時(shí)，結(jié)構(gòu)容易被破壞。

2.2.3熱重曲線分析結(jié)果

CCNC/KGM復(fù)合凝膠的熱重曲線見圖6。從圖6中明顯看到，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，所有凝膠樣品質(zhì)量有略微減少，這主要為凝膠樣品中結(jié)合水分的去除。隨著溫度的上升，樣品在未達(dá)到242 ℃之前，質(zhì)量較為穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)是凝膠多糖物質(zhì)發(fā)生解聚的誘導(dǎo)期，還沒(méi)有發(fā)生分解反應(yīng)。當(dāng)溫度達(dá)到242 ℃后，KGM水凝膠熔融，質(zhì)量損失率極高，最終在344 ℃質(zhì)量只剩下18%左右；而添加了0.2、0.5、0.8、1.0 g的CCNC后，凝膠分別在228、233、231、219 ℃就發(fā)生了熔融現(xiàn)象，這是因?yàn)閺?fù)合凝膠結(jié)構(gòu)中的纖維素成分逐漸熱降解，引起空間網(wǎng)絡(luò)骨架和分子鏈的斷裂，從而導(dǎo)致了分子鏈上基團(tuán)的分解[19]，此現(xiàn)象與2.2.2分析結(jié)果一致。雖然CCNC的加入降低了復(fù)合凝膠的熔點(diǎn)溫度，但是CCNC/KGM質(zhì)量比為0.8∶1.5時(shí)形成的凝膠，在344 ℃左右的質(zhì)量還有38%左右，其質(zhì)量損失率僅為KGM水凝膠的一半。較低的質(zhì)量損失率可能是因?yàn)镃CNC和KGM在復(fù)配形成凝膠的過(guò)程中其分子鏈間形成的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及聚合物分子線團(tuán)相互靠近、纏結(jié)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更加緊湊，此種特性使得添加復(fù)合凝膠后的產(chǎn)品在高溫中仍能保持一定的凝膠特性。

圖6 CCNC與KGM復(fù)合凝膠的熱重曲線Fig.6 Thermogravimetric curves of CCNC and KGM composite gels

3 結(jié) 論

本研究將2種高分子多糖，即魔芋葡甘聚糖(KGM)與羧基化纖維素納米晶須(CCNC)，以不同比例進(jìn)行復(fù)配，結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)(≤0.8 g)，隨著CCNC質(zhì)量的增加，復(fù)合凝膠的彈性也隨之增大，抗剪切能力得到了有效提高。觀察復(fù)合凝膠的結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)添加CCNC，減少了復(fù)配體系的結(jié)構(gòu)斷層和空洞，改善了結(jié)構(gòu)的緊密性和穩(wěn)定性，獲得了更加優(yōu)秀的凝膠性能。紅外光譜分析和熱重曲線分析發(fā)現(xiàn)，由于KGM與CCNC分子間存在氫鍵等相對(duì)較弱的分子作用力，CCNC/KGM復(fù)合凝膠對(duì)溫度較為敏感，CCNC的添加并未能有效提高復(fù)合凝膠體系的熔融溫度，但卻極大提高了復(fù)合凝膠的保重率，使其在高溫中仍能保留一定的凝膠特性。通過(guò)以上指標(biāo)可以得出，CCNC與KGM的較優(yōu)質(zhì)量比為0.8∶1.5。

CCNC的加入有效提高了KGM復(fù)合凝膠的黏彈性、凝膠強(qiáng)度和高溫下的質(zhì)量保留率，這些優(yōu)良的性能將使復(fù)合凝膠應(yīng)用到更加廣泛的領(lǐng)域。希望本研究能為CCNC與KGM復(fù)合凝膠的開發(fā)和應(yīng)用提供參考，但是目前，CCNC與KGM的分子作用機(jī)制尚不夠明確，有待下一步深入研究。