丙酮酸基對黃原膠/魔芋葡甘聚糖復配體系凝膠特性的影響

傅玉穎，蘇歡歡，陳國文，李肖蒙，張 超，李貞鵬，李 媛

（1. 浙江工商大學食品與生物工程學院，杭州 310018；2. 浙江工商大學杭州商學院，杭州 310018）

0 引 言

復配凝膠主要是通過兩種或兩種以上天然高分子材料（如多糖、蛋白質(zhì)、淀粉等）混合形成的，具有改善單一凝膠的不足、擴大使用范圍、降低成本、改善流變學特性及調(diào)控食品質(zhì)構(gòu)等特點[1]。目前關(guān)于復配凝膠的研究主要集中于不可逆凝膠，其廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品、凝膠類食品、冷飲等食品工業(yè)中[2]。不可逆凝膠豐富了食品的類型及口感，擴展了凝膠在食品中的應(yīng)用，在食品中有巨大的應(yīng)用價值。此外，食品工業(yè)中還存在一類凝膠強度較弱的熱可逆凝膠，可通過調(diào)控其溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度，實現(xiàn)對復配凝膠體系流動狀態(tài)的調(diào)控，進而實現(xiàn)對食品“入口即化”特性的設(shè)計，進一步擴展凝膠在食品中的應(yīng)用。

黃原膠和魔芋葡甘聚糖是食品中常見的添加劑，在單獨存在的情況下均不能形成凝膠，但二者具有良好的協(xié)同增效作用，復配能夠形成熱可逆凝膠[3]。黃原膠（Xanthan Gum）是由β-1,4糖苷鍵連接D-葡萄糖所形成的一種胞外多糖[4]，每一個葡萄糖上都有一個三糖側(cè)鏈，側(cè)鏈內(nèi)部的甘露糖可被乙?；┒说母事短强杀槐痆5-6]。XG 由于較好的增稠性和穩(wěn)定性被應(yīng)用于果汁飲料中的增稠劑、穩(wěn)定劑等[7]。魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan）是由D-甘露糖和D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接而成的[8]，從魔芋屬植物的塊莖中提取出來的高分子多糖[9-10]，具有良好的成膜性、增稠性等，同時KGM 由于不含熱量、不被吸收等特點被應(yīng)用于肉制品添加劑及人類預(yù)防肥胖的膳食纖維制品中[11-12]。

近年來，已有很多關(guān)于XG/KGM復配凝膠及其機理的研究，如XG/KGM主要是通過XG的雙螺旋結(jié)構(gòu)和KGM的半乳葡甘聚糖相互作用實現(xiàn)的[13]，因此復配凝膠的凝膠強度會受到XG和KGM的分子結(jié)構(gòu)、比例及鹽離子等的影響，如KGM與XG復配比例不同時，所得凝膠的強度不同，當質(zhì)量比為3∶7時凝膠強度最大[14-15]；加入鹽離子會破壞XG/KGM復配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得凝膠的儲能模量下降，凝膠強度減弱[16]。Brownsey等[17]通過X-射線衍射研究發(fā)現(xiàn)XG/KGM分子之間主要通過氫鍵形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，因此影響氫鍵形成的因素都會對復配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，如KGM分子上乙酰基的脫除，會增強其與 XG 的凝膠強度[18]；同時XG側(cè)鏈末端也存在兩個重要取代基：丙酮酸基和乙?；?，二者含量較少，但對XG的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及流變特性有很大的影響[19-20]，進而會影響XG與KGM復配的協(xié)同方式及復配體系的穩(wěn)定性。脫除XG分子上的乙酰基會使得XG/KGM復配體系的穩(wěn)定性增強，這可能是由于XG上乙?；拇嬖谝种屏朔肿娱g氫鍵，從而抑制了其與半乳甘露聚糖的相互作用，降低了XG/KGM復配凝膠的穩(wěn)定性[21]。同時丙酮酸基的存在也會影響XG/KGM復配凝膠的結(jié)構(gòu)，這主要是因為丙酮酸基的存在增加了XG支鏈長度以及產(chǎn)生靜電屏蔽，使得 XG 螺旋結(jié)構(gòu)松弛[22]，與KGM的結(jié)合位點增多，兩者形成的復配體系的穩(wěn)定性強。Agoub等[23]研究了商業(yè)黃原膠和無丙酮酸基黃原膠在酸性條件下與魔芋葡甘聚糖復合凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度隨pH值的變化及兩者的區(qū)別，表明當pH值為4時，兩者形成的復配凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度相同，這可能是由于在酸性條件下，黃原膠中丙酮酸基大量流失，復配凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度受到影響。基于此，筆者希望通過調(diào)控 XG 中丙酮酸基的含量來降低XG/KGM復配體系的溶膠-凝膠溫度，進而為實現(xiàn)“入口即化”效果復配凝膠體系的設(shè)計提供可能，以期拓寬以XG/KGM為代表的可逆性凝膠體系在食品工業(yè)中的應(yīng)用。

本研究通過酸性熱處理調(diào)控XG中丙酮酸基含量，研究其對XG流變特性的影響，進一步深入研究XG/KGM熱可逆凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度及流變特性隨丙酮酸基含量變化的變化，擴展了凝膠在食品中的應(yīng)用范圍，為添加 XG/KGM 復配凝膠食品的生產(chǎn)提供實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黃原膠（食品膠）購買于山東阜豐發(fā)酵有限公司；魔芋葡甘聚糖（純度94%）購買于上海北連生物科技有限公司；鹽酸、無水碳酸鈉、4-二甲基苯肼、乙酸乙酯（以上試劑均為分析純）。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品制備及表征

1）脫丙酮酸基黃原膠樣品的制備

采用酸性熱處理法脫除黃原膠中的丙酮酸基，參照Abbaszadeh等[24]的方法稍做改動，用0.1 mol/L（含0.1 mol/L NaCl）的鹽酸在80、85、90、95、98 ℃下加熱2.5 h，調(diào)pH值（以含有黃原膠的0.1 mol/L NaCl溶液的pH值為標準）來制備不同丙酮酸基含量的黃原膠，將不同溫度下制備的黃原膠記為XG1、XG2、XG3、XG4、XG5，未處理的黃原膠樣品記為XG0。參照國標GB1886.41-2015[25]并稍作改動測定黃原膠中丙酮酸基的含量如表1。

表1 黃原膠樣品中丙酮酸基含量Table 1 The content of pyruvic group in xanthan gum samples

2）傅里葉紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）

將不同程度脫丙酮酸基的黃原膠按質(zhì)量比1∶100與溴化鉀充分混合后加到研缽中，沿一個方向研磨，壓片機壓制后放于樣品槽中，在波長為400～4 000 cm-1下進行紅外的掃描，次數(shù)為16次，對其進行光譜分析（光譜分辨率為4 cm-1），檢測丙酮酸基含量對黃原膠結(jié)構(gòu)的影響。

3）核磁共振（1H Nuclear Magnetic Resonance）

取一定量的XG5樣品，溶解在氧化氘中，得到質(zhì)量濃度為5 g/L的混合液，吸取0.5 mL至核磁管中，90 ℃下進行（400 MHz）核磁掃描測試。

1.2.2 黃原膠流變測試

黃原膠與冷去離子水按1:200的質(zhì)量比混合，磁力攪拌使其完全溶解，得到質(zhì)量分數(shù)為0.5%的樣品液，通過流變儀 MCR302來測試黃原膠的流變特性（轉(zhuǎn)子PP-50，直徑為50 mm，間隙為1 mm），

1）穩(wěn)態(tài)剪切：取一定量的樣品于流變儀平板上，流變溫度設(shè)定為25 ℃，剪切速率設(shè)為0.1～100 s-1（對數(shù)方式增加）記錄剪切速率對其表觀黏度的影響。

2）不同脫丙酮酸程度的黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度的測定：取一定量的樣品溶液于平板上，在20 ℃下平衡5 min，測定黃原膠在不同程度脫丙酮酸基下儲能模量隨溫度的變化（在平板周圍涂抹一層硅油防止水分蒸發(fā)）。溫度設(shè)定：20 ℃→90 ℃→20 ℃（溫度變化梯度為2 ℃/min）。

1.2.3 XG/KGM復配凝膠的制備及流變測試

1）復配凝膠的制備

在85℃下，將分別溶于去離子水（濃度為0.5 g/mL）的黃原膠（XG0、XG1、XG2、XG3、XG4、XG5）與魔芋葡甘聚糖（KGM）按照1∶1(質(zhì)量比)下進行混合并攪拌30 min以充分混合，在25 ℃下冷卻形成凝膠。

2）復配凝膠的流變測試

復配凝膠流變特性均采用MCR302進行測試（轉(zhuǎn)子選擇及參數(shù)設(shè)定與1.2.2節(jié)處的相同），試驗中動態(tài)流變學的測試均在其線性黏彈區(qū)內(nèi)，每組測試均做3次平行（在平板周圍涂一層硅油防止水分蒸發(fā)）。

穩(wěn)態(tài)掃描：T=60 ℃，t=5 min，剪切速率0.1～300 s-1。

式中σ為剪切應(yīng)力，Pa；K為稠度系數(shù)；γ為剪切速率，s-1；n為流動冪律指數(shù)。

頻率掃描：T=25 ℃，平衡時間=5 min，頻率0.1～100 rad/s（應(yīng)變ε=1%以確保在線性黏彈區(qū)內(nèi)進行）。

溫度掃描：以20 ℃→90 ℃→20 ℃的過程進行測試，測試過程中升降溫的速度均為2 ℃/min（平衡時間為5 min），掃描參數(shù)設(shè)定：點的讀取1 ℃/點，ε=1%，頻率 1 Hz（以確保在線性黏彈區(qū)內(nèi)進行）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為減少試驗誤差，所有試驗做3次平行，并對其結(jié)果利用IBM SPSS22 軟件進行方差分析，檢驗其準確性，置信區(qū)間為95%（P＜0.05），利用Origin2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃原膠結(jié)構(gòu)表征及流變測試

2.1.1 FTIR、1H-NMR表征

黃原膠的結(jié)構(gòu)表征見圖1，黃原膠中的丙酮酸基和乙?；?C=O特征峰出現(xiàn)的位置分別為1 726.50和1 617.74 cm-1，圖1a表明在脫除XG 中丙酮酸基的過程中，1 726.50 cm-1處的特征峰消失，說明丙酮酸基幾乎完全脫除：此外，3 400 cm-1處由-OH伸縮振動引起的特征峰逐漸增大，這主要是因為在脫除丙酮酸基的過程中，黃原膠分子內(nèi)氫鍵作用增強[22]。1H-NMR中乙酰基和丙酮酸基的化學位移分別為2.0和1.5[26]。從圖1b可以看出，XG5的特征峰在2處未發(fā)生變化，而在1.5處的特征峰卻消失了，再次證明在XG5的樣品中丙酮酸基幾乎完全脫除。

2.1.2 穩(wěn)態(tài)剪切

不同程度脫丙酮酸基黃原膠樣品的穩(wěn)態(tài)剪切黏度如圖2所示。從圖中可以看出，黏度值在小范圍剪切速率內(nèi)的變化較小且趨向于直線，表明在較小的剪切范圍內(nèi)，樣品近似于牛頓流體。但表觀黏度對丙酮酸基的依賴性較大，不同程度脫除丙酮酸基后黃原膠的黏度整體下降。這主要是由于在丙酮酸基脫除的過程中，黃原膠側(cè)鏈上所帶負電荷產(chǎn)生的靜電屏蔽現(xiàn)象逐漸消失，分子內(nèi)的氫鍵作用增強，使黃原膠的螺旋結(jié)構(gòu)更加緊湊，但黃原膠分子間氫鍵作用減弱，似固性減弱，逐漸呈現(xiàn)流體的特性。

2.1.3 黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度測定

圖3顯示了黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度受丙酮酸基含量變化的影響。隨著丙酮酸基的不斷脫除，黃原膠儲能模量G′急劇變化的溫度逐漸升高，表明其構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度逐漸增大，這與Mengmeng等[27]的研究結(jié)果一致。主要是因為丙酮酸基的負電荷產(chǎn)生了一定的靜電屏蔽，從而抑制了黃原膠側(cè)鏈和主鏈之間的纏繞折疊，丙酮酸基脫除后，黃原膠分子內(nèi)作用力增強，螺旋結(jié)構(gòu)緊密，但其分子間氫鍵作用減弱，儲能模量G′急劇變化的溫度升高，有序無序轉(zhuǎn)換溫度升高。

2.2 XG/KGM復配凝膠的流變特性

2.2.1 穩(wěn)態(tài)剪切掃描

XG/KGM復配凝膠在室溫下以半固體狀的形態(tài)存在，凝膠結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，流動性弱。圖4給出了60 ℃下，不同程度脫除丙酮酸基的XG與KGM復配體系的穩(wěn)態(tài)剪切掃描。從圖中可以看出，復配體系的黏度隨剪切速率的增加而減小，呈現(xiàn)假塑性流體特性[28]。XG/KGM共混體系的表觀黏度在剪切速率不變的情況下，隨丙酮酸基含量的減少而逐漸降低，其對剪切速率的依賴性也隨之減小，這主要是因為XG側(cè)鏈上的靜電排斥力減小，螺旋構(gòu)象發(fā)生收縮，導致其與魔芋葡甘聚糖的接觸部位變少，兩者之間的相互作用力減弱，在剪切方向上的內(nèi)摩擦減小，趨向牛頓流體。

表2顯示不同程度脫丙酮酸基的XG/KGM復配體系在60 ℃的冪律方程的參數(shù)。K表示液體的內(nèi)摩擦；流態(tài)特征指數(shù)用n表示，Kele?o?lu 等[29]提出可以用n與1的關(guān)系來表示流體是否趨向于牛頓流體，當n=1時，為理想牛頓流體；當n＞1時，表觀黏度隨剪切速率的增加而增大，呈現(xiàn)脹塑性流體的特征；當n＜1時，流體為假塑性流體；同時n值越小，假塑性越大。由表2可知，n值隨黃原膠中丙酮酸基含量的減少逐漸增大，當黃原膠脫除一定丙酮酸基后，復配體系n值達到最大，此時K值達到最小，趨向于理想牛頓流體，復配體系的黏度達到最小。

表2 XG/KGM 復配體系在60 ℃下的穩(wěn)態(tài)剪切黏度冪律模型參數(shù)Table 2 Power law parameters of steady-state shear viscosity for XG/KGM compound gels at 60℃

2.2.2 頻率掃描

在流變學試驗中，動態(tài)黏彈性與物質(zhì)本身的性質(zhì)密切相關(guān)，它可以在一定程度上表征物質(zhì)之間的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，往往與食品加工性質(zhì)有關(guān)。儲能模量G′和損耗模量G″常被用來代表一個黏彈性多糖變形時彈性和黏性的大小[30]。圖5a顯示角頻率對不同程度脫丙酮酸基黃原膠與魔芋葡甘聚糖復配后形成的凝膠的G′和G″的影響。從圖中可以看出G′對角頻率的依賴性較小，即XG/KGM復配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，流動性降低。但XG/KGM復配體系的儲能模量G′隨丙酮酸基的脫除逐漸減小，這可能是因為丙酮酸基脫除，使得黃原膠分子內(nèi)氫鍵作用增強，螺旋結(jié)構(gòu)緊密，與魔芋葡甘聚糖的接觸部位減少，復配體系的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減低，G′逐漸減小。

小振蕩試驗中損耗因子的正切值tanδ（G″/G′）值小于1，G′＞G″，物質(zhì)表現(xiàn)出似固性；tanδ值大于1，物質(zhì)處于流動狀態(tài)[31]。圖5b顯示了角頻率對復配體系tanδ的影響，表明復配體系的tanδ值均小于1，呈現(xiàn)固體特征，隨著角頻率的增大，tanδ先減小后增大，而圖5a顯示G′值幾乎不變，而G″隨著剪切速率的增大緩慢增加，說明tanδ值的變化主要是G″變化引起。表3 表明復配體系的n*值均小于1，屬于非牛頓流體。與表2中n值相比較，n*＜＜n，主要原因是：由于溫度升高，復配凝膠的分子間作用力減小，逐漸趨向于假塑性流體；但n*與n隨黃原膠丙酮酸基含量減少的整體變化趨勢相同，均增大，復配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱。

表3 XG/KGM復配體系的黏度冪律模型在25 ℃下的回歸參數(shù)Table 3 Regression parameters of viscosity power law model for XG/KGM complex gels at 25 ℃

2.2.3 XG/KGM復配體系溶膠-凝膠的溫度掃描

由圖6a可以看出復配凝膠的彈性模量G′隨溫度的降低逐漸增大，并在20 ℃時達到最大，這主要是因為分子間的運動隨溫度的升高而加快，氫鍵被破壞，使得凝膠發(fā)生了相轉(zhuǎn)換，因而G′急劇增大[32]。這里我們定義XG/KGM 復配凝膠在20 ℃時的彈性模量大小為G′20，數(shù)值見表4，G′20由273.3 Pa減少到40.7 Pa，這是由于丙酮酸基含量減少使得XG/KGM之間氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少，復配凝膠強度減弱，表現(xiàn)為彈性模量降低。

從圖6a可以看出，在接近于XG的構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度60 ℃時，復配體系的G′急劇增加并大于G″，說明此時復配體系開始形成凝膠，同時也說明黃原膠與魔芋葡甘聚糖是黃原膠處于有序構(gòu)象時發(fā)生協(xié)同作用，兩者之間主要通過氫鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖6b顯示了丙酮酸基含量減少使得XG/KGM的儲能模量G′急劇增加的溫度降低，即XG/KGM復合凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度降低，XG5/KGM轉(zhuǎn)變溫度約為41 ℃。主要原因是隨著丙酮酸含量的降低，黃原膠的內(nèi)部作用力增大，螺旋結(jié)構(gòu)致密，構(gòu)象轉(zhuǎn)化溫度升高。但與魔芋葡甘露聚糖的結(jié)合位點減少，分子間相互作用減弱，溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度降低。

表4 XG/KGM復配凝膠溫度掃描參數(shù)Table 4 The temperature scanning parameters for XG/KGM compound gels

3 結(jié) 論

本文通過酸性熱處理的方法脫除黃原膠中的丙酮酸基并研究其對黃原膠結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的影響，進而研究不同程度脫除丙酮酸基對黃原膠與魔芋葡甘聚糖復配體系的影響，主要結(jié)論有如下幾點：

1）隨著丙酮酸基的脫除，黃原膠的螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密，表觀黏度整體下降，似固性減弱，且在同一溫度下，黃原膠的儲能模量隨丙酮酸基含量的減少而降低，構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度升高。

2）黃原膠/魔芋葡甘聚糖（Xanthan Gum/Konjac Glucomannan）復配凝膠流變特性研究表明，復配體系的表觀黏度隨丙酮酸基的脫除逐漸減小，趨向于牛頓流體。在動態(tài)剪切中，角頻率變化對儲能模量的影響較小，表現(xiàn)出的依賴性小，說明復配體系的凝膠結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；升溫到90 ℃的XG/KGM復配體系的溫度掃描表明：在對樣品進行降溫的過程中，復配凝膠的儲能模量逐漸增加，并在20 ℃時達到最大值，此時未處理的黃原膠與魔芋葡甘聚糖復配體系的起始凝膠溫度為60 ℃。在20 ℃下，對不同脫丙酮酸基程度復配體系的儲能模量及相變溫度進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著丙酮酸基含量減少，XG與KGM之間氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少，協(xié)同作用逐漸減弱，復配凝膠強度減弱，儲能模量由273.3 Pa減少到40.7 Pa，相變溫度從60 ℃降低至41 ℃。

3）黃原膠中丙酮酸基含量的減少使得其分子間作用力增強，螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密，與魔芋葡甘聚糖復配形成凝膠的作用減弱，凝膠結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，使得復配體系的溶膠-凝膠溫度降低。該研究為凝膠食品在口腔中固體到流體的轉(zhuǎn)換以及對食品質(zhì)構(gòu)的調(diào)控提供了可能，擴展了凝膠在食品中的應(yīng)用。