超聲對(duì)魔芋葡甘聚糖與大豆蛋白復(fù)配體系粒徑與流變性的影響

謝建華 張巧芬 張桂云 龐 杰 林常青 高小梅

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品工程學(xué)院1，漳州 363000)(漳州市食品產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院2，漳州 363000)(福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院3，福州 350002)

多糖與蛋白質(zhì)是構(gòu)建各種食品體系的最主要基材[1，2]，它們的相互作用形式和程度決定了食品體系質(zhì)構(gòu)、感官、穩(wěn)定，并顯著影響其營(yíng)養(yǎng)和功能特性[3，4]。但由于多糖和蛋白質(zhì)形成的共混體系常存在熱力學(xué)不相容特點(diǎn)，使得其在食品加工應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)相分離現(xiàn)象，嚴(yán)重阻礙了多糖-蛋白基產(chǎn)品在食品、藥品及材料等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[5，6]。因此，如何提高多糖-蛋白復(fù)配體系的相容性、改善其性能是實(shí)現(xiàn)食品材料功能性質(zhì)優(yōu)化的關(guān)鍵。

超聲波作為一種先進(jìn)的食品加工技術(shù)，因其設(shè)備使用方便、環(huán)保、安全、無(wú)毒等特點(diǎn)，在食品行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的重視[7]。超聲可以分為兩類：低強(qiáng)度超聲(頻率<20 kHz)和高強(qiáng)度超聲(頻率范圍20～100 kHz)。本研究指的是高強(qiáng)度超聲，其聲場(chǎng)具有獨(dú)特的空化現(xiàn)象，可同時(shí)產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)[8，9]。超聲的機(jī)理是依靠超聲的空穴效應(yīng)，使得液體中的氣泡迅速形成、增長(zhǎng)、振蕩和爆裂，形成極端高溫(5 000 K)和高壓(50 MPa)，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的沖擊波和微射流，從而產(chǎn)生巨大的剪切力和混合效應(yīng)[10]。利用超聲波的這種超聲振動(dòng)能量，從而使食品的組織結(jié)構(gòu)、性狀和組成發(fā)生改變。目前已被應(yīng)用于食品中生物大分子的改性研究[11]。據(jù)相關(guān)研究表明，高強(qiáng)度超聲可使蛋白質(zhì)粒度變小、疏水基含量減少，破壞了蛋白分子的空間結(jié)構(gòu)，從而改善食品蛋白質(zhì)的溶解性[12，13]、起泡性[14]、持水性[11]、乳化性[15]和凝膠性[16，17]等功能特性，促進(jìn)蛋白質(zhì)與其他成分的作用。有研究表明超聲可有效改善大豆蛋白-刺槐豆膠熱力學(xué)相容性，從而增強(qiáng)其凝膠體系[18]，因此說(shuō)明超聲可作為增溶多糖-蛋白的有效工具，但目前鮮有文獻(xiàn)報(bào)道應(yīng)用超聲處理其他多糖大分子與蛋白質(zhì)的相互作用。

KGM與蛋白質(zhì)可通過(guò)氫鍵和靜電力作用形成混合體系，該體系顯示出比單獨(dú)使用時(shí)更優(yōu)越的性能[19]?；诖耍狙芯繑M以KGM-SPI共混復(fù)配體系為研究基材，通過(guò)流變學(xué)分析研究超聲場(chǎng)調(diào)制多糖-蛋白溶液共混體系流體行為和黏彈特性，以期尋找調(diào)控多糖-蛋白復(fù)配體系性能的一種新解決手段，對(duì)多糖與蛋白的使用提供一定的指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

KGM(食品級(jí))、SPI(食品級(jí)，純度≥90%)。

1.1.2 儀器與設(shè)備

JY92-IIDN型超聲波細(xì)胞破碎儀(頻率范圍20～25 kHz)，HH-4型恒溫水浴鍋， STSJB-120型電動(dòng)攪拌器， BT-9300S型激光粒度分布儀， Zeta電位儀， Rheoplus MCR301型流變儀。

1.2 方法

1.2.1 KGM-SPI共混復(fù)配體系的制備

以蒸餾水為基準(zhǔn)稱取0.45%的SPI加入到蒸餾水中，攪拌機(jī)攪拌使蛋白質(zhì)分散均勻，稱取1.05%的KGM，攪拌機(jī)以 150 r/min 的速率緩慢攪拌緩慢加入蛋白液中，同時(shí)置于恒溫水浴50 ℃條件下攪拌15 min，將共混液分別在0、120、200、280 W超聲處理15 min，后進(jìn)行粒徑測(cè)試和流變學(xué)分析。

1.2.2 KGM-SPI混合體系粒徑及分布的測(cè)定

將KGM-SPI體系，采用蒸餾水按比例稀釋，在折射率為1.5，介質(zhì)的折射率為1.3條件下，測(cè)量體系中粒徑的大小及分布情況[20]。

1.2.3 KGM-SPI混合體系ζ-電位的測(cè)定

將制備的KGM-SPI混合體系分散到pH 7.0的磷酸鹽緩沖液中，在常溫條件下采用ZetaPALS-Zeta電位儀測(cè)定樣品的ζ-電位，測(cè)定時(shí)的溫度為25 ℃，每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，計(jì)算平均值。

1.2.4 KGM-SPI混合體系流變特性研究

采用流變儀測(cè)試不同超聲處理的KGM-SPI混合體系流變性能，測(cè)試探頭為Φ50 mm平行板，1 mm間距。測(cè)試溫度(30±1) ℃條件下剪切速率從0.01 s-1增加到10 s-1，記錄體系黏度和應(yīng)力變化情況。在溫度(25±0.2) ℃、應(yīng)變1%條件下，分別觀察頻率從0.1～10 Hz過(guò)程中彈性模量(G′)和黏性模量(G″)的變化情況。在應(yīng)變?yōu)?%，頻率1.0 Hz條件下，觀察不同處理在20～80 ℃下G′和G″的變化情況。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次，利用origin2016軟件繪圖，采用SPSS21.0軟件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)單因素方差分析比較組間數(shù)據(jù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，具統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著性差異以P<0.05示出。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同超聲功率處理對(duì)KGM-SPI混合體系粒徑的影響

粒徑分布是衡量溶膠特性的重要指標(biāo)之一。由圖1可見，未經(jīng)超聲處理的KGM-SPI體系，其粒徑分布范圍較廣，且有大粒徑的顆粒存在，如大于250 μm以上的顆粒；而超聲處理其體系顆粒粒徑小于未超聲處理組，顆粒粒徑分布范圍較窄，且主要形成中等大小的顆粒，其體積平均粒徑(D4,3)為54～64 μm，而中位徑在46～55 μm。這說(shuō)明超聲處理可使體系中的KGM或SPI的大顆粒粒徑降低。這可能是超聲使KGM和SPI形成更小顆粒，溶解性增加，界面張力降低，改變其空間結(jié)構(gòu)，且在基體中分散更均勻，從而促進(jìn)KGM和SPI分子間的作用，形成更穩(wěn)定體系，其結(jié)果與超聲對(duì)大豆蛋白-刺槐豆膠的增容性相一致[18]。但不同超聲處理其粒徑大小不一，從圖2可知，未超聲處理KGM-SPI體系體積平均粒徑(D4,3)和中位徑均最大，其次是280 W處理組，而120 W和200 W最小，兩個(gè)處理的粒徑大小相差不顯著(P>0.05)，而這種現(xiàn)象的機(jī)理需要后面進(jìn)一步的探討。

圖1 不同功率超聲處理的KGM-SPI溶膠粒徑分布

圖2 不同超聲功率處理對(duì)KGM-SPI溶膠體積平均粒徑(D4,3)大小

2.2 不同超聲功率處理對(duì)KGM-SPI混合體系ζ-電位的影響

溶膠表面電荷密度能反應(yīng)其粒子之間靜電相互作用，ζ-電位可作為衡量的溶膠顆粒之間相互作用的指標(biāo)。由圖3可見，未經(jīng)超聲處理的KGM-SPI體系Zeta電位為-7.47 mV，經(jīng)超聲處理的KGM-SPI體系的Zeta電位在200 W時(shí)為-11.78 mV，而120 W和280 W處理的KGM-SPI體系的Zeta電位分別為-9.13 mV和-10.21 mV，其絕對(duì)值均低于200 W處理的電位。說(shuō)明適當(dāng)?shù)某曁幚硎筀GM-SPI體系的帶電荷數(shù)增加，可提高KGM-SPI體系穩(wěn)定性。

圖3 不同功率超聲處理的KGM-SPI混合體系ζ-電位的影響

圖4 不同超聲處理對(duì)KGM-SPI溶膠中黏度的影響

2.3 不同超聲功率處理對(duì)KGM-SPI混合體系剪切稀化的影響

圖4為不同超聲處理的KGM-SPI體系剪切應(yīng)力與剪切速率變化曲線。從圖4可看出，KGM-SPI復(fù)配體系的表觀黏度隨剪切速率的增加而下降，這說(shuō)明該復(fù)配體系為非牛頓流體，具有假塑性流體的特征。與對(duì)照相比，120 W和200 W處理后，復(fù)配體系溶液的黏度均顯著提高，當(dāng)280 W處理時(shí)，其黏度比未經(jīng)處理還低。說(shuō)明適當(dāng)超聲處理對(duì)魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白體系的結(jié)構(gòu)與性能產(chǎn)生影響，這可能由于適當(dāng)超聲處理，有利于多糖與蛋白分子間發(fā)生交互作用，從而提高其凝膠強(qiáng)度；而當(dāng)超聲功率太高可能會(huì)使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞或使多糖分子變小從而使其體系作用減弱，黏度下降，但其機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

2.4 不同超聲功率處理的KGM-SPI混合體系的流變曲線和流變模型

從圖5可以看出，同一處理，剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大；同一剪切速率條件下，隨著超聲功率的增大其剪切應(yīng)力呈先增后減。采用Power-Law模型τ=kγn對(duì)魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復(fù)合體系的流變曲線進(jìn)行擬合，其相關(guān)系數(shù)均大于0.99，說(shuō)明擬合效果較好。Power-Law模型中n是流態(tài)特性指數(shù)，n越小，剪切越易變稀，假塑性程度越大。表1可知，不同處理魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復(fù)配體系n<1，這也說(shuō)明了其為非牛頓流體。模型中的k為稠度系數(shù)，k值越大，說(shuō)明流體越黏稠。

圖5 不同超聲處理對(duì)KGM-SPI溶膠中剪切應(yīng)力的影響

表1 復(fù)合溶膠在處理?xiàng)l件下的流變特性參數(shù)值

從表1可以看出，當(dāng)超聲功率較低時(shí)，魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復(fù)配體系隨著功率的增加，黏稠系數(shù)(k)增大，流變特性指數(shù)(n)減小，這說(shuō)明適當(dāng)超聲處理使體系的非牛頓性流體行為增強(qiáng)，這可能是由于超聲處理對(duì)KGM-SPI混合體系分子間的相互作用力增強(qiáng)，使KGM-SPI復(fù)配體系形成穩(wěn)定凝膠所致。k值和n值是衡量溶膠體系的質(zhì)量指標(biāo)，k值愈大，n值愈小，表明體系質(zhì)量越好，產(chǎn)品凝膠強(qiáng)度增加[21-22]。當(dāng)超聲功率達(dá)增加280 W時(shí)，其黏稠系數(shù)急激下降，這可能過(guò)度超聲會(huì)使蛋白變性或多糖分子量變小，從而影響其體系相互作用。

圖6 k和n分別對(duì)應(yīng)的不同超聲處理回歸曲線

圖6為魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復(fù)配體系的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與不同處理的多次項(xiàng)擬合曲線和方程。由圖6可知，魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復(fù)配體系的k與不同超聲處理呈三次項(xiàng)函數(shù)關(guān)系，其方程為y=-8×10-6x3+0.002 6x2-0.125 2x+2.524，相關(guān)系數(shù)R2=1。魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白混合體系的n與不同超聲處理符合二次多項(xiàng)函數(shù)關(guān)系，其方程為y= 5×10-6x2-0.001 3x+0.938 3，相關(guān)系數(shù)R2=0.983 9。

2.4 不同超聲功率處理的KGM-SPI復(fù)配體系的黏彈性

圖7 頻率對(duì)KGM-SPI體系溶膠黏彈性的影響

圖7為不同超聲處理的KGM-SPI體系的彈性模量(G′)均低于黏性模量(G″)的變化曲線。從圖7可看出，隨著頻率的增加，KGM-SPI體系的G′和G″均呈現(xiàn)增大。在低頻率時(shí)各比例的混合溶膠的G′均低于G″，當(dāng)頻率進(jìn)步提高時(shí)，所有樣品的模量均升高，G′增加的速度比G″大，且達(dá)到一定頻率時(shí)G′大于G″，這可能是由于共混體系中分子間相互作用增強(qiáng)，形成更為致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使體系凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)，說(shuō)明該體系具有彈性體性質(zhì)。不同強(qiáng)度的超聲處理對(duì)KGM-SPI體系作用不同。在120 W和200 W超聲處理，其體系的G′與G″均比未處理更大，且其彈性模量和黏性模量的交叉點(diǎn)的頻率也更低。而當(dāng)280 W處理時(shí)，其體系G′與G″均比未處理更小，且交叉點(diǎn)在高頻率相交。G′與G″隨頻率變化的曲線的交匯點(diǎn)位置，可作為衡量體系黏彈性能的特點(diǎn)。從圖7可知，適當(dāng)超聲處理能夠增加KGM-SPI體系的黏彈性，這可能是由于超聲預(yù)處理能夠促進(jìn)KGM-SPI體系相互作用加強(qiáng)，形成了均一、致密、高強(qiáng)度的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而過(guò)度超聲反而起到反作用。

2.5 不同超聲的KGM-SPI復(fù)配體系的耐溫性

臨界凝膠溫度，對(duì)準(zhǔn)確確定其溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變點(diǎn)具有非常重要的意義。G′和G″的溫度譜曲線的交叉點(diǎn)可作為判斷大分子溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度的手段。圖8為不同超聲處理的魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復(fù)配體系的模量隨溫度的變化趨勢(shì)。由圖8中可以看出，120 W和200 W超聲處理，KGM-SPI體系G′與G″均高于對(duì)照，而280 W處理的比照還低。加熱過(guò)程中KGM-SPI體系的G′和G″隨著溫度的升高均呈下降趨勢(shì)，除120 W和200 W超聲處理的G′有稍微上升后下降。對(duì)照處理在整個(gè)溫度掃描范圍G′始終小于G″，無(wú)交叉點(diǎn)。而120 W和200 W超聲處理分別在39.7 ℃和59.0 ℃有交叉后，其G′均低于G″。說(shuō)明樣品適當(dāng)超聲處理發(fā)生了溶膠-凝膠的轉(zhuǎn)變，使KGM-SPI體系形成彈性體系，但該體系對(duì)熱不穩(wěn)定，加熱使其轉(zhuǎn)變成液體特性。這說(shuō)明超聲對(duì)KGM-SPI體系作用與溫度相關(guān)，有待今后進(jìn)一步研究。

圖8 溫度對(duì)KGM-SPI體系混合溶膠黏彈性的影響

3 討論

超聲處理可以使KGM-SPI復(fù)配體系的粒徑大小和表面帶電情況發(fā)生改變。從體系粒徑大小及分布情況看，與未超聲處理相比120 W和 200 W超聲處理使KGM-SPI體系顆粒變小，且大部分顆粒主要分布在50～60 μm之間，而當(dāng)超聲功率達(dá)到280 W時(shí)反而使其顆粒粒徑增大，但與未處理的小。這可能是超聲可多糖和蛋白質(zhì)分子量先變小，使蛋白質(zhì)溶解性增加，同時(shí)超聲也暴露蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使部分結(jié)構(gòu)展開、柔性增加，界面張力降低，且在基體中分散更均勻，從而促進(jìn)KGM和SPI分子間的靜電相互作用，形成更穩(wěn)定體系，其結(jié)果與超聲對(duì)促使蛋白-多糖體系穩(wěn)定性相一致[18]。而過(guò)度超聲處理會(huì)使蛋白質(zhì)形成更大不可溶的聚集體，這與超聲處理對(duì)大豆分離蛋白-磷脂作用相一致[23]。再結(jié)合ζ-電位的變化情況看，適當(dāng)?shù)某曁幚硎筀GM-SPI復(fù)配體系的電荷增加，從面增加其體系穩(wěn)定性。

從流變學(xué)分析，KGM-SPI體系為假塑性流體，與未超聲組相比，120 W和 200 W超聲處理會(huì)使KGM-SPI體系的k值增大、n值減小，提高其黏彈性，而280 W超聲處理會(huì)使其體系k值減小、n值增大，降低其黏彈性；從頻率掃描看，120 W和 200 W超聲作用增加了KGM-SPI體系的儲(chǔ)能模量(G′)及損耗模量(G″)，促使KGM-SPI相互作用的強(qiáng)度增強(qiáng)，形成彈性體系，而280 W的超聲處理則會(huì)使其相互作用能力降低。從溫度掃描看，超聲改變了體系的耐溫性，且200 W超聲處理優(yōu)于120 W處理，而280 W處理最差。這表明適當(dāng)超聲處理會(huì)影響KGM-SPI相互作用的程度，適宜強(qiáng)度的超聲處理有利于復(fù)合體系凝膠性能和耐溫性得到的提升，而過(guò)度超聲處理其體系未能形成穩(wěn)定凝膠。再?gòu)捏w系粒徑分布及大小和帶電情況看，這可能是由于適度超聲使KGM和SPI的性質(zhì)發(fā)生改變，如分子變小，溶解度增加等，從而增加其作用力，使其形成更穩(wěn)定的凝膠體；而適當(dāng)超聲處理會(huì)使其分子先變小，ζ-電位絕對(duì)值增加，但過(guò)度處理反而使其ζ-電位絕對(duì)值變小，形成不穩(wěn)定性聚集體。而這種現(xiàn)象需要今后有待于從其性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的探討。

4 結(jié)論

采用不同超聲波功率對(duì)KGM、SPI相互作用及體系流變性的影響。研究表明適當(dāng)超聲處理可使KGM-SPI體系顆粒變小、顆粒粒徑分布范圍變窄、ζ-電位絕對(duì)值變大，儲(chǔ)能模量(G′)及損耗模量(G″)增加，黏稠系數(shù)增大，流變特性指數(shù)減小，且其體系的耐溫性能得到的提升。說(shuō)明適當(dāng)超聲處理可促使KGM-SPI分子間的作用，形成更穩(wěn)定彈性體系，其體系非牛頓性流體行為增強(qiáng)。