不同超聲條件下結(jié)冷膠酸性凝膠的凝膠特性研究

陳 青 程紅梅 周濤濤 岳志敏 韓曉祥

(浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院， 杭州 310018)

0 引言

蛋白質(zhì)和多糖是食品體系中兩類重要的生物大分子，也是賦予食品良好質(zhì)構(gòu)特性和加工性能的主要因素。凝膠性質(zhì)是多糖和蛋白質(zhì)的重要功能特性，通過凝膠結(jié)構(gòu)的調(diào)控可實現(xiàn)食品質(zhì)構(gòu)、感官、營養(yǎng)和風(fēng)味的調(diào)節(jié)[1-3]。

近年來，環(huán)境友好的加工技術(shù)，如超聲波處理技術(shù)成為世界各國研究者的關(guān)注熱點[4-6]。超聲波是指頻率大于20 kHz的聲波，同時擁有波動與能量雙重性。超聲波會產(chǎn)生空化作用、機(jī)械效應(yīng)以及熱效應(yīng)等，對多糖和蛋白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)和功能特性影響顯著，目前已廣泛用于多糖和蛋白質(zhì)的提取、降解、改性和加工等方面[7-12]。超聲波處理可以通過改變生物大分子的微觀結(jié)構(gòu)，增加流動性，增強(qiáng)多糖、蛋白質(zhì)、水之間的相互作用，有利于改善凝膠品質(zhì)和保水性。如文獻(xiàn)[13]發(fā)現(xiàn)，菜籽分離蛋白在超聲波和堿處理作用下，蛋白質(zhì)的游離巰基含量和表面疏水性增大，α-螺旋和無規(guī)線團(tuán)含量減少，當(dāng)超聲頻率為20 kHz和pH值為12.5時，改性蛋白質(zhì)的溶解度最大，超聲波處理有望成為蛋白質(zhì)改性的有效手段。文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)超聲處理同時輔以漆酶交聯(lián)可提高α-乳白蛋白乳液穩(wěn)定性，適中的超聲時間可增強(qiáng)α-乳白蛋白乳液凝膠的凝膠強(qiáng)度。文獻(xiàn)[15]考察了超聲處理對轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶(TG酶)誘導(dǎo)花生分離蛋白(PPI)-燕麥膳食纖維(ODF)混合凝膠的影響，發(fā)現(xiàn)超聲處理會減少α-螺旋的含量，增大β-螺旋和無規(guī)線團(tuán)含量，有利于PPI-ODF體系形成連續(xù)致密的凝膠結(jié)構(gòu)，凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)。

結(jié)冷膠是一種水溶性的陰離子多糖，在食品、化工、醫(yī)藥等行業(yè)中應(yīng)用廣泛[16-19]。在醫(yī)藥領(lǐng)域中，結(jié)冷膠可用于骨修復(fù)材料、抗菌藥物載體、基因轉(zhuǎn)染和基因治療。在食品工業(yè)中可作為穩(wěn)定劑、乳化劑、膠凝劑、成膜劑等用于糖果、果醬、水凝膠、面制品以及乳制品的生產(chǎn)，還可作為新型清洗劑用于造紙行業(yè)。凝膠性質(zhì)是結(jié)冷膠在食品工業(yè)中使用時最受關(guān)注的特性之一，目前關(guān)于超聲波處理對結(jié)冷膠凝膠性質(zhì)的影響研究還鮮有報道。本文以低?；Y(jié)冷膠(LA)為研究對象，考察超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠凝膠特性的影響，以期為結(jié)冷膠改性提供新思路，為結(jié)冷膠在食品工業(yè)及其它領(lǐng)域中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

低?；Y(jié)冷膠(LA)Kelcogel，美國Kelco公司；葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯(GDL)，阿拉丁生化科技股份有限公司，食品級；去離子水，實驗室自制；戊二醛25%水溶液，上?；瘜W(xué)試劑采購供應(yīng)五聯(lián)化工廠；十二水合磷酸氫二鈉，二水和磷酸二氫鈉，無水乙醇，氫氧化鈉，分析純，西隴科學(xué)股份有限公司。

XH-300A型微波超聲萃取儀，北京祥鵠科技發(fā)展有限公司；JZ78-1型磁力攪拌器，杭州通用電子儀表廠；電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；TG16-WS型臺式高速離心機(jī)，長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司；CR-400型色差計，日本Konica Minolta Sensing 公司；新芝SCIENTE-10N型冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技有限公司；TA-XT 2i型質(zhì)構(gòu)分析儀，英國SMS公司；E-1010型噴金儀、TM-1010型掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；BL-180型集成防爆冷柜，上海億思科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1結(jié)冷膠凝膠制備

在室溫(20℃)下將適量結(jié)冷膠粉末加入去離子水中并溶脹24 h，于90℃下進(jìn)行磁力攪拌，直至結(jié)冷膠粉末完全溶解得到結(jié)冷膠溶液。將結(jié)冷膠溶液(100 mL)倒入微波專用三頸瓶，利用微波超聲波萃取儀進(jìn)行超聲處理，超聲探頭浸入結(jié)冷膠溶液液面以下10 mm處，超聲循環(huán)模式設(shè)置為1∶0(超聲探頭一直振動)，超聲處理溫度恒定為(55±1)℃。超聲處理完成后，在結(jié)冷膠溶液中加入GDL，磁力攪拌3 min，將溶液分裝在Ф30 mm×20 mm模具中，用15℃的冷水浴冷卻10 min后，在4℃的冰箱中放置36 h后脫模，進(jìn)行測試分析。在進(jìn)行測試前，凝膠試樣均在室溫下放置0.5 h進(jìn)行平衡。

配制的結(jié)冷膠溶液質(zhì)量濃度為0.004、0.006、0.008、0.01 g/mL，GDL/LA質(zhì)量比分別為0.25、0.5、1、2和4。超聲功率為100、300、500、700 W，超聲時間為0、10、20、30、40 min。

1.2.2不透明指數(shù)測試

利用實驗室自制的切片工具從凝膠的中間部分切出厚度2 mm的薄片，用色差計測試樣品的明亮度。樣品置于黑色背景下測得明亮度Lb，樣品置于白色背景下測得明亮度Lw。則凝膠的不透明指數(shù)(OI)為：Lb/Lw×100%。

1.2.3力學(xué)性能測試

凝膠的力學(xué)性能使用TA-XT 2i型質(zhì)構(gòu)分析儀測試。測試模式為compression，探頭型號為P/45(直徑為45 mm的圓柱探頭)。測試前探頭下壓速度為1 mm/s，測試時探頭速度為0.5 mm/s，測定后探頭回復(fù)速度為1 mm/s，壓縮應(yīng)變?yōu)?0%，觸發(fā)力為0.049 N。

測試過程中凝膠樣品截面會發(fā)生改變，參照文獻(xiàn)[20]對測定的力和應(yīng)變進(jìn)行校正，公式為

(1)

(2)

式中ε——真實應(yīng)變

σ——真實應(yīng)力

F(t)——t時刻的力

L(t)——t時刻的試樣高度

L0——樣品的初始高度

S0——樣品的初始橫截面積

從ε-σ曲線上可以獲得表征凝膠力學(xué)性能的參數(shù)，如斷裂應(yīng)力、斷裂應(yīng)變和楊氏模量。

1.2.4保水性測試

在脫模后的凝膠中部切出15 mm×15 mm×15 mm的小方塊，放入50 mL離心管中，測出空離心管的質(zhì)量W0，加入凝膠后離心管和凝膠的總質(zhì)量為W1。在10 000 r/min的條件下離心15 min，去除水后離心管和凝膠的總質(zhì)量為W2，凝膠保水性指數(shù)(WHC)為：(W2-W0)/(W1-W0)×100%。

1.2.5微觀結(jié)構(gòu)分析

在脫模后的凝膠中部切出10 mm×10 mm×15 mm的長方體，用pH值為7.2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%的0.1 mol/L戊二醛PBS(磷酸鹽緩沖液)溶液固定24 h，間隔12 h換一次固定液。之后用0.1 mol/L、pH值7.2的PBS沖洗試樣3次，每次15 min。用1%的鋨酸溶液固定樣品2 h，再用0.1 mol/L、pH值7.0的PBS漂洗樣品3次，每次15 min。用體積分?jǐn)?shù)為50%、70%、80%、90%、95%的乙醇脫水一次，每次15 min，再用100%的乙醇處理2次，每次20 min。然后用液氮將試樣冷凍，置于真空冷凍干燥機(jī)中干燥，經(jīng)真空噴金后，采用掃描電子顯微鏡觀察試樣斷面的微觀形貌，加速電壓3 kV。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)均利用Origin 8.0和SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。在實驗中為了減少實驗誤差，提高數(shù)據(jù)可信度，每組實驗重復(fù)測定3～5次，文中所用數(shù)據(jù)為多次重復(fù)測量的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠的光學(xué)性質(zhì)

圖1(圖中不同字母表示p<0.01水平差異顯著，下同)給出了超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠不透明指數(shù)的影響。顯然，隨著超聲功率提高和超聲時間延長，結(jié)冷膠酸性凝膠的不透明性略有減小，這是因為超聲波在液體中傳播時，存在空化效應(yīng)，產(chǎn)生的剪切力會改變材料的結(jié)構(gòu)、相態(tài)和性質(zhì)[12]。超聲作用可能會使結(jié)冷膠分子鏈斷裂，形成的聚集態(tài)尺寸略有減小，故而凝膠的不透明性略有降低。結(jié)冷膠濃度越高，酸性凝膠的不透明性越強(qiáng)。濃度增大，溶液中結(jié)冷膠分子之間的距離減小，分子鏈與分子鏈發(fā)生碰撞的幾率增大，分子鏈更容易聚集形成鏈接區(qū)，聚集態(tài)尺寸增大，凝膠不透明性增大[21]。酸性凝膠的不透明性隨著GDL/LA質(zhì)量比的升高而增大，這是因為GDL在水溶液中水解產(chǎn)生葡萄糖酸，釋放的氫離子會與結(jié)冷膠分子鏈上帶負(fù)電的羧基結(jié)合，促進(jìn)了結(jié)冷膠雙螺旋鏈的聚集。隨著體系內(nèi)GDL含量增高，釋放氫離子的速度和數(shù)量增大，使得鏈接區(qū)數(shù)量和尺寸增大，凝膠的不透明性增加。這與文獻(xiàn)[22]對鈣離子誘導(dǎo)結(jié)冷膠凝膠的不透明性研究結(jié)果類似。

相對而言，結(jié)冷膠濃度改變對不透明性的影響程度更大，這也與凝膠宏觀形貌的觀察結(jié)果一致。

2.2 凝膠的力學(xué)性能

超聲處理結(jié)冷膠酸性凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖2所示，可見，該曲線可分為3個變化區(qū)域：①線性粘彈區(qū)。當(dāng)應(yīng)變在0.05以內(nèi)時，應(yīng)力與應(yīng)變之間符合線性關(guān)系。②非線性粘彈區(qū)。該區(qū)域主要是凝膠樣品的塑性變形，在測試時可以看到凝膠樣品中有水分滲出，此區(qū)域內(nèi)應(yīng)力增加速率大于應(yīng)變增加速率。③斷裂臨界區(qū)。該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變達(dá)到最大值，之后凝膠樣品發(fā)生斷裂。

2.2.1斷裂應(yīng)力

圖3給出了超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠斷裂應(yīng)力的影響，顯然，結(jié)冷膠濃度越高，凝膠的斷裂應(yīng)力越大，這是因為濃度增大，單位體積內(nèi)結(jié)冷膠分子鏈數(shù)目增多，形成的凝膠結(jié)構(gòu)更為致密。隨著超聲功率的增大，凝膠的斷裂應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)結(jié)冷膠質(zhì)量濃度為0.01 g/mL時，在不同的GDL/LA質(zhì)量比下，超聲功率從100 W增大到700 W時，斷裂應(yīng)力減小為初始值的73%～82%。隨著超聲時間的延長，斷裂應(yīng)力則逐漸減小，當(dāng)超聲時間延長到40 min時，凝膠的斷裂應(yīng)力降低到初始值(未超聲處理)的71%～92%。說明超聲處理會弱化結(jié)冷膠酸性凝膠的形成。GDL/LA質(zhì)量比對超聲處理結(jié)冷膠酸性凝膠斷裂應(yīng)力影響顯著，當(dāng)GDL/LA質(zhì)量比為1時，斷裂應(yīng)力最大。這是因為pH值會影響結(jié)冷膠分子構(gòu)象[23]，溶液中的氫離子會與結(jié)冷膠分子鏈上帶負(fù)電的羧基結(jié)合，屏蔽了羧基間的靜電排斥作用，同時氫離子濃度也會影響結(jié)冷膠分子鏈上羧基的解離度。在結(jié)冷膠酸化體系中，存在著酸化和凝膠兩個競爭作用，如果體系酸化速率過快，結(jié)冷膠分子鏈聚集速度也過快，不容易形成均勻結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有研究表明[24]，凝膠速率越慢，越容易形成均勻凝膠。對于超聲處理的結(jié)冷膠酸化體系而言，當(dāng)GDL/LA質(zhì)量比為1時，凝膠速率和酸化速率均較為適中，體系內(nèi)部可形成相對完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，凝膠強(qiáng)度最大。此外還可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GDL/LA質(zhì)量比為1時，超聲功率和超聲時間對凝膠斷裂應(yīng)力的影響程度最小。

2.2.2斷裂應(yīng)變

圖4給出了超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠斷裂應(yīng)變的影響，斷裂應(yīng)變是凝膠破斷時產(chǎn)生的變形量，斷裂應(yīng)變越大，說明凝膠變形性越好，凝膠越軟。由圖可知，隨著超聲功率增大和超聲時間延長，斷裂應(yīng)變會略有增大，說明超聲作用使凝膠變軟。超聲作用對斷裂應(yīng)變的影響程度與GDL/LA質(zhì)量比密切相關(guān)，GDL/LA質(zhì)量比越小，超聲時間和超聲功率對斷裂應(yīng)變的影響程度越大，當(dāng)GDL/LA質(zhì)量比大于1時，超聲時間和超聲功率對凝膠斷裂應(yīng)變的影響較小。結(jié)冷膠濃度越低，凝膠的斷裂應(yīng)變越大，說明結(jié)冷膠濃度越低，超聲處理后形成的酸性凝膠變形性越大，凝膠越軟。此外，凝膠的斷裂應(yīng)變隨著GDL/LA質(zhì)量比的增大而減小。

2.2.3楊氏模量

楊氏模量是材料剛性的表現(xiàn)，可用來表征凝膠的堅實度。圖5給出了超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠楊氏模量的影響，顯然，超聲功率和超聲時間對楊氏模量影響顯著，隨著超聲功率的增大和超聲時間的延長，楊氏模量均出現(xiàn)了下降，相對于超聲功率而言，超聲時間的影響更為明顯。當(dāng)超聲時間延長到40 min時，楊氏模量降低到初始值的60%～68%，這與超聲作用對斷裂應(yīng)力的影響結(jié)果類似。由圖5c可知，結(jié)冷膠濃度越高，凝膠的楊氏模量也越大。此外，酸性凝膠的楊氏模量均在GDL/LA質(zhì)量比為1時達(dá)到最大值，說明合適的GDL/LA質(zhì)量比會使結(jié)冷膠凝膠強(qiáng)度提高，但體系中酸含量過高或過低均會影響結(jié)冷膠分子鏈的聚集速率，不易形成均勻致密凝膠，使得凝膠強(qiáng)度降低。

根據(jù)結(jié)冷膠凝膠力學(xué)性能的變化規(guī)律，提出了超聲處理下結(jié)冷膠酸性凝膠的形成機(jī)理，如圖6所示。對于未超聲處理的結(jié)冷膠溶液而言，當(dāng)溫度較高時(高于凝膠溫度)，結(jié)冷膠分子鏈呈無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，隨著溫度的降低，結(jié)冷膠分子鏈發(fā)生聚集而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對超聲處理的結(jié)冷膠溶液而言，超聲處理溫度為55℃，高于結(jié)冷膠的凝膠溫度(0.01 g/mL結(jié)冷膠溶液的凝膠溫度約為33℃)，在該溫度下結(jié)冷膠分子鏈呈無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象，超聲處理使結(jié)冷膠分子鏈斷鏈，產(chǎn)生較多的結(jié)冷膠短鏈分子。溫度降低，結(jié)冷膠分子鏈聚集形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與未超聲處理體系相比，此時分子鏈間的纏結(jié)交聯(lián)點減少，產(chǎn)生較多短的懸掛鏈，凝膠結(jié)構(gòu)弱化，因此超聲處理后凝膠的斷裂應(yīng)力和楊氏模量降低。

2.3 凝膠的保水性

超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠保水性的影響如圖7所示，超聲功率增大，凝膠保水性降低，當(dāng)超聲功率超過500 W后，超聲功率對凝膠保水性幾乎無影響。這可能是因為超聲功率增大，凝膠結(jié)構(gòu)的致密度略有降低。隨著超聲時間延長，保水性先是略有增大，之后則略有降低，保水性在超聲時間為30 min時獲得最大值。文獻(xiàn)[25]認(rèn)為結(jié)冷膠酸性凝膠會形成均勻的海綿狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的孔隙大小和數(shù)量決定了凝膠樣品的保水性。根據(jù)上文提出的凝膠機(jī)理，隨著超聲時間的延長，形成的凝膠結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了較多的懸掛鏈，微孔結(jié)構(gòu)增多，保水性得到了一定程度的增強(qiáng)。文獻(xiàn)[26]發(fā)現(xiàn)一定條件的高強(qiáng)度超聲處理，會增強(qiáng)GDL誘導(dǎo)的大豆分離蛋白凝膠的保水性，與本文結(jié)果類似。

凝膠樣品的保水性隨著基體濃度的增加而逐漸增大，其變化規(guī)律與斷裂應(yīng)力和楊氏模量相似。結(jié)冷膠濃度越高，體系內(nèi)部形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密，離心時微觀結(jié)構(gòu)更難被破壞，保水性更大。酸性凝膠的保水性隨著GDL/LA質(zhì)量比的增大而減小，當(dāng)GDL/LA質(zhì)量比為4時，酸性凝膠保水性最小，這可能是因為此時酸性凝膠斷裂應(yīng)變最小，在受到較大離心力作用時，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更容易破壞，從而導(dǎo)致酸性凝膠的保水性降低。綜上所述，如果能合理控制超聲處理條件，可使結(jié)冷膠酸性凝膠獲得較好的持水能力。

2.4 凝膠的微觀結(jié)構(gòu)

圖8給出了超聲作用后結(jié)冷膠酸性凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，隨著基體濃度的升高，凝膠的結(jié)構(gòu)更為致密，這與上文對酸性凝膠力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和保水性的研究結(jié)果一致。超聲處理和酸化會使得凝膠形成海綿狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著超聲功率增大，凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中孔洞較多且較小，結(jié)構(gòu)變得不均勻，更不容易鎖住水分，凝膠強(qiáng)度也較低。超聲處理后結(jié)冷膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中會形成較多的小纖維束，這是因為超聲作用下結(jié)冷膠形成較多的短鏈，在形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時因無法與其他分子鏈之間形成有效的聯(lián)結(jié)，會以懸掛鏈的形式在孔洞的內(nèi)部形成細(xì)小纖維束微結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲功率為500 W和700 W時，細(xì)小纖維狀結(jié)構(gòu)非常明顯，小纖維束可以通過毛細(xì)管力將水束縛在凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這也說明了當(dāng)超聲功率超過500 W后凝膠保水性相差不大的原因。

3 結(jié)論

(1)超聲處理對結(jié)冷膠酸性凝膠凝膠特性影響顯著。斷裂應(yīng)變隨著超聲時間延長和超聲功率增加而逐漸增大，斷裂應(yīng)力和楊氏模量則隨著超聲時間延長和超聲功率增加而逐漸減小，說明超聲處理會使結(jié)冷膠酸性凝膠弱化。

(2)結(jié)冷膠濃度越高，不透明指數(shù)、斷裂應(yīng)力、楊氏模量和保水性越大，斷裂應(yīng)變則越小。GDL/LA質(zhì)量比越大，酸性凝膠的斷裂應(yīng)變和保水性越低，不透明指數(shù)越大。斷裂應(yīng)力、楊氏模量隨著GDL/LA質(zhì)量比的增大出現(xiàn)了先增大后降低的變化趨勢，當(dāng)GDL/LA質(zhì)量比為1時獲得最大值。

(3)超聲處理使得結(jié)冷膠分子鏈斷鏈，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成了細(xì)小的纖維束，適中的超聲處理時間(30 min)可以提高凝膠的保水性。

(4)超聲波處理技術(shù)可用于結(jié)冷膠改性，適當(dāng)?shù)某暡ㄌ幚砜筛纳平Y(jié)冷膠酸性凝膠的凝膠特性。