熱處理下不同有機(jī)酸對魔芋水溶膠流變行為的影響

唐蘭蘭，張世奇，劉雄*，王朦朦，蔡夢思，衛(wèi)子顏

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400715)2(嶺南師范學(xué)院 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 湛江，524048)

魔芋是天南星科草本植物，其主要活性成分為魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan，KGM)，是一種極易溶于水的天然高分子中性雜多糖[1]。研究表明，KGM具有良好的增稠、乳化、膠凝及流變等特性，并具有調(diào)節(jié)血糖血脂代謝、促進(jìn)腸道蠕動、降低膽固醇以及減肥益生等諸多生理功能，被廣泛用于食品保健和醫(yī)藥衛(wèi)生等領(lǐng)域[2-3]。其中，KGM的流變行為對于液體食品的增稠、持水與膠凝特性，以及貨架期與穩(wěn)定性評價(jià)有著非常關(guān)鍵的作用，其流變特性很大程度上決定了其水溶液的鏈構(gòu)象與理化特性，但其流變性能極易受溫度及酸堿環(huán)境因素影響，從而對食品品質(zhì)以及感官特性產(chǎn)生不同的影響[4]。因此，如何合理調(diào)控其流變特性，成為眾多研究者所關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

基于此，一些研究者[5]對KGM的流變特性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)KGM在溶液中的流變行為明顯受到酸堿度與溫度的影響，原因在于多糖的糖苷鍵對不同酸與熱處理?xiàng)l件的敏感性不同。如ZHANG等[6]發(fā)現(xiàn)熱誘導(dǎo)堿性條件下的KGM能使其脫乙?；瘡亩淖兤淞髯冃?，但會形成熱不可逆凝膠。同時(shí)，MA等[7]和ARANCIBIA等[8]發(fā)現(xiàn)酸或熱處理能夠促進(jìn)多糖大分子鏈的分散與解聚，增大分子間距離并減弱氫鍵作用力，提高其流變性，此外，酸處理還能使大分子結(jié)晶區(qū)的螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生部分水解和重排，從而影響其功能活性[9]。上述研究表明，不同的酸熱處理能夠更加合理地改變多糖的流變特性，并對其生理活性造成影響，那么是否可以通過不同有機(jī)酸與熱的協(xié)同作用對KGM進(jìn)行處理，從而達(dá)到合理控制其流變行為的目的，仍需要進(jìn)一步探究。KGM作為增稠劑、膳食纖維補(bǔ)充劑廣泛應(yīng)用于食品加工中，而食品中常添加有機(jī)酸調(diào)節(jié)食品的酸度和口感，改善殺菌條件等。因此，為了探究KGM的酸熱穩(wěn)定性及流變行為規(guī)律，實(shí)驗(yàn)選取了抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸作為酸處理劑，測定其在一定的熱處理下黏度、相對分子質(zhì)量、穩(wěn)態(tài)及動態(tài)流變學(xué)、傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)T-IR)以及掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)等指標(biāo)，綜合分析KGM水溶膠流變穩(wěn)定性的變化，以期豐富調(diào)節(jié)魔芋流變行為的方式及拓展其相關(guān)產(chǎn)品的高值化應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋微粉(純度>95%)，湖北十堰花仙子有限公司；檸檬酸、乳酸、抗壞血酸，蘋果酸，皆為分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FA2004A型電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司；RUPT-10型超純水處理系統(tǒng)，山東新瑞分析儀器有限公司；SHZ-88型水浴恒溫振蕩器，江蘇常州朗越儀器制造有限公司；NDJ-8S數(shù)顯黏度計(jì)，上海衡平儀器儀表廠；MCR 302流變儀，美國TA公司；Waters 2414凝膠滲透色譜儀(gel permeation chromatograph，GPC)，美國Waters公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 KGM水溶膠的制備

分別準(zhǔn)確稱取10 g/L的抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸加入到10 g/L KGM水溶膠中，充分?jǐn)嚢? min，將水溶膠置于搖床30 ℃，200 r/min充分振蕩1 h，再靜置1 h后取出，制備抗壞血酸組、乳酸組、蘋果酸組、檸檬酸組的KGM水溶膠溶液。然后，將上述4組水溶膠分為2等份分別進(jìn)行加熱和不加熱處理，同時(shí)稱取等量的蒸餾水代替有機(jī)酸進(jìn)行上述操作并進(jìn)行加熱和不加熱處理，作為空白對照。

1.3.2 黏度測定

將1.3.1制備好的各組KGM水溶膠，分別用NDJ-8S黏度計(jì)測定，選用4號轉(zhuǎn)子，12 r/min，平行測定6次。在重復(fù)性條件下，獲得的2次獨(dú)立測定結(jié)果的絕對差值不超過1 000 mPa·s。

1.3.3 相對分子質(zhì)量測定

采用GPC測定不同酸處理后KGM的相對分子質(zhì)量大小以及分布情況[10]。檢測條件：Ultra-hydrogel TM 500色譜柱(7.8 mm×300 mm)，柱溫：35 ℃，檢測器：30 ℃，進(jìn)樣體積20 μL，流速1 mL/min，流動相為超純水。樣品處理方法：精密稱取20 mg多糖，加10 mL超純水溶解后過0.22 μm濾膜，上機(jī)測定。

1.3.4 穩(wěn)態(tài)流變測定

使用MCR 302 TA型流變儀測定經(jīng)不同酸處理后的10 g/L KGM水溶膠在25 ℃下的流變曲線。測試條件：選用PP 25平板，加載間隙1 mm，剪切速率0.1～100 s-1，頻率f=1 Hz，平衡時(shí)間t=60 s；測試時(shí)在樣品周圍涂上1層二甲基硅油，防止樣品蒸發(fā)損失[11]。

1.3.5 動態(tài)流變測定

參照J(rèn)IAN等[12]的方法，并稍作修改。將10 g/L的各組水溶膠，預(yù)先進(jìn)行形變掃描以確定線性黏彈范圍。采用振蕩模式，設(shè)定頻率范圍1～100 rad/s，應(yīng)變2.0%，循環(huán)水浴控制溫度在(25.0±0.1) ℃，測定不同酸處理后KGM水溶膠的流變曲線。

1.3.6 FT-IR測定

參照SILVA等[13]的方法，并做一定修改。將經(jīng)過冷凍干燥后的不同酸處理組樣品，與干燥的KBr以質(zhì)量比1∶100混合研磨，然后置于FFIR儀下測定，以空氣為背景掃描，光譜掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32。

1.3.7 SEM測定

分別取適量真空凍干后的樣品，貼于導(dǎo)電膠上，經(jīng)過噴金處理，觀察不同酸處理后樣品的微觀形貌，所選放大倍數(shù)為250×、1 000×、3 000×。

1.3.8 數(shù)據(jù)分析與處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析，Origin 8.5作圖，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 黏度數(shù)據(jù)分析

由圖1可知，與對照組相比，4種有機(jī)酸熱處理KGM水溶膠后，其黏度值均有顯著下降，且抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸對KGM的黏度分別下降了55.20%、70.74%、77.66%、80.52%(P<0.05)。在熱處理環(huán)境下，檸檬酸因自身具有的三羧基及單羥基基團(tuán)，從而使得KGM的氫鍵更易被其破壞，導(dǎo)致該處理組黏度的顯著下降[14]。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明KGM水溶膠單獨(dú)在酸或熱處理的情況下，其黏度值變化不大，但在酸熱的協(xié)同作用下，其黏度值下降極為顯著。究其原因，可能是由于酸性環(huán)境會明顯影響KGM在水溶液中的鏈伸展行為[10]，實(shí)驗(yàn)中使用不同的有機(jī)酸電離產(chǎn)生了不同的酸環(huán)境，協(xié)同熱產(chǎn)生的分散溶脹作用，加劇了KGM水溶膠不同程度的解鏈與斷裂，從而表現(xiàn)出黏度值顯著下降的現(xiàn)象[6]。

圖1 不同有機(jī)酸處理KGM的黏度曲線Fig.1 The viscosity curve of KGM under different organic acids 注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 相對分子質(zhì)量及分布

由表1可知，4種有機(jī)酸熱處理的KGM與其對照組相比，各組相對分子質(zhì)量均變小，其中檸檬酸組對KGM水溶膠的熱穩(wěn)定性影響最為顯著，相對分子質(zhì)量下降98.07%，抗壞血酸影響最小，僅為35.67%。由于相對分子質(zhì)量的大小與物質(zhì)黏度的大小關(guān)系密切，而圖1結(jié)果也表明檸檬酸熱處理能顯著降低KGM水溶膠的黏度，其內(nèi)在的原因可能為檸檬酸的三級電離產(chǎn)生數(shù)量不等的H+離子協(xié)同熱處理，使得KGM的酸水解加劇，導(dǎo)致其相對分子質(zhì)量變小，此結(jié)果與圖1各有機(jī)酸組的黏度值變化趨勢較為吻合。此外，由檸檬酸處理下其多分散系數(shù)>2，這表明檸檬酸協(xié)同熱處理能夠顯著切斷其分子長鏈，使得KGM降解為低分子質(zhì)量小片段，從而導(dǎo)致其在溶液中的不均勻分散與低黏度行為[15-16]。

表1 不同有機(jī)酸熱處理后KGM的相對分子質(zhì)量以及分布Table 1 Relative molecular mass and distribution of KGM after different organic acid treatments

2.3 KGM水溶膠的穩(wěn)態(tài)流變曲線

由圖2所示，隨著剪切速率的不斷增大，4種有機(jī)酸熱處理后KGM水溶膠的表觀黏度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，而剪切應(yīng)力卻逐漸上升，表現(xiàn)出典型的剪切速率與表觀黏度呈負(fù)相關(guān)的非牛頓流體現(xiàn)象，這與先前的研究一致[17]。在同一剪切速率下，其表觀黏度及剪切應(yīng)力均表現(xiàn)為:檸檬酸<蘋果酸<乳酸<抗壞血酸，且在低剪切速率(0～10 s-1)下，KGM水溶膠黏度下降較為平緩，而在高剪切速率(50～100 s-1)下，其表觀黏度下降較為劇烈，其原因可能是由于低剪切速率下其分子結(jié)構(gòu)間的氫鍵及分子間作用力能夠抵抗低剪切力所帶來的結(jié)構(gòu)破壞作用，而在高剪切速率下，分子沿剪切方向流動，剪切破壞力大于分子間作用力，分子間鏈糾纏被破壞，且在酸熱體系下，其鏈間作用力被削弱，因此表現(xiàn)出較低的表觀黏度[18-19]。

由冪律方程tan?=KDn可知，相關(guān)系數(shù)r2在0.938 8～0.989 1，表明該方程能較好地?cái)M合該酸熱處理下KGM的流變曲線(表2)。KGM水溶膠經(jīng)酸熱處理后，其稠度系數(shù)K不斷變小，流動系數(shù)n不斷增大，其中以檸檬酸熱處理組的K值最小，n值最大，流體的假塑性最弱，表現(xiàn)出更類似于牛頓流體的性質(zhì)，這種弱化的剪切稀釋特性表明經(jīng)酸熱處理后KGM分子間的糾纏力逐漸變?nèi)酰佑欣趹?yīng)用于流動延展性強(qiáng)的食品及工業(yè)方面[20]。

a-表觀黏度；b-剪切應(yīng)力圖2 不同有機(jī)酸熱處理KGM水溶膠的流變曲線Fig.2 The rheological behavior curve of KGM under different organic acids with heat treatment

表2 不同有機(jī)酸熱處理KGM水溶膠的K值、n值 及相關(guān)系數(shù)r2Table 2 The K, n and r2 of KGM gel under different organic acids with heat treatment

2.4 KGM水溶膠的動態(tài)流變曲線

由圖3-a所示，4種有機(jī)酸熱處理下KGM水溶膠的儲能模量(G′)和耗能模量(G")均隨角頻率的增大而上升，其G′和G"曲線的交叉點(diǎn)從4.64 rad/s分別后移到29.3、29.3、39.8 rad/s，而檸檬酸熱處理后無交叉點(diǎn)，這暗示4種酸熱處理會使其微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分子鏈間的網(wǎng)絡(luò)糾纏減弱，從而引起其黏彈性力學(xué)性能發(fā)生轉(zhuǎn)變[21-22]。在低角頻率下，不同酸熱處理后其G″>G′，表現(xiàn)出類液體行為，原因可能為低頻下，分子鏈在振蕩過程中能解纏結(jié)，較易形成黏彈性液體，而在高角頻率下，G′ >G″，原因?yàn)楦哳l下分子鏈間弛豫時(shí)間較短，容易形成臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而其表現(xiàn)出類固體的行為[23]。

由圖3-b所示，4種有機(jī)酸熱處理后KGM水溶膠的損耗因子(G″/G′)隨角頻率的增大而下降，表明其在酸熱處理后，黏彈性能發(fā)生轉(zhuǎn)變[24]。角頻率為1～10 rad/s時(shí)，損耗因子隨角頻率增大明顯下降，且同一角頻率下排序?yàn)榭箟难?乳酸<蘋果酸<檸檬酸，以檸檬酸熱處理組影響最為明顯，此現(xiàn)象說明4種酸中尤其是檸檬酸，能夠有效減弱KGM熱溶膠的彈性而增強(qiáng)其黏性，使其在酸熱處理后表現(xiàn)為流動性更強(qiáng)的液體，該發(fā)現(xiàn)可用于改善KGM的延展性，解決相關(guān)產(chǎn)品的高黏稠度問題。

a-G′和G″曲線；b-損耗因子曲線圖3 不同有機(jī)酸熱處理KGM水溶膠的動態(tài)流變曲線Fig.3 The dynamic flow curve of KGM gel under different organic acids with heat treatment

2.5 KGM的FT-IR分析

圖4 不同有機(jī)酸熱處理下KGM的FT-IR圖Fig.4 The FT-IR spectra of KGM under different organic acids with heat treatment

2.6 KGM水溶膠SEM分析

4種有機(jī)酸熱處理后，KGM水溶膠的微觀形貌如圖5所示。未經(jīng)酸熱處理的KGM顯示出完整致密的片層薄壁結(jié)構(gòu)(圖5-a)，其分子內(nèi)摩擦力高，氫鍵作用力強(qiáng)，因而表現(xiàn)出極高的黏度與分子質(zhì)量[29]。僅加熱處理后其片層及鏈間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍基本保留(圖5-b)，而經(jīng)4種酸熱處理后，其微觀形貌明顯發(fā)生了不同程度的破壞。其中，抗壞血酸熱處理后，其分子鏈間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分發(fā)生斷裂，但整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仍較為完整(圖5-c)；乳酸熱處理后，其分子薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生皺縮與卷曲，且開始出現(xiàn)較大孔洞(圖5-d)；蘋果酸熱處理后，其出現(xiàn)大面積的蜂窩狀孔洞結(jié)構(gòu)，且孔洞大小不一(圖5-e)；而經(jīng)檸檬酸熱處理后，明顯可見其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)崩塌，導(dǎo)致表面片層結(jié)構(gòu)塌陷，且出現(xiàn)許多破碎無序的碎片，分子鏈間的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)已基本被破壞(圖5-f)。在熱處理下，抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸對其微觀形貌的破壞程度依次增大，這與其對黏度及流變行為的影響趨勢一致，其原因可能是4種酸的電離度差異產(chǎn)生不同的酸侵蝕環(huán)境，協(xié)同熱處理下的高速分子布朗運(yùn)動，分子間的氫鍵及糖苷鍵被破壞，使得長分子鏈解纏繞甚至斷裂，微觀表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)卷曲皺縮、蜂窩孔洞與破碎片段，因而極大地影響KGM高分子鏈在水溶液中的分布狀態(tài)[15]。

a-KGM；b-KGM-加熱；c-KGM-抗壞血酸；d-KGM-乳酸； e-KGM-蘋果酸；f-KGM-檸檬酸圖5 不同有機(jī)酸熱處理下KGM水溶膠的SEM圖Fig.5 SEM of KGM gel under different organic acids with heat treatment 注：數(shù)字1～3分別代表放大倍數(shù)為250、1 000、3 000

3 結(jié)果與討論

綜上，熱處理下4種有機(jī)酸對魔芋水溶膠的流變行為存在較為顯著的影響，但不會破壞其典型的非牛頓流體特性，這能極大地保留其基本的應(yīng)用特性。其中，抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸對KGM水溶膠流變特性的影響作用依次增強(qiáng)，這主要表現(xiàn)在經(jīng)酸熱處理后，其表觀黏度、G′及G″的明顯下降，相對分子質(zhì)量結(jié)果亦表明檸檬酸熱處理組的重均分子質(zhì)量(Mw)下降最為顯著(94.70%)。而FT-IR及SEM結(jié)果顯示，4種有機(jī)酸熱處理，能不同程度地破壞KGM分子鏈間的氫鍵及糖苷鍵，導(dǎo)致多糖片層薄壁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)蜂窩孔洞與無序破碎片段，但不會改變其一級主鏈結(jié)構(gòu)和重復(fù)單元結(jié)構(gòu)。因此，可根據(jù)KGM在熱處理下不同酸環(huán)境的流變特性，合理進(jìn)行調(diào)控利用，以達(dá)到改善其相關(guān)產(chǎn)品品質(zhì)，從而拓展其在酸性食品、航空化工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的深加工應(yīng)用。