氧化魔芋葡甘露聚糖對(duì)脫乙酰魔芋葡甘露聚糖凝膠特性的影響

范天琴,覃小麗,謝勇,陳朝軍,張甫生,張盛林,蔣學(xué)寬,劉雄*

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)2(銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,貴州 銅仁,554300) 3(西南大學(xué)魔芋研究中心,重慶,400715)4(重慶西大魔芋生物科技有限公司,重慶,400715)

多糖凝膠在食品質(zhì)量改進(jìn)、熱量控制和營(yíng)養(yǎng)改善等方面扮演著重要角色,因此在食品工業(yè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)是來(lái)自魔芋根莖的一種中性雜多糖,其在堿存在下加熱能脫除乙?；蔁岵豢赡婺z,但該凝膠的顏色褐變嚴(yán)重且具有堿的苦澀味[1]。當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn),脫乙酰魔芋葡甘露聚糖(deacetylated konjac glucomannan,DKGM)在一定脫乙酰度和濃度下經(jīng)加熱可自聚集形成凝膠,與加堿凝膠相比,其顏色和風(fēng)味能得到改善。但是DKGM的吸水性、溶解性和黏稠性隨脫乙酰度的增加而降低,這將對(duì)DKGM的益生性和所制備凝膠的品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[2]。氧化魔芋葡甘露聚糖(oxidized konjac glucomannan,OKGM)是KGM氧化降解的產(chǎn)物,具有醛基或羧基等親水基團(tuán),能制備溶脹率高、吸水性強(qiáng)的醫(yī)用敷料水凝膠,且其較小的分子質(zhì)量還能在凝膠網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮填充作用以增強(qiáng)凝膠性能[3]。本實(shí)驗(yàn)室采用微波-臭氧法制備的OKGM解決了化學(xué)氧化試劑殘留的問(wèn)題,具有綠色安全性,能滿足健康食品的要求[4]。田紅媚等[5]將該OKGM 應(yīng)用于面制品中,發(fā)現(xiàn)其可提高面粉的吸水率、增強(qiáng)貯藏期間面包的保水性和抑制有害微生物的生長(zhǎng)繁殖。不過(guò)當(dāng)前探究OKGM對(duì)DKGM凝膠特性影響的研究還未有報(bào)道。

鑒于OKGM對(duì)DKGM功能活性和性質(zhì)上可能存在的潛在互補(bǔ)性[6],本實(shí)驗(yàn)將兩者共混并通過(guò)分析檢測(cè)復(fù)合凝膠的持水性、凝膠強(qiáng)度、凍融穩(wěn)定性、溶脹率、質(zhì)構(gòu)特性、流變學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu),探討不同氧化程度的OKGM對(duì)DKGM凝膠性能的影響,以期為OKGM在凝膠食品中的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

純化魔芋精粉(純度>95%),湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

FL-815Y臭氧消毒機(jī),深圳市飛立電器科技有限公司;XH-300B微波超聲波組合催化/合成萃取儀,北京祥鴿科技發(fā)展有限公司;TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀,英國(guó)Stable Micro Systems公司;DHR-1流變儀,美國(guó)TA公司;LGJ-10型冷凍干燥機(jī),北京松源華興科技有限公司;AXTG16G型離心機(jī),鹽城市安信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;Spectrum100紅外光譜儀,美國(guó)Perking Elmer公司;Phenom Pro掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 DKGM的制備和脫乙酰度測(cè)定

參考官孝瑤等[7]的方法并稍作修改。將含有12 g KGM和360 mL 30%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液的混合體系在50 ℃下攪拌30 min,然后加入26 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液繼續(xù)攪拌30 min進(jìn)行脫乙酰反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后經(jīng)梯度乙醇溶液(50%、75%、95%和100%,體積分?jǐn)?shù))脫水,最后真空冷凍干燥得到DKGM。按XIAO等[8]的方法測(cè)得該DKGM的脫乙酰度為66.81%。

1.3.2 OKGM的制備和分子質(zhì)量測(cè)定

根據(jù)LI等[4]的方法并稍作修改。準(zhǔn)確稱取3.0 g KGM均勻分散至裝有300 mL蒸餾水的三口燒瓶中,30 ℃水浴1 h。設(shè)置微波功率500 W,恒定溫度65 ℃,同時(shí)通入臭氧(15 g/h),處理一定時(shí)間得到懸浮液,將其醇沉后真空冷凍干燥12 h,粉碎研磨后得到OKGM粉末。根據(jù)處理時(shí)間0、30、60、90、120 min分別標(biāo)記樣品為K、O-30、O-60、O-90和O-120。同時(shí)根據(jù)LI等[4]的方法測(cè)得K、O-30、O-60、O-90和O-120的分子質(zhì)量分別為1.78×106、1.48×105、2.60×104、1.28×104、1.06×104Da。

1.3.3 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的制備

準(zhǔn)確稱取3.60 g DKGM和0.40 g OKGM,將兩者同時(shí)緩慢倒進(jìn)裝有96 mL蒸餾水的燒杯中,攪拌至均勻分散后在50 ℃水浴中溶脹1 h,然后再90 ℃加熱2 h,最后冷卻至室溫得到DKGM-OKGM復(fù)合凝膠備用。將添加K、O-30、O-60、O-90、O-120的復(fù)合凝膠分別命名為D-K、D-O-30、D-O-60、D-O-90、D-O-120。以不添加OKGM的凝膠作為空白并命名為D。

1.3.4 白度

參考HOU等[9]的方法并稍作修改。將3 cm厚的凝膠樣品置于白色A4紙上,儀器經(jīng)白板校正后測(cè)定色澤參數(shù)(L*、a*、b*值)。根據(jù)公式(1)計(jì)算白度值(W):

(1)

1.3.5 凝膠強(qiáng)度

參考楊悅等[10]的方法并稍作修改。選擇質(zhì)構(gòu)分析(texture profile analysis,TPA)壓縮模式,P/0.5探頭,設(shè)置測(cè)前速度:1.5 mm/s,測(cè)中和測(cè)后速度:1 mm/s,壓縮距離為10 mm。

1.3.6 持水性

參考范盛玉等[11]的方法并稍作修改。將復(fù)合凝膠樣品切成3 mm×3 mm×3 mm大小的均勻顆粒,稱取1.0 g樣品于離心管中,12 000 r/min離心20 min,結(jié)束后用濾紙拭干外部水分并稱重。根據(jù)公式(2)計(jì)算持水力:

(2)

式中:m1,離心前樣品質(zhì)量,g;m2,離心后樣品質(zhì)量,g。

1.3.7 溶脹率

參考YANG等[12]的方法并稍作修改。稱取3.0 g復(fù)合凝膠樣品放入裝有50 mL磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L,pH 7.0)的離心管中,于25 ℃溶脹24 h后取出,拭干表面水分后稱重。根據(jù)公式(3)計(jì)算溶脹率:

(3)

式中:m1,溶脹前復(fù)合凝膠的質(zhì)量,g;m2,溶脹后復(fù)合凝膠的質(zhì)量,g。

1.3.8 凍融穩(wěn)定性

根據(jù)凍融循環(huán)期間凝膠的脫水收縮率來(lái)確定凍融穩(wěn)定性。稱取15.0 g凝膠樣品于離心管中,然后在-18 ℃下冷凍22 h后于30 ℃水浴解凍2 h算作一個(gè)循環(huán),最多循環(huán)5次,然后樣品以3 000 r/min離心10 min,拭干樣品表面水分后稱重[12]。根據(jù)公式(4)計(jì)算脫水率:

(4)

式中:m0,空離心管的質(zhì)量,g;mn,離心前凝膠質(zhì)量,g;mn′,離心后凝膠的質(zhì)量,g;n,凍融循環(huán)的次數(shù)。

1.3.9 質(zhì)構(gòu)

參考TONG等[13]的方法稍作修改。選擇TPA模式,P/0.5探頭,設(shè)置測(cè)試速度1 mm/s,壓縮形變50%,觸發(fā)力5 g。

1.3.10 動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性

動(dòng)態(tài)流變測(cè)定選擇PP25平板,平板間隙2 mm,應(yīng)變?yōu)?.6%,加載樣品后去除平板邊緣多余樣品,再沿平板邊緣涂抹二甲基硅油,防止試驗(yàn)過(guò)程中水分蒸發(fā)[10]。

頻率掃描:設(shè)定溫度25 ℃,平衡2 min后在0.1～100 rad/s角頻率下進(jìn)行掃描,觀察樣品儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)對(duì)頻率的依賴性。

溫度掃描:設(shè)置溫度從25 ℃升至90 ℃,升溫速率為5 ℃/min,監(jiān)測(cè)樣品G′和G″隨溫度變化的趨勢(shì)。

1.3.11 紅外光譜分析

將冷凍干燥的凝膠樣品研磨并過(guò)200目篩,取適量樣品進(jìn)行測(cè)定,以空氣為背景掃描,設(shè)置光譜掃描范圍為4 000～600 cm-1,分辨率為32 cm-1[14]。

1.3.12 掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察

取0.5 cm厚的冷凍干燥凝膠樣品,在載樣臺(tái)上固定并噴金進(jìn)行觀測(cè),記錄放大倍數(shù)為300的圖像[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用SPSS 26.0對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,Origin 2021b作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 表觀形態(tài)及白度

圖1-a顯示了DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的表觀形態(tài)。單一DKGM凝膠和添加OKGM的復(fù)合凝膠均形成了形態(tài)完整、表面光滑、質(zhì)地緊實(shí)的白色固體凝膠。圖1-b顯示了DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的白度。各凝膠組的白度在13.86～9.68,添加OKGM的復(fù)合凝膠與D組凝膠相比白度顯著降低,說(shuō)明OKGM對(duì)DKGM凝膠的顏色略有不利影響。

2.2 凝膠強(qiáng)度

凝膠強(qiáng)度取決于物質(zhì)的分子質(zhì)量和它們之間的相互作用[16]。如圖2所示,與D組相比,D-K和D-O-30組的凝膠強(qiáng)度分別減小15.12、8.44 g/cm2。這一方面可能是因?yàn)镵GM和O-30分子較大的分子質(zhì)量會(huì)妨礙體系中規(guī)整有序的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成;另一方面可能是因?yàn)镵GM分子和O-30分子上乙酰基產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)會(huì)阻礙DKGM分子之間的纏結(jié)聚集,破壞體系中的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度減弱[17-18]。D-O-60、D-O-90和D-O-120組的凝膠強(qiáng)度分別為155.56、154.11、156.49 g/cm2,均高于D組凝膠。這一方面可能歸因于O-60、O-90和O-120分子能利用其分子質(zhì)量小的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮填充作用以增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密性;另一方面可能歸因于O-60、O-90和O-120分子上的乙?；鶖?shù)量少,產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)弱,分子鏈的有序性增大,與DKGM分子糾纏聚集的機(jī)率增加,從而有利于形成穩(wěn)定的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)[19-20]。

圖2 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度Fig.2 Gel strength of DKGM-OKGM composite gels

2.3 持水性

如圖3所示,各組復(fù)合凝膠的持水性均在98%以上,相互之間沒(méi)有顯著性差異,都表現(xiàn)出優(yōu)良的持水性。許多研究都表明凝膠強(qiáng)度對(duì)凝膠的持水性有著密切的影響[10,12],但具有低凝膠強(qiáng)度的D-K組凝膠的持水性卻與其他凝膠沒(méi)有差別,這可能是因?yàn)镵GM本身結(jié)合水的能力強(qiáng)[21]。

圖3 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的持水性Fig.3 Water holding capacity of DKGM-OKGM composite gels

2.4 溶脹率

凝膠的溶脹率受凝膠物質(zhì)的親水性和疏水性等固有性質(zhì)的影響[3]。如圖4所示, D組的溶脹率為15.96%,低于其余凝膠組,這可能是由于去除部分乙酰基后的DKGM疏水性增強(qiáng)[20]。D-K組的溶脹率為28.20%,高于其余凝膠組,這可能是由于KGM本身具有較強(qiáng)的親水性[21],能促使凝膠對(duì)緩沖液的吸收,從而提高凝膠的溶脹率。D-O-30、D-O-60、D-O-90和D-O-120組的溶脹率介于D組和D-K組之間,這是由于OKGM分子上減少的乙?；鶖?shù)量和增加的羧基親水基團(tuán)共同作用的結(jié)果[4]。

圖4 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的溶脹率Fig.4 Swelling capacity of DKGM-OKGM composite gels

2.5 凍融穩(wěn)定性

如圖5所示,所有凝膠樣品的脫水率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加,表明凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被逐漸破壞。這是由于在凍融循環(huán)過(guò)程中形成或再生的冰晶會(huì)刺穿或損壞初始凝膠網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生大的孔洞[12]。與D組相比,OKGM降低了復(fù)合凝膠的脫水率,說(shuō)明OKGM能增強(qiáng)凝膠的凍融穩(wěn)定性。其中,D-O-120組和D-K組的凍融穩(wěn)定性最好。對(duì)于D-O-120組凝膠來(lái)說(shuō),這歸因于O-120的分子質(zhì)量低,在體系中具有可忽略的空間位阻,從而易與冰晶結(jié)合并限制冰晶在某些方向上的生長(zhǎng)[22]。對(duì)于D-K組凝膠而言,這可能是因?yàn)镵GM分子鏈上的大量羥基通過(guò)氫鍵與水分子結(jié)合,從而減少了復(fù)合凝膠在凍融循環(huán)過(guò)程中的水分流失[21]。

圖5 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的凍融穩(wěn)定性Fig.5 Freeze-thaw stability of DKGM-OKGM composite gels

2.6 質(zhì)構(gòu)特性

質(zhì)構(gòu)特性能從多個(gè)維度對(duì)凝膠品質(zhì)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。硬度是指在牙齒之間或舌與顎之間壓縮樣品所用的力[10]。如表1所示,添加OKGM能降低凝膠的硬度,并在D-O-30組獲得最小硬度值(292.18 g)。彈性可用于模擬樣品在齒間壓縮后恢復(fù)到原來(lái)形狀的程度[23]。從表1可知,D-K組的彈性為0.92,與D組的彈性沒(méi)有顯著性差異;D-O-30、D-O-60、D-O-90和D-O-120組的彈性分別為0.98、097、0.98、0.97,各組彈性相互之間沒(méi)有顯著性差異,但是都顯著高于D組凝膠,說(shuō)明適度氧化的OKGM可以增強(qiáng)DKGM凝膠的彈性。內(nèi)聚性可用于模擬食物被牙齒咀嚼之前的壓縮程度,能反映樣品內(nèi)部的緊密程度[23]。從表1可以看出,OKGM凝膠的內(nèi)聚性隨OKGM氧化程度的增加而增大,并在D-O-120組獲得最大內(nèi)聚性,說(shuō)明OKGM對(duì)凝膠內(nèi)部緊密程度具有調(diào)節(jié)作用。咀嚼性是指為抵抗來(lái)自食物的持續(xù)彈性阻力而費(fèi)力咀嚼其至可吞咽時(shí)所需的能量[15]。D-O-30組的咀嚼性比D組減小了84.04,表現(xiàn)出顯著性差異;D-O-120組的咀嚼性與D組相比沒(méi)有顯著性差異,說(shuō)明OKGM的氧化程度對(duì)DKGM凝膠的咀嚼性具有很大影響。綜上,說(shuō)明可以通過(guò)控制OKGM氧化程度來(lái)調(diào)節(jié)DKGM凝膠的硬度、咀嚼性等質(zhì)構(gòu)特性,為開(kāi)發(fā)硬度適宜,利于咀嚼吞咽的相關(guān)食品提供參考。

表1 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)特性Table 1 Texture characteristics of DKGM-OKGM composite gels

2.7 流變學(xué)特性

儲(chǔ)能模量(G′)又稱彈性模量,反映聚合物的彈性和類固體性質(zhì)。損耗模量(G″)又稱黏性模量,反映聚合物的黏性和類液體性質(zhì)[24]。圖6-a表示在25 ℃下,各凝膠組的G′和G″對(duì)角頻率的依賴性。在整個(gè)角頻率范圍內(nèi),各凝膠組的G′均大于G″,在體系中處于主導(dǎo)地位,凝膠表現(xiàn)出典型的類固體性質(zhì)[25]。隨著頻率的增加,所有凝膠的G′和G″均快速增大,強(qiáng)烈的頻率依賴性說(shuō)明所有凝膠均是由非共價(jià)鍵相互作用形成的弱物理凝膠[26]。同一角頻率下,隨著OKGM氧化程度的增加,G′和G″均減小,說(shuō)明OKGM的氧化程度對(duì)DKGM凝膠的彈性有較大影響。凝膠黏彈性下降的原因可能是因?yàn)镺KGM分子的分子質(zhì)量隨氧化程度加劇而減小,使得它們伸展后僅有較短的自由線鏈用于凝膠纏結(jié)[17]。

a-角頻率掃描;b-溫度圖6 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的動(dòng)態(tài)流變曲線Fig.6 The dynamic flow curve of DKGM-OKGM composite gels

如圖6-b所示,在25～90 ℃內(nèi)對(duì)各凝膠樣品進(jìn)行溫度掃描,進(jìn)而探究凝膠G′和G″的溫度依賴性。在整個(gè)溫度范圍內(nèi),所有凝膠的G′和G″均隨溫度的升高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。這是由于溫度從25 ℃緩慢升高時(shí),凝膠分子鏈之間的氫鍵被破壞,同時(shí)又不足以產(chǎn)生強(qiáng)烈交聯(lián),因此導(dǎo)致G′和G″先逐漸減小;升至較高溫度時(shí),分子鏈的運(yùn)動(dòng)加劇,疏水相互作用增強(qiáng),形成更多的纏結(jié),從而引起G′和G″急劇增加[14]。在整個(gè)溫度范圍內(nèi),各凝膠組之間也存在明顯不同。OKGM的加入使得各凝膠組的G′在加熱過(guò)程中獲得最小值時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度增大,說(shuō)明OKGM的加入能促進(jìn)凝膠中氫鍵的形成,這可能是因?yàn)榉肿由弦阴；鶖?shù)量的差異[27]。

2.8 紅外光譜分析

圖7 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的紅外光譜圖Fig.7 The infrared spectroscopy of DKGM-OKGM composite gels

2.9 SEM分析

采用SEM觀察不同氧化程度OKGM對(duì)DKGM凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果如圖8所示。各組凝膠的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均呈排列良好的帶孔三維片層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并表現(xiàn)出多孔和疏松的狀態(tài)。相較于D組凝膠、D-K組和D-O-30組的凝膠片層結(jié)構(gòu)之間的間隙增大,同時(shí)還產(chǎn)生一些較大的空腔,這可能是由于低氧化程度的OKGM分子質(zhì)量相對(duì)更大,會(huì)破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)的有序性[18]。D-O-60、D-O-90和D-O-120組的凝膠片層結(jié)構(gòu)之間的距離縮短,片層內(nèi)孔洞尺寸減小且分布更均勻。這既是因?yàn)楦哐趸潭鹊腛KGM分子的分子質(zhì)量小,在凝膠網(wǎng)絡(luò)中能起到填充作用,也是因?yàn)楦哐趸潭鹊腛KGM分子上減少的乙?；蓽p弱分子間和分子內(nèi)的空間位阻效應(yīng),促進(jìn)分子間的締合,使得凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更致密有序[24]。各凝膠組的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異又反過(guò)來(lái)對(duì)凝膠強(qiáng)度(圖2)產(chǎn)生一定影響。

圖8 DKGM-OKGM復(fù)合凝膠的SEM圖(300×)Fig.8 SEM of DKGM-OKGM composite gels(300×)

3 結(jié)論

本研究通過(guò)凝膠持水性、質(zhì)構(gòu)、流變特性、紅外光譜等指標(biāo)表征了不同氧化程度OKGM與DKGM復(fù)合凝膠的性質(zhì)。研究表明,與空白組相比,OKGM能降低凝膠的白度,提高其溶脹率和凍融穩(wěn)定性;OKGM能降低凝膠的硬度,D組和D-K組的彈性高于其余組,D-O-30組的咀嚼性最小;D-O-60、D-O-90和D-O-120組的凝膠強(qiáng)度顯著提高;流變特性表明復(fù)合凝膠屬于弱凝膠。上述結(jié)果說(shuō)明OKGM可改善DKGM的凝膠特性。紅外光譜及SEM分析表明,復(fù)合凝膠特性的改善與OKGM改變了體系中氫鍵的作用強(qiáng)度和凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的片層距離及孔洞大小有關(guān)。綜上,可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要,選擇不同氧化程度的OKGM對(duì)DKGM凝膠的性能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。