劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽(yáng)

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建福州 350108)

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瓊脂凝膠強(qiáng)度及弛豫特性的研究

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽(yáng)*

(福州大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,福建福州 350108)

借助低場(chǎng)核磁共振儀及質(zhì)構(gòu)儀,探討影響瓊脂凝膠強(qiáng)度及弛豫特性的因素,并分析其凝膠機(jī)理。結(jié)果表明:瓊脂凝膠強(qiáng)度隨著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大;pH為6.0～7.0是瓊脂凝膠形成最適條件;適當(dāng)添加量的氯化鉀、木糖醇、蔗糖可增大瓊脂凝膠強(qiáng)度,分別在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%、9%和6%時(shí)效果最佳;適當(dāng)比例的魔芋膠、卡拉膠和刺槐豆膠可與瓊脂產(chǎn)生協(xié)同增效作用,分別在其所在比例為15%、5%、10%時(shí)與瓊脂產(chǎn)生協(xié)同增效作用最強(qiáng);氯化鈣、氯化鈉和β-環(huán)狀糊精則阻礙凝膠的形成,降低瓊脂凝膠強(qiáng)度。瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23均與凝膠強(qiáng)度存在極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān),即凝膠中水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

瓊脂,弛豫時(shí)間T23,凝膠強(qiáng)度

瓊脂(Agar)又稱瓊膠,是由石花菜及其他紅藻植物提取出來(lái)的一種經(jīng)濟(jì)藻膠[1]。瓊脂具有良好的膠凝、穩(wěn)定、增稠和懸浮性,廣泛應(yīng)用于食品、生物工程、日用化工、醫(yī)藥等許多方面[2],但瓊脂存在脆性大、透明度低、粘彈性差、易發(fā)生脫液收縮等缺點(diǎn),已有研究表明,可通過(guò)加入其他食品膠、電解質(zhì)等改善其品質(zhì)[3-6],因此研究瓊脂凝膠強(qiáng)度的影響因素及其凝膠機(jī)理對(duì)改善瓊脂凝膠品質(zhì)具有重要意義。

瓊脂由中性瓊脂糖(Agarose)和酸性瓊脂膠(Agaropectin)組成[7],瓊脂糖為凝膠組分,而瓊脂膠為非凝膠組分。瓊脂糖的結(jié)構(gòu)如圖1a[8]所示:由D-半乳糖和3,6-脫水-L-半乳糖組成的直鏈,其直鏈通過(guò)氫鍵相互作用形成雙螺旋結(jié)構(gòu),每個(gè)結(jié)構(gòu)單元中存在四個(gè)羥基,其中三個(gè)向外的羥基可通過(guò)氫鍵與任何相鄰的螺旋或溶劑結(jié)合,最后一個(gè)羥基在螺旋內(nèi)部并通過(guò)氫鍵與螺旋內(nèi)的水分子結(jié)合[8-12]。瓊脂溶液在冷卻后其雙螺旋結(jié)構(gòu)形成三維網(wǎng)狀的凝膠結(jié)構(gòu),如圖1b所示,分散液體鑲嵌在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空隙之中,且部分水分子能與瓊脂中的疏水主鏈通過(guò)氫鍵結(jié)合,形成瓊脂聚合物[13]。因此,水是凝膠的主要成分之一,其結(jié)合狀態(tài)是影響凝膠性能的重要因素[14-15]。核磁共振技術(shù)可通過(guò)測(cè)定氫核的縱向弛豫時(shí)間T1和橫向弛豫時(shí)間T2表征樣品中水分分布、結(jié)合狀態(tài)和遷移率,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品研究中[16-20],但目前用于瓊脂凝膠的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。

圖1 瓊脂糖與瓊脂凝膠結(jié)構(gòu)[8]Fig.1 Agarose and agar gel structure[8]

本文借助低場(chǎng)核磁共振儀及質(zhì)構(gòu)儀探究瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、電解質(zhì)、甜味劑、食品膠對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度及弛豫特性的影響,并分析其凝膠機(jī)理,為進(jìn)一步改善瓊脂凝膠的品質(zhì)及瓊脂的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

石花菜 產(chǎn)自山東青島,去雜質(zhì)、洗凈后烘干備用;氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀 均為分析純;卡拉膠、刺槐豆膠、魔芋膠、刺槐豆膠、食用堿、蔗糖、木糖醇、檸檬酸 均為食品級(jí)。

LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫(yī)療器械廠;BC/BD-217CH冷柜 河南新飛電器有限公司;BS110S電子天平 賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;TA-XT plus質(zhì)構(gòu)儀 Stable Micro Systems;HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋 國(guó)華電器有限公司;MJ-25PM01B美的攪拌機(jī) 廣東美的精品電器制造有限公司;FD5-2.5真空冷凍干燥機(jī) 美國(guó)SIM公司;JSM-7500F掃描電子顯微鏡 日本電子(JEOL);MINI NMR核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 瓊脂粉制備

1.2.1.1 工藝流程 稱取石花菜→提膠→過(guò)濾→凝膠→冷凍→脫水→烘干→粉碎→冷卻至恒重[21]。

1.2.1.2 操作要點(diǎn) 提膠:將稱量好的石花菜置于1 L的錐形瓶中,按料液比1∶36加入蒸餾水置于110 ℃的壓力蒸汽滅菌鍋中保溫36 min。

過(guò)濾:趁熱將提取的膠液用4層紗布過(guò)濾,100 ℃水洗滌3次。

凝膠:讓濾液冷卻至室溫后,自動(dòng)形成凝膠。

冷凍:于-18 ℃冰箱中冷凍成冰。

脫水:將凍結(jié)的瓊脂置于室溫中解凍脫水。

烘干:將脫水后的瓊脂,在53 ℃的恒溫鼓風(fēng)烘箱中烘干。

粉碎:粉碎機(jī)粉碎，過(guò)80目篩。

冷卻至恒重:瓊脂粉于干燥器中冷卻干燥,每隔2 h稱量,直至兩次稱量結(jié)果之差小于0.01 g。

1.2.2 膠液制備 稱取1.000 g瓊脂粉于錐形瓶中,加入蒸餾水至100.0 g,用保鮮膜封口后置于92 ℃恒溫水浴中溶解,再用熱蒸餾水補(bǔ)充總質(zhì)量至100.0 g,攪拌均勻備用[22]。

改變膠液制備條件,按上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[14]。

固定溶劑pH為7.0,電解質(zhì)與甜味劑添加量為0.0%,改變總膠質(zhì)量分?jǐn)?shù):分別添加0.6%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的瓊脂粉。

固定電解質(zhì)與甜味劑添加量為0,瓊膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,改變?nèi)軇﹑H:用檸檬酸及食用堿分別將蒸餾水的pH調(diào)至3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0。

固定溶劑pH為7.0,甜味劑添加量為0.0%,瓊膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,改變電解質(zhì)添加量:分別添加0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.6%、0.8%的氯化鈉,氯化鉀、氯化鈣同。

固定溶劑pH為7.0,電解質(zhì)添加量為0.0%,瓊膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,改變甜味劑添加量:分別添加0、0.5%、1.0%、3.0%、6.0%、9.0%、12.0%的木糖醇,蔗糖同。

固定溶劑pH為7.0,電解質(zhì)與甜味劑添加量為0,總膠(瓊膠+其他食品膠)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,改變其他食品膠所占比例:改變魔芋膠添加量占總膠的比例為:0、5%、10%、15%、20%、25%、30%,再稱取瓊脂粉至總膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%,刺槐豆膠、卡拉膠、β-環(huán)狀糊精同。

1.2.3 瓊脂的凝膠強(qiáng)度測(cè)定 稱取10.000 g膠液趁熱倒入底面積為4 cm2的10 mL燒杯中,每個(gè)樣品平行三次,于室溫中放置過(guò)夜,測(cè)定前置于25 ℃水浴鍋中1 h,將膠完整取出在質(zhì)構(gòu)儀上測(cè)定其質(zhì)構(gòu)特性。測(cè)定模式為T(mén)PA模式,探頭型號(hào)為SMS P/36,測(cè)試前速率1 mm/s,測(cè)試速率為0.5 mm/s,測(cè)試后速率為0.5 mm/s,停留時(shí)間3 s,觸發(fā)力3 g,測(cè)定距離10.00 mm[23]。

1.2.4 瓊脂的核磁共振分析實(shí)驗(yàn) 稱取約3.000 g膠液放入玻璃試管(口徑18 mm),每個(gè)樣品平行三次,放置過(guò)夜,測(cè)定前置于25 ℃水浴鍋中1 h,而后將樣品管置于NMR探頭中(保持溫度32 ℃),使用CPMG序列測(cè)試橫向弛豫時(shí)間T2,其中接收機(jī)帶寬SW=100 kHz,采樣起始點(diǎn)控制參數(shù)RFD=0.080 ms,重復(fù)采樣時(shí)間間隔TW=6500.000 ms,模擬增益RG1=20.0 db,90°和180°脈寬分別是P90=18 μs,P180=36 μs,時(shí)延DL1=0.050,采樣點(diǎn)數(shù)TD=15555.8,數(shù)字增益DRG1=3,數(shù)據(jù)半徑DR=1,累加掃描次數(shù)NS=16,回波個(gè)數(shù)NECH=1500[16]。實(shí)驗(yàn)取3份平行,每份平行測(cè)3次。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 利用SPSS 22.0軟件進(jìn)行顯著性及相關(guān)性分析,其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Excel軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 瓊脂凝膠的低場(chǎng)核磁共振分析

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓊脂凝膠的橫向弛豫時(shí)間分布圖見(jiàn)圖2。

圖2 瓊脂凝膠的橫向弛豫時(shí)間分布Fig. 2 T2 distribution of agar gel

橫坐標(biāo)橫向弛豫時(shí)間T2,表征水分的流動(dòng)性,T2值越小代表此種水分的流動(dòng)性越弱。縱坐標(biāo)質(zhì)子密度M2,表征的是對(duì)應(yīng)弛豫時(shí)間下的水分含量[24]。如圖2所示,瓊脂三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中存在3種流動(dòng)性不同的水分,其中T21(6.09～7.79 ms)最小,這部分水流動(dòng)性最弱,被認(rèn)為是間接與大分子結(jié)合并直接與強(qiáng)結(jié)合水以氫鍵結(jié)合的弱結(jié)合水層[25]。T22(71.66～150.17 ms)與T23(169.87～402.66 ms)較T21更大,屬于與水分結(jié)合較不緊密的水,流動(dòng)性較強(qiáng)。在瓊脂三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中T23組分的水含量最大,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨各因素的變化最明顯,因此T23為本次的研究重點(diǎn)。

2.2 瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的影響

圖3 瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)與凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between agar mass fraction and gel strength,relaxation time T23注:不同字母代表差異顯著(p<0.05),圖2～圖7同。

由圖3可知,當(dāng)瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí),隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,瓊脂凝膠強(qiáng)度顯著(p<0.05)增大;當(dāng)瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.0%時(shí),瓊脂凝膠強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。由圖還可知,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23隨著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而顯著(p<0.05)下降,下降趨勢(shì)在瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.0%時(shí)開(kāi)始變緩。說(shuō)明隨著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,其凝膠中水分流動(dòng)性逐漸降低,即持水性越來(lái)越好。這可能是因?yàn)殡S著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,瓊脂溶液中雙螺旋結(jié)構(gòu)增加,分子間相互纏結(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)隨之增加,三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)結(jié)合更加緊密,與水相互結(jié)合的位點(diǎn)也隨之增加,因此凝膠中水分流動(dòng)性變?nèi)醵z強(qiáng)度變大;當(dāng)瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí),瓊脂溶液中雙螺旋結(jié)構(gòu)趨于飽和,使凝膠中水分流動(dòng)性下降趨勢(shì)及凝膠強(qiáng)度增大趨勢(shì)變緩[8-13,15]。

如表1所示,瓊脂凝膠的凝膠弛豫時(shí)間T23與凝膠強(qiáng)度呈極顯著(p<0.01)的負(fù)相關(guān)性,表明隨著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化,凝膠中水分的物理狀態(tài)與凝膠強(qiáng)度具有極顯著的相關(guān)性,即瓊脂凝膠中的水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

表1 瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的凝膠弛豫時(shí)間T23與強(qiáng)度相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis between gel relaxation time T23 and gel strength

注:“*”表示顯著(p<0.05);“**”表示極顯著(p<0.01),表2～表5同。

2.3 pH對(duì)凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的影響

圖4可知,瓊脂凝膠強(qiáng)度隨著pH增大呈先增大后減小的趨勢(shì),在pH為6.0～7.0時(shí),凝膠強(qiáng)度在最高的水平,而pH<4.5或pH>7.0時(shí),凝膠強(qiáng)度取得較小值。由圖4可知,隨著pH的增大,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23呈先下降后上升趨勢(shì)。在pH為6.0～7.0時(shí),弛豫時(shí)間T23取得最小值,說(shuō)明此時(shí)凝膠中水的流動(dòng)性最弱。這可能是因?yàn)樵趐H<4.5或pH>7.0的溶液不利于雙螺旋結(jié)構(gòu)的羥基與相鄰的螺旋或水分子進(jìn)行氫鍵結(jié)合,因此凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更疏松,水分子流動(dòng)性變大,凝膠強(qiáng)度下降[8,15]。綜上可知,pH為6.0～7.0時(shí)是瓊脂凝膠形成最適條件,pH<4.5或pH>7.0的條件均不利于瓊脂凝膠的形成。

圖4 pH與凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between pH and gel strength,relaxation time T23

如表2所示,瓊脂凝膠的凝膠弛豫時(shí)間T23與凝膠強(qiáng)度呈極顯著(p<0.01)的負(fù)相關(guān)性,表明隨著pH的變化,凝膠中水分的物理狀態(tài)與凝膠強(qiáng)度具有極顯著的相關(guān)性,即瓊脂凝膠中的水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

表2 不同pH瓊脂凝膠弛豫時(shí)間T23與強(qiáng)度相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between gel relaxation time T23 and gel strength at different pH

2.4 電解質(zhì)對(duì)凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的影響

圖5a可知,瓊脂凝膠強(qiáng)度隨著氯化鈉和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈下降趨勢(shì);隨著氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈先上升后下降趨勢(shì),且在氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%時(shí)凝膠強(qiáng)度取得最高水平。

圖5 電解質(zhì)與凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between electrolyte and gel strength,relaxation time T23

由圖5b可知,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23隨著氯化鈉和氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢(shì);隨著氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈先下降后上升趨勢(shì),在氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%時(shí)取得最小水平。表明隨著氯化鈣和氯化鈉添加量的增加,凝膠中水分子流動(dòng)性越來(lái)越大,而隨著氯化鉀添加量增加,凝膠中的水分子流動(dòng)性先變小后增大,在氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%時(shí)水分子流動(dòng)性最小。這可能是因?yàn)殡x子與水產(chǎn)生的偶極-離子相互作用有關(guān),鈉離子產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)與氯離子產(chǎn)生的弱電場(chǎng),分別與水分子產(chǎn)生較強(qiáng)的偶極-離子相互作用,且其作用超過(guò)了它們對(duì)水與水之間氫鍵結(jié)合的破壞,使水分子較緊密地堆積在離子周圍[8,15],而減少了水分子與凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的羥基結(jié)合,因此三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中水分子流動(dòng)性變大。氯化鈣對(duì)瓊脂凝膠影響與氯化鈉相似,但因其產(chǎn)生電場(chǎng)比氯化鈉更強(qiáng),所以在其作用下,水分子流動(dòng)性變化更大。而氯化鉀中,因氯離子與鉀離子均產(chǎn)生弱電場(chǎng),與水分子偶極-離子相互作用不足以彌補(bǔ)它破壞的水與水之間的氫鍵結(jié)構(gòu),所以在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),這種破壞有利于水與三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中的羥基結(jié)合而使整個(gè)三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中水分子的流動(dòng)性變小,隨著離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,水分子與三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中羥基結(jié)合達(dá)到飽和,而離子對(duì)水與水之間氫鍵結(jié)合破壞越來(lái)越大,因此水分子流動(dòng)性開(kāi)始逐漸上升。此外,也有研究者認(rèn)為是鈉離子與鈣離子的存在使分子間的斥力下降,分子伸展程度降低,形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)數(shù)減少,使凝膠結(jié)構(gòu)松散[5]。

由表3可知,添加不同的電解質(zhì),瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23與凝膠強(qiáng)度均呈極顯著(p<0.01)的負(fù)相關(guān)性,表明凝膠中水分的物理狀態(tài)與凝膠強(qiáng)度具有極顯著的相關(guān)性,即瓊脂凝膠中的水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

表3 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解質(zhì)的瓊脂凝膠的 弛豫時(shí)間T23與強(qiáng)度相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at at different mass fraction of electrolyte

2.5 甜味劑對(duì)凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的影響

圖6 甜味劑與凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between sweeteners and gel strength,relaxation time T23

由圖6a可知,瓊脂凝膠強(qiáng)度隨著甜味劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先上升后下降趨勢(shì),添加木糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、3%、6%、9%時(shí),瓊脂凝膠強(qiáng)度分別較未添加時(shí)增大22.7%、25.3%、29.5%、55.3%、63.3%;添加蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、3%、6%,9%時(shí),凝膠強(qiáng)度分別增大11.8%、17.9%、16.2%、30.5%、-12.2%。由此可知,在添加木糖醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%時(shí),凝膠強(qiáng)度增大幅度最大,為63.3%;在添加蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí),瓊脂凝膠強(qiáng)度增大幅度取得最大值為30.5%,且在添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí),添加木糖醇的瓊脂凝膠強(qiáng)度增大幅度大于添加蔗糖的瓊脂凝膠強(qiáng)度的增幅。

由圖6b可知,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23隨著木糖醇或蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先下降后上升趨勢(shì),木糖醇和蔗糖添加量分別在9%和6%時(shí),凝膠的弛豫時(shí)間T23取得最小值。表明隨著木糖醇或蔗糖添加量的增加,水分流動(dòng)性先變小后變大,且木糖醇和蔗糖添加量分別在9%和6%時(shí),水分流動(dòng)性最弱。這可能是因?yàn)檎崽桥c木糖醇均為親水分子,能與水分子或三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)中的羥基進(jìn)行氫鍵結(jié)合,因此少量的蔗糖或木糖的添加能使三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)結(jié)合更緊密,水分流動(dòng)性變?nèi)鮗4,15]。但隨著蔗糖或木糖醇添加量增大,水分流動(dòng)性到達(dá)最低值后開(kāi)始逐漸上升,這可能是因?yàn)槟咎谴蓟蛘崽琴|(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定值時(shí),開(kāi)始與瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)的三個(gè)外向的羥基結(jié)合,阻礙了雙螺旋結(jié)構(gòu)交聯(lián),導(dǎo)致三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)松散,水分流動(dòng)性開(kāi)始變大,且隨著糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大,阻礙作用越強(qiáng),水分流動(dòng)性逐漸上升[4,8-12]。

由表4可知,隨著甜味劑添加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23與凝膠強(qiáng)度均呈極顯著(p<0.01)的負(fù)相關(guān)性,表明凝膠中水分的物理狀態(tài)與凝膠強(qiáng)度具有極顯著的相關(guān)性,即瓊脂凝膠中的水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

表4 添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)甜味劑的 瓊脂凝膠弛豫時(shí)間T23與強(qiáng)度相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at different mass fraction of sweeteners

2.6 食品膠對(duì)凝膠強(qiáng)度、弛豫時(shí)間T23的影響

由圖7a可知,隨著魔芋膠、刺槐豆膠、卡拉膠所占比例增大,瓊脂凝膠強(qiáng)度呈先上升后下降趨勢(shì),且凝膠強(qiáng)度的增幅分別在魔芋膠、刺槐豆膠、卡拉膠所占比例為15%、10%、5%時(shí)取得最大值，分別為46.7%、34.3%、25.7%;隨著β-環(huán)狀糊精所占比例增大,瓊脂凝膠強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢(shì)。

由圖7b可知,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23隨著魔芋膠、卡拉膠、刺槐豆膠所占比例的增大呈先下降后上升趨勢(shì),且弛豫時(shí)間T23分別在魔芋膠、刺槐豆膠、卡拉膠所占比例為15%、10%、5%時(shí)取得最小值,而瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23隨著β-環(huán)狀糊精所占比例的增大呈逐漸上升趨勢(shì)。表明隨著魔芋膠、卡拉膠、刺槐豆膠所占比例的增大,水分流動(dòng)性先變小后變大,而β-環(huán)狀糊精所占比例的增大使水分流動(dòng)性逐漸變大。這可能是因?yàn)槟в竽z是由甘露聚糖和葡萄糖以β-1,4鍵鍵合的高分子量非離子型甘露聚糖,它能與瓊脂的雙螺旋結(jié)構(gòu)相互作用,形成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu);卡拉膠具有類似瓊脂的雙螺旋結(jié)構(gòu),加入少量的卡拉膠可與瓊脂發(fā)生協(xié)同增效作用,共同形成更加緊密的三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu);刺槐豆膠分子由具有很長(zhǎng)的光滑區(qū)與具有半乳糖鏈的毛發(fā)區(qū)組成,光滑區(qū)能與瓊脂的雙螺旋相互作用,形成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)。因此加入適當(dāng)比例的魔芋膠、卡拉膠、刺槐豆膠可與瓊脂發(fā)生協(xié)同增效作用,促進(jìn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成,減小水分流動(dòng)性,但超過(guò)一定比例則會(huì)阻礙三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)的形成,增大水分流動(dòng)性[4-6,15]。β-環(huán)狀糊精是由7個(gè)葡萄糖殘基以β-1,4-糖苷鍵結(jié)合構(gòu)成的環(huán)狀物,不能參與瓊脂分子形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),阻礙了瓊脂凝膠結(jié)構(gòu)的形成,導(dǎo)致瓊脂凝膠結(jié)構(gòu)更加松散,因此水分子流動(dòng)性隨著β-環(huán)狀糊精所占比例的上升而增大[4,15]。

圖7 其他食品膠所占比例與凝膠強(qiáng)度、 弛豫時(shí)間T23的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between food gum and gel strength,relaxation time T23

由表5可知,隨著其他食品膠所占比例不同,瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23與凝膠強(qiáng)度均呈極顯著(p<0.01)的負(fù)相關(guān)性,即瓊脂凝膠中的水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

表5 添加不同比例其他食品膠的 瓊脂凝膠弛豫時(shí)間T23與強(qiáng)度相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at different mass fraction of food gum

3 結(jié)論

本文借助低場(chǎng)核磁共振及質(zhì)構(gòu)儀探究瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)、pH、3種電解質(zhì)、2種甜味劑、4種食品膠對(duì)瓊脂凝膠強(qiáng)度及弛豫特性的影響,并分析其凝膠機(jī)理。結(jié)果表明:瓊脂的凝膠強(qiáng)度值隨著瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大;pH為6.0～7.0是瓊脂凝膠形成最適條件,pH<4.5或pH>7.0的條件均不利于瓊脂凝膠的形成;適當(dāng)添加量的氯化鉀、木糖醇、蔗糖可有效增大瓊脂凝膠強(qiáng)度,分別在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.3%、9%和6%時(shí)效果最佳;適當(dāng)比例的魔芋膠、卡拉膠和刺槐豆膠可與瓊脂產(chǎn)生協(xié)同增效作用,分別在其所在比例為15%、5%、10%時(shí)與瓊脂產(chǎn)生協(xié)同增效作用最強(qiáng);氯化鈣、氯化鈉和β-環(huán)狀糊精則阻礙凝膠的形成,降低瓊脂凝膠強(qiáng)度。研究結(jié)果中瓊脂凝膠的弛豫時(shí)間T23均與凝膠強(qiáng)度存在極顯著(p<0.01)負(fù)相關(guān),表明凝膠的水分子物理狀態(tài)與凝膠強(qiáng)度存在極顯著相關(guān),既凝膠中水分流動(dòng)性越小,凝膠強(qiáng)度越大。

[1]張淑平. 海藻利用與食品膠體[M]. 北京:水利水電出版社,2009.

[2]李琴梅,戚勃. 瓊膠的物化特性及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)食品添加劑,2009(6):148-152.

[3]李婷,梁琪,蔣玉梅. 不同因素對(duì)瓊膠三元復(fù)配凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,46(6):145-149.

[4]趙謀明,王妙春. 瓊脂與電解質(zhì),食品膠之間相互作用的研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè),1995(1):1-7.

[5]張莉,許加超,薛長(zhǎng)湖,等. 瓊脂流變學(xué)性質(zhì)和膠凝性質(zhì)的研究[J]. 中國(guó)海洋藥物,2009,28(2):11-17.

[6]馬云,楊玉玲,楊震,等. 瓊脂凝膠質(zhì)構(gòu)特性的研究[J]. 食品與發(fā)酵工業(yè),2007,33(9):24-27.

[7]問(wèn)莉莉. 高品質(zhì)瓊膠的制備及其穩(wěn)定性研究[D]. 湛江:廣東海洋大學(xué),2013.

[8]Arnott S,Fulmer A,Scott W E,et al. The agarose double helix and its function in agarose gel structure[J]. Journal of Molecular Biology,1974,90(2):269-284.

[9]Labropoulos K C,Niesz D E,Danforth S C,et al. Dynamic rheology of agar gels:theory and experiments. Part I. Development of a rheological model[J]. Carbohydrate Polymers,2002,50(4):393-406.

[10]Andrasko J. Water in agarose gels studied by nuclear magnetic resonance relaxation in the rotating frame[J]. Biophysical Journal,1975,15(12):1235-1243.

[11]Imeson A P,Humphreys W. Thickening and Gelling Agents for Food[M]. Blackie Academic & Professional,1997.

[12]Davies E,Huang Y,Harper J B,et al. Dynamics of water in agar gels studied using low and high resolution 1 H NMR spectroscopy[J]. International Journal of Food Science & Technology,2010,45(45):2502-2507.

[13]蘇生顯,許永安. 紅藻膠的理化特性及應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2013(10):279-280.

[14]李丹,林向陽(yáng),吳佳,等. 魔芋卡拉復(fù)配膠的低場(chǎng)核磁和質(zhì)構(gòu)特性研究[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā),2016,37(4):221-224.

[15]王璋,許時(shí)嬰,湯堅(jiān). 食品化學(xué)[M]. 北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2011.

[16]李妍,林向陽(yáng),葉南慧,等. 利用核磁共振技術(shù)研究海帶面團(tuán)面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過(guò)程[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào),2014,14(12):39-48.

[17]顧小紅,任璐,陳尚衛(wèi),等. 核磁共振技術(shù)在食品研究中的應(yīng)用[J]. 食品工業(yè)科技,2005,26(9):189-191.

[18]周凝,劉寶林,王欣. 核磁共振技術(shù)在食品分析檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 食品工業(yè)科技,2011(1):325-329.

[19]陳衛(wèi)江,林向陽(yáng),阮榕生,等. 核磁共振技術(shù)無(wú)損快速評(píng)價(jià)食品水分的研究[J]. 食品研究與開(kāi)發(fā),2006,27(4):125-127.

[20]彭樹(shù)美,林向陽(yáng),阮榕生,等. 核磁共振及成像技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 食品科學(xué),2008,29(11):712-716.

[21]劉施琳,朱豐,林圣楠,等. 響應(yīng)面優(yōu)化石花菜瓊膠提取工藝[J]. 食品工業(yè)科技,2016,37(22):296-299,304.

[22]戚勃,楊賢慶,李來(lái)好,等. 冷堿處理?xiàng)l件與龍須菜瓊脂強(qiáng)度的關(guān)系[J]. 食品科學(xué),2009,30(22):23-26.

[23]宋哲,汪蘭,何會(huì),等. 不同生長(zhǎng)期蓮藕淀粉的凝膠特性、熱重與核磁共振測(cè)定[J]. 食品科學(xué),2009,30(23):105-109.

[24]寧年英,林向陽(yáng),林婉瑜,等.利用低場(chǎng)核磁共振研究擂潰過(guò)程對(duì)鮮豬肉糜持水性的影響[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2013,13(2):50-58.

[25]李妍,林向陽(yáng),吳佳,等. 利用核磁共振技術(shù)監(jiān)測(cè)海帶濕面貯藏品質(zhì)[J]. 中國(guó)食品學(xué)報(bào),2015,15(5):254-260.

Research of strength and relaxation properties of agar gel

LIU Shi-lin,ZHU Feng,LIN Sheng-nan,HUANG Jin-cheng,LI Tian-jiao,WANG Hong-li,LIN Xiang-yang*

(College of Biological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

With the low-field NMR and texture analyzer,the factors influencing the strength and relaxation properties of agar gel were discussed,and the gel mechanism was analyzed. The results suggested that:with the increase of agar mass fraction,agar gel strength was increased. When the pH was 6.0～7.0,gel showed the best strength. Potassium chloride,xylitol,sucrose could improve agar gel strength to some extent. Especially,the mass fraction of 0.2%～0.3%,9% and 6% showed the maximum strength of agar gel. Appropriate proportion of konjac gum,locust bean gum and carrageenan could generate synergies with agar,and generated the strongest synergies in their respective proportion of 15%,5% and 10%. Calcium chloride,sodium chloride,andβ-cyclodextrin hindered the formation of the gel,and reduced agar gel strength. The results indicated that the agar gel relaxation time T23and gel strength significantly(p<0.01)negatively correlated. In other word,the smaller the water mobility was in the gel,the greater the gel strength was.

agar;relaxation time T23;gel strength

2016-12-29

劉施琳(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：水產(chǎn)品加工及貯藏工程，E-mail：954857051@qq.com。

*通訊作者:林向陽(yáng)(1969-)，男，博士，教授，研究方向：生物質(zhì)資源化，E-mail:925400384@qq.com。

福建省新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃課題(SW2007-20)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)13-0085-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.016