傅玉穎,蘇歡歡,陳國文,李肖蒙,張 超,李貞鵬,李 媛
(1. 浙江工商大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,杭州 310018;2. 浙江工商大學(xué)杭州商學(xué)院,杭州 310018)
復(fù)配凝膠主要是通過兩種或兩種以上天然高分子材料(如多糖、蛋白質(zhì)、淀粉等)混合形成的,具有改善單一凝膠的不足、擴(kuò)大使用范圍、降低成本、改善流變學(xué)特性及調(diào)控食品質(zhì)構(gòu)等特點(diǎn)[1]。目前關(guān)于復(fù)配凝膠的研究主要集中于不可逆凝膠,其廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品、凝膠類食品、冷飲等食品工業(yè)中[2]。不可逆凝膠豐富了食品的類型及口感,擴(kuò)展了凝膠在食品中的應(yīng)用,在食品中有巨大的應(yīng)用價(jià)值。此外,食品工業(yè)中還存在一類凝膠強(qiáng)度較弱的熱可逆凝膠,可通過調(diào)控其溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度,實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)配凝膠體系流動(dòng)狀態(tài)的調(diào)控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)食品“入口即化”特性的設(shè)計(jì),進(jìn)一步擴(kuò)展凝膠在食品中的應(yīng)用。
黃原膠和魔芋葡甘聚糖是食品中常見的添加劑,在單獨(dú)存在的情況下均不能形成凝膠,但二者具有良好的協(xié)同增效作用,復(fù)配能夠形成熱可逆凝膠[3]。黃原膠(Xanthan Gum)是由β-1,4糖苷鍵連接D-葡萄糖所形成的一種胞外多糖[4],每一個(gè)葡萄糖上都有一個(gè)三糖側(cè)鏈,側(cè)鏈內(nèi)部的甘露糖可被乙?;?,末端的甘露糖可被丙酮化[5-6]。XG 由于較好的增稠性和穩(wěn)定性被應(yīng)用于果汁飲料中的增稠劑、穩(wěn)定劑等[7]。魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan)是由D-甘露糖和D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接而成的[8],從魔芋屬植物的塊莖中提取出來的高分子多糖[9-10],具有良好的成膜性、增稠性等,同時(shí)KGM 由于不含熱量、不被吸收等特點(diǎn)被應(yīng)用于肉制品添加劑及人類預(yù)防肥胖的膳食纖維制品中[11-12]。
近年來,已有很多關(guān)于XG/KGM復(fù)配凝膠及其機(jī)理的研究,如XG/KGM主要是通過XG的雙螺旋結(jié)構(gòu)和KGM的半乳葡甘聚糖相互作用實(shí)現(xiàn)的[13],因此復(fù)配凝膠的凝膠強(qiáng)度會(huì)受到XG和KGM的分子結(jié)構(gòu)、比例及鹽離子等的影響,如KGM與XG復(fù)配比例不同時(shí),所得凝膠的強(qiáng)度不同,當(dāng)質(zhì)量比為3∶7時(shí)凝膠強(qiáng)度最大[14-15];加入鹽離子會(huì)破壞XG/KGM復(fù)配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得凝膠的儲(chǔ)能模量下降,凝膠強(qiáng)度減弱[16]。Brownsey等[17]通過X-射線衍射研究發(fā)現(xiàn)XG/KGM分子之間主要通過氫鍵形成凝膠網(wǎng)絡(luò),因此影響氫鍵形成的因素都會(huì)對(duì)復(fù)配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,如KGM分子上乙?;拿摮?,會(huì)增強(qiáng)其與 XG 的凝膠強(qiáng)度[18];同時(shí)XG側(cè)鏈末端也存在兩個(gè)重要取代基:丙酮酸基和乙?;吆枯^少,但對(duì)XG的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及流變特性有很大的影響[19-20],進(jìn)而會(huì)影響XG與KGM復(fù)配的協(xié)同方式及復(fù)配體系的穩(wěn)定性。脫除XG分子上的乙?;鶗?huì)使得XG/KGM復(fù)配體系的穩(wěn)定性增強(qiáng),這可能是由于XG上乙酰基的存在抑制了分子間氫鍵,從而抑制了其與半乳甘露聚糖的相互作用,降低了XG/KGM復(fù)配凝膠的穩(wěn)定性[21]。同時(shí)丙酮酸基的存在也會(huì)影響XG/KGM復(fù)配凝膠的結(jié)構(gòu),這主要是因?yàn)楸峄拇嬖谠黾恿薠G支鏈長(zhǎng)度以及產(chǎn)生靜電屏蔽,使得 XG 螺旋結(jié)構(gòu)松弛[22],與KGM的結(jié)合位點(diǎn)增多,兩者形成的復(fù)配體系的穩(wěn)定性強(qiáng)。Agoub等[23]研究了商業(yè)黃原膠和無丙酮酸基黃原膠在酸性條件下與魔芋葡甘聚糖復(fù)合凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度隨pH值的變化及兩者的區(qū)別,表明當(dāng)pH值為4時(shí),兩者形成的復(fù)配凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度相同,這可能是由于在酸性條件下,黃原膠中丙酮酸基大量流失,復(fù)配凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度受到影響?;诖耍P者希望通過調(diào)控 XG 中丙酮酸基的含量來降低XG/KGM復(fù)配體系的溶膠-凝膠溫度,進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)“入口即化”效果復(fù)配凝膠體系的設(shè)計(jì)提供可能,以期拓寬以XG/KGM為代表的可逆性凝膠體系在食品工業(yè)中的應(yīng)用。
本研究通過酸性熱處理調(diào)控XG中丙酮酸基含量,研究其對(duì)XG流變特性的影響,進(jìn)一步深入研究XG/KGM熱可逆凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度及流變特性隨丙酮酸基含量變化的變化,擴(kuò)展了凝膠在食品中的應(yīng)用范圍,為添加 XG/KGM 復(fù)配凝膠食品的生產(chǎn)提供實(shí)踐指導(dǎo)。
黃原膠(食品膠)購買于山東阜豐發(fā)酵有限公司;魔芋葡甘聚糖(純度94%)購買于上海北連生物科技有限公司;鹽酸、無水碳酸鈉、4-二甲基苯肼、乙酸乙酯(以上試劑均為分析純)。
1.2.1 樣品制備及表征
1)脫丙酮酸基黃原膠樣品的制備
采用酸性熱處理法脫除黃原膠中的丙酮酸基,參照Abbaszadeh等[24]的方法稍做改動(dòng),用0.1 mol/L(含0.1 mol/L NaCl)的鹽酸在80、85、90、95、98 ℃下加熱2.5 h,調(diào)pH值(以含有黃原膠的0.1 mol/L NaCl溶液的pH值為標(biāo)準(zhǔn))來制備不同丙酮酸基含量的黃原膠,將不同溫度下制備的黃原膠記為XG1、XG2、XG3、XG4、XG5,未處理的黃原膠樣品記為XG0。參照國標(biāo)GB1886.41-2015[25]并稍作改動(dòng)測(cè)定黃原膠中丙酮酸基的含量如表1。
表1 黃原膠樣品中丙酮酸基含量Table 1 The content of pyruvic group in xanthan gum samples
2)傅里葉紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
將不同程度脫丙酮酸基的黃原膠按質(zhì)量比1∶100與溴化鉀充分混合后加到研缽中,沿一個(gè)方向研磨,壓片機(jī)壓制后放于樣品槽中,在波長(zhǎng)為400~4 000 cm-1下進(jìn)行紅外的掃描,次數(shù)為16次,對(duì)其進(jìn)行光譜分析(光譜分辨率為4 cm-1),檢測(cè)丙酮酸基含量對(duì)黃原膠結(jié)構(gòu)的影響。
3)核磁共振(1H Nuclear Magnetic Resonance)
取一定量的XG5樣品,溶解在氧化氘中,得到質(zhì)量濃度為5 g/L的混合液,吸取0.5 mL至核磁管中,90 ℃下進(jìn)行(400 MHz)核磁掃描測(cè)試。
1.2.2 黃原膠流變測(cè)試
黃原膠與冷去離子水按1:200的質(zhì)量比混合,磁力攪拌使其完全溶解,得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的樣品液,通過流變儀 MCR302來測(cè)試黃原膠的流變特性(轉(zhuǎn)子PP-50,直徑為50 mm,間隙為1 mm),
1)穩(wěn)態(tài)剪切:取一定量的樣品于流變儀平板上,流變溫度設(shè)定為25 ℃,剪切速率設(shè)為0.1~100 s-1(對(duì)數(shù)方式增加)記錄剪切速率對(duì)其表觀黏度的影響。
2)不同脫丙酮酸程度的黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度的測(cè)定:取一定量的樣品溶液于平板上,在20 ℃下平衡5 min,測(cè)定黃原膠在不同程度脫丙酮酸基下儲(chǔ)能模量隨溫度的變化(在平板周圍涂抹一層硅油防止水分蒸發(fā))。溫度設(shè)定:20 ℃→90 ℃→20 ℃(溫度變化梯度為2 ℃/min)。
1.2.3 XG/KGM復(fù)配凝膠的制備及流變測(cè)試
1)復(fù)配凝膠的制備
在85℃下,將分別溶于去離子水(濃度為0.5 g/mL)的黃原膠(XG0、XG1、XG2、XG3、XG4、XG5)與魔芋葡甘聚糖(KGM)按照1∶1(質(zhì)量比)下進(jìn)行混合并攪拌30 min以充分混合,在25 ℃下冷卻形成凝膠。
2)復(fù)配凝膠的流變測(cè)試
復(fù)配凝膠流變特性均采用MCR302進(jìn)行測(cè)試(轉(zhuǎn)子選擇及參數(shù)設(shè)定與1.2.2節(jié)處的相同),試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)流變學(xué)的測(cè)試均在其線性黏彈區(qū)內(nèi),每組測(cè)試均做3次平行(在平板周圍涂一層硅油防止水分蒸發(fā))。
穩(wěn)態(tài)掃描:T=60 ℃,t=5 min,剪切速率0.1~300 s-1。
式中σ為剪切應(yīng)力,Pa;K為稠度系數(shù);γ為剪切速率,s-1;n為流動(dòng)冪律指數(shù)。
頻率掃描:T=25 ℃,平衡時(shí)間=5 min,頻率0.1~100 rad/s(應(yīng)變?chǔ)?1%以確保在線性黏彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行)。
溫度掃描:以20 ℃→90 ℃→20 ℃的過程進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試過程中升降溫的速度均為2 ℃/min(平衡時(shí)間為5 min),掃描參數(shù)設(shè)定:點(diǎn)的讀取1 ℃/點(diǎn),ε=1%,頻率 1 Hz(以確保在線性黏彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行)。
為減少試驗(yàn)誤差,所有試驗(yàn)做3次平行,并對(duì)其結(jié)果利用IBM SPSS22 軟件進(jìn)行方差分析,檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性,置信區(qū)間為95%(P<0.05),利用Origin2018軟件作圖。
2.1.1 FTIR、1H-NMR表征
黃原膠的結(jié)構(gòu)表征見圖1,黃原膠中的丙酮酸基和乙?;?C=O特征峰出現(xiàn)的位置分別為1 726.50和1 617.74 cm-1,圖1a表明在脫除XG 中丙酮酸基的過程中,1 726.50 cm-1處的特征峰消失,說明丙酮酸基幾乎完全脫除:此外,3 400 cm-1處由-OH伸縮振動(dòng)引起的特征峰逐漸增大,這主要是因?yàn)樵诿摮峄倪^程中,黃原膠分子內(nèi)氫鍵作用增強(qiáng)[22]。1H-NMR中乙酰基和丙酮酸基的化學(xué)位移分別為2.0和1.5[26]。從圖1b可以看出,XG5的特征峰在2處未發(fā)生變化,而在1.5處的特征峰卻消失了,再次證明在XG5的樣品中丙酮酸基幾乎完全脫除。
2.1.2 穩(wěn)態(tài)剪切
不同程度脫丙酮酸基黃原膠樣品的穩(wěn)態(tài)剪切黏度如圖2所示。從圖中可以看出,黏度值在小范圍剪切速率內(nèi)的變化較小且趨向于直線,表明在較小的剪切范圍內(nèi),樣品近似于牛頓流體。但表觀黏度對(duì)丙酮酸基的依賴性較大,不同程度脫除丙酮酸基后黃原膠的黏度整體下降。這主要是由于在丙酮酸基脫除的過程中,黃原膠側(cè)鏈上所帶負(fù)電荷產(chǎn)生的靜電屏蔽現(xiàn)象逐漸消失,分子內(nèi)的氫鍵作用增強(qiáng),使黃原膠的螺旋結(jié)構(gòu)更加緊湊,但黃原膠分子間氫鍵作用減弱,似固性減弱,逐漸呈現(xiàn)流體的特性。
2.1.3 黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度測(cè)定
圖3顯示了黃原膠構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度受丙酮酸基含量變化的影響。隨著丙酮酸基的不斷脫除,黃原膠儲(chǔ)能模量G′急劇變化的溫度逐漸升高,表明其構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度逐漸增大,這與Mengmeng等[27]的研究結(jié)果一致。主要是因?yàn)楸峄呢?fù)電荷產(chǎn)生了一定的靜電屏蔽,從而抑制了黃原膠側(cè)鏈和主鏈之間的纏繞折疊,丙酮酸基脫除后,黃原膠分子內(nèi)作用力增強(qiáng),螺旋結(jié)構(gòu)緊密,但其分子間氫鍵作用減弱,儲(chǔ)能模量G′急劇變化的溫度升高,有序無序轉(zhuǎn)換溫度升高。
2.2.1 穩(wěn)態(tài)剪切掃描
XG/KGM復(fù)配凝膠在室溫下以半固體狀的形態(tài)存在,凝膠結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,流動(dòng)性弱。圖4給出了60 ℃下,不同程度脫除丙酮酸基的XG與KGM復(fù)配體系的穩(wěn)態(tài)剪切掃描。從圖中可以看出,復(fù)配體系的黏度隨剪切速率的增加而減小,呈現(xiàn)假塑性流體特性[28]。XG/KGM共混體系的表觀黏度在剪切速率不變的情況下,隨丙酮酸基含量的減少而逐漸降低,其對(duì)剪切速率的依賴性也隨之減小,這主要是因?yàn)閄G側(cè)鏈上的靜電排斥力減小,螺旋構(gòu)象發(fā)生收縮,導(dǎo)致其與魔芋葡甘聚糖的接觸部位變少,兩者之間的相互作用力減弱,在剪切方向上的內(nèi)摩擦減小,趨向牛頓流體。
表2顯示不同程度脫丙酮酸基的XG/KGM復(fù)配體系在60 ℃的冪律方程的參數(shù)。K表示液體的內(nèi)摩擦;流態(tài)特征指數(shù)用n表示,Kele?o?lu 等[29]提出可以用n與1的關(guān)系來表示流體是否趨向于牛頓流體,當(dāng)n=1時(shí),為理想牛頓流體;當(dāng)n>1時(shí),表觀黏度隨剪切速率的增加而增大,呈現(xiàn)脹塑性流體的特征;當(dāng)n<1時(shí),流體為假塑性流體;同時(shí)n值越小,假塑性越大。由表2可知,n值隨黃原膠中丙酮酸基含量的減少逐漸增大,當(dāng)黃原膠脫除一定丙酮酸基后,復(fù)配體系n值達(dá)到最大,此時(shí)K值達(dá)到最小,趨向于理想牛頓流體,復(fù)配體系的黏度達(dá)到最小。
表2 XG/KGM 復(fù)配體系在60 ℃下的穩(wěn)態(tài)剪切黏度冪律模型參數(shù)Table 2 Power law parameters of steady-state shear viscosity for XG/KGM compound gels at 60℃
2.2.2 頻率掃描
在流變學(xué)試驗(yàn)中,動(dòng)態(tài)黏彈性與物質(zhì)本身的性質(zhì)密切相關(guān),它可以在一定程度上表征物質(zhì)之間的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),往往與食品加工性質(zhì)有關(guān)。儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″常被用來代表一個(gè)黏彈性多糖變形時(shí)彈性和黏性的大小[30]。圖5a顯示角頻率對(duì)不同程度脫丙酮酸基黃原膠與魔芋葡甘聚糖復(fù)配后形成的凝膠的G′和G″的影響。從圖中可以看出G′對(duì)角頻率的依賴性較小,即XG/KGM復(fù)配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,流動(dòng)性降低。但XG/KGM復(fù)配體系的儲(chǔ)能模量G′隨丙酮酸基的脫除逐漸減小,這可能是因?yàn)楸峄摮?,使得黃原膠分子內(nèi)氫鍵作用增強(qiáng),螺旋結(jié)構(gòu)緊密,與魔芋葡甘聚糖的接觸部位減少,復(fù)配體系的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減低,G′逐漸減小。
小振蕩試驗(yàn)中損耗因子的正切值tanδ(G″/G′)值小于1,G′>G″,物質(zhì)表現(xiàn)出似固性;tanδ值大于1,物質(zhì)處于流動(dòng)狀態(tài)[31]。圖5b顯示了角頻率對(duì)復(fù)配體系tanδ的影響,表明復(fù)配體系的tanδ值均小于1,呈現(xiàn)固體特征,隨著角頻率的增大,tanδ先減小后增大,而圖5a顯示G′值幾乎不變,而G″隨著剪切速率的增大緩慢增加,說明tanδ值的變化主要是G″變化引起。表3 表明復(fù)配體系的n*值均小于1,屬于非牛頓流體。與表2中n值相比較,n*<<n,主要原因是:由于溫度升高,復(fù)配凝膠的分子間作用力減小,逐漸趨向于假塑性流體;但n*與n隨黃原膠丙酮酸基含量減少的整體變化趨勢(shì)相同,均增大,復(fù)配體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性減弱。
表3 XG/KGM復(fù)配體系的黏度冪律模型在25 ℃下的回歸參數(shù)Table 3 Regression parameters of viscosity power law model for XG/KGM complex gels at 25 ℃
2.2.3 XG/KGM復(fù)配體系溶膠-凝膠的溫度掃描
由圖6a可以看出復(fù)配凝膠的彈性模量G′隨溫度的降低逐漸增大,并在20 ℃時(shí)達(dá)到最大,這主要是因?yàn)榉肿娱g的運(yùn)動(dòng)隨溫度的升高而加快,氫鍵被破壞,使得凝膠發(fā)生了相轉(zhuǎn)換,因而G′急劇增大[32]。這里我們定義XG/KGM 復(fù)配凝膠在20 ℃時(shí)的彈性模量大小為G′20,數(shù)值見表4,G′20由273.3 Pa減少到40.7 Pa,這是由于丙酮酸基含量減少使得XG/KGM之間氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少,復(fù)配凝膠強(qiáng)度減弱,表現(xiàn)為彈性模量降低。
從圖6a可以看出,在接近于XG的構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度60 ℃時(shí),復(fù)配體系的G′急劇增加并大于G″,說明此時(shí)復(fù)配體系開始形成凝膠,同時(shí)也說明黃原膠與魔芋葡甘聚糖是黃原膠處于有序構(gòu)象時(shí)發(fā)生協(xié)同作用,兩者之間主要通過氫鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖6b顯示了丙酮酸基含量減少使得XG/KGM的儲(chǔ)能模量G′急劇增加的溫度降低,即XG/KGM復(fù)合凝膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度降低,XG5/KGM轉(zhuǎn)變溫度約為41 ℃。主要原因是隨著丙酮酸含量的降低,黃原膠的內(nèi)部作用力增大,螺旋結(jié)構(gòu)致密,構(gòu)象轉(zhuǎn)化溫度升高。但與魔芋葡甘露聚糖的結(jié)合位點(diǎn)減少,分子間相互作用減弱,溶膠-凝膠轉(zhuǎn)換溫度降低。
表4 XG/KGM復(fù)配凝膠溫度掃描參數(shù)Table 4 The temperature scanning parameters for XG/KGM compound gels
本文通過酸性熱處理的方法脫除黃原膠中的丙酮酸基并研究其對(duì)黃原膠結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的影響,進(jìn)而研究不同程度脫除丙酮酸基對(duì)黃原膠與魔芋葡甘聚糖復(fù)配體系的影響,主要結(jié)論有如下幾點(diǎn):
1)隨著丙酮酸基的脫除,黃原膠的螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密,表觀黏度整體下降,似固性減弱,且在同一溫度下,黃原膠的儲(chǔ)能模量隨丙酮酸基含量的減少而降低,構(gòu)象轉(zhuǎn)換溫度升高。
2)黃原膠/魔芋葡甘聚糖(Xanthan Gum/Konjac Glucomannan)復(fù)配凝膠流變特性研究表明,復(fù)配體系的表觀黏度隨丙酮酸基的脫除逐漸減小,趨向于牛頓流體。在動(dòng)態(tài)剪切中,角頻率變化對(duì)儲(chǔ)能模量的影響較小,表現(xiàn)出的依賴性小,說明復(fù)配體系的凝膠結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定;升溫到90 ℃的XG/KGM復(fù)配體系的溫度掃描表明:在對(duì)樣品進(jìn)行降溫的過程中,復(fù)配凝膠的儲(chǔ)能模量逐漸增加,并在20 ℃時(shí)達(dá)到最大值,此時(shí)未處理的黃原膠與魔芋葡甘聚糖復(fù)配體系的起始凝膠溫度為60 ℃。在20 ℃下,對(duì)不同脫丙酮酸基程度復(fù)配體系的儲(chǔ)能模量及相變溫度進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨著丙酮酸基含量減少,XG與KGM之間氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)減少,協(xié)同作用逐漸減弱,復(fù)配凝膠強(qiáng)度減弱,儲(chǔ)能模量由273.3 Pa減少到40.7 Pa,相變溫度從60 ℃降低至41 ℃。
3)黃原膠中丙酮酸基含量的減少使得其分子間作用力增強(qiáng),螺旋結(jié)構(gòu)更加緊密,與魔芋葡甘聚糖復(fù)配形成凝膠的作用減弱,凝膠結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,使得復(fù)配體系的溶膠-凝膠溫度降低。該研究為凝膠食品在口腔中固體到流體的轉(zhuǎn)換以及對(duì)食品質(zhì)構(gòu)的調(diào)控提供了可能,擴(kuò)展了凝膠在食品中的應(yīng)用。