高酰基結冷膠與κ-卡拉膠復配膠的質構特性研究

許永濤，童群義

（江南大學食品學院，江蘇無錫 214122）

高酰基結冷膠與κ-卡拉膠復配膠的質構特性研究

許永濤，童群義*

（江南大學食品學院，江蘇無錫 214122）

用抗壓實驗和全質構測試對高酰基結冷膠（HA）與κ-卡拉膠（CA）復配膠的凝膠強度、形變性以及硬度進行分析。研究了Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子以及HA與CA的質量比對復配膠質構特性的影響。實驗中，總膠濃度控制為1%（w/v），離子濃度為2～80mmol/L，HA和CA的質量比為25∶75、50∶50、75∶25。結果表明，二價離子較一價離子作用效果顯著，其中Ca2+效果最為顯著，復配膠在HA∶CA=75∶25時有顯著的協同作用，HA與CA的復配膠有著較強的形變性。

高酰基結冷膠，κ-卡拉膠，復配膠，質構特性

結冷膠是一種由伊樂藻單胞菌發酵生產的凝膠型微生物多糖[1]，于1992年首先由美國食品及藥物管理局（FDA）批準應用于食品中。根據分子鏈上是否含有乙酰基和甘油酰基，目前市售結冷膠一般分為天然結冷膠（高酰基結冷膠，HA）和低酰基結冷膠（LA）。自結冷膠被發現以來，人們已經用不同的手段對其進行了廣泛的研究，例如：用光散射技術[2]、粘度計[3]、核磁共振[4]以及流變儀[5]等對結冷膠水溶液特性進行過研究；用示差掃描量熱儀（DSC）[6-8]、流變儀[7-10]、電子自旋共振[11]、核磁共振[12]等方法對結冷膠的溶膠-凝膠轉化過程進行過研究；利用流變儀、質構儀[13-16]等設備對結冷膠凝膠的質構特征進行了更加深入和廣泛的研究，而且還有不少關于離子、蔗糖、pH等條件對結冷膠分散體系影響的報道以及結冷膠與其他膠凝劑作用機理的報道。然而，前人的研究絕大多數都是致力于低酰基結冷膠性能的研究，而關于高酰基結冷膠的研究和報道還相當缺乏。目前食品工業中對高酰基結冷膠的應用也相當有限，原因主要是高酰基結冷膠的提取過程較為困難，應用成本高。但不可否認高酰基結冷膠具有良好的凝膠性能，在食品與醫藥工業中具有潛在的應用價值。為了促進這一微生物多糖的進一步開發和應用，筆者認為對其性能進行更深入地研究、尋求更廉價的應用方法還是很有必要的。本實驗研究了Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子以及高酰基結冷膠與κ-卡拉膠的重量比對二者復配膠的質構特征的影響，為對復配膠的進一步研究和應用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

高酰基結冷膠LT100（HA） 美國CP Kelco公司，食品級；κ-卡拉膠（CA） 滕州市海藻工程技術有限責任公司，食品級；氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀、氯化鈉上海市國藥化學試劑有限公司，分析純。

TA.XTPlus物性分析儀 英國SMS公司；85-2恒溫磁力攪拌器 金壇市新航儀器廠；HH-2K8恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 凝膠的制備 按照一定HA∶CA（25∶75，50∶50，75∶25）分別稱取混合膠體粉末1g，溶于盛有100m L去離子水的150m L燒杯中，在磁力攪拌器上充分攪拌10m in，使膠體充分水化并均勻分散于水中，然后放入90℃水浴中加熱20min，并不斷攪拌，使膠體充分溶解。記錄加熱過程中散失的水分，并用去離子水補充。將預先制備好的Ca2+、Mg2+、K+、Na+加入膠體熱溶液中，充分攪拌，使膠液中離子濃度分布在2～ 80mmol/L（2、4、6、8、10、15、20、40、60、80mmol/L），然后將膠體熱溶液倒入內徑為34mm深度為10mm的小培養皿中（與培養皿上沿相平齊），蓋上蓋子，冷卻至室溫后轉入4℃冰箱中冷藏24h，待測。

1.2.2 抗壓實驗 將凝膠從小培養皿中完整取出，放于物性測試儀鋁制平臺和鋁制圓柱形探頭（直徑50mm）之間，設定測試速度為3mm/s，壓縮應變為90%，進行抗壓實驗，獲得壓縮力學曲線（壓縮實驗重復3次），并從曲線上讀取凝膠破裂時所受的力和壓縮距離；為了將壓縮過程中凝膠橫截面積的增大計算在內，破壞應力σh和破壞應變εh通過工程應力σeng和工程應變εeng來計算[16-17]，計算公式如下：

1.2.3 凝膠硬度測定 凝膠硬度是通過全質構分析得到的。將凝膠從小培養皿中完整取出，放于物性測試儀鋁制平臺和鋁制圓柱形探頭（直徑50mm）之間，設定測試速度為3mm/s，壓縮應變為40%，進行全質構分析并獲得全質構曲線（全質構測定實驗重復3次），從曲線上讀取膠體硬度。

2 結果與討論

2.1 離子種類對復配膠質構特性的影響

2.1.1 破壞應變 從圖1中可以看出，隨著離子濃度從2mmol/L增大到80mmol/L，Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子作用下的HA與CA復配膠破壞應變始終處于1.4～ 1.6范圍之內，波動并不明顯，可見，HA與CA復配的破壞應變受離子影響較小，四種離子對復配膠破壞應變的影響也無顯著差異。

圖1 Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子對HA與CA復配膠破壞應變的影響Fig.1 Effectof Ca2+、Mg2+、K+、Na+on failure strain ofmixed gels of HA and CA

2.1.2 破壞應力 從圖2中可以看出，在所研究范圍之內，二價離子的作用效果明顯強于一價離子，而且在兩種價態離子的影響下，曲線的變化趨勢差別較大。二價金屬離子在低濃度范圍內（2～15mmol/L）對HA與CA復配膠破壞應力有顯著的影響，隨離子濃度增大，破壞應力迅速增大，而在更高的二價離子濃度范圍內（大于15mmol/L），隨著離子濃度的增加，凝膠的破壞應力并無明顯增加，甚至達到一個穩定水平（Ca2+濃度大于60mmol/L時略有下降）；而在一價離子的作用下，凝膠的破壞應力則隨著離子濃度的增大持續增大。這很可能與兩種價態離子對凝膠的作用機理有關，在水溶液中，一價離子與二價離子都能夠通過結冷膠分子上的羧基將結冷膠的雙螺旋結構相互交聯，但是，二價離子是直接與雙螺旋結構相交聯（雙螺旋-M2+-雙螺旋），而一價離子是間接與雙螺旋結構相交聯（雙螺旋-M+-水-M+-雙螺旋）[18-19]。實驗結果證明，二價離子在促進凝膠形成時比一價離子更有效。

圖2 Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子對HA與CA復配膠破壞應力的影響Fig.2 Effectof Ca2+、Mg2+、K+、Na+on failure stress of mixed gels of HA and CA

2.1.3 凝膠硬度 從圖3中可以看出，硬度曲線的變化趨勢與破壞應力曲線極為相似，二價離子的作用效果較一價離子強，而且在二價離子中，Ca2+的作用效果較Mg2+強，這可能與二者離子大小相關。

圖3 Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子對HA與CA復配膠凝膠硬度的影響Fig.3 Effectof Ca2+、Mg2+、K+、Na+on hardness of mixed gels of HA and CA

2.2 HA與CA質量比對復配膠質構特性的影響

2.2.1 破壞應變 從圖4中可以看出，在一定的Ca2+濃度條件下，隨著HA含量的降低，復配膠的破壞應變逐漸減小。這很可能與兩種膠的特性相關，HA所形成的凝膠柔軟而且形變性較好，而CA所形成的凝膠較為硬脆，不易變形。因此，將二者進行復配，隨著HA含量的提高，所形成凝膠的形變性增強。從圖4中我們還可以發現：隨著HA∶CA的變化，復配膠的破壞應變在Ca2+影響下的變化趨勢是不同的。當HA∶CA= 25∶75（0.25%∶0.75%）時，隨著Ca2+濃度的增大，凝膠的破壞應變呈持續減小趨勢；而當HA∶CA=50∶50或75∶25時，凝膠的破壞應變則相對較為穩定。這可能與HA的作用相關，HA∶CA=50∶50或75∶25時，HA含量較高，其中的甘油酰基對凝膠性能的穩定發揮了重要作用[20]。本實驗中各組復配膠與R Mao等[21]在同樣條件下所做的HA與LA復配膠相比有著更大的破壞應變，說明HA與CA復配膠凝膠有著更好的形變性。

圖4 HA與CA質量比對復配膠破壞應變的影響Fig.4 Effectof HA∶CA ratios on failure stress ofmixed gels of HA and CA

2.2.2 破壞應力 因為HA形成的凝膠較柔軟，而CA所形成的凝膠比較硬脆，因此，人們一般會推測將二者復配所形成的破壞應力很有可能隨著CA含量的增大而增大，但是圖5所顯示的實驗結果證明，這一預期并不完全正確，從圖5中可以看出，盡管當HA∶CA= 25∶75和50∶50時，隨著CA含量的增大，凝膠強度有著明顯的增大，但是當HA∶CA=75∶25時，其凝膠強度卻遠大于HA∶CA=50∶50的復配膠，甚至在Ca2+濃度較高（≥30mmol/L）時大于HA∶CA=25∶75的復配膠，可見當HA∶CA=75∶25時，二者之間很可能存在著較強的協同作用。

圖5 HA與CA質量比對復配膠破壞應力的影響Fig.5 Effectof HA∶CA ratios on failure strain ofmixed gels of HA and CA

2.2.3 凝膠硬度 從圖6中可以看出，三種配比的復配膠硬度都先隨著Ca2+濃度的增加而增加并達到一個最大值，然后又隨著Ca2+濃度的增大而逐漸減小。這與R Mao等[21]研究的HA與LA復配膠硬度隨Ca2+濃度變化趨勢相一致，可見，由于CA與LA同屬雙螺旋線形膠體，二者在與HA復配時還是有一定相似之處的。從圖6中我們還可以看出，在一定的Ca2+濃度條件下，復配膠的硬度隨HA∶CA的增大而減小，這可能與兩種凝膠的特性相關，HA形成的凝膠較柔軟，而CA形成的凝膠較硬脆，因此，將二者復配隨著CA含量的減小，復配膠的硬度自然會減小。通過與圖5比較我們也可以看出凝膠硬度與凝膠的破壞應力所遵循的規律并不相同，如當HA∶CA=75∶25時，復配膠的破壞應力比HA∶CA=25∶75和HA∶CA=50∶50時都大，而HA∶CA=75∶25時復配膠的硬度卻比另外兩者都小。可見，凝膠硬度與凝膠強度并非同一概念，相同凝膠強度的膠，其硬度可能有著較大的差異。

圖6 HA與CA質量比對復配膠凝膠硬度的影響Fig.6 Effectof HA∶CA ratios on hardness ofmixed gels of HA and CA

3 結論

二價金屬離子對HA與CA復配膠凝膠強度和凝膠硬度的影響較一價離子顯著，Ca2+對HA與CA復配膠破壞應力和凝膠硬度的影響較Mg2+更顯著；Ca2+、Mg2+、K+、Na+四種離子對HA與CA復配膠破壞應變的影響無顯著差異；在相同Ca2+濃度條件下，HA與CA復配膠的破壞應變隨HA∶CA比的增大而增大；HA∶CA= 75∶25時，總膠濃度為1%HA與CA復配膠有較強的協同作用；在一定的Ca2+濃度條件下，HA與CA復配膠的硬度隨HA∶CA的增大而減小。

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Texture properties of high acylgellan andκ-carrageenan m ixed gels

XU Yong-tao，TONG Qun-yi*
（School of Food Science&Technology，Jiangnan University，Wuxi214122，China）

Comp ression tests and texture p rofile analysis（TPA）were used to test the streng th，deformability and hardness ofm ixed gels w ith high acylgellan andκ-carrageenan.The influences of Ca2+，Mg2+，K+，Na+and different HA∶CA ratios on the texture p roperties of the m ixed gels were investigated.The total polymer concentrations of the gels in our study were all at 1%（w/v）.Ion concentrations of the sam p les were set as 2～ 80mmol/L，and the ratios of HA∶CA were 25∶75，50∶50 and 75∶25.The result showed that divalent cations significantly influenced the texture of the m ixed gels compared w ith monovalent cations，and Ca2+was the most effective cations in the study.The strongest synergistic interac tion occurred when the ratio of HA∶CA was 75∶25 and the m ixed gels of high acylgellan andκ-carrageenan had a good deformability.

high acylgellan；κ-carrageenan；m ixed gel；texture p roperties

TS201.7

A

1002-0306（2012）20-0159-04

2012－05－09 *通訊聯系人

許永濤（1987-），男，碩士研究生，研究方向：碳水化合物科學與工程。