魚鱗明膠的泡沫性能*

涂宗財，段鄧樂，葉云花，王 輝，鈕培佩，黃濤

1(南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌，330047)2(江西師范大學生命科學學院，江西南昌，330022)

明膠是一種主要由18種氨基酸組成的蛋白質，由于其獨特的理化性質使其廣泛應用于食品、醫藥以及化妝品等領域，在食品制造方面，它可以作為穩定劑、增稠劑、黏合劑和發泡劑等，提高食品的彈性、黏度和以及穩定性等［1-4］。近年來，以魚鱗為原料提取明膠備受科學研究者的青睞，研究表明，魚鱗可以作為一種很好的明膠原料，因其含有豐富的蛋白質，且主要為膠原蛋白和角蛋白，故用魚鱗提取明膠有巨大的應用前景［5-8］。

當明膠作為發泡劑應用于食品工業中時，根據不同的用途對明膠泡沫的要求不同，如在提高食品彈性、穩定性等方面，往往需要大量的泡沫，而在發酵工業中卻需要抑制泡沫的產生［9］。因此，對泡沫性質進行研究以便使人們掌握其起泡性和穩定性的機理，從而更好的將泡沫應用于工業和日常生活中顯得尤為重要。然而，目前對魚鱗明膠泡沫性質的研究鮮有報道。

泡沫體系性能的研究涉及到許多參數，近年來所采用的方法主要是通過泡沫掃描分析儀對泡沫劑性能進行測試［10-11］。該泡沫儀器不僅可以給出起泡能力、泡沫膨脹系數、泡沫穩定性等參數，還可以分析泡沫粒徑分布、尺寸大小等，并且其自身攜帶的軟件可供人們對實驗結果進行對比分析。與傳統方法相比，該方法大大減少了實驗的重復次數以及實驗的工作量［9，11］。因此，本文主要以鳙魚魚鱗作為原料提取明膠，利用泡沫掃描儀，通過測試泡沫性質、表面擴張黏彈性等對明膠泡沫隨時間和濃度的變化的機理進行了研究。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

鳙魚魚鱗，購于南昌市青山湖區天虹超市;HCl為分析純。

1.2 儀器與設備

Foamsc泡沫掃描儀，法國TECLIS-IT Concept;界面擴張流變儀，法國TECLIS-IT Concept公司;FK-A組織搗碎機，江蘇金壇市環宇科學儀器廠;LG J-1冷凍干燥機，北京亞泰科隆儀器有限公司;HH-4數顯水浴鍋，國華電器有限公司;

1.3 實驗方法

1.3.1 魚鱗明膠提取

將新鮮的鳙魚魚鱗剔除雜物后初步水洗，用組織搗碎機處理2 min搗碎，HCl浸泡脫鈣之后清洗，至水澄清為宜，調節pH值至5.5，配制料液比1∶15(g∶mL)，在80℃恒溫水浴中加熱2 h提取得到魚鱗明膠溶液［12］，經冷凍干燥后密封包裝，備用。

1.3.2 樣品制備

將上述明膠溶于蒸餾水中，按照質量體積比將明膠配制成1、2、3 mg/mL的溶液，于室溫下慢慢攪拌至完全溶解。

1.3.3 泡沫性質測定

泡沫性能測定采用泡沫掃描儀進行。首先進行泡沫的制備:將60 mL待測溶液用注射器注射到玻璃管底部，通過多孔玻璃濾器鼓吹空氣(恒定氣流速度為200 mL/min);然后通過電導測定泡沫柱的起泡性、起泡穩定性以及泡沫排液，使用CCD攝像機觀察氣泡的變化并每隔5 s進行一次拍照，當泡沫體積達到100 mL時，立即停止空氣鼓吹。氣泡的分布情況以及氣泡大小可采用CAS軟件處理得到。使用玻璃管底部的電極測定氣泡剩下的液體和從泡沫中排出的液體。

1.3.4 擴張黏彈性測定

采用界面擴張流變儀測定溶液的擴張黏彈性［13-14］。界面受到周期性壓縮和擴張條件下，界面張力會發生周期性的變化。界面擴張模量ε定義為界面張力γ變化相對于界面面積A自然對數變化的比值，界面擴張向量ε也可以方便地用復數形式表示［10］:

式中:|ε|為界面擴張模量;εd為擴張彈性;ωηd為擴張粘性部分;ω為界面面積正弦變化的角頻率;ηd為擴張黏度。

對于黏彈性界面，界面面積和界面張力的周期性變化之間存在相角(θ)，擴張彈性和擴張黏度可以用以下公式計算:

2 結果與分析

2.1 泡沫形狀

圖1 明膠濃度為1 mg/mL的泡沫隨時間變化圖(從鼓氣停止后開始分析，每個相鄰圖片間隔100 s)Fig.1 The change of the foams generated from 1 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

圖2 明膠濃度為2 mg/mL的泡沫隨時間變化圖(從鼓氣停止后開始分析，每個相鄰圖片間隔100 s)Fig.2 The change of the foams generated from 2 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

圖1～圖3分別為鼓氣停止后，不同濃度明膠的氣泡隨時間的變化。由圖1～圖3可以看出，各濃度的氣泡均隨時間的增長而逐漸變大，且其形狀由最初的球形逐漸變為不規則的多邊形。因為泡沫是液體中的氣泡在密度差的作用下，在液面上形成以少量液體構成的液膜隔開氣體的氣泡聚集物，當氣泡內的壓力互不相同時，液膜的形狀將會被壓縮，從而導致泡沫形狀不規則［15］。從圖1可以看出，當明膠的質量濃度為1 mg/mL時，泡沫變大很快，且短時間內就會變形甚至破裂。這可能是因為當明膠濃度過低時，很難在液膜表面形成單層的覆蓋，導致液膜穩定性較低，從而導致泡沫破裂［16］。

圖3 明膠濃度為3 mg/mL的泡沫隨時間變化圖(從鼓氣停止后開始分析，每個相鄰圖片間隔100 s)Fig.3 The change of the foams generated from 3 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

2.2 泡沫參數

表1選擇不同濃度明膠在鼓氣停止后的0 s和100 s處進行比較，主要是因為這2個時間點既能提供鼓氣停止的環境，又能避免低濃度的體系泡沫衰減過快，達不到一定的觀測高度而無法與高濃度泡沫進行比較的缺陷。眾數即泡沫半徑尺寸出現最多的一組數據，眾數越接近，表明泡沫半徑變化幅度越小，泡沫穩定性越好;標準差越小，表明這些數值較接近平均值;歪斜和相對標準偏差越小，表明分析測試結果精密度越高。表1表明，在0 s和100 s時，濃度為2 mg/mL的明膠泡沫的半徑范圍、歪斜和相對標準偏差均最小，說明該濃度泡沫的更容易向新生成的界面擴散，即分散性最好［9］。

表1 明膠泡沫參數Table 1 The data offoam parameters of gelatin

圖4為停止鼓氣100 s時不同濃度明膠泡沫的半徑具體分布范圍。圖4中顯示，1 mg/mL的明膠泡沫半徑主要分布在0.252以下，最大半徑可達1.453 mm。2 mg/mL的明膠泡沫半徑主要分布在0.181 mm以下，其中小于0.055 mm的最多。3 mg/mL的明膠泡沫半徑主要分布在0.058 mm以下，最大半徑可達0.373 mm。可以得出，2 mg/mL的明膠泡沫半徑最小。泡沫穩定性與泡沫薄膜的性質密切相關，當質量分數提高時，泡沫半徑最小，則液膜最薄，從而排液速率最低，導致其泡沫穩定性最高［18］。

圖4 100 s時不同濃度明膠泡沫粒徑分布圖Fig.4 The distribution of foam size of gelatin at 100 s

2.3 明膠泡沫性能

圖5所示為不同濃度明膠泡沫體積隨時間的變化。在相同的空氣氣流下，泡沫體積達到100 mL所需的時間越短，則起泡性越好［9］。由圖5-A可以看出，濃度為1 mg/mL的明膠泡沫所需要的時間最大，為106.49 s，而濃度為2 mg/mL的明膠泡沫只需要32.59 s，說明濃度為2 mg/mL的明膠泡沫起泡性最好。由圖5-B可以看出，泡沫體積的衰減速率由大到小依次為濃度1 mg/mL的明膠＞濃度3 mg/mL的明膠＞濃度2 mg/mL的明膠，即2 mg/mL的明膠泡沫對應的曲線衰減最慢，表明該濃度泡沫穩定性最好［11］。

圖5 不同濃度明膠的泡沫體積隨時間的變化(A-泡沫增長;B-泡沫衰減)Fig.5 The evolution of the foam volume of different systems as a function of time

2.4 泡沫穩定性與排液速度的關系

泡沫的穩定性與泡沫中液體含量呈正相關關系，通常用液體體積表示泡沫中的液體含量。泡沫排液是氣泡相互擠壓和重力作用的結果。當泡沫的質量一定時，泡沫半徑越小，面積就越大，液膜也就越薄，從而導致排液速率下降，提高泡沫穩定性［18-19］。由圖6可以看出，泡沫中液體含量隨著時間的增加呈現先增加后減小的趨勢，當濃度為2 mg/mL時，泡沫中的液體含量幾乎達到最大值，僅比0.3%明膠泡沫低0.14 mL;排液速度的大小則依次為0.1% ＞0.3% ＞2 mg/mL，均表明當明膠濃度為2 mg/mL時明膠泡沫穩定性最好。

圖6 明膠泡沫中液體含量與時間、濃度的關系Fig.6 Liquid volume in the foams generated from gelatin as a function of time“t”and concentration，respectively

2.5 表面黏彈性

表2為振蕩頻率為0.1 Hz時不同濃度明膠泡沫的表面擴張黏彈性。從表面擴張黏彈性中可以獲取較多的界面信息，如蛋白質分子的構象變化、表面膜的緊密度和強度等，泡沫穩定性隨著表面膜擴張黏彈性的增大而增加［20-21］。由表2可以看出，一方面，隨著明膠溶液濃度的增加，擴張模量|ε|值和擴張彈性εd值均呈現先增大后減少的趨勢，其最大值正好與泡沫最佳體系即濃度為2mg/mL的明膠泡沫體系一致，表明濃度為2 mg/mL的明膠界面濃度最大以及明膠分子從體相向新生成的界面的擴散最少，說明形變時的界面擴張力梯度最高［22］。另一方面，εd值遠遠大于擴張黏性ωηd值，表明明膠泡沫體系中液膜的作用力主要為彈性。同時，ωηd值隨著濃度的增加變化不大，且在明膠濃度為2 mg/mL時ωηd最少，更加證明擴張黏性主要與明膠分子界面層凝膠狀網狀結構的形成和表面變性有關［9］。

表2 明膠泡沫的表面擴張黏彈性Table 2 Surfacedilational viscoelasticity of foams generated from gelatin

3 結論

(1)明膠泡沫性質隨時間和濃度的變化而有不同，其中各個濃度的氣泡均隨時間的增長而逐漸變大，且其形狀由最初的球形逐漸變為不規則的多邊形。

(2)濃度為2 mg/mL的明膠泡沫的粒徑最小，主要分布在0.055 mm以下的區域;泡沫中的液體含量幾乎達到最大值;擴張模量|ε|值和擴張彈性εd值最大，擴張黏性ωηd值最小，均表明濃度為2 mg/mL的明膠泡沫起泡能力最強，泡沫穩定性最高，同時εd值遠遠大于擴張黏性ωηd值，表明明膠泡沫體系中液膜的作用力主要為表面彈性。

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