青稞β葡聚糖凝膠熱特性、動態粘彈性及微觀結構研究

邵　舒,董吉林,*,申瑞玲,孫永敢

(1.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450000;2.鄭州輕工業學院食品生產與安全協同創新中心,河南鄭州 450000)

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邵舒1,2,董吉林1,2,*,申瑞玲1,2,孫永敢1,2

(1.鄭州輕工業學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450000;2.鄭州輕工業學院食品生產與安全協同創新中心,河南鄭州 450000)

本文采用差示掃描量熱儀(DSC)、動態粘彈譜儀(DMA)及原子力顯微鏡(AFM)研究了青稞β-葡聚糖(BG)凝膠的熱特性、動態粘彈性及微觀結構變化,旨在為BG凝膠在食品中的應用提供依據。DSC結果表明,當樣品的儲存溫度相同時,BG凝膠隨著濃度的升高起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc)及熱焓值(ΔH)增加;而當樣品濃度相同時,凝膠熱穩定性隨溫度增加而降低;DMA實驗表明,BG凝膠的濃度越大、形成溫度越低,彈性響應的系數(G′)值越大,表明BG分子間的交聯增加,凝膠的彈性增強;AFM結果顯示青稞BG分子會發生自然聚集,且隨著濃度增加和存放時間的延長,聚集程度就越高,當其濃度為100 μg/mL時樣品中就會出現網絡狀聚集結構。

青稞β-葡聚糖,凝膠,熱特性,動態粘彈性,微觀結構

隨著生活水平的提高,人們的膳食結構也在悄然的發生著變化,膳食纖維的攝入量與健康的關系引起了人們的關注。青稞富含膳食纖維,特別是其中的β-葡聚糖(BG),作為一種水溶性膳食纖維具有調節血糖、降低膽固醇、增強免疫力等生理功能[1],因此,富含BG青稞食品的研發也受到行業的重視。BG是一種大分子粘性多糖,在一定條件下能夠形成凝膠,并具有增稠和乳化穩定性,因此,也可作為食品配料應用于乳制品、肉制品等多種食品中[2]。但由于原料的不同、BG制備方法和分子大小的不同,BG形成凝膠的條件和性質也存在很大差異。Burkus[3]等人研究了溫度和濃度對大麥BG凝膠形成的影響,結果發現濃度的增加和黏度的減小有利于BG凝膠的形成,且凝膠的強度也隨濃度的增加和黏度的減小而增大。Vassilis[4]研究發現大麥BG分子越小凝膠形成的速率越快,但形成凝膠的機械穩定性和BG分子量成正比。Lrakli[5]等人研究了多羥基化合物對大麥BG凝膠的影響,結果發現在6%(w/v)的大麥BG溶液中分別添加30%(w/v)的葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖、核糖,都能夠延緩凝膠形成時間延長,并影響凝膠的強度。但針對我國產青稞BG的凝膠方面的研究,特別是對其微觀結構變化研究較少,因此,本實驗以青稞BG凝膠為研究對象,對青稞BG凝膠的熱特性、動態粘彈性及微觀動態聚集過程進行細致的研究,目的是深入了解BG結構與功能的關系,為富含BG青稞食品的研發提供理論依據。

表1　濃度及溫度對青稞BG凝膠的熱特性參數的影響Table 1　Effect of concentration and temperature on the thermal parameters of hulless barley β-glucans gel

注:平均值±標準偏差(n=3),不同字母代表差異顯著(p<0.05)。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

青稞BG(純度為98.1%,相對分子量為9×103～1.0×104)西藏圣伯力生物技術有限公司;β-葡聚糖測試試劑盒愛爾蘭Megazyme公司。

Nanoscopy Ⅲa型原子力顯微鏡美國VECCO公司;T6新世紀紫外-可見分光光度計 北京普析通用儀器有限公司;JA1203電子天平海越平科學儀器有限公司;Q100型差示掃描量熱儀美國TA公司;Q800型動態粘彈譜儀美國TA公司。

1.2實驗方法

1.2.1青稞BG凝膠的制備參照文獻[6]并對其方法加以改進,將青稞BG加入蒸餾水中,配制成不同濃度的BG溶液(3.6%,4.8%和6.0%),在95 ℃水浴中加熱800 r/min攪拌2 h。然后一組放置在溫度為21 ℃的環境中,而另一組置于冰箱中(5 ℃)。放置48 h后對其特性進行研究。

1.2.2青稞BG凝膠熱特性的測定準確稱量2.5 mg樣品于40 μL鋁質樣品盤中,加入蒸餾水分別配制成濃度為3.6%、4.8%、6.0%的BG凝膠溶液,密封后置室溫下平衡2 h。利用DSC測定樣品的熱特性,參數設置為:從25 ℃開始升溫,以3 ℃/min的速率升溫到100 ℃,并且用密封空的鋁盒做參比。結果以吸熱曲線表示,測定凝膠糊化的起始溫度T0,峰值溫度Tp,終止溫度Tc并計算熱焓值ΔH。

1.2.3青稞BG凝膠動態粘彈性的測定采用DMA測定不同濃度青稞BG凝膠的儲能模量(G')隨溫度的變化。測定設置為:從25 ℃開始升溫,以3 ℃/min的速率升溫到100 ℃,升溫速率為3 ℃/min,選用單懸臂梁的夾具,應力0.5 g。

1.2.4青稞BG凝膠形成的微觀結構表征采用滴液沉積法制備樣品,將青稞BG放入重蒸水中,在85 ℃水浴中充分溶解1 h,降到室溫后過0.45 μm微孔濾膜,然后稀釋成1、20、50、100、200 μg/mL系列濃度的樣品,將1 μg/mL的樣品直接制樣實驗,將20、50、100、200 μg/mL系列濃度的樣品室溫儲存20 d再進行實驗。制樣時取3 μL樣品溶液滴加在洗凈的硅片上,放在無塵的環境中自然揮發干燥,制好的樣品用Nanoscopy Ⅲa型原子力顯微鏡成像,采用輕敲模式,在室溫和正常大氣濕度下操作,掃描范圍為10 μm×10 μm。

1.2.5數據分析每個實驗均平行測定3次,采用Origin對數據進行整理并作圖,用SPSS軟件分析數據。

2　結果與討論

2.1青稞BG凝膠熱特性

DSC是獲得高聚物在構象轉變時熱力學變化信息的有效手段。濃度及溫度對青稞BG凝膠熱特性影響的分析結果如表1所示,青稞BG凝膠的DSC曲線如圖1所示。由表1可以看出,BG凝膠轉化為熔膠的過程中,吸收熱量在55～80 ℃之間,這和Lazaridou[7-8]等人的報道結果是一致的。從表1中還可以看出,5、21 ℃形成的凝膠的起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc),及熱焓值(ΔH)值都隨著凝膠濃度的增加而增加。這是因為青稞BG凝膠網絡的形成是通過分子鏈的聚集、交聯和纏繞等作用形成的,隨著濃度的增大,分子鏈密度增大,凝膠網絡結構中能夠形成更多的交聯點和交聯區域,從而使得凝膠在熔化時需要吸收較多的熱量以破壞氫鍵等的交聯作用,從而使得ΔH隨著濃度的升高而增大;濃度高時形成的網絡結構也更致密,穩定性增強,使得T0、Tp、Tc升高[9]。當凝膠的濃度相同時,5 ℃形成的凝膠熱焓值(ΔH)要小于21 ℃形成的凝膠,但融化溫度起始溫度(T0)、峰值溫度(Tp)、最終溫度(Tc)卻高于21 ℃形成的凝膠,這表明在相同濃度的體系中,和21 ℃形成的凝膠相比,5 ℃形成的凝膠具有更致密的網絡結構且穩定性較強。

圖1　青稞BG DSC曲線Fig.1　The DSC curve of hulless barley β-glucans gel

2.2青稞BG凝膠動態粘彈性

青稞BG凝膠動態粘彈性的實驗結果見圖2,G′是對于彈性響應的系數。由圖2可以看出G凝膠在加熱時G′值隨著溫度的升高而下降,這因為凝膠在加熱時發生凝膠向熔膠的轉變,交聯結構破壞,表現為儲能模量G′隨溫度升高而下降,轉化的溫度不是出現在某一溫度值,而是在某一溫度區間內G′值劇烈的下降[10]。對于同一儲存溫度的BG,當樣品濃度從4.8%增大到6.0%時,G′值大幅度增加,這是因為G′值被用來衡量凝膠網絡的連通性,與聚集的微觀結構中交聯點的數量和強度有關,而G′值的大小與樣品的濃度有很大的相關性,所以隨著濃度的增加BG聚合物之間的交聯區域和粘度都會增加[11-12]。從圖中還可以看出,當BG濃度相同時,5 ℃形成凝膠的G′值大于21 ℃形成凝膠的G′值,這是因為隨著溫度的升高,凝膠結構中的氫鍵等交聯結構破壞,交聯區域減少,從而G′值下降,凝膠彈性下降。從圖2中還可以看出,隨著凝膠濃度的增加,凝膠形成的溫度對G′值的影響加大,這是因為和21 ℃條件下形成的凝膠相比,5 ℃條件下形成的凝膠具有更加牢固的網絡結構,溫度是影響凝膠形成的一個重要因素[13]。根據Morgan[14]等人研究發現,青稞BG凝膠的形成是通過分子鏈之間的相互作用和交聯區域的聚集等作用形成的,且融化溫度較低,在40～80 ℃之間。

圖2　濃度及溫度對青稞BG凝膠動態粘彈性的影響Fig.2　Effect of concentration and temperature on dynamic viscoelasticity the of hulless barley β-glucans gel

圖3　青稞BG凝膠的AFM圖Fig.3　AFM photographs of hulless barley β-glucans gel注:a～e青稞BG的濃度分別為1、20、50、100、200 μg/mL。

2.3青稞BG凝膠的微觀結構表征

實驗研究了青稞BG在稀溶液中的存在狀態,結果如圖3,圖3a為新鮮配制的1 μg/mL的樣品原子力顯微鏡掃描圖片,由圖可以看到硅片上的BG分子呈現為細小的圓形顆粒,數量較多,也有細長的近似微纖維的結構,這些結構看上去比較緊密;溶液經過20 d儲存后,不同濃度的樣品實驗得到的原子力顯微鏡圖片表現出不同的分子聚集狀態,圖3b是濃度為20 μg/mL的樣品,由圖可以清晰地看到硅片上的BG分子聚集為較大的圓形顆粒,顆粒大小一致性較好,而且顆粒中間部分較致密,而邊緣部分相對稀疏,呈毛絨狀;當濃度增大到50 μg/mL時(圖3c),樣品中出現長的纖維,圓形的顆粒狀聚集物變得稀少,纖維形狀不是規則的直線型,而是略帶彎曲,纖維粗細也不均勻;當濃度增大到100 μg/mL時(圖3d)時,硅片上的聚集分子呈現出網絡狀的結構,纖維彼此錯綜相連,形成了清晰可見的網狀物,但也有個別小的圓形顆粒出現在網絡中。隨著樣品濃度的進一步增大(200 μg/mL),網絡結構中纖維的寬度也增大,出現類似于片狀的纖維連接(圖3e),這可能是出現了粗的纖維連接。

綜合實驗結果可以看出,青稞BG分子在溶液中的存在狀態與濃度,存放時間存在一定的相關性,青稞BG分子的聚集是自發的過程,分子之間通過氫鍵等作用彼此交聯在一起,形成纖維、網絡等結構,當溶液中的BG濃度達到一定值時,便會形成有一定機械強度和形狀的凝膠[15]。Thomas Moschakis[16]等人利用激光掃描共聚焦顯微鏡觀察了燕麥及青稞BG溶液的聚集過程,結果發現在存放2 h后,BG分子聚集為纖維狀結構,隨著存放時間的延長,分子之間相互作用的加強,形成球形或圓形的三維網絡結構。Keith R. Morgan[17]等人利用原子力顯微鏡觀察到,青稞BG稀溶液存放三天后顯微圖片上顯示BG分子聚集為圓形小顆粒和微小纖維。在類似的報道中,有人對燕麥BG的分子微觀結構和聚集性質做了研究,Jia Wu[18]等人利用原子力顯微鏡觀察了BG的聚集過程,結果發現10 μg/mL 的樣品在室溫存放10 d后,BG分子聚集為纖維狀分子。

3　結論

BG凝膠在溫度升高時能夠熔化,凝膠熔化溫度范圍為40～80 ℃;對于同一儲存溫度下的BG凝膠,熱力學參數值隨著凝膠的濃度增加而增加;對于同一濃度的樣品,凝膠的熱穩定性隨著溫度降低而增加。DMA分析結果表明BG凝膠,當樣品儲存溫度相同時,凝膠G′值隨著樣品濃度的增加而增加;當樣品濃度相同時,5 ℃形成的凝膠G′值大于21 ℃形成的凝膠的G′值。利用AFM從微觀上了解青稞BG分子的聚集過程,結果發現青稞BG分子在溶液中會發生自動聚集,且聚集狀態與青稞BG凝膠存放時間和濃度有關,在不同聚集階段的樣品中分別發現有小球狀、纖維狀和網狀聚集結構。

本文研究發現青稞BG能夠形成熱可逆的水凝膠,具有作為凝膠劑應用于食品工業的潛力,尤其是應用于保健食品。所以可以采用不同濃度的樣品,制備出性質不同的凝膠以適用于不同的應用需要。而且作為高分子多糖,青稞BG凝膠在生物材料和醫學等領域也有廣闊的發展前景。

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Study on the thermal property,dynamic viscoelasticity and microstructure of Hulless barleyβ-glucan gel

SHAO Shu1,2,DONG Ji-lin1,2,*,SHEN Rui-ling1,2,SUN Yong-gan1,2

(1.College of Food and Biological Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China;2.Collaborative Innovation Center for Food Production and Safety,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China)

The thermal property and dynamic viscoelasticity of Hulless barleyβ-glucan gel(BG)as well as microstructure were investigated respectively in order to provide a theory foundation on food industry. The differential scanning calorimeter(DSC)analysis showed that the onset temperature(To),peak temperature(Tp),end temperature(Tc)and enthalpy of gelatinization(ΔH)increased with the increase of the concentration,when the gels were prepared in the same temperature;while the gels had the same concentration,the thermostability of gels decreased with the increase of the preparation temperature. The dynamic viscoelastometer(DMA)analysis demonstrated that the value of G′increased with the increase of solution concentration and the preparation temperature,suggesting that the cross-linked structures among the gels was increased. The atomic force microscope(AFM)indicated that the BG molecules could naturally gather. In addition,the aggregation level of BG molecules became higher with the rise of gels concentration and the extension of the storing time of gels. Especially,when solution concentration was 100 μg/mL,the network-like structures would be formed among BG molecules.

Hulless barleyβ-glucan;gel;thermal property;dynamic viscoelasticity;microstructure

2015-06-03

邵舒(1988-),女,碩士,研究方向:谷物營養與加工研究,E-mail:245480974@qq.com。

董吉林(1968-),博士,副教授,研究方向:谷物加工,E-mail:dji1968@163.com。

公益性行業(農業)科研專項(201403063)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0054-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.002