魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白的相互作用

謝建華，謝丙清，龐 杰,4,*，張 民，林常青，張桂云

(1.漳州職業技術學院食品與生物工程系，福建 漳州 363000；2. 農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心，福建 漳州 363000；3.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；4.哈佛大學物理系，美國 馬薩諸塞州 劍橋 02138；5.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457）

魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白的相互作用

謝建華1,2，謝丙清3，龐 杰3,4,*，張 民5,*，林常青1，張桂云1

(1.漳州職業技術學院食品與生物工程系，福建 漳州 363000；2. 農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心，福建 漳州 363000；3.福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002；4.哈佛大學物理系，美國 馬薩諸塞州 劍橋 02138；5.天津科技大學食品工程與生物技術學院，天津 300457）

以魔芋葡甘聚糖和乳清蛋白為研究對象，通過溶脹平衡的數學分析方法，計算偏摩爾自由能的變化，預測溶脹平衡參數。利用流變學實驗分析魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白的流體行為和黏彈特性。結果表明：魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白比例7∶3（m/m）以上時，其混合凝膠的動態模量基本不隨應力變化，且溫度對其模量影響不明顯，這說明體系達到溶脹平衡；魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白比例低于7∶3時，體系穩定性隨乳清蛋白比例增加而降低。頻率掃描和溶脹行為分析進一步表明，魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白比例在7∶3以上時，其混合體系具有協同增效作用。

魔芋葡甘聚糖；乳清蛋白；溶脹平衡；流變性質

食品體系多數是復雜的混合體系，多糖和蛋白質是構成食品的兩大重要組分，其相互作用形式和程度決定了食品材料體系的最終結構，并進而主導各種食品功能的體現[1-4]。因此研究蛋白-多糖的相互作用已成為目前食品科學相關領域科技工作者關注焦點之一[5-6]。近年來國內外不少研究者對多糖與蛋白質相互作用進行探索，但由于其存在著熱力學不相容特征[7-8]，因此如何有效地改善體系組分之間的相容性，控制分散相的形態及其相互凝聚已經成為構建優質凝膠食品的關鍵問題[9-10]。

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是由D-葡萄糖和D-甘露糖按1∶1.6的比例以β-1,4-糖苷鍵聚合的大分子多糖，具有優良的膠凝特性[11-15]，已被廣泛應用于食品、醫藥等領域[16-21]。乳清分離蛋白（whey protein，WP）作為一種優質的動物性蛋白資源，可以作為一種可食用性的膜，用于改善產品的口感和保護其風味，具有良好的香味隔絕性和釋放性能[22-23]，已應用于焙烤食品、冷凍甜點、發酵乳制品、營養型飲料、干酪和肉制品等食品的加工中[24-25]。

目前，對于蛋白質-多糖之間的復合作用以及相行為的研究較多，但將資源豐富的魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白相互作用機理的研究較少。溶脹平衡、動態黏彈性已成為衡量大分子體系相互作用的手段，在多糖、蛋白質及多糖與蛋白質之間的作用機理研究方面發揮重要作用。基于此，本研究以魔芋葡甘聚糖和乳清分離蛋白為研究對象，通過溶脹平衡的分析方法預測乳清分離蛋白與魔芋葡甘聚糖的溶脹平衡參數，通過流變學實驗分析乳清分離蛋白與魔芋葡甘聚糖體系的流體行為和黏彈特性，探討乳清分離蛋白-魔芋葡甘聚糖混合體系相互作用機理，以期為今后的蛋白與多糖的研究及實際生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋葡甘聚糖（食品級） 昭通市三艾有機魔芋發展有限公司；乳清蛋白（S3107，蛋白含量大于80%）源葉生物科技有限公司；其他試劑皆為分析純。

1.2 儀器與設備

Rheoplus MCR301流變儀 奧地利安東帕有限公司；JB200-S數顯電動攪拌機 上海標本模型廠；HH-2數顯恒溫水浴鍋 江陰市保利科研器械有限公司；PL402-C電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白相互作用原理

在一定的條件下，魔芋葡甘聚糖脫去乙酰基，分子鏈變成裸狀，雙螺旋結構開環交叉，在氫鍵和疏水相互作用下發生相互纏繞，形成具有網狀結構的凝膠[26-27]。魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白的溶脹過程可看成是乳清分離蛋白分子與魔芋葡甘聚糖分子網鏈的混合疊加網絡形變過程，溶脹平衡時乳清分離蛋白的偏摩爾自由能與魔芋葡甘聚糖的偏摩爾自由能為零[28]。乳清分離蛋白的偏摩爾自由能由兩部分組成，即混合偏摩爾自由能和網絡彈性形變時的偏摩爾自由能

式中：λ為魔芋葡甘聚糖網鏈的拉伸比，是各向同性的。若體系中乳清分離蛋白的物質的量為n1，其摩爾體積為V1。

式中：φ2為魔芋葡甘聚糖在溶脹體中所占的體積分數；ρ2為魔芋葡甘聚糖的密度/（g/mL）；V1為乳清分離蛋白的摩爾體積；MC為有效鏈的平均相對分子質量；χ為Huggins參數。

當混合自由能與網鏈熵彈性取得平衡時，網絡就停止溶脹，達到溶脹平衡狀態。魔芋葡甘聚糖在溶脹平衡時的體積與溶脹前體積之比為溶脹度Q；魔芋葡甘聚糖的體積分數為φ2；則溶脹度為：溶脹度Q值可以根據高聚物溶脹前后的體積或質量求得：

式中：V1、V2分別為乳清分離蛋白和魔芋葡甘聚糖體積/mL；w1、w1分別為乳清分離蛋白和魔芋葡甘聚糖質量/g；ρ1、ρ1為分別為乳清分離蛋白和魔芋葡甘聚糖密度/（g/mL）。由上式可以得到：

式中：χ表示魔芋葡甘聚糖分子鏈段與乳清分離蛋白分子間的相互作用，其值大于零，表示魔芋葡甘聚糖鏈段成松懈的團狀，溶脹度低。故，Q與χ呈負相關，χ越大，則Q越小。

式中：A2為魔芋葡甘聚糖分子在流動相中的第二維里系數，與Flory-Huggins參數χ一樣都能表示魔芋葡甘聚糖分子鏈段與乳清分離蛋白分子間的相互作用；

V2

0為魔芋葡甘聚糖的比容；V1為乳清分離蛋白的摩爾體積分數。

1.3.2 乳清分離蛋白與魔芋葡甘聚糖的溶脹平衡分析

1.3.2.1 魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白溶膠制備

復配膠根據其流變學特性[29]，確定總質量濃度（15 g/L），按照一定的質量比例復配而成。將稱量好的魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白倒入處于一定溫度攪拌狀態蒸餾水（200 mL）中，持續攪拌一定時間后冷卻至室溫，備用。

1.3.2.2 魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白混合體系流變特性研究

采用MCR301型流變儀測定不同配比的魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白混合體系的黏度、應力隨剪切速率及儲能模量G’和損耗模量G”隨應力、溫度、頻率的變化。

具體實驗儀器參數為：Φ50 mm平行板測量系統，平板間距為1 mm。實驗時樣品都用油封，以免水分蒸發。具體實驗方法如下：1）靜態剪切流變實驗：在（30±1） ℃條件下觀察樣品的黏度、剪切應力與剪切速率的相關性（剪切速率掃描范圍0.01～10 s－1）；2）應變掃描：在（25±0.2） ℃、頻率1.0 Hz條件下分別觀察不同樣品的儲能模量G’、損耗模量G”與應變的相關性（應變掃描范圍0.01%～100%）；3）溫度掃描：應變1%、頻率1.0 Hz，觀察不同樣品的儲能模量G’、損耗模量G”與溫度的相關性（溫度掃描范圍：20～90 ℃，速率5 ℃/min）；4）頻率掃描：在（25±0.2） ℃、應變1%條件下分別觀察不同樣品的儲能模量G’、損耗模量G”與頻率的相關性（頻率掃描范圍0.1～10 Hz）。

1.3.2.3 魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白體系的溶脹行為分析

采用平衡溶脹質量法進行測定[30]：將魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白凝膠浸泡于一定體積的水溶液中，測定不同時間凝膠的質量。

1.4 數據統計分析

實驗過程中測定所得的數據利用SAS V8軟件進行統計學分析，使用Origin Lab軟件進行圖片的繪制。

2 結果與分析

2.1 魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白的溶脹平衡分析

魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白溶脹至凝膠的過程中，乳清分離蛋白分子力圖進入魔芋葡甘聚糖分子網鏈中，由于魔芋葡甘聚糖分子體積膨脹導致網狀分子鏈向三維空間伸展，使分子網受到應力而產生彈性收縮能，力圖使分子鏈收縮。

基于Flory-Huggins模型，得到了乳清分離蛋白對魔芋葡甘聚糖溶膠及凝膠的溶脹平衡參數（χ），到乳清分離蛋白的摩爾體積分數（V1）的影響。χ表示乳清分離蛋白分子與魔芋葡甘聚糖分子網鏈的混合疊加網絡形變程度過程，其值大于零，表示魔芋葡甘聚糖鏈段成松懈的團狀，溶脹度低。由χ預測，魔芋葡甘聚糖的溶脹度與乳清分離蛋白的摩爾體積分數成反比，即乳清分離蛋白的摩爾體積分數越大，魔芋葡甘聚糖的Q值越小。這也說明了乳清分離蛋白摩爾體積分數較低的條件下，達到溶脹平衡。

2.2 魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白混合體系剪切性質分析

圖 1 KGM-WP溶膠中剪切速率與剪切應力的關系Fig. 1 Relationship between shear rate and shear stress of KGM-WP gels

圖1為30 ℃條件下不同配比的魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白共混復合溶膠的剪切速率與剪切應力相關性。由圖1可知，魔芋葡甘聚糖和乳清分離蛋白復合溶膠體系具有假塑性流體的特征，隨著乳清分離蛋白組分比例的增加，呈現明顯的剪切變稀現象，這說明，在特定的條件下，乳清分離蛋白能夠促進魔芋葡甘聚糖的溶脹及凝膠，幾乎達到溶脹平衡，提高魔芋葡甘聚糖的凝膠穩定性。

圖 2 KGM-WP溶膠中剪切速率與黏度的關系Fig. 2 Relationship between shear rate and viscosity of KGM-WP gels

由圖2可知，魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白共混復合溶膠在低剪切速率的表觀黏度隨剪切速率的增加而下降的速率遠遠高于高剪切速率時黏度下降速率，這可能是因為在低剪切速率時共混復合溶膠中高分子間的無規線團結構受到破壞，其分子開始形成一定的有序排列，分子間作用力減小；在剪切速率進一步增大時，共混復合溶膠內部形成了相對穩定有序的結構，從而使黏度下降速率逐步降低。這與圖1共同驗證了溶脹平衡的數學分析方法。

2.3 魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白混合體系動態力學分析2.3.1 應變掃描

黏彈性是評價凝膠力學性能的重要參數，儲能模量（彈性模量）G’是用來度量剪切應力存在時，彈性貯存在體系中的剪切能量的尺度，因此也是衡量彈性的尺度；損耗模量G”是由于黏性流動而導致轉化為熱的能量的大小，因此也就是不可逆的衰減的剪切能部分，是衡量黏度的尺度。應變掃描的基本原理是給樣品施加拉力，并且“拉力”可調，在施加壓力過程中，最終達到樣品被破壞的目的，以分析樣品抗破壞能力的強弱。圖3為不同配比的魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白混合溶膠的應變掃描圖，可以看出，魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白比例4∶1和7∶3時G’和G”值很接近，且隨著剪切應力變化趨勢不明顯；當乳清分離蛋白比例增加時，G’和G”相差值隨著剪切應力增加而下降，損耗模量下降速度大于儲能模量，其G”與G’相差值隨著剪切應力增加而增加，這說明乳清分離蛋白比例增加其體系抗破壞能力下降，當魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白比例小于7∶3時，此時體系不能形成凝膠，表現為液體的特性。

2.3.2 溫度掃描

圖 4 溫度對KGM-WP混合溶膠黏彈性的影響Fig. 4 Effect of temperature on viscoelastic properties of KGM-WP gels

由圖4可知，加熱過程中不同配比的魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白混合溶膠的G’和G”隨著溫度的升高均逐漸降低。隨著乳清分離蛋白組分比例的增加，當魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白比例1∶1時G’和G”不再有交點，且耗損模量始終大于儲能模量，這說明體系呈現液體特性，魔芋葡甘聚糖和乳清分離蛋白混合溶膠沒完全形成凝膠，可能有部分乳清分離蛋白未與魔芋葡甘聚糖結合。隨著溫度的升高耗損模量與儲能模量之差也隨著增大。這可能是因為隨著溫度的升高，未完全結合的乳清分離蛋白的性質會發生變化，尤其是高溫時容易發生蛋白質變性，分子鏈的高級結構被破壞，導致了鏈和鏈間的作用減弱。當魔芋葡甘聚糖與乳清分離蛋白的比例為4∶1和7∶3時，G’和G”很接近，比差較小，并且不會隨著溫度的變化出現較大的差距，這說明在此比例下，魔芋葡甘聚糖與乳清分離蛋白的混合溶膠性能很穩定，這也驗證了溶脹平衡的數學分析方法。

2.3.3 頻率掃描

圖 5 頻率對KGM-WP混合溶膠黏彈性的影響Fig. 5 Effect of frequency on viscoelastic properties of KGM-WP gels

為了進一步從微觀結構運動的角度了解魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白混合溶膠體系性能，測試了樣品不同振動頻率時的黏彈性。由圖5可知，在低頻率時各比例的混合溶膠的儲能模量G’均低于其損耗模量G”，當頻率進步提高時，所有樣品的模量均升高，儲能模量G’增加的速度比損耗模量G”大，且達到一定頻率時儲能模量G’大于損耗模量G”，這可能是由于共混體系中分子鏈間發生交互作用、使大分子聚集從而形成聚集體，在分子鏈間產生新的纏結，從而使體系形成穩定網絡結構，表現出彈性體性質。但從圖5可看出，魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白比例7∶3和3∶2模量變化曲線基本一致，其交叉點的頻率與比例4∶1相差不明顯，這說明魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白比例3∶2也可形成較穩定體系。乳清分離蛋白比例增加其儲能模量和損耗模量的交叉點的頻率也增加，這說明當乳清蛋白與魔芋葡甘聚糖超過一定比例時，體系穩定性隨乳清分離蛋白比例增加而降低。

2.4 魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白溶膠的溶脹行為分析

由圖6可知，魔芋葡甘聚糖-乳清蛋白凝膠的溶脹過程服從零級動力學模型。體系隨著乳清分離蛋白組分比例的增加，凝膠溶脹的速率常數發生復雜變化。當魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白的比例為2∶3時，其溶脹速率常數高（|k|≥0），當魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白的比例為4∶1～3∶2時，溶脹的速率急劇減少（|k|≤5），并隨著乳清分離蛋白組分比例的增加，出現一定的波動。這是因為乳清分離蛋白在體系中的作用不僅作為交聯劑參與形成凝膠，而且過量的乳清分離蛋白使得體系的溶脹速度更加強烈，導致體系不穩定。

3 結 論

根據溶脹平衡的數學方法，預測魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白混合溶膠的溶脹平衡參數，量化乳清分離蛋白與魔芋葡甘聚糖的比例。通過流變學實驗分析，確定魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白混合體系具有假塑性特性。同時，對魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白混合體系黏彈特性研究表明，當魔芋葡甘聚糖與乳清分離蛋白的比例大于7∶3時，在相當寬的應變范圍內，魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白凝膠的動態模量基本不隨應力變化，說明其線性黏彈性范圍很寬，在此比例下其混合體系形成穩定凝膠。在此比例條件下溫度對該體系模量影響很小，彈性模量G’和損耗模量G”變化趨勢很接近，且彈性模量G’與損耗模量G”相差很小，這說明該體系達到溶脹平衡。從頻率掃描看，魔芋葡甘聚糖與乳清分離蛋白的比例為7∶3和3∶2時，其模量變化曲線基本一致，這說明魔芋葡甘聚糖與乳清分離蛋白的比例為3∶2時，共混體系也形成較穩定體系，從溶膠的溶脹行為分析也得到確認，但該比例可能易受外界因素的影響，所以從實際應用考慮應將魔芋葡甘聚糖-乳清分離蛋白比例確定7∶3以上為宜。

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Interactions between Konjac Gum and Whey Protein

XIE Jianhua1,2, XIE Bingqing3, PANG Jie3,4,*, ZHANG Min5,*, LIN Changqing1, ZHANG Guiyun1
(1. Department of Food and Biology Engineering, Zhangzhou Profession and Technology Institute, Zhangzhou 363000, China; 2. The Applied Technical Engineering Center of Further Processing and Safety of Agricultural Products, Higher Education Institutions in Fujian Province, Zhangzhou 363000, China; 3. College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; 4. Department of Physics, Harvard University, Cambridge 02138, USA; 5. College of Food Engineering and Biotechnology, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China)

In this study, a composite gel was prepared with konjac glucomannan (KGM) and whey protein (WP). The change in partial molar free energy was calculated through mathematical analysis of equilibrium swelling to predict swelling equilibrium parameters. Rheological experiments were applied to evaluate fluid behavior and viscoelastic properties of KGM-WP gels. The results revealed that the composite system achieved swelling equilibrium when the ratio between KGM and WP was greater than 7:3 (m/m). In this situation, the dynamic modulus remained constant with stress changes, and it was not signif i cantly affected by temperature. At a KGM-WP ratio lower than 7:3 the stability of the composite gel decreased with increasing WP proportion. Frequency scanning and swelling behavior analysis indicated that a synergistic effect existed between KGM and WP at a ratio above 70%.

konjac glucomannan (KGM); whey protein (WP); swelling equilibrium; rheological property

10.7506/spkx1002-6630-201705016

TS219

A

1002-6630（2017）05-0098-06

謝建華, 謝丙清, 龐杰, 等. 魔芋葡甘聚糖與乳清蛋白的相互作用[J]. 食品科學, 2017, 38(5): 98-103. DOI:10.750/ spkx1002-6630-201705016. http://www.spkx.net.cn

XIE Jianhua, XIE Bingqing, PANG Jie, et al. Interactions between konjac gum and whey protein[J]. Food Science, 2017, 38(5): 98-103. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201705016. http://www.spkx.net.cn

2016-04-04

國家自然科學基金面上項目（31471704；31271837；31301599）；福建省自然科學基金項目（2014J01378）；福建省中青年教師教育科研項目（JA15697）

謝建華（1976—），男，副教授，碩士，研究方向為天然產物化學與應用。E-mail：xiejh2001@163.com

*通信作者：龐杰（1965—），男，教授，博士，研究方向為食品化學與營養。E-mail：pang3721941@163.com

張民（1972—），男，教授，博士，研究方向為食品化學與營養。E-mail：zm0102@tust.edu.cn