大目金槍魚皮明膠 與κ-卡拉膠復配膠凝膠特性探究

李曉藝,蘇現波,韓 霜,馬 良,2,蔡路昀,張宇昊,2,*

(1.西南大學食品科學學院,重慶 400715; 2.西南大學國家食品科學與工程實驗教學中心,重慶 400715)

明膠是一種重要的天然高分子化合物,通過膠原蛋白的部分水解制得。在食品工業中,明膠多用于糖果[1]、乳制品[2]和肉制品[3]中。明膠是熱可逆凝膠,能夠在凝膠和溶膠之間進行可逆的轉化。明膠凝膠主要由氫鍵維持,所以加熱時凝膠會熔化[4-5]。水產動物來源明膠因其亞基氨基酸含量較哺乳動物低,導致凝膠機械強度差,融化溫度更低[6],從而限制了其在食品工業中的應用。

在食品應用中,采用一些親水膠與明膠產生相互作用,可改善水產明膠的缺陷,以擴大水產明膠的使用范圍提高其性質[7-8]。林好等[9]將魔芋葡甘聚糖和明膠復配后,其粘著性、增稠性、穩定性等性能得到了改善。

卡拉膠,又稱角叉菜膠,主要由α(1-4)-3,6-D-吡喃半乳糖和β(1-3)-D-吡喃半乳糖為基本骨架交替連接[10],目前食品領域最常用的為κ-卡拉膠。κ-卡拉膠的凝膠特性與3,6-內醚鍵與硫酸酯基團密切相關[11],也是一種熱可逆凝膠,常被用作食品加工中的膠凝劑,但單獨使用時都有一定的局限,κ-卡拉膠在低濃度時就能形成凝膠,但其凝膠脆性大,彈性小,而明膠在低濃度時黏度、凝膠溫度和熔化溫度都較低,常溫下不易凝膠成型。有研究表明軟糖制作時,將卡拉膠與明膠進行復配,可以制作出彈性和硬度均較為理想的軟糖[12],原因在于二者間產生的相互作用。目前對于卡拉膠與明膠相互作用方面有少量報道,劉波等[13]曾將κ-卡拉膠和明膠復配,研究了復配比例、濃度及溫度對復配溶液表觀粘度的影響。結果表明,表觀粘度隨κ-卡拉膠所占比例的增大而增大,隨著復配膠濃度的增加而增加,隨著測定溫度的升高而降低;在總膠含量4%,卡拉膠/明膠為3∶7的配比下,復配膠液流動性好,冷卻后可形成富有彈性和咀嚼性的凝膠體。該研究主要針對在明膠-卡拉膠溶液體系的特性,對于凝膠體系特性隨二者配比變化并未研究。王露等[14]對卡拉膠/明膠混合體系的相行為進行了研究,結果表明混合體系下,卡拉膠和明膠的相互作用會阻礙各自螺旋聚集過程,混合體系凝膠化由卡拉膠主導,該報道主要集中在二者混合體系的相行為變化,并未研究二者凝膠體系的宏觀特性。由此可見,將卡拉膠和明膠復配可以改善體系凝膠特性,但目前卡拉膠-明膠體系凝膠特性隨配比的變化規律及其分子機制尚缺乏系統研究。

因此,本研究將大目金槍魚皮明膠與κ-卡拉膠混合制成復配膠,研究了不同配比的復配膠的凝膠強度、流變學性質、凝膠持水性、質構特性等性質,并通過紅外光譜分析和電鏡掃描探究明膠與κ-卡拉膠分子間的交互機制,初步探索二者復配體系中凝膠特性變化的原因,以期為擴大這兩種食品膠體的應用特別是在軟糖工業中的應用奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

新鮮大目金槍魚皮 山東中魯遠洋(煙臺)食品有限公司(捕撈海域:太平洋(FAO 77海域));κ-卡拉膠 分析純,上海阿拉丁生化科技有限公司;鹽酸、冰乙酸、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、氫氧化鈉、溴化鉀 分析純,成都市科龍化工試劑廠;溴化鉀 光譜純,成都市科龍化工試劑廠。

JA3003B型電子天平 上海精天電子儀器有限公司;PHS-25型數顯酸度計 杭州雷磁分析儀器廠;8002型溫控水浴鍋 北京永光明醫療儀器廠;101-4-S型電熱恒溫鼓風干燥箱 上海躍進醫療器械廠;FD-1-50型真空冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司;5810R型冷凍離心機 德國Eppendorf公司;HX-1005型恒溫循環器 鄭州長城科工貿有限公司;CT-3型質構儀 美國博勒飛公司;DHR-1型TA流變儀 美國TA公司;Spectrun100型紅外光譜儀 美國PerkinElmer公司;HITACHI E1010型離子濺射儀、S-3000N型掃描電子顯微鏡 日本日立儀器公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 金槍魚皮明膠的制備 基礎工藝條件參照Karayannakidis等[15]的方法并做一些改進:將金槍魚皮去鱗,洗凈,剪碎、漂洗并瀝干,以質量濃度1%的SDBS超聲脫脂2 h[16],水洗后,以質量濃度為0.8%的氫氧化鈉溶液處理1 h,去除雜蛋白,每30 min換一次液。水洗后,以質量濃度為2.2%的乙酸溶液處理1 h,去除殘留的堿液。水洗至pH4.5左右,在55 ℃條件下提膠6 h,濾除皮渣后,抽濾,60 ℃烘干24 h,即得明膠成品,密封于干燥皿中備用。

1.2.2 明膠/κ-卡拉膠復配膠的配制 分別配制質量濃度為5%(w/v)的明膠溶液和κ-卡拉膠溶液,分別取一定的量以不同比例混合并攪拌均勻,加適量的水使得最終復配膠的總質量濃度為3%(w/v),配比為:10∶0、9∶1、7∶3、5.5∶4.5、5∶5、4.5∶5.5、3∶7、1∶9、0∶10(明膠∶卡拉膠)。

1.2.3 不同配比復配膠凝膠強度的測定 參照GB 6783-2013《食品添加劑 明膠》中凝膠強度的測定方法,測定不同混合比例復配膠的凝膠強度。配制總濃度相同,混合比例不同的復配膠,將其在(10±0.1) ℃恒溫循環器中凝凍16～18 h,采用CT-3質構儀測定凝膠強度。選用TA5圓柱型探頭,下壓速度1 mm/s,下壓距離4 mm,得出凝膠強度數值[17],結果取整數。

1.2.4 流變學試驗 測定明膠與κ-卡拉膠復配膠的儲能模量G′和損耗模量G″隨溫度、黏度η隨剪切速率的變化,方法參照陳麗清[18]并做適當調整。參數設置:40 mm鋁平板;間距:1000 μm。靜態剪切流變試驗:觀察樣品的黏度與剪切速率的相關性,剪切速率的掃描范圍:0.01～100 s-1,測試溫度30 ℃。動態溫度掃描:穩定時間為5 min,固定振蕩頻率為1.0～10 rad/s,溫度掃描范圍25～75 ℃,速率2 ℃/min。

1.2.5 不同配比復配膠凝膠持水率的測定 持水率的測定方法參照齊海萍[19],取一定質量(W1)的凝膠,切成大小均一的小粒,在溫度為20 ℃,轉速為4000 r/min下離心5 min,取出凝膠體用濾紙將表面水分吸干后稱量(W2),凝膠體持水率按下式計算:

式中:W1為離心前凝膠質量,g;W2為離心后凝膠質量,g。

1.2.6 不同配比復配膠質構特性的測定 使用CT-3質構儀測定復配膠的質構特性。參數設置:探頭:TA5;測試類型:TPA;測試速度:5 mm/s;測試距離:20 mm;觸發力:5 g;可得到硬度、彈性、咀嚼性、膠著性、內聚性等參數[17]。

1.2.7 紅外光譜掃描 分別取一定量的不同配比的復配膠,冷凍干燥后剪碎。稱取1 mg樣品與100 mg溴化鉀混合研磨,40 ℃烘干后壓片,用紅外光譜儀掃描400～4000 cm-1的吸收光譜,掃描次數32次,分辨率4 cm-1[20]。

1.2.8 電鏡掃描 分別取一定量的不同配比的復配膠,冷凍干燥后剪碎。從各個樣品中分別選取一定大小的樣品,用專用的雙面膠固定,HITACHI E1010型離子濺射儀噴金處理50 s[21],使用電子顯微鏡觀察各個樣品的微觀結構。

1.3 數據處理

數據分析處理采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件,并用Origin 8.軟件做圖。

2 結果與分析

2.1 不同配比復配膠的凝膠強度分析

從表1中可看出,質量濃度為3%的明膠的凝膠強度為34 g,而3%的κ-卡拉膠凝膠的凝膠強度高達504 g,顯著高于明膠的凝膠強度(p<0.05),這說明κ-卡拉膠分子之間的相互作用力遠遠高于明膠分子間的相互作用力。將明膠與κ-卡拉膠混合后,明膠/κ-卡拉膠比例為9∶1時不能形成凝膠,繼續增大κ-卡拉膠的比例,復配膠的凝膠強度隨著κ-卡拉膠比例的增大不斷增大,但均小于κ-卡拉膠凝膠的凝膠強度。Sinthusamran等[22]將明膠與κ-卡拉膠共混,使κ-卡拉膠所占的總固體比例分別為0、25%、50%、75%、100%,結果顯示,隨著κ-卡拉膠的含量不斷增加,凝膠強度由211 g逐漸增大到430 g,混合膠凝膠強度的增大依賴于κ-卡拉膠的濃度,由此推斷復配膠的凝膠結構可能由卡拉膠主導。

表1 不同配比對復配膠凝膠強度的影響Table 1 Effect of ratio on the gel strength of compound gel

2.2 不同配比復配膠的流變學性質分析

2.2.1 不同配比復配膠的黏度隨剪切速率的變化 本研究測定了不同配比復配膠的黏度隨剪切速率的變化,結果如圖1所示。可以看出,隨著剪切速率的不斷增加,所有凝膠的黏度均隨著剪切速率的增大而下降,這說明明膠與κ-卡拉膠及其復配膠均呈現假塑性流體的性質,凝膠的黏度受剪切速率大小的影響,表現為剪切變稀。單組分κ-卡拉膠溶液黏度較高,而明膠溶液黏度較低。當體系中明膠與卡拉膠比例達到7∶3時,體系黏度明顯增大,證明當體系中卡拉膠濃度達到30%時,可大幅提升體系黏度特性;當卡拉膠比例在45%～90%時,在低剪切速率下體系的黏度呈現增加趨勢,高剪切速率下黏度特性趨近。表明當體系中卡拉膠比例超過45%時,樣品在高剪切速率下呈現相近的有序結構[23]。純卡拉膠體系則在高剪切速率下呈現比混合樣品更高的黏度,說明體系中明膠的存在會影響高剪切速率下體系有序結構的形成。

圖1 不同配比復配膠黏度與剪切速率的關系Fig.1 Relationship between the viscosity of the compound gel and the shear rate

2.2.2 不同配比復配膠的G′與G″隨掃描溫度的變化 為了解溫度對不同配比復配膠黏彈性的影響,本研究配制了質量濃度為3.0%的明膠、不同配比的復配膠和κ-卡拉膠凝膠,測定溫度對復配膠黏彈性的影響,結果如圖2所示。儲能模量G′和損耗模量G″分別代表著凝膠的彈性性質與粘性性質。由圖2a可知,明膠凝膠在低溫下的G′和G″均不超過20,當溫度大于20 ℃時,即達到底值且趨于平穩。由圖2b、圖2c可知,所有復合凝膠和卡拉膠的G′和G″均明顯高于明膠凝膠,且隨著溫度的升高逐漸降低,而且整個升溫過程中,復配膠的G′和G″隨著κ-卡拉膠比例的增大而增大,說明卡拉膠在凝膠體系中占據主導。通常情況下,將升溫過程中G′=G″時的溫度定義為凝膠的熔化溫度。復配膠中κ-卡拉膠的比例越高,復配膠的熔化溫度越高(表2)。這些趨勢均表明,κ-卡拉膠的加入,提高了復配膠的凝膠性,研究結果與孫哲浩[24]的結果相符。

圖2 溫度對明膠的G′和G″(a)、不同配比復配膠 及卡拉膠的G′(b)和G″(c)影響Fig.2 The effects of temperature on the G′ and G″ of the gelatin(a),G′(b)and G″(c)of the compound gel and the κ-carrageenan

表2 明膠、κ-卡拉膠及復配膠的熔化溫度Table 2 Melting temperature of gelatin, κ-carrageenan and compound gel

綜合凝膠強度和流變學試驗的結果可以看出,質量濃度為3%的條件下,κ-卡拉膠分子間相互作用明顯高于明膠分子間相互作用,因此當將兩者混合制成復配膠后,κ-卡拉膠的比例對復配膠的性質的影響尤其明顯。κ-卡拉膠的比例越高,復配膠的凝膠強度、黏度、儲能模量和損耗模量越高。

2.3 不同配比復配膠的凝膠持水率分析

凝膠的持水力代表著凝膠體系網狀結構束縛水分的能力,持水力的大小影響著產品的質構特性和加工損失[25]。不同配比復配膠的凝膠持水率如圖3所示。從中可看出,單組分明膠或κ-卡拉膠溶液的凝膠持水性較高,達到97%以上。兩者復配后,凝膠持水率降低。明膠與卡拉膠配比為7∶3與5.5∶4.5時持水率顯著降低(p<0.05),尤其是配比為7∶3時。這可能與體系中κ-卡拉膠含量低,卡拉膠和明膠的相互作用會阻礙各自的螺旋聚集[26],造成凝膠網絡結構形成不夠密集有關。其他配比凝膠持水率無顯著性變化。在實際應用中,將明膠/卡拉膠復配時,可在5∶5～0∶10范圍內調整配比調節凝膠特性,不會影響產品持水性。

圖3 不同配比對復配膠凝膠持水率的影響Fig.3 Effect of ratio on the gel water-holding capacity of compound gel

2.4 不同配比復配膠的質構特性分析

由表3可知,復配膠中,隨著κ-卡拉膠比例的逐漸增大,復配膠的硬度隨之增大,但始終低于單組分κ-卡拉膠凝膠。與單組分明膠凝膠相比,明膠/κ-卡拉膠配比為7∶3時,復配膠硬度低于明膠凝膠,繼續增大κ-卡拉膠比例,各組復配膠凝膠硬度均高于明膠凝膠。咀嚼性和膠著性是硬度的補充參數,變化趨勢與硬度相同。復配膠的內聚性隨著κ-卡拉膠比例的增大而減小,κ-卡拉膠的加入使得凝膠變得脆而白,表現為保持凝膠自身完整性的能力下降[27],這可能與κ-卡拉膠本身較易形成硬而脆的凝膠有關。復配膠的彈性隨著κ-卡拉膠比例的增大而輕微下降,但無顯著變化(p>0.05)。

表3 不同配比對復配凝膠質構特性的影響Table 3 Effect of different ratio on the texture of compound gel

將凝膠持水率和凝膠質構特性結果綜合來看,復配膠在明膠/κ-卡拉膠比例為7∶3時出現了拐點,可能是由于κ-卡拉膠含量較低,此時體系中明膠與κ-卡拉膠存在的分子間交互作用導致凝膠無法形成致密的網絡結構。隨著κ-卡拉膠含量進一步增加,卡拉膠之間的作用可能逐漸占據主導,將明膠包裹在網絡中。由此推斷,明膠與κ-卡拉膠交互越多,凝膠持水力和質構特性越差。通過凝膠持水率和質構的特性變化趨勢初步推測,當明膠/κ-卡拉膠比例為7∶3時,兩者分子間的交互作用最多。

2.5 紅外光譜掃描

紅外光譜中,可以根據光譜圖中個各譜帶的出峰位置、峰的強度和寬度等信息,對分子高聚物的構象進行分析。為探究各凝膠的構象,分別取明膠凝膠、各比例復配膠、卡拉膠凝膠進行紅外光譜分析,得到圖譜如圖4所示。κ-卡拉膠的紅外光譜圖中在926 cm-1與846 cm-1處出現了吸收峰,這兩者分別代表了3,6-內醚-D-半乳糖和4-硫酸基-β-D-半乳糖[28],證明本研究所使用的卡拉膠為κ-卡拉膠。明膠的紅外光譜圖中,酰胺Ⅰ帶出現在1634.87 cm-1處,代表了C=O基團伸縮振動的吸收峰;酰胺Ⅱ帶出現在1564.03 cm-1處,代表C-N基團的伸縮振動或N-H基團的彎曲振動;酰胺Ⅲ帶出現在1246.33 cm-1處,其強度與三螺旋的結構密切相關;此外,出現在3435.59 cm-1處的酰胺A帶,表明了N-H基團或O-H基團的伸縮振動。

圖4 不同配比復配膠紅外光譜圖Fig.4 FTIR spectra of compound gel of different ratio

各不同比例的復配膠的紅外光譜圖中,均出現了κ-卡拉膠與明膠的特征吸收峰,但酰胺A帶、Ⅱ帶的吸收峰位置發生了明顯的偏移。各個復配膠的酰胺A帶分別出現在3409.98 cm-1(7∶3)、3434.62 cm-1(5.5∶4.5)、3431.25 cm-1(5∶5)、3433.83 cm-1(4.5∶5.5)、3434.48 cm-1(3∶7)、3433.94 cm-1(1∶9)處,這與明膠凝膠相比,發生了紅移,表明明膠與κ-卡拉膠之間存在一定交互作用。這可能是由于存在于κ-卡拉膠分子鏈上的硫酸酯基團,與明膠的氨基端形成了氫鍵,導致氫鍵作用加強,從而使得酰胺A帶向低波數移動。此外,與明膠凝膠和卡拉膠凝膠相比,各個復配膠的酰胺Ⅱ帶吸收峰也發生了紅移,也說明了兩者之間存在氫鍵作用力。王露[14]也曾發現,明膠與卡拉膠混合溶液溫度逐漸降低形成凝膠后,復合物中主要作用力轉變為氫鍵作用力。配比為7∶3的復配膠的酰胺A帶與Ⅱ帶發生了明顯紅移,則表明此時明膠與κ-卡拉膠之間的交互作用最多,此時凝膠特性最差。逐漸增大卡拉膠的比例,明膠的含量逐漸減少,明膠與κ-卡拉膠的交互作用也隨之逐漸減少。說明復配膠中可能形成了以卡拉膠為主體的結構,與復配膠凝膠所表現出來的性質相符。

2.6 電鏡掃描

為了更好地觀察各個凝膠的微觀結構,試驗對配比為10∶0、0∶10、7∶3、5∶5、1∶9(明膠:κ-卡拉膠)的凝膠進行電鏡掃描,結果如圖5所示。

圖5 復配膠凝膠的電鏡掃描圖Fig.5 The SEM of compound gel注:明膠/卡拉膠比例從上到下依次為0∶10、10∶0、7∶3、5∶5、1∶9;從左至右分別為放大300倍、1500倍、5000倍。

單組分的明膠或κ-卡拉膠凝膠都結構緊密,表面平滑,兩者復配后出現褶皺與聚集,說明明膠與κ-卡拉膠混合后兩種高分子并不是簡單的混合在一起,而是通過分子間相互作用發生了一定的結合。明膠/κ-卡拉膠比例為7∶3時褶皺最多,說明此時兩者分子間的交互作用最多;逐漸提高κ-卡拉膠的比例至90%時,表面逐漸平滑緊密,與κ-卡拉膠的電子掃描圖接近,說明當卡拉膠比例超過30%后,復配膠逐漸以κ-卡拉膠為主體。電鏡掃描結果與紅外分析結果相一致。

3 結論

本試驗以明膠凝膠和κ-卡拉膠凝膠為參照,測定了不同配比復配膠的各項凝膠特性,結果表明:復配膠的凝膠強度、儲能模量和損耗模量均隨著κ-卡拉膠比例的增大而增大,明膠與κ-卡拉膠復配后較單純的明膠凝膠具有更強的增稠性。明膠/κ-卡拉膠配比為7∶3和5.5∶4.5時,復配膠凝膠持水性顯著下降。質構特性顯示,明膠/κ-卡拉膠配比為7∶3時,復配膠硬度低于明膠凝膠,繼續增大κ-卡拉膠比例,各組復配膠凝膠硬度均高于明膠凝膠,但低于κ-卡拉膠。咀嚼性和膠著性變化趨勢與硬度相同。紅外光譜分析結果說明κ-卡拉膠與明膠之間存在一定的交互作用,形成了分子間氫鍵。兩者間的交互作用在明膠/κ-卡拉膠的比例為7∶3時最強,與復配膠凝膠所表現出來的性質相符。電鏡掃描結果進一步說明了不同比例的κ-卡拉膠與明膠混合后,兩者通過氫鍵發生了不同程度的交互作用。以上結果為擴大這兩種食品膠體的應用奠定了理論基礎。在實際生產中,可通過改變明膠/κ-卡拉膠的配比來調節復配凝膠的特性以適應不同產品的需要。