κ-卡拉膠比例對明膠凝膠體系凝膠特性、水分分布及微觀結構的影響

郭琦，王欣，劉寶林

(上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海，200093)

明膠是一種食品工業中廣泛使用的凝膠劑，具有良好的膠凝性、熱可逆性和親水性，以及“入口即化”的特性[1]，但明膠單獨使用時，有凝膠時間較長、凝膠強度弱、形成凝膠所需濃度較高等局限性。將明膠與其他食用膠復配可改善其凝膠特性，擴大膠體適用范圍，滿足不同加工要求。研究表明，卡拉膠與明膠復配可形成凝膠強度和持水性均較好的凝膠體，表現出良好的協同增效作用。周愛梅等[2]研究發現，當明膠/卡拉膠比例為1∶3時，可形成良好凝膠，在兩者比例為5∶3時凝膠強度達到最大。王曉婧[3]研究發現，隨卡拉膠比例的增加，卡拉膠-明膠混合凝膠的硬度增加，彈性相對減弱，而持水性先增強后降低。SINTHUSAMRAN等[4]對魚明膠凝膠特性的研究發現，添加卡拉膠可使魚明膠凝膠體系的凝膠強度增加，但過高的卡拉膠含量則會削弱混合凝膠體系的彈性。

凝膠體系的微觀結構、水分狀態及分布與其宏觀性具有密切關系。THRIMAWAWITJANA等[5]研究了KCl對κ-卡拉膠的機械性能，微觀結構和流變性質的影響，發現加入低濃度KCl時，可增加體系的交聯密度，聚合物排列類似于蜂窩結構，這有助于凝膠體系具有較高的拉伸性能。黃遠芬等[6]運用低場核磁共振技術(low-field nuclear magnetic resonance，LF-NMR)研究了明膠-蔗糖/NaCl凝膠體系中水分狀態及比例的變化，發現體系的弛豫特性與凝膠強度間有良好的相關性。田海娟等[7]研究發現，大豆分離蛋白中11S球蛋白比例對蛋白凝膠水分分布、凝膠特性及微觀結構有顯著影響。劉施琳等[8]研究了多個因素對瓊脂凝膠強度及弛豫特性的影響，發現瓊脂凝膠的弛豫時間T23與凝膠強度存在極顯著(P<0.01)負相關，即凝膠中水分流動性越小，凝膠強度越大。

基于以上分析，本文以明膠-κ-卡拉膠體系為研究對象，采用質地剖面(texture profile analysis，TPA)/穿刺分析、低場核磁場共振(LF-NMR)、計算機斷層掃描技術(computed tomography，CT)和流變儀重點研究κ-卡拉膠比例對明膠凝膠強度、質構特性、水分分布、微觀結構和動態黏彈性的影響，分析2種膠的相互作用特點，為明膠與κ-卡拉膠形成的復配膠在食品中的應用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

κ-卡拉膠(食品級)，上海康達食品工程有限公司；B型豬骨明膠(食品級)，上海聯合食品添加劑有限公司；去離子水(自制)。

分析天平(PWC254型)，艾德姆衡器(武漢)有限公司；恒溫磁力攪拌器(85-2A型)，金壇市科析儀器有限公司；水浴恒溫振蕩器(THZ-82型)，常州智博瑞儀器制造有限公司；低場核磁共振分析儀(PQ-001型，氫譜，磁場強度(0.5±0.08)T，共振頻率23 MHz)，上海紐邁電子科技有限公司；質構分析儀(TA.XT.Plus Texture Analyser)，英國Stable Micro System公司；臺式真空冷凍干燥機(LGJ-10D型)，北京四環科學儀器廠；工業CT機(XT H 225型)，尼康儀器(上海)有限公司；流變儀(Discovery HR-3)，美國TA儀器公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 明膠-κ-卡拉膠混合體系的配制

在預實驗的基礎上，稱取一定量的κ-卡拉膠和明膠置于燒杯中，加入去離子水，配制成總膠質量濃度為3.0 g/100mL的均勻溶液，使κ-卡拉膠占總膠比例分別為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，室溫2 h充分溶脹后，80 ℃恒溫振蕩30 min，形成均勻的明膠-κ-卡拉膠混合溶液，準確移取3 mL溶液于直徑為15 mm的核磁共振專用試管中，10 mL溶液至10 mL的燒杯中，120 mL溶液至凍力瓶中，4 ℃下放置12 h備用。測試前將樣品溫度恢復到室溫。

1.2.2 凝膠強度的測定

參照黃遠芬[6]的方法，采用質構儀測量樣品的凝膠強度，具體參數如下：探頭P/0.5，測試前速度1.50 mm/s，觸發力10 g，測試速度1.00 mm/s，測試距離20.00 mm，返回速度10.00 mm/s。當探針進入凝膠深度達4 mm時，測得的最大力即為樣品的凝膠強度。

1.2.3 質構特性的測定

在PROMMAJAL[9]方法的基礎上略作修改，測量參數如下：P/36R的探頭；測試前速度：1.50 mm/s；觸發力：5 g；測試速度：1.00 mm/s；壓縮比:70%；返回速度：10.00 mm/s，根據質地剖面的力度-時間曲線，得到樣品的硬度、彈性、咀嚼性、內聚性、黏性和回復性等的信息。

1.2.4 水分分布特性

應用LF-NMR分析凝膠體系的水分分布特性。在黃遠芬等[6]的基礎上略加修改。具體參數如下：CPMG脈沖序列，重復采樣等待時間：15 000 ms，重復掃描次數:4次，譜寬:100 kHz，半回波時間:250 μs，回波個數:18 000個，采樣點數:3 750 126。

對采樣得到的CPMG指數衰減曲線應用T-invfit軟件進行反演擬合，得到樣品的多組分弛豫圖譜，并獲知各弛豫峰的弛豫時間(按出峰時間從小到大命名為T21、T22…T2i等)及歸一化后的峰面積百分比(S21、S22…S2i等)。當將樣品看作一個整體組分分析時，可反演得到樣品的單組份弛豫時間(T2W，ms)。

1.2.5 凝膠微觀結構

應用工業CT對凍干后的凝膠樣品進行微觀結構分析。具體過程如下：將凝膠樣品切分為2 mm×2 mm×2 mm的正方體，在-45 ℃預凍180 min后，于-10 ℃，壓力<10 Pa，一次干燥400 min，再在4 ℃，壓力<10 Pa，二次干燥400 min，獲得凝膠凍干樣品，密封備用。CT掃描參數：管電壓70 kV,管電流80 μA，拍攝張數1 000張,進行掃描，得到初步圖像，經去噪得到CT掃描圖像，進行三維重構，然后選取重構圖中的代表性切面進行分析。

1.2.6 動態黏彈性的測定

參照劉國軍等[10]的方法，應用旋轉型流變儀(DHR-3, TA, USA)進行樣品的動態黏彈性分析。溫度由Peltier板和恒溫循環水浴裝置共同控制。取1 mL配制好的樣品加到已預熱至70 ℃的樣品臺上，用蒸餾水密封防蒸罩以防止實驗樣品水分過度揮發造成測量誤差。采用小幅振蕩模式，固定測量間距(Gap=1 mm)，頻率為1 Hz，溫度由70 ℃降至15 ℃后再升至70 ℃，變溫速率為5 ℃/min，測定降溫和升溫過程中G′(儲藏模量)和G″(損耗模量)的變化。冷卻過程中G′和G″的交匯點的溫度為膠凝溫度；加熱過程中G″和G′的交匯點的溫度為熔化溫度。

1.3 數據分析方法

試驗均設3次平行，每個樣品重復檢測3次，應用SPSS 18.0分析凝膠強度、質構特性與LF-NMR弛豫特性的相關性，應用ANOVA進行方差分析和Duncan多重檢驗，以P<0.05作為差異顯著性判斷標準，應用Origin 8.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 凝膠強度

凝膠強度能夠揭示凝膠網絡結構形成的數量及緊密程度，可以用來評估食品的加工處理方法及其對產品質量的影響。

由圖1-A可知，不同κ-卡拉膠比例的混合凝膠的力度-時間曲線差異明顯，隨κ-卡拉膠比例增大，曲線的應力逐漸增大，且破裂強度越大、破裂點距離越大，探頭壓迫凝膠使其破裂時的壓強和凝膠破裂時探頭行進的距離(破裂點距離)均相對增大。說明凝膠體系較難破裂且膠體的延展性較好。由圖1-B可以看出，單純明膠凝膠的凝膠強度最低，僅為(36.91±5.17)g，而單純κ-卡拉膠所形成的凝膠具有最高的凝膠強度(670.80±34.94)g，二者之間差異顯著(P<0.05)，當體系中添加10%的κ-卡拉膠后，其凝膠強度顯著升高，且混合凝膠體系的凝膠強度與κ-卡拉膠比例間呈良好的二項式關系(R2=0.966 9)，說明κ-卡拉膠比例越高，其對混合體系凝膠強度的影響越大，在較高的κ-卡拉膠比例下，形成以κ-卡拉膠為主體的網狀結構。這是由于κ-卡拉膠中帶負電荷的硫酸鹽基團與明膠中帶正電荷的基團通過局部靜電相互作用形成一定的網絡結構[11]，隨κ-卡拉膠比例的增加，二者間的交互作用加強，分子間的聯結程度增加，使凝膠網絡結構更加致密，表現為凝膠強度的逐漸增大。

圖1 部分混合凝膠體系的穿刺實驗力度-時間曲線(A)、凝膠強度(B)隨κ-卡拉膠比例的變化Fig.1 Change in intensity-time curves (A) and the gelstrength (B) of some mixed gel system with carrageenan ratio注：A中字母表示卡拉膠不同比例；B中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 TPA質構特性

質地剖面分析(TPA)是一種易于量化的分析技術，已被廣泛應用于食品工業[12]。部分混合凝膠壓縮測試得到的力度-時間曲線如圖2所示。

圖2 部分混合凝膠體系TPA實驗的力度-時間曲線Fig.2 Changes in velocity-time curve in TPA experimentof some mixed gel system

由圖2可知，不同κ-卡拉膠比例的混合凝膠的力度-時間曲線差異明顯，隨κ-卡拉膠比例增大，曲線的力值逐漸增大。盡管不同比例κ-卡拉膠的凝膠峰值力度不同，但隨著探針移入樣品，所有凝膠的峰值在短時間內均迅速地增加。經過曲線計算可以得到食品的質構特性，如硬度、彈性、咀嚼性、內聚性、回復性及黏性等參數。

2.2.1 混合凝膠體系的硬度與彈性

混合凝膠體系的硬度、彈性隨κ-卡拉膠比例的變化如圖3所示。

圖3 混合凝膠體系的硬度、彈性隨κ-卡拉膠比例的變化Fig.3 Changes in hardness, springiness of mixed gelsystem with carrageenan ratio

由圖3可知，單純明膠體系的硬度僅為(3.41±0.82)g，而單純κ-卡拉膠凝膠硬度高達(617±27.87)g。添加κ-卡拉膠后，混合凝膠體系的硬度顯著升高，且隨κ-卡拉膠的增大，其硬度呈現良好的二項式增大的趨勢(R2=0.944 1)，尤其當κ-卡拉膠比例大于50%時，混合凝膠的硬度變化幅度加大。彈性的變化則有所不同，明膠凝膠體系的彈性為(1.43±0.01)，而添加κ-卡拉膠后，混合凝膠體系的彈性顯著減小(P<0.05)，κ-卡拉膠比例為10%時，體系的彈性降至1.02，繼續增大κ-卡拉膠比例對體系彈性的影響較小，當κ-卡拉膠比例大于50%時，體系的彈性又顯著降低。說明κ-卡拉膠的添加使體系在外力去除后恢復到變形前狀態的程度相對減小。HUANG等[13]研究卡拉膠濃度對大米淀粉凝膠質構的影響時發現，卡拉膠凝膠通常彈性較小，在壓縮測試過程中容易破碎。SINTHUSAMRAN等[14]對含有不同比例κ-卡拉膠的混合魚凝膠的物理和流變性質的研究中也發現，添加卡拉膠會使明膠凝膠的彈性降低，更易碎，在卡拉膠比例較高時尤其明顯。

2.2.2 混合凝膠體系的咀嚼性與內聚性

混合凝膠體系的咀嚼性、內聚性隨κ-卡拉膠比例的變化如圖4所示。

圖4 混合凝膠體系的咀嚼性、內聚性隨κ-卡拉膠比例的變化情況Fig.4 Changes in chewing and cohesiveness of mixed gel system with carrageenan ratio

圖4表明，當混合體系中含有10%的κ-卡拉膠時，其咀嚼性從(5.25±1.38)g顯著增加至(77.53±2.91)g，隨著κ-卡拉膠比例的增加，咀嚼性呈二項式顯著上升趨勢(P<0.01，R2=0.952 6)，尤其是κ-卡拉膠比例大于50%后，咀嚼性的增幅進一步增加。咀嚼性與硬度密切相關，硬度越大，咀嚼性越高。

內聚性是指形成樣品形態所需內部結合力的大小。從內聚性的變化來看，添加κ-卡拉膠后，混合凝膠的內聚性發生顯著性變化(P<0.01)，尤其是當κ-卡拉膠比例<30%時，變化更為顯著，當κ-卡拉膠比例>30%時，體系內聚性相對穩定。說明添加κ-卡拉膠后，凝膠體系內部分子間的結合力相對減弱，形成的凝膠抵抗受損、保持凝膠完整性的能力相對降低，這與κ-卡拉膠的凝膠特性相符，其成膠相對較脆，易碎。

2.2.3 混合凝膠體系的回復性與黏性

混合凝膠體系的回復性、黏性隨κ-卡拉膠比例的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，隨著κ-卡拉膠比例的增大，混合凝膠的黏性和回復性呈現先下降后上升的趨勢，在κ-卡拉膠比例達到30%時達到最低。但隨κ-卡拉膠比例的變化，混合凝膠的回復性變化范圍較小，從0.18降低到0.11。

圖5 混合凝膠體系的黏性、回復性隨κ-卡拉膠比例的變化情況Fig.5 Changes in adhesiveness and resilience of mixed gel system with carrageenan ratio

2.3 水分分布特性

低場核磁共振的自旋-自旋弛豫時間(T2)信息可以表征具有不同流動性的水分子在體系內的分布[15]，部分明膠-κ-卡拉膠凝膠體系的LF-NMRT2多組分弛豫圖譜如圖6所示。

圖6 部分混合凝膠體系的LF-NMR多組分弛豫圖譜隨κ-卡拉膠比例的變化情況Fig.6 Changes in LF-NMR multi-component relaxation map of partially mixed gel system with carrageenan ratio

由圖6可知，在T2多組分弛豫圖譜上，明膠、κ-卡拉膠及κ-卡拉膠-明膠混合凝膠體系均出現了2個弛豫峰，T21位于50.94～121.14 ms，T22位于911.13～1 438.70 ms，說明凝膠樣品中的氫質子分為了弛豫速率有所區別的兩類。其中，凝膠體系中的結合水與κ-卡拉膠或明膠基團結合緊密，受到的束縛力較大，弛豫速率大，弛豫時間較短，與T21對應；而T22則代表了束縛于凝膠網絡中的不易流動水中的氫質子的響應。當體系中κ-卡拉膠比例≤50%時，隨其比例的增加，弛豫圖譜整體左移，弛豫時間相對減小，而當κ-卡拉膠比例>50%后，T21則相對增大，而T22相對穩定。

明膠-κ-卡拉膠凝膠體系的弛豫時間(T2w、T21、T22)和峰面積比例(S21、S22)隨κ-卡拉膠比例的不同而變化，結果如圖7所示。

圖7 混合凝膠體系的弛豫時間(A)和峰面積比例(B)隨κ-卡拉膠比例的變化Fig.7 Changes in relaxation time(A) and peak area ratio of mixed gel system with carrageenan ratio

單組份弛豫時間(T2W)是被測樣品所含氫質子弛豫信息的平均值，可反映樣品整體的弛豫特性。由圖7-A可知，當體系中κ-卡拉膠比例≤50%時，隨其比例的增加，混合凝膠體系的T2W顯著減小，而κ-卡拉膠比例>50%后，T2W則相對增大，但變化幅度較小。這是由于在2種膠體的相互作用下，體系整體的分子間作用力相對增強，氫質子自由度降低，平均的弛豫速率相對增大，表現為弛豫時間的縮短[16]。T22的變化與T2W相似，當體系中κ-卡拉膠的比例小于50%時，T22從1 438.70 ms逐漸降低至811.13 ms，說明κ-卡拉膠的加入使凝膠網絡的束水能力增強，不易流動水中氫質子的流動性進一步降低，當κ-卡拉膠比例大于50%后，凝膠體系中不易流動水的流動性相對穩定，T22基本不變。而代表混合凝膠中結合水的T21整體變化幅度不大，僅在小范圍內波動，說明結合水的流動性比較穩定，受κ-卡拉膠比例變化的影響較小。

與弛豫時間相比，峰面積比例的變化更有規律性。由圖7-B可知，隨κ-卡拉膠比例的增大，S21呈二項式下降趨勢(R2=0.996)，而S22呈二項式增加趨勢(R2=0.997)。TANG等[17]對水分在原生未加工的淀粉顆粒中的分布和動態研究發現，核磁弛豫圖譜的相對峰面積與其對應的水分分數成比例。隨κ-卡拉膠比例的增加，混合凝膠的網絡狀結構更為成熟且致密，使網絡對水的束縛能力增強，表現為S22的相對增大。顯著性分析表明，當κ-卡拉膠比例大于70%后，S21、S22相對穩定，繼續增大κ-卡拉膠比例對于水分分布無明顯影響。

2.4 凝膠強度、質構特性與LF-NMR弛豫特性的相關性

運用相關性分析對質構特性、凝膠強度與LF-NMR弛豫特性進行相關性分析，結果如表1所示。

表1 混合凝膠體系的凝膠強度、質構特性與LF-NMR弛豫特性的相關性分析Table 1 Correlation analysis of gel strength, texture characteristics content with LF-NMR relaxation characteristics

注：** 在 0.01 水平(雙側)上顯著相關；* 在 0.05 水平(雙側)上顯著相關。

由表1可知，凝膠強度、質構特性參數與多組分弛豫特性參數均呈較好的相關性。其中，凝膠強度、硬度、咀嚼性與S21呈極顯著負相關(P<0.01)，與T21呈顯著正相關(P<0.05)，與S22呈極顯著正相關(P<0.01),說明κ-卡拉膠的添加使混合凝膠體系網絡結構更加致密，不易流動水的比例相對提高，表現為宏觀上的凝膠強度、硬度和咀嚼性的增大；另一方面，彈性與S21、T22和T2W呈極顯著正相關(P<0.01)，與S22呈極顯著負相關，這與上文中彈性隨κ-卡拉膠比例的變化相符，當體系中不易流動水所受束縛力較大時，膠體的彈性相對較弱。內聚性與T22和T2W呈極顯著正相關性(P<0.01)，說明不易流動水的流動性越強，凝膠體系的內聚性越大。黏性與T21呈極顯著正相關性(P<0.01)，說明結合水的流動性越強，凝膠體系的黏性越大，κ-卡拉膠通過結合水的流動性來影響混合凝膠的黏性。

2.5 動態黏彈性

儲存模量G′是量度材料抵抗彈性形變力大小的尺度，損耗模量G″是材料發生黏性形變過程中損耗能量大小的量度，G′與G″一起反映材料黏彈性比例。不同κ-卡拉膠比例的混合膠液在降溫與升溫過程中G′與G″的變化如圖8所示。

圖8 部分混合凝膠液在降溫(A)和升溫(B)過程中G′和G″的變化Fig.8 Changes of G′ and G″ during partial cooling A and heating B of the mixed gel

如圖8-A所示，剛開始降溫時，G′均小于G″，隨著溫度的降低，G′和G″均緩慢增大，當到達某一溫度時，G′和G″迅速增加且G′增加幅度大于G″，最終使G′大于G″，這說明隨著溫度的降低，混合凝膠由無規則線團向螺旋轉變，體系開始由溶液向凝膠轉變，彈性開始占主導作用。在降溫過程中，G′和G″的交匯點的溫度為膠凝溫度，從圖8-A可以看出，未添加κ-卡拉膠時，在整個流變實驗過程中體系(3%明膠)的G′

升溫過程中G′與G″的變化可以反映膠液熔化溫度的改變。由圖8-B可知，與降溫過程相反，當溫度由20 ℃開始升高時，G′大于G″，且G′和G″隨溫度的升高而逐漸減小，表明凝膠體的網絡結構開始潰散，當超過某個溫度，二者迅速下降，出現交點后G′則小于G″，說明發生了“凝膠-溶膠”的轉變。G″和G′的交匯點的溫度為熔化溫度。總體而言，熔化溫度均高于圖8-A中的凝膠溫度，且體系中卡拉膠比例會影響膠體的熔化溫度。隨κ-卡拉膠比例的增大，混合體系的熔化溫度逐漸升高，當κ-卡拉膠比例由20%增加至80%時，凝膠的融化溫度由42 ℃增加到54 ℃，這說明κ-卡拉膠可有效增加復配膠的凝膠特性，使凝膠在較高溫度下仍保持一定的三維網絡結構，這使混合凝膠體系成型后的溫度范圍相對擴大，有利于其成型加工。

2.6 凝膠微觀結構

利用凍干后的凝膠樣品進行CT斷層掃描，重構后選擇截取代表性切面，如圖9所示。

圖9 部分混合凝膠體系的CT掃描代表性切面圖Fig.9 Representative CT scanning sections of some mixed gel systems注：圖A、B、C、D分別為κ-卡拉膠比例分別為0、20%、60%、80%的凝膠，圖中標尺刻度為1 mm

κ-卡拉膠比例對混合凝膠的微觀結構有顯著影響。單純明膠凝膠體系(圖9-A)網狀結構較為疏松，空腔較大且大小不均勻。隨著κ-卡拉膠比例的增加，混合凝膠的網絡結構趨向于致密且均勻，這與孫哲浩[19]觀察到的明膠與κ-卡拉膠共混凝膠體的微觀結構相符。隨體系中κ-卡拉膠比例的增加，凝膠體系逐漸從以明膠為主體的網絡結構向κ-卡拉膠為主的凝膠網絡轉變，2種大分子長鏈間的交互作用加強，分子間的聯結程度增加，凝膠網絡結構更加致密且均勻，這種結構也極大地改善了凝膠強度及硬度、咀嚼性等宏觀力學性能[20]。

3 結論

本文重點研究了κ-卡拉膠的比例對明膠凝膠體系凝膠強度、質構特性、水分分布、動態黏彈性和微觀結構的影響，結論表明，隨κ-卡拉膠比例的增加，混合凝膠體系的凝膠強度、硬度和咀嚼性呈良好的二項式上升趨勢(R2>0.94)，而凝膠彈性顯著減小，內聚性的變化較小，黏性和回復性先下降后上升，且在κ-卡拉膠比例為30%時達到最低值。在T2多組分弛豫圖譜上，明膠、κ-卡拉膠及κ-卡拉膠-明膠混合凝膠體系均出現了2個弛豫峰。當體系中κ-卡拉膠比例≤50%時，隨其比例的增加，弛豫圖譜整體左移，T22、T2W相對減小，而當κ-卡拉膠比例>50%后，各弛豫時間均相對穩定。S21呈二項式下降趨勢(R2=0.996)，而S22呈二項式增加趨勢(R2=0.997)。相關性分析表明，凝膠強度、硬度、咀嚼性與S21呈極顯著負相關(P<0.01)，與S22呈極顯著正相關(P<0.01)，與T21呈顯著正相關(P<0.05)；與S22呈極顯著正相關(P<0.01)；彈性與S21、T22和T2W呈極顯著正相關(P<0.01)，與S22呈極顯著負相關；內聚性與T22和T2W呈極顯著正相關性(P<0.01)。κ-卡拉膠比例對混合凝膠的動態黏彈性和微觀結構有顯著影響。單純明膠凝膠體系無明顯的膠凝化，網狀結構較為疏松，隨著κ-卡拉膠比例的增加，膠凝溫度及熔化溫度均相對升高，混合凝膠的網絡結構趨于致密且均勻，這種結構也極大地改善了凝膠強度及硬度、咀嚼性等宏觀力學性能。