刺云實膠與黃原膠復配體系質構及流變性研究

牛海佳 - 劉愛國 - 劉立增 -高曉夏月 -- 王鵬程 - 強 鋒

(1. 天津市食品生物技術重點實驗室，天津 300134；2. 天津商業大學生物技術與食品科學學院，天津 300134；3. 天津明哲天翊科技有限公司，天津 300350)

刺云實膠(Tara gum，TG)也稱刺云豆膠，是從豆科灌木刺云實的胚乳中提取的一種植物多糖膠，分子結構類似于刺槐豆膠(locust bean gum，LBG)與瓜爾膠(Guar gum，GG)，其分子是由β-D-吡喃型甘露糖殘基與α-D-吡喃型半乳糖殘基以1∶3的數量比通過β-1,6-糖苷鍵組成的大分子多糖[1-3]。TG的水溶液為假塑性流體，具有良好的熱穩定性、化學穩定性和膠體復配性，但單獨使用時，硬度大、彈性小，加工性能差，導致應用范圍較窄[4]。因此，通常將TG與其他膠體混合，利用協同增效作用，達到更高的穩定性和更好的使用功效，可作為增稠劑、膠凝劑和穩定劑廣泛應用于食品工業中[5-7]。

黃原膠(Xanthan gum，XTG)又稱黃膠、漢生膠，是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酮酸組成的“五糖重復單元”的結構聚合體[8]。XTG分子的一級結構由β-1，4鍵連接的D-葡萄糖基主鏈及含3個糖單元的側鏈組成的雙螺旋鏈，側鏈則由兩個D-甘露糖和一個D-葡萄糖醛酸的交替連接而成。XTG分子鏈上有氫鍵、陰離子、纏結起來的側鏈對主鏈的保護，使其具有高黏度，高耐酸、堿、鹽，高耐熱穩定性，懸浮性和觸變性等[9]。在食品加工中常被用作增稠劑、乳化劑、懸浮劑和穩定劑，也是最廣泛應用的一種食品膠體。

研究[10]發現，XTG與半乳甘露聚糖側鏈可以相互作用形成熱可逆凝膠，凝膠化能力與甘露聚糖側鏈的數量和分布以及XTG鏈的無序程度有關。魏艷霞等[11]發現XTG能與LBG相互作用產生明顯的協同作用，在體積比為4∶6時復配膠黏度最大。趙正濤等[12]研究發現XTG與GG存在協效性，在總濃度為0.5%時，XTG與GG比例為9∶1時復配體系具有最大黏度。王元蘭等[13]研究發現，在XTG與GG濃度為0.3%、質量比為5∶5時黏度具有最大的協同增效作用。蔣建新等[14]研究表明XTG能與TG共混形成凝膠。Wu等[15]的研究有相同發現，TG與XTG存在明顯的協同增效作用，在復配總濃度為0.5%、質量比為6∶4時凝膠強度最大。但均未對TG與XTG復配體系及最佳比例的質構和流變學特性進行系統的研究。

試驗擬將TG與XTG按一定比例復配制得總濃度為1%的復合凝膠TG/XTG，通過質構儀、流變儀研究不同質量比的TG與XTG復合凝膠體系的凝膠特性和流變性能，確定TG與XTG最佳復配比例，并研究pH值、Na+和Ca2+對最佳復配體系流變特性的影響，再通過掃描電鏡技術，對TG與XTG最佳復配比例進行觀察，以期拓寬刺云實膠的應用范圍，為TG與XTG在果凍、果醬、軟糖等凝膠類新產品開發中的應用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

刺云實膠：食品級，青島德慧海洋生物科技有限公司；

黃原膠：食品級，內蒙古阜豐生物科技有限公司；

無水氯化鈣、氯化鈉：分析純，天津市化學試劑供銷公司第二分公司。

1.2 儀器與設備

流變儀：MCR301型，奧地利安東帕中國有限公司；

質構儀：TA.Xtplus型，英國SMS公司；

數顯型頂置式機械攪拌器：RW20型，上海泰坦科技股份有限公司；

恒溫水浴鍋：HH-4型，常州國華電器有限公司；

掃描電子顯微鏡：ZEISS型，上海卡爾蔡司管理有限公司；

酸度計：pHS-25型，上海圣科儀器設備有限公司；

冷凍干燥機：Biosafer-10C型，北京博醫康實驗儀器有限公司；

電子天平：ESJ-S型，沈陽龍騰電子產品有限公司。

1.3 方法

1.3.1 不同比例TG/XTG復配體系的制備 準確的TG與XTG分別按照質量比為0∶10，1∶9，2∶8，3∶7，4∶6，5∶5，6∶4，7∶3，8∶2，9∶1，10∶0復配，稱取4 g復配后的混合物緩慢加入396 g預先加熱的80 ℃蒸餾水中，配制成濃度為1%的溶液。置于80 ℃恒溫水浴鍋中，用保鮮膜封口，以150 r/min攪拌3 h，取出，添加80 ℃蒸餾水定容，于室溫下靜置12 h，使其充分水合。

1.3.2 不同pH值TG/XTG復配體系的制備 準確稱取12份總質量為4 g，質量比為6∶4的TG與XTG，分別緩慢加入350 g預先加熱的80 ℃蒸餾水中，置于80 ℃恒溫水浴鍋中，用保鮮膜封口，以150 r/min攪拌3 h，取出。然后用0.1 mol/L的HCl和0.1 mol/L的NaOH調節pH值分別為2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，將未調節pH的作為對照組。最后添加80 ℃蒸餾水至400 g，于室溫下靜置12 h，使其充分水合。

1.3.3 不同Na+濃度TG/XTG復配體系的制備 準確稱取6份總質量為4 g，質量比為6∶4的TG與XTG，分別緩慢加入396 g不同濃度(0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)的氯化鈉溶液中，置于80 ℃恒溫水浴鍋中，用保鮮膜封口，以150 r/min攪拌3 h，取出，添加80 ℃蒸餾水定容，于室溫下靜置12 h，使其充分水合。

1.3.4 不同Ca2+濃度TG/XTG復配體系的制備 準確稱取6份總質量為4 g，質量比為6∶4的TG與XTG，分別緩慢加入396 g不同濃度(0.0%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)的氯化鈣溶液中，置于80 ℃恒溫水浴鍋中，用保鮮膜封口，以150 r/min攪拌3 h，取出，添加80 ℃蒸餾水定容，于室溫下靜置12 h，使其充分水合。

1.3.5 凝膠強度測定 將100 g溶膠樣品置于100 mL燒杯中，用保鮮膜封口，靜置12 h使其形成凝膠，用質構儀測定凝膠強度，選擇P/0.5R測試探頭，測前速率0.5 mm/s，測試速率與測后速率均為1 mm/s，觸發力10 g，壓縮距離為10 mm，記錄凝膠破裂時的最大力即為凝膠強度。

1.3.6 流變性測定

(1) 靜態剪切掃描：采用平板pp50系統，板間距1 mm，剪切速率范圍0.01～100.00 s，測量溫度25 ℃，觀察不同比例TG/XTG復配體系的黏度隨剪切速率的變化趨勢。

(2) 動態頻率剪切掃描：采用平板pp50系統，板間距1 mm，測量溫度25 ℃，采用振蕩模式進行參數設定，角頻率變化范圍1～100 rad/s，應變1%(保證在線性黏彈區內)，觀察在不同頻率范圍內，不同比例TG/XTG復配體系儲能模量(G′)、損耗模量(G″)之間的變化趨勢。

(3) 動態溫度剪切掃描：采用平板pp50系統，板間距1 mm，測量溫度85～25 ℃，采用降溫模式，降溫速率5 ℃/min，應變1%。觀察在不同溫度范圍內，不同比例TG/XTG復配體系儲能模量(G′)、損耗模量(G″)之間的變化趨勢。

1.3.7 掃描電子顯微鏡測試(SEM) 準確稱取3份總質量為4 g，質量比為0∶10，10∶0，6∶4的TG與XTG，分別緩慢加入396 g預先加熱的80 ℃蒸餾水中，置于80 ℃恒溫水浴鍋中，用保鮮膜封口，以150 r/min攪拌3 h，取出定容。在培養皿中分裝適量溶膠樣品，放入-80 ℃冰箱中冷凍6 h，取出，然后進行72 h的冷凍干燥，將干燥好的樣品用保鮮袋封裝。取少量冷凍干燥好的樣品，經過噴金粉后，利用掃描電子顯微鏡觀察其表面微觀結構。加速電壓3 kV，放大倍數2 000倍。

1.4 數據分析

所有試驗均重復3次，每次測試均需更換樣品。質構數據使用SPSS 16.0進行統計分析，通過單因素方差分析比較組間數據(P<0.05)，最終結果以(平均值±標準差)表示，并利用Origin 9.1做圖。

2 結果與分析

2.1 不同比例TG/XTG的復配體系質構分析

在試驗中發現單一的TG和XTG沒有凝膠化作用。在加熱處理時，XTG分子鏈能夠伸展，從無序變為有序，形成具有很多均勻聯結點的網絡結構，與TG的側鏈之間存在明顯的協同增效作用[16]。由圖1可知，在不同比例的復配凝膠中，隨著TG質量的逐漸增加，凝膠強度隨之增大，在質量比為6∶4時，凝膠強度最大；在質量比高于6∶4時，凝膠強度又減弱。這一結果與Wu等[15]研究總濃度為0.5%的TG與XTG復配體系結果一致。這是由于在加熱條件下，TG中半乳糖支鏈中含有的羥基和半乳甘露聚糖側鏈上沒有支鏈的區域可以與XTG的雙螺旋結構通過氫鍵、靜電力作用、空間位阻效應形成穩固的空間網絡結構[17-19]。此時，分子之間密度增大，分子鏈的運動受到阻礙，產生拓撲纏結。在室溫下的靜置冷卻過程中，兩者分子形成的網絡結構吸收結合水而形成凝膠。

2.2 不同比例TG/XTG復配體系的靜態剪切測定

由圖2可知，不同比例TG/XTG復配體系的黏度隨著剪切速率的增大而逐漸降低，表現出明顯的非牛頓流體剪切稀化現象，所有復配體系的流動曲線都符合假塑性流體的特性。單一的黃原膠在低剪切速率下黏度比刺云實膠高出4倍，但在剪切速率較高時，黃原膠黏度下降較快，溶液黏度較刺云實膠低。在不同比例的復配膠中，當刺云實膠質量所占比例高時，溶液黏度較高，但并沒有呈現出規律性的變化。在相應的剪切速率下，幾乎所有的復配體系的黏度都高于單一膠體的黏度，說明刺云實膠與黃原膠之間存在協同作用，當復配比例在質量比為6∶4時，黏度達到最大值，與凝膠強度的測定結果一致。因此，可以確定，當刺云實膠與黃原膠總濃度為1%時，TG/XTG的最佳復配質量比為6∶4。

圖1 不同比例TG/XTG復配體系的凝膠強度

Figure 1 Gel strength of different ratio TG/XTG compound system

圖2 不同比例TG/XTG復配體系流動曲線

Figure 2 Flow curve of different ratio TG/XTGcompoundsystem

利用Carreau模型對TG/XTG復配體系的流動曲線進行擬合，Carreau模型方程見式(1)。

(1)

式中：

η——黏度，Pa·s；

η0——零剪切黏度，Pa·s；

η∞——無窮剪切黏度，Pa·s；

γ——剪切速率，s-1；

c——破壞流體結構的時間常數，s；

p——剪切變稀時黏度與剪切速率的關聯程度。

通過比較表1的數據可得，在溫度為25 ℃條件下，除了10∶0以外，所有TG/XTG復配體系與Carreau模型擬合的擬合度R2都在0.99以上，說明TG/XTG復配體系的流動曲線符合Carreau模型。

表1不同比例TG/XTG復配體系Carreau模型擬合參數

Table 1 Carreau model fitting parameters of different ratio TG/XTG compound system

Carreau模型中，p值可以反映出黏度對剪切速率的依賴程度。當p為0時，樣品為牛頓流體，黏度η會隨著剪切速率的增大趨于某一固值保持穩定。p值越大，樣品非牛頓性越強，反之，非牛頓性弱[19-20]。從表1中可以得出，在所有的復配比例中，p值都不為0，說明TG/XTG復配體系都為非牛頓流體。c值是破壞流體結構的時間常數，其倒數1/c是剪切變稀的臨界速率，c值越小，說明破壞結構所需的剪切速率就越大。0∶10的c值在所有復配體系中為最大值，10∶0的c值為最小值，分別為3.479和0.512，說明破壞單一的XTG所需的剪切速率最小，破壞單一的TG所需的剪切速率最大。其余復配比例除1∶9，9∶1以外，c值都保持相對穩定，說明復配體系的穩定性較好，破壞體系結構穩定性的時間相差不大，剪切速率穩定。所有復配體系的η0隨著TG所占比例的增大而逐漸上升，在6∶4時達到最大值，然后η0又逐漸降低，也進一步說明所有復配體系中TG與XTG質量比為6∶4時黏度最大。

2.3 不同比例TG/XTG復配體系的頻率剪切測定

在流變學研究中，頻率掃描是通過對儲能模量(G′)、損耗模量(G″)隨角頻率(ω)或頻率(Hz)的變化曲線，其中G′又稱為彈性模量，G″又稱為黏性模量[21-23]。

在溫度為25 ℃的條件下，G′和G″隨ω的變化趨勢如圖3所示。G′和G″隨ω增大而上升，在ω為1～100 rad/s時，G′>G″，并且幾乎接近平行，復配體系表現

圖3 不同比例TG/XTG復配體系的頻率掃描圖

出彈性的性質，說明復配體系中有彈性凝膠的存在[24]。在低頻區，模量隨著頻率的增大增勢緩慢，但在高頻區，模量隨頻率的增大出現急增或驟減的抖動趨勢，表明高頻率下，可以使復配體系的結構遭到破壞[25]。通過圖3中的(a)、(b)圖比較得出，TG/XTG復配體系在質量比為6∶4時表現出最大的G′和G″，此時凝膠強度最大。其次是質量比為5∶5，說明TG/XTG復配最佳復配比例為6∶4，其次是5∶5，與凝膠強度測試結果相一致。以上分析可以得出TG和XTG在適當的復配比例時可以促進凝膠的形成。

2.4 不同比例TG/XTG復配體系的溫度剪切測定

一個凝膠體系一旦形成，必定會存在一個相轉化溫度，這個溫度即為儲能模量(G′)與損耗模量(G″)的交叉點[26]。圖4為不同比例的刺云實膠與黃原膠儲能模量(G′)與損耗模量(G″)在85～25 ℃溫度變化范圍內的掃描曲線。在TG/XTG復配比例為9∶1，8∶2，7∶3時存在G″與G′的交叉點，此點為凝膠-溶膠相轉化溫度，低于此溫度時，G′>G″，體系主要以凝膠狀態存在，表現出較強的彈性行為；高于此溫度時，G′G″，以彈性為主。在復配比例在6∶4時G′始終高于其他比例，表現出最大的彈性行為，與之前測試的結果保持一致。

圖4 不同比例TG/XTG復配體系的溫度掃描圖

Figure 4 Temperaturey scanning of different ratios of TG/XTG compound system

由圖4還發現所有復配體系有相同的變化趨勢，隨著溫度的降低G″與G′逐漸增大，且G′的增幅更加顯著。可以將G′隨溫度變化的曲線分為兩部分，第一部分是溫度為85～45 ℃時，G′增大的速度較慢，是由于在此溫度范圍內，黃原膠的分子結構發生了從有序到無序的變化，體系的彈性開始緩慢上升；第二部分是溫度低于45 ℃時，G′顯著增加，可能是此時刺云實膠與黃原膠分子緊密纏繞，水分子雖然在吸收熱量后開始運動，但刺云實膠與黃原膠之間的分子纏繞已經不能被已有的熱運動所解開，導致凝膠結構急劇收縮，G′迅速增大。

2.5 pH值對最佳TG/XTG復配體系穩定性的影響

圖5是不同pH條件下最佳TG/XTG復配體系流動曲線圖。從圖5可知，酸度對復配體系黏度影響較大，pH為2，3時的黏度明顯低于其他pH值條件下的黏度，并且在試驗中發現pH為2，3時，復配體系不能形成凝膠，說明在過酸條件下，對復配體系結構破壞較大。普鳳仙等[5]的研究發現，pH對TG的黏度幾乎沒有影響；朱慧等[27]研究發現，在H+濃度過高時，會直接影響XTG分子之間以及與水分子之間的相互作用，使XTG的水化作用增大而直接改變XTG的流變特性。所以，在復配體系中，當pH值較低時，酸度主要是對XTG有影響。當pH值為4時，黏度開始增大，在較高剪切速率下，黏度和對照組(未調pH，pH=7.03±0.20)很接近。pH為5～10時，黏度變化不大并且和對照組幾乎重合，說明在此pH條件下最佳復配體系具有良好的穩定性。pH為11，12時，黏度在低剪切速率下較大，但隨著剪切速率的增大，黏度又接近于對照組，可能是TG的加入能夠加強最佳復配體系的耐堿性。

圖5 不同pH條件下最佳TG/XTG復配體系流動曲線

Figure5 Flow curve of optimal TG/XTG compound system under different pH conditions

由表2可知，pH值為5～10時，TG/XTG復配體系流動曲線的R2都在0.98以上，相關性較好，黏度變化較小。但在其他pH條件下，TG/XTG復配體系R2降低。當pH值為2，3時，η0顯著降低，可能是強酸性使XTG分子鏈及形成的氫鍵出現部分斷裂，使得η0顯著下降。在偏堿性條件下，復配體系的穩定性要優于偏酸性條件，由此可知，最佳復配體系的耐堿性強于耐酸性。

表2不同pH條件下最佳TG/XTG復配體系Carreau模型擬合參數

Table 2 Fitting parameters of carreau model for optimal TG/XTG compound system under different pH conditions

pHc/spη0/(Pa·s)η∞/(Pa·s)R220.6020.86621.660.0360.945 6230.5750.97636.030.0460.939 2241.0670.984192.610.0000.915 3351.9040.965360.510.0000.981 0961.9190.921322.620.0000.981 9771.9520.894328.380.0000.989 2181.6170.968319.150.0000.987 6891.5420.978329.170.0000.988 57101.3770.953338.190.0000.988 65113.5460.947376.410.0000.967 78126.1390.869525.890.0220.944 82

2.6 鹽離子對最佳TG/XTG復配體系穩定性的影響

圖6(a)是NaCl濃度在0%～1%范圍內最佳復配體系流動曲線圖。從圖6(a)可以看出，添加Na+的復配體系黏度均低于未添加Na+的，并且TG/XTG復配體系黏度隨著Na+濃度的增加而一直呈現下降趨勢，說明Na+加入后破壞了復配體系原有的空間結構，使得黏度降低。圖6(b)是CaCl2濃度在0%～1%范圍內最佳復配體系流動曲線圖。可以看出Ca2+的加入對TG/XTG復配體系黏度的影響與Na+有相同的趨勢，但是添加Ca2+的復配體系具有更低的黏度，可能是Ca2+比Na+的價態高所導致[26]。有研究[28]發現，XTG體系加入Na+后，由于XTG帶負電荷，在Na+濃度逐漸增大時，能夠中和XTG側鏈上的負電荷，使XTG主側鏈更好的交聯，分子結構從無序向有序轉化。Ca2+中和負電荷的能力更強，此時XTG分子鏈變柔順，從而使得XTG與TG結構結合位點減少，結合能力減弱，直接造成體系黏度下降[29]。

通過不同鹽離子濃度對最佳TG/XTG復配體系的流動曲線進行Carreau模型擬合(見表3、4)，發現所有的R2都在0.95以上，擬合度較高。在添加Na+后，所有體系的η0(見表3)值隨著Na+添加量而逐漸減小。Ca2+添加后，復配體系的η0(見表4)值下降趨勢更大，表現出更低的黏度。這也說明高價態的鹽離子比低價態的鹽離子有更強中和XTG主側鏈上負電荷的能力[30]，所以，在同濃度添加量下，添加Ca2+的復配體系的黏度低于添加Na+時的黏度。

圖6 不同鹽離子濃度下最佳TG/XTG復配體系流動曲線

Figure 6 Flow curve of optimal TG/XTG compound system with different salt ion concentration

表3不同NaCl濃度下最佳TG/XTG復配體系Carreau模型擬合參數

Table 3 Fitting parameters of carreau model for optimal TG/XTG compound system with different NaCl concentrations

NaCl濃度/%c/spη0/(Pa·s)η∞/(Pa·s)R20.29.7850.373247.080.0000.970 400.47.1320.393240.530.0000.976 040.65.5320.409192.530.0000.953 340.85.1530.409184.090.0000.983 441.03.9620.426174.240.0000.951 06

表4不同CaCl2濃度下最佳TG/XTG復配體系Carreau模型擬合參數

Table 4 Fitting parameters of carreau model for optimal TG/XTG compound system with different CaCl2concentrations

CaCl2濃度/%c/spη0/(Pa·s)η∞/(Pa·s)R20.21.7460.459 05121.440.0000.969 400.41.8850.446 0299.680.0000.975 060.61.3060.469 9885.380.0000.960 080.81.9970.409 5382.090.0000.953 781.01.6600.443 2279.940.0000.979 33

由以上分析可得，未添加鹽離子復配體系的黏度均高于添加了鹽離子復配體系的黏度，表明鹽離子對TG/XTG復配體系的結構具有破壞作用。

2.7 SEM測定結果分析

圖7是XTG、TG及TG/XTG復配體系在質量比為6∶4時的掃描電鏡圖。從圖7(a)中可以看出，單一的XTG表面呈絲絨狀、孔徑較大、結構疏松。圖7(b)中可以看出，單一的TG表面結構不平整，呈立體狀，有較大縫隙存在。但圖7(c)中TG/XTG復配體系的微觀結構發生明顯的變化，混合體系表面更加平整、細密；絲片狀和凹洞顯著減小，觀察不到立體狀。由此可以表明刺云實膠與黃原膠共混后，在水合的作用下二者分子之間具有良好的交聯和相溶作用，形成了穩定的空間網絡結構，使得復配體系的凝膠強度、黏彈性大大提高。

(a) XTG (b) TG (c) TG/XTG

圖7 XTG、TG及TG/XTG復配體系電鏡掃描圖

Figure 7 SEM images of XTG TG and TG/XTG compound system

3 結論

采用質構儀和流變儀研究了總濃度為1%時的TG/XTG復配體系的凝膠特性與流變特性，并利用電鏡掃描技術分析復配體系網絡形成機理。得到以下結論：經質構和流變測定結果表明，在TG/XTG質量比為6∶4時有最大的凝膠強度、最大表觀黏度以及最大的動態黏彈性。因此，TG/XTG的最佳復配比例為6∶4。對最佳復配體系穩定性進行研究可知，在pH為5～10時，黏度保持相對穩定。當添加鹽離子后，最佳復配體系黏度降低，且在相同添加量下，Ca2+比Na+降低的趨勢更為顯著。掃描電鏡結果表明，在水合的作用下，TG與XTG之間存在明顯的協同增效作用，可以形成良好的凝膠網絡結構。通過對TG/XTG復配體系質構與流變學特性進行完整、系統的研究，利用二者優良的凝膠可以進一步為TG/XTG在食品、化工、醫藥等領域的應用和相關產品的質構以及加工性能提供理論依據。在后續的研究中，將對TG/XTG復配體系對具體食品品質的質構、風味及感官等的影響進行研究，以便為TG/XTG在食品中的應用提供更完善的參考。