濕熱降解對花魔芋魔芋膠/κ-卡拉膠復配凝膠性能的影響

任艷艷 李 斌 商龍臣 李 晶

(華中農業大學食品科學技術學院，湖北 武漢 430070)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是魔芋膠的關鍵組分，由β-1, 4吡喃糖苷鍵將β-D-葡萄糖和β-D-甘露糖以1.00∶1.60或1.00∶1.69的摩爾比連接而成[1]。研究[2]表明，1% KGM多糖溶液黏度可達90 Pa·s，是已知黏度最高的多糖溶膠之一。其超高黏度在于其分子為巨型線性分子，運動時需要巨大的自由空間，因此在水體系中其分子運動易受阻并纏結交聯，從而顯示出較大的表觀黏度[3]。由于其巨大的分子量，魔芋膠具有優良的凝膠性、增稠性、成膜性等功能性質，但另一方面其應用也因此受到了很大限制，尤其在凝膠復配領域，其水合過程中表現出的巨大黏度會嚴重影響其他組分在溶膠—凝膠轉變中的相分離或自組裝進程。因此，對其進行有限降解，推測可能對這一進程產生調控作用[4]。

κ-卡拉膠是由1，3-α-D-吡喃半乳糖和1，4-β-D-吡喃半乳糖為基本骨架交替連接而成的一種線性多糖，其具有凝膠、成膜、增稠等特性，從而使其在食品添加劑領域具有較為廣泛的應用[5]。然而，由κ-卡拉膠自身形成的凝膠往往具有脆性大、彈性小、易脫水收縮等缺陷，因此，在應用時多將其與其他膠體復配使用，如刺槐豆膠、黃原膠等，以提升凝膠性能[6]。另有研究[7]表明，魔芋膠與κ-卡拉膠復配，可形成彈性好、強度大、不易脫水收縮的凝膠。目前關于這兩種多糖配比、溶質濃度、溶劑離子強度等因素對復合凝膠性能的探討已見于諸多報道[8-10]，但利用特定分子量的魔芋膠與κ-卡拉膠復配從而提升復配凝膠性能的研究并不多見。研究[11]表明，不同分子量魔芋膠與黃原膠復配可對其凝膠性能產生較大影響。賀雪姣[12]以分子量范圍為1 898.36～4 436.50 kDa的4種魔芋膠與卡拉膠進行復配，同樣也發現一定限度降解的魔芋膠有利于復配凝膠性能的提升。所以筆者推測不同降解度魔芋膠在復配體系冷卻成膠的過程中，由于分子量不同，勢必對凝膠組裝過程和最終的性能產生影響。受品種、加工方式、貯藏時間等因素影響，KGM精細結構和分子量并不一致，通常分子量在200～2 000 kDa范圍內變動[13-15]，而中國產花魔芋品種中葡甘聚糖分子量一般在1 000 kDa以下[16]，基于中國商業上應用的魔芋膠基本上來源于花魔芋(占98%以上)，KGM分子量1 000 kDa以下的魔芋膠，是否仍然存在可以提升與卡拉膠復合凝膠性能的某個降解范圍，目前依然沒有定論，因此研究擬以源于花魔芋的魔芋膠為原料，采取濕熱降解的方法制備分子量范圍為137.8～621.5 kDa的魔芋膠，將其與κ-卡拉膠進行復配，考察其對凝膠拉伸性能、質構特性、流變特性、持水性等關鍵性能指標的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料與試劑

花魔芋魔芋膠：食品級，湖北強森魔芋制品有限公司；

κ-卡拉膠：食品級，上海北連生物科技有限公司；

超純水：實驗室自制。

1.1.2 主要儀器設備

分析天平：BAS1245-CW型，德國Sartorius公司；

電動攪拌機：HD2010W型，上海司樂儀器有限公司；

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器：DF-101S型，武漢德力祥儀器設備有限公司；

真空冷凍干燥機：LGJ-30FD型，北京松源華興科技發展有限公司；

低速離心機：SC-3614型，安徽中科中佳儀器有限公司；

18角度激光光散射凝膠色譜：DAWN HELEOSII型，美國WYATT公司；

質構儀：TA.XT plus型，英國TA公司；

掃描電子顯微鏡：JSM-6390LV型，日本NTC公司；

流變儀：AR2000ex型，美國TA公司。

1.2 方法

1.2.1 降解魔芋膠的制備 將花魔芋魔芋粉在高壓蒸汽滅菌鍋中采用4種不同加熱溫度加熱一定時間，收集干燥后，采用凝膠排阻色譜—激光光散射聯用法測定分子量。未降解魔芋膠分子量為621.5 kDa，4個降解魔芋膠樣品其分子量分別為415.6，325.6，233.3，137.8 kDa。

1.2.2 凝膠樣品的制備 室溫下將0.5%魔芋膠溶入水中攪拌2 h，攪拌結束后靜置1 h，待其充分溶脹后置于75 ℃水浴中，根據配比添加2%的κ-卡拉膠，不斷攪拌使兩者充分混合，經一定時間水浴消泡后，倒入相應模具中初步成型，再將其放入25 ℃恒溫培養箱中凝膠12 h即可。樣品A由κ-卡拉膠單獨制備，樣品B～F分別由分子量為621.5，415.6，325.6，233.3，137.8 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠混合制備。

1.2.3 機械性能測定 采用質構儀對凝膠機械性能進行測定。

(1) 拉伸性能測定參數：橫軸拉伸模式，A/TG探頭，測前速率2 mm/s，測試速度2 mm/s，測后速率10 mm/s，拉伸距離140 mm，試樣每份平行測5次。

(2) 彈性、硬度測定參數：TPA模式，P/0.5探頭，測前速率1 mm/s，測試速度1 mm/s，試后速率2 mm/s，觸發力5.00 g，形變量50%，試樣每份平行測3次，各測4個點，共12個點。

1.2.4 流變特性測定 將凝膠置于帕爾貼板上，進行溫度掃描、頻率掃描、穩態剪切掃描測試。使用直徑60 mm的平行板夾具，平行板間距均設置為500 μm，平衡時間120 s。溫度掃描在應變1%(通過應變掃描確定)，頻率10 rad/s的條件下考察凝膠黏彈性與溫度的關系，掃描范圍75～25 ℃，降溫速率2 ℃/min；頻率掃描在25 ℃，應變1%的條件下考察凝膠凝膠黏彈性隨頻率的變化，掃描范圍為0.1～100.0 rad/s；穩態剪切掃描在75 ℃下進行，剪切速率為0.01～100.00 s-1。

1.2.5 持水性測試 將制備好的凝膠，離心前擦干表面水分稱重，然后在25 ℃條件下將樣品置于10 000 r/min轉速下離心15 min后取出凝膠，用吸水紙擦干其表面水分稱重，每個樣品設6次重復，凝膠的持水性可由式(1)求得。

(1)

式中：

WHC——凝膠持水性，%；

m2——凝膠離心后的質量，g；

m1——凝膠離心前的質量，g。

1.2.6 SEM分析 凝膠樣品通過浸入液氮中進行冷凍破碎，以避免水分遷移。然后將冷凍的樣品立即轉移到真空冷凍干燥機中冷凍干燥48 h得到所需凍干樣品。再用掃描電鏡觀察之前，樣品需進行噴金處理，涂布時間約為30 s，最后在15 kV的加速電壓下捕獲圖像以觀察樣品的表面形態。

2 結果與分析

2.1 不同降解度魔芋膠對凝膠機械性能的影響

2.1.1 拉伸性能 由圖1可以看出，凝膠的斷裂強度(TS)和斷裂伸長率(EIO)均隨魔芋膠分子量的減小呈先增大后減小的趨勢。單獨的κ-卡拉膠形成的凝膠具有最小的TS和較小的EIO，當未降解魔芋膠與κ-卡拉膠復配后其TS和EIO增大，這是因為KGM分子穿插在κ-卡拉膠形成的網絡結構中，形成分子間氫鍵從而增強了凝膠性能[17]。魔芋膠經有限降解后(分子量415.6 kDa)，復配膠的TS、EIO同時顯著增大；當進一步降解后(分子量<325.6 kDa)凝膠機械性能急劇下降。綜上所述，魔芋膠在分子量為415.6 kDa時對復配凝膠機械性能的提升最顯著。Kohyama等[18]在研究中提出“在KGM與κ-卡拉膠的復配體系中，隨著KGM分子量的增大，分子鏈長度增加，與κ-卡拉膠的弱結合位點越多，因此形成的凝膠擁有更為緊密的結構，其斷裂應力和模量也會增加”，這在137.8～325.6 kDa的分子量分布范圍內是成立的，但分子量>415.6 kDa時并不成立，但這種現象與Mitchel[19]提出的“一個凝膠體系中當其中一種成分的分子量大于某臨界值時，則體系的規則程度和彈性模量便不再直接受到分子量影響”的觀點是一致的。基于此,筆者對復合凝膠機械強度增強的原因進行如下推測：① 魔芋膠的分子量在415.6 kDa附近時與κ-卡拉膠弱結合位點較多；② 有限降解使KGM分子運動性增強，從而對復合凝膠在溶膠—凝膠轉變中兩組分的相分離和自組裝進程產生影響。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

2.1.2 質構性能 由圖2可以看出，凝膠的硬度隨魔芋膠降解度的增大呈先增大后減小的趨勢，并在233.3 kDa時達到最大，此時凝膠依然維持高彈性狀態，但當凝膠分子量<233.3 kDa時，這兩個質構關鍵指標顯著降低。推測分子量為233.3 kDa的魔芋膠在濃度為0.5%時，仍大于其臨界纏接濃度，此時KGM分子間相互纏繞并能夠更加均勻地穿插在由κ-卡拉膠構成的凝膠骨架中，從而賦予復合凝膠良好的硬度和彈性。更低分子量的魔芋膠(137.8 kDa)則因為KGM分子無法相互纏接，僅起到填充作用[20]。

2.2 不同降解度魔芋膠對凝膠流變性能的影響

2.2.1 凝膠頻率掃描 圖3顯示了凝膠體系的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)隨振蕩頻率變化的關系圖，穩定狀態下6種凝膠的儲能模量G′均大于其損耗模量G″，呈顯著的凝膠特性。圖3(b)中未降解魔芋膠與κ-卡拉膠復配后其儲能模量G'稍低于104Pa，而圖3(c)中分子量為415.6 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠復配后的G'值則稍高于104Pa，但隨著魔芋膠的進一步降解，G'呈下降趨勢，且凝膠變得不穩定，與圖4中剪切應力和黏度隨魔芋膠分子量的變化是一致的。有研究[21]表明，二者復合凝膠體系內存在兩類凝膠區，其一由κ-卡拉膠自身的螺旋結構形成，另一個由魔芋膠與κ-卡拉膠共同構成。魔芋膠分子量輕微地降低(415.6 kDa)，可能使KGM更好地穿插在與κ-卡拉膠共同構成的凝膠區中，從而提高其凝膠性能，但是KGM分子量的進一步降低會導致凝膠區KGM之間的纏接減弱，表現為凝膠儲能模量的減弱。

圖3 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復合凝膠的頻率掃描模式曲線

2.2.2 凝膠穩態剪切掃描 圖4(a)顯示了不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復合溶膠剪切應力與剪切速率的關系。在較低的剪切速率(0.01～0.10 s-1)下，凝膠的剪切應力緩慢增加，當剪切速率達到0.10 s-1時，凝膠的剪切應力迅速增大。這可能是在低速剪切區，分子在剪切力作用下發生了較為明顯的結構解纏結，隨著時間的延長，使溶膠內部的分子會逐漸恢復剛開始的纏結狀態，使得凝膠的網絡結構得以維持，而在高剪切速率范圍內則無法恢復。圖4(b)顯示了不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復合溶膠表觀黏度與剪切速率的關系。較低的剪切速率(0.01～0.10 s-1)下，凝膠的表觀黏度降低緩慢，但在高剪切速率范圍內，表觀黏度迅速下降，說明在高剪切速率范圍內，鏈纏結點被破壞的速度大于重構速度，分子的結構無法恢復，表現為表觀黏度的下降。另外表觀黏度可以反映凝膠內部結構被破壞的難易程度[22]，由圖4可知，破壞κ-CA/KGM (415.6 kDa)形成的網絡結構最難，說明分子量為415.6 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠形成的復合凝膠協同增效性最強。而且，在整個剪切速率范圍內，分子量為415.6 kDa的魔芋膠與κ-卡拉膠形成的復合凝膠的剪切應力和表觀黏度均大于未降解魔芋膠與κ-卡拉膠形成的凝膠。

圖4 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復合溶膠的穩態剪切掃描模式曲線

2.2.3 凝膠溫度掃描 圖5顯示了不同降解程度的魔芋膠與κ-卡拉膠復合凝膠的儲能模量(G′)、損耗模量(G″)與溫度的關系，各類混合凝膠與κ-卡拉膠凝膠過程相似，說明復配凝膠體系是以κ-卡拉膠形成的雙螺旋結構為主。整個降溫過程中，復合凝膠的儲能模量G′均高于κ-卡拉膠獨自形成的凝膠，且分子量為415.6 kDa的魔芋膠與卡拉膠所復配出的凝膠儲能模量相對更大。值得注意的是：未降解魔芋膠的加入幾乎沒有改變κ-卡拉膠的凝膠轉變溫度，但分子量為415.6，325.6 kDa魔芋膠的添加使得凝膠轉變溫度顯著升高，但進一步降解后其凝膠轉變溫度又回到原位。凝膠轉變溫度的高低，影響到溶膠—凝膠轉變中兩組分的相分離或自組裝進程[23]，推測κ-卡拉膠與分子量為415.6 kDa的魔芋膠復配后之所以展示出良好機械特性，與其冷卻過程中，處于溶膠狀態下的時間更短、相分離發生更少；相反處于凝膠狀態下時間更長，自組裝更加充分有關。

圖5 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復合凝膠的溫度掃描模式曲線

2.3 不同降解度魔芋膠對凝膠持水性的影響

圖6為不同降解度的魔芋膠對凝膠持水特性的影響，加入未降解魔芋膠與κ-卡拉膠復配后，凝膠持水性稍有增加但不顯著，當分子量為415.6 kDa的魔芋膠與卡拉膠復配后其持水性有顯著性的增加(P<0.05)，但魔芋膠進一步降解后其持水性降低，與以上機械特性、流變特性的規律一致。

2.4 不同降解度魔芋膠對凝膠結構的影響

圖7是不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復配后得到的掃描電子顯微鏡圖，由前文各項表征得知魔芋膠經輕度降解后(415.6 kDa)，復配凝膠的性能得到顯著提升，但過度降解的魔芋膠(137.8 kDa)卻適得其反。所以，選取有代表性的樣品，針對魔芋膠最高分子量、最適分子量、最低分子量分別進行復合凝膠微觀結構的觀察比較。從圖7可以看出，κ-卡拉膠單獨形成的凝膠多孔、孔徑較大且不規則；加入未降解的魔芋膠后其孔洞變小，均一性增大，但表面粗糙；加入415.6 kDa魔芋膠后其網絡結構緊密且有序、呈均勻細密孔狀，且表面光滑，而最大降解度魔芋膠與卡拉膠復配后形成的凝膠結構松散，孔洞大且不均一，這一表征與水凝膠的性能表現相呼應。

字母不同表示差異顯著(P<0.05)

圖7 不同降解度魔芋膠與κ-卡拉膠復配后凝膠的微觀結構

3 結論

對花魔芋魔芋膠進行有限濕熱降解處理，是提升魔芋膠/κ-卡拉膠復配凝膠性能的有效方法，但降解程度的控制必須恰當。試驗中未降解魔芋膠(621.5 kDa)經輕度降解后(415.6 kDa)，顯著提升了復配凝膠的凝膠轉變溫度(5.98 ℃)，同時儲能模量G'、剪切應力、黏度小幅增加，分別增加了592.04 Pa、126.09 Pa、1.26 Pa·s，致使冷卻成膠后，凝膠斷裂強度、斷裂伸長率、凝膠持水性顯著增加(P<0.05)，分別提高了21.64%，163.35%，0.39%，SEM顯示凝膠結構更加緊密有序。

在多糖水凝膠研究中心，通常認為分子量大更利于凝膠優越性能的形成。但試驗揭示在溶膠—凝膠轉變中，盡管魔芋膠/κ-卡拉膠的配比一致，但由于魔芋膠具有分子量大、分子運動性小，分子量小、分子運動性大的性質，導致各復配凝膠特性的不同。有限濕熱降解的魔芋膠(分子量415.6 kDa)與卡拉膠復配之所以展現出良好的凝膠特性，與其在溶膠—凝膠轉變中的相分離或自組裝進程有關，這不僅為諸如果凍等產品的生產提供了一個新的配料，更揭示了高濃度多糖水凝膠復雜體系的最終性能受到各種消長因素的影響，而對這一個消長過程的綜合優化，可為相關產品開發的思路作為借鑒。此外，關于有限降解魔芋膠對復合凝膠體系的冷卻凝膠演變過程的作用機制，仍有待深入研究。