超聲對魔芋葡甘聚糖與大豆蛋白復配體系粒徑與流變性的影響

謝建華 張巧芬 張桂云 龐 杰 林常青 高小梅

(漳州職業技術學院食品工程學院1，漳州 363000)(漳州市食品產業技術研究院2，漳州 363000)(福建農林大學食品科學學院3，福州 350002)

多糖與蛋白質是構建各種食品體系的最主要基材[1，2]，它們的相互作用形式和程度決定了食品體系質構、感官、穩定，并顯著影響其營養和功能特性[3，4]。但由于多糖和蛋白質形成的共混體系常存在熱力學不相容特點，使得其在食品加工應用過程中會出現相分離現象，嚴重阻礙了多糖-蛋白基產品在食品、藥品及材料等領域的廣泛應用[5，6]。因此，如何提高多糖-蛋白復配體系的相容性、改善其性能是實現食品材料功能性質優化的關鍵。

超聲波作為一種先進的食品加工技術，因其設備使用方便、環保、安全、無毒等特點，在食品行業得到越來越廣泛的重視[7]。超聲可以分為兩類：低強度超聲(頻率<20 kHz)和高強度超聲(頻率范圍20～100 kHz)。本研究指的是高強度超聲，其聲場具有獨特的空化現象，可同時產生熱效應和機械效應[8，9]。超聲的機理是依靠超聲的空穴效應，使得液體中的氣泡迅速形成、增長、振蕩和爆裂，形成極端高溫(5 000 K)和高壓(50 MPa)，同時伴隨著強烈的沖擊波和微射流，從而產生巨大的剪切力和混合效應[10]。利用超聲波的這種超聲振動能量，從而使食品的組織結構、性狀和組成發生改變。目前已被應用于食品中生物大分子的改性研究[11]。據相關研究表明，高強度超聲可使蛋白質粒度變小、疏水基含量減少，破壞了蛋白分子的空間結構，從而改善食品蛋白質的溶解性[12，13]、起泡性[14]、持水性[11]、乳化性[15]和凝膠性[16，17]等功能特性，促進蛋白質與其他成分的作用。有研究表明超聲可有效改善大豆蛋白-刺槐豆膠熱力學相容性，從而增強其凝膠體系[18]，因此說明超聲可作為增溶多糖-蛋白的有效工具，但目前鮮有文獻報道應用超聲處理其他多糖大分子與蛋白質的相互作用。

KGM與蛋白質可通過氫鍵和靜電力作用形成混合體系，該體系顯示出比單獨使用時更優越的性能[19]。基于此，本研究擬以KGM-SPI共混復配體系為研究基材，通過流變學分析研究超聲場調制多糖-蛋白溶液共混體系流體行為和黏彈特性，以期尋找調控多糖-蛋白復配體系性能的一種新解決手段，對多糖與蛋白的使用提供一定的指導作用。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑

KGM(食品級)、SPI(食品級，純度≥90%)。

1.1.2 儀器與設備

JY92-IIDN型超聲波細胞破碎儀(頻率范圍20～25 kHz)，HH-4型恒溫水浴鍋， STSJB-120型電動攪拌器， BT-9300S型激光粒度分布儀， Zeta電位儀， Rheoplus MCR301型流變儀。

1.2 方法

1.2.1 KGM-SPI共混復配體系的制備

以蒸餾水為基準稱取0.45%的SPI加入到蒸餾水中，攪拌機攪拌使蛋白質分散均勻，稱取1.05%的KGM，攪拌機以 150 r/min 的速率緩慢攪拌緩慢加入蛋白液中，同時置于恒溫水浴50 ℃條件下攪拌15 min，將共混液分別在0、120、200、280 W超聲處理15 min，后進行粒徑測試和流變學分析。

1.2.2 KGM-SPI混合體系粒徑及分布的測定

將KGM-SPI體系，采用蒸餾水按比例稀釋，在折射率為1.5，介質的折射率為1.3條件下，測量體系中粒徑的大小及分布情況[20]。

1.2.3 KGM-SPI混合體系ζ-電位的測定

將制備的KGM-SPI混合體系分散到pH 7.0的磷酸鹽緩沖液中，在常溫條件下采用ZetaPALS-Zeta電位儀測定樣品的ζ-電位，測定時的溫度為25 ℃，每個樣品平行測定3次，計算平均值。

1.2.4 KGM-SPI混合體系流變特性研究

采用流變儀測試不同超聲處理的KGM-SPI混合體系流變性能，測試探頭為Φ50 mm平行板，1 mm間距。測試溫度(30±1) ℃條件下剪切速率從0.01 s-1增加到10 s-1，記錄體系黏度和應力變化情況。在溫度(25±0.2) ℃、應變1%條件下，分別觀察頻率從0.1～10 Hz過程中彈性模量(G′)和黏性模量(G″)的變化情況。在應變為1%，頻率1.0 Hz條件下，觀察不同處理在20～80 ℃下G′和G″的變化情況。

1.3 數據分析

所有實驗均重復3次，利用origin2016軟件繪圖，采用SPSS21.0軟件數據統計分析，通過單因素方差分析比較組間數據，結果以平均值±標準偏差表示，具統計學意義上的顯著性差異以P<0.05示出。

2 結果與分析

2.1 不同超聲功率處理對KGM-SPI混合體系粒徑的影響

粒徑分布是衡量溶膠特性的重要指標之一。由圖1可見，未經超聲處理的KGM-SPI體系，其粒徑分布范圍較廣，且有大粒徑的顆粒存在，如大于250 μm以上的顆粒；而超聲處理其體系顆粒粒徑小于未超聲處理組，顆粒粒徑分布范圍較窄，且主要形成中等大小的顆粒，其體積平均粒徑(D4,3)為54～64 μm，而中位徑在46～55 μm。這說明超聲處理可使體系中的KGM或SPI的大顆粒粒徑降低。這可能是超聲使KGM和SPI形成更小顆粒，溶解性增加，界面張力降低，改變其空間結構，且在基體中分散更均勻，從而促進KGM和SPI分子間的作用，形成更穩定體系，其結果與超聲對大豆蛋白-刺槐豆膠的增容性相一致[18]。但不同超聲處理其粒徑大小不一，從圖2可知，未超聲處理KGM-SPI體系體積平均粒徑(D4,3)和中位徑均最大，其次是280 W處理組，而120 W和200 W最小，兩個處理的粒徑大小相差不顯著(P>0.05)，而這種現象的機理需要后面進一步的探討。

圖1 不同功率超聲處理的KGM-SPI溶膠粒徑分布

圖2 不同超聲功率處理對KGM-SPI溶膠體積平均粒徑(D4,3)大小

2.2 不同超聲功率處理對KGM-SPI混合體系ζ-電位的影響

溶膠表面電荷密度能反應其粒子之間靜電相互作用，ζ-電位可作為衡量的溶膠顆粒之間相互作用的指標。由圖3可見，未經超聲處理的KGM-SPI體系Zeta電位為-7.47 mV，經超聲處理的KGM-SPI體系的Zeta電位在200 W時為-11.78 mV，而120 W和280 W處理的KGM-SPI體系的Zeta電位分別為-9.13 mV和-10.21 mV，其絕對值均低于200 W處理的電位。說明適當的超聲處理使KGM-SPI體系的帶電荷數增加，可提高KGM-SPI體系穩定性。

圖3 不同功率超聲處理的KGM-SPI混合體系ζ-電位的影響

圖4 不同超聲處理對KGM-SPI溶膠中黏度的影響

2.3 不同超聲功率處理對KGM-SPI混合體系剪切稀化的影響

圖4為不同超聲處理的KGM-SPI體系剪切應力與剪切速率變化曲線。從圖4可看出，KGM-SPI復配體系的表觀黏度隨剪切速率的增加而下降，這說明該復配體系為非牛頓流體，具有假塑性流體的特征。與對照相比，120 W和200 W處理后，復配體系溶液的黏度均顯著提高，當280 W處理時，其黏度比未經處理還低。說明適當超聲處理對魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白體系的結構與性能產生影響，這可能由于適當超聲處理，有利于多糖與蛋白分子間發生交互作用，從而提高其凝膠強度；而當超聲功率太高可能會使蛋白質結構破壞或使多糖分子變小從而使其體系作用減弱，黏度下降，但其機理有待進一步研究。

2.4 不同超聲功率處理的KGM-SPI混合體系的流變曲線和流變模型

從圖5可以看出，同一處理，剪切應力隨剪切速率的增大而增大；同一剪切速率條件下，隨著超聲功率的增大其剪切應力呈先增后減。采用Power-Law模型τ=kγn對魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復合體系的流變曲線進行擬合，其相關系數均大于0.99，說明擬合效果較好。Power-Law模型中n是流態特性指數，n越小，剪切越易變稀，假塑性程度越大。表1可知，不同處理魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復配體系n<1，這也說明了其為非牛頓流體。模型中的k為稠度系數，k值越大，說明流體越黏稠。

圖5 不同超聲處理對KGM-SPI溶膠中剪切應力的影響

表1 復合溶膠在處理條件下的流變特性參數值

從表1可以看出，當超聲功率較低時，魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復配體系隨著功率的增加，黏稠系數(k)增大，流變特性指數(n)減小，這說明適當超聲處理使體系的非牛頓性流體行為增強，這可能是由于超聲處理對KGM-SPI混合體系分子間的相互作用力增強，使KGM-SPI復配體系形成穩定凝膠所致。k值和n值是衡量溶膠體系的質量指標，k值愈大，n值愈小，表明體系質量越好，產品凝膠強度增加[21-22]。當超聲功率達增加280 W時，其黏稠系數急激下降，這可能過度超聲會使蛋白變性或多糖分子量變小，從而影響其體系相互作用。

圖6 k和n分別對應的不同超聲處理回歸曲線

圖6為魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復配體系的黏稠系數k和流變特性指數n與不同處理的多次項擬合曲線和方程。由圖6可知，魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復配體系的k與不同超聲處理呈三次項函數關系，其方程為y=-8×10-6x3+0.002 6x2-0.125 2x+2.524，相關系數R2=1。魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白混合體系的n與不同超聲處理符合二次多項函數關系，其方程為y= 5×10-6x2-0.001 3x+0.938 3，相關系數R2=0.983 9。

2.4 不同超聲功率處理的KGM-SPI復配體系的黏彈性

圖7 頻率對KGM-SPI體系溶膠黏彈性的影響

圖7為不同超聲處理的KGM-SPI體系的彈性模量(G′)均低于黏性模量(G″)的變化曲線。從圖7可看出，隨著頻率的增加，KGM-SPI體系的G′和G″均呈現增大。在低頻率時各比例的混合溶膠的G′均低于G″，當頻率進步提高時，所有樣品的模量均升高，G′增加的速度比G″大，且達到一定頻率時G′大于G″，這可能是由于共混體系中分子間相互作用增強，形成更為致密的網絡結構，從而使體系凝膠強度增強，說明該體系具有彈性體性質。不同強度的超聲處理對KGM-SPI體系作用不同。在120 W和200 W超聲處理，其體系的G′與G″均比未處理更大，且其彈性模量和黏性模量的交叉點的頻率也更低。而當280 W處理時，其體系G′與G″均比未處理更小，且交叉點在高頻率相交。G′與G″隨頻率變化的曲線的交匯點位置，可作為衡量體系黏彈性能的特點。從圖7可知，適當超聲處理能夠增加KGM-SPI體系的黏彈性，這可能是由于超聲預處理能夠促進KGM-SPI體系相互作用加強，形成了均一、致密、高強度的凝膠網絡結構，而過度超聲反而起到反作用。

2.5 不同超聲的KGM-SPI復配體系的耐溫性

臨界凝膠溫度，對準確確定其溶膠-凝膠轉變點具有非常重要的意義。G′和G″的溫度譜曲線的交叉點可作為判斷大分子溶膠-凝膠轉變溫度的手段。圖8為不同超聲處理的魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白復配體系的模量隨溫度的變化趨勢。由圖8中可以看出，120 W和200 W超聲處理，KGM-SPI體系G′與G″均高于對照，而280 W處理的比照還低。加熱過程中KGM-SPI體系的G′和G″隨著溫度的升高均呈下降趨勢，除120 W和200 W超聲處理的G′有稍微上升后下降。對照處理在整個溫度掃描范圍G′始終小于G″，無交叉點。而120 W和200 W超聲處理分別在39.7 ℃和59.0 ℃有交叉后，其G′均低于G″。說明樣品適當超聲處理發生了溶膠-凝膠的轉變，使KGM-SPI體系形成彈性體系，但該體系對熱不穩定，加熱使其轉變成液體特性。這說明超聲對KGM-SPI體系作用與溫度相關，有待今后進一步研究。

圖8 溫度對KGM-SPI體系混合溶膠黏彈性的影響

3 討論

超聲處理可以使KGM-SPI復配體系的粒徑大小和表面帶電情況發生改變。從體系粒徑大小及分布情況看，與未超聲處理相比120 W和 200 W超聲處理使KGM-SPI體系顆粒變小，且大部分顆粒主要分布在50～60 μm之間，而當超聲功率達到280 W時反而使其顆粒粒徑增大，但與未處理的小。這可能是超聲可多糖和蛋白質分子量先變小，使蛋白質溶解性增加，同時超聲也暴露蛋白質分子的內部結構，使部分結構展開、柔性增加，界面張力降低，且在基體中分散更均勻，從而促進KGM和SPI分子間的靜電相互作用，形成更穩定體系，其結果與超聲對促使蛋白-多糖體系穩定性相一致[18]。而過度超聲處理會使蛋白質形成更大不可溶的聚集體，這與超聲處理對大豆分離蛋白-磷脂作用相一致[23]。再結合ζ-電位的變化情況看，適當的超聲處理使KGM-SPI復配體系的電荷增加，從面增加其體系穩定性。

從流變學分析，KGM-SPI體系為假塑性流體，與未超聲組相比，120 W和 200 W超聲處理會使KGM-SPI體系的k值增大、n值減小，提高其黏彈性，而280 W超聲處理會使其體系k值減小、n值增大，降低其黏彈性；從頻率掃描看，120 W和 200 W超聲作用增加了KGM-SPI體系的儲能模量(G′)及損耗模量(G″)，促使KGM-SPI相互作用的強度增強，形成彈性體系，而280 W的超聲處理則會使其相互作用能力降低。從溫度掃描看，超聲改變了體系的耐溫性，且200 W超聲處理優于120 W處理，而280 W處理最差。這表明適當超聲處理會影響KGM-SPI相互作用的程度，適宜強度的超聲處理有利于復合體系凝膠性能和耐溫性得到的提升，而過度超聲處理其體系未能形成穩定凝膠。再從體系粒徑分布及大小和帶電情況看，這可能是由于適度超聲使KGM和SPI的性質發生改變，如分子變小，溶解度增加等，從而增加其作用力，使其形成更穩定的凝膠體；而適當超聲處理會使其分子先變小，ζ-電位絕對值增加，但過度處理反而使其ζ-電位絕對值變小，形成不穩定性聚集體。而這種現象需要今后有待于從其性能和微觀結構進一步的探討。

4 結論

采用不同超聲波功率對KGM、SPI相互作用及體系流變性的影響。研究表明適當超聲處理可使KGM-SPI體系顆粒變小、顆粒粒徑分布范圍變窄、ζ-電位絕對值變大，儲能模量(G′)及損耗模量(G″)增加，黏稠系數增大，流變特性指數減小，且其體系的耐溫性能得到的提升。說明適當超聲處理可促使KGM-SPI分子間的作用，形成更穩定彈性體系，其體系非牛頓性流體行為增強。