抗性糊精對κ-卡拉膠凝膠特性的影響

詹 偉，袁 超，崔 波

(齊魯工業大學食品科學與工程學院，山東濟南 250000)

天然多糖無毒、生物相容性好、具有良好的生態友好性，已被廣泛應用于食品工業和制藥配方中[1-2]。κ-卡拉膠是從某些紅色海藻中提取的一種含硫多糖，由 重復的α-1，3糖苷鍵連接的D-半乳吡喃糖和β-1連接的3，6-脫水半乳吡喃糖單元交替連接而成[3]。由于其優異的結構性能，被應用于食品領域以改善食品的質地、粘度和穩定性等[4]。然而，κ-卡拉膠單獨成膠時，凝膠的脆性大、水分易析出，不能滿足食品工業的部分應用[5]。

在κ-卡拉膠中添加其它糖類可以提高κ-卡拉膠凝膠的強度和持水性能。已有相關報道，多糖與κ-卡拉膠混合后形成的凝膠的理化特性優于單純κ-卡拉膠凝膠[6-8]。例如，有研究表明κ-卡拉膠中加入秋葵多糖可以顯著提高混合凝膠的結構參數，并通過改變水的分布來影響其持水能力。Loret等[9]研究了玉米糖漿/葡萄糖漿混合物(DE=63/40)對κ-卡拉膠凝膠力學性能的影響。結果表明，由于更多的或更大的κ-卡拉膠鏈聚集，混合凝膠體系具有更高的剛性。Yang等[10]研究了蔗糖對κ-卡拉膠凝膠結構特性的影響，結果表明蔗糖的加入可以提高κ-卡拉膠凝膠的相轉變溫度，形成的凝膠具有更致密、更粗的κ-卡拉膠纖維束網絡結構。然而，關于低聚糖對κ-卡拉膠凝膠特性影響的研究有限。Yuan等[11]研究了不同分子結構的環糊精對κ-卡拉膠凝膠特性的影響。環糊精的加入影響κ-卡拉膠無規則線圈的重新排列，從而改變κ-卡拉膠的凝膠特性。

抗性糊精是通過淀粉熱解得到的一種不可消化的低聚糖[12-13]，糖鏈結構中包含抗酶水解的糖苷鍵(如α-1,2,α-1,3)。已有研究表明，抗性糊精可以作為膳食纖維來調節人體的血糖、血脂和腸胃環境[14]。另外，抗性糊精也應用在低熱量食品中，作為添加劑改善食品風味。抗性糊精的原料來源廣泛，生產成本低，而且本身具有低甜度、高溶解、無異味等特點[15]。然而，抗性糊精的研究已有報道，但仍未被廣泛應用。

因此，本文研究了以抗性糊精為共溶劑加入到κ-卡拉膠中，通過研究κ-卡拉膠凝膠的凍融穩定性、熱力學特性、壓縮模量、紅外光譜及微觀結構的變化，探究抗性糊精對卡拉膠凝膠的影響方式。以期為拓展抗性糊精和κ-卡拉膠的應用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

κ-卡拉膠(純度>98%) 上海TCI有限公司；抗性糊精(水分含量3.08%) 日本松谷化學株式會社；氯化鉀 分析純，天津市大茂化學試劑廠。

Agilent1260型凝膠滲透色譜 德國Pruftechnik公司；TM120、TM250和TM500型超水凝膠柱 美國Waters公司；TA6000型同步熱分析儀 荷蘭Perkin Eimer公司；TA-XTplus/30型質構儀 英國SMS公司；TG1650-WS型高速臺式離心機 上海盧湘儀離心機儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1κ-卡拉膠和抗性糊精的分子量測定 采用凝膠滲透色譜法(GPC)測定κ-卡拉膠和抗性糊精的分子量分布。檢測器為示差折光檢測器，測量柱采用超水凝膠柱TM120、TM250和TM500，測定時三柱串聯。流動相為0.1 mol/L的硝酸鈉，流速1 mL/min，柱溫和檢測器溫度均為40 °C。樣品測量前過0.45 μm濾膜，取45 μL進樣并收集數據。利用Cirrus GPC軟件進行數據分析。

1.2.2 混合凝膠的制備 參照Yuan等[16]的方法，稍作修改制備混合凝膠。稱取適量的κ-卡拉膠粉末(1%,w/w)加入到0.2%(w/w)氯化鉀溶液中40 °C攪拌均勻，制得1%的純卡拉膠凝膠原液備用。分別加入1%、2%、3%、4%、5%(w/w)的抗性糊精到κ-卡拉膠溶液中，85 °C水浴攪拌30 min。所得均質液過100目的篩子消除氣泡倒入模具中。最后，將樣品在25 °C下保存6 h。

1.2.3 凍融穩定性測定 新制備的κ-卡拉膠凝膠原液稱重后轉移到6個燒杯內，分別加入1%～5%的抗性糊精。混合溶液在85 °C水浴攪拌30 min，稱量各離心管的重量記為M1，每個樣品均勻地轉移到50 mL離心管中，25 °C靜置6 h，形成凝膠后稱重記為M2。隨后轉移至-20 °C冷凍24 h，然后25 °C解凍6 h，6000 r/min離心15 min，去除水分后稱重，記為M3。凍融循環重復5次，計算每次凍融循環后的析水率。析水率的計算公式如下：

式中：M1為離心管質量，g；M2為凝膠與離心管總質量，g；M3為離心后除去水分后凝膠與離心管的總質量，g。

1.2.4 熱穩定性分析 各凝膠樣品置于-20 °C環境下冷凍4 h后真空冷凍干燥凍干，研磨成粉末狀。稱取約10 mg粉末凝膠樣品于陶瓷坩堝中進行熱穩定性分析。N2流速20 mL/min，升溫速率20 °C/min，升溫區間20～900 °C。

1.2.5 熱動力學分析 通過積分法研究抗性糊精對卡拉膠凝膠熱分解動力學的影響。根據下式求得各κ-卡拉膠凝膠的活化能：

式中：α為熱分解反應轉化率；T為溫度(K)；A為指前因子(min-1)，反應本性常數；R為氣體常數(8.314 J/(mol·K)；C為升溫速率(K/min)；E為反應活化能(kJ·mol-1)。

1.2.6 壓縮模量 制備好的各κ-卡拉膠凝膠切成圓柱形的小塊(36 mm×10 mm)，置于TA-XTplus/30質構儀平臺上。傳感器參數5 N，探頭以0.1 mm/s的測試速度運行至5 mm的深度，收集應力(τ)與應變(λ)的變化數據。在低應變區，應力與應變曲線用Neo-Hookean模型擬合，擬合曲線的斜率即壓縮模量。

1.2.7 衰減全反射傅里葉變換紅外光譜 取少量冷凍干燥后的凝膠粉末置于金剛石平板孔內，自然壓下。在掃描次數為48次、分辨率為8 cm-1以及掃描波長范圍為4000～400 cm-1的條件下收集樣品的紅外譜圖。

1.2.8 微觀結構 制備好的凝膠樣品用液氮迅速冷凍，待液氮揮發后將樣品切成小塊，-80 ℃保存12 h后進行真空冷凍干燥。凍干后的樣品在其觀察表面進行噴金處理，在加速電壓為20 kV的真空條件下，利用掃面電鏡放大500倍后觀察并拍攝樣品的微觀形貌。

1.3 數據分析

采用Origin 8.5軟件作圖，SPSS 22.0軟件進行顯著性差異分析(P< 0.05)。

2 結果與分析

2.1 κ-卡拉膠與抗性糊精的分子量分布

圖1為κ-卡拉膠與抗性糊精的分子量分布譜圖，表1為κ-卡拉膠和抗性糊精的分子量相關參數。從圖1中可以看出，κ-卡拉膠的譜圖中僅有一個洗脫峰(圖1A)，且κ-卡拉膠的分散系數為1.67(表1)，表明κ-卡拉膠的分子量較集中。κ-卡拉膠的重均分子量(Mw)為62.66×103kDa，該測量結果與Campo等[2]之前報道的κ-卡拉膠的Mw結果相近。抗性糊精的譜圖中在保留時間為23.15 min處觀察到一個主峰(圖1B)，且洗脫峰很窄，糊精的分散系數為1.55，表明所用糊精樣品組分單一，分子量分布集中，幾乎沒有其它小分子單糖[17]。實驗測得所用抗性糊精的平均DP值(12.84)遠小于κ-卡拉膠的平均DP值(3867.90)，這表明抗性糊精加入到κ-卡拉膠溶液中可以通過攪拌分散到多糖鏈之間。

圖1 κ-卡拉膠與抗性糊精的分子量分布譜圖Fig.1 Molecular weight distribution pattern of κ-carrageenan and resistant dextrin

表1 κ-卡拉膠和抗性糊精的分子量相關參數Table 1 Correlation parameters of molecular weight of κcarrageenan and resistant dextrin

2.2 凍融穩定性

表2為抗性糊精對κ-卡拉膠凝膠凍融穩定性的影響。由表2可知，純κ-卡拉膠凝膠的析水率在第一次凍融循環中達到了58.85%，且隨著凍融循環次數的增加協同作用逐漸增大，在經歷5次凍融循環后析水率從58.85%增加到70.08%。這是因為凝膠的網絡結構在冷凍過程中易受到冰晶的破壞，導致解凍過程中水分析出[18]。添加抗性糊精后的κ-卡拉膠凝膠冷凍穩定性明顯提高，且隨著抗性糊精的添加量的增加，提升效果越明顯。這是由于抗性糊精分子進入到了κ-卡拉膠的鏈與鏈之間，糊精分子帶有大量的羥基基團，可與凝膠內部的水分子發生相互作用，在冷凍過程中減少冰晶形成的可用水從而減少冰晶對κ-卡拉膠凝膠網絡的破壞作用。而在解凍過程中則由于糊精分子與水的相互作用使水分能更多地保留在凝膠內部。先前桑璐媛[19]研究了β-環糊精對κ-卡拉膠凝膠凍融穩定性的影響。β-環糊精亦降低了κ-卡拉膠凝膠的析水率，然而，相同糊精添加量的情況下，抗性糊精提升κ-卡拉膠凝膠的凍融穩定性優于β-環糊精，且抗性糊精在水溶液中的溶解度大于β-環糊精的溶解度，不易析出。

表2 抗性糊精添加量對κ-卡拉膠凝膠凍融穩定性的影響Table 2 Effect of resistant dextrin addition on the freeze-thaw stability of κ-carrageenan

2.3 熱穩定性分析

圖2為抗性糊精、κ-卡拉膠凝膠及不同添加量抗性糊精混合κ-卡拉膠凝膠的熱失重率的導數曲線。由圖2可知所有樣品的受熱失重可以分為三個階段：第一階段T≤180 °C，這一階段主要是樣品中水分的蒸發導致，包括樣品中的游離水分和結合水；第二階段T≥210 °C，該階段失重最明顯，對應樣品分子的解聚和分解過程[20]，包括凝膠網絡的斷裂，官能團受熱分解[21]。第三階段T>700 °C是最終分解產物的碳化階段。從圖中可以看出，κ-卡拉膠和抗性糊精(圖2)的分子分解只有一個失重階段，分解峰值溫度分別為242.32 °C和327.90 °C，這說明這兩種樣品的純度極高，這與樣品分子量分布的結果相一致[22]。κ-卡拉膠中抗性糊精的添加量從1%增加到4%時，κ-卡拉膠凝膠樣品分解溫度逐漸增大，但當抗性糊精添加量為5%時，混合凝膠的分解溫度出現降低。這是因為抗性糊精分子與κ-卡拉膠分子鏈之間存在相互作用，使混合凝膠的網絡結構更加致密[23]，有更大的剛性，凝膠結構分解需要更多的能量。但過量的抗性糊精分子會對κ-卡拉膠的凝膠網絡結構產生擠壓，破壞部分結構壁(圖4f)，使熱分解所需的能量減少。

圖2 抗性糊精添加量對κ-卡拉膠凝膠熱穩定性的影響Fig.2 Effect of resistant dextrin addition on the thermal stability of κ-carrageenan gel

2.4 熱動力學分析

表3是各凝膠樣品的熱動力學分解活化能和指前因子。本實驗討論了κ-卡拉膠凝膠的主要熱分解階段，即200～300 ℃，為減少誤差，在計算動力學參數時將溫度區間分段，間隔為20 ℃[24]。反應活化能是指分子從常態轉化為易發生化學反應的狀態時所需的能量，在相同條件下物質所需反應化學能越高，表明物質常態下越穩定。由公式計算得κ-卡拉膠的反應活化能為72.81 kJ·mol-1，指前因子5.19×108min-1，κ-卡拉膠凝膠的密集網絡結構使其反應需要較高的活化能。抗性糊精的加入使κ-卡拉膠凝膠熱分解所需的活化能顯著提高，且隨糊精添加量增加，提升越明顯。當糊精添加量為4%時，κ-卡拉膠凝膠的反應活化能達到大值106.20 kJ/mol。混合凝膠分解時需要更多的能量，表明混合凝膠的網絡結構更加致密。然而，當抗性糊精的添加量達到5%時，混合凝膠熱分解所需的活化能出現降低。這是因為過量的抗性糊精分子阻礙了多糖鏈的聚集，而且在形成凝膠的過程中對周圍的網絡結構產生擠壓，導致最終形成的網絡結構出現破損(圖4f)。因此在熱分解時，相對減少了網絡結構分解所需的能量。Wang等[23]研究羥丙基-β-環糊精對κ-卡拉膠凝膠結構的影響，亦報道了類似的結果。高濃度的羥丙基-β-環糊精使κ-卡拉膠分子鏈的聚合途徑受到阻礙。另外，抗性糊精的添加量為3%時，混合凝膠熱分解所需的活化能低于糊精添加量為2%的混合凝膠。當抗性糊精加入到κ-卡拉膠中，抗性糊精分子以兩種方式存在，部分溶解在水相，分散在網絡空腔上表面，另外一部分嵌入到κ-卡拉膠骨架內，促進κ-卡拉膠分子形成更多的纏結[19]。當少量抗性糊精(1%、2%)加入后，糊精分子主要以分散的方式存在，通過分子間相互作用強化凝膠的網絡結構。然而更多的糊精加入后(3%)，凝膠樣品的熱分解活化能出現降低。這可能因為部分糊精分子分散到κ-卡拉膠骨架內，將網絡結構分隔，但還沒有足夠多的糊精分子支撐連續網絡的分隔，導致部分的網絡結構不完整，降低了分解時所需的能量。

表3 凝膠樣品的熱分解活化能和指前因子Table 3 The activation energy and pre-exponential factor of gels

2.5 壓縮模量

凝膠食品具有一定的抗形變能力，可以方便食品的運輸和儲存，也會賦予食品咀嚼口感。抗性糊精對κ-卡拉膠凝膠的壓縮模量的影響如表4所示。從實驗結果可以看出抗性糊精的加入提高了κ-卡拉膠凝膠的壓縮模量，在抗性糊精添加量為4%時達到最大。當糊精添加量為5%時，彈性模量出現降低，這與凝膠熱穩定性的變化趨勢相同。凝膠的模量愈大,愈不容易變形, 表示凝膠的剛性愈大。抗性糊精的加入使得κ-卡拉膠在溶膠狀態時攪拌更加均勻，削弱了κ-卡拉膠鏈與水的相互作用，成膠時促使多糖鏈相互靠近形成更加緊密的網絡結構。Zhao等[25]研究了κ-卡拉膠/聚丙烯酸水凝膠的應力與應變關系。結果表明，復合凝膠具有優異的力學性能，材料的韌性和強度得到提高。抗性糊精的加入促進κ-卡拉膠線性鏈的相互靠近，最終形成的凝膠內部網絡結構更加堅韌。然而，過量的抗性糊精分子(5%)充斥在κ-卡拉膠凝膠網絡中，會部分破壞凝膠網絡，導致凝膠的壓縮模量降低。這與先前報道的羥丙基-β-環糊精對κ-卡拉膠凝膠的壓縮模量的結論相似[22]。另外，劉國軍等[26]亦報道普魯蘭糖的加入可提升κ-卡拉膠的凝膠強度。然而普魯蘭糖的分子量遠大于抗性糊精的分子量，加入到κ-卡拉膠中會改變溶液的黏度。而抗性糊精的水溶液黏度很低，且隨剪切速率和溫度變化引起的變化微小。因此，抗性糊精的加入不會改變κ-卡拉膠溶液的內部特性。

表4 抗性糊精對κ-卡拉膠凝膠的壓縮模量的影響Table 4 The compression elastic modulus of κ-carrageenan gels influenced by resistant dextrin

2.6 紅外衰減全反射分析

圖3為添加了不同濃度抗性糊精的卡拉膠凝膠的紅外譜圖。由圖3可知，純卡拉膠凝膠在3365、1236、920 cm-1處的峰分別屬于-OH的伸縮振動、硫酸酯基及C-O-C(3，6半乳吡喃糖)基團[27]。添加了抗性糊精的卡拉膠凝膠與純卡拉膠凝膠相比，沒有出現新的特征峰，說明抗性糊精分子沒有與卡拉膠分子之間產生共價結合，即抗性糊精僅作為共溶劑影響卡拉膠分子鏈的排列。然而，含有抗性糊精的卡拉膠凝膠在3365 cm-1處的峰向低波數方向偏移且峰強度提高，說明混合卡拉膠體系中氫鍵相互作用增強。隨這抗性糊精添加量的增加，峰變化越明顯。這是因為抗性糊精分子加入到κ-卡拉膠中后使凝膠體系產生更多的氫鍵，這有利于卡拉膠分子鏈之間的有序排列。其它低聚糖例如羥丙基-β-環糊精的加入亦有利于卡拉膠分子鏈之間的有序排列[23]。

圖3 添加抗性糊精的卡拉膠凝膠的紅外譜圖Fig.3 The infrared spectra of κ-carrageenan gel with resistant dextrin

2.7 微觀結構分析

不同添加量的抗性糊精對κ-卡拉膠凝膠微觀結構的影響如圖4所示。純κ-卡拉膠凝膠呈現出褶皺交聯網絡結構(圖4a)，導致了純κ-卡拉膠凝膠的持水率和強度較低，這與Yuan等[16]的研究結果一致。在抗性糊精的存在下，網絡結構發生明顯變化。混合凝膠的網絡結構壁變的光滑且堅硬，凝膠的蜂窩狀結構比純κ-卡拉膠凝膠更緊密(圖4b～f)。隨著抗性糊精添加量的增加，凝膠網絡結構變得更加密集，并觀察到一些絮狀顆粒附著在凝膠壁上。這一結果表明，抗性糊精增強κ-卡拉膠的膠凝作用[28]。在κ-卡拉膠/環糊精混合凝膠中也觀察到類似的現象，添加了環糊精的混合凝膠呈現出更加精細的網狀結構，且孔隙均勻。然而，當抗性糊精濃度達到5%時，κ-卡拉膠/抗性糊精混合凝膠的網絡出現部分破壞。過量的抗性糊精分子阻礙了κ-卡拉膠鏈的接近和凝膠化。這些結論與熱穩定性及壓縮模量的結果一致。

圖4 不同抗性糊精添加量對κ-卡拉膠凝膠微觀結構的影響Fig.4 Effect of resistant dextrin addition on the microstructure of kappa-carrageenan gel

3 結論

利用物理混合的方式研究了抗性糊精對卡拉膠凝膠特性的影響。對比分析了各樣品的凍融穩定性、熱穩定性、壓縮彈性模量、紅外光譜及微觀結構。抗性糊精的加入顯著影響κ-卡拉膠凝膠的凍融穩定性。隨著糊精添加量的增加，凝膠的凍融穩定性呈升高趨勢。與單純κ-卡拉膠相比，添加抗性糊精的κ-卡拉膠凝膠分解溫度最大上升至257.86 ℃，反應活化能為106.20 kJ·mol-1。另外，在4%抗性糊精的存在下，κ-卡拉膠凝膠的彈性壓縮模量增加至43.83 kPa。紅外光譜及微觀結構結果表明，抗性糊精以非共價結合的方式影響了κ-卡拉膠的凝膠特性且與糊精的添加量有顯著關系。在抗性糊精添加量為4%時，κ-卡拉膠凝膠的網絡結構最為緊密。抗性糊精加入到κ-卡拉膠體系中，通過與體系內分子的相互作用，使凝膠具有更好的理化特性。結合抗性糊精和κ-卡拉膠的功能特性，這些研究結果可能有助于功能性凝膠食品的開發。