熱處理下不同有機酸對魔芋水溶膠流變行為的影響

唐蘭蘭，張世奇，劉雄*，王朦朦，蔡夢思，衛子顏

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(嶺南師范學院 食品科學與工程學院，廣東 湛江，524048)

魔芋是天南星科草本植物，其主要活性成分為魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan，KGM)，是一種極易溶于水的天然高分子中性雜多糖[1]。研究表明，KGM具有良好的增稠、乳化、膠凝及流變等特性，并具有調節血糖血脂代謝、促進腸道蠕動、降低膽固醇以及減肥益生等諸多生理功能，被廣泛用于食品保健和醫藥衛生等領域[2-3]。其中，KGM的流變行為對于液體食品的增稠、持水與膠凝特性，以及貨架期與穩定性評價有著非常關鍵的作用，其流變特性很大程度上決定了其水溶液的鏈構象與理化特性，但其流變性能極易受溫度及酸堿環境因素影響，從而對食品品質以及感官特性產生不同的影響[4]。因此，如何合理調控其流變特性，成為眾多研究者所關注的熱點話題。

基于此，一些研究者[5]對KGM的流變特性進行了研究，結果發現KGM在溶液中的流變行為明顯受到酸堿度與溫度的影響，原因在于多糖的糖苷鍵對不同酸與熱處理條件的敏感性不同。如ZHANG等[6]發現熱誘導堿性條件下的KGM能使其脫乙?；瘡亩淖兤淞髯冃?，但會形成熱不可逆凝膠。同時，MA等[7]和ARANCIBIA等[8]發現酸或熱處理能夠促進多糖大分子鏈的分散與解聚，增大分子間距離并減弱氫鍵作用力，提高其流變性，此外，酸處理還能使大分子結晶區的螺旋結構發生部分水解和重排，從而影響其功能活性[9]。上述研究表明，不同的酸熱處理能夠更加合理地改變多糖的流變特性，并對其生理活性造成影響，那么是否可以通過不同有機酸與熱的協同作用對KGM進行處理，從而達到合理控制其流變行為的目的，仍需要進一步探究。KGM作為增稠劑、膳食纖維補充劑廣泛應用于食品加工中，而食品中常添加有機酸調節食品的酸度和口感，改善殺菌條件等。因此，為了探究KGM的酸熱穩定性及流變行為規律，實驗選取了抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸作為酸處理劑，測定其在一定的熱處理下黏度、相對分子質量、穩態及動態流變學、傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR)以及掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)等指標，綜合分析KGM水溶膠流變穩定性的變化，以期豐富調節魔芋流變行為的方式及拓展其相關產品的高值化應用。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋微粉(純度>95%)，湖北十堰花仙子有限公司；檸檬酸、乳酸、抗壞血酸，蘋果酸，皆為分析純，成都市科隆化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

FA2004A型電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司；RUPT-10型超純水處理系統，山東新瑞分析儀器有限公司；SHZ-88型水浴恒溫振蕩器，江蘇常州朗越儀器制造有限公司；NDJ-8S數顯黏度計，上海衡平儀器儀表廠；MCR 302流變儀，美國TA公司；Waters 2414凝膠滲透色譜儀(gel permeation chromatograph，GPC)，美國Waters公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 KGM水溶膠的制備

分別準確稱取10 g/L的抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸加入到10 g/L KGM水溶膠中，充分攪拌3 min，將水溶膠置于搖床30 ℃，200 r/min充分振蕩1 h，再靜置1 h后取出，制備抗壞血酸組、乳酸組、蘋果酸組、檸檬酸組的KGM水溶膠溶液。然后，將上述4組水溶膠分為2等份分別進行加熱和不加熱處理，同時稱取等量的蒸餾水代替有機酸進行上述操作并進行加熱和不加熱處理，作為空白對照。

1.3.2 黏度測定

將1.3.1制備好的各組KGM水溶膠，分別用NDJ-8S黏度計測定，選用4號轉子，12 r/min，平行測定6次。在重復性條件下，獲得的2次獨立測定結果的絕對差值不超過1 000 mPa·s。

1.3.3 相對分子質量測定

采用GPC測定不同酸處理后KGM的相對分子質量大小以及分布情況[10]。檢測條件：Ultra-hydrogel TM 500色譜柱(7.8 mm×300 mm)，柱溫：35 ℃，檢測器：30 ℃，進樣體積20 μL，流速1 mL/min，流動相為超純水。樣品處理方法：精密稱取20 mg多糖，加10 mL超純水溶解后過0.22 μm濾膜，上機測定。

1.3.4 穩態流變測定

使用MCR 302 TA型流變儀測定經不同酸處理后的10 g/L KGM水溶膠在25 ℃下的流變曲線。測試條件：選用PP 25平板，加載間隙1 mm，剪切速率0.1～100 s-1，頻率f=1 Hz，平衡時間t=60 s；測試時在樣品周圍涂上1層二甲基硅油，防止樣品蒸發損失[11]。

1.3.5 動態流變測定

參照JIAN等[12]的方法，并稍作修改。將10 g/L的各組水溶膠，預先進行形變掃描以確定線性黏彈范圍。采用振蕩模式，設定頻率范圍1～100 rad/s，應變2.0%，循環水浴控制溫度在(25.0±0.1) ℃，測定不同酸處理后KGM水溶膠的流變曲線。

1.3.6 FT-IR測定

參照SILVA等[13]的方法，并做一定修改。將經過冷凍干燥后的不同酸處理組樣品，與干燥的KBr以質量比1∶100混合研磨，然后置于FFIR儀下測定，以空氣為背景掃描，光譜掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數為32。

1.3.7 SEM測定

分別取適量真空凍干后的樣品，貼于導電膠上，經過噴金處理，觀察不同酸處理后樣品的微觀形貌，所選放大倍數為250×、1 000×、3 000×。

1.3.8 數據分析與處理

所有實驗數據均用SPSS 17.0進行方差分析，Origin 8.5作圖，結果以平均值±標準偏差表示。

2 結果與分析

2.1 黏度數據分析

由圖1可知，與對照組相比，4種有機酸熱處理KGM水溶膠后，其黏度值均有顯著下降，且抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸對KGM的黏度分別下降了55.20%、70.74%、77.66%、80.52%(P<0.05)。在熱處理環境下，檸檬酸因自身具有的三羧基及單羥基基團，從而使得KGM的氫鍵更易被其破壞，導致該處理組黏度的顯著下降[14]。此外，實驗結果還表明KGM水溶膠單獨在酸或熱處理的情況下，其黏度值變化不大，但在酸熱的協同作用下，其黏度值下降極為顯著。究其原因，可能是由于酸性環境會明顯影響KGM在水溶液中的鏈伸展行為[10]，實驗中使用不同的有機酸電離產生了不同的酸環境，協同熱產生的分散溶脹作用，加劇了KGM水溶膠不同程度的解鏈與斷裂，從而表現出黏度值顯著下降的現象[6]。

圖1 不同有機酸處理KGM的黏度曲線Fig.1 The viscosity curve of KGM under different organic acids 注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 相對分子質量及分布

由表1可知，4種有機酸熱處理的KGM與其對照組相比，各組相對分子質量均變小，其中檸檬酸組對KGM水溶膠的熱穩定性影響最為顯著，相對分子質量下降98.07%，抗壞血酸影響最小，僅為35.67%。由于相對分子質量的大小與物質黏度的大小關系密切，而圖1結果也表明檸檬酸熱處理能顯著降低KGM水溶膠的黏度，其內在的原因可能為檸檬酸的三級電離產生數量不等的H+離子協同熱處理，使得KGM的酸水解加劇，導致其相對分子質量變小，此結果與圖1各有機酸組的黏度值變化趨勢較為吻合。此外，由檸檬酸處理下其多分散系數>2，這表明檸檬酸協同熱處理能夠顯著切斷其分子長鏈，使得KGM降解為低分子質量小片段，從而導致其在溶液中的不均勻分散與低黏度行為[15-16]。

表1 不同有機酸熱處理后KGM的相對分子質量以及分布Table 1 Relative molecular mass and distribution of KGM after different organic acid treatments

2.3 KGM水溶膠的穩態流變曲線

由圖2所示，隨著剪切速率的不斷增大，4種有機酸熱處理后KGM水溶膠的表觀黏度呈現逐漸下降的趨勢，而剪切應力卻逐漸上升，表現出典型的剪切速率與表觀黏度呈負相關的非牛頓流體現象，這與先前的研究一致[17]。在同一剪切速率下，其表觀黏度及剪切應力均表現為:檸檬酸<蘋果酸<乳酸<抗壞血酸，且在低剪切速率(0～10 s-1)下，KGM水溶膠黏度下降較為平緩，而在高剪切速率(50～100 s-1)下，其表觀黏度下降較為劇烈，其原因可能是由于低剪切速率下其分子結構間的氫鍵及分子間作用力能夠抵抗低剪切力所帶來的結構破壞作用，而在高剪切速率下，分子沿剪切方向流動，剪切破壞力大于分子間作用力，分子間鏈糾纏被破壞，且在酸熱體系下，其鏈間作用力被削弱，因此表現出較低的表觀黏度[18-19]。

由冪律方程tan?=KDn可知，相關系數r2在0.938 8～0.989 1，表明該方程能較好地擬合該酸熱處理下KGM的流變曲線(表2)。KGM水溶膠經酸熱處理后，其稠度系數K不斷變小，流動系數n不斷增大，其中以檸檬酸熱處理組的K值最小，n值最大，流體的假塑性最弱，表現出更類似于牛頓流體的性質，這種弱化的剪切稀釋特性表明經酸熱處理后KGM分子間的糾纏力逐漸變弱，更加有利于應用于流動延展性強的食品及工業方面[20]。

a-表觀黏度；b-剪切應力圖2 不同有機酸熱處理KGM水溶膠的流變曲線Fig.2 The rheological behavior curve of KGM under different organic acids with heat treatment

表2 不同有機酸熱處理KGM水溶膠的K值、n值 及相關系數r2Table 2 The K, n and r2 of KGM gel under different organic acids with heat treatment

2.4 KGM水溶膠的動態流變曲線

由圖3-a所示，4種有機酸熱處理下KGM水溶膠的儲能模量(G′)和耗能模量(G")均隨角頻率的增大而上升，其G′和G"曲線的交叉點從4.64 rad/s分別后移到29.3、29.3、39.8 rad/s，而檸檬酸熱處理后無交叉點，這暗示4種酸熱處理會使其微結構發生變化，分子鏈間的網絡糾纏減弱，從而引起其黏彈性力學性能發生轉變[21-22]。在低角頻率下，不同酸熱處理后其G″>G′，表現出類液體行為，原因可能為低頻下，分子鏈在振蕩過程中能解纏結，較易形成黏彈性液體，而在高角頻率下，G′ >G″，原因為高頻下分子鏈間弛豫時間較短，容易形成臨時網絡結構，從而其表現出類固體的行為[23]。

由圖3-b所示，4種有機酸熱處理后KGM水溶膠的損耗因子(G″/G′)隨角頻率的增大而下降，表明其在酸熱處理后，黏彈性能發生轉變[24]。角頻率為1～10 rad/s時，損耗因子隨角頻率增大明顯下降，且同一角頻率下排序為抗壞血酸<乳酸<蘋果酸<檸檬酸，以檸檬酸熱處理組影響最為明顯，此現象說明4種酸中尤其是檸檬酸，能夠有效減弱KGM熱溶膠的彈性而增強其黏性，使其在酸熱處理后表現為流動性更強的液體，該發現可用于改善KGM的延展性，解決相關產品的高黏稠度問題。

a-G′和G″曲線；b-損耗因子曲線圖3 不同有機酸熱處理KGM水溶膠的動態流變曲線Fig.3 The dynamic flow curve of KGM gel under different organic acids with heat treatment

2.5 KGM的FT-IR分析

圖4 不同有機酸熱處理下KGM的FT-IR圖Fig.4 The FT-IR spectra of KGM under different organic acids with heat treatment

2.6 KGM水溶膠SEM分析

4種有機酸熱處理后，KGM水溶膠的微觀形貌如圖5所示。未經酸熱處理的KGM顯示出完整致密的片層薄壁結構(圖5-a)，其分子內摩擦力高，氫鍵作用力強，因而表現出極高的黏度與分子質量[29]。僅加熱處理后其片層及鏈間網絡結構仍基本保留(圖5-b)，而經4種酸熱處理后，其微觀形貌明顯發生了不同程度的破壞。其中，抗壞血酸熱處理后，其分子鏈間的網絡結構部分發生斷裂，但整體網絡結構仍較為完整(圖5-c)；乳酸熱處理后，其分子薄壁結構產生皺縮與卷曲，且開始出現較大孔洞(圖5-d)；蘋果酸熱處理后，其出現大面積的蜂窩狀孔洞結構，且孔洞大小不一(圖5-e)；而經檸檬酸熱處理后，明顯可見其內部網絡結構崩塌，導致表面片層結構塌陷，且出現許多破碎無序的碎片，分子鏈間的交聯網絡結構已基本被破壞(圖5-f)。在熱處理下，抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸對其微觀形貌的破壞程度依次增大，這與其對黏度及流變行為的影響趨勢一致，其原因可能是4種酸的電離度差異產生不同的酸侵蝕環境，協同熱處理下的高速分子布朗運動，分子間的氫鍵及糖苷鍵被破壞，使得長分子鏈解纏繞甚至斷裂，微觀表現出結構卷曲皺縮、蜂窩孔洞與破碎片段，因而極大地影響KGM高分子鏈在水溶液中的分布狀態[15]。

a-KGM；b-KGM-加熱；c-KGM-抗壞血酸；d-KGM-乳酸； e-KGM-蘋果酸；f-KGM-檸檬酸圖5 不同有機酸熱處理下KGM水溶膠的SEM圖Fig.5 SEM of KGM gel under different organic acids with heat treatment 注：數字1～3分別代表放大倍數為250、1 000、3 000

3 結果與討論

綜上，熱處理下4種有機酸對魔芋水溶膠的流變行為存在較為顯著的影響，但不會破壞其典型的非牛頓流體特性，這能極大地保留其基本的應用特性。其中，抗壞血酸、乳酸、蘋果酸、檸檬酸對KGM水溶膠流變特性的影響作用依次增強，這主要表現在經酸熱處理后，其表觀黏度、G′及G″的明顯下降，相對分子質量結果亦表明檸檬酸熱處理組的重均分子質量(Mw)下降最為顯著(94.70%)。而FT-IR及SEM結果顯示，4種有機酸熱處理，能不同程度地破壞KGM分子鏈間的氫鍵及糖苷鍵，導致多糖片層薄壁結構出現蜂窩孔洞與無序破碎片段，但不會改變其一級主鏈結構和重復單元結構。因此，可根據KGM在熱處理下不同酸環境的流變特性，合理進行調控利用，以達到改善其相關產品品質，從而拓展其在酸性食品、航空化工、生物醫藥等領域的深加工應用。