魔芋葡甘聚糖與阿拉伯膠復合水溶膠流變特性及結構表征

吉笑盈，黃 洋，胡 希，張 維，張 迪，張佳巍，李東亮,*

（1.四川中煙工業有限責任公司技術中心，四川成都 610066；2.四川中煙工業有限責任公司長城雪茄煙廠，四川什邡 618400）

多糖因具有良好的生物活性受到人們的廣泛關注，被廣泛應用于食品、醫藥、化工等行業[1]。基于多糖制備而成的水溶膠是一種通過離子交聯等相互作用交聯而成的生物聚合物，具有較好的黏性、粘彈性[2]，有望作為粘合劑應用于食品行業。已有研究表明羧甲基纖維素納水溶膠[3]、殼聚糖/羧甲基纖維素復合水溶膠[4]可以制成天然粘合劑用于食品粘合。

魔芋葡甘聚糖（Konjac glucomannan，KGM）是一種親水性天然多糖，具有良好的吸水性、高黏性、成膜性、凝膠性等特性[5-6]。據報道KGM 還具有減肥、降血壓、降血脂、抗腫瘤等功效[7-9]，被廣泛的應用在食品、醫學、生物學等方面。KGM 的高黏性使其具有作為粘合劑的潛力，但KGM 單一體系存在流動性差、透明性差等問題[10]，極大限制了其在工業中的應用，如何調控其流動性是目前研究的一大熱點。近年來，有大量研究將KGM 與其他多糖復配[11-14]，利用分子間的協同相互作用改善其局限性，以拓展KGM 在食品工業中的應用。

阿拉伯膠（Gum arabic，GA）是一種植物分泌的多糖，主要由D-半乳糖、D-葡萄糖醛酸和L-鼠李糖組成，還含有少量蛋白質及鈣、鎂和鉀鹽等營養物質[15-16]。在食品工業中，GA 因具有較好的增稠性、生物相容性、穩定性而被廣泛用作乳化穩定劑、增稠劑和粘合劑[17-19]。與KGM 不同的是，GA 在很高的濃度下黏度也很低，并且具有較高的透明度[20]，可以在一定程度上改善KGM 單一體系在流動性、透明度等方面存在的局限。有研究表明在KGM 與GA 的復配凝膠中，兩者可以通過氫鍵等相互作用起到協同增效的效果[21]，但目前尚未有關于KGM/GA復合水溶膠的研究報道。

本研究將KGM 與GA 按照不同比例（10:0、8:2、6:4、5:5、4:6、2:8、0:10）復配制成復合水溶膠，通過流變儀對不同比例KGM/GA 復合水溶膠的穩態和動態流變性能進行研究，并評估了樣品的透明度與黏性；同時通過測定不同樣品的傅里葉紅外光譜（Fourier transform infrared spectrometer，FT-IR）、X 射線衍射（X-ray diffraction，XRD）以及掃描電鏡（Scanning electron microscope，SEM）等結構表征綜合分析不同比例下KGM/GA 復合水溶膠流變性及穩定性的差別，以期為進一步研究KGM/GA 復合水溶膠提供理論依據，促進其作為粘合劑在食品工業中的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉（食品級） 魔芋葡甘聚糖含量≥90%，粒度≤100 目，分子量為8.09×105Da，重慶鑫來農產品開發有限公司；A 型阿拉伯膠（食品級） 河南永尚食品添加劑有限公司。

A1004A 電子分析天平 上海精天電子儀器有限公司；JJ-1 型精密增力電動攪拌器 金壇市城東新瑞儀器廠；HZ-ZK8 型數顯恒溫水浴鍋 鞏義市予華儀器有限責任公司；SCIENTZ-10ND 型真空冷凍干燥機 寧波新芝生物科技股份有限公司；HR-1 型TA 旋轉流變儀 美國TA 公司；Spectrum 100 傅里葉紅外光譜儀 美國 Perkin Elmer 公司；X'Pert3 Powder型X 射線衍射儀 荷蘭帕納特有限公司；SU3500 掃描電子顯微鏡 日本HITACHI 有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 KGM/GA 復配水溶膠的制備 混合膠的總濃度為1.0%（w/w），KGM 與GA 的比例分別為10:0（w/w，下同）、8:2、6:4、5:5、4:6、2:8、0:10；將樣品按比例加入電動攪拌器攪拌的45 ℃去離子水中，在200 r/min 的轉速下攪拌30 min，確保攪拌均勻后取下，自然冷卻至室溫（約25 ℃，下同）后放至4 ℃的冰箱冷藏24 h 得待測樣品，每次測試前將樣品在室溫環境放置30 min 以上，直至所有樣品溫度接近室溫且保持一致。

1.2.2 透明度測定 使用紫外分光光度計進行透明度的測試，選擇去離子水做參比，將樣品注入10 mm石英比色皿中，在425 nm 條件下進行測量[22]，記錄樣品的吸光度值，吸光度越大代表透明度越小。

1.2.3 流變特性測試 參考Brito-Oliveira 等[23]、Li等[21]的測試方法并稍作修改，利用TA-流變儀測試樣品的流變特性，選擇直徑為40 mm 的平行板，測試間隙1.0 mm，測試前平衡時間為120 s。測試樣品的穩態剪切和動態流變特性，其中動態流變特性測試項目包括應變掃描、頻率掃描、溫度掃描和時間掃描。a. 穩態剪切流變：選擇流動掃描模式，測試溫度為25 ℃，剪切速率范圍0.1～100 s-1，取點模式為對數取點，取點數30 個，測定各樣品表觀黏度和剪切應力隨剪切速率變化的情況；b. 應變掃描：選擇振幅震蕩模式，測試溫度為25 ℃，角頻率為10 rad/s，應變范圍為1%～1000%，根據測定的結果確定樣品線性粘彈區；c. 頻率掃描：設定測試溫度為25 ℃，頻率為0.1～10 Hz，形變量γ為10%進行頻率掃描，測定樣品的儲能模量（G'）、損耗模量（G''）和損耗正切值（tanδ）隨頻率的變化；d. 溫度掃描：設定震蕩角頻率為10 rad/s，形變量為10%，溫度以5 ℃/min 的升溫速率從10 ℃升高到90 ℃，測定樣品的G'、G''和tanδ隨溫度的變化；e. 時間掃描：設定測試溫度為25 ℃，震蕩角頻率為10 rad/s，形變量γ為10%，剪切時間為300 s，每隔5 s 取點1次，測定樣品的G'、G''和tanδ隨時間的變化。

1.2.4 傅里葉紅外光譜（FT-IR）測定 將樣品于-40 ℃預凍24 h 后進行真空冷凍干燥，干燥后將樣品磨成粉末放入干燥皿備用。測量時將適量樣品粉末放入圓盤壓片測量，掃描光譜范圍為4000～600 cm-1，分辨率為0.4 cm-1，掃描次數為64次[24]，記錄樣品的紅外光譜。

1.2.5 X 射線衍射（XRD） 將樣品按照1.2.4 的方法進行真空冷凍干燥，干燥后研磨成細粉狀待測，將適量樣品粉末放入載玻片上壓片后放入X 射線衍射儀測試，掃描范圍為5～60°（2θ），掃描速度為5°/min[25]，記錄樣品的圖譜，根據測量結果使用Origin 2019 計算樣品的結晶度，其中結晶度（%）=（結晶峰的面積/結晶區和無定形區所有峰的總面積）×100

1.2.6 掃描電子顯微鏡（SEM）測定 將樣品按照1.2.4 的方法進行真空冷凍干燥，干燥好的樣品切成薄片備用。觀察前將樣品固定在樣品銅臺上，選擇真空度1.5×10-3Pa，加速電壓為5 kV[26]，將樣品送入電鏡觀察，放大倍數為100 倍，選擇有代表性的區域進行拍攝。

1.3 數據處理

所有實驗進行三次平行，結果表示為“平均值±標準差”的形式。采用SPSS 22.0 進行數據分析與處理，顯著性分析以Duncan’tests 進行方差分析（ANOVA），P＜0.05 被認為存在顯著差異；采用Origin 2019 進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 透明度分析

透明度是溶膠在生產加工過程中的重要指標之一，不同比例的KGM/GA 復合溶膠吸光度的測試結果如表1所示，可以看出隨著GA 比例的增加，樣品的吸光度A 值顯著降低（P＜0.05），與單一KGM 體系相比，當KGM 與GA 的比例為8:2、6:4、5:5、4:6、2:8、0:10 時，透明度分別增強了39.29%、52.55%、65.82%、75.51%、83.16%、94.39%，單一GA 體系的透明度是單一KGM 體系的18 倍，說明樣品的透明度隨著GA 的增加而顯著增強（P＜0.05）且效果較為明顯。不同比例下KGM/GA 的樣品在相同時間相同地點拍攝照片如圖1所示，可以更直觀地看出，隨著GA 比例的增加，燒杯底部的字樣越來越清晰，即樣品的透明度增強，與吸光度的測試結果一致，表明GA 的加入可以改善KGM 的透明性，猜測這是由于A 型GA 分子結構的對稱性所導致的透明特性，使KGM/GA 溶膠具有更好的感官特性，有利于透明粘合劑的研制，也有利于KGM/GA 新型復合食品的研制。

表1 不同比例下KGM/GA 復合水溶膠的吸光度變化Table 1 Absorbance changes of KGM/GA composite hydrosol at different ratios

圖1 不同比例下KGM/GA 復合水溶膠的樣品圖Fig.1 Sample diagram of KGM/GA composite hydrosol in different proportions

2.2 流變特性

2.2.1 穩態剪切流變 穩態流變特性可以反映出樣品的表觀粘度和剪切應力隨著剪切速率的改變，穩態流變是粘合劑黏性的直觀體現，也可以反應出流體狀食品的黏稠性等感官特性。KGM/GA 復合溶膠的穩態剪切流變特性圖2所示。可以看出，隨著剪切速率的增大，樣品的表觀黏度逐漸減小（圖2A），剪切應力逐漸增大（圖2B），呈現剪切稀化的特性，這主要是由于隨著剪切速率的增加，體系中高分子鏈結構的破壞以及分子鏈在流動方向上的定向取向而導致的[24]。在KGM/GA 復合溶膠中，隨著GA 添加比例的增加，在相同剪切速率下，復合體系的表觀粘度呈現逐漸降低的趨勢，說明GA 的加入可以改變KGM體系的流動性。當復合體系中KGM 與GA 的比例為10:0、8:2、6:4、5:5 時，樣品呈現以KGM 為主的流變特征，在剪切范圍內呈現典型的非牛頓流體特性；當比例為4:6、2:8、0:10 時，樣品呈現以GA 為主的流變特性，剪切速率高于1 rad/s 時，樣品的黏度不再發生明顯變化，呈現典型的牛頓流體的特性。同時觀察到與單一的KGM 體系相比，KGM/GA 復合水溶膠的黏度降低趨勢較緩，這是因為單一KGM 溶膠伴隨著高剪切速率，分子間作用力減弱，分子鏈斷裂而表現出黏度明顯降低[27]，加入GA 之后，復合體系的結構相對穩定有序，黏度降低趨勢較緩，而當復合溶膠中GA 濃度的比例過高時，隨著剪切速率的增大，體系中聚合物分子重排的速率大于剪切變形的速率[28]，樣品黏度趨于穩定。

圖2 KGM/GA 復合水溶膠的穩態剪切流變圖Fig.2 Steady state shear rheological diagram of KGM/GA composite hydrosol

2.2.2 應變掃描 應變掃描是動態流變特性中的第一個測試，用以確定樣品線性粘彈區，可以間接反映出樣品的穩定性。對各比例下的KGM/GA 復合溶膠進行應變掃描，結果如圖3所示。G'為儲能模量，代表儲存在復合體系中的能量，反映體系彈性大小，G''為損耗能量，代表體系由于不可逆粘性形變損耗的能量大小，反映體系粘性大小[29]。從圖3A 和圖3B可以看出，KGM/GA 復合溶膠在應變為7%～12%時出現線性粘彈區域，在KGM/GA 復合溶膠中隨著GA 添加比例的增加，體系的G'和G''均降低，說明體系的彈性和粘性隨著GA 濃度的增加而降低，這可能是因為KGM 分子鏈上含有負電基團，可以借助靜電及其他分子間作用力與GA 相互作用，形成彼此纏繞的空間網絡結構，從而導致體系粘彈性的改變[30]。

tanδ為損失角正切值，是G''與G'的比值，tanδ越大，表示體系的內摩擦力越大，tanδ＜1 表示樣品的彈性占主導地位，而tanδ＞1 表示樣品的粘性占主導地位[10]。從圖3C 可以看出與單一GA 體系相比，添加了KGM 的樣品tanδ的值均大于1，且tanδ隨著KGM 添加比例的增加而逐漸減少，表明KGM/GA體系表現出粘性流體的行為，隨著KGM 的增加該體系中的內摩擦力逐漸減少，樣品越來越趨向于“類固體”[31]。當體系為單一的GA，應變量小于12%時，tanδ值＜1，應變量大于30%時，該體系的tanδ值不再均勻變化，這可能是因為此時聚合物的交聯度較低，結構較為疏松，穩定性較差，因此tanδ值隨著應變的變化而出現震蕩[21]，這也說明KGM 可以改善GA 的穩定性，且KGM 與GA 的比例在恰當的范圍內才會呈現出黏性較好的流體狀復合溶膠。

圖3 KGM/GA 復合水溶膠的應變掃描圖Fig.3 Strain scanning diagram of KGM/GA composite hydrosol

2.2.3 頻率掃描 頻率掃描可以反映出KGM/GA復合溶膠的粘彈性，根據應變掃描的結果，在線性粘彈區域選擇形變量為10%對不同比例的樣品進行頻率掃描，結果如圖4所示。從圖4A、圖4B 可以看出，隨著剪切頻率的增加，所有樣品的G'和G''均增高，均表現出一定的頻率依賴性，且隨著樣品中GA 比例的增加，G'和G''逐漸降低，與應變掃描測定變化規律一致。

從圖4C 可以看出，對于所有樣品而言，tanδ隨著震蕩頻率的增加逐漸降低，在低頻時tanδ＞1，高頻時tanδ＜1，可能是因為復合體系的分子鏈在低頻震蕩中有長周期的解離，表現為粘性流體，但沒有足夠的時間在短時間的高頻震蕩中分離，因而表現出彈性固體的特征[32]。隨著復合體系中GA 比例的增加，樣品的tanδ逐漸增大，當KGM 與GA 的比例為2:8、0:10 時，與其它的樣品組相比，樣品的tanδ值明顯升高，這可能是因為此時復合體系的交聯度低，分子間相互作用較弱，結構疏松，穩定性較差，從而導致較強的損耗正切值，表明KGM 能改善GA 單一體系的粘彈性，這可能是因為KGM 加入體系后會與GA 產生相互作用，分子間的氫鍵作用力加強，交聯度增加，網絡結構增強，進而形成粘彈性較好的溶膠[33]。

圖4 KGM/GA 復合水溶膠的頻率掃描圖Fig.4 Fequency scanning diagram of KGM/GA composite hydrosol

2.2.4 溫度掃描 溫度掃描可以反映出KGM/GA復合溶膠的熱穩定性，溶膠在加工和儲存過程中遇到的溫度范圍非常廣泛，因此研究溫度對KGM/GA 溶膠的影響有重要的意義[34]。利用流變儀對不同比例的樣品進行升溫掃描，結果如圖5所示。從圖5A、圖5B 可以看出，隨著溫度的升高，所有樣品的G'和G''顯著（P＜0.05）降低，這是因為溫度的升高會導致體系內分子的運動速率增加，分子間的氫鍵等相互作用減弱，交聯結構遭到破壞[35]，當KGM 與GA 的比例為10:0、8:2 時，隨著溫度的升高，G'和G''下降程度較大，這是因為此時KGM 濃度較高，隨著溫度升高，分子間作用力減弱，分子鏈斷裂，運動阻力也隨之降低，導致體系粘性和彈性受溫度影響較為顯著；當KGM 與GA 的比例為2:8、0:10 時，體系的G'和G''受溫度變化的顯著性（P＜0.05）較低，這是因為此時復合體系的交聯度低，分子間相互作用較弱，受溫度影響較小[21]。

圖5 KGM/GA 復合水溶膠的溫度掃描圖Fig.5 Temperature scanning diagram of KGM/GA composite hydrosol

從圖5C 可以看出，當體系中只有GA，在掃描溫度大于15 ℃時，tanδ小于1，在15～55 ℃之間隨著溫度的升高而震蕩，這主要是由于此時樣品的結構松散，交聯度極低造成的，隨著溫度的升高樣品的結構完全崩塌[21]；與單一GA 體系相比，在掃描溫度范圍內添加了KGM 的樣品tanδ的值均大于1，說明高溫雖然會對KGM/GA 復合溶膠的彈性和粘性造成影響，但體系仍然維持相對穩定的網絡結構，這主要與KGM 的分支結構以及KGM 與GA 之間的相互作用有關[31]，KGM 可以在一定程度上改善GA 的熱穩定性，在恰當的復配比例下可以形成熱穩定性較強的KGM/GA 復合溶膠。

2.2.5 時間掃描 時間掃描可以反映出KGM/GA復合溶膠的穩定性，對不同比例的KGM/GA 復合溶膠進行時間掃描，結果如圖6所示。可以看出，當體系中KGM 與GA 的比例為10:0、8:2、6:4 時，在測試時間范圍內，體系的G'、G''及tanδ均趨于動態穩定，說明此時的三個樣品組分子間作用力較強，體系的粘彈性不受震蕩時間而影響。當比例為5:5、4:6 時，在120 s 后趨于穩定，在0～120 s 內，G'、G''及tanδ出現輕微的震蕩，這是因為此時體系的網絡結構在剛開始震蕩時受到破壞，但破壞的程度是有限的，在一定時間后趨于穩定，此時造成的破壞是不明顯的；而當比例為2:8、0:10 時，體系的G'、G''及tanδ隨著時間出現大幅度的震蕩，且當體系內為GA 單一體系時震蕩更為顯著，這是因為此時的體系內結構松散，交聯度低，體系的結構受破壞嚴重[21]，說明KGM 與GA 可以發生相互作用，改善體系的粘彈性和穩定性。

圖6 KGM/GA 復合水溶膠的時間掃描圖Fig.6 Time scanning diagram of KGM/GA composite hydrosol

2.3 傅里葉紅外光譜（FT-IR）結果分析

通過FT-IR 研究了不同比例下的KGM/GA 復合溶膠的化學結構，結果如圖7所示。可以看出，所有樣品的吸收峰形狀大致相同，對于KGM:GA=10:0 的樣品來說，3318 cm-1附近出現的寬峰為分子間-OH 伸縮振動峰，說明樣品中存在分子間氫鍵[36]，2916 cm-1附近為-CH2的C-H 伸縮振動峰，2000～2500 cm-1主要為C≡C 和C=C 等三鍵和累積雙鍵的伸縮振動[37]，1715 和1256 cm-1附近的特征吸收峰分別為C=O 和C-O 之間的拉伸震動，它們代表KGM 中的乙酰基[24]，1607 cm-1附近出現的峰為分子內氫鍵[36]，隨著KGM/GA 復合溶膠體系中添加物質比例的變化，一些吸收峰發生了漂移，具體的變化如表2所示。

從表2 可以看出，兩者混合后的O-H 伸縮振動向低波數移動，表明復合溶膠中形成分子間氫鍵數更多，且這種變化在KGM 與GA 的比例為5:5 時最顯著，漂移程度為29 cm-1；隨著體系中KGM 比例的減少，分子內氫鍵也產生了向低波數移動的現象，表明復合溶膠中形成的分子內氫鍵數增多；隨著GA比例的增加，代表KGM 中乙酰基的C=O 和C-O 特征峰向更高的波數移動，這表明復合溶膠中乙酰基的數量減少，這種變化同樣在比例為5:5 時最為顯著；說明KGM 與GA 可以發生靜電相互作用而產生交聯，通過分子間氫鍵相互連接，加強分子間作用力[38-39]，在KGM 與GA 的比例為5:5 時，交聯程度達到最大，此時的KGM/GA 復合水溶膠結構緊密，穩定性較高。

2.4 X 射線衍射（XRD）結果分析

X 衍射峰的強度可以反應出被測樣品的結晶程度[40]，不同比例KGM/GA 復合水溶膠的XRD 衍射圖如圖8所示。在大約20°觀察到了復合體系的衍射寬峰，可以看出KGM/GA 復合水溶膠體系為無定形結構，與KGM 和GA 的單一體系相比，兩者復配后的樣品衍射峰向高衍射角方向發生了移動，當KGM:GA 比例為6:4、5:5、4:6 時，衍射角移動較為明顯，當比例為5:5 時，還觀察到了3 個離子峰，說明KGM 與GA 復配后的樣品結晶度增強。

圖8 KGM/GA 復合水溶膠的X 射線衍射光譜圖Fig.8 X-ray diffraction spectrum of KGM/GA composite hydrosol

根據XRD 圖譜計算各樣品的結晶度，結果如圖8所示，通過結晶度的計算，可以更清楚地看到不同比例下KGM/GA 復合水溶膠晶體結構的變化。KGM 單一體系的結晶度為23.00%，GA 單一體系的結晶度為26.37%，KGM 與GA 復配后的水溶膠結晶度明顯高于任一體系，當KGM:GA=5:5 時，復合體系的結晶度最高，與KGM 單一體系相比增加了14.57%，與GA 單一體系相比增加了11.20%。說明兩者相互作用有利于聚合物的有序結晶，產生這種現象的原因可能是KGM 與GA 在合適的比例下能發生相互作用，促進了相鄰節段的運動，使復合水溶膠的結構更加有序[41]，這種作用在其比例為5:5 時最為顯著。

2.5 掃描電子顯微鏡（SEM）結果分析

圖9為用掃描電子顯微鏡對不同比例下KGM/GA復合溶膠微觀結構的觀測圖。可以看出當體系為單一的KGM 時（圖9A），體系呈現致密的、不規則的海綿狀網狀結構，當體系為單一的GA 時（圖9H），體系呈現不規則的破碎片狀結構；與XRD 觀測結果一致，KGM 和GA 的單一體系有序性較差，均呈現出不規則的結構。

當KGM 與GA 的比例為8:2 時（圖9B），體系的孔洞減少，出現了大量的纏結結構，當比例為2:8時（圖9G）觀察到規則的、孔徑較大的、疏松的蜂窩狀結構，說明KGM 與GA 之間發生了相互作用，兩者作用后結構從無序向有序轉變；當比例為4:6 時（圖9F），觀察到不太規則的致密的層狀結構，此時為蜂窩狀網絡結構向層狀網絡結構的轉變，當比例為6:4（圖9C）和5:5（圖9D）時，可以觀察到體系出現大量如圖9E 般的樹枝狀網絡骨架以及大塊的片層結構，且在表面可以清楚觀察到天線形狀的結構，Feng等[4]對殼聚糖/羧甲基纖維素復合水凝膠觀察到類似的結構，這種現象可能是由于此時KGM 與GA 復配促進氫鍵相互作用，此時兩者之間相互作用比較強，體系分子鏈之間發生重排，卷曲效應增加所導致[40]，再次證明了KGM 與GA 可以通過氫鍵等相互作用形成交聯度更高、穩定性更強的的復合水溶膠。

圖9 KGM/GA 復合水溶膠的微觀結構觀測圖Fig.9 Microstructure observation of KGM/GA composite hydrosol

3 結論

本研究表明，在適當的添加比例下，KGM 與GA 具有良好的協同增效作用，在KGM/GA 復合水溶膠體系中，GA 可以在一定程度上調控KGM 的流動性和透明度，KGM 可以在一定程度上改善GA 的粘彈性和穩定性，二者可以通過氫鍵的增加和乙酰基的減少促進交聯，形成均勻、規則的三維結構。當KGM:GA=5:5 時，體系的交聯度較高，結晶度顯著增強，復合體系的結構變得更加有序，此時樣品黏度適中，粘彈性適中，穩定性較好，透明度較好，可以作為新型粘合劑應用在食品工業中，有利于多功能食品膠粘劑的開發，也為開發KGM/GA 功能飲料等新型食品提供了一定的理論指導。本研究秉持著綠色環保的發展理念，旨在促進天然食品原料在食品工業中的應用，在研制過程中未添加任何化學防腐劑，有關KGM/GA 復合溶膠的防腐性能、儲存條件及使用條件有待進一步優化。