濕熱降解對魔芋葡甘聚糖凝膠特性的影響

鄒少強

（福建立興食品有限公司，福建 漳州 363801）

隨著社會的不斷發展，人們越來越重視膳食健康，對健康、低熱量食品的訴求也不斷上升。低熱量食品作為新興行業有巨大的市場潛力和廣闊的發展空間，其研究與開發受到營養學界等領域的廣泛重視。可溶性膳食纖維是一種對人體健康有益的特殊營養素，具有低熱量、高飽腹感，且能減少和延緩葡萄糖的吸收等優點，是糖尿病[1]和減脂人群[2]良好的輔助食品。

魔芋葡甘聚糖（KGM）為高分子量多糖，由于黏度高和吸水性強等缺陷，且其黏度隨著溫度的升高逐漸降低，在加工過程中不利于食品保形[3]，局限了魔芋的加工技術，使得KGM的利用空間極低。天然高濃度KGM降解的方法主要有物理法（超聲波[4]、紅外烘烤[5]）、化學法（酸法、堿法）和生物法（酶法）等。上述方法均可以使KGM得到有效降解，但具有經濟性低或對環境造成污染的缺陷[6]。因此，采用一種高效、便利和清潔的降解方法是KGM加工生產過程中的難題。

為了保證KGM溶膠的穩定性，通常將其制備成凝膠。多糖類凝膠具有生物降解性、生物相容性、經濟性、可利用性強等諸多優點[7]。一般是通過物理或化學交聯方式可制備凝膠。通過研讀國內外文獻了解到，KGM溶膠中存在著復雜的氫鍵網絡結構，主要有KGM分子鏈內、KGM分子鏈和KGM分子鏈之間、KGM分子鏈和水分子之間3種類型的氫鍵相互作用[8]。有研究表明，溫度升高，分子運動加強，分子鏈流動阻力減小，KGM溶膠黏度逐漸減小[3]，溶膠的剪切應力降低，流動性增強[9]。有研究表明對KGM溶膠進行加堿熱處理脫除乙酰基后形成氫鍵，其黏度、持水性發生顯著下降[10]。因此，常通過加堿熱處理制備穩定的KGM凝膠。KGM在堿加熱處理條件下脫去乙酰基制成的凝膠穩定性較好的原因在于：KGM脫去了部分乙酰基團，氫鍵作用加強，與KGM的天然結構存在差異。其差異體現在：KGM分子脫除部分乙酰基團，分子間的空間位阻降低而產生氫鍵并以乙酰基脫除位置為節點與相鄰分子相互作用形成三維網狀結構[11]，從而形成凝膠。在堿加熱處理過程中，堿濃度越高，乙酰基團脫除程度越大[12]。有研究表明，脫去乙酰基的KGM，具有良好的可生物降解性和安全性[13]。

基于對國內外文獻的研讀和總結，采用可靠性、便利性和清潔性更高的非均相濕熱降解法對高濃度KGM進行降解。在固定高溫高壓下，改變對KGM精粉的濕熱降解處理時間，探究其所制溶膠和凝膠的理化性質的變化，分析影響凝膠穩定性的因素，優化KGM凝膠性能最佳降解方案，為凝膠研究和生產提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

KGM，湖北一致魔芋生物科技股份有限公司提供；氫氧化鈉、溴化鉀均為分析純，國藥化學試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設備

ME204TE/02型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產品；GI54DS型立式自動壓力蒸汽滅菌器，致微（廈門）儀器有限公司產品；DJG-9035A型電熱鼓風干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司產品；Color Squid S000型磁力攪拌器，上海玖析科學儀器有限公司產品；R30A型電動攪拌器，南京庚辰科學儀器有限公司產品；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器責任有限公司產品；RNA4500型快速黏度分析儀，深圳市三莉科技有限公司產品；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀，島津儀器（蘇州）有限公司產品；WDW-5型微機控制電子拉力試驗機，長春新特試驗機有限公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 KGM樣品的制作

試驗采用非均相濕熱降解法[14]制備KGM樣品。稱取KGM粉末5 g置于培養皿中，用錫紙覆蓋培養皿并扎孔。將裝有KGM粉末的培養皿置于立式自動壓力蒸汽滅菌器中，于121℃，0.1 MPa下處理不同時間 （分別為5，10，15，20，25，30 min）。滅菌器降溫至65℃時將KGM粉末取出，放入電熱鼓風干燥箱于45℃下烘干2 h。

1.3.2 KGM溶膠黏度的測定

為測定KGM樣品溶膠的黏度性能，使用具有結合可變的剪切力和多循環的加熱/冷卻技術的快速黏度分析儀[15]。準確量取20 mL蒸餾水置于快速黏度分析儀的鉛制樣品筒內，稱取7份0.1 g KGM樣品粉末（蒸煮時間分別為0，5，10，15，20，25，30 min）。將裝有蒸餾水的鉛制樣品筒置于磁力攪拌器上攪拌，并緩慢加入KGM樣品粉末，攪拌30 s至沒有結塊。將黏度分析儀的攪拌器置于樣品筒且其上端插入攪拌器接頭中，開始測試，每個KGM樣品溶膠重復測定3次。在該過程中保證磁力攪拌器攪拌溶膠的時間相同，使各個樣品誤差范圍縮小。

1.3.3 傅立葉紅外光譜掃描

為測定KGM樣品的分子結構，對樣品進行傅里葉紅外光譜掃描分析[15]，試驗采用KBr壓片法。取KGM樣品（蒸煮時間分別為0，5，10，15，20，25，30 min） 與KBr按1∶5的比例置于瑪瑙研缽中混合均勻，研磨成肉眼看不到小顆粒的粉末。在該過程中應將溴化鉀和研磨的粉末置于紅外燈下烘烤使其干燥，避免其受潮影響試驗結果。將研磨的粉末均勻平鋪在壓片模具內，在壓片機上壓制成片，放入樣品室掃描500～4 000 cm-1波數范圍的光譜吸收值，每個KGM樣品重復測定3次。

1.3.4 KGM凝膠的制備

對KGM溶膠進行加堿熱處理脫除乙酰基制備凝膠[10]。量取將40 mL蒸餾水置于250 mL燒杯中，用電動攪拌器以轉速400 r/min進行攪拌，緩慢加入0.6 g KGM樣品（蒸煮時間分別為0，5，10，15，20，25，30 min），攪拌1 h后，用1 mol/L NaOH溶液調pH值至11～12，攪拌2 min。將凝膠分離于2個25 mL的小燒杯中，每個小燒杯中含15 mL凝膠。在該過程中應盡量保證每個小燒杯中的凝膠高度一致且表面平整，以達到測定凝膠強度的條件。將溶膠置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器80℃水浴加熱30 min。

1.3.5 KGM凝膠強度的測定

為測定魔芋凝膠的強度[16]，需將制成的凝膠蓋上保鮮膜并扎孔，在室溫放置12 h以上。測量凝膠的直徑（3 mm）及高度（1.8 mm），打開電腦上的軟件測控系統，打開試驗機電源，選擇相應的試驗類型，填入試驗環境溫度25℃、凝膠直徑和高度等相關數據。調節試驗機下降到合適的高度，裝放好試樣，設置形變量為60%。在試驗過程中，一次測定結束后需將試驗力、變形、位移清零。同時，需注意設定合適的升降速度，以免影響試驗結果。

2 結果與分析

2.1 121℃下不同濕熱降解時間對所制KGM溶膠黏度的影響

KGM溶膠表觀流動對比圖見圖1，不同濕熱降解時間處理下制備的溶膠的快速黏度曲線圖見圖2。

圖1 KGM溶膠表觀流動對比圖

圖2 不同濕熱降解時間處理下制備的溶膠的快速黏度曲線圖

由圖2可知，在121℃固定高溫下，KGM粉末在0～5 min濕熱降解處理范圍內，所制的溶膠黏度隨處理時間增加急劇下降，下降了34.9%。在5～10 min范圍內，溶膠黏度略有回升，使10 min濕熱降解處理下制備的溶膠黏度稍大于5 min濕熱降解處理下制備的溶膠黏度。說明在一定熱處理時間范圍內，KGM溶膠可能存在熱穩定性。

在10～30 min范圍內，溶膠黏度隨濕熱降解時間增加下降了65.8%。KGM精粉在25 min和30 min濕熱降解處理下制備的溶膠明顯變稀、流動性明顯增強。KGM為大分子多糖，其分子量和KGM溶膠黏度呈正相關。增加熱處理時間可以改變KGM溶膠的變形能力，其原因可能為短時濕熱降解處理的KGM分子鏈纏結較為緊密，長時間熱處理導致KGM分子運動加快，分子鏈、分子鏈間及分子鏈極性基團-OH與水分子間的氫鍵部分斷裂，氫鍵數目減少，KGM分子鏈、分子鏈間解纏，部分分子結構被破壞[5]。表明隨著濕熱降解處理時長的增加，不同濕熱降解時間處理下制備的KGM溶膠黏度顯著降低，降解處理時長在20 min之后，溶膠都具有較低的黏度。

2.2 121℃下不同濕熱降解時間對所制KGM凝膠壓縮強度的影響

測定壓縮強度實物圖見圖3，不同濕熱降解時間處理下制備的凝膠壓縮強度柱狀圖見圖4，不同濕熱降解時間處理下制備的凝膠的應力-應變曲線圖見圖5。

圖3 測定壓縮強度實物圖

由圖4可知，10 min濕熱降解處理KGM粉末制備的凝膠壓縮強度最強，5，15，20 min壓縮強度大致相同。由圖5可知，在應變10%～60%，KGM凝膠處于彈性形變階段。KGM凝膠單位面積上所承受的力為壓縮應力，壓縮前后凝膠高度的比為壓縮應變。由圖5可知，應力應變曲線關系呈現出非線性，當應變較低時，應變隨著應力的不斷增大而緩慢增大，當凝膠被壓縮至30%應變后，應力隨著應變的增加而迅速上升，表明凝膠具有一定的彈性性能。當壓縮應變達到同一應變60%時，10 min濕熱降解處理KGM粉末制備的凝膠壓縮應力值最高，壓縮強度最大。可能由于其分子鏈交聯密度較大，具有較好的黏彈性[17]。

圖4 不同濕熱降解時間處理下制備的凝膠壓縮強度柱狀圖

圖5 不同濕熱降解時間處理下制備的凝膠的應力-應變曲線圖

15，5，20 min濕熱降解處理KGM粉末制備的凝膠壓縮應力值依次降低。其中，未經濕熱降解處理的KGM粉末制備的凝膠的壓縮強度與壓縮應力最小，其原因可能是凝膠分子鏈內、分子鏈間、分子鏈與水之間強烈的相互作用，所形成的氫鍵數目較多，因此形成堅實的凝膠。需要特別說明的是，在經25，30 min濕熱降解處理KGM粉末制備凝膠的過程中，其溶膠結構松散，未形成凝膠。

說明隨著濕熱降解處理時長的增加，不同濕熱降解時間處理下制備的KGM凝膠力學性能顯著降低。其中，具有低黏度的降解處理20 min的凝膠壓縮強度為25.6 kPa，具有有良好的機械性能。

2.3 傅立葉紅外光譜分析

不同濕熱降解時間處理的KGM粉末紅外光譜圖見圖6。

圖6 不同濕熱降解時間處理的KGM粉末紅外光譜圖

由圖6可知，經不同濕熱降解時間處理下KGM的傅里葉紅外光譜曲線大致相似，在特定波長范圍內具有特征吸收峰，光譜吸收峰的位置基本一致，吸收峰相對強度略有差異。在4 000～2 500 cm-1區間內的吸收峰為糖單元分子內或分子間-OH的伸縮振動吸收峰，表明KGM分子內和分子間存在氫鍵。其中，未經濕熱降解處理的KGM的特征吸收峰相對強度最強，在降解處理10 min時，4 000～2 500 cm-1區間內的吸收峰強度較處理5 min吸收峰強度略強。說明短時濕熱降解處理導致KGM分子內和分子間氫鍵作用仍然較強。隨著降解時間的增加，特征吸收峰相對強度呈減弱趨勢，可能由于長時間濕熱降解時間處理下KGM粉末的分子結構發生變化，KGM分子間或分子內部分氫鍵斷裂，導致分子鏈的位置、排列、交聯等的發生變化，從而影響KGM的網絡結構[5]。

3 結論

不同濕熱降解時間處理對KGM的理化性質產生顯著影響，KGM凝膠的形變能力、機械強度均發生明顯變化，主要體現在黏度、強度降低。通過分析KGM溶膠的黏度、凝膠的強度和樣品粉末的紅外光譜圖像發現，隨濕熱降解處理時間延長，其黏度下降越明顯，凝膠結構越松散，凝膠機械性能越弱。在該試驗設置的6個變量水平（5，10，15，20，25，30 min）中，通過對黏度、強度和紅外光譜分析發現，20 min濕熱降解時間處理下制備的凝膠既具有較低的黏度，也具有優良的穩定性。