氧化魔芋葡甘露聚糖對脫乙酰魔芋葡甘露聚糖凝膠特性的影響

范天琴,覃小麗,謝勇,陳朝軍,張甫生,張盛林,蔣學寬,劉雄*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(銅仁學院 材料與化學工程學院,貴州 銅仁,554300) 3(西南大學魔芋研究中心,重慶,400715)4(重慶西大魔芋生物科技有限公司,重慶,400715)

多糖凝膠在食品質量改進、熱量控制和營養改善等方面扮演著重要角色,因此在食品工業中具有廣闊的應用前景。魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)是來自魔芋根莖的一種中性雜多糖,其在堿存在下加熱能脫除乙酰基生成熱不可逆凝膠,但該凝膠的顏色褐變嚴重且具有堿的苦澀味[1]。當前研究發現,脫乙酰魔芋葡甘露聚糖(deacetylated konjac glucomannan,DKGM)在一定脫乙酰度和濃度下經加熱可自聚集形成凝膠,與加堿凝膠相比,其顏色和風味能得到改善。但是DKGM的吸水性、溶解性和黏稠性隨脫乙酰度的增加而降低,這將對DKGM的益生性和所制備凝膠的品質產生不利影響[2]。氧化魔芋葡甘露聚糖(oxidized konjac glucomannan,OKGM)是KGM氧化降解的產物,具有醛基或羧基等親水基團,能制備溶脹率高、吸水性強的醫用敷料水凝膠,且其較小的分子質量還能在凝膠網絡中發揮填充作用以增強凝膠性能[3]。本實驗室采用微波-臭氧法制備的OKGM解決了化學氧化試劑殘留的問題,具有綠色安全性,能滿足健康食品的要求[4]。田紅媚等[5]將該OKGM 應用于面制品中,發現其可提高面粉的吸水率、增強貯藏期間面包的保水性和抑制有害微生物的生長繁殖。不過當前探究OKGM對DKGM凝膠特性影響的研究還未有報道。

鑒于OKGM對DKGM功能活性和性質上可能存在的潛在互補性[6],本實驗將兩者共混并通過分析檢測復合凝膠的持水性、凝膠強度、凍融穩定性、溶脹率、質構特性、流變學特性和微觀結構,探討不同氧化程度的OKGM對DKGM凝膠性能的影響,以期為OKGM在凝膠食品中的應用提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

純化魔芋精粉(純度>95%),湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司。

1.2 儀器與設備

FL-815Y臭氧消毒機,深圳市飛立電器科技有限公司;XH-300B微波超聲波組合催化/合成萃取儀,北京祥鴿科技發展有限公司;TA-XT plus質構儀,英國Stable Micro Systems公司;DHR-1流變儀,美國TA公司;LGJ-10型冷凍干燥機,北京松源華興科技有限公司;AXTG16G型離心機,鹽城市安信實驗儀器有限公司;Spectrum100紅外光譜儀,美國Perking Elmer公司;Phenom Pro掃描電鏡,荷蘭Phenom World公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 DKGM的制備和脫乙酰度測定

參考官孝瑤等[7]的方法并稍作修改。將含有12 g KGM和360 mL 30%(體積分數)乙醇溶液的混合體系在50 ℃下攪拌30 min,然后加入26 mL 0.1 mol/L的NaOH溶液繼續攪拌30 min進行脫乙酰反應,反應結束后經梯度乙醇溶液(50%、75%、95%和100%,體積分數)脫水,最后真空冷凍干燥得到DKGM。按XIAO等[8]的方法測得該DKGM的脫乙酰度為66.81%。

1.3.2 OKGM的制備和分子質量測定

根據LI等[4]的方法并稍作修改。準確稱取3.0 g KGM均勻分散至裝有300 mL蒸餾水的三口燒瓶中,30 ℃水浴1 h。設置微波功率500 W,恒定溫度65 ℃,同時通入臭氧(15 g/h),處理一定時間得到懸浮液,將其醇沉后真空冷凍干燥12 h,粉碎研磨后得到OKGM粉末。根據處理時間0、30、60、90、120 min分別標記樣品為K、O-30、O-60、O-90和O-120。同時根據LI等[4]的方法測得K、O-30、O-60、O-90和O-120的分子質量分別為1.78×106、1.48×105、2.60×104、1.28×104、1.06×104Da。

1.3.3 DKGM-OKGM復合凝膠的制備

準確稱取3.60 g DKGM和0.40 g OKGM,將兩者同時緩慢倒進裝有96 mL蒸餾水的燒杯中,攪拌至均勻分散后在50 ℃水浴中溶脹1 h,然后再90 ℃加熱2 h,最后冷卻至室溫得到DKGM-OKGM復合凝膠備用。將添加K、O-30、O-60、O-90、O-120的復合凝膠分別命名為D-K、D-O-30、D-O-60、D-O-90、D-O-120。以不添加OKGM的凝膠作為空白并命名為D。

1.3.4 白度

參考HOU等[9]的方法并稍作修改。將3 cm厚的凝膠樣品置于白色A4紙上,儀器經白板校正后測定色澤參數(L*、a*、b*值)。根據公式(1)計算白度值(W):

(1)

1.3.5 凝膠強度

參考楊悅等[10]的方法并稍作修改。選擇質構分析(texture profile analysis,TPA)壓縮模式,P/0.5探頭,設置測前速度:1.5 mm/s,測中和測后速度:1 mm/s,壓縮距離為10 mm。

1.3.6 持水性

參考范盛玉等[11]的方法并稍作修改。將復合凝膠樣品切成3 mm×3 mm×3 mm大小的均勻顆粒,稱取1.0 g樣品于離心管中,12 000 r/min離心20 min,結束后用濾紙拭干外部水分并稱重。根據公式(2)計算持水力:

(2)

式中:m1,離心前樣品質量,g;m2,離心后樣品質量,g。

1.3.7 溶脹率

參考YANG等[12]的方法并稍作修改。稱取3.0 g復合凝膠樣品放入裝有50 mL磷酸鹽緩沖液(0.1 mol/L,pH 7.0)的離心管中,于25 ℃溶脹24 h后取出,拭干表面水分后稱重。根據公式(3)計算溶脹率:

(3)

式中:m1,溶脹前復合凝膠的質量,g;m2,溶脹后復合凝膠的質量,g。

1.3.8 凍融穩定性

根據凍融循環期間凝膠的脫水收縮率來確定凍融穩定性。稱取15.0 g凝膠樣品于離心管中,然后在-18 ℃下冷凍22 h后于30 ℃水浴解凍2 h算作一個循環,最多循環5次,然后樣品以3 000 r/min離心10 min,拭干樣品表面水分后稱重[12]。根據公式(4)計算脫水率:

(4)

式中:m0,空離心管的質量,g;mn,離心前凝膠質量,g;mn′,離心后凝膠的質量,g;n,凍融循環的次數。

1.3.9 質構

參考TONG等[13]的方法稍作修改。選擇TPA模式,P/0.5探頭,設置測試速度1 mm/s,壓縮形變50%,觸發力5 g。

1.3.10 動態流變學特性

動態流變測定選擇PP25平板,平板間隙2 mm,應變為0.6%,加載樣品后去除平板邊緣多余樣品,再沿平板邊緣涂抹二甲基硅油,防止試驗過程中水分蒸發[10]。

頻率掃描:設定溫度25 ℃,平衡2 min后在0.1～100 rad/s角頻率下進行掃描,觀察樣品儲能模量(G′)和損耗模量(G″)對頻率的依賴性。

溫度掃描:設置溫度從25 ℃升至90 ℃,升溫速率為5 ℃/min,監測樣品G′和G″隨溫度變化的趨勢。

1.3.11 紅外光譜分析

將冷凍干燥的凝膠樣品研磨并過200目篩,取適量樣品進行測定,以空氣為背景掃描,設置光譜掃描范圍為4 000～600 cm-1,分辨率為32 cm-1[14]。

1.3.12 掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察

取0.5 cm厚的冷凍干燥凝膠樣品,在載樣臺上固定并噴金進行觀測,記錄放大倍數為300的圖像[15]。

1.4 數據處理與分析

實驗重復3次,結果以平均值±標準偏差表示。采用SPSS 26.0對實驗數據進行方差分析,Origin 2021b作圖。

2 結果與分析

2.1 表觀形態及白度

圖1-a顯示了DKGM-OKGM復合凝膠的表觀形態。單一DKGM凝膠和添加OKGM的復合凝膠均形成了形態完整、表面光滑、質地緊實的白色固體凝膠。圖1-b顯示了DKGM-OKGM復合凝膠的白度。各凝膠組的白度在13.86～9.68,添加OKGM的復合凝膠與D組凝膠相比白度顯著降低,說明OKGM對DKGM凝膠的顏色略有不利影響。

2.2 凝膠強度

凝膠強度取決于物質的分子質量和它們之間的相互作用[16]。如圖2所示,與D組相比,D-K和D-O-30組的凝膠強度分別減小15.12、8.44 g/cm2。這一方面可能是因為KGM和O-30分子較大的分子質量會妨礙體系中規整有序的凝膠網絡結構的形成;另一方面可能是因為KGM分子和O-30分子上乙酰基產生的空間位阻效應會阻礙DKGM分子之間的纏結聚集,破壞體系中的凝膠網絡結構,導致復合凝膠的凝膠強度減弱[17-18]。D-O-60、D-O-90和D-O-120組的凝膠強度分別為155.56、154.11、156.49 g/cm2,均高于D組凝膠。這一方面可能歸因于O-60、O-90和O-120分子能利用其分子質量小的優勢發揮填充作用以增強凝膠網絡結構的緊密性;另一方面可能歸因于O-60、O-90和O-120分子上的乙酰基數量少,產生的空間位阻效應弱,分子鏈的有序性增大,與DKGM分子糾纏聚集的機率增加,從而有利于形成穩定的凝膠網絡結構,使得復合凝膠的凝膠強度增強[19-20]。

圖2 DKGM-OKGM復合凝膠的凝膠強度Fig.2 Gel strength of DKGM-OKGM composite gels

2.3 持水性

如圖3所示,各組復合凝膠的持水性均在98%以上,相互之間沒有顯著性差異,都表現出優良的持水性。許多研究都表明凝膠強度對凝膠的持水性有著密切的影響[10,12],但具有低凝膠強度的D-K組凝膠的持水性卻與其他凝膠沒有差別,這可能是因為KGM本身結合水的能力強[21]。

圖3 DKGM-OKGM復合凝膠的持水性Fig.3 Water holding capacity of DKGM-OKGM composite gels

2.4 溶脹率

凝膠的溶脹率受凝膠物質的親水性和疏水性等固有性質的影響[3]。如圖4所示, D組的溶脹率為15.96%,低于其余凝膠組,這可能是由于去除部分乙酰基后的DKGM疏水性增強[20]。D-K組的溶脹率為28.20%,高于其余凝膠組,這可能是由于KGM本身具有較強的親水性[21],能促使凝膠對緩沖液的吸收,從而提高凝膠的溶脹率。D-O-30、D-O-60、D-O-90和D-O-120組的溶脹率介于D組和D-K組之間,這是由于OKGM分子上減少的乙酰基數量和增加的羧基親水基團共同作用的結果[4]。

圖4 DKGM-OKGM復合凝膠的溶脹率Fig.4 Swelling capacity of DKGM-OKGM composite gels

2.5 凍融穩定性

如圖5所示,所有凝膠樣品的脫水率隨著凍融循環次數的增加而增加,表明凝膠網絡結構被逐漸破壞。這是由于在凍融循環過程中形成或再生的冰晶會刺穿或損壞初始凝膠網絡,產生大的孔洞[12]。與D組相比,OKGM降低了復合凝膠的脫水率,說明OKGM能增強凝膠的凍融穩定性。其中,D-O-120組和D-K組的凍融穩定性最好。對于D-O-120組凝膠來說,這歸因于O-120的分子質量低,在體系中具有可忽略的空間位阻,從而易與冰晶結合并限制冰晶在某些方向上的生長[22]。對于D-K組凝膠而言,這可能是因為KGM分子鏈上的大量羥基通過氫鍵與水分子結合,從而減少了復合凝膠在凍融循環過程中的水分流失[21]。

圖5 DKGM-OKGM復合凝膠的凍融穩定性Fig.5 Freeze-thaw stability of DKGM-OKGM composite gels

2.6 質構特性

質構特性能從多個維度對凝膠品質進行客觀評價。硬度是指在牙齒之間或舌與顎之間壓縮樣品所用的力[10]。如表1所示,添加OKGM能降低凝膠的硬度,并在D-O-30組獲得最小硬度值(292.18 g)。彈性可用于模擬樣品在齒間壓縮后恢復到原來形狀的程度[23]。從表1可知,D-K組的彈性為0.92,與D組的彈性沒有顯著性差異;D-O-30、D-O-60、D-O-90和D-O-120組的彈性分別為0.98、097、0.98、0.97,各組彈性相互之間沒有顯著性差異,但是都顯著高于D組凝膠,說明適度氧化的OKGM可以增強DKGM凝膠的彈性。內聚性可用于模擬食物被牙齒咀嚼之前的壓縮程度,能反映樣品內部的緊密程度[23]。從表1可以看出,OKGM凝膠的內聚性隨OKGM氧化程度的增加而增大,并在D-O-120組獲得最大內聚性,說明OKGM對凝膠內部緊密程度具有調節作用。咀嚼性是指為抵抗來自食物的持續彈性阻力而費力咀嚼其至可吞咽時所需的能量[15]。D-O-30組的咀嚼性比D組減小了84.04,表現出顯著性差異;D-O-120組的咀嚼性與D組相比沒有顯著性差異,說明OKGM的氧化程度對DKGM凝膠的咀嚼性具有很大影響。綜上,說明可以通過控制OKGM氧化程度來調節DKGM凝膠的硬度、咀嚼性等質構特性,為開發硬度適宜,利于咀嚼吞咽的相關食品提供參考。

表1 DKGM-OKGM復合凝膠的質構特性Table 1 Texture characteristics of DKGM-OKGM composite gels

2.7 流變學特性

儲能模量(G′)又稱彈性模量,反映聚合物的彈性和類固體性質。損耗模量(G″)又稱黏性模量,反映聚合物的黏性和類液體性質[24]。圖6-a表示在25 ℃下,各凝膠組的G′和G″對角頻率的依賴性。在整個角頻率范圍內,各凝膠組的G′均大于G″,在體系中處于主導地位,凝膠表現出典型的類固體性質[25]。隨著頻率的增加,所有凝膠的G′和G″均快速增大,強烈的頻率依賴性說明所有凝膠均是由非共價鍵相互作用形成的弱物理凝膠[26]。同一角頻率下,隨著OKGM氧化程度的增加,G′和G″均減小,說明OKGM的氧化程度對DKGM凝膠的彈性有較大影響。凝膠黏彈性下降的原因可能是因為OKGM分子的分子質量隨氧化程度加劇而減小,使得它們伸展后僅有較短的自由線鏈用于凝膠纏結[17]。

a-角頻率掃描;b-溫度圖6 DKGM-OKGM復合凝膠的動態流變曲線Fig.6 The dynamic flow curve of DKGM-OKGM composite gels

如圖6-b所示,在25～90 ℃內對各凝膠樣品進行溫度掃描,進而探究凝膠G′和G″的溫度依賴性。在整個溫度范圍內,所有凝膠的G′和G″均隨溫度的升高呈現先減小后增大的趨勢。這是由于溫度從25 ℃緩慢升高時,凝膠分子鏈之間的氫鍵被破壞,同時又不足以產生強烈交聯,因此導致G′和G″先逐漸減小;升至較高溫度時,分子鏈的運動加劇,疏水相互作用增強,形成更多的纏結,從而引起G′和G″急劇增加[14]。在整個溫度范圍內,各凝膠組之間也存在明顯不同。OKGM的加入使得各凝膠組的G′在加熱過程中獲得最小值時所對應的溫度增大,說明OKGM的加入能促進凝膠中氫鍵的形成,這可能是因為分子上乙酰基數量的差異[27]。

2.8 紅外光譜分析

圖7 DKGM-OKGM復合凝膠的紅外光譜圖Fig.7 The infrared spectroscopy of DKGM-OKGM composite gels

2.9 SEM分析

采用SEM觀察不同氧化程度OKGM對DKGM凝膠三維網絡結構的影響,結果如圖8所示。各組凝膠的空間網絡結構均呈排列良好的帶孔三維片層網絡結構,并表現出多孔和疏松的狀態。相較于D組凝膠、D-K組和D-O-30組的凝膠片層結構之間的間隙增大,同時還產生一些較大的空腔,這可能是由于低氧化程度的OKGM分子質量相對更大,會破壞凝膠網絡的有序性[18]。D-O-60、D-O-90和D-O-120組的凝膠片層結構之間的距離縮短,片層內孔洞尺寸減小且分布更均勻。這既是因為高氧化程度的OKGM分子的分子質量小,在凝膠網絡中能起到填充作用,也是因為高氧化程度的OKGM分子上減少的乙酰基可減弱分子間和分子內的空間位阻效應,促進分子間的締合,使得凝膠網絡結構更致密有序[24]。各凝膠組的凝膠網絡結構差異又反過來對凝膠強度(圖2)產生一定影響。

圖8 DKGM-OKGM復合凝膠的SEM圖(300×)Fig.8 SEM of DKGM-OKGM composite gels(300×)

3 結論

本研究通過凝膠持水性、質構、流變特性、紅外光譜等指標表征了不同氧化程度OKGM與DKGM復合凝膠的性質。研究表明,與空白組相比,OKGM能降低凝膠的白度,提高其溶脹率和凍融穩定性;OKGM能降低凝膠的硬度,D組和D-K組的彈性高于其余組,D-O-30組的咀嚼性最小;D-O-60、D-O-90和D-O-120組的凝膠強度顯著提高;流變特性表明復合凝膠屬于弱凝膠。上述結果說明OKGM可改善DKGM的凝膠特性。紅外光譜及SEM分析表明,復合凝膠特性的改善與OKGM改變了體系中氫鍵的作用強度和凝膠網絡結構的片層距離及孔洞大小有關。綜上,可根據實際生產需要,選擇不同氧化程度的OKGM對DKGM凝膠的性能進行適當調整。