黃芪多糖凝膠糖果的制備及其物性研究

摘 要：目的：制備黃芪多糖凝膠糖果，探究其物性特征，為中藥型凝膠糖果的開發提供參考。方法：利用質構儀測定市售凝膠糖果的質構特性。根據測定結果，利用聚類分析和主成分分析確定凝膠糖果質構特性的優化范圍。通過單因素和響應面實驗，以凝膠糖果質構特性為優化指標，制備明膠基體。向其中添加黃芪多糖，制備黃芪多糖凝膠糖果，并測定其凝膠前的流變性質及凝膠后的質構特性。結果：黃芪多糖的添加會使明膠基體的質構特性變弱。流變學分析顯示，黃芪多糖凝膠糖果糖漿表現為剪切變稀行為。相關性分析顯示，黃芪多糖凝膠糖果糖漿的表觀黏度與黃芪多糖凝膠糖果的質構特性顯著相關。結論：成功制備了一種與市售凝膠糖果質構特性相近的黃芪多糖凝膠糖果，凝膠糖果中間體的表觀黏度與質構特性相關可為凝膠糖果生產提供新思路。

關鍵詞：質構特性；凝膠糖果；響應面法；黃芪多糖；流變性質

黃芪多糖（APS）具有多種生物活性及安全性，是保健食品開發的潛在添加成分。本研究基于對市售凝膠糖果的質構性質分析，選定凝膠糖果的質構特性范圍，利用單因素和響應面試驗對明膠型凝膠糖果基體配方進行優化。在此基礎上，制作一種與市場凝膠糖果質構相近的明膠型APS凝膠糖果，并對其中間體流變性質及成品的質構特性進行測定，為含中藥活性成分的保健凝膠糖果的生產和開發提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市售凝膠糖果（選擇銷量排名靠前的22種凝膠糖果）；明膠，220凍力，山東汶澤生物科技有限公司；白砂糖，成都太古糖業有限公司；果葡糖漿，山東香馳健源生物科技有限公司；檸檬酸，河南萬邦實業有限公司；APS，純度98%，陜西綠晟源生物品制造有限公司。

1.2 儀器設備

TMS-Pro 質構儀，美國 FTC 公司；HB10 旋轉蒸發儀，德國 IKA 公司；電磁爐，美的集團有限公司；手持式折光儀，河北慧采科技有限公司；哈克旋轉流變儀，賽默飛公司；S-4800 場外發射掃描電鏡，日本日立公司。

1.3 方法

1.3.1 凝膠糖果質構性質優化標準的選擇 利用質構儀的TPA模式分析市售的22款凝膠糖果的質構特性（起始力0.075 N、探頭432-010、間隔時間10 s、測試速度2 mm/s、形變30%）。利用聚類分析和主成分分析方法處理測量結果，分析影響凝膠糖果質構特性的主要因素，判斷 22款凝膠糖果中數量占比較大的質構特性范圍，將其作為凝膠糖果質構特性優化的標準。

1.3.2 明膠基體的配方優化 （1）明膠基體的制備：以明膠為凝膠劑，白砂糖和果葡糖漿為甜味劑，檸檬酸為酸味劑制作明膠基體。首先，將白砂糖、果葡糖漿和水混合，不斷攪拌，熬煮至可溶性固形物含量為80%（w：w）（可溶性固形物利用手持式折光儀測定），得糖漿，放置備用。將明膠和去離子水以1：2（w：w）的比例在燒杯中混合溶脹，將燒杯放入60℃的水浴鍋中，使明膠完全溶解形成溶液。在明膠溶液中加入檸檬酸，并使其與糖漿混合，在60℃條件下濃縮至可溶性固形物含量為80%，將其倒入1.0 × 1.0 × 1.5 cm的淀粉模具中放置過夜，自然干燥。（2）單因素試驗：設定明膠添加量10%、甜味劑用量60%、白砂糖和果葡糖漿用量比例1：1、檸檬酸用量1.2%為基準條件，分別考察明膠用量4%、6%、8%、10%、12%；甜味劑用量40%、50%、60%、70%、80%；白砂糖、果葡糖漿用量比例2：1、1：1、1：2、1：3、1：4；檸檬酸用量0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%對凝膠糖果質構特性的影響。在實驗過程中，除考察因素外，其他因素保持初始條件。待制作完成2周后凝膠糖果質構性質趨于穩定[1]，對其質構特性進行分析。（3）響應面試驗：根據前述試驗確定的凝膠糖果質構特性范圍和單因素試驗結果，針對明膠用量、甜味劑用量、檸檬酸用量3個因素進行Box-Benhnken試驗設計，以硬度、膠粘性、咀嚼性為響應值進行凝膠糖果基體配方優化（表1）。

1.3.3 黃芪多糖凝膠糖果的制備及其質構特性的測定

根據中國藥典[2]規定及相關文獻[3-4]中黃芪及APS的用量，確定APS的添加量為0%、3.91%、7.69%、11.54%、15.38%、19.23%、23.08%、26.92%、30.77%、34.62%（w/w）。將APS 添加在優化后的明膠型凝膠糖果基體中制備APS 凝膠糖果。按照1.3.2（1）的方法將不同質量分數的 APS 添加在明膠溶液中，與糖漿混合，濃縮至可溶性固形物為 80%，制得 APS 糖漿，冷卻干燥后為 APS 凝膠糖果。測定其質構特性，根據優選的質構特性范圍，確定 APS 的適宜添加量。

1.3.4 黃芪多糖糖漿流變學性質的測定 利用哈克旋轉流變儀對APS糖漿進行流變學性質的測定，溫度由珀耳帖裝置控制，使用設備為錐板35 mm/2°，測量間隙為0.1 mm。表觀黏度的測定：將樣品在60 ℃下保持5 min，選擇靜態剪切模式，控制剪切速率變化為0.1～100 s-1，測定糖漿的表觀黏度。動態模量的測定：將樣品在60 ℃下保持5 min，選擇頻率掃描模式，控制應變為0.3%（LVR 范圍內），頻率變化為0.1～100 rad/s。測量糖漿的儲能模量G’、損耗模量G”和損失正切tanδ。蠕變恢復百分比的測定：將樣品在待測溫度下平衡 5 min 后開始測試，保持應力（符合 LVR 范圍）不變，設定蠕變時間和恢復時間，進行蠕變測量，觀察持續時間下應變的變化，對柔量（應變與應力的比值）進行測定，按照式（1）計算蠕變恢復百分比（crp）。

crp = （Jmix - Jr） / Jr×100（1）

式（1）中，Jmix 為最大蠕變柔量、Jr 為恢復后的柔量。

1.3.5 黃芪多糖糖漿流變學性質和黃芪多糖凝膠糖果質構特性的相關性分析 根據測得的數據，分析 APS 糖漿流變學性質和 APS 凝膠糖果質構特性的相關性。由于剪切速率50 s-1 所對應的黏度被認為與食品黏度、潤滑性等品質相關，角頻率為 50 rad/s 下測得的動態黏度與感官評價的稠度具有良好的相關性[5]，因此，選取 APS 糖漿在剪切速率為50 s-1 時的表觀黏度和角頻率為 50 rad/s 時的 G’、G”、tanδ 以及蠕變恢復百分比與 APS 凝膠糖果的質構特性進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 凝膠糖果優化標準的選擇

對市售凝膠糖果質構特性進行樣品聚類分析（圖1），可將市場上的凝膠糖果分為三類，三類凝膠糖果質構特性如表2所示。分析發現，三類市售凝膠糖果的差異可能與組成成分有關：第一類市售凝膠糖果的凝膠劑大多為淀粉類，且多數未使用檸檬酸等酸味劑；第二類市售凝膠糖果的凝膠劑則是以明膠和果膠為主，酸味劑以檸檬酸、檸檬酸鈉或檸檬酸鉀為主；第三類市售凝膠糖果的凝膠劑大多為明膠、果膠、黃原膠、卡拉膠和刺槐豆膠等配合使用的復合凝膠劑，酸味劑為檸檬酸和 DL-蘋果酸同時使用的復合酸味劑。

主成分分析可以區分產品屬性的重要程度。根據凝膠糖果質構儀器測量數據，對凝膠糖果的硬度、內聚性、彈性、膠黏性和咀嚼性等質構特性進行主成分分析。由圖2結果可得到2個主成分：第一主成分的貢獻率為 61.80%，主要屬性為硬度、膠黏性和咀嚼性；第二主成分的貢獻率為 25.05%，主要屬性為彈性，以上結果表明，硬度、膠黏性和咀嚼性是區分產品的重要屬性。在聚類分析中，第三類凝膠糖果的數量占比最大，說明該類凝膠糖果的市場接受度較好。結合主成分分析的結果，凝膠糖果質構特性中的硬度、膠黏性、咀嚼性為主要因素。因此，選擇第三類凝膠糖果的質構屬性：凝膠糖果的硬度 （6.91 ± 2.26）N、膠黏性 （4.89 ± 1.13）N、咀嚼性（14.8 ± 4.35） mj，作為后續凝膠糖果基體配方優化的標準。

2.2 明膠凝膠糖果配方優化

2.2.1 單因素試驗結果 考察明膠用量、甜味劑用量、檸檬酸用量以及白砂糖和果葡糖漿用量比例對硬度、膠粘性和咀嚼性的影響，結果如圖3。以第三類凝膠糖果的質構特性范圍為標準對各因素進行優選。雖然，當明膠用量為 4%～12% 時，凝膠糖果硬度、膠黏性和咀嚼性和該范圍均有一定的差距，但有研究表明，當明膠添加量少于 4% 時，不利于明膠凝膠糖果形成凝膠，且口感偏軟，彈性不足。當明膠添加量高于 12% 時，會使明膠腥味偏重，感官硬度偏高，感官評分降低[6-7]。考慮到凝膠劑是構成凝膠糖果的骨架成分，其對凝膠糖果質構影響較大，將明膠用量 4%、8%、12% 用于響應面優化實驗。當甜味劑添加量為 50% 時，凝膠糖果硬度和膠黏性更接近該范圍，且此時的硬度和膠粘性為其可達到的最大值。當甜味劑添加量為 40% 時，凝膠糖果咀嚼性屬于該范圍。綜合考慮，選擇甜味劑用量 40%、50%、60% 用于響應面優化實驗。白砂糖和果葡糖漿的用量比例對硬度、膠黏性和咀嚼性影響趨勢相同。當白砂糖∶果葡糖漿 = 1 ∶1 時，凝膠糖果硬度更接近該范圍，且為其可達到的最大值，膠黏性和咀嚼性屬于該范圍，故選擇白砂糖∶果葡糖漿 = 1 ∶1 用于響應面實驗。當檸檬酸用量為 0.6% 時，硬度、膠黏性屬于該范圍；而當檸檬酸用量 0.9% 時，咀嚼性屬于該范圍，因此，綜合考慮選擇采用檸檬酸用量 0.4%、0.8%、 1.2% 用于響應面優化試驗。

2.2.2 響應面試驗 對表3數據進行處理，得到與各響應值相關的回歸方程及其方差分析表、各因素對響應值影響的三維圖。硬度（Y1）、膠黏性（Y2）和咀嚼性（Y3）與各因素間的二次多項式預測模型：

Y1= 3.66 + 1.66A- 0.83B+ 0.16C- 0.20BC- 0.56A2，R2 = 0.949 3；

Y2= 3.51 + 1.58A- 0.79B+ 0.14C- 0.55A2，R2 = 0.938 6；

Y3= 12.58 + 5.24A- 2.50B+ 0.56C- 2.35A2- 1.08B2，R2 = 0.875 1。

根據回歸方差分析顯著性檢驗（表4～表6）可知，模型的Plt;0.000 1，模型均為回歸顯著。失擬項的P gt; 0.05，失擬項均不顯著，表明各響應值和因素之間的模型與實際試驗有良好的擬合性，可用于凝膠糖果配方的優化條件。根據方差分析結果可知，明膠和甜味劑對硬度、膠黏性和咀嚼性影響顯著，且影響大小為明膠 gt; 甜味劑，檸檬酸影響則不顯著。二次項中 A2 對各響應值影響顯著，其他項不顯著。經分析，當明膠、甜味劑、檸檬酸用量分別為 9.284%、40%、1.2% 時，凝膠糖果的質構性質較好地符合第三類凝膠糖果的質構特性。按照優化條件進行3次重復試驗，對模型進行驗證，試驗結果顯示，凝膠糖果的硬度為 （5.11 ± 0.29）N、膠黏性為（4.90 ± 0.26）N、咀嚼性為（17.97 ± 0.64）mj，與模型預測值硬度 5.32 N、膠黏性 4.89 N、咀嚼性16.00 mj 相比無較大差異，表明優化模型可靠，最優配方可用于后續研究。

2.3 黃芪多糖凝膠糖果的質構性質

如圖4所示，凝膠糖果的硬度、膠粘性和咀嚼性隨著APS添加量的增加而減少。據分析，一方面可能是由于凝膠與APS等大分子間物理或化學親和力較低，導致硬度降低[8]。另一方面，在本研究中，隨著APS質量分數的增加，明膠基體質量分數減少，凝膠糖果質構性質的變化可能與明膠基體和APS質量分數的比值相關。根據第三類凝膠糖果質構性質中硬度、膠粘性和咀嚼性的范圍，確定當APS添加量為3.91%、7.69%、11.54%（w/w）時較符合第三類凝膠糖果質構性質。

2.4 黃芪多糖凝膠糖果糖漿的流變學性質

如圖5所示，當 APS 添加量為 0% 時，由于設備在測量黏度過程中扭矩達到最大值，剪切速率未能達到設定值 100 s-1。APS 糖漿黏度隨剪切速率的增加而降低，表現為剪切變稀流體。APS 糖漿的剪切變稀性質將有利于產品的穩定性和良好的加工性。APS 糖漿剪切變稀的原因可能是因為糖漿中物質在低剪切速率下呈現纏繞狀態，產生較大的流動阻力，而當剪切速率增大時，大分子物質排列趨于規律，流動阻力減小，所以表現為剪切稀化[9]。同時，同一剪切速率下，APS 糖漿黏度隨著 APS 添加量的增加呈現降低的趨勢，表明 APS 可降低明膠糖漿的表觀黏度。表觀黏度常與產品的感官黏度、平滑度等有關，也與生產過程中物質的管道運輸等密切相關[10]。因此，可通過調節 APS 的添加量將 APS 糖漿表觀黏度控制在對工藝及口感有益的范圍。

如圖6所示，從 A、B 圖中可以看出 G’、G” 隨角頻率的增加而增加，G’、G”表現出對角頻率依賴性，表明高角頻率可能會削弱凝膠結構，且凝膠化過程涉及非共價相互作用[11]。隨著質量分數的增加，G’ 和G” 粗略表現出先減少后增加的現象。APS 糖漿中G’、G” 的變化可能與 APS 凝膠糖果中微觀結構的變化相關。圖6C中顯示，APS 糖漿體系中tanδ lt; 1且隨角頻率的增加而增加，表明其具有黏彈性固體或凝膠系統的性質，但當角頻率大于 100 rad/s 時，凝膠系統有減弱的趨勢。蠕變恢復行為可解釋樣品的黏彈性行為[12]，有研究報道，奶酪的蠕變順應性與手感觸到的和咀嚼的硬度、彈性和黏附性等感官屬性顯著相關[13]。不同 APS 添加量的 APS 糖漿的柔量恢復百分比（crp）如表 7 所示，表現出隨 APS 添加量先減少后增加的趨勢，與 APS 糖漿的動態模量變化表現出相同的趨勢。

2.5 黃芪多糖糖漿流變學性質和黃芪多糖凝膠糖果質構特性的相關性分析

APS 糖漿流變性質和 APS 凝膠糖果質構特性的相關性分析見表8。硬度、膠黏性、咀嚼性與表觀黏度顯著相關；內聚性與 G’ 和蠕變恢復百分比顯著相關；膠黏性與 tanδ 顯著相關。考慮到硬度、膠黏性和咀嚼性是質構特性中的主成分，且與凝膠糖果糖漿表觀黏度顯著相關，所以可嘗試通過控制生產過程中中間體的表觀黏度，優化產品質構特性。

3 結論

通過聚類分析和主成分分析發現凝膠糖果質構特性的主要屬性為硬度、膠粘性和咀嚼性，通過單因素和響應面實驗建立了凝膠糖果基體配方。在凝膠糖果基體中添加APS，制成保健APS凝膠糖果，發現APS的添加會使凝膠糖果的硬度、彈性和咀嚼性等指數降低。流變學研究表明，APS糖漿為剪切變稀流體，其動態模量隨APS添加量的增加呈現先降低后增加的趨勢。APS糖漿的表觀黏度與凝膠糖果的質構特性顯著相關，可為凝膠糖果配方和質構優化提供新思路，并希望為中藥活性成分功能性食品以及凝膠糖果的生產和開發提供參考。

參考文獻

[1]符秀敏.明膠軟糖的質構儀分析與感官評定研究 [J].中國食物與營養，2019，25（5）：33-36.

[2]國家藥典委員會.中華人民共和國藥典[M].北京：中國醫藥科技出版社，2020.

[3]張秋海，丁家欣，李樹莉，等.不同生長年限黃芪中黃芪甲苷和多糖含量比較 [J].中國中醫藥信息雜志，2014，21（11）：79-82.

[4]照日格圖，娜日蘇，韓景芬，等.黃芪多糖的安全性研究 [J].食品科學，2009，30（19）：309-313.

[5]Stanley N，Taylor L.Rheological basis of oral characteristics of fluid and semi-solid foods：A review [J].Acta Psychologica，1993，84（1）：79-92.

[6]劉飛.南酸棗凝膠軟糖的開發及工廠設計 [D].南昌：南昌大學，2018.

[7]徐曉飛，陳少潔，劉瑋，等.不同來源明膠軟糖質構的研究 [J].中國食品添加劑，2017，（11）：107-112.

[8]Burey P，Bhandari B，Rutgers R，et al.Confectionery gels：A review on formulation，rheological and structural aspects [J].International Journal of Food Properties，2009，12（1）：176-210.

[9]郭晨璐，馬龍，武杰，等.濃縮液態食品流變特性研究進展 [J].廣州化工，2013，41（22）：8-9.

[10]Stieger M.The Rheology Handbook-For users of rotational and oscillatory rheometers [J].Applied Rheology，2002，12（5）：232.

[11]Zheng H.Introduction：measuring rheological properties of Foods [M].Rheology of Semisolid Foods.Springer， 2019：3-30.

[12]Wagoner T B，Foegeding E A.Surface energy and viscoelasticity influence caramel adhesiveness [J].Journal of Texture Studies，2018，49（2）：219-227.

[13]Foegeding E A，Brown J，Drake M，et al.Sensory and mechanical aspects of cheese texture [J].International Dairy Journal，2003，13（8）：585-591.

Preparation and Physical Property Research on Astragalus Polysaccharide Gummy Confections

YANG Jia-qi ，DAI Xing-xing ，SHENG Meng-ke，SHI Yan-shuang，

PENG Xin-hui，CEN Shuai，SHI Xin-yuan

（School of Chinese Materia Medica，Beijing University of Chinese Medicine，Beijing 102401，China）

Abstract：ObjectiveTo prepare astragalus polysaccharide（APS）gummy confections and explore its physical properties，so as to provide reference to the development of traditional Chinese medicine gummy confections.MethodThe texture characteristics of commercial gummy confections were determined by texture analyzer. According to the determination results，the optimization range of texture characteristics of gummy confections was determined by cluster analysis and principal component analysis. Gelatin matrix was prepared by single factor and response surface experiments with texture properties of gummy confections as optimization index. The APS gummy confections were prepared by adding APS，and the rheological properties before gel and the texture characteristics after gel were determined. ResultThe addition of APS weakened the texture properties of gelatin matrix. Rheological analysis showed that APS gummy confections syrup exhibited shear thinning behavior. Correlation analysis showed that the apparent viscosity of APS gummy confections syrup was significantly correlated with the texture characteristics of APS gummy confections.ConclusionA kind of APS gummy confections with similar texture characteristics to commercial gummy confections were successfully prepared. The apparent viscosity and texture characteristics of the gummy confections intermediate can provide new ideas of the production of gummy confections.

Keywords： texture analysis; gummy confection; Response Surface Method;Astragalus Polysaccharide（APS）; rheological property

作者簡介：楊佳琪（1996— ），女，碩士，研究方向：制藥工程與技術。

通信作者：史新元（1974— ），女，博士，博士生導師，教授，研究方向：制藥工程與技術。