魚(yú)鱗明膠的泡沫性能*

涂宗財(cái)，段鄧樂(lè)，葉云花，王 輝，鈕培佩，黃濤

1(南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌，330047)2(江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江西南昌，330022)

明膠是一種主要由18種氨基酸組成的蛋白質(zhì)，由于其獨(dú)特的理化性質(zhì)使其廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥以及化妝品等領(lǐng)域，在食品制造方面，它可以作為穩(wěn)定劑、增稠劑、黏合劑和發(fā)泡劑等，提高食品的彈性、黏度和以及穩(wěn)定性等［1-4］。近年來(lái)，以魚(yú)鱗為原料提取明膠備受科學(xué)研究者的青睞，研究表明，魚(yú)鱗可以作為一種很好的明膠原料，因其含有豐富的蛋白質(zhì)，且主要為膠原蛋白和角蛋白，故用魚(yú)鱗提取明膠有巨大的應(yīng)用前景［5-8］。

當(dāng)明膠作為發(fā)泡劑應(yīng)用于食品工業(yè)中時(shí)，根據(jù)不同的用途對(duì)明膠泡沫的要求不同，如在提高食品彈性、穩(wěn)定性等方面，往往需要大量的泡沫，而在發(fā)酵工業(yè)中卻需要抑制泡沫的產(chǎn)生［9］。因此，對(duì)泡沫性質(zhì)進(jìn)行研究以便使人們掌握其起泡性和穩(wěn)定性的機(jī)理，從而更好的將泡沫應(yīng)用于工業(yè)和日常生活中顯得尤為重要。然而，目前對(duì)魚(yú)鱗明膠泡沫性質(zhì)的研究鮮有報(bào)道。

泡沫體系性能的研究涉及到許多參數(shù)，近年來(lái)所采用的方法主要是通過(guò)泡沫掃描分析儀對(duì)泡沫劑性能進(jìn)行測(cè)試［10-11］。該泡沫儀器不僅可以給出起泡能力、泡沫膨脹系數(shù)、泡沫穩(wěn)定性等參數(shù)，還可以分析泡沫粒徑分布、尺寸大小等，并且其自身攜帶的軟件可供人們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。與傳統(tǒng)方法相比，該方法大大減少了實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)以及實(shí)驗(yàn)的工作量［9，11］。因此，本文主要以鳙魚(yú)魚(yú)鱗作為原料提取明膠，利用泡沫掃描儀，通過(guò)測(cè)試泡沫性質(zhì)、表面擴(kuò)張黏彈性等對(duì)明膠泡沫隨時(shí)間和濃度的變化的機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 材料和方法

1.1 材料與試劑

鳙魚(yú)魚(yú)鱗，購(gòu)于南昌市青山湖區(qū)天虹超市;HCl為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

Foamsc泡沫掃描儀，法國(guó)TECLIS-IT Concept;界面擴(kuò)張流變儀，法國(guó)TECLIS-IT Concept公司;FK-A組織搗碎機(jī)，江蘇金壇市環(huán)宇科學(xué)儀器廠;LG J-1冷凍干燥機(jī)，北京亞泰科隆儀器有限公司;HH-4數(shù)顯水浴鍋，國(guó)華電器有限公司;

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 魚(yú)鱗明膠提取

將新鮮的鳙魚(yú)魚(yú)鱗剔除雜物后初步水洗，用組織搗碎機(jī)處理2 min搗碎，HCl浸泡脫鈣之后清洗，至水澄清為宜，調(diào)節(jié)pH值至5.5，配制料液比1∶15(g∶mL)，在80℃恒溫水浴中加熱2 h提取得到魚(yú)鱗明膠溶液［12］，經(jīng)冷凍干燥后密封包裝，備用。

1.3.2 樣品制備

將上述明膠溶于蒸餾水中，按照質(zhì)量體積比將明膠配制成1、2、3 mg/mL的溶液，于室溫下慢慢攪拌至完全溶解。

1.3.3 泡沫性質(zhì)測(cè)定

泡沫性能測(cè)定采用泡沫掃描儀進(jìn)行。首先進(jìn)行泡沫的制備:將60 mL待測(cè)溶液用注射器注射到玻璃管底部，通過(guò)多孔玻璃濾器鼓吹空氣(恒定氣流速度為200 mL/min);然后通過(guò)電導(dǎo)測(cè)定泡沫柱的起泡性、起泡穩(wěn)定性以及泡沫排液，使用CCD攝像機(jī)觀察氣泡的變化并每隔5 s進(jìn)行一次拍照，當(dāng)泡沫體積達(dá)到100 mL時(shí)，立即停止空氣鼓吹。氣泡的分布情況以及氣泡大小可采用CAS軟件處理得到。使用玻璃管底部的電極測(cè)定氣泡剩下的液體和從泡沫中排出的液體。

1.3.4 擴(kuò)張黏彈性測(cè)定

采用界面擴(kuò)張流變儀測(cè)定溶液的擴(kuò)張黏彈性［13-14］。界面受到周期性壓縮和擴(kuò)張條件下，界面張力會(huì)發(fā)生周期性的變化。界面擴(kuò)張模量ε定義為界面張力γ變化相對(duì)于界面面積A自然對(duì)數(shù)變化的比值，界面擴(kuò)張向量ε也可以方便地用復(fù)數(shù)形式表示［10］:

式中:|ε|為界面擴(kuò)張模量;εd為擴(kuò)張彈性;ωηd為擴(kuò)張粘性部分;ω為界面面積正弦變化的角頻率;ηd為擴(kuò)張黏度。

對(duì)于黏彈性界面，界面面積和界面張力的周期性變化之間存在相角(θ)，擴(kuò)張彈性和擴(kuò)張黏度可以用以下公式計(jì)算:

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫形狀

圖1 明膠濃度為1 mg/mL的泡沫隨時(shí)間變化圖(從鼓氣停止后開(kāi)始分析，每個(gè)相鄰圖片間隔100 s)Fig.1 The change of the foams generated from 1 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

圖2 明膠濃度為2 mg/mL的泡沫隨時(shí)間變化圖(從鼓氣停止后開(kāi)始分析，每個(gè)相鄰圖片間隔100 s)Fig.2 The change of the foams generated from 2 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

圖1～圖3分別為鼓氣停止后，不同濃度明膠的氣泡隨時(shí)間的變化。由圖1～圖3可以看出，各濃度的氣泡均隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變大，且其形狀由最初的球形逐漸變?yōu)椴灰?guī)則的多邊形。因?yàn)榕菽且后w中的氣泡在密度差的作用下，在液面上形成以少量液體構(gòu)成的液膜隔開(kāi)氣體的氣泡聚集物，當(dāng)氣泡內(nèi)的壓力互不相同時(shí)，液膜的形狀將會(huì)被壓縮，從而導(dǎo)致泡沫形狀不規(guī)則［15］。從圖1可以看出，當(dāng)明膠的質(zhì)量濃度為1 mg/mL時(shí)，泡沫變大很快，且短時(shí)間內(nèi)就會(huì)變形甚至破裂。這可能是因?yàn)楫?dāng)明膠濃度過(guò)低時(shí)，很難在液膜表面形成單層的覆蓋，導(dǎo)致液膜穩(wěn)定性較低，從而導(dǎo)致泡沫破裂［16］。

圖3 明膠濃度為3 mg/mL的泡沫隨時(shí)間變化圖(從鼓氣停止后開(kāi)始分析，每個(gè)相鄰圖片間隔100 s)Fig.3 The change of the foams generated from 3 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

2.2 泡沫參數(shù)

表1選擇不同濃度明膠在鼓氣停止后的0 s和100 s處進(jìn)行比較，主要是因?yàn)檫@2個(gè)時(shí)間點(diǎn)既能提供鼓氣停止的環(huán)境，又能避免低濃度的體系泡沫衰減過(guò)快，達(dá)不到一定的觀測(cè)高度而無(wú)法與高濃度泡沫進(jìn)行比較的缺陷。眾數(shù)即泡沫半徑尺寸出現(xiàn)最多的一組數(shù)據(jù)，眾數(shù)越接近，表明泡沫半徑變化幅度越小，泡沫穩(wěn)定性越好;標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明這些數(shù)值較接近平均值;歪斜和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表明分析測(cè)試結(jié)果精密度越高。表1表明，在0 s和100 s時(shí)，濃度為2 mg/mL的明膠泡沫的半徑范圍、歪斜和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均最小，說(shuō)明該濃度泡沫的更容易向新生成的界面擴(kuò)散，即分散性最好［9］。

表1 明膠泡沫參數(shù)Table 1 The data offoam parameters of gelatin

圖4為停止鼓氣100 s時(shí)不同濃度明膠泡沫的半徑具體分布范圍。圖4中顯示，1 mg/mL的明膠泡沫半徑主要分布在0.252以下，最大半徑可達(dá)1.453 mm。2 mg/mL的明膠泡沫半徑主要分布在0.181 mm以下，其中小于0.055 mm的最多。3 mg/mL的明膠泡沫半徑主要分布在0.058 mm以下，最大半徑可達(dá)0.373 mm。可以得出，2 mg/mL的明膠泡沫半徑最小。泡沫穩(wěn)定性與泡沫薄膜的性質(zhì)密切相關(guān)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高時(shí)，泡沫半徑最小，則液膜最薄，從而排液速率最低，導(dǎo)致其泡沫穩(wěn)定性最高［18］。

圖4 100 s時(shí)不同濃度明膠泡沫粒徑分布圖Fig.4 The distribution of foam size of gelatin at 100 s

2.3 明膠泡沫性能

圖5所示為不同濃度明膠泡沫體積隨時(shí)間的變化。在相同的空氣氣流下，泡沫體積達(dá)到100 mL所需的時(shí)間越短，則起泡性越好［9］。由圖5-A可以看出，濃度為1 mg/mL的明膠泡沫所需要的時(shí)間最大，為106.49 s，而濃度為2 mg/mL的明膠泡沫只需要32.59 s，說(shuō)明濃度為2 mg/mL的明膠泡沫起泡性最好。由圖5-B可以看出，泡沫體積的衰減速率由大到小依次為濃度1 mg/mL的明膠＞濃度3 mg/mL的明膠＞濃度2 mg/mL的明膠，即2 mg/mL的明膠泡沫對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)衰減最慢，表明該濃度泡沫穩(wěn)定性最好［11］。

圖5 不同濃度明膠的泡沫體積隨時(shí)間的變化(A-泡沫增長(zhǎng);B-泡沫衰減)Fig.5 The evolution of the foam volume of different systems as a function of time

2.4 泡沫穩(wěn)定性與排液速度的關(guān)系

泡沫的穩(wěn)定性與泡沫中液體含量呈正相關(guān)關(guān)系，通常用液體體積表示泡沫中的液體含量。泡沫排液是氣泡相互擠壓和重力作用的結(jié)果。當(dāng)泡沫的質(zhì)量一定時(shí)，泡沫半徑越小，面積就越大，液膜也就越薄，從而導(dǎo)致排液速率下降，提高泡沫穩(wěn)定性［18-19］。由圖6可以看出，泡沫中液體含量隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)濃度為2 mg/mL時(shí)，泡沫中的液體含量幾乎達(dá)到最大值，僅比0.3%明膠泡沫低0.14 mL;排液速度的大小則依次為0.1% ＞0.3% ＞2 mg/mL，均表明當(dāng)明膠濃度為2 mg/mL時(shí)明膠泡沫穩(wěn)定性最好。

圖6 明膠泡沫中液體含量與時(shí)間、濃度的關(guān)系Fig.6 Liquid volume in the foams generated from gelatin as a function of time“t”and concentration，respectively

2.5 表面黏彈性

表2為振蕩頻率為0.1 Hz時(shí)不同濃度明膠泡沫的表面擴(kuò)張黏彈性。從表面擴(kuò)張黏彈性中可以獲取較多的界面信息，如蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象變化、表面膜的緊密度和強(qiáng)度等，泡沫穩(wěn)定性隨著表面膜擴(kuò)張黏彈性的增大而增加［20-21］。由表2可以看出，一方面，隨著明膠溶液濃度的增加，擴(kuò)張模量|ε|值和擴(kuò)張彈性εd值均呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)，其最大值正好與泡沫最佳體系即濃度為2mg/mL的明膠泡沫體系一致，表明濃度為2 mg/mL的明膠界面濃度最大以及明膠分子從體相向新生成的界面的擴(kuò)散最少，說(shuō)明形變時(shí)的界面擴(kuò)張力梯度最高［22］。另一方面，εd值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)張黏性ωηd值，表明明膠泡沫體系中液膜的作用力主要為彈性。同時(shí)，ωηd值隨著濃度的增加變化不大，且在明膠濃度為2 mg/mL時(shí)ωηd最少，更加證明擴(kuò)張黏性主要與明膠分子界面層凝膠狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成和表面變性有關(guān)［9］。

表2 明膠泡沫的表面擴(kuò)張黏彈性Table 2 Surfacedilational viscoelasticity of foams generated from gelatin

3 結(jié)論

(1)明膠泡沫性質(zhì)隨時(shí)間和濃度的變化而有不同，其中各個(gè)濃度的氣泡均隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變大，且其形狀由最初的球形逐漸變?yōu)椴灰?guī)則的多邊形。

(2)濃度為2 mg/mL的明膠泡沫的粒徑最小，主要分布在0.055 mm以下的區(qū)域;泡沫中的液體含量幾乎達(dá)到最大值;擴(kuò)張模量|ε|值和擴(kuò)張彈性εd值最大，擴(kuò)張黏性ωηd值最小，均表明濃度為2 mg/mL的明膠泡沫起泡能力最強(qiáng)，泡沫穩(wěn)定性最高，同時(shí)εd值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)張黏性ωηd值，表明明膠泡沫體系中液膜的作用力主要為表面彈性。

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