瓊脂凝膠強度及弛豫特性的研究

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽

(福州大學生物科學與工程學院,福建福州 350108)

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瓊脂凝膠強度及弛豫特性的研究

劉施琳,朱 豐,林圣楠,黃金城,李天驕,王紅麗,林向陽*

(福州大學生物科學與工程學院,福建福州 350108)

借助低場核磁共振儀及質構儀,探討影響瓊脂凝膠強度及弛豫特性的因素,并分析其凝膠機理。結果表明:瓊脂凝膠強度隨著瓊脂質量分數增大而增大;pH為6.0～7.0是瓊脂凝膠形成最適條件;適當添加量的氯化鉀、木糖醇、蔗糖可增大瓊脂凝膠強度,分別在添加質量分數為0.2%～0.3%、9%和6%時效果最佳;適當比例的魔芋膠、卡拉膠和刺槐豆膠可與瓊脂產生協同增效作用,分別在其所在比例為15%、5%、10%時與瓊脂產生協同增效作用最強;氯化鈣、氯化鈉和β-環狀糊精則阻礙凝膠的形成,降低瓊脂凝膠強度。瓊脂凝膠的弛豫時間T23均與凝膠強度存在極顯著(p<0.01)負相關,即凝膠中水分流動性越小,凝膠強度越大。

瓊脂,弛豫時間T23,凝膠強度

瓊脂(Agar)又稱瓊膠,是由石花菜及其他紅藻植物提取出來的一種經濟藻膠[1]。瓊脂具有良好的膠凝、穩定、增稠和懸浮性,廣泛應用于食品、生物工程、日用化工、醫藥等許多方面[2],但瓊脂存在脆性大、透明度低、粘彈性差、易發生脫液收縮等缺點,已有研究表明,可通過加入其他食品膠、電解質等改善其品質[3-6],因此研究瓊脂凝膠強度的影響因素及其凝膠機理對改善瓊脂凝膠品質具有重要意義。

瓊脂由中性瓊脂糖(Agarose)和酸性瓊脂膠(Agaropectin)組成[7],瓊脂糖為凝膠組分,而瓊脂膠為非凝膠組分。瓊脂糖的結構如圖1a[8]所示:由D-半乳糖和3,6-脫水-L-半乳糖組成的直鏈,其直鏈通過氫鍵相互作用形成雙螺旋結構,每個結構單元中存在四個羥基,其中三個向外的羥基可通過氫鍵與任何相鄰的螺旋或溶劑結合,最后一個羥基在螺旋內部并通過氫鍵與螺旋內的水分子結合[8-12]。瓊脂溶液在冷卻后其雙螺旋結構形成三維網狀的凝膠結構,如圖1b所示,分散液體鑲嵌在網狀結構的空隙之中,且部分水分子能與瓊脂中的疏水主鏈通過氫鍵結合,形成瓊脂聚合物[13]。因此,水是凝膠的主要成分之一,其結合狀態是影響凝膠性能的重要因素[14-15]。核磁共振技術可通過測定氫核的縱向弛豫時間T1和橫向弛豫時間T2表征樣品中水分分布、結合狀態和遷移率,已經廣泛應用于食品研究中[16-20],但目前用于瓊脂凝膠的研究還鮮見報道。

圖1 瓊脂糖與瓊脂凝膠結構[8]Fig.1 Agarose and agar gel structure[8]

本文借助低場核磁共振儀及質構儀探究瓊脂質量分數、pH、電解質、甜味劑、食品膠對瓊脂凝膠強度及弛豫特性的影響,并分析其凝膠機理,為進一步改善瓊脂凝膠的品質及瓊脂的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

石花菜 產自山東青島,去雜質、洗凈后烘干備用;氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀 均為分析純;卡拉膠、刺槐豆膠、魔芋膠、刺槐豆膠、食用堿、蔗糖、木糖醇、檸檬酸 均為食品級。

LDZX-50KBS立式壓力蒸汽滅菌鍋 上海申安醫療器械廠;BC/BD-217CH冷柜 河南新飛電器有限公司;BS110S電子天平 賽多利斯科學儀器(北京)有限公司;DHG-9123A電熱恒溫鼓風干燥箱 上海精宏實驗設備有限公司;TA-XT plus質構儀 Stable Micro Systems;HH-4數顯恒溫水浴鍋 國華電器有限公司;MJ-25PM01B美的攪拌機 廣東美的精品電器制造有限公司;FD5-2.5真空冷凍干燥機 美國SIM公司;JSM-7500F掃描電子顯微鏡 日本電子(JEOL);MINI NMR核磁共振分析儀 上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 瓊脂粉制備

1.2.1.1 工藝流程 稱取石花菜→提膠→過濾→凝膠→冷凍→脫水→烘干→粉碎→冷卻至恒重[21]。

1.2.1.2 操作要點 提膠:將稱量好的石花菜置于1 L的錐形瓶中,按料液比1∶36加入蒸餾水置于110 ℃的壓力蒸汽滅菌鍋中保溫36 min。

過濾:趁熱將提取的膠液用4層紗布過濾,100 ℃水洗滌3次。

凝膠:讓濾液冷卻至室溫后,自動形成凝膠。

冷凍:于-18 ℃冰箱中冷凍成冰。

脫水:將凍結的瓊脂置于室溫中解凍脫水。

烘干:將脫水后的瓊脂,在53 ℃的恒溫鼓風烘箱中烘干。

粉碎:粉碎機粉碎，過80目篩。

冷卻至恒重:瓊脂粉于干燥器中冷卻干燥,每隔2 h稱量,直至兩次稱量結果之差小于0.01 g。

1.2.2 膠液制備 稱取1.000 g瓊脂粉于錐形瓶中,加入蒸餾水至100.0 g,用保鮮膜封口后置于92 ℃恒溫水浴中溶解,再用熱蒸餾水補充總質量至100.0 g,攪拌均勻備用[22]。

改變膠液制備條件,按上述方法進行實驗[14]。

固定溶劑pH為7.0,電解質與甜味劑添加量為0.0%,改變總膠質量分數:分別添加0.6%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的瓊脂粉。

固定電解質與甜味劑添加量為0,瓊膠質量分數為1.0%,改變溶劑pH:用檸檬酸及食用堿分別將蒸餾水的pH調至3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0。

固定溶劑pH為7.0,甜味劑添加量為0.0%,瓊膠質量分數為1.0%,改變電解質添加量:分別添加0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.6%、0.8%的氯化鈉,氯化鉀、氯化鈣同。

固定溶劑pH為7.0,電解質添加量為0.0%,瓊膠質量分數為1.0%,改變甜味劑添加量:分別添加0、0.5%、1.0%、3.0%、6.0%、9.0%、12.0%的木糖醇,蔗糖同。

固定溶劑pH為7.0,電解質與甜味劑添加量為0,總膠(瓊膠+其他食品膠)質量分數為1.0%,改變其他食品膠所占比例:改變魔芋膠添加量占總膠的比例為:0、5%、10%、15%、20%、25%、30%,再稱取瓊脂粉至總膠質量分數為1.0%,刺槐豆膠、卡拉膠、β-環狀糊精同。

1.2.3 瓊脂的凝膠強度測定 稱取10.000 g膠液趁熱倒入底面積為4 cm2的10 mL燒杯中,每個樣品平行三次,于室溫中放置過夜,測定前置于25 ℃水浴鍋中1 h,將膠完整取出在質構儀上測定其質構特性。測定模式為TPA模式,探頭型號為SMS P/36,測試前速率1 mm/s,測試速率為0.5 mm/s,測試后速率為0.5 mm/s,停留時間3 s,觸發力3 g,測定距離10.00 mm[23]。

1.2.4 瓊脂的核磁共振分析實驗 稱取約3.000 g膠液放入玻璃試管(口徑18 mm),每個樣品平行三次,放置過夜,測定前置于25 ℃水浴鍋中1 h,而后將樣品管置于NMR探頭中(保持溫度32 ℃),使用CPMG序列測試橫向弛豫時間T2,其中接收機帶寬SW=100 kHz,采樣起始點控制參數RFD=0.080 ms,重復采樣時間間隔TW=6500.000 ms,模擬增益RG1=20.0 db,90°和180°脈寬分別是P90=18 μs,P180=36 μs,時延DL1=0.050,采樣點數TD=15555.8,數字增益DRG1=3,數據半徑DR=1,累加掃描次數NS=16,回波個數NECH=1500[16]。實驗取3份平行,每份平行測3次。

1.2.5 數據處理 利用SPSS 22.0軟件進行顯著性及相關性分析,其他實驗結果用Excel軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 瓊脂凝膠的低場核磁共振分析

質量分數為1%的瓊脂凝膠的橫向弛豫時間分布圖見圖2。

圖2 瓊脂凝膠的橫向弛豫時間分布Fig. 2 T2 distribution of agar gel

橫坐標橫向弛豫時間T2,表征水分的流動性,T2值越小代表此種水分的流動性越弱。縱坐標質子密度M2,表征的是對應弛豫時間下的水分含量[24]。如圖2所示,瓊脂三維網狀凝膠結構中存在3種流動性不同的水分,其中T21(6.09～7.79 ms)最小,這部分水流動性最弱,被認為是間接與大分子結合并直接與強結合水以氫鍵結合的弱結合水層[25]。T22(71.66～150.17 ms)與T23(169.87～402.66 ms)較T21更大,屬于與水分結合較不緊密的水,流動性較強。在瓊脂三維網狀凝膠結構中T23組分的水含量最大,在實驗過程中隨各因素的變化最明顯,因此T23為本次的研究重點。

2.2 瓊脂質量分數對凝膠強度、弛豫時間T23的影響

圖3 瓊脂質量分數與凝膠強度、弛豫時間T23的關系曲線Fig.3 Relationship between agar mass fraction and gel strength,relaxation time T23注:不同字母代表差異顯著(p<0.05),圖2～圖7同。

由圖3可知,當瓊脂質量分數較小時,隨質量分數增大,瓊脂凝膠強度顯著(p<0.05)增大;當瓊脂質量分數超過2.0%時,瓊脂凝膠強度增長趨勢變緩。由圖還可知,瓊脂凝膠的弛豫時間T23隨著瓊脂質量分數增大而顯著(p<0.05)下降,下降趨勢在瓊脂質量分數超過2.0%時開始變緩。說明隨著瓊脂質量分數的增加,其凝膠中水分流動性逐漸降低,即持水性越來越好。這可能是因為隨著瓊脂質量分數增加,瓊脂溶液中雙螺旋結構增加,分子間相互纏結形成的網絡的節點隨之增加,三維網狀凝膠結構結合更加緊密,與水相互結合的位點也隨之增加,因此凝膠中水分流動性變弱而凝膠強度變大;當瓊脂質量分數達到一定值時,瓊脂溶液中雙螺旋結構趨于飽和,使凝膠中水分流動性下降趨勢及凝膠強度增大趨勢變緩[8-13,15]。

如表1所示,瓊脂凝膠的凝膠弛豫時間T23與凝膠強度呈極顯著(p<0.01)的負相關性,表明隨著瓊脂質量分數的變化,凝膠中水分的物理狀態與凝膠強度具有極顯著的相關性,即瓊脂凝膠中的水分流動性越小,凝膠強度越大。

表1 瓊脂質量分數的凝膠弛豫時間T23與強度相關性分析Table 1 Correlation analysis between gel relaxation time T23 and gel strength

注:“*”表示顯著(p<0.05);“**”表示極顯著(p<0.01),表2～表5同。

2.3 pH對凝膠強度、弛豫時間T23的影響

圖4可知,瓊脂凝膠強度隨著pH增大呈先增大后減小的趨勢,在pH為6.0～7.0時,凝膠強度在最高的水平,而pH<4.5或pH>7.0時,凝膠強度取得較小值。由圖4可知,隨著pH的增大,瓊脂凝膠的弛豫時間T23呈先下降后上升趨勢。在pH為6.0～7.0時,弛豫時間T23取得最小值,說明此時凝膠中水的流動性最弱。這可能是因為在pH<4.5或pH>7.0的溶液不利于雙螺旋結構的羥基與相鄰的螺旋或水分子進行氫鍵結合,因此凝膠三維網絡結構更疏松,水分子流動性變大,凝膠強度下降[8,15]。綜上可知,pH為6.0～7.0時是瓊脂凝膠形成最適條件,pH<4.5或pH>7.0的條件均不利于瓊脂凝膠的形成。

圖4 pH與凝膠強度、弛豫時間T23的關系曲線Fig.4 Relationship between pH and gel strength,relaxation time T23

如表2所示,瓊脂凝膠的凝膠弛豫時間T23與凝膠強度呈極顯著(p<0.01)的負相關性,表明隨著pH的變化,凝膠中水分的物理狀態與凝膠強度具有極顯著的相關性,即瓊脂凝膠中的水分流動性越小,凝膠強度越大。

表2 不同pH瓊脂凝膠弛豫時間T23與強度相關性分析Table 2 Correlation analysis between gel relaxation time T23 and gel strength at different pH

2.4 電解質對凝膠強度、弛豫時間T23的影響

圖5a可知,瓊脂凝膠強度隨著氯化鈉和氯化鈣質量分數的增加呈下降趨勢;隨著氯化鉀質量分數增加呈先上升后下降趨勢,且在氯化鉀質量分數為0.2%～0.3%時凝膠強度取得最高水平。

圖5 電解質與凝膠強度、弛豫時間T23的關系曲線Fig.5 Relationship between electrolyte and gel strength,relaxation time T23

由圖5b可知,瓊脂凝膠的弛豫時間T23隨著氯化鈉和氯化鈣質量分數的增加呈上升趨勢;隨著氯化鉀質量分數增加呈先下降后上升趨勢,在氯化鉀質量分數為0.2%～0.3%時取得最小水平。表明隨著氯化鈣和氯化鈉添加量的增加,凝膠中水分子流動性越來越大,而隨著氯化鉀添加量增加,凝膠中的水分子流動性先變小后增大,在氯化鉀質量分數為0.2%～0.3%時水分子流動性最小。這可能是因為離子與水產生的偶極-離子相互作用有關,鈉離子產生強電場與氯離子產生的弱電場,分別與水分子產生較強的偶極-離子相互作用,且其作用超過了它們對水與水之間氫鍵結合的破壞,使水分子較緊密地堆積在離子周圍[8,15],而減少了水分子與凝膠網絡結構的羥基結合,因此三維網狀凝膠結構中水分子流動性變大。氯化鈣對瓊脂凝膠影響與氯化鈉相似,但因其產生電場比氯化鈉更強,所以在其作用下,水分子流動性變化更大。而氯化鉀中,因氯離子與鉀離子均產生弱電場,與水分子偶極-離子相互作用不足以彌補它破壞的水與水之間的氫鍵結構,所以在低質量分數時,這種破壞有利于水與三維網狀凝膠結構中的羥基結合而使整個三維網狀凝膠結構中水分子的流動性變小,隨著離子質量分數的增大,水分子與三維網狀凝膠結構中羥基結合達到飽和,而離子對水與水之間氫鍵結合破壞越來越大,因此水分子流動性開始逐漸上升。此外,也有研究者認為是鈉離子與鈣離子的存在使分子間的斥力下降,分子伸展程度降低,形成的網絡結點數減少,使凝膠結構松散[5]。

由表3可知,添加不同的電解質,瓊脂凝膠的弛豫時間T23與凝膠強度均呈極顯著(p<0.01)的負相關性,表明凝膠中水分的物理狀態與凝膠強度具有極顯著的相關性,即瓊脂凝膠中的水分流動性越小,凝膠強度越大。

表3 添加不同質量分數電解質的瓊脂凝膠的 弛豫時間T23與強度相關性分析Table 3 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at at different mass fraction of electrolyte

2.5 甜味劑對凝膠強度、弛豫時間T23的影響

圖6 甜味劑與凝膠強度、弛豫時間T23的關系曲線Fig.6 Relationship between sweeteners and gel strength,relaxation time T23

由圖6a可知,瓊脂凝膠強度隨著甜味劑質量分數的增加呈先上升后下降趨勢,添加木糖醇質量分數為0.5%、1%、3%、6%、9%時,瓊脂凝膠強度分別較未添加時增大22.7%、25.3%、29.5%、55.3%、63.3%;添加蔗糖質量分數為0.5%、1%、3%、6%,9%時,凝膠強度分別增大11.8%、17.9%、16.2%、30.5%、-12.2%。由此可知,在添加木糖醇質量分數為9%時,凝膠強度增大幅度最大,為63.3%;在添加蔗糖質量分數為6%時,瓊脂凝膠強度增大幅度取得最大值為30.5%,且在添加相同質量分數時,添加木糖醇的瓊脂凝膠強度增大幅度大于添加蔗糖的瓊脂凝膠強度的增幅。

由圖6b可知,瓊脂凝膠的弛豫時間T23隨著木糖醇或蔗糖質量分數的增加呈先下降后上升趨勢,木糖醇和蔗糖添加量分別在9%和6%時,凝膠的弛豫時間T23取得最小值。表明隨著木糖醇或蔗糖添加量的增加,水分流動性先變小后變大,且木糖醇和蔗糖添加量分別在9%和6%時,水分流動性最弱。這可能是因為蔗糖與木糖醇均為親水分子,能與水分子或三維網狀凝膠結構中的羥基進行氫鍵結合,因此少量的蔗糖或木糖的添加能使三維網狀凝膠結構結合更緊密,水分流動性變弱[4,15]。但隨著蔗糖或木糖醇添加量增大,水分流動性到達最低值后開始逐漸上升,這可能是因為木糖醇或蔗糖質量分數達到一定值時,開始與瓊脂雙螺旋結構的三個外向的羥基結合,阻礙了雙螺旋結構交聯,導致三維網狀凝膠結構松散,水分流動性開始變大,且隨著糖質量分數逐漸增大,阻礙作用越強,水分流動性逐漸上升[4,8-12]。

由表4可知,隨著甜味劑添加的質量分數不同,瓊脂凝膠的弛豫時間T23與凝膠強度均呈極顯著(p<0.01)的負相關性,表明凝膠中水分的物理狀態與凝膠強度具有極顯著的相關性,即瓊脂凝膠中的水分流動性越小,凝膠強度越大。

表4 添加不同質量分數甜味劑的 瓊脂凝膠弛豫時間T23與強度相關性分析Table 4 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at different mass fraction of sweeteners

2.6 食品膠對凝膠強度、弛豫時間T23的影響

由圖7a可知,隨著魔芋膠、刺槐豆膠、卡拉膠所占比例增大,瓊脂凝膠強度呈先上升后下降趨勢,且凝膠強度的增幅分別在魔芋膠、刺槐豆膠、卡拉膠所占比例為15%、10%、5%時取得最大值，分別為46.7%、34.3%、25.7%;隨著β-環狀糊精所占比例增大,瓊脂凝膠強度呈逐漸下降趨勢。

由圖7b可知,瓊脂凝膠的弛豫時間T23隨著魔芋膠、卡拉膠、刺槐豆膠所占比例的增大呈先下降后上升趨勢,且弛豫時間T23分別在魔芋膠、刺槐豆膠、卡拉膠所占比例為15%、10%、5%時取得最小值,而瓊脂凝膠的弛豫時間T23隨著β-環狀糊精所占比例的增大呈逐漸上升趨勢。表明隨著魔芋膠、卡拉膠、刺槐豆膠所占比例的增大,水分流動性先變小后變大,而β-環狀糊精所占比例的增大使水分流動性逐漸變大。這可能是因為魔芋膠是由甘露聚糖和葡萄糖以β-1,4鍵鍵合的高分子量非離子型甘露聚糖,它能與瓊脂的雙螺旋結構相互作用,形成三維網狀凝膠結構;卡拉膠具有類似瓊脂的雙螺旋結構,加入少量的卡拉膠可與瓊脂發生協同增效作用,共同形成更加緊密的三維網狀凝膠結構;刺槐豆膠分子由具有很長的光滑區與具有半乳糖鏈的毛發區組成,光滑區能與瓊脂的雙螺旋相互作用,形成三維網狀凝膠結構。因此加入適當比例的魔芋膠、卡拉膠、刺槐豆膠可與瓊脂發生協同增效作用,促進三維網狀結構的形成,減小水分流動性,但超過一定比例則會阻礙三維網狀凝膠結構的形成,增大水分流動性[4-6,15]。β-環狀糊精是由7個葡萄糖殘基以β-1,4-糖苷鍵結合構成的環狀物,不能參與瓊脂分子形成的三維網狀結構,阻礙了瓊脂凝膠結構的形成,導致瓊脂凝膠結構更加松散,因此水分子流動性隨著β-環狀糊精所占比例的上升而增大[4,15]。

圖7 其他食品膠所占比例與凝膠強度、 弛豫時間T23的關系曲線Fig.7 Relationship between food gum and gel strength,relaxation time T23

由表5可知,隨著其他食品膠所占比例不同,瓊脂凝膠的弛豫時間T23與凝膠強度均呈極顯著(p<0.01)的負相關性,即瓊脂凝膠中的水分流動性越小,凝膠強度越大。

表5 添加不同比例其他食品膠的 瓊脂凝膠弛豫時間T23與強度相關性分析Table 5 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at different mass fraction of food gum

3 結論

本文借助低場核磁共振及質構儀探究瓊脂質量分數、pH、3種電解質、2種甜味劑、4種食品膠對瓊脂凝膠強度及弛豫特性的影響,并分析其凝膠機理。結果表明:瓊脂的凝膠強度值隨著瓊脂質量分數增大而增大;pH為6.0～7.0是瓊脂凝膠形成最適條件,pH<4.5或pH>7.0的條件均不利于瓊脂凝膠的形成;適當添加量的氯化鉀、木糖醇、蔗糖可有效增大瓊脂凝膠強度,分別在添加質量分數為0.2%～0.3%、9%和6%時效果最佳;適當比例的魔芋膠、卡拉膠和刺槐豆膠可與瓊脂產生協同增效作用,分別在其所在比例為15%、5%、10%時與瓊脂產生協同增效作用最強;氯化鈣、氯化鈉和β-環狀糊精則阻礙凝膠的形成,降低瓊脂凝膠強度。研究結果中瓊脂凝膠的弛豫時間T23均與凝膠強度存在極顯著(p<0.01)負相關,表明凝膠的水分子物理狀態與凝膠強度存在極顯著相關,既凝膠中水分流動性越小,凝膠強度越大。

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Research of strength and relaxation properties of agar gel

LIU Shi-lin,ZHU Feng,LIN Sheng-nan,HUANG Jin-cheng,LI Tian-jiao,WANG Hong-li,LIN Xiang-yang*

(College of Biological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

With the low-field NMR and texture analyzer,the factors influencing the strength and relaxation properties of agar gel were discussed,and the gel mechanism was analyzed. The results suggested that:with the increase of agar mass fraction,agar gel strength was increased. When the pH was 6.0～7.0,gel showed the best strength. Potassium chloride,xylitol,sucrose could improve agar gel strength to some extent. Especially,the mass fraction of 0.2%～0.3%,9% and 6% showed the maximum strength of agar gel. Appropriate proportion of konjac gum,locust bean gum and carrageenan could generate synergies with agar,and generated the strongest synergies in their respective proportion of 15%,5% and 10%. Calcium chloride,sodium chloride,andβ-cyclodextrin hindered the formation of the gel,and reduced agar gel strength. The results indicated that the agar gel relaxation time T23and gel strength significantly(p<0.01)negatively correlated. In other word,the smaller the water mobility was in the gel,the greater the gel strength was.

agar;relaxation time T23;gel strength

2016-12-29

劉施琳(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：水產品加工及貯藏工程，E-mail：954857051@qq.com。

*通訊作者:林向陽(1969-)，男，博士，教授，研究方向：生物質資源化，E-mail:925400384@qq.com。

福建省新世紀優秀人才支持計劃課題(SW2007-20)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)13-0085-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.016