魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠的剪切流變特性研究

,,,, ,4,*,

(1.漳州職業技術學院食品與生物工程系,福建漳州 363000;2.農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心,福建漳州 363000;3.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;4.哈佛大學物理系,美國 MA 02138;5.天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠的剪切流變特性研究

謝建華1,2,謝丙清3,張麗紅1,2,王文成1,2,龐杰3,4,*,張民5,*

(1.漳州職業技術學院食品與生物工程系,福建漳州 363000;2.農產品深加工及安全福建省高校應用技術工程中心,福建漳州 363000;3.福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002;4.哈佛大學物理系,美國 MA 02138;5.天津科技大學食品工程與生物技術學院,天津 300457)

利用流變儀研究了不同質量濃度、溶脹時間和溫度條件下魔芋葡甘聚糖/瓊脂(KGM/Agar)共混體系的剪切流變特性。結果表明:KGM/Agar共混體系隨著質量濃度增大,黏稠系數k增大;隨著加熱時間延長,黏稠系數k增大;而溫度在30～60 ℃范圍內,黏稠系數k隨著溫度升高先增大再減小然后再增大,呈現波浪式。從黏稠系數和流動指數結果表明,其混合膠的最佳工藝為:KGM/Agar共混膠的質量濃度1.2%,溶脹溫度40 ℃,溶脹時間120 min。魔芋葡甘聚糖/瓊脂(KGM/Agar)共混體系流變特性服從冪律方程,通過進一步對黏稠系數k和流動指數n隨濃度、時間和溫度的變化趨勢進行擬合,其關系曲線分別用指數函數和多項式曲線擬合,以期為KGM/Agar的應用和質量評價提供指導。

魔芋葡甘聚糖,瓊脂,流變性能

魔芋葡甘聚糖(簡稱KGM)是從魔芋的球莖中提取出來的一種具有持水、保濕、膠凝、成膜等性能的天然高分子中性多糖[1],可作為凝膠劑、黏合劑、緩釋劑等成分使用[2-3]。KGM的凝膠結構對其產品的性能有重要影響[4-5],可以在一定條件下形成熱不可逆(熱穩定)凝膠和熱可逆凝膠[6],這使其被廣泛應用于食品、醫藥、化工、生物,材料等領域[7-8]。但是,由于KGM 的加工應用穩定性等問題很大程度限制了其在食品加工工業中的應用[9],因此研究通過KGM 與其它多糖的共混,利用與其分子內或分子間的交互作用、協同作用,改善膠體體系性質已成為其解決問題的方法。近年來,許多研究者開展了大量關于KGM 與結冷膠、黃原膠、卡拉膠、殼聚糖等復配增效作用、協同作用的性質及機理方面的研究[10],但是,還是存在著凝膠穩定性差、凝膠產品有異味、容易脫水等問題。

瓊脂(Agar)是一種從海藻中提取的親水膠體[11],是以1,3連接的β-D-半乳糖和1,4連接的3,6-內醚-L-半乳糖交替連接起來的長鏈的線性的高分子多糖[12-13]。Tseng[14]提出，瓊膠是可溶性植物纖維,不溶于冷水,但能吸水膨脹,能溶于沸水,其溶液冷卻后形成膠凍(凝膠)[4]。其1%～2%稀中性溶液冷卻后生成凝膠,于35～50 ℃凝固,90～100 ℃融化,凝膠具有熱穩定性高、凝膠強度高等特性,廣泛用于食品工業、醫藥、日用化工、生物工程等方面[15]。

本文以魔芋葡甘聚糖(KGM)與瓊脂(Agar)共混溶膠為研究對象,考察不同質量濃度、溶脹時間和溫度條件下KGM/Agar共混溶膠體系的剪切流變特性,以期為KGM/Agar的應用和質量評價提供指導。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

魔芋膠 三艾有機魔芋發展有限公司;瓊脂 綠新福建食品有限公司。

MCR301 Rheoplus流變儀 奧地利安東帕有限公司;PL402-C電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;R30A 電動攪拌器 上海弗魯克科技發展有限公司;DC-3020 水浴鍋 寧波雙嘉科技發展有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 KGM/Agar共混溶膠的制備 定量稱取魔芋葡甘聚糖(KGM)和瓊脂(Agar)于室溫條件下以300 r/min的攪拌速度分別分散于去離子水中,分散時間10 min,按魔芋葡甘聚糖(KGM)70%和瓊脂(Agar)30%比例混合制備成復合溶膠。

1.2.2 不同質量分數的復合溶膠、溶脹溫度和時間對共混膠的影響。

1.2.2.1 質量濃度對共混復合溶膠流變特性的影響 在溶脹溫度30 ℃,溶脹時間120 min,攪拌速度300 r/min的條件下分別制備質量分數分別為0.8%、1.0%、1.2%和1.4%的復合溶膠,冷卻至室溫后,進行剪切流變實驗。

1.2.2.2 加熱時間對共混復合溶膠流變特性的影響 質量分數為1.2%,溶脹溫度30 ℃,攪拌速度300 r/min的條件下分別制備溶脹時間為20、40、60、80、100、120、140 min的復合溶膠,冷卻至室溫后,進行剪切流變實驗。

1.2.2.3 溶脹溫度對共混復合溶膠流變特性的影響 分別在30、40、50、60 ℃下,溶脹120 min,攪拌速度300 r/min制備質量分數為1.2%的復合溶膠,冷卻至室溫后,進行剪切流變實驗。

1.2.3 KGM/Agar共混溶膠的靜態剪切流變實驗 將KGM/Agar共混溶膠置于流變儀中進行流變性質研究測試。使用PP50探頭,與平行板間的間距為0.5 mm。在(30±1) ℃條件下觀察樣品的應力與剪切速率的相關性(剪切速率掃描范圍0.01～10 s-1)。

1.3數據處理

實驗過程中測定所得的數據利用統計軟件進行統計學分析,使用OriginLab軟件進行圖片繪制。

2 結果與分析

2.1不同質量濃度對共混溶膠流變特性的影響

從圖1可以看出,同一質量濃度條件下,剪切應力隨剪切速率的增大而增大;同一剪切速率條件下,隨著質量濃度的增大其剪切應力也增加。魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠的流變性關系可用power-law模型τ=kγn進行擬合,其k值越大,液體越黏稠,n是流變特性指數,是衡量假塑性程度的指標,n 越小,剪切越易變稀,假塑性程度越大。魔芋葡甘聚糖與瓊脂復合溶膠流變性關系如表1所示。

圖1 不同質量濃度對共混溶膠的流變特性的影響Fig.1 Effect of concentration on rheological behaviour of Konjac Gum and Agar sol

質量分數(%)kn相關系數0.80.6800.8120.9861.00.8990.7770.9781.21.1140.7710.9761.41.8780.7600.971

從表1可以看出,在30 ℃條件下,隨著質量分數的增加,魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠黏稠系數k增大,流變特性指數n減小,復合溶膠的流變特性指數減小,意味著溶膠的非牛頓性流體行為增強,這可能是由于質量濃度增加,KGM與Agar分子之間的相互作用增大,溶膠體系形成致密網絡結構,摩擦力增大,使得溶膠體系所需克服的屈服應力就越大,黏稠系數也相應增大。另外k值和n值作為評價溶膠體系的質量指標,k值愈大,n值愈小,增稠效果更佳,有利于增強產品凝膠強度[16-17]。當質量分數增加到1.4%時,其粘稠系數由質量分數為1.2%的1.114增加到1.878,大約擴大1.69倍,可能會影響凝膠產品的硬度、口感。因此,綜合考慮,選取質量分數為1.2%的共混溶膠作為后續實驗的參數。

同時對KGM與Agar復合溶膠的黏稠系數k和流變特性指數n與溫度進行擬合,所得曲線和方程如圖2所示。由圖2可知,30 ℃條件下葡甘聚糖與瓊脂復合溶膠的黏稠系數k與質量濃度呈指數函數關系,擬合的曲線方程為y=0.176e1.631x,相關系數R2=0.960;復合溶膠的流變特性指數n與質量濃度的數學關系符合二次多項式模型,擬合的曲線方程為y=0.362x2-0.855x+1.264,相關系數R2=0.999。

圖2 k和n分別對應的質量分數效應回歸曲線Fig.2 Regression curves of concentration effect for k and n respectively

2.2溶脹時間對共混溶膠流變特性的影響

從圖3可以看出,在相同的剪切速率下,隨著加熱時間的延長,KGM與Agar復合溶膠的剪切應力逐漸增大,這是由于KGM與Agar隨著溶脹時間增加過程中兩多糖分子逐步溶脹,隨著溶脹時間的延長,KGM與Agar分子之間相互纏繞,相互聚集形成網狀結構,使得溶膠體系屈服應力增大。

圖3 溶脹時間對共混溶膠流變特性的影響Fig.3 Effect of heating time on rheological properties of Konjac Gum and Agar sol

采用Power-Law模型對圖3中各條曲線進行擬合,其結果見表2。其流動指數n 均小于1,表現出非牛頓流體的特征,但時間對大分子間作用的影響無規律。與此同時,稠度系數k 隨著溶脹時間的延長由0.098 增大到1.667,最后降低至1.604,呈現逐漸上升后降低的趨勢,表明溶脹時間的延長,增加了體系的黏稠度,降低了其流動性。

表2 共混溶膠在不同溶脹時間條件下的流變特性參數值Table 2 Rheological parameters at different heating time conditions

同時對KGM與Agar復合溶膠的黏稠系數k和流變特性指數n與溫度進行擬合,所得曲線和方程如圖4所示。從圖4可以直觀看出,黏稠系數K與溶脹時間二者之間呈三次函數的關系,曲線擬合相關系數R2=0.965,因此在實際應用中以黏稠系數和流變特性指數為依據,參照表2和圖4參數所描述的曲線變化規律,確定溶脹時間120 min較為適宜。

圖4 k和n分別對應的時間效應回歸曲線Fig.4 Regression curves of heating time effect for k and n respectively

2.3溫度對共混溶膠流變特性的影響

從圖5可以看出,同一剪切速率下,在40 ℃時其剪切應力最大,而在30、50、60 ℃處理的溶膠的剪切應力相差不大,總體上50 ℃處理組的溶膠應力最小,而30 ℃處理組在低剪切速率時低于60 ℃處理組,但30 ℃處理組剪切速率的增長速度高于60 ℃處理組,并最終在較高剪切速率時30 ℃處理組在高于60 ℃處理組。這可能由于KGM與Agar在不同溫度下溶脹狀態不一樣有關,低溫條件下大分子溶脹較慢,其剪切應力也相應小;而40 ℃處理組其應力最大,這可能與瓊脂在40 ℃左右條件下,瓊脂親水基團與水分子發生水化作用,使伸展到水中部分的側鏈形成較厚的溶劑化層,高速剪切時質點產生的摩擦相應增大,導致粘度升高剪切應力增加[18]。

圖5 溫度對共混復合溶膠流變特性的影響Fig.5 Effect of temperature on rheologicalproperties of Konjac Gum and Agar sol

對圖5中的曲線進行Power-Law模型回歸,得到的擬合參數如表3所示;同時對KGM與Agar復合溶膠的黏稠系數k和流變特性指數n與溫度進行擬合,所得曲線和方程如圖6所示。從圖6可以看出,黏稠系數k和流變特性指數n與溶脹溫度二者之間均呈三次函數的關系,曲線擬合相關系數R2=1。因此在生產中可以參照表3圖6參數所描述的曲線變化規律,根據產品的實際需要,選擇理想的溫度條件。

表3 共混復合溶膠在不同溶脹溫度條件下的流變特性參數值Table 3 Rheological parameters of Konjac Gum and Agar sol at different temperatures

圖6 k和n分別對應的溫度效應回歸曲線Fig.6 Regression curves of temperature effect for k and n respectively

3 結論

通過流變儀考察不同質量濃度、溶脹時間和溫度對魔芋葡甘聚糖/瓊脂(KGM/Agar)共混溶膠的剪切流變特性的影響。KGM/Agar共混溶膠是假塑性非牛頓流體,流變特性服從Power-Law模型;共混溶膠的黏稠系數k隨著質量分數的增大和加熱時間的延長而增大,在溫度30～60 ℃范圍內,黏稠系數k隨著溫度升高先增大再減小然后再增大的波浪式變化趨勢。當質量濃度為1.2%,溶脹時間為120 min,溶脹溫度為40 ℃時,KGM/Agar共混溶膠達到最大的飽和溶脹狀態。

在30 ℃條件下,共混溶膠的黏稠系數k與質量分數呈指數函數關系,流變特性指數n與質量分數的呈二次多項式關系;黏稠系數k與溶脹時間呈三次函數的關系;而黏稠系數k和流變特性指數n與溶脹溫度均呈三次函數的關系。該研究結果有利于后續KGM/Agar共混溶膠的相互作用機理及其生產應用和質量評價提供理論依據和指導。

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StudyonshearrheologicalpropertiesofKonjacglucomannanandAgarblends

XIEJian-hua1,2,XIEBing-qing3,ZHANGLi-hong1,2,WANGWen-cheng1,2,PANGJie3,4,*,ZHANGMin5,*

(1.Department of Food and Biology Engineering,Zhangzhou Profession and Technology Institute,Zhangzhou 363000,China;2.The Applied Technical Engineering Center of Further Processing and Safety of Agricultural Products,Higher Education Institutions in Fujian Province,Zhangzhou 363000,China;3.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fujian 350002,China;4.Harvard University Department of Physics,MA 02138,America;5.College of Food Science and Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

Rheometer was used to determine rheological properties of Konjac glucomannan and Agar(KGM/Agar)under various conditions of concentration,heating time and temperature. The results showed that the viscous coefficient(k)of KGM/Agar blend system increased with the the increase concentration and the heating time prolong. While the temperature was in the range of 30～60 ℃,the viscous coefficient(k)increased at first then decreased and increased again as wave-like changes,with increasing temperature. The results of viscosity coefficient and flow index showed that the optimal parameters was the mass concentration of KGM/Agar blend 1.2%,swelling temperature of 40 ℃,swelling time 120 min. The rheological properties of KGM/Agar blend system could be fitted by power-law model and the change tendencies of viscosity factor(k)and flow index(n)correlated with concentration,heating time and temperature were also obtained. The curves could be fitted by power and polynomial curve and could provide a reliable foundation for proper applications of KGM/Agar in the food industry and its quality evaluation.

Konjac glucan-mannan;Agar;rheological properties

2017-01-03

謝建華(1976-)，碩士，副教授，研究方向：天然產物化學與應用研究,E-mail:xiejh2001@163.com。

*通訊作者:龐杰(1965-)，博士，教授，研究方向：食品化學與營養,E-mail:pang3721941@163.com。 張民(1972-)，博士，教授，研究方向：食品化學與營養,E-mail:zm0102@tust.edu.cn。

國家自然科學基金項目(31471704，31271837和31301599)；福建省自然科學基金項目(2014J01378)；福建省中青年教師教育科研項目(JA15697)。

TS201.7

:A

:1002-0306(2017)16-0001-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.001