一種新型復(fù)合凝膠的制備、特性表征及機(jī)理研究

汪利文，朱莉，詹曉北*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122) 2(糖化學(xué)與生物技術(shù)教育部重點實驗室(江南大學(xué))，江蘇 無錫，214122)3(無錫格萊克斯生物科技有限公司，江蘇 無錫，214125)

黃原膠是食品工業(yè)中主要的商業(yè)微生物聚合物之一，可溶于熱水或冷水，分子質(zhì)量可達(dá)到6 MDa，即使在非常低的濃度下也能產(chǎn)生高黏度溶液；對酶促降解具有很強(qiáng)的抵抗力，并且在很寬的pH和溫度范圍內(nèi)都很穩(wěn)定[6]；能夠與其他樹膠(例如結(jié)冷膠、瓜爾膠和刺槐豆膠)協(xié)同相互作用[7-9]。因此，將黃原膠和次級多糖組合使用，在食品工業(yè)中運(yùn)用廣泛[10-11]。

由于各種食品膠的來源、生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)的差異，他們各自具有不同的性質(zhì)和功能。但是單一的食品膠應(yīng)用具有局限性，實際應(yīng)用中通常需將2種膠體復(fù)配，達(dá)到協(xié)同作用以彌補(bǔ)各自的缺陷。熱凝膠加熱后形成的凝膠彈性小，脆性大，黃原膠常與其他膠體協(xié)同互用且價格低廉。目前的膠體復(fù)配研究僅限于成品之間的復(fù)配，且大多是機(jī)械的混勻，所產(chǎn)生的結(jié)合膠結(jié)構(gòu)可能不穩(wěn)定，并且不能大規(guī)模生產(chǎn)，在實際應(yīng)用中存在局限性。本文研究一種新型凝膠的生產(chǎn)工藝，在熱凝膠酸堿提取工藝[12]的堿溶這一步驟，添加黃原膠，通過對黃原膠添加比例、堿溶濃度和堿溶攪拌時間3個方面進(jìn)行優(yōu)化，確定提取工藝，為新型凝膠的工業(yè)化生產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

熱凝膠發(fā)酵沉淀，實驗室通風(fēng)發(fā)酵所得；黃原膠，食品級；其他試劑均為分析純，上海國藥基團(tuán)。

85-2數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，金壇市良友儀器公司；T18數(shù)顯型高速均質(zhì)機(jī)，德國IKA公司；Haake Mars Ⅲ流變儀，美國賽默飛世爾科技；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國SMS公司；SC-25型電熱恒溫水浴鍋，寧波新芝科技股份有限公司；Quanta 200掃描電子顯微鏡，荷蘭Fei公司；NEXUS傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司。

1.2 新型凝膠的提取工藝及優(yōu)化方法

工藝流程如圖1所示。

圖1 新型凝膠提取工藝圖Fig.1 New gel extraction process diagram

從黃原膠添加比例、堿溶濃度和堿溶攪拌時間3個方面進(jìn)行優(yōu)化。將熱凝膠與黃原膠的總質(zhì)量濃度設(shè)為2 g/L，熱凝膠與黃原膠的質(zhì)量比分別為1∶0、2∶1、4∶1、6∶1、8∶1，堿溶濃度均為0.2 mol/L，攪拌時間均為6 h；堿溶濃度分別為0.2、0.4、0.6、0.8 mol/L，熱凝膠與黃原膠質(zhì)量比均為4∶1，攪拌時間均為6 h；攪拌時間分別為6、8、10、12 h，熱凝膠與黃原膠比例均為4∶1，堿溶濃度均為0.2 mol/L。

1.3 分析方法

1.3.1 流變特性檢測

動態(tài)黏彈性頻率掃描方法參照蔡路軍等[13]和CHANDRA等[14]的方法，并略做修改。將冷凍干燥后的產(chǎn)品配制成2%的均勻乳液，抽真空。在動態(tài)模式測試中，應(yīng)變在1 Hz的恒定頻率下從0.01%增加到10%，以確定線性黏彈區(qū)。確定線性黏彈區(qū)后，按照樣品板溫度25 ℃，轉(zhuǎn)子型號P60 Ti L，間隙d=1 mm，應(yīng)變?yōu)?%，頻率f為1%～100%,進(jìn)行動態(tài)頻率掃描。

1.3.2 凝膠制備及質(zhì)構(gòu)特性檢測

取冷凍干燥后產(chǎn)品，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 28304—2012[15],制備凝膠。質(zhì)構(gòu)分析方法參照葉劍等[16]方法，并略作修改。采用TA.XT plus質(zhì)構(gòu)分析儀的壓縮模式測定熱凝膠的機(jī)械性能。探頭型號為P/0.5R，測試前速度、測試時速度、測試后速度均為2 mm/s，目標(biāo)模式為應(yīng)變，壓縮形變量為50%，測試時間5 s，觸發(fā)力為2 g，得到全質(zhì)構(gòu)曲線[17-18]。

1.3.3 掃描電鏡觀察

掃描電鏡觀察參照WU[19]的方法，并略作修改。將提取得到的凍干樣品固定至樣品臺，離子濺射儀鍍膜，然后采用Quanta 200掃描電子顯微鏡進(jìn)行顯微觀察并拍照，加速電壓10.0 kV。

1.3.4 傅里葉紅外光譜掃描

傅里葉紅外光譜掃描參照文獻(xiàn)[20]的方法，并略作修改。稱取1～2 mg冷凍干燥樣品與100 mg左右干燥的KBr粉末混合，在紅外燈的照射下于瑪瑙研缽中細(xì)細(xì)研磨至顆粒直徑低于3 nm，然后將粉末經(jīng)壓片機(jī)壓成薄片后上機(jī)測定。掃描波數(shù)范圍4 000～400 cm-1，分辨率2.0 cm-1，采集樣品的紅外光譜圖。

1.3.5 實驗數(shù)據(jù)

采用Origin 8.5作圖軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取條件對新型熱凝膠流變性質(zhì)的影響

2.1.1 熱凝膠和黃原膠比例的影響

對凝膠體施加一個扭擺力矩，使膠體分子在此力矩下發(fā)生運(yùn)動。當(dāng)扭擺力矩的頻率從低到高變化時，分子鏈的運(yùn)動也會發(fā)生相應(yīng)的變化，測其黏彈性。G′反應(yīng)凝膠分子隨外力的改變而發(fā)生的形變能力，G″反應(yīng)凝膠分子隨外力改變分子鏈內(nèi)或分子之間拉伸導(dǎo)致的能力損耗[21-22]。圖2顯示了熱凝膠和黃原膠比例對新型凝膠流變性質(zhì)的影響。

圖2 不同黃原膠添加比例對新型凝膠的流變性質(zhì)影響Fig.2 Effect of different proportion of xanthan gum on rheological properties of new gels

如圖2所示,新型凝膠儲能模量G′隨黃原膠添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，當(dāng)熱凝膠與黃原膠質(zhì)量比為4∶1時,新型凝膠的儲能模量G′達(dá)到最大，與未添加黃原膠的對照組相比，新型凝膠的G′增加了1倍，新型凝膠損耗模量G″隨黃原膠添加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，當(dāng)熱凝膠與黃原膠比例為4∶1時，新型凝膠損耗模量G″達(dá)到最大，與未添加黃原膠的對照組相比，G″幾乎增加了3倍，即新型凝膠的黏性和彈性增加。說明此比例下添加的黃原膠與熱凝膠存在協(xié)同增效作用，黃原膠分子與熱凝膠分子之間結(jié)合效果最佳，產(chǎn)生了交聯(lián)，形成了較穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致凝膠性能改善[23]。

從圖2可知，在整個頻率掃描過程中，G′和G″的變化趨勢相同，G′始終是大于G″，體系一直以凝膠狀態(tài)存在,不受黃原膠添加量的影響。

2.1.2 堿溶濃度的影響

圖3顯示了不同堿溶濃度對新型凝膠的流變性質(zhì)影響。隨著堿溶濃度的增加，新型凝膠的儲能模量G′與損耗模量G″呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在堿溶濃度為0.4 mol/L條件下，新型凝膠的黏彈性最佳，與其他堿溶濃度所得新型凝膠相比，儲能模量G′高5～8倍，損耗模量G″高5～10倍，這無疑給工業(yè)化生產(chǎn)提取時選取堿溶濃度提供了參考指標(biāo)。

圖3 不同堿溶濃度對新型凝膠流變性質(zhì)的影響Fig.3 Effect of different alkali soluble concentrations on the rheological properties of new gels

整個掃描過程中，G′和G″的變化趨勢相同，G′始終大于G″，新型凝膠以彈性為主。G′隨掃描頻率增加略有變化，G″隨掃描頻率變化較大，說明掃描頻率對新型凝膠的彈性影響較小，對其黏性影響較大。

2.1.3 攪拌時間的影響

圖4顯示了不同攪拌時間對新型凝膠的流變性質(zhì)影響。隨著攪拌的進(jìn)行，新型凝膠的儲能模量G′和損耗模量G″呈現(xiàn)明顯先增大后減小的趨勢，攪拌10 h，新型凝膠的儲能模量G′和損耗模量G″達(dá)到最大，黏彈性質(zhì)最佳，10 h后新型熱凝膠的儲能模量G′和損耗模量G″減小，黏彈性質(zhì)下降。隨著攪拌時間的進(jìn)行，黃原膠與熱凝膠氫鍵逐漸增加，當(dāng)達(dá)到10 h后氫鍵數(shù)量趨于飽和，同時攪拌時間增長，攪拌所帶來的機(jī)械力對凝膠本身具有破壞作用，這是導(dǎo)致上述結(jié)果的原因。

圖4 不同攪拌時間對新型凝膠流變性質(zhì)的影響Fig.4 Effect of different mixing time on rheological properties of new gels

2.2 提取條件對新型凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)的影響

2.2.1 熱凝膠和黃原膠比例的影響

為了保證新型凝膠獨(dú)特的熱凝膠性，將黃原膠的添加量控制在50%以內(nèi)，且堿溶濃度為0.2 mol/L,攪拌時間為6 h,熱凝膠與黃原膠比例對新型凝膠的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)影響，如圖5所示。

圖5 熱凝膠和黃原膠比例對新型凝膠的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)影響Fig.5 Effect of thermal gel and xanthan gum ratio on texture properties of new gels

新型凝膠的硬度隨黃原膠的添加量增加呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)熱凝膠與黃原膠的質(zhì)量比為4∶1時，硬度達(dá)到最大，與對照組相比提升了1.4倍。新型凝膠的黏性隨黃原膠添加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)添加比例為4∶1時，黏性達(dá)到最大。新型凝膠的彈性隨黃原膠添加量的變化無顯著性變化，但相比對照組，都略有提升。另外新型凝膠的內(nèi)聚性、回復(fù)性和咀嚼性隨黃原膠添加量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當(dāng)添加比例為4∶1時，3項性質(zhì)達(dá)到最大。黃原膠添加質(zhì)量比為4∶1時，所得到的新型凝膠其各項質(zhì)構(gòu)性質(zhì)與對照組相比都有提升且達(dá)到最大值，黃原膠與熱凝膠發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致新型凝膠的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)增強(qiáng)，電鏡結(jié)果也證實了這一結(jié)論。

2.2.2 堿溶濃度的影響

NaOH溶液是一種強(qiáng)烈的氫鍵破壞試劑，熱凝膠溶于NaOH溶液后其分子由氫鍵連接而形成的有序結(jié)構(gòu)被破壞，NaOH濃度越高對氫鍵破壞越嚴(yán)重，熱凝膠分子的構(gòu)象也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，其結(jié)構(gòu)變化類似于蛋白質(zhì)的變性過程，堿濃度越高，其螺旋結(jié)構(gòu)越松散，最終會形成無規(guī)則卷曲的線性分子[24-25]。這也是選擇在堿溶這一提取步驟添加黃原膠的原因，期望被堿溶成線性分子的熱凝膠與黃原膠發(fā)生分子交聯(lián)形成新型凝膠。結(jié)果如圖6所示，當(dāng)熱凝膠與黃原膠的質(zhì)量比為4∶1，攪拌時間6 h時，新型凝膠的硬度隨著堿濃度增加呈下降趨勢，這與葉劍等[16]研究熱凝膠硬度隨堿濃度增加線性下降的結(jié)論相似。但是在0.8 mol/L NaOH溶液濃度下，新型凝膠硬度有所回升，這是因為在高堿濃度下熱凝膠的結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)打開徹底，與黃原膠分子發(fā)生交聯(lián)產(chǎn)生了較為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其凝膠強(qiáng)度回升。隨著堿溶濃度的提高，黏性和彈性均無顯著性變化，受堿溶濃度影響較小。另外咀嚼性與回復(fù)性隨堿溶濃度提高呈下降趨勢，但在0.6 mol/L NaOH溶液濃度下咀嚼性與回復(fù)性與0.2 mol/L NaOH溶液濃度相比有較大提升且此濃度下其內(nèi)聚性也有較大提升。從上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)堿溶濃度較高時，其硬度會降低，但咀嚼性、內(nèi)聚性和回復(fù)性在0.6 mol/L NaOH溶液濃度下有較大提升，且在0.8 mol/L NaOH溶液濃度下，其硬度回升。選取0.2 mol/L NaOH溶液濃度為最佳提取堿溶濃度。

圖6 堿溶濃度對新型凝膠的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)影響Fig.6 Effect of alkali concentration on the texture properties of new gels

2.2.3 攪拌時間的影響

發(fā)酵液中的熱凝膠是一種弱晶體，它的微粒結(jié)構(gòu)為環(huán)形，和淀粉顆粒類似[26]。在溶解過程中攪拌可以加速微粒的擴(kuò)散和斷裂，使氫鍵更加快速和徹底地斷裂，從而加速熱凝膠的溶解，攪拌時間也是影響熱凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)的重要原因之一。如圖7所示，當(dāng)熱凝膠與黃原膠的質(zhì)量比為4∶1，堿溶濃度為0.2 mol/L時,新型凝膠的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)隨攪拌時間發(fā)生規(guī)律性變化，隨攪拌時間增加，新型熱凝膠的硬度和黏性呈顯著性增強(qiáng)趨勢，當(dāng)攪拌時間為10 h時硬度和黏性達(dá)到最大，分別提升了1.8倍和2倍，當(dāng)攪拌時間為10 h后，硬度和黏度降低。彈性在攪拌時間10 h內(nèi)無顯著性變化，10 h后,彈性降低。另外咀嚼性和內(nèi)聚性在攪拌時間為10 h時達(dá)到最大，回復(fù)性隨攪拌時間增加呈顯著性增強(qiáng)趨勢。攪拌時間為10 h時，新型凝膠的綜合質(zhì)構(gòu)性質(zhì)最佳，隨攪拌時間增加熱凝膠的螺旋結(jié)構(gòu)慢慢打開，此時黃原膠與熱凝膠分子發(fā)生交聯(lián)，在10 h時形成了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其質(zhì)構(gòu)性能達(dá)到最佳。

圖7 攪拌時間對新型凝膠的質(zhì)構(gòu)性質(zhì)影響Fig.7 Effect of mixing time on the texture properties of new gels

2.3 掃描電鏡結(jié)果分析

圖8 熱凝膠、黃原膠和新型熱凝膠凍干后掃描電鏡圖Fig.8 Scanning electron micrograph of curdlan, xanthan gum and new thermal gel after lyophilization

熱凝膠、黃原膠和新型凝膠的掃描電鏡結(jié)果如圖8所示。從圖8-a可觀察到,熱凝膠的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不規(guī)則的孔狀結(jié)構(gòu)，孔徑較大，孔壁光滑較薄；圖8-b黃原膠的微觀結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)不規(guī)則的孔狀結(jié)構(gòu)，但孔徑較小，孔壁較厚；圖8-c是在提取工藝條件為：m(熱凝膠)∶m(黃原膠)=4∶1、堿溶濃度0.2 mol/L，攪拌時間10 h條件下所得到的新型凝膠微觀結(jié)構(gòu)圖，與對照組相比,出現(xiàn)了致密性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，孔徑變小，這一結(jié)構(gòu)特征與新型凝膠質(zhì)構(gòu)，流變性質(zhì)改善相一致。結(jié)果說明在提取過程中添加黃原膠，可以極大地改變熱凝膠的性質(zhì)。

2.4 紅外光譜結(jié)果分析

熱凝膠、黃原膠和新型凝膠的紅外光譜如圖9所示。熱凝膠的羥基伸縮振動峰為3 295.12 cm-1,黃原膠的羥基伸縮振動峰為3 282.22 cm-1，新型凝膠的羥基振動峰分別為3 281.93 cm-1。采用優(yōu)化的工藝[m(熱凝膠)∶m(黃原膠)為4∶1，堿溶濃度0.2 mol/L，攪拌時間為10 h]得到的新型凝膠羥基伸縮振動峰波數(shù)最低，說明黃原膠分子與熱凝膠分子發(fā)生交聯(lián)，產(chǎn)生了協(xié)同增效作用，并形成了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這與上述的質(zhì)構(gòu)、流變和掃描電鏡結(jié)果相吻合。

圖9 熱凝膠，黃原膠和新型凝膠凍干后紅外光譜圖Fig.9 Infrared spectrum of curdlan, xanthan gum and new gel after lyophilization

3 結(jié)論

本文根據(jù)熱凝膠在酸堿提取法堿溶這一步驟,三螺旋結(jié)構(gòu)打開這一特點添加黃原膠，以質(zhì)構(gòu)和流變性質(zhì)為考察指標(biāo)，從黃原膠添加比例、堿溶濃度和攪拌時間3個方面進(jìn)行優(yōu)化，通過質(zhì)構(gòu)和流變性質(zhì)分析，確定最佳生產(chǎn)工藝為：m(熱凝膠)∶m(黃原膠)為4∶1,堿溶質(zhì)量濃度0.2～0.4 mol/L，攪拌時間10 h。并利用掃描電鏡和紅外光譜對其結(jié)構(gòu)分析，證實了最佳工藝下得到的新型凝膠形成了穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黃原膠與熱凝膠產(chǎn)生了協(xié)同增效作用。