不同分子量的β-葡聚糖復合凝膠的制備及其凝膠特性的研究

樊蕊，周丹，馬培華，曹學麗，袁芳，*

（1.北京工商大學北京食品營養與人類健康高精尖創新中心，北京 100048；2.北京大學公共衛生學院，北京 100191；3.中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083；4.北京化工大學生命科學與技術學院，北京 102200）

燕麥是世界公認的營養價值很高的糧種之一，其營養價值居谷類糧食之首，被譽為谷類食品中最好的全價食品之一。燕麥在谷類糧食中的蛋白質含量最髙。且含有豐富的礦質元素和良好的維生素。燕麥的碳水化合物含量在谷類糧食中很低，但膳食纖維含量很高。燕麥具有較高的醫療保健價值，主要得益于其中大量的水溶性膳食纖維，尤其是β-葡聚糖，賦予燕麥不僅具有降膽固醇、降血脂化及預防心血管疾病等功效，而且對糖尿病、肥胖也有顯著的控制作用[1-2]。因此，燕麥葡聚糖的深入研究對人類健康和燕麥的開發利用具有巨大的社會意義和經濟價值。

研究發現，燕麥β-葡聚糖在較低濃度下具有較高的粘度，且具有獨特的凝膠特性，β-葡聚糖可以起到增稠、穩定、優化質構的作用，還可以用在低脂食品中，在食品工業中具有獨特的用途[3]。較低相對分子質量（<100 000 Da）的β-葡聚糖凝膠的速度快于較高相對分子質量[3-5]，但高相對分子質量的β-葡聚糖形成的凝膠硬度更大，更能抵抗機械壓力[3，5-6]。對于β-葡聚糖的健康效益以及溶液和凝膠特性，其作為傳遞體系以及代脂食品具有光明的前景。但高相對分子質量的高粘度產生的粘稠的不適口感的問題亟待解決。本文旨在采用不同相對分子質量的燕麥β-葡聚糖制備復合凝膠，通過探索其β-葡聚糖的濃度優化其凝膠特性（流變特性、質構特性以及持水持油特性），以其制備優良凝膠特性的新興食品原料。

1 材料與方法

1.1 材料

燕麥 β-葡聚糖（OG：2.0×105Da、LOG：1.0×105Da）：廣州中康食品有限公司。

1.2 儀器與設備

AR1140 分析天平：美國奧豪斯公司；Alpha 1-2 D Plus 冷凍干燥：德國 Marin Christ；AR-1500ex 流變儀：美國TA 公司；TA-XT Plus 質構儀：英國Stable Micro Systems；JSM-6701F 掃描電鏡：日本 JEOL 公司。

1.3 方法

1.3.1 β-葡聚糖復合凝膠的制備

分別稱取一定量的燕麥β-葡聚糖（LOG）和燕麥β-葡聚糖（OG），按 1 ∶1（質量比）比例混合，在一定溫度下加熱使之溶解，待充分溶解后制成β-葡聚糖溶液，放置于4 ℃的冰箱過夜，觀察β-葡聚糖凝膠的形成和外觀特性，研究溫度、總質量分數對β-葡聚糖凝膠形成的影響。將每份溶液倒入50 mL 小燒杯中，當小燒杯傾斜60°時樣品無流動性即認為形成凝膠。

1.3.2 β-葡聚糖復合凝膠的表觀特征

樣品經冷卻后，通過肉眼觀察各個樣品的組織狀態，結果繪制于表1。

1.3.3 持水性測定

根據Zhang 等[7]測定持水性的方法，并稍作修改。稱取3 g 凝膠樣品于10 mL 離心管中，離心（10 000 r/min，20 min），用濾紙小心地吸除離心出來的水分，20 min后再次離心稱重，直至兩次離心排水后離心管和樣品的總重量之差小于0.05 g，根據公式計算持水性，試驗3 次取平均值。

式中：W1為離心排水后離心管和樣品的總質量，g；W0為離心管的質量，g；W2為離心管和樣品的總質量，g。

1.3.4 持油性測定

吸油性的測定采用左鋒[8]方法有所改進。準確稱取1 g 凝膠置于10 mL 離心管中，再加入5 mL 大豆色拉油，漩渦振動5 min，使全部分散均勻后于室溫下靜置 30 min，離心（3 000 r/min，20 min），倒掉上清色拉油，再稱重。直至兩次離心排水后離心管和樣品的總重量之差小于0.05 g，根據公式計算持油性，試驗3 次取平均值。

式中：W1為離心排水后離心管和樣品的總質量，g；W0為離心管的質量，g；W2為離心管和樣品的總質量，g。

1.3.5 流變特性測定

凝膠的特殊結構使其同時具有固體和液體的性質，即在力學上表現為固體的性質而在熱動力學上則表現出濃溶液的性質。本試驗利用AR-1500ex 流變儀對β-葡聚糖復合凝膠進行流變測試，選擇平板系統（型號：PP-40，直徑 40 mm，設置間隙為 5 mm），恒溫25 ℃由循環水系統精確控制。將凝膠進行頻率掃描測試，設置頻率范圍 0.1 rad/s～100 rad/s，溫度為 25 ℃，平衡時間為2 min，為保證所有樣品在線性黏彈范圍內，應變選擇1%。

1.3.6 質構特性測定

測試前，將樣品切成高度為1 cm 的圓柱形，并置于室溫25 ℃下平衡2 h，然后利用TA-XT Plus 質構儀進行測量，主要參數如下：運行模式texture profile analysis（TPA）；探頭 P/0.25；測試速度保持恒定為60 mm/min；壓縮變形為樣品的30%；起始力為0.4 N。本試驗選取的質構指標包括硬度、內聚性、彈性、咀嚼性。每個樣品處理重復6 次。

1.3.7 掃描電鏡

將制備的凝膠樣品冷凍干燥，噴金，通過掃描電鏡進行觀察，加速電壓為5 kV，每個樣品觀察5～10 個區域。

1.4 數據統計

每組試驗至少重復3 次，結果通過Origin 8.6 處理后用平均值M±標準差SD 表示。運用SPSS 18.0 進行單因素方差分析（ANOVA），若方差分析效果顯著，則使用 Duncan 進行多重比較（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 β-葡聚糖復合凝膠表觀特征

不同制備溫度和β-葡聚糖總濃度對混合β-葡聚糖成膠的影響如表1所示。

表1 溫度和β-葡聚糖總濃度對混合β-葡聚糖成膠的影響Table 1 The effects of temperature and concentration on the βglucan mixed gel formation

由表1可知，溫度60 ℃處理的β-葡聚糖溶液均無法形成凝膠，而溫度高于70 ℃時，β-葡聚糖溶液總濃度高于11%均可以形成凝膠。β-葡聚糖在溶液中以無規則線團存在，屬于黏彈性體系，并且和質量分數有一定關系，這就使得在一定條件下能形成凝膠[9]。隨著溫度升高至80 ℃，β-葡聚糖成較濃度降低，總濃度為7%便可形成穩定的凝膠，此結論與前人報道結果一致[10]。從表1可看出，70 ℃形的凝膠結構較松散；而80 ℃形成的凝膠表面平整光滑，結構緊實。

2.2 β-葡聚糖復合凝膠流變特性

在觀察β-葡聚糖凝膠組織狀態的基礎上，對經超高壓處理后的β-葡聚糖樣品進行頻率掃描，G'、G''隨角速率ω 的變化趨勢見圖1。

圖1 β-葡聚糖復合凝膠的頻率掃描曲線Fig.1 The frequency scan curve of β-glucan mixed gel

Morris 等[11]從流變學角度定義了凝膠，認為典型的凝膠體系在10-2rad/s～102rad/s 范圍內，儲能模量G'遠大于損耗模量G''，且G'和G''基本不依賴頻率變化，即G'和G''在該頻率范圍內相互平行。Winter 和Chambon[12]也發現對于典型的凝膠體系，G'和G''相互平行且G'＞G''。由頻率掃描曲線圖1可知：復合β-葡聚糖在較低濃度（7%～10%）依然可以形成凝膠，但其G'、G''隨著ω 增加，呈現增加的趨勢，因此，未形成典型凝膠。但是復合β-葡聚糖在較高濃度（10%～14%）形成典型的凝膠，即G'大于G''且兩者均不依賴于頻率變化。

2.3 β-葡聚糖復合凝膠持水、持油性

不同β-葡聚糖濃度對β-復合凝膠持水性和持油性的影響如圖2所示。

持水性是指食品加工過程中對原料中水分保持能力的高低，持水性的高低與凝膠風味、口感、質構及組織狀態直接相關[13]。由圖2可知，β-葡聚糖總濃度對復合凝膠持水性的影響差異顯著（P＜0.05），隨著β-葡聚糖濃度的增加，持水性不斷提高。凝膠持水性的大小與其內部結構有關。隨著總濃度的增加，OG 分子的纏繞限制了β-葡聚糖的流動性，并且分子重排利于凝膠的形成，OG 阻礙了分子間作用力，在網絡結構的形成中發揮了繩索作用，形成了更為致密的網絡結構，凝膠內部孔徑減小，有利于持水性的增加[3-14]。

持油性是指吸附油的能力，它在食品配方及加工中起著非常重要的作用。例如在碎肉食品中，它可以減少蒸煮時的重量損失，并且有助于維持外形的穩定。持油能力與凝膠表面性質有關和水合狀態以及黏度有關，隨著濃度增加，其黏度隨之增加，導致其持油性增加[15]。不同濃度β-復合葡聚糖凝膠持油性結果展示于圖2（b），可以看出，總β-葡聚糖濃度對復合凝膠持水性的影響差異顯著（P＜0.05），隨著β-葡聚糖濃度的增加，持油性不斷提高，當濃度為13%時，持油性最大，為1.39%，進一步增加β-葡聚糖濃度，持油性降低。

圖2 β-葡聚糖復合凝膠持水性和持油性Fig.2 The water and oil holding capacity of β-glucan mixed gel

2.4 β-葡聚糖復合凝膠質構特性的分析

復合凝膠質構參數見圖3。

β-葡聚糖濃度對復合凝膠的硬度、彈性和咀嚼性影響較大（P＜0.05），隨著濃度的增大，復合凝膠的硬度、彈性和咀嚼性也隨之增大。硬度反映了凝膠被壓縮時的強度大小，β-葡聚糖濃度明顯提高了復合凝膠的強度（P＜0.05），這表明濃度的升高促進了LOG 與OG 之間的相互作用，從而提高了其凝膠強度，當濃度大于14%時，硬度降低源于脆性的增加，這也表現在此濃度下彈性的降低。彈性反映了被測凝膠樣品初始壓縮時被破壞結構的多少，彈性高表明第一次質構壓縮時許多大塊結構被破壞，而彈性低更多地說明小塊結構被破壞[16]，試驗結果表明復合凝膠的彈性，隨著濃度的增加而明顯增加（P＜0.05）。此現象與汪海波研究結果一致[17]。咀嚼性是硬度、彈性等參數的補充，其在數值上等于硬度、彈性、內聚性三者的乘積[18]，試驗結果表明隨總濃度的增大，復合凝膠的咀嚼性增大。內聚性是衡量破壞凝膠內部結構的困難程度，內聚性越大，破壞凝膠結構越困難，凝膠的網絡結構越緊密[19]，本試驗發現不同濃度復合凝膠的內聚性差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 β-葡聚糖復合凝膠質構特性Fig.3 The properties of β-glucan mixed gel

2.5 β-葡聚糖復合凝膠表面結構分析

不同濃度的β-葡聚糖復合凝膠掃描電鏡圖如圖4所示。

圖4 β-葡聚糖復合凝膠掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope micrographs of β-glucan mixed gel

由圖4可知，10%復合β-葡聚糖凝膠結構不均勻，表面存在明顯的空洞和空隙，13%復合β-葡聚糖凝膠結構稍顯致密，15%復合β-葡聚糖結構均勻，表面空洞明顯減少。這也反映在隨著復合β-葡聚糖濃度的增加，其持水性增加。這可能是由于低分子量的葡聚糖可以穿插形成網絡結構的凝膠[20]。

3 結論

本文利用熱誘導技術制備了不同分子量的β-葡聚糖復合凝膠，并揭示了β-葡聚糖濃度在10%～14%范圍內，濃度的增加提高其凝膠強度、硬度、彈性和功能性質的現象。此結論為優化β-葡聚糖凝膠，擴大其在食品中的應用提供了理論依據。