低酰基/高酰基復合酸性結冷膠凝膠的凝膠特性研究

陳 青 周濤濤 程紅梅 韓曉祥

(浙江工商大學食品與生物工程學院， 杭州 310018)

0 引言

目前，肥胖已成為威脅人類健康的重要因素[1-4]。文獻[5]發現，體質量如果能減少10～15 kg，就有可能逆轉Ⅱ型糖尿病。控制和治療肥胖最有效的途徑是減少熱量攝入或延長食物在胃部的消化時間。多糖是食品中的重要組分，在食品微觀結構、貯藏穩定性等方面發揮著重要的作用，對多糖結構進行調控，可實現對食品質構、營養和風味的調節[6-7]。如果能在食品中加入一種或多種對酸敏感的多糖，使其在接觸胃酸時形成凝膠，就有可能在不改變食品風味和口感的前提下延長消化時間，從而達到減肥的目的。海藻酸鈉遇酸可形成酸性凝膠，并可延長胃部消化時間，但海藻酸鈉遇鈣離子立刻凝膠，影響其在食品工業中的應用[8]。結冷膠(Gellan gum, GLG)是一種陰離子多糖，具有香味釋放性強、復配性佳、安全性和生物相容性好等優點，在食品、制藥、化工等領域應用廣泛[9-12]。商品化結冷膠[13]主要包括高酰基結冷膠(High acyl gellan gum，HA)和低酰基結冷膠(Low acyl gellan gum，LA)。低酰基結冷膠可以形成性質良好、凝膠速率適中的酸性凝膠，且在模擬胃腸液中消化時間延長，有望成為減肥食品的新型添加劑。在食品工業中，生產者經常將高酰基和低酰基結冷膠復配使用，以滿足不同的功能要求[14-16]。但目前關于低酰基/高酰基復合酸性結冷膠凝膠的研究鮮見報道。

應力松弛可靈敏地反映材料的質地和結構變化[17-19]，且在測試中不會對材料結構產生影響。為全面了解結冷膠酸化凝膠的形成過程，本文以應力松弛作為表征手段，研究LA/HA質量配比、基體濃度、pH值對復合酸性結冷膠凝膠的凝膠特性的影響，同時模擬胃液環境研究復合凝膠的結構重建，以期為結冷膠在我國食品工業及其他領域中的加工應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

高酰基結冷膠LT100(美國Kelco公司)，低酰基結冷膠Kelcogel(美國Kelco公司)，HCl(成都市科龍化工試劑廠，分析純)；去離子水(實驗室自制)。

JZ78-1型磁力攪拌器(杭州通用電子儀表廠)，電子天平(北京賽多利斯儀器系統有限公司)，XMT-E5000型加熱器(威利斯公司)，TA TX型物性分析儀(英國SMS公司)，BL-180型集成防爆冷柜(上海億思科技有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1低酰基/高酰基結冷膠復合酸性凝膠制備

在室溫(20℃)下將適量結冷膠粉末加入去離子水中，溶脹24 h，于90℃下進行磁力攪拌，直至結冷膠粉末完全溶解，用HCl調節pH值，將溶液分裝在Φ30 mm×20 mm模具中，用15℃的冷水浴冷卻10 min，在4℃冰箱中放置36 h后脫模進行測試分析，在進行測試前，凝膠試樣均在室溫下放置0.5 h進行平衡。

本研究中制備的復合酸性凝膠中LA/HA的質量配比為0∶100、25∶75、50∶50、75∶25和100∶0，復合凝膠體系的pH值為2、3、4、5、5.4(未調節)，基體總質量濃度為0.005、0.010、0.015 g/mL。

1.2.2復合酸性凝膠的凝膠特性測定

利用兩種方式測試了復合酸性凝膠的凝膠特性，并對其進行了關聯對比。第1種方式是應力松弛，采用TA TX型物性分析儀進行測試，測定模式：hold test；測定前探頭速度：1 mm/s；測定時探頭速度：1 mm/s；測定后探頭速度：3 mm/s；壓縮應變：10%；觸發類型：自動；觸發力：0.049 N；測試時間：600 s；探頭型號：P45(直徑為45 mm的圓柱探頭)。根據得到的力-時間關系曲線，計算出相應的參數。每組實驗重復測定3次，文中所用數據為3次重復測量的平均值。

利用TA TX型物性分析儀對復合酸性凝膠的硬度進行了表征，選用的夾具為P45，測試模式為TPA (Texture profile analysis)。具體測試參數為：預壓速度3 mm/s，下壓速度1 mm/s，回復速度3 mm/s，變形量6 mm，兩次壓縮之間的停留時間10 s，觸發力0.049 N。取TPA測試結果中的硬度表征凝膠強度。每組實驗重復測定5次，文中所用數據為5次重復測量的平均值。

1.3 數據統計分析

文中所有數據均利用Origin 8.0和SPSS 17.0進行數據處理和分析。為了減少實驗誤差，提高數據的可信度，本研究中每組實驗重復測定3～5次，文中所用數據為多次重復測量結果的平均值。

2 結果與分析

2.1 復合酸性結冷膠凝膠(L/H-GLG)的形成

圖1 低酰基/高酰基復合酸性結冷膠凝膠照片Fig.1 Typical macroscopic aspect of low acyl (LA) and high acyl (HA) mixed acid gellan gum gels (L/H-GLG)

圖1給出了低酰基/高酰基復合酸性結冷膠凝膠的照片。LA/HA質量配比越大，凝膠的透明性越好，這是因為低酰基結冷膠形成的是透明凝膠，而高酰基結冷膠則形成白色不透明凝膠，體系內低酰基結冷膠含量高，這時低酰基結冷膠會形成連續網絡結構，復合凝膠主要表現出低酰基結冷膠的特性。此外，低酰基結冷膠含量越高，凝膠越堅實，而高酰基結冷膠含量越高，形成的凝膠則越柔軟。隨著體系pH值的降低，復合凝膠的顏色均會變成不透明的白色。

基體總濃度、LA/HA質量配比和pH值對復合凝膠的形成均有影響。基體總質量濃度越低時越不容易形成堅實的凝膠。當基體總質量濃度為0.005 g/mL時，LA/HA質量配比為100∶0時只有在pH值為2時才能形成堅實凝膠。基體總質量濃度升高到0.010 g/mL時，除了未調節pH值且LA/HA質量配比為100∶0的樣品以外，其它樣品均形成了堅實的凝膠。當pH值為2、LA/HA質量配比為0∶100時，基體總質量濃度為0.005 g/mL與0.015 g/mL的體系均不能形成堅實的凝膠，說明當pH值很低時，高酰基結冷膠含量越高，則越不容易形成堅實的復合凝膠。由此可見，相對高酰基結冷膠而言，低酰基結冷膠對酸更為敏感。文獻[20]考察鈣離子對低酰基/高酰基復合凝膠的凝膠性質影響時發現，低酰基結冷膠對鈣離子更敏感，這也與本文研究結果一致。

圖2 低酰基/高酰基結冷膠復合酸性凝膠典型的應力松弛曲線和Peleg模型擬合Fig.2 Typical stress relaxation curves of L/H-GLG and stress relaxation data after conversion to linear form by graphing Peleg model

2.2 應力松弛模式對復合酸性結冷膠凝膠特性的表征

用來描述食品體系松弛行為最常用的模型是Maxwell模型，但文獻[21]認為食品體系很多時候表現出非線性粘彈性的特點，且因為食品體系成分復雜多變，因此Mawell模型對于食品體系并不適用，食品體系的應力松弛行為可以用一個非常簡單的歸一化模型進行擬合，即

(1)

式中F0——應力松弛曲線中初始作用力，N

F(t)——t時刻的作用力，N

k1——松弛單位作用力所需要的時間，s

k2——松弛程度系數

松弛之后體系的平衡模量EA計算公式為

(2)

式中A——試樣的橫截面積，m2

ε——施加的應變

圖2a給出了復合酸性凝膠典型的應力松弛曲線，可見，復合凝膠在受到外力作用并保持應變不變時，樣品的應力會迅速達到一個最大值。隨著保持時間的延長，初始時應力會快速降低，當時間超過某個臨界值后，應力下降速率減慢，并逐漸趨于穩定，總地來說，復合酸性凝膠的應力松弛曲線可以分為兩個區，一個為快速松弛區，另一個則為穩定區。復合酸性凝膠的應力不會松弛為零，說明其是一個典型的具有殘余應力的體系。多次重復測試的測試曲線基本重合，且彼此之間偏差小于5%，說明應力松弛數據可重復且可信。

根據復合酸性凝膠應力曲線的變化特點，利用Peleg模型對其應力松弛行為進行了擬合，圖2b給出了擬合結果，顯然，Peleg模型可以很好地擬合復合酸性凝膠的應力松弛行為。

2.2.1k1和k2

圖3給出了復合酸性凝膠k1與體系pH值以及LA/HA質量配比之間的關系曲線。復合酸性凝膠的k1均隨LA/HA質量配比的升高出現了先增大后減小的變化規律，樣品基本都在LA/HA質量配比為50∶50時出現最大值，說明此時凝膠松弛單位應力的時間越長，即凝膠更強。此外，還可發現，LA/HA質量配比對復合酸性凝膠k1也有較為明顯的影響，總地來說，體系內低酰基結冷膠含量越高，k1對pH值的敏感性越強，說明相對于高酰基結冷膠而言，低酰基結冷膠對pH值更為敏感。固定的LA/HA質量配比下，復合酸性凝膠基本都在pH值為3～4時獲得了最大值，這可能是因為此時體系結構發展得較為完善。體系的pH值會影響到結冷膠分子構象[22]，一方面H+會屏蔽結冷膠分子鏈上帶負電的羧基，另一方面pH值還會影響低酰基結冷膠分子鏈上羧基的解離度。體系內酸含量越高，酸化速率越快，結冷膠分子鏈聚集越快，越不容易形成致密結構，當pH值為3～4時，體系內部分子鏈的聚集速度適中，結構致密。

圖3 LA/HA質量配比及pH值對復合酸性凝膠k1的影響Fig.3 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on k1 of L/H-GLG

圖4給出了復合酸性結冷膠凝膠k2與pH值、LA/HA質量配比的關系。k2表示的是凝膠應力松弛的程度，k2越大，說明樣品的彈性越大，純液體k2=1，理想虎克固體k2→∞。顯然，k2與k1的變化規律基本相似。在所研究的基體總濃度的范圍內，當pH值為2時，復合凝膠的k2最小，為1.05～2.07，說明pH值為2時形成的復合凝膠是弱凝膠。這可能是因為此時體系的酸化速率過快，使得結冷膠分子鏈聚集速率加快，造成凝膠內部的三維網絡無法發展完善。文獻[21]研究發現，玉米粒的k2為5.81，奶酪的k2為1.11，低甲氧基果膠的k2為1.21，豆子的k2為2.26。與k1的變化特點類似，復合酸性凝膠k2隨著LA/HA質量配比的升高出現了先基本保持平穩然后降低的變化趨勢，這是由高酰基結冷膠形成的凝膠彈性更大，而低酰基結冷膠形成的凝膠更脆造成的。這與文獻[20]的研究結果一致。

圖4 LA/HA質量配比及pH值對復合酸性凝膠k2的影響Fig.4 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on k2 of L/H-GLG

2.2.2平衡模量

如果材料是理想彈性體，可以一直維持施加在樣品上的作用力，如果材料是純粘性流體，則作用力會快速松弛掉。平衡模量(EA)是一個與初始應力和彈性相關的物理量。對于多糖凝膠來說，EA與凝膠強度之間存在正相關性，即凝膠強度越大，EA越大。對于低酰基/高酰基結冷膠復合酸性凝膠而言，EA也是其凝膠網絡強弱的體現，可用來表征凝膠的強弱。因為高酰基結冷膠形成的凝膠軟而彈，無法用壓縮法對其強度進行表征，故而利用TPA測定了凝膠的硬度。平衡模量EA與硬度之間具有顯著的正相關性(相關系數0.948 2～0.956 4)，凝膠強度越大，平衡模量也越高，因此本研究利用EA作為復合酸性凝膠凝膠強度的表征。

圖5 LA/HA質量配比及pH值對復合凝膠EA的影響Fig.5 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on EA of L/H-GLG

圖5給出了LA/HA質量配比和pH值對復合酸性凝膠平衡模量的影響。顯然，復合凝膠的EA隨著LA/HA質量配比的增大先升高后降低，基本都在LA/HA質量配比為50∶50時取得最大值，說明此時凝膠的強度最大。文獻[23]研究發現，低酰基和高酰基結冷膠混合時，會各自形成雙螺旋結構，當低酰基結冷膠含量較低時，高酰基結冷膠形成了網絡結構，而低酰基結冷膠分散在其中，但低酰基質量分數增大到50%時，低酰基結冷膠和高酰基結冷膠形成了互穿網絡結構，此時強度最大。之后隨著低酰基結冷膠含量的進一步增大，高酰基結冷膠則作為分散相存在于低酰基結冷膠形成的網絡結構中，平衡模量會降低。文獻[24]研究發現，當HA質量分數在30%～60%之間時，LA和HA會形成互穿網絡結構，使得本體模量最大，這也與本研究結果一致。

pH值對復合酸性凝膠EA也有影響，基本所有的復合酸性凝膠都在pH值為3時平衡模量最大，可能是因為此時分子量聚集速率較為合適，形成的凝膠結構較為致密所致。結冷膠總濃度越大，單位體積內高分子鏈越多，凝膠的平衡模量也越高。

2.3 酸液浸泡對復合酸性凝膠的凝膠特性的影響

為了模擬復合凝膠進入胃部之后結構的變化，考察了復合酸性凝膠在pH值為2的酸液中凝膠性質的演變，圖6給出了酸液浸泡對不同初始pH值的復合酸性凝膠EA的影響。顯然，隨著浸泡時間的延長，復合酸性凝膠的EA也出現了先增大后穩定的變化特性，隨著復合凝膠內部高酰基結冷膠含量的增多，酸液浸泡時間對復合酸性凝膠EA影響越來越小，這也說明了高酰基結冷膠對pH值改變不敏感。由圖6a可見，初始pH值3的復合酸性凝膠在pH值2的酸液中浸泡6 h后，LA/HA質量配比為100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100凝膠的EA從初始的11.36、8.02、14.16、6.36、2.05 kPa分別變為13.58、17.14、19.13、11.65、1.47 kPa。由圖6b可以看出，初始pH值為5.4的復合凝膠在pH值為2的酸液中浸泡6 h后， LA/HA質量配比為75∶25、50∶50、25∶75和0∶100的凝膠EA則從初始的3.24、6.42、3.95、3.29 kPa變為19.05、22.03、11.88、1.93 kPa。顯然，復合凝膠的初始pH值與浸泡溶液的pH值相差越大，酸液浸泡的影響越明顯，這是因為H+能進一步促進分子鏈間的聚集，增強凝膠的網絡結構，使凝膠強度增強。當復合酸性凝膠與外界環境的pH值相差越大，H+的遷移越容易，影響也就越大，這也說明了復合酸性凝膠的結構不僅可以通過制備條件進行控制，還可以通過環境的pH值進行調控。

圖6 酸液浸泡對復合酸性凝膠EA的影響Fig.6 EA of L/H-GLG as a function of length of exposure to acidic environment

3 結論

(1)低酰基/高酰基復合酸性結冷膠凝膠的凝膠特性可用應力松弛參數進行表征，Peleg模型可以對復合酸性凝膠的應力松弛行為進行擬合。

(2)LA/HA質量配比對復合凝膠應力松弛行為影響顯著，隨LA/HA質量配比的增加，k1表現出先增大、后減小的變化規律，當LA/HA質量配比為50∶50時獲得最大值。相對于高酰基結冷膠，低酰基結冷膠對酸更為敏感。

(3)平衡模量EA可用來表征復合酸性凝膠的凝膠強度。隨著LA/HA質量配比的增大，復合酸性凝膠的EA先增大、后減小，在LA/HA質量配比為50∶50時取得最大值，說明此時凝膠的強度最大， LA和HA形成了互穿網絡結構。所有的復合凝膠都在pH值為3時平衡模量最大。結冷膠總濃度越高，復合酸性凝膠的平衡模量也越大。

(4)低酰基/高酰基復合酸性結冷膠凝膠的結構可以通過制備條件和環境pH值進行調控。