魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白-辣椒紅色素復合有色凝膠的制備及其性能研究

朱坤,劉緣勤,范盛玉,段雅潔,陳厚榮,張甫生

(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)

隨著消費者對動植物保護、生態環境和營養健康的關注,植物基素食,植物基創新性食品愈趨多樣化,受到廣大消費者的青睞[1-3]。植物基素食是利用植物類食品原料模擬天然葷類食品的營養、形狀、質地、色澤、風味等制成的仿生食品或模擬食品,其綠色環保、營養均衡、口感獨特[4-5]。近年來,消費者對仿生食品-凝膠素食的關注由營養和外形提升到兼顧色澤與口感的層次,色澤鮮艷的凝膠素食更能滿足消費者的感官需求。目前市場上的凝膠素食多是以魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)為基材制備的多糖凝膠[6],色澤單一且難賦色。因此如何制備出色澤鮮艷穩定且質構性能良好的魔芋凝膠素食是現今凝膠素食領域亟待解決的關鍵問題。

目前對魔芋凝膠進行賦色主要是通過直接添加色素物質[7]或者利用蛋白質易與色素等小分子物質相結合的性質與蛋白質復配,對魔芋凝膠進行賦色[8]。因魔芋凝膠是水溶性體系,色素不易直接與凝膠體系相結合,致使凝膠賦色難。大豆分離蛋白(soybean protein isolate,SPI)是一種可替代動物蛋白的高營養優質植物蛋白[9-10],也是植物基食品的優質原料[11]。已有研究表明利用大豆分離蛋白凝膠特性與多孔空間網狀結構,可結合或包埋姜黃素[12]、花青素[13]、茶多酚[14]等色素及營養物質小分子。辣椒紅色素(capsanthin,CAP)是目前在仿生食品領域使用最廣泛的天然色素之一[15],其色澤鮮艷,著色力強,保色效果好,具有一定的營養價值和保健功能[16]。目前對魔芋凝膠體系中添加CAP的研究僅限于CAP的微膠囊包埋研究[17-18],而魔芋凝膠制備過程中KGM、SPI、加堿量各組分對凝膠混合體系的色素穩定性及其質構性能的研究較少。

基于此,本研究擬將KGM、SPI與CAP進行復配,通過單因素試驗和響應面試驗,探究并優化KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的制備工藝條件,并利用質構、傅里葉轉換紅外光譜(Fourier-transform infrared spectroscopy,FT-IR)和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)等技術手段對復合有色凝膠的質構性能和微觀結構進行研究,探究KGM和SPI這2種生物大分子復配形成的網絡結構對CAP的包埋效果,以期為多彩凝膠素食、賦味、賦營養物質的新型復合凝膠的生產開發提供理論和技術指導,增加產品多樣性,滿足市場對植物基凝膠素食產品的需求。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋精粉(食品級),浙江上方生物科技有限公司；大豆分離蛋白(食品級),北京索萊寶科技有限公司；丙酮(分析純),重慶川東化工公司；氫氧化鈣(食品級),上海優樂滋食品配料有限公司；KBr(分析純),成都市科隆化學品有限公司。

1.2 儀器與設備

JJ-1精密增力電動攪拌器,金壇市城東新瑞儀器廠；HH-2數顯恒溫水浴鍋,常州奧華儀器有限公司；SL602 N高精顯電子天平,上海民橋精密科學儀器有限公司；TA.XT Plus質構儀,英國Stable Micro System公司；SF-756P紫外可見分光光度計,上海光譜儀器有限公司；Spectrun100傅里葉變換紅外光譜儀,美國PerkinElmer公司；Phenom Pro掃描電子顯微鏡,荷蘭Phenom World公司；Avanti J-30I真空冷凍干燥機,美國貝克曼有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的制備

將一定量的SPI和CAP溶于水中,待溶解完全后緩慢加入稱量好的KGM,充分攪拌使KGM完全分散到SPI和CAP分散液中,加入凝固劑氫氧化鈣攪拌混合均勻,充分溶脹并反應4 h,平整表面,在90 ℃下恒溫水浴40 min,立即冷卻至室溫并存放于4 ℃過夜待測。

1.3.2 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的質構特性

參照徐曉萍等[19]的方法測定復合有色凝膠的質構特性。質構測試條件為壓縮模式,探頭：P/0.5,測前速率：2.0 mm/s,測試速率：1.0 mm/s,測后速率：5 mm/s,形變量：60%,觸發力：0.05 N,數據采集速率：200 pps。每個試樣重復測定6次。

1.3.3 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的色素保留率

參照文獻的方法測定復合有色凝膠的色素保留率并有所改進[18,20]。準確稱取一定量試樣于試管中,加入10 mL丙酮,室溫下超聲處理直至CAP被完全提取出來。取1 mL提取液用丙酮稀釋5倍,以丙酮作參比液,用分光光度計在460 nm波長處測定其吸光度。

吸光度460 nm,按公式(1)計算：

(1)

式中：A,實測試樣溶液的吸光度；f,稀釋倍數；m,試樣質量,g；100,換算系數。

(2)

1.3.4 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的FT-IR光譜

將制備的KGM/SPI/CAP復合有色凝膠預冷凍24 h,放入真空冷凍干燥機冷凍干燥48 h,按1∶100的質量比與KBr混勻并在瑪瑙研缽中研碎,壓片,用傅里葉紅外光譜儀以4 cm-1的速率在4 000～400 cm-1波長范圍內掃描測定。

1.3.5 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的SEM觀察

將制備的KGM/SPI/CAP復合有色凝膠預冷凍24 h,放入真空冷凍干燥機干燥48 h,將干燥好的樣品保存待用。掃描電鏡前,將樣品塊用固定膠黏于樣品銅臺,在真空度10-2～10-3Pa,濺射電壓1.1 k～1.2 kV,鍍膜時間2～3 min條件下鍍金,放置10 min,送入電鏡觀察,選擇有代表性的區域拍攝[21]。

1.3.6 試驗設計

1.3.6.1 單因素試驗設計

選取對試驗影響較大的因素：經前期預實驗,選擇KGM質量分數(5%、5.5%、6%、6.5%、7%、7.5%)、SPI質量分數(0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%)、氫氧化鈣質量分數(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%),研究各因素對色素保留率和凝膠強度的影響。

1.3.6.2 響應面試驗設計

在單因素試驗結果的基礎上,以KGM質量分數(6%、6.5%、7%)、SPI質量分數(0.1%、0.2%、0.3%)、氫氧化鈣質量分數(0.1%、0.15%、0.2%)為響應因素,以色素保留率和凝膠強度為響應值,設計3因素3水平的響應面試驗。

1.4 數據統計與分析

采用Origin 2019與Design-Expert處理分析實驗數據,每組試驗重復3次,試驗結果以“平均值±標準差”的形式表示。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 KGM質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響

KGM質量分數對復合有色凝膠的色素保留率和凝膠強度的影響如圖1所示。隨著KGM質量分數的增加,復合凝膠的色素保留率呈先上升再穩定后降低趨勢。在質量分數為6.0%時色素保留率達到最大值,顯著提高了16.34%(P<0.05),在7.0%～7.5%顯著降低(P<0.05)。而凝膠強度隨著KGM質量分數的增加呈先上升后穩定趨勢。在7.0%達到最大值,顯著提高了73.94%(P<0.05),在7.0%～7.5%保持穩定。

圖1 KGM質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響

當KGM質量分數較低時,KGM與SPI兩者相互作用較弱,形成的凝膠網絡結構不夠致密,結構松散；而隨著KGM質量分數的增加,SPI分子在水溶液中結構伸展,與KGM分子通過氫鍵作用結合,產生一定的協同作用[21],兩者相互作用加強,形成結構致密的網絡結構,更易截留色素小分子,因此色素保留率逐漸升高,凝膠強度增大。而在7.0%～7.5%時,可能是因為KGM含量太高,KGM分子成團現象比較嚴重,不能充分溶解,相互結合不緊密,致使形成的網絡結構不均勻[18,23],色素小分子不易被包埋在網絡結構中,因而色素保留率降低,且凝膠強度不能進一步提高。因此,綜合考慮選取,KGM質量分數在6.0%～7.0%可滿足KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的制備要求。

2.1.2 SPI質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響

SPI質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響如圖2所示。隨著質量分數的增加,復合凝膠的色素保留率和凝膠強度均呈先上升后降低趨勢。當SPI質量分數達到0.2%時,色素保留率和凝膠強度均達到最大值,分別顯著增大了19.32%,20.01%(P<0.05)。

圖2 SPI質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響

當SPI質量分數較低時,KGM與SPI兩者相互作用形成的凝膠網絡結構不夠致密,結構稀疏多孔,使得色素小分子不能穩定結合在凝膠內部,因此色素保留率較低；隨著SPI質量分數的增加,SPI分子伸展,與KGM分子間的氫鍵互補作用加強,在一定程度上產生協同增效作用,可能對色素小分子有更強的包埋作用,因此色素保留率提高,凝膠強度上升；當SPI含量進一步增加,凝膠網絡結構變得疏松,致密度大大降低,導致色素保留率和凝膠強度的降低[24]。因此，綜合考慮選取SPI質量分數在0.1%～0.3%時可滿足KGM/SPI/CAP復合有色凝膠制備要求。

2.1.3 氫氧化鈣質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響

氫氧化鈣質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響如圖3所示。隨著氫氧化鈣質量分數的增加,色素保留率呈先穩定后降低趨勢,凝膠強度呈先上升后降低趨勢。在0.05%～0.15%,色素保留率保持穩定,凝膠強度顯著增大了179.55%并達到最大值(P<0.05)；在0.20%～0.25%,色素保留率和凝膠強度均顯著降低(P<0.05)。

圖3 Ca(OH)2質量分數對復合有色凝膠色素保留率和凝膠強度的影響

氫氧化鈣對復合有色凝膠的作用主要體現在OH-離子對共聚物分子之間相互作用形成網絡結構產生影響[25]。在堿性條件下加熱,KGM分子發生脫乙酰,在一定的范圍內,加堿量越大,脫乙酰程度愈高,部分分子間相互交聯纏繞,相互作用增強,促進凝膠網絡結構的形成,因此對CAP有一定的包埋作用,且凝膠強度也不斷增加[26-28]；當氫氧化鈣添加量過多,KGM發生部分降解,復合凝膠的膠溶作用大于凝膠形成作用,不能形成穩定的空間網絡結構,同時CAP屬于天然色素,當體系堿性太強,CAP在體系中可能不穩定,因而色素保留率和凝膠強度降低[29]。且當氫氧化鈣添加量過多,復合有色凝膠有明顯的堿味和腥臭味,依據實際食品的酸堿性要求,綜合考慮選取氫氧化鈣質量分數在0.1%～0.2%制備 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠。

2.2 響應面試驗設計及結果驗證

2.2.1 響應面試驗優化

在單因素試驗的基礎上,以KGM質量分數、SPI質量分數、氫氧化鈣質量分數為響應因素,色素保留率和凝膠強度為響應值進行試驗,試驗設計及結果如表1所示。

表1 響應面試驗設計與結果

2.2.2 響應面分析

各因素間交互作用對色素保留率的影響如圖4所示,KGM質量分數、氫氧化鈣質量分數與SPI質量分數交互作用不顯著,KGM與氫氧化鈣質量分數間交互作用顯著；各因素間交互作用對凝膠強度的影響如圖5所示,KGM質量分數、SPI質量分數和氫氧化鈣質量分數3者間交互作用顯著。

a-KGM與SPI交互作用；b-KGM與Ca(OH)2交互作用；c-SPI與Ca(OH)2交互作用

a-KGM與SPI交互作用；b-KGM與Ca(OH)2交互作用；c-SPI與Ca(OH)2交互作用

經軟件分析,最佳制備工藝條件：KGM質量分數為6.57%,SPI質量分數為0.22%,氫氧化鈣質量分數為0.14%,在此條件下復合有色凝膠的色素保留率理論上可達到84.68%,凝膠強度382.19 g。為驗證實驗結果是否與真實情況相一致,將最佳工藝條件修正為KGM質量分數為6.5%,SPI質量分數為0.2%,氫氧化鈣質量分數為0.15%,此條件下復合凝膠的色素保留率為84.26%,凝膠強度為376.65 g,與預測值相近,可見回歸模型能很好地預測混合凝膠的性能,指導復合有色凝膠的制備。

2.3 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的質構性能分析

選取KGM質量分數為5.5%,SPI質量分數為0.1%,氫氧化鈣質量分數為0.2%的配比制備的復合有色凝膠與優化制備后的復合有色凝膠進行質構性能對比,結果如表2所示。結果發現：優化制備前后復合有色凝膠的凝膠強度、硬度、咀嚼性差異比較明顯；優化制備后復合凝膠的凝膠強度、硬度、咀嚼性分別提高了約91.09%、6.09%和24.83%,均顯著高于優化制備前,此結果與徐曉萍等[19]對魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白混合凝膠質構性能的研究結果基本一致,原因是優化制備的條件下,KGM和SPI兩者之間相互作用加強,產生一定的協同作用[21],形成結構致密的網絡結構,使得復合有色凝膠質構性能得到一定程度的改善,具有更高的彈性和韌性,口感更獨特。

表2 KGM/SPI/CAP 復合有色凝膠的質構性能分析

2.4 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的FT-IR分析

如圖6所示,優化制備前后KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的譜線基本一致,未出現新的吸收峰。在3 200～3 650 cm-1附近處是-OH的伸縮振動峰,復合凝膠中-OH的吸收峰都出現在3 435 cm-1,為多糖的特征峰[5]；在2 800～3 000 cm-1出現吸收峰表明存在-CH鍵伸縮振動,在1 650～1 900 cm-1表明分子間存在C=O雙鍵的伸縮振動；在1 725 cm-1左右未出現明顯吸收峰,而該處吸收峰屬于乙酰基上羰基的伸縮振動峰,表明復合有色凝膠脫乙酰；1 630 cm-1附近是氫鍵的吸收峰,優化制備前后復合凝膠在1 638 cm-1出現吸收峰,表明復合有色凝膠分子間存在氫鍵作用；有研究表明KGM與SPI兩者間的相互作用以氫鍵為主,主要是因為KGM為非離子多糖,親水性極強,且SPI和KGM分子鏈上含有大量的羥基、氨基、羰基等基團,從而促進氫鍵的形成[30]；在1 000～1 250 cm-1范圍內代表C-O單鍵的伸縮振動；877 cm-1、812 cm-1左右處是KGM中甘露糖的特征吸收峰[31-32]。在復合凝膠的紅外光譜曲線中,這一系列特征峰的伸縮振動表明優化制備前后復合有色凝膠中未產生新的功能基團,復合物的功能基團和化學鍵未發生明顯變化,且分子間存在氫鍵等相互作用力。

圖6 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的FTIR圖

2.5 KGM/SPI/CAP復合有色凝膠的SEM分析

如圖7所示,各物質不同配比所形成的凝膠體系的微觀結構差異較大。優化制備前的復合有色凝膠結構疏松,呈無規則多孔結構,空洞間的連接部分粗細不均,孔隙較大,分布不均勻,“空穴”度大,且結構不連續,斷裂現象嚴重(圖7-a)；而優化制備后的復合有色凝膠可以明顯觀察到均勻的內部孔隙,且結構連續有序,似“蜂窩狀”,呈現致密的多孔網絡結構(圖7-b),此結論與龔加順等對魔芋葡苷聚糖與大豆分離蛋白混合凝膠體系的研究結果類似[24]。主要原因是復合凝膠的網絡結構主要由KGM形成的致密網絡結構為主,SPI所形成的網絡結構為輔,在適當比例下兩者結構相互疊加,相互作用加強,形成致密穩定的網絡結構[33-34]。優化制備后復合有色凝膠體系內部相互作用加強,穩定性提高,可能更易于色素小分子的吸附或結合,使得優化制備后的復合凝膠呈現良好的色澤,具有更高的色素保留率和凝膠強度,與之前對復合有色凝膠的質構性能分析結果一致。因此,優化制備后的工藝條件有效地改善復合凝膠的結構和性能。

a-優化制備前的復合有色凝膠；b-優化制備后的復合有色凝膠

3 結論

優化制備的KGM/SPI/CAP復合有色凝膠具有較好的色素保留率和凝膠強度,其色澤鮮艷穩定,改善了魔芋凝膠難賦色現狀。此外對復合有色凝膠的質構特性和微觀結構表征發現優化制備的復合有色凝膠質構性能提高,三維網狀結構更致密且連續均勻,進一步證實優化制備的復合有色凝膠具有更好的賦色和質構性能。因此可利用KGM及SPI這2種高分子聚合物分子鏈組裝形成的凝膠網絡結構,包埋或截留體系中的色素、風味等小分子或者多酚等營養物質,研發新型功能性食品,拓展植物基凝膠素食發展方向,改善凝膠素食在食品領域的發展前景。