魔芋葡甘聚糖/表面脫乙酰甲殼素納米纖維復合凝膠的制備及流變性能

姜海鑫，黃葉群，鄭萍云，趙建波，段孟霞，龐 杰，吳春華

（福建農林大學食品科學學院，福建 福州 350002）

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一種主鏈由-甘露糖和-葡萄糖組成，并以-1,4-糖苷鍵連接的高分子質量的中性多糖。KGM具有良好的持水性、凝膠性和生物相容性等特點，可用于開發大量的產品，如食品中的無糖魔芋軟糖、魔芋豆腐、果凍丁和魔芋仿生食品等，具有廣闊的市場前景。然而，僅用KGM制備的凝膠存在凝膠彈性低、析水率高和賦色難等缺點，極大地限制其在食品工業中廣泛應用。近年來，通過添加其他天然多糖改善KGM復合凝膠性能已成為食品領域研究的熱點之一。

表面脫乙酰甲殼素納米纖維（surface deacetylated chitin nanofiber，S-ChNF）是一種從食品加工副產物甲殼素分離出的具有納米結構的新型食品原料。S-ChNF不僅保留了甲殼素原有的特性，還具有高比表面積、超精細結構及優異的力學強度、模量和乳化性等優點，被廣泛應用于食品、化工及生物醫藥等領域。利用KGM與S-ChNF的協同或互補作用，有望賦予食品優良的口感、致密的組織結構、良好的持水性與穩定性，可用于開發凝膠劑、穩定劑和增稠劑。然而，目前尚未有KGM與S-ChNF相互作用的研究。

本實驗以S-ChNF與KGM為研究對象，將兩者按照一定質量比復配制得KGM/S-ChNF復合凝膠。通過旋轉流變儀、掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射圖譜及熱重分析對KGM/S-ChNF復合凝膠的性質和微觀結構進行表征，以期為復合凝膠的性能優化提供必要的理論依據，為KGM/S-ChNF復合物在新型食品凝膠劑、食品包裝和食品運載體系等方面的開發與應用提供相應的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

KGM（食品級，純度≥95%） 云南昭通三艾有機魔芋發展有限責任公司；甲殼素 美國Sigma-Aldrich公司；乙酸、氫氧化鈉、標準鹽酸溶液、溴化鉀（均為分析純） 國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器與設備

AVATAR360型傅里葉變換紅外光譜儀 美國Nicolet尼高力公司；MCR301型流變儀 奧地利Anton Paar有限公司；JY92-IIN型超聲波細胞粉碎機 寧波新芝生物科技有限公司；JSM-7500F型冷場發射掃描電子顯微鏡、JEOL 1010型透射電子顯微鏡 日本電子株式會社；D/MAX-RB型X射線衍射儀 日本理學電機公司；STA 409-PC熱穩定分析儀 德國Netzsch公司。

1.3 方法

1.3.1 S-ChNF粉末制備

準確稱取10 g甲殼素，置于250 mL質量分數33%的NaOH溶液中，再加入0.03 g硼氫化鈉，置于90 ℃恒溫水浴鍋中磁力攪拌4 h。抽濾溶液，上層濾渣用蒸餾水清洗至不變色，置于45 ℃烘箱中烘至半干。用1%醋酸溶液（/）溶解粉末制備5 mg/mL懸浮液，使用超聲波細胞粉碎機超聲粉碎1 h，超聲功率為100 W。懸浮液在8 000 r/min轉速下離心20 min，取上清液冷凍干燥，得到S-ChNF粉末。

1.3.2 透射電子顯微鏡掃描

配制0.01 g/mL S-ChNF懸浮液，取20 μL懸浮液浸沒碳涂層銅網。風干后用乙酸雙氧鈾染色20 min，室溫干燥5 min。在加速電壓80 kV條件下用透射電子顯微鏡觀察S-ChNF樣品。

1.3.3 酸堿滴定法測定脫乙酰度

分別稱取一定質量S-ChNF和甲殼素（記為），轉移至干燥潔凈的稱量皿中后，置于105 ℃烘箱中烘至質量恒定后，記錄剩余質量為，計算水分質量分數（）：

分別準確稱量0.2 g S-ChNF和甲殼素，溶解于25 mL 0.1 mol/L HCl溶液中，滴加2～3 滴甲基橙指示劑，用0.1 mol/L NaOH溶液滴定至溶液變為橙色。計算脫乙酰度：

式中：為S-ChNF或甲殼素質量/g；為S-ChNF水分質量分數/%；為HCl溶液濃度/（mol/L）；為HCl溶液體積/mL；為NaOH溶液濃度/（mol/L）；為NaOH溶液體積/mL；0.016為與1 mL 1 mol/L HCl溶液相當的氨基質量/g；9.94%為理論氨基的含量。

1.3.4 KGM凝膠、KGM/S-ChNF復合凝膠及凝膠凍干樣品制備

稱取一定質量的S-ChNF和KGM粉末，分別得到4 份不同混合比例的KGM/S-ChNF粉末（總質量為1.5 g），S-ChNF質量分數分別為0%、10%、15%、20%。將98.5 g去離子水加入裝有KGM/S-ChNF粉末的燒杯，室溫下攪拌。將燒杯置于60 ℃恒溫水浴鍋，用轉速為650 r/min的機械攪拌器混勻120 min，制得KGM凝膠和KGM/S-ChNF復合凝膠備用。在測定前復合凝膠需做溶脹處理，溶脹時間為2 h。流變特性分析可直接使用溶脹后的凝膠，其余實驗應在凝膠靜置、冷卻并處于凝膠狀態后進行。

稱取50 g KGM/S-ChNF復合凝膠于培養皿中，置于－20 ℃的冰箱預凍24 h。包上已扎好均勻孔洞的保鮮膜，繼續進行24 h的冷凍干燥，得到凝膠凍干樣品。

1.3.5 凝膠流變特性測定

用流變儀對制得的凝膠樣品進行流變性能測定。流變儀平板探頭為PP50型號，平板間距設置為1.0 mm。

1.3.5.1 凝膠靜態流變學特性測定

在溫度（25±1）℃、剪切速率0.01～100 s條件下，測定KGM凝膠及不同混合比例的KGM/S-ChNF復合凝膠的黏度與剪切速率間的關系。

對各凝膠的剪切速率與黏度的關系曲線進行擬合分析，所用模型為冪律模型：

式中：為剪切應力/Pa；為稠度系數/（Pa·s）；為剪切速率/s；為流動指數。

1.3.5.2 動態黏彈性測定

在溫度（25±1）℃、應變5（線性黏彈區范圍內）、角頻率0.1～20 s條件下進行角頻率掃描，得到KGM凝膠及KGM/S-ChNF復合凝膠的儲能模量（’）、損耗模量（”）及復合黏度（*）隨角頻率的變化曲線。

在頻率為1 Hz、應變為5（線性黏彈區范圍內）、溫度為25～65 ℃的條件下，以5 ℃/min升溫速度進行掃描，得到KGM凝膠及KGM/S-ChNF復合凝膠’和”隨溫度的變化曲線。

1.3.6 掃描電子顯微鏡分析

取少量KGM凝膠及KGM/S-ChNF復合凝膠凍干樣品，對其充分噴灑金粉，放置20 min后在放大倍率為1 000 倍、最大加速電壓為20 kV的條件下進行電鏡掃描，得到電鏡掃描圖，觀察其表面形態。

1.3.7 傅里葉變換紅外吸收光譜分析

將KGM/S-ChNF復合凝膠真空冷凍干燥48 h后。分別稱取5 mg甲殼素、S-ChNF、KGM凝膠及KGM/S-ChNF復合凝膠凍干樣品剪碎，按1∶99（/）分別與溴化鉀顆粒混合研磨、壓片。采用傅里葉變換紅外光譜儀對壓片樣品進行分析，掃描范圍400～4 000 cm。

1.3.8 X射線衍射分析

用X射線衍射儀測定掃描角度為5°～50°的甲殼素、S-ChNF、KGM凝膠及KGM/S-ChNF復合凝膠的結晶狀態。

1.3.9 熱穩定性分析

在25～600 ℃，采用熱穩定分析儀對KGM凝膠及KGM/S-ChNF復合凝膠凍干樣品進行熱穩定性分析。

1.4 數據處理

2 結果與分析

2.1 S-ChNF及甲殼素表征分析

圖1 甲殼素和S-ChNF的傅里葉變換紅外光譜圖（a）、X射線衍射圖譜（b）及S-ChNF的透射電子顯微鏡圖（c）Fig. 1 FTIR spectra (a), X-ray diffraction patterns (b) and transmission electron micrographs (c) of chitin and S-ChNF

經NaOH溶液處理后甲殼素脫乙酰度由（5±1）%升高至（39±2）%，表明大部分乙酰基團被脫除。如圖1a所示，甲殼素與S-ChNF的紅外吸收光譜圖差異明顯，這主要歸因于脫乙酰度的變化。甲殼素的特征吸收峰主要位于3 440 cm的O—H鍵的拉伸振動以及位于3 240 cm處的N—H鍵拉伸振動。此外，位于1 660 cm和1 620 cm處的特征峰代表了甲殼素的酰胺I帶，位于1 550 cm處的特征峰代表了甲殼素的酰胺II帶，位于1 310 cm處的特征峰代表了甲殼素的酰胺Ⅲ帶。相較于甲殼素，S-ChNF光譜圖中代表酰胺基團的各個特征峰（位于1 660、1 620、1 310 cm波數處）的透過率明顯降低，表明S-ChNF中大部分酰胺基團被脫除，從而轉變為氨基，對應了脫乙酰度的改變。如圖1b所示，甲殼素與S-ChNF的衍射角2在9.3°及19.3°處均有明顯的特征峰，且分別代表了甲殼素晶體結構的（020）面和（110）面。除此之外，甲殼素的衍射角在23.3°、26.4°、29.4°等位置均存在特征峰，而S-ChNF的衍射角則在28.4°、31.7°等位置存在特征峰，此結果顯示了甲殼素與S-ChNF的晶體結構并未發生明顯變化，僅僅產生了特征峰偏移現象，說明脫乙酰作用只發生在晶體表面，并未破壞其結構。由圖1c可知，所制備的S-ChNF形貌呈現細長的纖維狀。

2.2 KGM/S-ChNF復合凝膠靜態剪切特性分析

如圖2所示，所有KGM/S-ChNF復合凝膠的黏度表現出隨著剪切速率的提高先小幅度提升后逐漸降低的趨勢，呈現出了剪切稀化的現象，是假塑性流體的典型特征。這主要是由于不斷提高的剪切力作用于復合凝膠后產生的導向行為。隨著剪切速率的升高，剪切應力逐漸提高，KGM和S-ChNF分子鏈間的相互作用力被不斷削弱，使得復合體系內的自由大分子鏈從雜亂無序的隨機流動狀態變為趨于一致的沿剪切力方向的均勻流動狀態，相互作用的分子鏈間的間隙被拉大，氫鍵等相互作用力逐漸降低，從而導致復合凝膠的黏度降低呈現出“剪切稀化”的現象。此外，在低剪切速率的條件下，所有復合凝膠黏度小幅度上升的現象可以解釋為當復合凝膠體系受到較小的剪切力作用時，KGM分子鏈以及S-ChNF之間相互作用產生的纏結結構會阻礙沿剪切應力方向的位移，從而提高黏度。對圖2中流變曲線進行冪律方程擬合分析，越小，凝膠流體的假塑性程度越大。由表1可知，冪律方程擬合的均大于0.99，說明此擬合模型準確。隨著S-ChNF添加量的增加，凝膠的黏度增加（圖2），剪切應力降低，由23.174 Pa·s（KGM）增大至29.950 Pa·s（KGM/S-ChNF15），由0.436 63（KGM）降低至0.413 08（KGM/S-ChNF15），此結果再次佐證了上述KGM/S-ChNF復合凝膠均為非牛頓假塑性流體。

由圖2可知，隨著剪切速率的不斷增大，不同KGM/S-ChNF復合凝膠的黏度明顯減小且黏度差異逐漸縮小并趨于重合，這是因為不同質量分數的復合凝膠體系中形成氫鍵作用力均被高剪切力破壞，從而降低氫鍵對復合凝膠體系的黏度增強的差異。這些相似的流動特性在其他多糖中也有相關發現。還可看出，S-ChNF的不同添加量均對凝膠黏度產生積極影響，在相同剪切速率的條件下，KGM/S-ChNF復合凝膠體系的黏度始終高于純KGM凝膠，說明S-ChNF的加入能夠明顯提高凝膠的黏度，使得體系結構更穩定有序。

圖2 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的黏度-剪切速率關系曲線Fig. 2 Viscosity versus shear rate curves of KGM and KGM/S-ChNF gels

表1 各凝膠靜態流變特性的擬合分析Table 1 Fitting parameters for static rheological properties of different gels

2.3 KGM/S-ChNF復合凝膠的動態流變學性能分析

2.3.1 KGM/S-ChNF復合凝膠動態頻率掃描分析

由圖3可知，4 組不同復配比例凝膠的頻率掃描曲線均表現出隨著角頻率的提高，’與”逐漸上升，而*呈下降的趨勢。然而，S-ChNF的不同添加量會導致凝膠的流變學性能產生較大的差異。*隨著S-ChNF添加量的增加而逐漸增大，這可能因為一方面S-ChNF含量的增多，使單位體積內的分子鏈增多，能夠產生更多分子纏結；另一方面KGM與S-ChNF之間產生了更多的氫鍵作用力，增強了復合凝膠的結構，從而導致*上升。由圖3可知，所有曲線在較低角頻率下均表現出’＜”的現象，此時體系表現為黏性凝膠流體；而隨著角頻率的提高，則會出現’＞”的現象，表明此時凝膠體系的彈性趨勢大于黏性趨勢，從而表現出凝膠的彈性特征。此外，’與”之間存在一個交叉點，當S-ChNF的添加量為10%（圖3b）、15%（圖3c）和20%（圖3d）時，交叉點出現時角頻率分別為6.77、4.76、3.77 s，交叉點向低角頻率方向移動，表明分子間氫鍵作用力強，增大了KGM分子鏈移動的阻力，松弛時間變長，凝膠傾向于呈現彈性特征。

圖3 KGM（a）、KGM/S-ChNF10（b）、KGM/S-ChNF15（c）、KGM/S-ChNF20（d）凝膠的黏彈性-角頻率關系曲線Fig. 3 Viscoelastic versus angular frequency curves of KGM (a),KGM/S-CHNF10 (b), KGM/S-CHNF15 (c) and KGM/S-CHNF20 (d) gels

2.3.2 溫度對KGM/S-ChNF復合凝膠黏彈性的影響

從圖4看出，添加S-ChNF后，凝膠的’和”提高，這表明加入S-ChNF能促進KGM形成更穩定的空間網絡結構，且二者的相互作用表現出協同作用。在25～60 ℃中，KGM凝膠的”在整個升溫過程中始終高于’，凝膠的彈性較差，表明KGM凝膠對熱敏感，凝膠體系的網絡結構極易遭受破壞。此外，從圖4還能觀察到每個KGM/S-ChNF復合凝膠的’和”都存在一個交叉點，與純KGM凝膠的交叉點相比，復合凝膠的交叉點向右偏移，表明凝膠耐熱性得到了提升。同時，在交叉點的溫度時，凝膠體系開始從凝膠態轉向溶膠態；在交叉點左側，即溫度較低時（’＞”），凝膠體系中彈性成分主導，具有較強凝膠性；在交叉點右側，即溫度較高時（’＜”），凝膠體系中黏性成分主導，凝膠融化；這主要是因為溫度升高，分子所受到的布朗運動加劇，凝膠體系中維持結構的氫鍵被破壞，導致’和”均顯著降低，復合凝膠也從凝膠態轉向溶膠態。因此，動態流變性能分析表明在KGM凝膠中添加適量添加S-ChNF，能有效提高KGM的黏彈性以及耐熱性。同時，也可利用這一性質，來開發新型的凝膠穩定劑。這為KGM/S-ChNF復合凝膠體系應用到各領域提供理論依據，為KGM/S-ChNF復合凝膠產品技術在更多工業領域的應用提供了可能，從而滿足更多生產技術和消費者的需求。

圖4 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的黏彈性-溫度關系曲線Fig. 4 Viscoelastic versus temperature relationship of KGM and KGM/S-CHNF gels

2.4 KGM/S-ChNF復合凝膠掃描電鏡分析

從圖5可知，KGM凝膠、KGM/S-ChNF10復合凝膠、KGM/S-ChNF15復合凝膠的內部形貌差異明顯。純KGM凝膠整體結構松散空洞、存在大量大小不規則的孔隙，且孔隙僅以纖維須狀物連接，極易受力變形；然而，隨著S-ChNF的加入，復合水凝膠內部形貌得到有限改善，可觀察到凝膠內部的平均孔隙縮小、纖維須狀物減少。尤其是KGM/S-ChNF15復合凝膠內部孔隙大小規則、纖維須狀物較少。這表明KGM與S-ChNF之間的相互作用力能夠維持穩定的網狀結構，S-ChNF能夠增強KGM凝膠的穩定性并很好地改良KGM凝膠的凝膠強度。

圖5 KGM（a）、KGM/S-ChNF10（b）和KGM/S-ChNF15（c）凝膠的掃描電子顯微鏡圖Fig. 5 SEM images of KGM (a), KGM/S-ChNF10 (b) and KGM/S-ChNF15 (c) composite gels

2.5 KGM/S-ChNF復合凝膠紅外光譜分析

圖6 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的紅外光譜圖（a）及氫鍵可能的作用機制圖（b）Fig. 6 FTIR spectra (a) of KGM and KGM/S-ChNF gels and possible mechanism of hydrogen bonding (b)

由KGM/S-ChNF復合凝膠的紅外光譜圖（圖6a）可知，對于純KGM凝膠曲線中，位于3 415、1 727 cm處的尖銳吸收峰，分別代表了O—H伸縮振動以及C＝O振動，是KGM凝膠的主要特征峰，說明KGM中含有大量的羥基和乙酰基等特征基團。相比于純KGM凝膠在O—H伸縮振動吸收峰，KGM/S-ChNF復合水凝膠的O—H吸收峰峰域更寬，且吸收峰強度更強，這表明二者共混相互作用之后含有的羥基數量減少，主要以氫鍵形式吸收并包容大量的游離水。S-ChNF的添加使得復合凝膠出現了波長位于1 612、1 574 cm的兩個新特征峰，這代表S-ChNF中氨基的N—H鍵的彎曲振動，是S-ChNF的主要特征峰，說明S-ChNF很好地填充在KGM的凝膠網絡中。S-ChNF的添加引入了氨基，復合凝膠體系中存在更多N—H能夠在分子間產生更多的氫鍵相互作用。1 630～1 640 cm為氫鍵的吸收峰范圍。圖6a可知，KGM凝膠的氫鍵吸收峰為1 638.4 cm，KGM/S-ChNF10、KGM/S-ChNF15、KGM/S-ChNF20復合凝膠氫鍵的吸收峰則分別是1 639.4、1 639.4、1 638.4 cm。推測復合凝膠中氫鍵的作用機制如圖6b所示，KGM凝膠中隨著S-ChNF的添加，分子間產生了更多的氫鍵相互作用力（KGM分子之間的氫鍵作用以及KGM與S-ChNF之間的氫鍵作用力），這些強氫鍵作用力維持了凝膠的網狀結構。同時，作為納米填料，S-ChNF的顯著填充作用也能夠提高復合凝膠的穩定性。此外，KGM/S-ChNF復合凝膠中O—H（3 411 cm）較KGM凝膠發生紅移（圖6a）。因此，S-ChNF與KGM共混過程中發生的協同作用，能夠增強氫鍵相互作用，維持更穩定復合水凝膠網狀結構，且復合凝膠具有更強的吸水性和保水性。

2.6 KGM/S-ChNF復合凝膠X射線衍射分析

如圖7所示，KGM凝膠在衍射角2為21°時出現了一個弱峰，這說明KGM凝膠處于無定型狀態，屬于非晶態結構。而隨著S-ChNF的加入，KGM/S-ChNF10、KGM/S-ChNF15復合凝膠的衍射特征峰分別在衍射角2為21°和23°處，KGM/S-ChNF15復合凝膠的衍射特征峰發生偏移。相較于純KGM凝膠的衍射圖譜，復合凝膠的峰面積增加，表明KGM與S-ChNF在體系中相容性很好，結構更穩定，結晶度降低。

圖7 KGM/S-ChNF復合凝膠的X射線衍射圖譜Fig. 7 X-ray diffraction patterns of KGM/S-ChNF composite gels

2.7 KGM/S-ChNF復合凝膠熱穩定性分析

如圖8所示，所有的凝膠樣品熱降解過程均可分為3 個階段。第1階段主要是水分的散失，25～100 ℃主要是凝膠內部水分的散失，150～200 ℃則主要與分子間水份散失有關。第2階段主要是氫鍵的破壞以及多糖分子鏈的斷裂，250～350 ℃質量損失最大，是熱降解的主體過程。最后階段的質量損失速率小，溫度跨度較大，主要是多糖分子主鏈進一步熱降解所致。當溫度達到600 ℃時，復合凝膠的最終質量分數均高于純KGM凝膠質量分數，說明S-ChNF的加入能夠提高復合凝膠的熱穩定性。值得注意的是，KGM/S-ChNF15復合凝膠在整個熱降解過程中，質量損失速率明顯低于其他凝膠，這說明在此配比下制備的復合凝膠具有更穩定的結構。

圖8 KGM和KGM/S-ChNF凝膠的熱重分析圖Fig. 8 Thermogravimetric analysis of KGM and KGM/S-ChNF gels

3 結 論

以KGM和S-ChNF為實驗原料，將二者共混制成復合凝膠，運用掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射圖譜以及熱重分析等方法對不同配比的KGM/S-ChNF復合凝膠的流變行為進行討論。結果表明：KGM/S-ChNF復合凝膠是一種假塑性流體；S-ChNF的加入對復合凝膠的流變性能有明顯改善，有利于優化和改善流體性能；KGM與S-ChNF存在相互作用，且體系中KGM起主導作用，隨著S-ChNF含量的增加，兩者間的相互作用增強，并在一定比例下使凝膠的空間網絡結構變得更加穩定，從而使復合凝膠的穩定性提高；由掃描電子顯微鏡分析可知，S-ChNF和KGM彼此表現為良好的促進作用，使得復合凝膠體系的三維網狀結構得到增強，且KGM凝膠各方面性能都得到有效的完善；由X射線衍射圖譜分析可知，KGM和S-ChNF的相容性很好，混合之后結晶度降低；由熱重分析可知，S-ChNF的添加能夠有效提高復合凝膠的熱穩定性。因此，上述結果表明S-ChNF能夠提升KGM凝膠的整體性能。然而，本研究僅針對S-ChNF對KGM凝膠的性能影響進行研究，未來可以深入研究KGM/S-ChNF復合凝膠作為載體在食品工業及生物醫藥領域的應用。