多頻脈沖超聲對以赤蘚糖醇為共溶質的桃漿-卡拉膠共混凝膠體系性質的影響

呂明月，呂 健，謝 晉，王鳳昭，畢金峰,*

（1.中國農業科學院農產品加工研究所，農業農村部農產品加工重點實驗室，北京 100193；2.沈陽農業大學食品學院，遼寧 沈陽 110866）

桃（AmygdaluspersicaLinn），薔薇科（Rossaceae）李屬（Prunus），肉質鮮美，含有碳水化合物、膳食纖維、維生素等營養素[1]。一方面，桃漿作為終產品能夠較好地保留鮮果的可溶性固形物、風味和營養成分；另一方面，桃漿作為果蔬加工產業的重要中間基料，輔以天然多糖等基材，可構建果漿-多糖共混凝膠體系，用于半固體可食性凝膠食品的開發。基于多糖分子與桃漿原料中的大分子組分的交互作用，可以改善使用單一食品高分子基材制備可食性凝膠食品存在的質構等品質缺陷問題[2]。隨著提取和純化技術的發展進步，天然多糖（如淀粉、卡拉膠、果膠、海藻酸鈉等）呈現出普遍性和低成本的特點，加之其優良的生物相容性，使天然多糖在共混凝膠體系類食品制造中得到廣泛應用[3]。其中，卡拉膠是從海藻中提取出的天然親水線性硫酸多糖，由半乳糖和3,6-脫水半乳糖通過α-1,3和β-1,4糖苷鍵交替連接而成[4]，因其良好的凝膠性、增稠性及抗氧化性等多重屬性而在共混凝膠體系中具有廣泛的應用。根據雙糖重復單元中所含硫酸酯基團數量的不同，可將卡拉膠分為κ-型、ι-型、λ-型。其中，κ-型卡拉膠（κ-carrageenan，κ-C）的每個雙糖重復單元僅有1 個硫酸酯基團[5]，因而具有更優的膠凝能力，多被用于改善食品的黏度、流變性等質構特征。κ-C有助于食品形成更為致密的凝膠結構，從而可制備具有更高硬度、剛度及一定脆性的胡蘿卜泥產品[6]；κ-C與土豆泥中的馬鈴薯淀粉產生協同作用有助于增強樣品的三維網絡結構，形成黏稠度更高的土豆泥[7]；κ-C的膠凝性可以使白菜、豌豆等蔬菜泥的微觀結構更致密，改善其3D打印性能[8]。由此可見，利用κ-C的凝膠性是制造加工可食性凝膠食品的關鍵，但是其在食品中單獨使用可能會導致凝膠食品出現脆性增加、易析水等缺陷[9]，可以通過優化加工參數或輔以糖分子等食品成分的方式改善κ-C的凝膠特性。蔗糖有助于κ-C凝膠形成更粗更致密的纖維束網絡結構，從而改善其凝膠強度和持水性[10]；環糊精的加入影響κ-C無規則線圈的重新排列，從而改善κ-C的質構特性和凍融穩定性[11]。超聲處理可以使κ-C多糖的鏈狀結構被降解，增加κ-C的溶解度從而提升其黏稠度[12]。順應“大營養大健康”的社會發展需求，降低蔗糖等游離糖的攝入，赤蘚糖醇因其甜味爽凈且具有高穩定性、低糖醇類物質，低升糖指數和低熱值等特性在食品中的應用研究不斷深入[13]。

超聲波技術在液態或半固態體系中產生的空化效應伴隨強烈的沖擊波和微射流產生的剪切力有利于促進共混凝膠體系中大分子物質之間的相互作用，進而有效改善終產品的品質特性[14]。其中，超聲波的空化效應能夠增強共混乳液凝膠體系中大豆蛋白-果膠-大豆油三者之間的氫鍵、范德華力和疏水相互作用，使其形成更為均勻和致密的乳液凝膠[15]。超聲波的微束流和空化作用能夠誘導雞血漿蛋白-魔芋葡甘聚糖凝膠共混體系中蛋白結構膨脹和構象變化，增加蛋白的疏水性和二硫鍵的數量，進而促進蛋白分子間的共價交聯作用，并誘導魔芋葡甘聚糖在凝膠形成過程中交聯到血漿蛋白凝膠網絡中，賦予了最終產品優異的凝膠強度和保水性[16]。相比較單頻脈沖超聲處理，多頻脈沖超聲因其更為強烈的空化效應、機械力和沖擊波，可以有效促進酪蛋白酸鈉和玉米醇溶蛋白之間的相互作用，制備更穩定的納米顆粒[17]。此外，多頻脈沖超聲能夠更強烈地促使淀粉溶解度的增加，使其結構和性質發生更明顯的變化（如淀粉顆粒膨脹），從而改善淀粉在亞油酸中的分散性，增加淀粉與亞油酸之間接觸反應的可能性[18-19]。

本實驗以桃漿為基料，輔以κ-C和赤蘚糖醇構建共混凝膠體系，解析多頻脈沖超聲處理對其流變性能、粒徑、電學特性、水分分布、微觀結構等特性的影響，旨在為以桃漿為基質的復合凝膠共混體系產品的制造與加工提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

桃果實由北京市農林科學院林業果樹研究所提供，采自北京平谷前芮營桃育種和試驗示范基地。要求果實顏色、大小相近，成熟度基本一致、無明顯病蟲害和機械損傷。原料運回實驗室后貯藏于4 ℃冷庫。

κ-C（分析級，純度99%，淡黃色粉末）、赤蘚糖醇（分析級，純度99%，白色粉末）上海源葉生物科技有限公司。

1.2 儀器與設備

WKS900B/3S三頻超聲波反應器 江蘇江大五棵松生物科技有限公司；Microtarc S3500激光粒度分析儀美國Microtarc公司；Physica MCR301流變儀 奧地利AntonPaar公司；TENSOR27傅里葉變換紅外光譜儀德國Bruker公司；SU8010掃描電子顯微鏡 日本日立公司；S479-uMix 型多參數測定儀 梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；PQ001低場核磁共振儀蘇州紐邁分析儀器股份有限公司；IM3570阻抗分析儀日置（上海）商貿有限公司；BLK190613PD真空冷凍干燥機 江蘇博萊客冷凍科技發展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 以赤蘚糖醇為共溶質的桃漿/κ-C共混凝膠體系的制備

根據前期預實驗結果構建共混凝膠體系：桃果實經清洗、去皮、去核后，將果肉與蒸餾水以質量比4∶1比例打漿，打漿時間為150 s，打漿機轉速為32 000 r/min。稱取2 gκ-C和10 g赤蘚糖醇于燒杯中，加入88 mL蒸餾水攪拌溶解，后加入100 g桃漿，充分攪拌使其混合均勻。

1.3.2 多頻脈沖超聲處理

超聲頻率設置為單頻（20 kHz）、雙頻（20＋28 kHz）和三頻（20＋28＋40 kHz）；設置脈沖條件為脈沖時間3 s，間隔2 s；超聲功率300 W，超聲時間30 min。以未進行超聲處理的樣品作為對照組。

1.3.3 流變特性測定

表觀黏度：采用流變儀對樣品的表觀黏度進行測定。取2.3 mL樣品于流變儀平行板（直徑50 mm）之間，平板間隙尺寸1 mm，使用水循環系統控制樣品測定溫度為（25±1）℃。在剪切速率從0.1～100.0 s-1范圍內測定樣品的表觀黏度隨剪切速率的變化。采用Power-Law模型（下式）對實驗數據點進行回歸擬合。

式中：τ是剪切應力/Pa；k是稠度系數/（Pa·sn）；n是流動指數。

彈性模量（G’）和損耗模量（G”）：通過在1 Hz下進行應變掃描測試，確定樣品的線性黏彈區，設置掃描應變振幅0.1%，角頻率（ω）范圍0.1～100.0 rad/s，測定樣品G’和G”隨ω的變化[20]。

1.3.4 粒徑的測定

采用激光粒度儀對樣品的顆粒粒徑分布進行測定。樣品粒徑參數包括D[4,3]、D[3,2]和D50，分別代表樣品的體積平均直徑、表面平均直徑和中值粒徑。

1.3.5 電學特性的測定

電導率：采用多功能參數測定儀的電導率模式測定。

阻抗：采用阻抗分析儀測定樣品的阻抗和相位角。進行開路、短路校正后，在檢測頻率1 kHz、電壓1 V條件下進行測定。

1.3.6 水分分布的測定

采用低場核磁共振儀測定樣品中的水分分布。取2 mL樣品注入核磁管中，使用多脈沖回波序列測試橫向弛豫時間T2。參數設置如下：采樣頻率100 kHz，90°脈寬5.40 μs，180°脈寬8.40 μs，采樣點數1 200 036，回波個數12 000，回波時間1 ms[21]。

1.3.7 傅里葉變換紅外吸收光譜測定

樣品經真空冷凍干燥后與KBr粉末混合，研磨均勻后壓成透明薄片，于室溫干燥環境下進行傅里葉變換紅外光譜掃描。設置分辨率為4 cm-1，掃描范圍為400～4 000 cm-1[22]。

1.3.8 微觀結構觀察

樣品經冷凍干燥后切成薄片用導電膠固定于樣品臺上進行噴金處理。利用掃描電子顯微鏡在10 kV的加速電壓下分別于200 倍和400 倍下進行觀察并拍照[23]。

1.4 數據處理與分析

通過SPSS 26.0軟件進行ANOVA差異顯著性分析（P＜0.05），使用Origin 2022軟件進行數據擬合和作圖。每個實驗均重復3 次，結果以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系流變特性的影響

初始狀態時，共混凝膠體系的表觀黏度高于對照組；隨著剪切速率的增加，共混凝膠體系表觀黏度逐步降低（圖1A），呈現出典型的剪切稀化特性，即假塑性流體。進一步利用Power-Law模型（表1）對表觀黏度結果進行擬合（R2＝0.97～0.99）發現，隨著脈沖超聲頻率的增加，樣品的稠度系數（k）升高，流動指數（n）降低，表明在相同的剪切速率下，多頻脈沖超聲處理能夠提升共混凝膠體系的表觀黏度。這可能是由于脈沖超聲降低了分子間和分子內力如氫鍵、疏水力和范德華力[12]等的相互作用力，進而誘導高度聚集的簇狀卡拉膠分子結構伸展；另一方面，脈沖超聲可以促進桃漿中細胞壁多糖等大分子物質的“增溶”[24]，暴露出更多的可接觸基團，赤蘚糖醇的空間位阻作用也被降低，從而使卡拉膠-桃漿-赤蘚糖醇之間的相互作用增強。此外，多頻脈沖超聲的空化和剪切效應有利于增強顆粒之間的作用[25]，表現為體系表觀黏度的增加。

表1 共混凝膠體系流變特性模型擬合參數Table 1 Model fitting parameters of rheological properties of the blend gel system

圖1 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系流變特性的影響Fig.1 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on rheological properties of the blend gel system

多頻脈沖超聲處理后共混凝膠體系的G’（凝膠的機械強度或彈性的指標）和G”（類似液體的性質或黏度的指標）的變化如圖1B、C所示。其中，G’始終大于G”，表明所制備的體系屬于凝膠體系。G’和G”均隨著ω的增加而增加，在低ω范圍內，G’和G”增加不明顯；而在較高ω范圍內，G’和G”明顯增加。單頻和雙頻脈沖超聲處理后，G’和G”均高于對照組，可能是脈沖超聲使體系顆粒減小，顆粒間相互作用增強，形成更為均勻的黏彈性升高的凝膠體系[26]。特別地，三頻脈沖超聲處理使G’和G”降低，可能是由于三頻脈沖超聲處理條件下體系粒徑在更為強烈的空化效應作用下減小，小尺寸顆粒決定低黏度，體系黏彈性下降。由此也可以看出，體系粒徑以復雜的方式影響著體系的流變特性。

2.2 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系粒徑的影響

多頻脈沖超聲對共混凝膠體系粒徑的影響如表2所示。隨著脈沖超聲頻率的增加，D50、D[4,3]、D[3,2]均呈現出逐漸降低的趨勢。相較于對照組，單頻脈沖超聲處理并未顯著降低共混凝膠體系的D50（P＞0.05）；隨著脈沖超聲頻率的增加，共混凝膠體系的D50顯著降低（P＜0.05），在三頻脈沖超聲處理時達到最小（561.70 μm），與對照組相比下降了12.32%。D[4,3]多用于表征共混凝膠體系中的大顆粒[27]。相比較對照組，單頻脈沖超聲處理組D[4,3]未呈現顯著差異（P＞0.05），雙頻和三頻脈沖超聲處理分別使D[4,3]降低至608.87 μm和584.50 μm，降幅分別為6.03%和9.80%。D[3,2]用于表征共混凝膠體系中的小顆粒，單頻和雙頻脈沖超聲均未顯著影響共混凝膠體系的D[3,2]（P＞0.05），三頻脈沖超聲則顯著降低了D[3,2]（391.40 μm）（P＜0.05），比對照組降低了7.57%。雙頻和三頻脈沖超聲強烈的空化效應會產生更強的機械剪切力促使共混凝膠體系中顆粒進一步減小[28-29]，此外，超聲處理所誘導的各組分間交互作用的增強及減輕的赤蘚糖醇等的空間位阻效應也有利于組分間結合的更為緊密[28]，進而呈現出更低的共混凝膠體系粒徑。

表2 脈沖超聲頻率對共混凝膠體系粒徑的影響Table 2 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on particle size of the blend gel system

2.3 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系電學特性的影響

電學特性是對共混凝膠體系導電性能的評價，其中電導率表示凝膠體系傳導電流的能力[30]，多取決于原料的組成成分、顆粒大小、可溶性成分的類型和濃度等因素；阻抗用于表征額定電壓下自由離子或帶電化合物可活動程度。明確樣品的電學特性有助于理解脈沖超聲處理對共混凝膠體系中帶電粒子行為變化的影響?；谔覞{細胞膜和液泡膜電容的特性，對照組體系中帶電粒子的活動受阻，表現為最低的電導率、相位角絕對值及最大的阻抗值（表3）。與對照組相比，多頻脈沖超聲處理能夠顯著影響共混凝膠體系中帶電粒子的變化行為，但單頻和雙頻脈沖超聲處理條件下的電導率未呈現顯著變化（P＞0.05），三頻脈沖超聲處理的共混凝膠體系呈現出最大的電導率（2 288.37 μS/cm）、相位角絕對值（15.28°）和最小的阻抗（285.03 Ω），電導率和相位角絕對值分別比對照組增加了10.15%、35.82%，阻抗降低了38.52%。多頻脈沖超聲的空化效應有助于桃漿細胞壁中果膠、蛋白質等帶電大分子物質以及細胞質中有機酸、礦物質等帶電離子的溶出富集[31]，加之多頻脈沖超聲的電穿孔效應，可誘導細胞膜孔洞的產生，進而降低帶電粒子運動的阻力，同時高頻超聲波能夠增強帶電粒子運動排列的有序性，使體系內電阻成分所占比例減小[32]。

表3 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系電學特性的影響Table 3 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on electrical properties of the blend gel system

2.4 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系水分及其分布的影響

圖2為多頻脈沖超聲處理后共混凝膠體系的弛豫時間（T2）分布及峰面積比例的變化。共混凝膠體系的T2在0.1～10 000 ms弛豫時間內分布有3 個峰（圖2A），從左到右依次為：T21（0.1～10 ms）代表結合水，主要與共混凝膠體系中的大分子物質如卡拉膠、細胞壁組分等緊密結合；T22（10～100 ms）代表不易流動水，主要固定在凝膠網絡結構中；T23（100～1 000 ms）代表自由水，主要存在于凝膠網絡結構之外，流動性最強[33]。各峰（T21、T22和T23）面積百分比為各組分水所占的百分比，分別標記為PT21、PT22和PT23（圖2B）。由圖2A可知，對照組樣品中的水分主要由大部分的自由水和少量的不易流動水組成；脈沖超聲處理會引起T23弛豫峰左移，峰值降低（PT23減小，PT22增大），水分流動性降低；隨著超聲頻率的增加，T23弛豫峰的左移和降低幅度更為顯著。三頻脈沖超聲處理的共混凝膠體系水分分布圖中出現結合水（PT21增加），可能是由于脈沖超聲的機械和空化作用促使共混凝膠體系各組分之間結合得更緊密，體系的穩定性增強，水分子的流動性降低。此外，脈沖超聲使體系顆粒減小，與水結合的表面積增加，有利于共混凝膠網絡捕獲更多的水分子，出現了更穩定的結合水[15]。

圖2 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系水分分布的影響Fig.2 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on water distribution in the blend gel system

2.5 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系傅里葉變換紅外光譜的影響

圖3 顯示共混凝膠體系特征峰主要包括：3 289～3 500 cm-1處的寬吸收峰是—OH的振動吸收峰，2 908 cm-1處對應的是C—H的振動吸收峰，為多糖的典型吸收峰，1 640 cm-1處的振動是由聚合物結合水引起的，1 255 cm-1處的吸收峰是硫酸酯基團的拉伸振動峰，920 cm-1處的吸收峰是C—O—C（3,6半乳糖吡喃糖）基團的拉伸振動峰[34]。相比較對照組，脈沖超聲處理組樣品的紅外吸收光譜吸收峰形狀大致相同，無新的吸收峰出現或特征峰消失，表明無新基團產生，凝膠的結構也沒有被破壞。然而，隨脈沖超聲頻率的增加，樣品在氫鍵波長范圍（3 289～3 500 cm-1）的峰值向短波數方向移動，表明脈沖超聲波的空化效應產生的剪切力和湍流增強了體系各成分之間的氫鍵相互作用[35]。

圖3 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系傅里葉變換紅外吸收光譜的影響Fig.3 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on Fourier transform infrared spectrum of the blend gel system

2.6 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系微觀結構的影響

多頻脈沖超聲處理對共混凝膠體系微觀結構的影響如圖4所示。對照組樣品未形成典型的網絡結構，表面較為粗糙且空腔孔隙大小不均勻。多頻脈沖超聲處理明顯改善了共混凝膠體系的空腔結構。經過單頻脈沖超聲處理后，樣品中可明顯觀察到在超聲波在體系內部傳導產生的空化效應和機械效應誘導作用下，組織結構原有的孔道擴張而產生的新的微通道[36]，這有助于電流通過，促使電阻下降。雙頻脈沖超聲處理產生的更強烈的空化和剪切效應，促使空化泡運動加劇，振動幅度增加，樣品空腔進一步擴增，有助于體系中帶電離子的溶出從而使電導率增加。三頻脈沖超聲處理的共混凝膠呈現出更為均勻、致密、表面光滑的孔隙結構，可能是由于更強烈的空化效應和機械剪切對樣品起到一定的均質作用[37]；更為致密的共混凝膠網絡結構具有更強的水分子捕獲能力，使水分子的流動性降低，共混凝膠體系表觀黏度上升，這與傅里葉變換紅外吸收光譜和表觀黏度實驗結果相一致。

圖4 多頻脈沖超聲對共混凝膠體系微觀結構的影響Fig.4 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on microstructure of the blend gel system

3 結論

本實驗系統研究了多頻脈沖超聲對以赤蘚糖醇為共溶質的桃漿-卡拉膠共混凝膠體系特性的影響。結果表明多頻脈沖超聲處理可使共混凝膠體系的表觀黏度升高，且表觀黏度隨著脈沖超聲頻率的增加而顯著升高；單頻和雙頻脈沖超聲處理會提高G’和G”，三頻脈沖超聲處理則會降低G’和G”。多頻脈沖超聲處理產生的強烈的空化作用和機械剪切力能夠促使共混凝膠體系中出現更多均質化的小顆粒，降低體系的阻抗，增強電導率和相位角絕對值，且脈沖超聲頻率越大，影響越顯著。微觀結構分析表明，單頻和雙頻脈沖超聲處理促使共混凝膠體系出現了微通道和較大的孔隙結構，三頻脈沖超聲處理更為強烈的空化作用和機械剪切力對共混凝膠體系產生了均質作用，有利于形成更為致密的網絡結構，表現為氫鍵相互作用的增強以及對水分子絡合作用的增強、水分子流動性降低。綜合上述結果，超聲處理可以改善桃漿-卡拉膠共混凝膠的品質，拓寬了超聲處理技術在凝膠食品加工領域的應用。