魔芋葡甘聚糖与羧甲基淀粉复配凝胶稳定性研究

徐焱春，丁保淼，徐振明，田志宏，*

(1.长江大学生命科学学院，湖北荆州434025;2.湖北达雅化工技术发展有限公司，湖北荆州434000)

魔芋(Amorphophalms konjac)为天南星科魔芋属植物的泛称，是一种多年生宿根块茎草本植物，在我国其主要分布于四川、湖北、贵州、陕西等地山区［1］。魔芋经过粗加工后制成魔芋粉，其主要成分为魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，简称KGM)，它是魔芋中的主要活性物质，对于魔芋葡甘聚糖的一级结构，目前比较公认的说法是，由D-葡萄糖和D-甘露糖以1∶1.6、1∶1.5 物质的量的比，通过β-1，4-糖苷键和β-1，3-糖苷键等连接而成的，而且在某些糖残基C-3 位和C-6 位上存在含有乙酰基的支链，这可能与其凝胶性有关［2-5］。据研究显示，魔芋葡甘聚糖在食品、医药、果蔬保鲜等方面有着广泛的应用前景［6-8］。在实际应用中魔芋葡甘聚糖其凝胶存在稳定性差的缺点，这大大限制了其在实际生产中的应用。文献研究表明魔芋胶与其他胶体复配具有协同作用，不仅可以大大地改善魔芋胶的性能，而且还可以研究出新型的、低成本的、集合多种胶体优良性能的产品［9-10］。本文以魔芋葡甘聚糖与羧甲基淀粉进行复配，探讨各影响因素对复配胶凝胶强度的影响情况，并为提高魔芋的利用价值及其实际应用提供一定的理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋精粉、羧甲基淀粉 湖北达雅化工技术发展有限公司提供;其它试剂 均为分析纯。

TMS-PRO 型质构仪 美国食品技术公司生产。

1.2 实验方法

1.2.1 复配凝胶的制备 按照一定的KGM∶CMS 复配比例和浓度，将称量好的魔芋精粉和羧甲基淀粉分别倒入盛有蒸馏水的烧杯中，放置在温度分别为30、45、60、75、90℃的恒温水浴锅中，持续搅拌一段时间后，取出烧杯在室温下分别放置一定时间后，测量其凝胶强度。

1.2.2 复配凝胶的强度测定 凝胶强度是指使凝胶破裂的单位表面积上所承受的力。使用质构仪测定凝胶强度，测试程序参数如下:测试速度60mm/min，测试距离20mm，探头使用直径为3.6cm 的圆柱平底体探头。质构仪测定参数的定义:定义凝胶的强度为，测试中探头做的功，即正峰值下的正面面积，单位为mJ。

1.2.3 单因素实验

1.2.3.1 总浓度对魔芋葡甘聚糖-羧甲基淀粉复配凝胶强度的影响 固定KGM 和CMS 复配比例为8∶2(w/w)，凝胶温度为60℃，凝胶时间为1h，改变复配胶的总浓度(20、30、40、50、60g/L)，探讨浓度对凝胶强度的影响。

1.2.3.2 复配比例对复配凝胶强度的影响 固定KGM 与CMS 复配凝胶的总浓度为20g/L，凝胶温度为60℃，凝胶时间为1h，改变KGM 与CMS 质量比例(10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10)，考察其对复配凝胶的强度影响。

1.2.3.3 凝胶温度对复配凝胶强度的影响 固定KGM 和CMS 复配比例为8∶2(w/w)，总浓度20g/L，凝胶时间1h，改变其凝胶温度(30、45、60、75、90℃)，观察温度对复配凝胶强度的影响。

1.2.3.4 煮胶时间对复配凝胶强度的影响 固定KGM 和CMS 复配比例8∶2(w/w)，总浓度20g/L，凝胶温度60℃，改变其煮胶时间(30、45、60、75、90、105、120min)从而提高复配体系的凝胶强度。

1.2.3.5 常温放置时间对复配凝胶强度的影响 固定KGM 和CMS 复配比例8∶2(w/w)，总浓度20g/L，凝胶温度60℃，凝胶时间1h，改变复配凝胶在常温下的放置时间分别为0、4、8、12、16、20、24、28、32h。

1.2.3.6 盐离子对复配凝胶强度的影响 固定KGM和CMS 比例8 ∶2(w/w)，总浓度20g/L，凝胶温度60℃，凝胶时间1h，改变盐离子(KCl)的质量分数分别为0.1%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8% (占蒸馏水体积)。

2 结果与分析

2.1 总浓度对魔芋葡甘聚糖-羧甲基淀粉复配凝胶强度的影响

浓度是复配溶胶转变为凝胶的一个必要条件，只有达到一定的浓度值，才有可能形成凝胶。结果如图1。

图1 总浓度对复配凝胶强度的影响Fig.1 The effect of the total concentration on the gel strength

从图1 中可以看出，总浓度与凝胶的强度呈3 次方多项式相关性(R2=0.999)，相关性方程如下:y =0.0004x3-0.0484x2+2.0363x-19.572

随着总浓度的不断增加，凝胶的强度也不断增大，其可能的原因是随着总胶浓度的增大，复配胶分子占的体积增大，加大了相互作用的机率，故凝胶强度增大［11］。然而，在一定温度和一定煮胶时间条件下，浓度越大所形成的凝胶气泡越多且越大，且表面易形成一层膜，对凝胶实际强度测定带来一定的误差。

2.2 复配比例对复配凝胶强度的影响

KGM 与CMS 复配比例对复配胶的协同作用有重要影响，结果如图2。

图2 KGM-CMS 的复配比例对凝胶强度的影响Fig.2 KGM-CMS compound proportion affect gel strength

由图2 可知，当比例在8∶2 时，复配凝胶的强度达到最大值，为52mJ;随着比例的降低，凝胶强度也降低，当比例为4∶6 时，复配凝胶强度与单体魔芋葡甘聚糖凝胶强度相当;但随着比例的继续降低，复配凝胶强度则小于单体魔芋葡甘聚糖凝胶强度。说明当复配比例大于4∶6 时，复配凝胶体系中起主导作用的是魔芋葡甘聚糖，而当复配比例小于4∶6 时，起主导作用的是羧甲基淀粉。

2.3 凝胶温度对复配凝胶强度的影响

温度是对复配凝胶强度的一个重要的影响因素，结果如图3。

图3 温度对凝胶强度的影响Fig.3 The effect of temperature on the gel strength

图3 显示了温度与复配凝胶强度的关系，随着温度的增高，凝胶强度也随之增大，当温度增高到75℃时，复配凝胶强度达到最大值51.9mJ;当温度处于75～90℃之间时，凝胶体系的强度有所下降，但高于低温下和常温下的凝胶强度，可能的原因是高温加速了分子的运动速率和提高了分子的活力，加大了分子之间的碰撞机会，然而持续高温也有可能破坏了部分分子结构［12］，影响了其原有的性质。

2.4 煮胶时间对复配凝胶强度的影响

煮胶是为了使魔芋葡甘聚糖与羧甲基淀粉分子间充分反应，从而提高复配体系的凝胶强度，结果如图4。

图4 煮胶时间对凝胶强度的影响Fig.4 The effect of the cook glue time on the gel strength

由图4 可得知，煮胶时间90min 时，复配凝胶的强度达最大值63.4mJ;图4 中还显示出，小于60min时，复配凝胶的强度变化不大，且均较小，从60 ～120min 之间，复配凝胶的强度变化剧烈，60min 是一个拐点，可能是由于随着煮胶时间的延长，分子间有足够的时间发生碰撞，慢慢形成大量氢键［13］;凝胶强度先是急剧增加到90min 时，然后又急剧下降，90min时间是一个临界点，造成这种变化可能的原因是随着持续高温的煮胶，部分分子发生降解，从而凝胶强度下降。

2.5 常温放置时间对复配凝胶强度的影响

对放置时间的探讨是基于在实际应用中，提高复配凝胶产品的性能，其结果如图5。

图5 放置时间对复配凝胶强度的影响Fig.5 The effect of deposited time on the gel strength

如图5 所示，随着放置时间的延长，复配凝胶强度也增强;当放置时间为24h 时，复配凝胶的强度增加到最大值，即62.98mJ;当放置时间超过24h 后，复配凝胶的强度开始下降;可能是由于凝胶存放时间过长，分子间已形成的牢固的网格结构降解，凝胶的强度下降所致。

2.6 盐离子对复配凝胶强度的影响

KCl 含量对复配凝胶强度的影响结果如图6。

图6 表明，KCl 质量分数与复配凝胶的强度呈负相关性，随着KCl 含量的不断增加，复配凝胶强度不断减小，而且在KCl 含量为0.1%～0.2%之间，凝胶强度下降最剧烈;导致凝胶强度降低的原因可能是由于加入离子后，破坏了原有两种多糖分子间的绞合，妨碍了氢键的形成，从而影响了凝胶的强度。

图6 KCl 质量分数对凝胶强度的影响Fig.6 The effect of KCl concentration on the gel strength

3 结论

利用KGM 与CMS 的协同增效作用，以CMS 改善KGM 的凝胶性能，制备了KGM-CMS 复配凝胶，KGM 的凝胶性能得到了大大的改善。实验结果表明，总胶浓度为20g/L 时即可得性质良好的复配凝胶，且复配凝胶的稳定性随着总胶浓度的增加而明显提高;复配凝胶的最优制备工艺为:KGM∶CMS 比例8∶2(w/w)，煮胶温度75℃，煮胶时间90min，常温放置时间24h。同时研究发现，KCl 会降低复配凝胶的稳定性。本研究为KGM-CMS 复配凝胶的实际应用提供了一定的科学依据。

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