普鲁兰多糖对κ-卡拉胶凝胶特性及流变学性质的影响

刘国军，盛 龙，童群义

（江南大学食品学院，江苏无锡214122）

普鲁兰多糖对κ-卡拉胶凝胶特性及流变学性质的影响

刘国军，盛 龙，童群义*

（江南大学食品学院，江苏无锡214122）

研究了普鲁兰多糖对κ-卡拉胶凝胶特性和流变学性质的影响。实验表明：κ-卡拉胶的凝胶强度、凝胶温度和熔化温度随着κ-卡拉胶和K+的浓度的增加而增加。随着普鲁兰多糖添加量的增加，κ-卡拉胶的凝胶强度、凝胶温度和熔化温度出现一定程度的升高，胶体的持水能力得到改善，胶液的流动行为指数（n）减小，表观粘度逐渐增大，胶液近似于牛顿型流体。

普鲁兰多糖，κ-卡拉胶，凝胶特性，流变性质，持水能力

普鲁兰多糖（pullulan）是一种由出芽短梗霉分泌的胞外多糖，它是由麦芽三糖重复单元通过α-（1-6）-糖苷键连接而成[1-2]。普鲁兰多糖安全无毒，具有良好的溶解性、生物相容性，且耐热、耐盐、耐酸碱，其溶液无色、无味、不离子化、不凝胶化。普鲁兰多糖具有良好的可塑性和成膜性能，其膜具有很好的机械性能与阻隔性能。因此，被广泛的作为食品、药品包装材料来使用[3-4]。

卡拉胶（carrageenan），也叫角叉菜胶，主要是从红藻的角叉菜属、麒麟菜属等海藻中获得。根据卡拉胶的来源、片段的结构及联接方式，可以分为kappa（卡帕）、iota（阿欧塔）、lambda（莱姆达）等三种类型[5]。其中以κ-卡拉胶较为常见。κ-卡拉胶是由α（1-3）-D-半乳糖-4-硫酸盐和β（1-4）-3-6-脱水-D-半乳糖的部分硫酸酯基所组成。κ-卡拉胶是钾离子敏感型卡拉胶，具有较好的热可逆凝胶性、增稠性、乳化性，且安全无毒，因而被广泛用于食品中[6]。

但是，普鲁兰多糖溶液不具有凝胶性能，在利用传统的机械设备来制备一些特殊的药品包装时（比如空心胶囊壳）存在着较大的困难。因而，在实际应用中通常需要通过与一种或多种具有凝胶性能的多糖（比如卡拉胶）复配来解决这一问题。

目前，关于普鲁兰多糖对卡拉胶胶凝胶性能、流变学性质影响的相关研究较少。本文主要通过流变仪、质构仪对κ-卡拉胶浓度、K+含量以及普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶性能、流变学性质的影响进行了测定。以期更好的为κ-卡拉胶、普鲁兰多糖在实践中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

食品级κ-卡拉胶（κ-CA） 滕州市海藻工程技术有限责任公司；普鲁兰多糖 日本林园生化有限公司上海分公司；KCl上海市国药化学试剂有限公司。

TA.XTPlus质构仪 英国SMS公司；恒温磁力搅拌器 金坛市新航仪器厂；恒温水浴锅 巩义市予华仪器有限公司；AR-G2旋转流变仪 美国TA仪器公司；离心机 无锡市瑞江分析仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 胶液的配制 实验室配制了两套不同浓度的混合样品进行测定。其一为：配制不添加普鲁兰多糖、κ-卡拉胶浓度分别为（w/v）：0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，K+（mmol/L）：0、4、8、12、16、20mmol/L的混合样品；其二为：选取κ-卡拉胶、K+浓度浓度分别为：0.4%、12mmol/L；0.6%、8mmol/L两个梯度，改变普鲁兰多糖的添加量（w/v）：0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%。

按照配比要求将预备好的κ-卡拉胶、普鲁兰多糖粉末和KCl溶液倒入盛有100mL去离子水的150mL的烧杯中，在磁力搅拌器上充分搅拌10min使胶体充分水化，然后放入70℃的水浴中加热20min，并不断搅拌，使胶体充分溶解同时记录加热过程中散失的水分，并用去离子水补充。在添加普鲁兰多糖时要边搅拌边倒入防止普鲁兰多糖结块影响溶解速度。

1.2.2 凝胶强度测定 参照文献[7]的方法。将制备好的胶液分别倒入型号相同的50mL的小烧杯中密封，放入20℃的恒温水浴中保温12h后采用TA.XTPlus质构仪测定凝胶破裂时所需要的最大力，即凝胶强度。测试条件：P/0.5型探头，测前速度：3mm/s，测试速度为：1mm/s，测后速度：3mm/s，压缩距离：1cm，触发力：5g。每个样品做三次平行。

1.2.3 静态流变学实验 采用AR-G2旋转流变仪，对添加普鲁兰多糖的κ-卡拉胶胶液在60℃下，剪切速率从0.1s-1增加到100s-1然后立刻从100s-1降到0.1s-1记录卡拉胶溶液的流动曲线，并采用Power law幂律模型[8]进行拟合。

σ=Kγn

式中：σ—剪切压力（Pa）；γ—剪切速率（1/s）；K—稠度系数（Pa·sn）；n：幂律指数（流动行为指数）。

1.2.4 动态流变学实验 参照文献[9-10]的方法。将配制好的样品加到已预热到65℃的旋转流变仪的样品台上，盖上盖板，并用硅油密封，以防止水分蒸发，平衡5min。采用直径为60mm的平行板测量系统，选择频率为1Hz，从65℃以5℃/min的速度降至15℃后，平衡5min后再以5℃/min的速度从15℃升到65℃，平行板间距1mm的条件下测定降温和升温过程中G′（储藏模量）和G″（损耗模量）的变化。冷却过程中G′和G″的交汇点的温度为胶凝温度；加热过程中G″和G′的交汇点的温度为熔化温度。整个测试都在线性粘弹区范围之内进行。

1.2.5 凝胶持水能力测试 将配制好的胶液（选取κ-卡拉胶浓度为0.6%，K+为8mmol/L，普鲁兰多糖添加量（w/v）：0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%）分别倒入50mL的圆底离心管中至30mL刻度，然后放入4℃条件下储藏24h，待测。

将制备好的样品称重后放入离心机，5000r/min，30min，离心后除去析出的水分，称重，计算[11]：

式中：WHC—凝胶持水能力（%）；m0—空离心管重（g）；m1—离心前装有凝胶的离心管重（g）；m2—离心除去析出水分后装有凝胶的离心管重（g）。

2 结果与讨论

2.1 κ-卡拉胶、K+浓度对凝胶强度的影响

图1 不同浓度κ-卡拉胶、K+浓度对卡拉胶凝胶强度的影响Fig.1 Effect of different concentration of κ-CA and K+on gel strength of κ-CA

图1是不同浓度κ-卡拉胶、K+下对κ-卡拉胶的凝胶强度的影响。由图1可以得出，在κ-卡拉胶浓度相同的情况下，随着K+浓度的增加，其凝胶体系的凝胶强度增加，这是由于在一定范围内增加K+的浓度有利于促进卡拉胶双螺旋结构形成超分子网络聚集体。同时在K+浓度相同的情况下，体系的凝胶强度随着κ-卡拉胶浓度的增加而增加，由于卡拉胶分子间的氢键作用，当卡拉胶浓度增加时卡拉胶分子间的交联作用增加导致体系的凝胶强度增加[12-13]。这与孟娟[14]、杨玉玲等[15]的结果一致。

2.2 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶强度的影响

图2 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶强度的影响Fig.2 Effect of pullulan concentration on gel strength of κ-CA

图2是普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶强度的影响。由图2可以得出，普鲁兰多糖的加入并没有阻碍卡拉胶凝胶的形成，反而在一定程度上提高了卡拉胶的凝胶强度。对于κ-卡拉胶、K+浓度浓度为：0.4%、12mmol/L体系，普鲁兰多糖添加量为8%时凝胶强度达到最大；对于κ-卡拉胶、K+浓度浓度为：0.6%、8mmol/L体系，普鲁兰多糖添加量为10%时凝胶强度达到最大。其原因一方面可能是加入的普鲁兰多糖部分分散在κ-卡拉胶形成的胶体网络结构中，使κ-卡拉胶网络结构更加充实。另一方面可能是普鲁兰多糖与κ-卡拉胶分子间产生了一定的交互作用，从而增强了κ-卡拉胶的凝胶强度。说明凝胶体系中κ-卡拉胶起主导作用。

2.3 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶静态流变学性质的影响

图3 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶胶液表观粘度的影响Fig.3 Effect of pullulan concentration on viscosity of κ-CA

图3是不同普鲁兰多糖添加量下剪切速率与粘度的关系。由图3可以得出，在剪切速率0.1～4s-1时，所有的样品都体现出一定程度的表观粘度变稀的特性，当剪切速率大于4s-1时，随着剪切速率的增加，胶液粘度减小的趋势逐渐变缓。同时，在相同的剪切速率下，胶液的粘度随着普鲁兰多糖添加量的增加而增大。

图4 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶胶液触变性的影响Fig.4 Effect of pullulan concentration on thixotropy of κ-CA

本次实验设定剪切速率从0.1s-1增加到100s-1，然后立刻从100s-1降低到0.1s-1，测定普鲁兰多糖的添加对κ-卡拉胶胶触变性的影响。图4是κ-卡拉胶胶液在不同普鲁兰多糖添加量下剪切速率与剪切应力的关系。由图4可以得出，对于所有的胶液样品而言，在相同的剪切速率下，其剪切速率增加和降低的过程获得的剪切压力的变化都非常小几乎完全重合，说明胶液的触变性较小。

由表1可以得出，0.6%的κ-卡拉胶的流动行为指数n随着普鲁兰多糖添加量的增加呈下降趋势，但是所有的流动行为指数n都大于0.9，趋近于牛顿型流体，这可能由于普鲁兰多糖水溶液本身就是近似于牛顿型流体，其触变性小的缘故。

表1 在60℃下普鲁兰多糖、κ-卡拉胶（κ-卡拉胶：0.6%、K+：8mmol/L）混合胶液的幂律模型参数（K，n）Table.1 Power law parameters（K，n）of pullulan，κ-CA（κ-CA：0.6%，K+：8mmol/L）blend gel solutions at 60℃

图5 胶液在升温和降温过程中G′（储存模量）和G″（损耗模量）的变化Fig.5 Temperature dependence of G′（storage modulus）and G″（loss modulus）of gel solutions during cooling and heating process

2.4 κ-卡拉胶的动态流变学性质

2.4.1 动态温度扫描过程中对κ-卡拉胶G′和G″影响

图5是κ-卡拉胶胶液在降温与升温过程中G′与G″的变化情况。由图5（a）可以得出，在降温过程中，刚开始G′小于G″，随着温度的降低，G′、G″逐渐增加，当达到某一个温度时，G′、G″迅速增加，并且G′的增加速率大于G″，这说明体系的弹性成分开始增加，体系开始向凝胶转化，直到两者相交，这时的交点温度为凝胶温度。随着温度的进一步降低，G′大于G″，这是因为卡拉胶在降温过程中随着温度的降低，卡拉胶分子先由无规则杂线团结构形成单螺旋体结构，后随温度进一步降低，形成双螺旋体，温度再下降，双螺旋体进一步缔合聚集体，最后形成完整有序网状结构[16]；由图5（b）可以得出，在升温时，G′与G″随着温度的升高逐渐降低，当达到某一温度时G′、G″迅速下降，出现G′与G″相交，这说明体系有凝胶向溶液开始转化，此时的温度为熔化温度。在升温加热过程中，卡拉胶有序网状结构先解体为双螺旋体，随着温度的进一步升高双螺旋体解为单螺旋体，最后单螺旋体解体成无规则杂线团结构[17]，因此在升温降温过程中G′和G″会有突变。同时在降温与升温过程中凝胶温度始终小于熔化温度。

2.4.2 κ-卡拉胶、K+离子浓度对凝胶和熔化温度的影响 图6是不同浓度κ-卡拉胶、K+离子对κ-卡拉胶凝胶温度与熔化温度的影响。由图6可以得出，在相同K+含量情况下，κ-卡拉胶浓度越高其凝胶和熔化温度越高。这是由于卡拉胶分子间的氢键作用，当κ-卡拉胶浓度增加时，卡拉胶分子间的交联作用增加导致体系的凝胶强度增加。同时，当K+含量增加时，卡拉胶的凝胶温度与熔化温度缓慢增加。这是由于在一定范围内增加K+的浓度有利于促进κ-卡拉胶双螺旋结构形成超分子网络聚集体。这个结果与刘凌等[18]的结果一致。

图6 κ-卡拉胶、K+浓度对κ-卡拉胶凝胶温度、熔化温度的影响Fig.6 Effect of κ-CA and K+on gelling and melting temperature of κ-CA

2.4.3 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶温度和熔化温度的影响 图7是普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶温度和熔化温度的影响。由图7可以得出，随着普鲁兰多糖添加量的增加，卡拉胶的凝胶温度和熔化温度都逐渐增加，当普鲁兰多糖含量增加到8%以后凝胶温度和熔化温度增加趋势变缓。添加普鲁兰多糖的κ-卡拉胶的凝胶温度和熔化温度高出不添加普鲁兰多糖时2～5℃，这可能是由于固形物含量增加导致κ-卡拉胶凝胶温度和熔化温度上升。

2.5 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶持水能力的影响

图8是普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶持水能力的影响。由图8可以得出，随着普鲁兰多糖添加量的增加，凝胶的持水能力得到了明显的改善。这个原因可能是普鲁兰多糖的多羟基结构对水产生了较好的吸附力[19]，另外，可能是普鲁兰多糖与κ-卡拉胶分子之间有着较好的协同作用，从而增强凝胶的持水能力。

图7 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶温度、熔化温度的影响Fig.7 Effect of pullulan concentration on gel temperature and melting temperature of κ-CA

图8 普鲁兰多糖添加量对κ-卡拉胶凝胶持水力的影响Fig.8 Effect of pullulan concentration on WHC of κ-CA

3 结论

3.1κ-卡拉胶的浓度、K+的含量对κ-卡拉胶的凝胶强度、凝胶温度和熔化温度有明显的影响。

3.2在κ-卡拉胶与普鲁兰多糖的混合体系中，两者表现出较好的相容性。卡拉胶在整个凝胶体系中起主导作用。普鲁兰多糖的加入并没有降低κ-卡拉胶的凝胶性能，反而提高了κ-卡拉胶的凝胶强度，较好的改善了凝胶的持水能力。同时，随着普鲁兰多糖添加量的增加，κ-卡拉胶的凝胶温度、熔化温度出现一定程度的升高，胶液的流动行为指数（n）减小，表观粘度逐渐增大，胶液近似于牛顿型流体。这些都表明普鲁兰多糖与卡拉胶分子之间存在一定的相互作用。

总之，在普鲁兰多糖与卡拉胶复配体系中，两种聚合物相互混合，形成一个相互结合的网络结构。采用复配的方法可以结合两种多糖的性能，拓宽在食品、药品中的应用范围。

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Effects of pullulan on gelation and rheological properties of κ-carrageenan

LIU Guo-jun，SHENG Long，TONG Qun-yi*
（School of Food Science&Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Effects of pullulan on gelation and rheological properties of κ-carrageenan were investigated in this paper.Results showed that gel strength，gelling and melting temperature increased with increasing concentration of κ-carrageenan and K+.κ-carrageenan gel strength，gelling temperature，melting temperature and water holding capacity improved with increasing concentration of pullulan.With increasing concentration of pullulan，flow behavior index（n）of gel solutions decreased，viscosity gradually increased，the gel solutions tended to be Newtonian fluid.

pullulan；κ-carrageenan；gelation properties；rheological properties；water holding capacity

TS201.7

A

1002-0306（2014）04-0148-05

2013－06－20 *通讯联系人

刘国军（1988-），男，硕士研究生，研究方向：碳水化合物科学与工程。