不同处理条件对明胶体系凝胶特性的影响

黄远芬， 王 欣， 刘宝林

(上海理工大学食品质量与安全研究所，上海200093)

明胶是胶原蛋白的变性产物，具有良好的胶凝性、热可逆性和亲水性，是一种重要的食品添加剂，可作为酒类的澄清剂、分散体系的稳定剂、肉制品的增稠剂和胶凝剂等［1］。

作为增稠剂和胶凝剂，黏度和凝冻强度是反映明胶品质的重要指标［2］。此外，很多食品如果冻、糖果、水晶肉等对产品的透明度亦有一定的要求［3］，因此透射比也是一个不可忽视的指标。食品体系中的电解质、酸碱性、糖类物质及明胶浓度等因素均会影响明胶的黏度、凝冻强度和透射比。如Choi［4］研究发现，鱼明胶的凝冻强度随蔗糖浓度的增加而增大，随NaCl 浓度的增加而减小;当pH 值小于4 或大于8 时，其凝冻强度则剧烈下降。Pang等［5］认为，当pH 值为3 时，明胶体系的凝胶结构最为松散，凝胶硬度和强度最小。李光鹏等［6］的研究结果显示明胶浓度的增加可使溶液黏度增大;而当NaCl 和蔗糖的浓度小于5.0%时有利于增加溶液的黏度。齐海萍［3］等认为NaCl 的添加对明胶/海藻酸钠复合体系的透明度不利，而蔗糖浓度低于7.5%则有助于体系透明度的改善。

虽有不少的文献就明胶凝胶特性的影响因素进行了报道，但鲜有同时研究这些因素。因此本试验将着重研究明胶浓度、蔗糖、NaCl 和pH 值对明胶凝冻强度、黏度和透射比的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

明胶(化学纯，B 型猪骨胶)、蔗糖和NaCl(均为分析纯)购于上海国药试剂有限公司。TA. XT Plus 质构仪购于英国SMS 公司;NDJ-5S 数显旋转粘度计购于上海昌吉地质仪器有限公司;UV 9100D 紫外可见分光光度计购于北京莱伯泰科仪器有限公司;PHS-25 型数显pH 计购于上海仪电科学仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 明胶溶液的配制

1.2.1.1 不同明胶浓度的明胶溶液配制 以去离子水为溶剂，称取一定质量的明胶至去离子水中，在室温下放置1 ～2 h，充分溶胀后，60 ℃水浴搅拌，配置浓度(质量体积比分别为5%、10%、15%、20%、25%的均匀明胶溶液。

1.2.1.2 不同蔗糖浓度的明胶溶液配制 配制质量分数分别为0 ～35%(以5%为间隔)的蔗糖溶液作为溶剂，称取一定质量的明胶至蔗糖溶液中，在室温下放置1 ～2 h，充分溶胀后，60 ℃水浴搅拌，使之形成明胶浓度为10%(质量体积比)的均匀溶液。

1.2.1.3 不同NaCl 浓度的明胶溶液配制 配制摩尔浓度分别为0 ～3.0 mol/L(以0.5 mol/L为间隔)的NaCl 溶液作为溶剂，称取一定质量的明胶至NaCl 溶液中，在室温下放置1 ～2 h，充分溶胀后，60℃水浴搅拌，使之形成明胶浓度为10%(质量体积比)的均匀溶液。

1.2.1.4 不同pH 值的明胶溶液配制 首先按照方法1.2.1.1 中所示方法配制10 份浓度均为10%(质量体积比)的明胶溶液，再分别将各份明胶溶液的pH 值相对应地调节为2 ～11。

1.2.2 检测项目及方法 凝冻强度:将明胶溶液移入冻力瓶，置于4 ℃冰箱中存放12 h 后测量。测量参数:探头P/0.5，测试前速度1.00 mm/s，触发力10 g，测试速度1.50 mm/s，测试距离20.00 mm，返回速度10.00 mm/s。

黏度:将明胶溶液置于35 ℃水浴，保持恒温，用黏度计测量。

透射比:将明胶溶液置于45 ℃水浴，用紫外分光光度计测量溶液在波长450 nm 及620 nm 下的透光率，所得值即为透射比［7］。

1.3 数据处理

试验中均设3 次重复，每个重复测量2 次，运用SPSS 17.0 软件对数据进行统计分析，用Origin 8.0软件对数据进行拟合。

2 结果与分析

2.1 明胶浓度对其凝胶特性的影响

凝冻强度反映的是明胶由溶液或者溶胶形成有弹性的、可逆的凝胶的特性。明胶浓度对明胶体系凝冻强度的影响见图1A。在试验浓度范围内，明胶体系凝冻强度随明胶浓度的增加呈良好的线性增加趋势(R2=0.993)。这是由于，在明胶凝胶网络结构形成过程中，4 ℃时明胶单体通过内部氢键形成单螺旋结构，每3 条单螺旋肽链间以氢键相连形成3 股螺旋，3 股螺旋结构通过重组形成一个巨大的大分子三维网络［8］。氢键最重要的作用之一是形成和维持网络结构［9］。明胶浓度的增大有助于分子内氢键的生成和分子间氢键的增加，氢键的增多促使更大、更为致密的凝胶网络结构的生成，因此凝冻强度随着明胶浓度增加而增大。

明胶体系黏度随明胶浓度的增加呈良好的二项式升高趋势(R2=0.975*)(图1B)，这与Yang［10］的试验结果相符。这是因为在明胶浓度较小时，明胶粒子之间相互独立，溶液体系没有固定的结构，随着浓度的增加，明胶粒子间的距离变小，形成的氢键使明胶肽链聚集形成松散的三维网状结构［11］，增多的网状结构阻碍了明胶体系的流动性，因此明胶体系的黏度也随之增大。

图1 凝冻强度(A)、黏度(B)和透射比(C)随明胶浓度的变化情况Fig.1 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittancy(C)of geltin with gel concentrations

2.2 蔗糖浓度对凝胶特性的影响

明胶体系凝冻强度随蔗糖浓度的变化见图2A。以蔗糖浓度25%为分界点，凝冻强度随蔗糖浓度的增加呈先增大后减小的三项式函数关系(R2=0.94*)。

蔗糖对明胶的凝冻过程存在正反两方面的作用:一方面蔗糖分子含有较多的羟基(-OH)，具有很强的水合作用［13］，蔗糖的加入能够促进明胶肽链与溶剂之间的水合作用，使连接单螺旋链的连接点增多，从而促进明胶的胶凝化，增加体系的刚性［14］，使凝冻强度增大。另一方面，随着蔗糖浓度的递增，蔗糖较强的水合能力可能与明胶“竞争”水［15］，使明胶的胶凝时间滞后，不利于明胶的凝胶化，因此随蔗糖浓度的增加，阻碍凝胶网络形成的作用增大。由此可推断在蔗糖浓度小于25%时，水合作用占主导，促进明胶凝胶网络的形成;而当其浓度大于25%时，阻碍胶凝形成的作用占主导，故凝冻强度呈现减小的趋势。

图2 明胶凝冻强度(A)、黏度(B)和透射比(C)随蔗糖浓度的变化情况Fig.2 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)，and transmittancy(C)of gelatin with sucrose concentrations

明胶体系黏度随蔗糖浓度的增加而呈良好的二项式增大趋势(R2= 0.970)(图2B)。这与Bryant［16］等的研究结论相符。Choi［15］等同样发现糖类物质，如蔗糖、木糖和葡萄糖会增大明胶体系的黏度。蔗糖浓度小于25%时，蔗糖浓度的增加有利于凝胶网络的形成，这削弱了体系的流动性，使体系的黏度增大;同时，蔗糖溶液的黏度也随蔗糖浓度的增加而增大［17］，因此明胶体系黏度随蔗糖浓度的增加而增大。

明胶体系透射比随蔗糖浓度的增加整体呈增大的趋势(图2C)。蔗糖浓度低于25%时，蔗糖能增强明胶的水合作用，使得明胶溶液中的无规则卷曲结构变得较为均匀，因此透射比随蔗糖浓度增加而增大［3］。而在蔗糖浓度大于25%时，可能由于蔗糖无胶凝作用使得溶液中原本就稀疏的无规则卷曲结构变得更加松散，因此透射比增大。

2.3 NaCl 浓度对明胶凝胶特性的影响

明胶体系凝冻强度随NaCl 浓度的变化见图3A，凝冻强度随NaCl 浓度的增加而线性减小(R2=0.984*)。

图3 明胶凝冻强度(A)、黏度(B)和透射比(C)随NaCl 浓度的变化情况Fig.3 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittancy(C)of gelatin with NaCl concentrations

蛋白质凝胶的形成是体系中各种吸引力与排斥力达到平衡的结果［18］。盐离子具有极强的亲水性，会抑制蛋白质的水合作用;同时，盐离子还会中和蛋白质上的电荷，削弱明胶分子之间的静电相互作用，打破凝胶体系中吸引力与排斥力之间的平衡［19］，不利于网络结构的形成。因此NaCl 浓度的增加使得蛋白质高分子链卷曲，形成的凝胶网络刚性减弱［20］，凝冻强度减小。

明胶体系黏度随随NaCl 浓度的变化见图3B。当NaCl 浓度小于2.0 mol/L时，NaCl 的添加不利于明胶的水合作用，体系中的无规则卷曲结构增多，黏度减小;NaCl 浓度为2.0 mol/L时，明胶体系的黏度与空白组相比显著降低(P ＜0.05);当NaCl 浓度大于2.0 mol/L时，由于明胶蛋白质的盐析［21］造成体系黏度增大。但总体明胶黏度随NaCl 浓度的增加整体上呈先减小后增大的趋势，这一结果与Cumper［22］等的研究结果相符。

明胶体系透射比随NaCl 浓度的变化见图3C，随NaCl 浓度的增大，明胶体系的透射比整体呈先增大后减小的趋势。在本试验浓度范围内，NaCl 不利于凝胶网络结构的形成，凝胶的凝冻强度随NaCl 浓度的增加而减小，这说明明胶无规则卷曲结构变得稀疏，光透过率增大，故透射比增大。当NaCl 浓度继续增加盐析出的颗粒分散在体系中，影响了溶液的光透过率，因此透射比相对减小。

2.4 pH 值对明胶凝胶特性的影响

明胶体系凝冻强度随pH 值的变化见图4A，在pH 值为4 ～7 时，明胶体系凝冻强度相对较高，而当pH 值小于4 或大于7 时，凝冻强度迅速减小。这与Choi［4］和Pang［5］等的研究结果相似。

图4 明胶凝冻强度(A)、黏度(B)和透射比(C)随pH 值的变化情况Fig.4 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittance(C)of gelatin with pH values

引起这种变化的原因可能有以下两个方面:(1)静电斥力作用:当pH 值偏离明胶等电点(约4.89)时，肽链之间会因带上相同属性的电荷而产生静电斥力，偏离越大，斥力越大，而过大的斥力会打破维持网络结构的作用力之间的平衡，不利于网络结构的形成。故溶液的酸性或碱性越强，凝冻强度越小。(2)组成肽链的氨基酸中含有-COOH、-NH2、-NH-等，它们可与-OH、-NH2、-NH-等基团上的氢原子形成氢键，促进凝胶的形成，但酸性条件下，加入的H+易与肽链上的N 或O 原子结合，将N 或O 原子质子化，导致氢键被破坏［23］，使凝冻强度显著降低。

明胶体系黏度随pH 值的变化见图4B。黏度在pH 值为2 ～6 时无显著差异(P ＞0.05)，而pH 值为7 时体系黏度显著增大，但pH 值大于7 时，则黏度显著减小，这与Ward［24］的结论相符，即当pH 值为3 ～5 时，明胶溶液的黏度要相对稳定;而pH 值为7时虽偏离此范围，但仍有利于凝胶的形成，其凝冻强度相对较大，使其黏度相对增大;但当pH 值大于7时，由于明胶体系内的氢键被破坏，不利于网络结构的形成，从而使体系黏度显著降低。

明胶体系透射比随pH 值的增大呈先减小后缓慢上升的趋势，并且与pH 值呈良好的二项式函数关系(图4C)。原因可能是质子化作用和过大的静电斥力抑制了明胶体系的凝胶化，使溶液中原本就松散的网络结构更为疏松，因此溶液的酸性或碱性越强，其透射比越大。

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