魔芋葡甘聚糖与琼脂共混溶胶的剪切流变特性研究

2017-09-18,,,,,4,*,

食品工业科技 2017年16期

,,,, ,4,*,

(1.漳州职业技术学院食品与生物工程系,福建漳州 363000;2.农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心,福建漳州 363000;3.福建农林大学食品科学学院,福建福州 350002;4.哈佛大学物理系,美国 MA 02138;5.天津科技大学食品工程与生物技术学院,天津 300457)

谢建华1,2,谢丙清3,张丽红1,2,王文成1,2,庞杰3,4,*,张民5,*

利用流变仪研究了不同质量浓度、溶胀时间和温度条件下魔芋葡甘聚糖/琼脂(KGM/Agar)共混体系的剪切流变特性。结果表明:KGM/Agar共混体系随着质量浓度增大,黏稠系数k增大;随着加热时间延长,黏稠系数k增大;而温度在30～60 ℃范围内,黏稠系数k随着温度升高先增大再减小然后再增大,呈现波浪式。从黏稠系数和流动指数结果表明,其混合胶的最佳工艺为:KGM/Agar共混胶的质量浓度1.2%,溶胀温度40 ℃,溶胀时间120 min。魔芋葡甘聚糖/琼脂(KGM/Agar)共混体系流变特性服从幂律方程,通过进一步对黏稠系数k和流动指数n随浓度、时间和温度的变化趋势进行拟合,其关系曲线分别用指数函数和多项式曲线拟合,以期为KGM/Agar的应用和质量评价提供指导。

魔芋葡甘聚糖,琼脂,流变性能

魔芋葡甘聚糖(简称KGM)是从魔芋的球茎中提取出来的一种具有持水、保湿、胶凝、成膜等性能的天然高分子中性多糖[1],可作为凝胶剂、黏合剂、缓释剂等成分使用[2-3]。KGM的凝胶结构对其产品的性能有重要影响[4-5],可以在一定条件下形成热不可逆(热稳定)凝胶和热可逆凝胶[6],这使其被广泛应用于食品、医药、化工、生物,材料等领域[7-8]。但是,由于KGM 的加工应用稳定性等问题很大程度限制了其在食品加工工业中的应用[9],因此研究通过KGM 与其它多糖的共混,利用与其分子内或分子间的交互作用、协同作用,改善胶体体系性质已成为其解决问题的方法。近年来,许多研究者开展了大量关于KGM 与结冷胶、黄原胶、卡拉胶、壳聚糖等复配增效作用、协同作用的性质及机理方面的研究[10],但是,还是存在着凝胶稳定性差、凝胶产品有异味、容易脱水等问题。

琼脂(Agar)是一种从海藻中提取的亲水胶体[11],是以1,3连接的β-D-半乳糖和1,4连接的3,6-内醚-L-半乳糖交替连接起来的长链的线性的高分子多糖[12-13]。Tseng[14]提出，琼胶是可溶性植物纤维,不溶于冷水,但能吸水膨胀,能溶于沸水,其溶液冷却后形成胶冻(凝胶)[4]。其1%～2%稀中性溶液冷却后生成凝胶,于35～50 ℃凝固,90～100 ℃融化,凝胶具有热稳定性高、凝胶强度高等特性,广泛用于食品工业、医药、日用化工、生物工程等方面[15]。

本文以魔芋葡甘聚糖(KGM)与琼脂(Agar)共混溶胶为研究对象,考察不同质量浓度、溶胀时间和温度条件下KGM/Agar共混溶胶体系的剪切流变特性,以期为KGM/Agar的应用和质量评价提供指导。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

魔芋胶三艾有机魔芋发展有限公司;琼脂绿新福建食品有限公司。

MCR301 Rheoplus流变仪奥地利安东帕有限公司;PL402-C电子天平梅特勒-托利多仪器有限公司;R30A 电动搅拌器上海弗鲁克科技发展有限公司;DC-3020 水浴锅宁波双嘉科技发展有限公司。

1.2实验方法

1.2.1 KGM/Agar共混溶胶的制备定量称取魔芋葡甘聚糖(KGM)和琼脂(Agar)于室温条件下以300 r/min的搅拌速度分别分散于去离子水中,分散时间10 min,按魔芋葡甘聚糖(KGM)70%和琼脂(Agar)30%比例混合制备成复合溶胶。

1.2.2 不同质量分数的复合溶胶、溶胀温度和时间对共混胶的影响。

1.2.2.1 质量浓度对共混复合溶胶流变特性的影响在溶胀温度30 ℃,溶胀时间120 min,搅拌速度300 r/min的条件下分别制备质量分数分别为0.8%、1.0%、1.2%和1.4%的复合溶胶,冷却至室温后,进行剪切流变实验。

1.2.2.2 加热时间对共混复合溶胶流变特性的影响质量分数为1.2%,溶胀温度30 ℃,搅拌速度300 r/min的条件下分别制备溶胀时间为20、40、60、80、100、120、140 min的复合溶胶,冷却至室温后,进行剪切流变实验。

1.2.2.3 溶胀温度对共混复合溶胶流变特性的影响分别在30、40、50、60 ℃下,溶胀120 min,搅拌速度300 r/min制备质量分数为1.2%的复合溶胶,冷却至室温后,进行剪切流变实验。

1.2.3 KGM/Agar共混溶胶的静态剪切流变实验将KGM/Agar共混溶胶置于流变仪中进行流变性质研究测试。使用PP50探头,与平行板间的间距为0.5 mm。在(30±1) ℃条件下观察样品的应力与剪切速率的相关性(剪切速率扫描范围0.01～10 s-1)。

1.3数据处理

实验过程中测定所得的数据利用统计软件进行统计学分析,使用OriginLab软件进行图片绘制。

2 结果与分析

2.1不同质量浓度对共混溶胶流变特性的影响

从图1可以看出,同一质量浓度条件下,剪切应力随剪切速率的增大而增大;同一剪切速率条件下,随着质量浓度的增大其剪切应力也增加。魔芋葡甘聚糖与琼脂共混溶胶的流变性关系可用power-law模型τ=kγn进行拟合,其k值越大,液体越黏稠,n是流变特性指数,是衡量假塑性程度的指标,n 越小,剪切越易变稀,假塑性程度越大。魔芋葡甘聚糖与琼脂复合溶胶流变性关系如表1所示。

图1 不同质量浓度对共混溶胶的流变特性的影响Fig.1 Effect of concentration on rheological behaviour of Konjac Gum and Agar sol

质量分数(%)kn相关系数0.80.6800.8120.9861.00.8990.7770.9781.21.1140.7710.9761.41.8780.7600.971

从表1可以看出,在30 ℃条件下,随着质量分数的增加,魔芋葡甘聚糖与琼脂共混溶胶黏稠系数k增大,流变特性指数n减小,复合溶胶的流变特性指数减小,意味着溶胶的非牛顿性流体行为增强,这可能是由于质量浓度增加,KGM与Agar分子之间的相互作用增大,溶胶体系形成致密网络结构,摩擦力增大,使得溶胶体系所需克服的屈服应力就越大,黏稠系数也相应增大。另外k值和n值作为评价溶胶体系的质量指标,k值愈大,n值愈小,增稠效果更佳,有利于增强产品凝胶强度[16-17]。当质量分数增加到1.4%时,其粘稠系数由质量分数为1.2%的1.114增加到1.878,大约扩大1.69倍,可能会影响凝胶产品的硬度、口感。因此,综合考虑,选取质量分数为1.2%的共混溶胶作为后续实验的参数。

同时对KGM与Agar复合溶胶的黏稠系数k和流变特性指数n与温度进行拟合,所得曲线和方程如图2所示。由图2可知,30 ℃条件下葡甘聚糖与琼脂复合溶胶的黏稠系数k与质量浓度呈指数函数关系,拟合的曲线方程为y=0.176e1.631x,相关系数R2=0.960;复合溶胶的流变特性指数n与质量浓度的数学关系符合二次多项式模型,拟合的曲线方程为y=0.362x2-0.855x+1.264,相关系数R2=0.999。

图2 k和n分别对应的质量分数效应回归曲线Fig.2 Regression curves of concentration effect for k and n respectively

2.2溶胀时间对共混溶胶流变特性的影响

从图3可以看出,在相同的剪切速率下,随着加热时间的延长,KGM与Agar复合溶胶的剪切应力逐渐增大,这是由于KGM与Agar随着溶胀时间增加过程中两多糖分子逐步溶胀,随着溶胀时间的延长,KGM与Agar分子之间相互缠绕,相互聚集形成网状结构,使得溶胶体系屈服应力增大。

图3 溶胀时间对共混溶胶流变特性的影响Fig.3 Effect of heating time on rheological properties of Konjac Gum and Agar sol

采用Power-Law模型对图3中各条曲线进行拟合,其结果见表2。其流动指数n 均小于1,表现出非牛顿流体的特征,但时间对大分子间作用的影响无规律。与此同时,稠度系数k 随着溶胀时间的延长由0.098 增大到1.667,最后降低至1.604,呈现逐渐上升后降低的趋势,表明溶胀时间的延长,增加了体系的黏稠度,降低了其流动性。

表2 共混溶胶在不同溶胀时间条件下的流变特性参数值Table 2 Rheological parameters at different heating time conditions

同时对KGM与Agar复合溶胶的黏稠系数k和流变特性指数n与温度进行拟合,所得曲线和方程如图4所示。从图4可以直观看出,黏稠系数K与溶胀时间二者之间呈三次函数的关系,曲线拟合相关系数R2=0.965,因此在实际应用中以黏稠系数和流变特性指数为依据,参照表2和图4参数所描述的曲线变化规律,确定溶胀时间120 min较为适宜。

图4 k和n分别对应的时间效应回归曲线Fig.4 Regression curves of heating time effect for k and n respectively

2.3温度对共混溶胶流变特性的影响

从图5可以看出,同一剪切速率下,在40 ℃时其剪切应力最大,而在30、50、60 ℃处理的溶胶的剪切应力相差不大,总体上50 ℃处理组的溶胶应力最小,而30 ℃处理组在低剪切速率时低于60 ℃处理组,但30 ℃处理组剪切速率的增长速度高于60 ℃处理组,并最终在较高剪切速率时30 ℃处理组在高于60 ℃处理组。这可能由于KGM与Agar在不同温度下溶胀状态不一样有关,低温条件下大分子溶胀较慢,其剪切应力也相应小;而40 ℃处理组其应力最大,这可能与琼脂在40 ℃左右条件下,琼脂亲水基团与水分子发生水化作用,使伸展到水中部分的侧链形成较厚的溶剂化层,高速剪切时质点产生的摩擦相应增大,导致粘度升高剪切应力增加[18]。

图5 温度对共混复合溶胶流变特性的影响Fig.5 Effect of temperature on rheologicalproperties of Konjac Gum and Agar sol

对图5中的曲线进行Power-Law模型回归,得到的拟合参数如表3所示;同时对KGM与Agar复合溶胶的黏稠系数k和流变特性指数n与温度进行拟合,所得曲线和方程如图6所示。从图6可以看出,黏稠系数k和流变特性指数n与溶胀温度二者之间均呈三次函数的关系,曲线拟合相关系数R2=1。因此在生产中可以参照表3图6参数所描述的曲线变化规律,根据产品的实际需要,选择理想的温度条件。

表3 共混复合溶胶在不同溶胀温度条件下的流变特性参数值Table 3 Rheological parameters of Konjac Gum and Agar sol at different temperatures

图6 k和n分别对应的温度效应回归曲线Fig.6 Regression curves of temperature effect for k and n respectively

3 结论

通过流变仪考察不同质量浓度、溶胀时间和温度对魔芋葡甘聚糖/琼脂(KGM/Agar)共混溶胶的剪切流变特性的影响。KGM/Agar共混溶胶是假塑性非牛顿流体,流变特性服从Power-Law模型;共混溶胶的黏稠系数k随着质量分数的增大和加热时间的延长而增大,在温度30～60 ℃范围内,黏稠系数k随着温度升高先增大再减小然后再增大的波浪式变化趋势。当质量浓度为1.2%,溶胀时间为120 min,溶胀温度为40 ℃时,KGM/Agar共混溶胶达到最大的饱和溶胀状态。

在30 ℃条件下,共混溶胶的黏稠系数k与质量分数呈指数函数关系,流变特性指数n与质量分数的呈二次多项式关系;黏稠系数k与溶胀时间呈三次函数的关系;而黏稠系数k和流变特性指数n与溶胀温度均呈三次函数的关系。该研究结果有利于后续KGM/Agar共混溶胶的相互作用机理及其生产应用和质量评价提供理论依据和指导。

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StudyonshearrheologicalpropertiesofKonjacglucomannanandAgarblends

XIEJian-hua1,2,XIEBing-qing3,ZHANGLi-hong1,2,WANGWen-cheng1,2,PANGJie3,4,*,ZHANGMin5,*

(1.Department of Food and Biology Engineering,Zhangzhou Profession and Technology Institute,Zhangzhou 363000,China;2.The Applied Technical Engineering Center of Further Processing and Safety of Agricultural Products,Higher Education Institutions in Fujian Province,Zhangzhou 363000,China;3.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fujian 350002,China;4.Harvard University Department of Physics,MA 02138,America;5.College of Food Science and Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

Rheometer was used to determine rheological properties of Konjac glucomannan and Agar(KGM/Agar)under various conditions of concentration,heating time and temperature. The results showed that the viscous coefficient(k)of KGM/Agar blend system increased with the the increase concentration and the heating time prolong. While the temperature was in the range of 30～60 ℃,the viscous coefficient(k)increased at first then decreased and increased again as wave-like changes,with increasing temperature. The results of viscosity coefficient and flow index showed that the optimal parameters was the mass concentration of KGM/Agar blend 1.2%,swelling temperature of 40 ℃,swelling time 120 min. The rheological properties of KGM/Agar blend system could be fitted by power-law model and the change tendencies of viscosity factor(k)and flow index(n)correlated with concentration,heating time and temperature were also obtained. The curves could be fitted by power and polynomial curve and could provide a reliable foundation for proper applications of KGM/Agar in the food industry and its quality evaluation.

Konjac glucan-mannan;Agar;rheological properties

2017-01-03

谢建华(1976-)，硕士，副教授，研究方向：天然产物化学与应用研究,E-mail:xiejh2001@163.com。

*通讯作者:庞杰(1965-)，博士，教授，研究方向：食品化学与营养,E-mail:pang3721941@163.com。张民(1972-)，博士，教授，研究方向：食品化学与营养,E-mail:zm0102@tust.edu.cn。

国家自然科学基金项目(31471704，31271837和31301599)；福建省自然科学基金项目(2014J01378)；福建省中青年教师教育科研项目(JA15697)。

TS201.7

:1002-0306(2017)16-0001-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.001