魔芋胶的流变学及加工特性的研究

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(四川工商职业技术学院,四川都江堰 611830)

魔芋胶的流变学及加工特性的研究

邓林,刘延岭

(四川工商职业技术学院,四川都江堰611830)

通过对魔芋胶的流变学特性和加工特性,如持水力和冻融稳定性的研究,得到以下结论:魔芋胶为剪切变稀的假塑性流体,属于热不可逆凝胶;魔芋胶的持水力较好,但是其冻融稳定性不好。故在食品加工中要依据具体情况选择性使用魔芋胶。

魔芋胶,流变学特性,加工特性

Abstract:The rheological and processing characteristics such as water holding capacity and freeze-thaw stability of konjac gum were studied. The results showed that konjac gum solutions was pseudoplastic fluid and was thermally irreversible gel. Its water holding capacity was better but freeze-thaw stability was not good. Therefore,the using of konjac gum should be based on the specific situation in food processing.

Keywords:konjac gum;rheological properties;processing characteristics

魔芋(Amorphophallus konjac),又称蒟蒻,天南星科魔芋属,是多年生宿根性块茎草本植物。据《本草纲目》记载,2000多年前魔芋就用来治病[1]。魔芋含有16种氨基酸,10种矿物质微量元素和丰富的食物纤维,可以防治多种肠胃消化系统的慢性疾病,对防治糖尿病、高血压有特效;而且魔芋低热、低脂、低糖,对预防和治疗结肠癌、乳腺癌、肥胖症的人群来说,是一种既饱口福又治病健体的食品[2]。

魔芋胶(konjac gum,英文缩写为KGM)是对魔芋精粉(konjac powder)进行深加工的产物,其有效的化学成分为葡甘聚糖,由D-葡萄糖和D-甘露糖通过β-1,4-糖苷键结合而成[3]。与魔芋精粉相比,其纯度、细度(100～300目)和粒度更高,溶解速度和形成凝胶反应速度更快,理化性能更优[4],被广泛应用于饮料、果冻、冰淇淋、肉制品、面制品等食品中[1-2]。本文系统地研究了魔芋胶溶液的流变学特性,期望获得的结果能为魔芋胶在生产中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

魔芋胶(KGM)和黄原胶 均为食品级产品,成都食品胶添加剂公司。

AR2000-EX型动态流变仪(为静态流变学研究仪器) 美国TA公司;HAAKE MARS型旋转流变仪(为动态流变学研究仪器) 德国Haake公司。

1.2 实验方法

1.2.1 魔芋胶的静态流变特性研究

1.2.1.1 魔芋胶溶液浓度对其黏度和剪切力的影响 配制浓度分别为1.5%、1.0%、0.5%、0.3%和0.1%的KGM溶液。采用AR2000-EX型动态流变仪,选用直径为20 mm的平行板测量系统,将样品台温度设定为30 ℃,(板间距1.0 mm),将剪切速率从0.1 s-1增加到600 s-1,记录不同浓度KGM溶液的流变曲线。

1.2.1.2 温度对魔芋胶溶液黏度的影响 配制质量分数为1%的KGM溶液。采用HAAKE MARS型旋转流变仪,选用直径为50 mm、1°的不锈钢加长锥板测量系统,固定剪切速率(s-1),15 min内将温度从70 ℃降至10 ℃,记录KGM溶液温度变化下的流动曲线。

1.2.1.3 魔芋胶溶液的触变性 使用AR2000-EX型动态流变仪,选用直径为20 mm(板间距1.0 mm)的平行板测量系统,对质量分数1%的KGM溶液,采用两步稳态程序使剪切速率先从0.1 s-1增加到600 s-1,之后立即以同样的变化速率从600 s-1下降到0.1 s-1,记录整个过程的剪切应力的变化情况。

1.2.2 魔芋胶的动态流变学性质分析

1.2.2.1 魔芋胶溶液的动态流变学特性 配制质量分数为0.5%的KGM溶液,该浓度下流体特性更好,浓度越大越呈现凝胶特性。采用AR2000-EX型动态流变仪,选择平板直径为20 mm(板间距l mm)的平行板测量系统,测定样品的动态粘区间,在线性粘弹区内,固定振荡应力,测定溶液的储能模量(G′)、损耗模量(G″)和动力学粘度(η′)随振荡频率的变化。

1.2.2.2 魔芋胶的熔化特性分析 配制质量分数为1%的KGM溶液。采用HAAKE MARS型旋转流变仪,选用直径为50 mm、1°的不锈钢加长锥板测量系统,从25 ℃以5 ℃/min的速度升至65 ℃,在频率为1.0 Hz的条件下记录降温和升温过程中G′和G″的变化,测定其熔化特性。

1.2.3 魔芋胶的持水力性质分析 参照Huang YIqun等[5]方法,并稍作改进。取质量为m1凝胶状KGM加入到质量为m0的离心管中。常温下保存30 min后于3000 r/min心30 min,吸去上层析出的水分,测定吸取水分后离心管的质量m2。每一样品平行测定5次。以黄原胶作为对照品,按照同样的方法测定其持水力。按照以下公式计算KMG样品的持水力。

持水力(%)=(m1-m2)/(m2-m0)×100

1.2.4 魔芋胶的冻融处理分析 在室温下测定质量浓度为1%的KMG溶液经过冻融处理(-20 ℃冷冻24 h,30 ℃解冻1 h)后的表观黏度(30 ℃,剪切速率 50 s-1)。实验重复3次。以黄原胶作为对照品,测定其冻融稳定性。

1.2.5 数据分析 实验结果以测定几次得到的均数与标准偏差表示。采用Origin 8.0进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 魔芋胶的静态流变学特性

2.1.1 剪切速率及浓度对魔芋胶溶液黏度的影响 由图1可以看出,当KGM浓度大于0.1%时,黏度随着剪切速率的增加逐渐降低,表现出剪切变稀的假塑性[6],在相同的剪切速率下,溶液的黏度随着质量浓度的增大而迅速增大。而浓度低于0.1%时,剪切速率对其黏度影响很小,呈现出牛顿流体的流动特性[7]。KMG溶液为剪切变稀的牛顿流体的流体特性。

图1 不同浓度魔芋胶溶液的流变曲线 Fig.1 Rheological curves of KGMsolutions at different concentrations

从图2可知,魔芋胶溶液的流体特性服从Power law模型,σ=Kγn。其中,稠度系数K和流动指数n是与液体性质有关的经验常数,其表观粘度为η=Kγn-1[8]。这与周建芳[9]对瓜尔胶溶液流变特性研究的结果相同。

图2 不同浓度魔芋胶溶液的剪切应力-剪切速率曲线Fig.2 Shear stress-shear rate curves of KGM solutions at different concentrations

2.1.2 温度对魔芋胶溶液黏度的影响 从图3可以看出,随着温度的升高,魔芋胶黏度逐渐减小。这是由于温度升高,分子的运动增强,分子间相互作用力减小,分子流动阻力减小,因而黏度降低。这说明当温度升高,分子运动增强,魔芋胶分子和水分子的结合能力强没有被蒸发除去,其保水性能较好。

图3 温度对魔芋胶溶液黏度的影响Fig.3 Effects of temperature on the viscosity of KGM solution

2.1.3 魔芋胶溶液的触变性 在剪切过程中,如果样品溶液的剪切力在剪切速率上升与下降过程中不重合,形成了明显的触变环,即表明体系属于触变体系。触变环的面积反映触变性的大小。若触变环的面积大,则表示此体系经外力作用后,其黏度变化大,外力撤出后体系恢复到未经力作用的体系状态所需的时间长,即触变性反应物料经长时间剪切后在静止时是一个重新稠化的过程[10]。在食品制作过程中,食用胶的触变环面积越小越好,这样有助于食品的保形加工。

图4为魔芋胶溶液的触变性,由图4可以看出,魔芋胶溶液的触变环面积与黄原胶相比相差较大,由于触变环越大在加工过程中越易发生变形,因此魔芋胶不适合应用在需要保形的食品中,例如面包、糕点中就不适合添加魔芋胶,而在不需要保形的食品如蛋黄酱中就适合使用魔芋胶作为增稠剂。

图4 魔芋胶溶液的触变性Fig.4 Thixotropic curves of KGM solution

2.2 魔芋胶的动态流变学特性

2.2.1 魔芋胶溶液的动态粘弹性 图5为魔芋胶溶液的动态粘弹性。由图5可以看出,在低频率下G′与G″相当,体系为半固态。随着频率的逐渐增大,G′和G″均有所增加,但是G′的增加幅度大于G″,并且G′大于G″,此时体系以弹性为主,呈现一定的弱胶性。这是因为当频率低时,松弛时间足够长,形变缓慢发生,大部分能量通过粘性流动而损耗,分子处于能量较低的状态中。松弛是通过分子链间的缠结点滑移而进行的[11]。当频率升高时,有效松弛时间减少,分子链间没有足够的时间发生滑移,这些缠结点越来越类似于固定的网络点[12]。这种临时网络结构储存能量的能力不断升高,溶液趋向于弹性体。此外,KGM的动力学粘度η′随着振荡频率的增大而逐渐减小,表现出剪切变稀的特性,这与静态流变学特性研究的结果一致。

图5 魔芋胶溶液的动态粘弹性Fig.5 Dynamic viscoelasticity of KGM solution

2.2.2 魔芋胶溶液的熔化特性 加热过程中G″和G′的交汇点的温度定义为熔化点。图6为魔芋胶的熔化特性曲线。可以看出,在加热过程中,随着温度的升高,溶液的G′和G″逐渐降低,并且在整个升温过程中G″始终大于G′,这是由于随着温度的升高,魔芋胶溶液的粘度降低,分子流动性增大,分子间的相互作用减弱,表现出黏性流体的特征(G″>G′)。上述结果表明,魔芋胶溶液在加热时不会熔化,依然呈现黏性流体的特征[13]。

图6 魔芋胶溶液的熔化特性Fig.6 Melting characteristics of KGM solutions

2.3 魔芋胶的持水力

持水力表现的是与水的结合能力。在食品的加工中,持水力反映了其防止水分流失的能力,持水力好的食物能够保持优异的口感或性状。图7为魔芋胶样品的持水力。可以看出,常温下魔芋胶的持水力优于黄原胶。这是魔芋胶较黄原胶含有更多的羟基基团,能够与水发生有效结合,从而表现出较高的持水能力。

图7 魔芋胶的持水力Fig.7 Water holding capacity of KGM

2.4 冻融处理对银耳粗多糖黏度的影响

冻融稳定性在食品特别是冷冻速冻食品的加工中具有十分重要的地位。在冷冻储藏过程中,热变化和随之而来的水相变化是导致冷冻速冻食品品质变化的主要原因。在食品冷藏过程中,多糖大分子以及一些小分子之间氢键重新缔合会导致冷冻食品中水分的收缩或脱水,从而影响到冷冻食品体系的粘度特性和凝胶特性,宏观表现为食品品质的下降[14]。因此,有必要研究魔芋胶的冻融稳定性。

图8 冻融处理对魔芋胶溶液黏度的影响Fig.8 Apparent viscosity of KGM solution with freezing-thawing treatments

冻融处理前后魔芋胶溶液黏度的变化如图8所示。由图8可以看出,冻融处理对2种多糖溶液的黏度均有影响,经过冻融后黄原胶溶液的黏度略有增大,而魔芋胶溶液的黏度却明显变小。这可能是由于在冻结过程中魔芋胶中多糖分子的氢键重新缔合,导致严重脱水,变成水分子,黏度降低程度大,而黄原胶在冻结过程中,温度对其氢键影响较小,因此其黏度变化不大[16]。

3 结论

较为系统地研究了魔芋胶的静态流变学、动态流变学特性、持水力和冻融稳定性,得到了以下结论:魔芋胶为剪切变稀的假塑性流体,其黏度随着质量浓度的增加逐渐增大,随着温度的升高逐渐降低,并且在加工过程中不利于食品保形;研究了魔芋胶的动态粘弹性和熔化特性,发现魔芋胶为热不可逆凝胶;魔芋胶的持水力较好但其冻融稳定性不好,在食品加工中要依据具体情况选择使用。

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Studyonrheologicalandprocessingcharacteristicsofkonjacgum

DENGLin,LIUYan-ling

(Sichuan Technology and Business College,Dujiangyan 611830,China)

TS201.1

A

1002-0306(2017)18-0056-04

2017-02-13

邓林(1977-)，女，硕士，副教授，主要从事食品生物技术方面的科研和教学，E-mail：ddlin@126.com。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.011