魔芋卡拉复配凝胶体系结构分析

李 丹

（1.莆田学院 环境与生物工程学院，福建 莆田 351100；

2.福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室，福建 莆田351100）

大多数食品中或多或少含有一定的水分，水分迁移行为直接影响产品的品质，而且在食品加工与储藏的机理研究方面具有重要的意义.特别是水分子的结合程度和水分子的迁移行为对食品的流变性质、稳定性等有直接的影响.核磁共振技术是一门优于差式扫描量热技术（DSC）和差热分析法（DTA）等检测方法的新兴技术，它可以监控各种水的分布与迁移状态，具有快速无损的优点.核磁共振成像技术能直观地显示食物中水分的分布情况［1］，因此未来核磁共振技术必将在食品的加工与储藏中得到广泛的应用.利用NMR&MRI技术从分子水平观测食品的加工、储藏过程水分的变化，研究变化机理，并与其他品质指标建立相应的数学模型.在该模型指导下，可以达到改善加工工艺、提高食品质量的目的.核磁共振技术以及其数学模型的推广应用在食品工业中具有广泛的前景.

红外光谱是探索分子结构的有效途径.当红外光照射分子时，其振动频率等于化学键或官能团的振动频率，不同的官能团或化学键在红外光谱上处于不同的波数范围，因此可通过红外光谱了解官能团或化学键的信息［2］.

1 试剂与设备

1.1 实验试剂

魔芋胶、卡拉胶、柠檬酸、氯化钾、木糖醇均为食品级.

1.2 实验设备

电子天平：北京Sartorius科学仪器有限公司；MRI测定仪：上海纽迈电子科技有限公司；磁力搅拌器，Mini MR：宁波欧普仪器有限公司；水浴锅：HH-2型，上海江星仪器有限公司；红外光谱仪：德国布鲁克.

2 实验方法

2.1 复配胶的制备

按照前期实验方法［3］设计制备复配胶的方法，改变不同的条件制备复配胶.总胶浓度对复配胶的影响：在 100 g蒸馏水中分别添加 0.60、0.80、1.00、1.40、1.80和 2.20 g的复配粉，其中魔芋胶与卡拉胶的添加量相同；KCl对复配胶的影响：在复配胶水浴时分别加入0.06、0.08、0.10、0.12、0.14和0.16 g预溶的KCl；柠檬酸对复配胶的影响：于复配胶水浴时分别加入0.02、0.04、0.08、0.12、0.16和0.20 g预溶的柠檬酸；温度对复配凝胶的影响：分别在50、60、70、80、90和100℃ 的温度下加热复配胶；木糖醇对复配胶的影响：于复配胶水浴时分别加入4、8、12、16和20 g木糖醇.

2.2 红外光谱测定

将质量浓度为1%的卡拉胶、1%的魔芋胶、1%的魔芋卡拉复配凝胶以及分别添加0.2%的柠檬酸、0.2%的KCl的魔芋卡拉复配凝胶于-50℃下进行冷冻干燥后，与KBr研磨均匀后，进行红外光谱测定.

2.3 核磁共振成像试验及参数设定

参照李妍等［4］的参数设定.

2.4 数据分析

实验中的数据分析采用Excel 2010进行.

3 结果与分析

3.1 核磁共振成像结果分析

3.1.1 总胶浓度MRI结果

水质子信号量最大，信号量越大则亮度越高，因此亮度越高的地方代表水分分布越多.由图1可以看出总胶浓度大于等于1%的魔芋卡拉复配凝胶MRI成像图亮度更大，边缘平整，孔隙很少，说明其中的水分含量多且分布均匀，总胶浓度大于等于1%的时候有利于凝胶结构的形成，较好地截留住更多的水分.而总胶浓度小于1%的MRI成像图孔洞较多，图片暗淡，边缘不平整，说明其凝胶结构松散，水分分布不均匀，不利于水分的保持.魔芋胶不能单独形成凝胶，而与卡拉胶结合形成凝胶，总胶浓度越大，卡拉胶与魔芋胶形成硫酸酯的机会增多，与前期实验［3］显示的总胶浓度在1%时形成凝胶强度最强的结果一致，见图1.

图1 总胶浓度的MRI成像

3.1.2 KCl对复配凝胶的影响

水质子信号量最大，信号量越大则亮度越高，因此亮度越高的地方代表水分分布越多.由图2可以看出随着KCl浓度的增加，魔芋卡拉复配凝胶MRI成像图亮度逐渐增大，边缘逐渐平整，孔隙很少，说明其中的水分含量多且分布均匀，有利于水分的保持.与前期实验结果［3］显示的随着KCl浓度的增加，与水分的结合变紧密的结果一致，见图2.

图2 KCl添加到复配胶的MRI成像情况

3.1.3柠檬酸对复配凝胶MRI成像的影响

水质子信号量最大，信号量越大则亮度越高，因此亮度越高的地方代表水分分布越多.由图3可以看出随着柠檬酸浓度的增加，魔芋卡拉复配凝胶MRI成像图亮度逐渐降低，边缘逐渐不平整，孔隙变多，说明其中的水分含量多且分布不均匀，不利于水分的保持.核磁共振成像的结果恰好解释了前期实验结果［3］显示的随着柠檬酸浓度的增加，复配凝胶的硬度和胶着性呈现下降的趋势的原因，即可能是由于柠檬酸的添加不利于复配凝胶水分的保持，见图3.

图3 柠檬酸浓度对复配胶MRI的影响

3.1.4 温度对复配凝胶MRI成像的影响

水质子信号量最大，信号量越大则亮度越高，因此亮度越高的地方代表水分分布越多.由图4可以看出随着水浴温度的增加，魔芋卡拉复配凝胶MRI成像图亮度逐渐增加，边缘逐渐平整，孔隙变少，说明其中的水分含量多且分布均匀，有利于凝胶中水分的保持.这可能是由于随着温度的升高，分子运动更加剧烈，凝胶中水分得以保持，见图4.

图4 温度对复配胶MRI成像的影响

3.1.5 木糖醇对复配胶的影响MRI成像

水质子信号量最大，信号量越大则亮度越高，因此亮度越高的地方代表水分分布越多.由图5可以看出随着木糖醇浓度的增加，魔芋卡拉复配凝胶MRI成像图亮度逐渐增加，当木糖醇浓度为12%时候，边缘最平整，孔隙最少，说明其中的水分含量多且分布最均匀，有利于水分的保持，见图5.

图5 木糖醇浓度对复配胶MRI成像的影响

3.2 红外光谱成像结果分析

卡拉胶、魔芋胶和卡拉魔芋复配胶的红外光谱图见图4（a）；未添加任何其他物质的复配胶、添加KCl的复配胶和添加柠檬酸的复配胶的红外光谱图见图4（b）.

由于O-H伸缩振动的波数范围在3 000～3 600 cm-1之间［5］，由图6（a）可以看出卡拉胶的O-H伸缩振动在3 367.14 cm-1，复配胶的O-H伸缩振动在3 448.10 cm-1，魔芋胶的O-H伸缩振动在3 448.40 cm-1，卡拉胶的O-H伸缩振动峰的波数小于复配胶的O-H伸缩振动峰的波数，魔芋胶的O-H伸缩振动峰大于复配胶的O-H伸缩振动峰的波数.复配凝胶的O-H伸缩振动的吸收强度比单独卡拉胶强，这可能是由于卡拉胶中的硫酸基团与魔芋胶的O-H形成氢键所致，又由于形成氢键以后，基团的键力常数下降，因此有氢键的基团伸缩振动频率减弱［6］.从图中可以看出，除了指纹区外，卡拉胶和魔芋卡拉复配凝胶的峰型比较相似，但是复配凝胶与魔芋胶的峰型差别比较大，这说明魔芋卡拉复配凝胶形成的网络结构以卡拉胶为主，由于卡拉胶独自成胶时具有凝胶的弹性小、脆性大，易脱液收缩的缺点［7］，当魔芋卡拉胶复配时候，魔芋胶对改善复配胶体系的凝胶特性起较大作用［8］.

图6 凝胶红外光谱图

由图6(b)可以得出，添加KCl的复配凝胶的O-H伸缩振动的波数为3 433.25 cm-1，添加柠檬酸的复配凝胶的O-H伸缩振动波数为3 448.25 cm-1,不添加其他任何物质的魔芋卡拉复配凝胶的O-H伸缩振动的波数为3 448.40 cm-1.由此可以得出，添加Kcl的复配胶的O-H伸缩振动往低波数移动，说明由于K+的存在增强了复配凝胶的凝胶强度，这可能是由于K+与卡拉胶缠结形成超分子束，增强了氢键的作用，最终形成致密的网络结构［8］.添加柠檬酸的复配凝胶的O-H伸缩振动也往低波数移动，可能但是移动的并不明显，说明柠檬酸对增强复配凝胶的凝胶强度的作用相对K+较小.

4 结论

总胶浓度大于等于1%的时候有利于凝胶结构的形成，较好地截留住更多的水分.而总胶浓度小于1%的MRI成像图孔洞较多，图片暗淡，边缘不平整，说明其凝胶结构松散，水分分布不均匀，不利于水分的保持.随着KCl添加量的增加，魔芋卡拉复配凝胶MRI成像图亮度逐渐增大，边缘逐渐平整，孔隙很少，说明其中的水分含量多且分布均匀，有利于水分的保持.红外光谱分析的结果可得，魔芋卡拉复配凝胶的伸缩振动频率往低波数方向移动，说明魔芋卡拉复配在形成凝胶的过程中形成了分子间的氢键，增强了凝胶强度.添加KCl的魔芋卡拉复配凝胶的伸缩振动频率也往低波数方向移动，这可能是由于K+增强了分子间氢键的作用，从而增强了凝胶强度所致.

［1］甄少波．待宰对猪应激及冷却肉品质影响机理研究［D］．北京：中国农业大学,2013．

［2］尹硕．可见光敏化芳香羧酸稀土配合物的制备及发光性能［D］．西安：陕西师范大学，2014．

［3］李丹，林向阳，吴佳，等．魔芋卡拉复配胶的低场核磁和质构特性研究［J］．食品研究与开发，2016，37(04)：221-224．

［4］李妍，林向阳，叶南慧，等．利用核磁共振技术研究海带面团面筋网络结构形成过程［J］．中国食品学报，2014，14(12)：39-48．

［5］谢晶曦，常俊标，王绪明．红外光谱在有机化学和药物化学中的应用［M］．北京：科学出版社，2001：4-6．

［6］李勇．碳水化合物加工技术［M］．北京：化学工业出版社，2004：243-246．

［7］张国华．功能性食品胶［M］．北京：化学工业出版社，2004：376-379．

［8］王元兰，魏玉．k-卡拉胶与魔芋胶复配凝胶结构探讨［J］.食品科学，2012，33（9）：47-49．