混改魔芋多糖胶凝胶特性的研究

代佳佳 ，高娃 ，李艳 ，周玉燕2，，王国栋 2，*

（1.皖南医学院公共卫生学院，安徽 芜湖 241002；2.安徽省多糖药物工程技术研究中心；3.皖南医学院药学院）

魔芋乃多年生天南星科草本植物，其地下的块茎中多糖含量较高，由D-葡萄糖和D-甘露糖通过β-1，4糖苷键结合而成［1-2］。魔芋多糖是从魔芋根茎中提取出来的水溶性非离子多糖，也被称为魔芋胶，在食品领域，作为食品工业常用的食品添加剂，还可以在肉制品加工中作为脂肪替代品；在医学保健领域，具有降低血糖、血脂及预防胃肠道疾病等功能［3-4］。因天然魔芋多糖具有黏稠性、凝胶稳定性均差等缺点，在某些食品加工中受到限制或者影响食品品质，故对其改性就显得尤为重要［5］。有研究通过卡拉胶和魔芋胶混合进行改性［6］，或通过魔芋胶和玉米淀粉混合改性［7］，目前尚未发现变性后的玉米淀粉与卡拉胶和魔芋胶的混合改性的相关研究。本文旨在研究魔芋胶、卡拉胶和玉米变性淀粉等对混改魔芋凝胶体系凝胶特性的影响，进而摸索形成凝胶的最佳条件，从而为其在食品、医药等领域的应用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料 卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉均为食用级，由郑州昊天食品添加剂有限公司生产；Na2HPO4·H2O、KH2PO4和NaCl均为分析纯，由上海超研生物科技有限公司生产。

1.2 仪器 JA2003电子天平（上海天平仪器厂）；HH-42快速恒温数显水箱（常州国华电器有限公司）；TA-XT2i型质构仪（英国Stable Micro Systems公司）；SANYO制冰机（SLM—F124）（日本三洋公司）。

1.3 方法

1.3.1 魔芋多糖的纯化 魔芋多糖用50%乙醇洗涤，95%乙醇脱水，75℃烘箱干燥，保存备用。

1.3.2 混改魔芋凝胶体系的制备 由Na2HPO4·H2O、KH2PO4和NaCl制成pH为8的磷酸盐缓冲液，在磷酸盐缓冲液中按三因素三水平正交试验进行添加卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉，搅拌均匀后用0.5%的NaOH溶液将上述制备液的pH调至10，然后置于85℃水浴中加热10 min，加热至中心温度为85℃，保温10 min，自然冷却后，置于4℃冰箱中贮藏12 h备用，见表1。

表1 卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉的添加试验因素水平表

1.3.3 凝 胶 保 水 性（water holding capacity，WHC）测定 将制备好的凝胶在3 000×g速度下离心5 min后除水称重。WHC=（W1-W）/（W2-W）×100%，其中W1：离心管和离心除水后的凝胶重；W2：离心管和凝胶初重；W：离心管重。

1.3.4 质构测定 应用质构仪剖面分析法（Texture Profile Analysis，TPA）测定样品的硬度（Hardness）和弹性（Springness）。质构仪参数设定：测前探头下降速度（Pre-test Speed）1.0 mm/s，测试速度（Test-speed）0.5 mm/s；测试后探头上升速度（Post-test Speed）10 mm/s，穿刺测试距离5 mm，压缩比（Ratio）50%，2次下压间隔时间（Time between two compressions）5.0 s，负载类型（Trigger Type）Auto-5 g，探头类型（Probe）P2（2 mm CYLINDER STAINLESS），数据收集率（Data Acquisition Rate）200 PPS（Point Per second），每组样品5个平行，同时用质构仪自带的软件进行分析。

1.3.5 超微结构 将制备好的凝胶切至约5 mm厚的小块，用3%的戊二醛固定2～3 h后用不同浓度乙醇（50%、70%、90%、100%）进行梯度脱水，每次30 min。脱水后的样品放于纯叔丁醇中置换3次，每次30 min，之后冷冻干燥，最后喷上约10 mm的金粉，电镜下观察。

1.4 统计学方法 采用SAS 8.0数理统计软件进行统计学分析，采用Fisher′s LSD进行方差分析和极差分析（Duncan′s multiple-range test）进行多重比较。采用Pearson相关性分析混改魔芋凝胶体系WHC与硬度、弹性间及与卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉添加量的相关性。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 不同添加量对混改魔芋凝胶体系的正交试验结果采用L9（3）3正交表进行正交试验，研究卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉这三个因素的不同添加量对其所形成的凝胶体系的凝胶特性的影响。见表2和表3。

表2 混改魔芋凝胶体系试验结果

表3 卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉与WHC、硬度和弹性相关系数

2.2 不同添加量对混改魔芋凝胶体系WHC的影响 随着卡拉胶添加量的增加，混改魔芋凝胶体系的WHC是逐渐增大的，当其添加量达到3%时增加速度相对趋缓，添加量为5%时WHC最大；魔芋胶添加量在5%时，混改魔芋凝胶体系的WHC最大，在添加为15%时WHC开始降低逐渐变小，25%时达到最小；随着玉米变性淀粉添加量的增加，混改魔芋凝胶体系的WHC逐渐增大。见图1。方差分析结果表明：卡拉胶和玉米变性淀粉的添加量对混改魔芋凝胶体系的WHC有极显著影响（P＜0.01），魔芋胶添加量对混改魔芋凝胶体系的WHC没有显著性影响；极差分析结果表明：卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉对WHC影响的顺序依次为：卡拉胶＞玉米变性淀粉＞魔芋胶。Pearson相关性分析结果：混改魔芋凝胶体系的WHC值与卡拉胶、玉米变性淀粉的添加量均呈正相关（r=0.513 和 0.704，P＜0.05 和0.01），与魔芋胶的添加量呈负相关（r=-0.011，P＜0.05）；混改魔芋凝胶体系的WHC值与硬度没有相关性，与弹性呈负相关（r=-0.601，P＜0.01），见表3。

图1 混改魔芋凝胶体系正交试验的WHC极差分析

2.3 不同添加量对混改魔芋凝胶体系质构的影响 随着卡拉胶添加量的增加，混改魔芋凝胶体系的硬度依次增大，添加量3%时其硬度达到最大值，5%时硬度在逐渐减小，但是减小幅度并不明显；弹性是先下降而后又升高，添加量3%时弹性达到最小，随后开始逐渐小幅上升。随着魔芋胶添加量的增加，混改魔芋凝胶体系的硬度逐渐降低，弹性却是逐渐增大的。随着玉米变性淀粉添加量的增大，硬度开始逐渐升高，弹性却是大幅度降低的。见图2、图3。方差分析结果显示：魔芋胶和玉米变性淀粉的添加量对混改魔芋凝胶体系的硬度呈极显著影响（P＜0.01），卡拉胶添加量对其硬度呈显著影响（P＜0.05），玉米变性淀粉添加量对混改魔芋凝胶体系的弹性呈极显著影响（P＜0.01），卡拉胶和魔芋胶添加量对其弹性有显著影响（P＜0.05）。极差分析结果显示：卡拉胶、魔芋胶和玉米变性淀粉对混改魔芋凝胶体系的硬度影响的顺序依次为：卡拉胶＞玉米变性淀粉＞魔芋胶；对其弹性影响的顺序依次为：卡拉胶＞魔芋胶＞玉米变性淀粉。Pearson相关性分析结果显示：魔芋胶的添加量与其弹性呈正相关（r=0.347，P＜0.05），与硬度呈负相关（r=-0.871，P＜0.01）；玉米变性淀粉添加量与硬度呈正相关（r=0.361，P＜0.05），与弹性呈负相关（r=-0.670，P＜0.01）；其 硬 度 与 弹 性 呈 显 著 性 负 相 关（r=-0.564，P＜0.05），见表3。

图2 混改魔芋凝胶体系正交试验的质构（硬度）极差分析

图3 混改魔芋凝胶体系正交试验的质构（弹性）极差分析

2.4 不同添加量对混改魔芋凝胶体系超微结构的影响 图4为不同添加量的情况下混改魔芋凝胶体系超微结构图，表示了凝胶的形成情况。图4A中得出当魔芋胶、卡拉胶和变性玉米淀粉添加量都较小时，发现形成的凝胶网络结构主要是由魔芋胶和卡拉胶相互作用所形成的，玉米变性淀粉的作用不明显；当玉米变性淀粉和卡拉胶的添加量均稍微增加时，图4D显示，凝胶网络结构不但致密而且玉米变性淀粉可以充分添加到网络结构中，使得此时的凝胶特性效果达到最佳；当卡拉胶、魔芋胶达到试验添加的最大值，玉米变性淀粉添加量处于中间值时，发现凝胶网络结构中有粗的结节出现，如图4I所示；从图4C中可知，玉米变性淀粉、魔芋胶添加量达到试验添加的最大值时，凝胶网络中也有粗的结节出现，并且网络的致密性开始下降；综上所述，可以得出适当的卡拉胶、玉米变性淀粉的添加量可以有助于致密凝胶网络结构的形成［8］，而此时的玉米变性淀粉既可以参与网络结构的形成也可以充当网络结构中的填充物，使其结构更加致密，最低量的魔芋胶可以和两者充分结合，形成互相缠绕的网络结构，当其添加量逐渐增加时，会有粗的结节出现。

3 讨论

通过对魔芋多糖混改，其凝胶体系的保水性有所提高，弹性和硬度均有所改变。卡拉胶是具有双螺旋结构的多糖，魔芋多糖是β-D-葡萄糖和D-甘露糖形成的复合多糖［9］。在一定条件下进行混改并加热，混改的多糖分子其内部氢键结构发生改变，打开的双螺旋结构卡拉胶多糖分子可以和魔芋胶多糖主链上的β-（1→4）糖苷键连接区的分子形成较大的网络空间结构聚合物［10］；而玉米变性淀粉分子则不参加网络结构的形成［11］，与Chaudemanche等［11］研究一致，而是作为填充剂填充到三维网络结构中，使其结构更加致密，进而使魔芋多糖凝胶体系的凝胶特性发生改变。

图4 不同添加量情况下混改魔芋凝胶体系超微结构（×3 000）

本研究首次将玉米变性淀粉和卡拉胶一起应用于魔芋多糖的凝胶体系当中，结果表明玉米变性淀粉对混改魔芋凝胶体系的WHC、硬度及弹性均有极显著影响（P＜0.05或0.01）；卡拉胶的添加量对混改魔芋凝胶体系的WHC、硬度及弹性也均有显著影响（P＜0.01或0.05）；魔芋胶的添加量对其WHC没有显著性影响，对其硬度及弹性均有显著影响（P＜0.01 或 0.05）。玉米变性淀粉主要起到填充剂的作用，而卡拉胶可以和魔芋多糖形成共聚物，玉米变性淀粉可以填充其中。结合WHC、硬度和弹性等指标结果，得出混改魔芋凝胶体系的优化结果是卡拉胶3%，魔芋胶15%，玉米变性淀粉9%。