β-葡聚糖复合凝胶的超高压/热诱导制备技术及其性状评价

樊 蕊

(北京大学公共卫生学院营养与食品卫生学系，北京 100191)

燕麦β-葡聚糖是一种通过β-(1→3)和β-(1→4)糖苷键连接而成的线性非淀粉多糖，其在一定条件下可以形成凝胶。凝胶性也被认为是燕麦β-葡聚糖的基本性质之一。燕麦β-葡聚糖可作为一种新型的功能性食品配料、营养增补剂、化妆品和医用原料，引起了广泛关注[1]。但燕麦β-葡聚糖添加到这些食品中不仅会影响食品的感官性能，而且还会影响食品的质地和营养功能等，同时，还可与食品体系中的脂肪、蛋白质、淀粉以及其他多糖等功能性大分子共同作用，影响加工食品的特性和功能。因而，燕麦β-葡聚糖研究已成为热点。

从20世纪末起，对燕麦β-葡聚糖的溶液流变性能和凝胶性能已有研究[2-3]。燕麦β-葡聚糖溶液显示出典型的无规则卷曲的流动特性，在低剪切率下，溶液显示出剪切稀化流动特性，而分子量较大的葡聚糖显示出假塑性流动特性[4]。随着储存时间的延长，β-葡聚糖溶液显示出类似凝胶的结构，在凝胶固化过程的后期，溶液转变为典型的弹性凝胶[5]。但是到目前为止，对于燕麦β-葡聚糖凝胶特性的研究不够完善，不同制备方法对凝胶特性的研究未见报道。

目前常用的制备凝胶的方法包括：热处理、凝固剂、酶法、交联剂，不同制备方法得到的凝胶其性质和形成机理不同，因此，可以满足不同的应用目的。超高压(Ultrahigh pressure, UHP)作为一种新型的非热加工食品新技术近年来被广泛地研究与应用。超高压会使其分子结构和空间构象发生改变，从而影响其物理化学性质，如流变学性质等[6]。以前有关超高压对多糖性质的研究[7-9]相对较少，多集中在淀粉和食品胶方面，从超高压对食品多糖凝胶特性的研究结果来看，将超高压技术应用于食品多糖凝胶是一个十分值得关注的方向。

为了更好地理解葡聚糖凝胶在食品以及医药领域的应用，本试验拟对传统热诱导和新型超高压技术诱导制备的葡聚糖的凝胶性质、质构以及微观结构进行系统的比较和分析，以期明确超高压技术在β-葡聚糖凝胶制备方面的优越性，为β-葡聚糖凝胶对食品口感、稳定性的影响以及工艺参数的设计等提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 设备与试剂

分析天平：AR1140型，美国奥豪斯公司；

冷冻干燥：Alpha 1-2 D Plus型，德国 Marin Christ公司；

流变仪：AR-1500ex型，美国 TA 公司；

质构仪：TA-XT Plus型，英国 Stable Micro Systems公司；

扫描电镜：JSM-6701F型，日本 JEOL 公司；

超高压设备：HPP L2-700/1型，天津华泰森淼生物工程技术有限公司；

恒温磁力搅拌器：78HW-1型，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；

冷冻干燥：Alpha 1-2 D Plus型，德国Marin Christ公司；

真空包装机：DZ-260B型，北京恺欣世纪科技有限公司；

旋涡混合/振荡器：HAVDRTEX-5型，北京恒奥德科技有限公司；

燕麦β-葡聚糖：OG 2.0×105、LOG 1.0×105，广州中康食品有限公司。

1.2 制备方法

1.2.1 热诱导制备葡聚糖复合凝胶 分别称取一定量的燕麦β-葡聚糖LOG和燕麦β-葡聚糖OG，按质量比1∶1混合，在一定温度下于磁力搅拌器搅拌至完全溶解制成复合β-葡聚糖溶液，放置于4 ℃的冰箱过夜，观察β-葡聚糖凝胶的形成和外观特性，研究温度、总质量分数对β-葡聚糖凝胶形成的影响。将每份溶液倒入50 mL小烧杯中，当小烧杯倾斜60°时样品无流动性即认为形成凝胶。

1.2.2 超高压诱导制备葡聚糖复合凝胶 分别称取一定量的燕麦β-葡聚糖LOG和燕麦β-葡聚糖OG，按质量比1∶1混合，40 ℃下于磁力搅拌器搅拌至完全溶解后，冷却至室温，得到复合燕麦β-葡聚糖溶液。将制备的复合燕麦β-葡聚糖溶液装入50 mL离心管中，然后将离心管放入聚乙烯袋后真空封口，并将样品置于压力腔内，浸没于传压介质中，以水为传压介质，设置一定的压力进行超高压处理，保压时间30 min，升压速率6.5 MPa/s，降压速率20 MPa/s。处理后的样品置于4 ℃冰箱保藏，所有性质的测定均在24 h后进行。

1.3 β-葡聚糖复合凝胶的表观特征

样品经冷却后，通过肉眼观察各个样品的组织状态。

1.4 持水性测定

根据Zhang等[10]的方法，并稍作修改。称取 3 g 凝胶样品于10 mL离心管中，离心(10 000 r/min，20 min)，用滤纸小心地吸除离心出来的水分，20 min后再次离心称重，直至2次离心排水后离心管和样品的总重量之差<0.05 g，按式(1)计算持水性。试验3次取平均值。

(1)

式中：

WHC——持水性，%；

W1——离心后离心管和样品的总重量，g；

W0——离心管的重量，g；

W2——离心前离心管和样品总重量，g。

1.5 持油性测定

采用左锋等[11]的方法，并进行改进。准确称取 1 g 凝胶置于10 mL离心管中，再加入 5 mL 大豆色拉油，漩涡混合(手动点振方式)5 min，分散均匀后于室温下静置 30 min，离心(3 000 r/min，20 min)，倒掉上清色拉油，再称重。直至2次离心排油后离心管和样品的总重量之差<0.05 g，按式(2)计算持油性。试验3次取平均值。

(2)

式中：

OHC——持油性，%；

W1——离心后离心管和样品的总重量，g；

W0——离心管的重量，g；

W2——离心前离心管和样品总重量，g。

1.6 流变特性测定

凝胶的特殊结构使其同时具有固体和液体的性质，即在力学上表现为固体的性质而在热动力学上表现出浓溶液的性质。利用流变仪对β-葡聚糖复合凝胶进行流变测试，选择平板系统(型号：PP-40，直径40 mm，设置间隙5 mm)，恒温25 ℃由循环水系统精确控制。将凝胶进行频率扫描测试，设置频率范围0.1～100.0 rad/s，温度25 ℃，平衡时间2 min，为保证所有样品在线性黏弹范围内，应变选择1%。

1.7 质构特性测定

测试前，将样品切成高度为1 cm的圆柱形，并置于室温下平衡2 h，然后利用质构仪进行测量，主要参数：运行模式 Texture profile analysis (TPA)；探头 P/0.25；测试速度保持恒定，为60 mm/min；压缩变形为样品的30%；起始力0.4 N。选取的质构指标包括硬度、内聚性、弹性、咀嚼性。每个处理重复6次。

1.8 冻融稳定性

将β-葡聚糖复合凝胶置于-20 ℃冰箱，每隔3 d取出置于4 ℃冰箱解冻12 h，测定后将剩余解冻后的β-葡聚糖复合凝胶继续放入-20 ℃冻藏，以此往复5次[12]。

1.9 扫描电镜

将制备的凝胶样品冷冻干燥，喷金，通过扫描电镜观察，加速电压5 kV，每个样品观察5～10个区域。

1.10 数据统计

每组试验至少重复3次，结果通过Origin 8.6处理后用平均值(M)±标准差(SD)表示。运用SPSS 18.0 进行单因素方差分析(ANOVA)，若方差分析效果显著，则使用Duncan进行多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 β-葡聚糖复合凝胶表观特征

表1可以看出，温度60 ℃处理的β-葡聚糖溶液均无法形成凝胶，而温度高于70 ℃时，β-葡聚糖溶液总浓度高于11%均可以形成凝胶。β-葡聚糖在溶液中以无规则线团存在，属于黏弹性体系，并且和质量分数有一定关系，这就使得在一定条件下能形成凝胶[13]。随着温度升高至80 ℃，β-葡聚糖成胶浓度降低，总浓度为8%便可形成稳定的凝胶，此结论与前人[14]报道结果一致。从表1还可看出，70 ℃形成的凝胶结构较松散；而80 ℃形成的凝胶表面平整光滑，结构紧实。对于超高压诱导方法，压力<400 MPa处理的β-葡聚糖溶液基本不能形成凝胶，而压力>400 MPa时，高于12%的β-葡聚糖可形成凝胶，当压力增加到500 MPa，成胶浓度为7%。但400 MPa时凝胶不易成形，表面粗糙，结构松散；而600 MPa形成的凝胶表面平整光滑，结构紧实。超高压可使多糖的分子结构和空间构象发生改变，影响其物理化学性质，如流变学性质，从而影响其凝胶性[15-16]。

2.2 β-葡聚糖复合凝胶流变性能

酸奶质地、口感、乳清析出等许多宏观特性与其流变学，微观结构之间存在着很大的相关性。为了将β-葡聚糖复合凝胶作为脂肪模拟物添加在乳制品中，本试验对复合凝胶的流变、质构、微观结构以及加工特性进行了分析。由图1(b)可看出，当热诱导制备β-葡聚糖复合凝胶的，β-葡聚糖总浓度<8%时，其G′、G″随着ω增加，呈现增加的趋势，Winte等[17]发现对于典型的凝胶体系，G′和G″相互平行且G′>G″，因此，当β-葡聚糖总浓度在8%～14%时，热诱导制备的β-葡聚糖复合凝胶可形成典型凝胶。但是，超高压诱导的β-葡聚糖复合凝胶，即使β-葡聚糖总浓度低于8%，依然形成典型的凝胶，并且随着浓度增加，G′、G″呈增加的趋势。当总浓度进一步升高到15%时，超压诱导的β-葡聚糖复合凝胶均形成典型凝胶。这是因为超高压和热处理的凝胶形成机理不同，其化学键破坏的方式不同，因此形成的凝胶具有不同的特性。

2.3 β-葡聚糖复合凝胶持水持油性能测定

由图2可以看出，无论是超高压还是热诱导的β-葡聚糖复合凝胶，其持水性和持油性随着浓度的增加而增加。超高压诱导的β-葡聚糖复合凝胶持水性的增加较为平缓，当β-葡聚糖总浓度增加至12%后，其持水性基本保持恒定。而热诱导的β-葡聚糖复合凝胶持水性随着β-葡聚糖总浓度的增加呈持续增加的趋势。超高压诱导的β-葡聚糖凝胶持水性始终高于热诱导的，可能是高压在促进凝胶形成凝胶网络结构的同时，水分充填在网络结构中，有利于束缚住更多的水分，使持水性增加，同时也增加了凝胶强度[18]。2种诱导方法制备的葡聚糖复合凝胶持油性如图2(b)所示。热诱导的β-葡聚糖复合凝胶持油性显著高于超高压诱导的，且两者的变化趋势也不同。热诱导的β-葡聚糖复合凝胶随着β-葡聚糖浓度的增加呈先增加后降低的趋势。欲将β-葡聚糖复合凝胶添加在乳制品中，必须考虑其本身的流变特性。但将β-葡聚糖复合凝胶应用在酸乳中的研究还未见报道，在后续试验中可进一步开展研究。目前有报道[19]将明胶、果胶添加至牛乳中，明胶具有明显的吸水膨胀性，并且粘附于酪蛋白的表面加强了乳蛋白连接，可以有效地束缚水分。并且形成了弱的凝胶，利用极性基团吸附大量的水包裹到明胶凝胶中，粘附于酪蛋白表面，使得持水性升高[20-21]，但少量果胶的加入与酪蛋白发生“架桥絮凝”反应，使持水性降低，导致蛋白质过度重组产生了大块的酪蛋白聚集体[22]。

表1 不同处理和β-葡聚糖浓度制备的复合凝胶状态†

† “-”表示样品未形成凝胶；“+”表示样品形成凝胶，但是较粗糙，不够紧实；“++”表示凝胶较平整光滑；“+++”表示凝胶更光滑紧实。

2.4 β-葡聚糖复合凝胶质构性能测定

由图3可以看出，β-葡聚糖总浓度以及制备方法对复合凝胶的质构特性影响显著。超高压诱导的β-葡聚糖复合凝胶的硬度、内聚性、弹性和咀嚼性高于热诱导的。热诱导的β-葡聚糖凝胶的硬度随着葡聚糖浓度的增加呈显著先增加后降低的趋势(P<0.05)，当β-葡聚糖浓度达到14%时，其硬度最大，为1.8 N，但显著低于超高压诱导的β-葡聚糖凝胶(P<0.05)。此现象与前人[23]研究结果相似。学者[24]32指出，随着多糖浓度的上升，其耐压性越好。可能是随着多糖浓度的上升，更多分子间的非共价键形成，使得整个网络结构能够承受的压力越来越大。报道[25]指出，在酸乳中适当添加阿拉伯胶可以增加酸乳的硬度，但是添加过多由于空间位阻会破坏酪蛋白的交联，阻碍网络结构构建，引起抵抗外力性能变弱，从而导致凝乳硬度、内聚性都降低。

超高压诱导的β-葡聚糖凝胶，其内聚性随着β-葡聚糖浓度的增加保持恒定的趋势，而热诱导的β-葡聚糖凝胶其内聚性随着浓度的增加呈微小下降趋势[图3(b)]。

图1 超高压诱导/热诱导的β-葡聚糖复合凝胶的频率扫描曲线Figure 1 The frequency sweep curves of β-glucan mixed gels prepared with differenttreatments

图2 超高压诱导/热诱导的β-葡聚复合糖凝胶的持水持油性Figure 2 The water and oil hold capacities of β-glucan mixed gels prepared with different treatments

王锐[24] 35报道，随着玉米麸皮添加量的增加，鸭肉凝胶的凝聚性降低。

由图2(c)、(d)可看出，随着β-葡聚糖浓度的增加，β-葡聚糖凝胶的弹性和咀嚼性均呈先增后降趋势，此结果与卡拉胶-魔芋胶复合凝胶[26]的弹性和咀嚼性变化趋势相似。超高压诱导的β-葡聚糖复合凝胶弹性高于热诱导的，其结论与陆海霞等[27]研究结果一致。

2.5 β-葡聚糖复合凝胶冻融稳定性测定

对于特殊的食品乳液体系，冷冻是必备加工工序，如冰淇淋。乳液冷冻涉及到一系列物理化学变化，包括水和脂肪结晶、界面相转变和生物大分子构象改变及由此引起的连锁反应[28]，因此，探讨β-葡聚糖复合凝胶冻融循环的持水性变化，对其应用在冷冻食品中是非常有必要的。图4显示不同诱导方式制备的凝胶在冻融循环中对β-葡聚糖凝胶持水性的影响。随着β-葡聚糖浓度增加，β-葡聚糖凝胶持水性增加，且超高压制备的持水性高于热诱导的。高压促使多糖发生解聚，溶解性升高，使更多的自由水与多糖形成结合水，增强了持水性能[29]；但不同方法诱导制备的β-葡聚糖，随着冻融循环次数的增加，其持水力均呈下降趋势。这是因为在反复冻融中，温度不断变化，冰晶不断消失和形成，对凝胶的网络有一定的破坏作用，使其截留水分的能力降低。经过5次冻融循环后，超高压诱导制备的15%的β-葡聚糖凝胶持水性降低至初始持水性的91%，而热诱导制备的β-葡聚糖凝胶持水性降低至初始持水性的87%，表明超高压诱导的β-葡聚糖凝胶的稳定性略优于热诱导的。因此，超高压诱导的β-葡聚糖凝胶为水包油乳液型冷冻食品、热敏性生物活性物质和低温储存药品的制备和研发提供一条有效的技术途径。

图4 超高压诱导/热诱导的β-葡聚糖复合凝胶的冻融循环的持水性特征Figure 4 The water hold capacities of β-glucan mixed gels by different treatments in freeze-thaw cycle

2.6 β-葡聚糖复合凝微观结构表征

将β-葡聚糖复合凝胶添加在酸奶中，改变了酸奶凝胶固有的微观结构，酸奶凝胶微孔的大小与其保水性及乳清析出的敏感性有关，微孔越均匀越细小，其保水性越好[30]。由图5可以看出，当β-葡聚糖总浓度较低时(10%)，超高压诱导的β-葡聚糖凝胶表面较为光滑，而热诱导的β-葡聚糖凝胶表面粗糙，不均匀。当增加β-葡聚糖总浓度，超高压诱导的β-葡聚糖凝胶由簇状转化为团块状，且表面孔洞数量和体积均减少。通过比较发现，超高压诱导的β-葡聚糖凝胶表面较热诱导的均匀、致密，孔洞较小且分布均匀。综上所述，超高压诱导的β-葡聚糖凝胶更加适合应用在酸乳中。

图5 超高压诱导/热诱导的β-葡聚糖复合凝胶的扫描电镜Figure 5 SEM images of β-glucan mixed gel

3 结论

本试验系统分析了热诱导和超高压诱导制备的不同分子量的β-葡聚糖复合凝胶的性质和微观结构，结果显示超高压诱导制备的β-葡聚糖复合凝胶的凝胶强度、质构特征、微观结构以及持水性均优于热诱导制备的。此结论为推广超高压技术在多糖凝胶的制备方面以及优化β-葡聚糖凝胶，扩大其在食品中的应用提供了理论依据。在后期研究中，将对不同方法制备的β-葡聚糖复合凝胶的机理和应用进行深入研究。