超声处理对魔芋葡甘聚糖流变与结构的影响

彭曼曼，吴思凝，迪珂君，徐丹，张甫生

(西南大学 食品科学学院，重庆，400715)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是一种天然高分子多糖，平均分子量约为1 000 kDa，易溶于水，可以吸收相当于其自身80～100倍的水，通过氢键、偶极等作用力聚集形成巨型分子，具有优良的亲水性、凝胶性、成膜作用和增稠作用[1]。此外，KGM还具有多种生物学活性，如增强免疫力、抗肥胖、改善肠道微生物群、降血脂等[2-4]。大分子量虽然赋予了KGM优良的黏结性，但也使得KGM流动性较差，不利于产品加工，使其在作为食品添加剂或功能性物质应用方面受到很大限制[5]。降解后KGM的黏度降低、流动性变佳，这不但能改善消费者的口感体验、增加其在液体食品基质中的应用[6]，还符合产业化生产要求，提高生产效率[7]。同时，黏度较低的KGM更有利于发挥其生物活性，如抗氧化活性[8]、益生菌活性[9]、提高机体免疫功能[10]、改善肠道环境[11]和维护皮肤健康[12]。因此，为了充分发掘和利用KGM在食品、医药及化工领域的潜力与价值，其黏度高、流动性差的问题亟待解决。

目前，降低KGM黏度的方法主要有酸法、碱法、酶法以及辐射处理，虽然这些方法均能改善KGM的流动性，但它们中有的会造成环境污染问题，有的则成本过高，不利于实际生产使用[13]。因此，还需要一种更加清洁、便利的技术来降低KGM黏度。近年来，超声波因其具有频率高、波长短、功率大、定向性好及便捷等特点，在食品加工领域日益展现出独特的优势[14]。它不仅可提高提取、分离及加工反应的效率[15]，还可以改善多糖大分子的黏度、流动性等流变特性，如超声降解果胶[16]、黄原胶[17]、槐豆胶[18]等多糖大分子，其黏度与未处理组相比降低了60%～90%，且所得溶液稳定性高。目前，有关超声对KGM流变特性影响的研究，多集中在短时超声处理降低KGM水溶液的黏度及部分结构上[19-20]，鲜见关于探讨超声处理对KGM流变特性及微观结构等方面系统的研究。为此，本试验系统地研究了不同超声处理时间、超声处理功率对KGM溶胶的流变、分子间相互作用和微观结构的影响，以期解决KGM黏度高、流动性差等突出问题，拓展KGM在饮料、酸奶、果冻等食品以及护发素、面霜等日用品中的应用，为KGM加工应用提供相关理论参考，也为其他大分子多糖的超声改性提供依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 主要实验材料

KGM(食品级)，湖北七仙女生物有限公司；KBr(分析纯)，成都市科龙化工试剂厂。

1.1.2 主要仪器与设备

SB-3200DTDN型超声波机器，宁波新芝生物科技股份有限公司；DHG-9140A型电热恒温鼓风干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；HH-2型数显恒温水浴锅，常州奥华仪器有限公司；FA2104型高精数显电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；SCIENTZ-10ND型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技股份有限公司；Spectrum100红外光谱仪，美国PerkinElmer公司；DHR-1型流变仪，美国TA仪器；S-3000N型扫描电镜，HITACHI公司。

1.2 实验方法

1.2.1 KGM溶胶制备及超声处理

准确称取KGM 0.400 g，快速搅拌至完全溶解于50.0 mL纯水后，置于40 ℃水浴锅中溶胀1.5 h，取出，将其在设置特定参数的超声波机器中进行处理。超声过程中在装有样品的烧杯外围加入冰块，维持其恒定温度。然后把处理后的样品置于常温环境下待测。

按前期预实验结果，以加工效率及效果为依据，设定超声处理参数：(1) 处理时间0、30、60、120、240 min，功率180 W；(2) 超声波处理功率为0、72、108、144、180 W(超声波机器总功率为180 W，有效功率范围40%～99%)，处理时间240 min。

1.2.2 流变性质的测定

取适量KGM溶胶于直径为60 mm的平行板转子上，设置测试间隙为1 000 μm，当探头到达设定位置后，小心擦去多余溶胶，并在周围涂上硅油，防止在测试过程中水分挥发。加样后，平衡时间1 min，然后在25 ℃下测定其流变学性质[21]。(1)表观黏度测定：剪切速率0.1～100 s-1，频率1 Hz；(2)动态黏弹性测试：频率扫描范围为100～1 rad/s，应变为2%。

1.2.3 傅里叶红外光谱(FT-IR)

采用KBr压片法，先将超声处理后的样品用冷冻干燥机处理48 h，然后取少量冷冻干燥后的样品与KBr粉末按照1∶80的质量比进行研磨混合并压片，以空气作为参比并测试样品，扫描范围为4 000～400 cm-1，光谱分辨率为4 cm-1，连续扫描32次自动平均[22]。

1.2.4 扫描电子显微镜(SEM)

将超声处理后的KGM溶胶倒入培养皿中预冷冻24 h，取出后进行真空冷冻干燥处理48 h，然后取适量样品固定于贴有导电胶的电镜样品铜台上，喷金处理后送入样品室进行观察，放大倍数分别为60倍和200倍，并选择合适的区域拍照[23]。

1.2.5 数据分析

实验数据均用OriginPro 8、SPSS 17.0进行处理与分析，每组实验均重复3次，结果以平均值±标准偏差表示，以Duncan(D)法(P<0.05)判定其显著性差异。

2 结果与分析

2.1 超声处理对KGM溶胶表观黏度的影响

2.1.1 处理时间对KGM溶胶表观黏度的影响

超声处理前后KGM的黏度均随着剪切速率的增大而降低(如图1)，属于剪切变稀行为，表明KGM溶胶属于非牛顿流体，具有假塑性。由图1可知，超声处理0～60 min的KGM溶胶表观黏度下降幅度较小，从120 min起，表观黏度下降幅度较明显；在剪切速率为21.9 s-1时，处理30 min的KGM溶胶表观黏度下降5.6%(P<0.05，下同)，处理60 min的KGM溶胶表观黏度下降了12.0%，而处理120 min与240 min的KGM溶胶表观黏度则分别下降了25.6%和 46.3%。这与10 g/L的KGM随着超声时间的增加，其黏度值降低的实验结果相一致[24]。短时超声处理对KGM溶胶黏度的影响不大，而延长超声时间能够显著降低KGM溶胶的黏度，处理时间越长黏度降低越多。这是由于短时超声处理时，只有部分KGM分子网络结构受到破坏，其整体网络结构仍然存在，而随着超声处理时间的增加，KGM分子间作用力削弱，KGM溶胶网络受到越来越严重的破坏，从而使KGM溶胶的表观黏度降低[19, 25]。

图1 超声时间对KGM溶胶表观黏度的影响Fig.1 Effect of ultrasonic time treatment on apparentviscosity of KGM sol

运用幂定律τ=Kγn回归拟合KGM剪切速率与剪切应力数据，稠度系数K、流动指数n、相关系数r2等参数如表1所示。所有r2均在0.965～0.992范围内，表明预测方程均能恰当拟合流变曲线。n在0.273～0.359范围内，均小于1，表明超声处理前后KGM溶胶均为假塑性流体，超声作用并不会改变KGM流体本质[26]。K随着超声时间的增加而减小，超声30、60、120、240 min后，K分别下降了18.4%、18.2%、37.2%和62.5%，这是超声破坏作用延长造成的。KGM溶胀后，大分子通过缠结会形成巨型网络结构，分子间作用力具有一定抵抗外力破坏的作用[27]，因此超声30和60 min后KGM稠度系数K变化较小。随着超声时间的增加，KGM完整网络结构被逐步瓦解，因此超声240 min后稠度系数K显著减小[20]。

表1 不同超声时间处理的KGM流变特性拟合参数Table 1 Fitting parameters of rheological propertiesof KGM after different ultrasonic time treatment

注：同列不同字母表示各数据间具有显著性差异(P<0.05)(下同)

2.1.2 处理功率对KGM溶胶表观黏度的影响

KGM的表观黏度随着超声功率的增大而降低(如图2)，在剪切速率为21.9 s-1时，与未经超声处理的KGM相比，72～144 W超声处理后KGM溶胶的表观黏度下降了24%～28%，180 W超声处理后KGM溶胶的表观黏度则下降了66.1%，下降幅度约为72～144 W处理的两倍。不同功率超声降解冬虫夏草多糖有类似的结果，在51 W/cm2超声处理的冬虫夏草多糖黏度降幅为12 W/cm2的6倍[28]。随着超声功率的增大，溶胶所受的能量增加， “空化”作用加强，当超过临界值时，声压能量大于溶胶的内聚力，溶胶结构则被破坏[29]。这些空化泡破裂时会产生局部高压和剧烈温变，从而达到降低KGM分子量的效果，增强了KGM溶胶的流动性[30]。超声波作为一种机械波通过空化作用[31]将KGM吸水溶胀完全之后形成的紧密网络结构撕裂，并降低KGM分子量，从而使得其黏度降低[32]。当功率为180 W时，KGM网络结构已被严重破坏，溶胶流动性相对较强，因而其表观黏度有较大幅度的降低。

图2 超声功率对KGM溶胶表观黏度的影响Fig.2 Effect of ultrasonic power treatment on theapparent viscosity of KGM sol

运用幂定律τ=Kγn回归拟合KGM剪切速率与剪切应力数据，稠度系数K、流动指数n、相关系数r2等参数如表2所示。所有r2均在0.953～0.989范围内，表明预测方程较为准确。n在0.267～0.334范围内变化，均小于1，表明不同超声功率处理后的KGM溶胶也是假塑性流体，其流体本质并未发生改变。K随着超声功率的增加而减小，72、108、144、180 W超声后，K分别下降了12.5%、16.6%、32.6%和52.8%。当超声功率较低时，因超声所形成的空化泡较小，随着功率的增加，空化作用加强，破坏能力也变得更高[33]。因此，在相同作用时间内，使用越高的超声功率处理，KGM网络结构被严重破坏，宏观性质即表现为稠度系数K越小，这与前文黏度变化相一致。

表2 不同超声功率处理的KGM流变特性拟合参数Table 2 Fitting parameters of rheological properties ofKGM after different ultrasonic power treatment

2.2 超声处理对KGM溶胶动态黏弹性的影响

2.2.1 处理时间对KGM溶胶动态黏弹性的影响

动态黏弹性是凝胶力学性能的重要评价指标，它包括储能模量(G′)和损耗模量(G″)，G′表示凝胶受力作用后变形程度，是衡量弹性的尺度，而G″则表示凝胶受力作用时阻碍物质流动的性质，是衡量黏性的尺度[34]。膜液加工的过程是一个动态变化的过程，动态黏弹性表示的是物质在变形范围内的黏弹性质及其变化规律，可为其产品配方、加工工艺以及设备选择提供参考依据。

不同时间超声处理样品的G′、G″均随着频率的增加而升高(图3)。KGM溶胶在此浓度下，G′总是高于G″，表现出弹性体性质。随着超声处理时间延长，G′和G″都随之降低；在角速度为75.0 rad/s时，与未经超声处理的KGM溶胶相比，超声处理时间为30、60、120、240 min的KGM溶胶的G′分别下降了16.8%、27.4%、39.1%、44.3%，G″则分别下降了15.3%、29.4%、42.9%、55.1%。LIN等[35]使用超声处理浓度为3%的KGM溶胶，超声时间由8 min增加至15 min后，G′和G″也出现显著下降，与本实验结果相一致。溶胶中的KGM大分子受氢键、范德华力的作用而相互交叠、缠结[36]，超声作用初期，主要是KGM大分子长链解聚占主导地位，解聚使得分子链之间的覆盖、交叠、缠结减少，随着超声处理时间的延长，超声波引起的空化作用效果逐渐加强，长分子链断裂，分子量降低，相对滑动变得容易，分子间的阻力也变小[37-38]，因而KGM溶胶的流动性也增强，表现为动态黏弹性的降低。这与静态剪切中表观黏度随着剪切速率的增加而降低是一致的。

a-储能模量(G′)；b-损耗模量(G″)图3 超声时间对KGM溶胶动态黏弹性的影响Fig.3 Effect of ultrasonic time treatment on thedynamic viscoelasticity of KGM sol

2.2.2 处理功率对KGM溶胶动态黏弹性的影响

不同功率超声处理对KGM的黏弹性具有显著影响，呈现出超声功率越大其黏弹性越低的趋势(图4)。随着超声处理功率的增加，G′和G″都随之降低；在角速度为75.0 rad/s时，与未经超声处理的KGM溶胶相比，超声功率为72、108、144、180 W的KGM溶胶的G′分别下降了20.0%、26.3%、35.2%、43.2%，G″则分别下降了21.6%、30.6%、27.1%、41.0%。超声功率较小时，空化过程是稳态空化，空化泡的振动幅度变化较小，随着超声功率的增大，空化泡的运动加剧，振动幅度变大，此时，空化过程便会由稳态空化转变为瞬态空化，加强空化效应[39]。由G′与G″随频率变化的曲线可以看出，108 W与144 W对KGM溶胶的作用效果较为相似，这有可能就是正处于稳态空化向瞬态空化转变的过渡时期。随着功率的增加，KGM溶胀形成的致密网格结构在一定程度上被破坏，KGM大分子的缠结点发生解缠作用，当外力作用时，分子链之间更容易发生相对滑动，即分子流动性增加[40]，故在动态黏弹性测试中表现为G′与G″降低。

a-储能模量(G′)；b-损耗模量(G″)图4 超声功率对KGM溶胶动态黏弹性的影响Fig.4 Effect of ultrasonic power treatment on thedynamic viscoelasticity of KGM sol

2.3 不同超声处理下KGM的FT-IR表征分析

由图5可知，KGM的特征吸收峰没有发生明显位移或峰面积的改变，即超声对KGM分子的重复结构单元及功能基团并无影响。YAN等[42]在研究中也发现，超声处理并不会改变海雀菌丝体多糖的一级结构。TANG等[43]探索了超声对青钱柳中多糖的影响，采用FT-IR检测多糖结构发现超声处理前后的结构并无差异。由表3可以看出，超声处理前后KGM的PK2、PK3、PK4、PK5峰值并未发生明显变化，而主要的变化是发生在PK1上，超声处理30、60、120、240 min后，PK1分别由3 424 cm-1变为3 407、3 408、3 401、3 392 cm-1，而超声72、108、144和180 W处理后，PK1分别为3 409、3 402、3 399、3 392 cm-1。

图5 不同超声时间(a)、功率(b)处理后的KGM的傅里叶红外光谱图Fig.5 FT-IR spectra of KGM after different ultrasonictime(a) and power(b) treatment

表3 不同超声处理后KGM红外部分重要峰值数据Table 3 Some important peak data of KGM afterdifferent ultrasonic treatment

随着超声时间或超声功率的增加，氢键特征峰出现在波数越小的位置，其中超声240 min和180 W作用后变化最为显著，下降比例均为0.93%。这与前文黏度和动态黏弹性在长时间、高功率超声处理时的变化趋势相似。KGM流变性质的改变是由其分子间的氢键被超声破坏，分子构象发生改变， KGM分子流动性变强导致的[20, 44]。

2.4 超声处理对KGM溶胶微观结构的影响

2.4.1 处理时间对KGM溶胶微观结构的影响

未经超声处理过的KGM溶胶(如图6-a、f)的微观结构呈现出较完整的薄壁状，且排列相对致密、有序、平整；超声处理时间较短(30、60 min)的KGM的微观结构未有明显变化，但边缘开始卷曲，薄壁状结构也有所弯折(如图6-b、g、c、h)；随着超声时间的进一步延长，超声120 min的KGM的薄壁状结构被破坏，卷曲、翻折加重，逐渐变成混乱无序的状态(如图6-d、i)；由图6-e、j可以明显看出，超声240 min后，KGM溶胶原本较为完整的薄壁已经被严重破坏，出现较大直径的孔洞，结构变得稀疏、无序。这与前面流变性质的改变是一致的，未经超声处理的KGM形成的网格结构较完整，大面积的连续结构导致了相当高的分子间内摩擦力[45]，因而表观黏度高，随着处理时间延长，KGM分子链之间的氢键被破坏，分子链之间的缠结减少，从而表现出表观黏度和动态黏弹性的减低。

a-0 min;b-30 min;c-60 min;d-120 min;e-240 min;f-0 min;g-30 min;h-60 min;i-120 min;j-240 mina、b、c、d、e放大倍数为×60；f、g、h、i、 j放大倍数为×200，下同图6 不同超声时间处理后KGM的SEM图Fig.6 SEM of KGM after different ultrasonic time treatment

2.4.2 处理功率对KGM溶胶微观结构的影响

超声功率越大，空化作用越强，KGM分子链在水溶液中形成的氢键和范德华力受到的破坏越严重。图7-a、f为未经超声处理的KGM溶胶，其微观结构呈现出紧密连接且较完整的薄壁状；图7-b、g、c、h为相对较低的超声功率(72、108 W)处理后的KGM溶胶，其微观结构没有过于明显的改变，但可以看出薄壁状结构已开始有部分折叠和卷曲；随着超声功率的增加，薄壁状结构边缘卷曲加重，同一平面内的连续结构大面积断裂，薄壁上开始出现更多的孔洞(如图7-d、i)。180 W超声处理后的KGM网络结构已被完全破坏，由相对连续、平整变得断裂、卷曲、松散(如图7-e、j)。超声功率越强，其卷曲、皱缩程度越高，这与前面流变性质的改变是一致的，由于超声波将KGM分子链间的氢键破坏，分子链的缠结减少，凝胶网络结构变得松散，从而表观黏度和动态黏弹性随之下降。

a-0 W;b-72 W;c-108 W;d-144 W;e-180 W;f-0 W;g-72 W;h-108 W;i-144 W;j-180 W图7 不同超声功率处理后KGM的SEM图Fig.7 SEM of KGM after different ultrasonic power treatment

3 结论

KGM溶胶经超声处理后可使表观黏度下降，且表观黏度随超声时间和超声功率的增加而降低；超声时间越长、超声功率越大，G′和G″越小。超声能够使KGM溶胶的连续结构发生折叠和卷曲，出现较大的孔洞，甚至变得稀疏且复杂无序。但由FT-IR结果可知，超声对KGM分子的重复结构单元和功能基团并不会造成影响，超声主要是通过作用于KGM氢键部分来改变KGM的黏度及动态黏弹性。因此，超声技术可作为一种改善KGM流动性的有效手段。超声处理后KGM溶胶黏度较低，可应用于护肤产品中，减少产品沉积、便于拿取、涂抹过程也更易匀开；添加于饮料或酸奶中，可提高产品稳定性、改善产品口感、还能减少黏瓶现象。虽然超声能够提高KGM的流动性，使其更便于加工利用，但超声对KGM生物活性和营养特性等方面的影响还有待进一步研究。