湿热降解对花魔芋魔芋胶/κ-卡拉胶复配凝胶性能的影响

任艳艳 李 斌 商龙臣 李 晶

(华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)是魔芋胶的关键组分，由β-1, 4吡喃糖苷键将β-D-葡萄糖和β-D-甘露糖以1.00∶1.60或1.00∶1.69的摩尔比连接而成[1]。研究[2]表明，1% KGM多糖溶液黏度可达90 Pa·s，是已知黏度最高的多糖溶胶之一。其超高黏度在于其分子为巨型线性分子，运动时需要巨大的自由空间，因此在水体系中其分子运动易受阻并缠结交联，从而显示出较大的表观黏度[3]。由于其巨大的分子量，魔芋胶具有优良的凝胶性、增稠性、成膜性等功能性质，但另一方面其应用也因此受到了很大限制，尤其在凝胶复配领域，其水合过程中表现出的巨大黏度会严重影响其他组分在溶胶—凝胶转变中的相分离或自组装进程。因此，对其进行有限降解，推测可能对这一进程产生调控作用[4]。

κ-卡拉胶是由1，3-α-D-吡喃半乳糖和1，4-β-D-吡喃半乳糖为基本骨架交替连接而成的一种线性多糖，其具有凝胶、成膜、增稠等特性，从而使其在食品添加剂领域具有较为广泛的应用[5]。然而，由κ-卡拉胶自身形成的凝胶往往具有脆性大、弹性小、易脱水收缩等缺陷，因此，在应用时多将其与其他胶体复配使用，如刺槐豆胶、黄原胶等，以提升凝胶性能[6]。另有研究[7]表明，魔芋胶与κ-卡拉胶复配，可形成弹性好、强度大、不易脱水收缩的凝胶。目前关于这两种多糖配比、溶质浓度、溶剂离子强度等因素对复合凝胶性能的探讨已见于诸多报道[8-10]，但利用特定分子量的魔芋胶与κ-卡拉胶复配从而提升复配凝胶性能的研究并不多见。研究[11]表明，不同分子量魔芋胶与黄原胶复配可对其凝胶性能产生较大影响。贺雪姣[12]以分子量范围为1 898.36～4 436.50 kDa的4种魔芋胶与卡拉胶进行复配，同样也发现一定限度降解的魔芋胶有利于复配凝胶性能的提升。所以笔者推测不同降解度魔芋胶在复配体系冷却成胶的过程中，由于分子量不同，势必对凝胶组装过程和最终的性能产生影响。受品种、加工方式、贮藏时间等因素影响，KGM精细结构和分子量并不一致，通常分子量在200～2 000 kDa范围内变动[13-15]，而中国产花魔芋品种中葡甘聚糖分子量一般在1 000 kDa以下[16]，基于中国商业上应用的魔芋胶基本上来源于花魔芋(占98%以上)，KGM分子量1 000 kDa以下的魔芋胶，是否仍然存在可以提升与卡拉胶复合凝胶性能的某个降解范围，目前依然没有定论，因此研究拟以源于花魔芋的魔芋胶为原料，采取湿热降解的方法制备分子量范围为137.8～621.5 kDa的魔芋胶，将其与κ-卡拉胶进行复配，考察其对凝胶拉伸性能、质构特性、流变特性、持水性等关键性能指标的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料与试剂

花魔芋魔芋胶：食品级，湖北强森魔芋制品有限公司；

κ-卡拉胶：食品级，上海北连生物科技有限公司；

超纯水：实验室自制。

1.1.2 主要仪器设备

分析天平：BAS1245-CW型，德国Sartorius公司；

电动搅拌机：HD2010W型，上海司乐仪器有限公司；

集热式恒温加热磁力搅拌器：DF-101S型，武汉德力祥仪器设备有限公司；

真空冷冻干燥机：LGJ-30FD型，北京松源华兴科技发展有限公司；

低速离心机：SC-3614型，安徽中科中佳仪器有限公司；

18角度激光光散射凝胶色谱：DAWN HELEOSII型，美国WYATT公司；

质构仪：TA.XT plus型，英国TA公司；

扫描电子显微镜：JSM-6390LV型，日本NTC公司；

流变仪：AR2000ex型，美国TA公司。

1.2 方法

1.2.1 降解魔芋胶的制备 将花魔芋魔芋粉在高压蒸汽灭菌锅中采用4种不同加热温度加热一定时间，收集干燥后，采用凝胶排阻色谱—激光光散射联用法测定分子量。未降解魔芋胶分子量为621.5 kDa，4个降解魔芋胶样品其分子量分别为415.6，325.6，233.3，137.8 kDa。

1.2.2 凝胶样品的制备 室温下将0.5%魔芋胶溶入水中搅拌2 h，搅拌结束后静置1 h，待其充分溶胀后置于75 ℃水浴中，根据配比添加2%的κ-卡拉胶，不断搅拌使两者充分混合，经一定时间水浴消泡后，倒入相应模具中初步成型，再将其放入25 ℃恒温培养箱中凝胶12 h即可。样品A由κ-卡拉胶单独制备，样品B～F分别由分子量为621.5，415.6，325.6，233.3，137.8 kDa的魔芋胶与κ-卡拉胶混合制备。

1.2.3 机械性能测定 采用质构仪对凝胶机械性能进行测定。

(1) 拉伸性能测定参数：横轴拉伸模式，A/TG探头，测前速率2 mm/s，测试速度2 mm/s，测后速率10 mm/s，拉伸距离140 mm，试样每份平行测5次。

(2) 弹性、硬度测定参数：TPA模式，P/0.5探头，测前速率1 mm/s，测试速度1 mm/s，试后速率2 mm/s，触发力5.00 g，形变量50%，试样每份平行测3次，各测4个点，共12个点。

1.2.4 流变特性测定 将凝胶置于帕尔贴板上，进行温度扫描、频率扫描、稳态剪切扫描测试。使用直径60 mm的平行板夹具，平行板间距均设置为500 μm，平衡时间120 s。温度扫描在应变1%(通过应变扫描确定)，频率10 rad/s的条件下考察凝胶黏弹性与温度的关系，扫描范围75～25 ℃，降温速率2 ℃/min；频率扫描在25 ℃，应变1%的条件下考察凝胶凝胶黏弹性随频率的变化，扫描范围为0.1～100.0 rad/s；稳态剪切扫描在75 ℃下进行，剪切速率为0.01～100.00 s-1。

1.2.5 持水性测试 将制备好的凝胶，离心前擦干表面水分称重，然后在25 ℃条件下将样品置于10 000 r/min转速下离心15 min后取出凝胶，用吸水纸擦干其表面水分称重，每个样品设6次重复，凝胶的持水性可由式(1)求得。

(1)

式中：

WHC——凝胶持水性，%；

m2——凝胶离心后的质量，g；

m1——凝胶离心前的质量，g。

1.2.6 SEM分析 凝胶样品通过浸入液氮中进行冷冻破碎，以避免水分迁移。然后将冷冻的样品立即转移到真空冷冻干燥机中冷冻干燥48 h得到所需冻干样品。再用扫描电镜观察之前，样品需进行喷金处理，涂布时间约为30 s，最后在15 kV的加速电压下捕获图像以观察样品的表面形态。

2 结果与分析

2.1 不同降解度魔芋胶对凝胶机械性能的影响

2.1.1 拉伸性能 由图1可以看出，凝胶的断裂强度(TS)和断裂伸长率(EIO)均随魔芋胶分子量的减小呈先增大后减小的趋势。单独的κ-卡拉胶形成的凝胶具有最小的TS和较小的EIO，当未降解魔芋胶与κ-卡拉胶复配后其TS和EIO增大，这是因为KGM分子穿插在κ-卡拉胶形成的网络结构中，形成分子间氢键从而增强了凝胶性能[17]。魔芋胶经有限降解后(分子量415.6 kDa)，复配胶的TS、EIO同时显著增大；当进一步降解后(分子量<325.6 kDa)凝胶机械性能急剧下降。综上所述，魔芋胶在分子量为415.6 kDa时对复配凝胶机械性能的提升最显著。Kohyama等[18]在研究中提出“在KGM与κ-卡拉胶的复配体系中，随着KGM分子量的增大，分子链长度增加，与κ-卡拉胶的弱结合位点越多，因此形成的凝胶拥有更为紧密的结构，其断裂应力和模量也会增加”，这在137.8～325.6 kDa的分子量分布范围内是成立的，但分子量>415.6 kDa时并不成立，但这种现象与Mitchel[19]提出的“一个凝胶体系中当其中一种成分的分子量大于某临界值时，则体系的规则程度和弹性模量便不再直接受到分子量影响”的观点是一致的。基于此,笔者对复合凝胶机械强度增强的原因进行如下推测：① 魔芋胶的分子量在415.6 kDa附近时与κ-卡拉胶弱结合位点较多；② 有限降解使KGM分子运动性增强，从而对复合凝胶在溶胶—凝胶转变中两组分的相分离和自组装进程产生影响。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

2.1.2 质构性能 由图2可以看出，凝胶的硬度随魔芋胶降解度的增大呈先增大后减小的趋势，并在233.3 kDa时达到最大，此时凝胶依然维持高弹性状态，但当凝胶分子量<233.3 kDa时，这两个质构关键指标显著降低。推测分子量为233.3 kDa的魔芋胶在浓度为0.5%时，仍大于其临界缠接浓度，此时KGM分子间相互缠绕并能够更加均匀地穿插在由κ-卡拉胶构成的凝胶骨架中，从而赋予复合凝胶良好的硬度和弹性。更低分子量的魔芋胶(137.8 kDa)则因为KGM分子无法相互缠接，仅起到填充作用[20]。

2.2 不同降解度魔芋胶对凝胶流变性能的影响

2.2.1 凝胶频率扫描 图3显示了凝胶体系的储能模量(G′)、损耗模量(G″)随振荡频率变化的关系图，稳定状态下6种凝胶的储能模量G′均大于其损耗模量G″，呈显著的凝胶特性。图3(b)中未降解魔芋胶与κ-卡拉胶复配后其储能模量G'稍低于104Pa，而图3(c)中分子量为415.6 kDa的魔芋胶与κ-卡拉胶复配后的G'值则稍高于104Pa，但随着魔芋胶的进一步降解，G'呈下降趋势，且凝胶变得不稳定，与图4中剪切应力和黏度随魔芋胶分子量的变化是一致的。有研究[21]表明，二者复合凝胶体系内存在两类凝胶区，其一由κ-卡拉胶自身的螺旋结构形成，另一个由魔芋胶与κ-卡拉胶共同构成。魔芋胶分子量轻微地降低(415.6 kDa)，可能使KGM更好地穿插在与κ-卡拉胶共同构成的凝胶区中，从而提高其凝胶性能，但是KGM分子量的进一步降低会导致凝胶区KGM之间的缠接减弱，表现为凝胶储能模量的减弱。

图3 不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复合凝胶的频率扫描模式曲线

2.2.2 凝胶稳态剪切扫描 图4(a)显示了不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复合溶胶剪切应力与剪切速率的关系。在较低的剪切速率(0.01～0.10 s-1)下，凝胶的剪切应力缓慢增加，当剪切速率达到0.10 s-1时，凝胶的剪切应力迅速增大。这可能是在低速剪切区，分子在剪切力作用下发生了较为明显的结构解缠结，随着时间的延长，使溶胶内部的分子会逐渐恢复刚开始的缠结状态，使得凝胶的网络结构得以维持，而在高剪切速率范围内则无法恢复。图4(b)显示了不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复合溶胶表观黏度与剪切速率的关系。较低的剪切速率(0.01～0.10 s-1)下，凝胶的表观黏度降低缓慢，但在高剪切速率范围内，表观黏度迅速下降，说明在高剪切速率范围内，链缠结点被破坏的速度大于重构速度，分子的结构无法恢复，表现为表观黏度的下降。另外表观黏度可以反映凝胶内部结构被破坏的难易程度[22]，由图4可知，破坏κ-CA/KGM (415.6 kDa)形成的网络结构最难，说明分子量为415.6 kDa的魔芋胶与κ-卡拉胶形成的复合凝胶协同增效性最强。而且，在整个剪切速率范围内，分子量为415.6 kDa的魔芋胶与κ-卡拉胶形成的复合凝胶的剪切应力和表观黏度均大于未降解魔芋胶与κ-卡拉胶形成的凝胶。

图4 不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复合溶胶的稳态剪切扫描模式曲线

2.2.3 凝胶温度扫描 图5显示了不同降解程度的魔芋胶与κ-卡拉胶复合凝胶的储能模量(G′)、损耗模量(G″)与温度的关系，各类混合凝胶与κ-卡拉胶凝胶过程相似，说明复配凝胶体系是以κ-卡拉胶形成的双螺旋结构为主。整个降温过程中，复合凝胶的储能模量G′均高于κ-卡拉胶独自形成的凝胶，且分子量为415.6 kDa的魔芋胶与卡拉胶所复配出的凝胶储能模量相对更大。值得注意的是：未降解魔芋胶的加入几乎没有改变κ-卡拉胶的凝胶转变温度，但分子量为415.6，325.6 kDa魔芋胶的添加使得凝胶转变温度显著升高，但进一步降解后其凝胶转变温度又回到原位。凝胶转变温度的高低，影响到溶胶—凝胶转变中两组分的相分离或自组装进程[23]，推测κ-卡拉胶与分子量为415.6 kDa的魔芋胶复配后之所以展示出良好机械特性，与其冷却过程中，处于溶胶状态下的时间更短、相分离发生更少；相反处于凝胶状态下时间更长，自组装更加充分有关。

图5 不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复合凝胶的温度扫描模式曲线

2.3 不同降解度魔芋胶对凝胶持水性的影响

图6为不同降解度的魔芋胶对凝胶持水特性的影响，加入未降解魔芋胶与κ-卡拉胶复配后，凝胶持水性稍有增加但不显著，当分子量为415.6 kDa的魔芋胶与卡拉胶复配后其持水性有显著性的增加(P<0.05)，但魔芋胶进一步降解后其持水性降低，与以上机械特性、流变特性的规律一致。

2.4 不同降解度魔芋胶对凝胶结构的影响

图7是不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复配后得到的扫描电子显微镜图，由前文各项表征得知魔芋胶经轻度降解后(415.6 kDa)，复配凝胶的性能得到显著提升，但过度降解的魔芋胶(137.8 kDa)却适得其反。所以，选取有代表性的样品，针对魔芋胶最高分子量、最适分子量、最低分子量分别进行复合凝胶微观结构的观察比较。从图7可以看出，κ-卡拉胶单独形成的凝胶多孔、孔径较大且不规则；加入未降解的魔芋胶后其孔洞变小，均一性增大，但表面粗糙；加入415.6 kDa魔芋胶后其网络结构紧密且有序、呈均匀细密孔状，且表面光滑，而最大降解度魔芋胶与卡拉胶复配后形成的凝胶结构松散，孔洞大且不均一，这一表征与水凝胶的性能表现相呼应。

字母不同表示差异显著(P<0.05)

图7 不同降解度魔芋胶与κ-卡拉胶复配后凝胶的微观结构

3 结论

对花魔芋魔芋胶进行有限湿热降解处理，是提升魔芋胶/κ-卡拉胶复配凝胶性能的有效方法，但降解程度的控制必须恰当。试验中未降解魔芋胶(621.5 kDa)经轻度降解后(415.6 kDa)，显著提升了复配凝胶的凝胶转变温度(5.98 ℃)，同时储能模量G'、剪切应力、黏度小幅增加，分别增加了592.04 Pa、126.09 Pa、1.26 Pa·s，致使冷却成胶后，凝胶断裂强度、断裂伸长率、凝胶持水性显著增加(P<0.05)，分别提高了21.64%，163.35%，0.39%，SEM显示凝胶结构更加紧密有序。

在多糖水凝胶研究中心，通常认为分子量大更利于凝胶优越性能的形成。但试验揭示在溶胶—凝胶转变中，尽管魔芋胶/κ-卡拉胶的配比一致，但由于魔芋胶具有分子量大、分子运动性小，分子量小、分子运动性大的性质，导致各复配凝胶特性的不同。有限湿热降解的魔芋胶(分子量415.6 kDa)与卡拉胶复配之所以展现出良好的凝胶特性，与其在溶胶—凝胶转变中的相分离或自组装进程有关，这不仅为诸如果冻等产品的生产提供了一个新的配料，更揭示了高浓度多糖水凝胶复杂体系的最终性能受到各种消长因素的影响，而对这一个消长过程的综合优化，可为相关产品开发的思路作为借鉴。此外，关于有限降解魔芋胶对复合凝胶体系的冷却凝胶演变过程的作用机制，仍有待深入研究。