丙酮酸基对黄原胶/魔芋葡甘聚糖复配体系凝胶特性的影响

傅玉颖，苏欢欢，陈国文，李肖蒙，张 超，李贞鹏，李 媛

（1. 浙江工商大学食品与生物工程学院，杭州 310018；2. 浙江工商大学杭州商学院，杭州 310018）

0 引 言

复配凝胶主要是通过两种或两种以上天然高分子材料（如多糖、蛋白质、淀粉等）混合形成的，具有改善单一凝胶的不足、扩大使用范围、降低成本、改善流变学特性及调控食品质构等特点[1]。目前关于复配凝胶的研究主要集中于不可逆凝胶，其广泛应用于肉制品、乳制品、凝胶类食品、冷饮等食品工业中[2]。不可逆凝胶丰富了食品的类型及口感，扩展了凝胶在食品中的应用，在食品中有巨大的应用价值。此外，食品工业中还存在一类凝胶强度较弱的热可逆凝胶，可通过调控其溶胶-凝胶转换温度，实现对复配凝胶体系流动状态的调控，进而实现对食品“入口即化”特性的设计，进一步扩展凝胶在食品中的应用。

黄原胶和魔芋葡甘聚糖是食品中常见的添加剂，在单独存在的情况下均不能形成凝胶，但二者具有良好的协同增效作用，复配能够形成热可逆凝胶[3]。黄原胶（Xanthan Gum）是由β-1,4糖苷键连接D-葡萄糖所形成的一种胞外多糖[4]，每一个葡萄糖上都有一个三糖侧链，侧链内部的甘露糖可被乙酰化，末端的甘露糖可被丙酮化[5-6]。XG 由于较好的增稠性和稳定性被应用于果汁饮料中的增稠剂、稳定剂等[7]。魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan）是由D-甘露糖和D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接而成的[8]，从魔芋属植物的块茎中提取出来的高分子多糖[9-10]，具有良好的成膜性、增稠性等，同时KGM 由于不含热量、不被吸收等特点被应用于肉制品添加剂及人类预防肥胖的膳食纤维制品中[11-12]。

近年来，已有很多关于XG/KGM复配凝胶及其机理的研究，如XG/KGM主要是通过XG的双螺旋结构和KGM的半乳葡甘聚糖相互作用实现的[13]，因此复配凝胶的凝胶强度会受到XG和KGM的分子结构、比例及盐离子等的影响，如KGM与XG复配比例不同时，所得凝胶的强度不同，当质量比为3∶7时凝胶强度最大[14-15]；加入盐离子会破坏XG/KGM复配体系的网络结构，使得凝胶的储能模量下降，凝胶强度减弱[16]。Brownsey等[17]通过X-射线衍射研究发现XG/KGM分子之间主要通过氢键形成凝胶网络，因此影响氢键形成的因素都会对复配体系的网络结构产生影响，如KGM分子上乙酰基的脱除，会增强其与 XG 的凝胶强度[18]；同时XG侧链末端也存在两个重要取代基：丙酮酸基和乙酰基，二者含量较少，但对XG的结构、理化性质及流变特性有很大的影响[19-20]，进而会影响XG与KGM复配的协同方式及复配体系的稳定性。脱除XG分子上的乙酰基会使得XG/KGM复配体系的稳定性增强，这可能是由于XG上乙酰基的存在抑制了分子间氢键，从而抑制了其与半乳甘露聚糖的相互作用，降低了XG/KGM复配凝胶的稳定性[21]。同时丙酮酸基的存在也会影响XG/KGM复配凝胶的结构，这主要是因为丙酮酸基的存在增加了XG支链长度以及产生静电屏蔽，使得 XG 螺旋结构松弛[22]，与KGM的结合位点增多，两者形成的复配体系的稳定性强。Agoub等[23]研究了商业黄原胶和无丙酮酸基黄原胶在酸性条件下与魔芋葡甘聚糖复合凝胶的溶胶-凝胶转换温度随pH值的变化及两者的区别，表明当pH值为4时，两者形成的复配凝胶的溶胶-凝胶转换温度相同，这可能是由于在酸性条件下，黄原胶中丙酮酸基大量流失，复配凝胶的网络结构发生变化，溶胶-凝胶转换温度受到影响。基于此，笔者希望通过调控 XG 中丙酮酸基的含量来降低XG/KGM复配体系的溶胶-凝胶温度，进而为实现“入口即化”效果复配凝胶体系的设计提供可能，以期拓宽以XG/KGM为代表的可逆性凝胶体系在食品工业中的应用。

本研究通过酸性热处理调控XG中丙酮酸基含量，研究其对XG流变特性的影响，进一步深入研究XG/KGM热可逆凝胶的溶胶-凝胶转换温度及流变特性随丙酮酸基含量变化的变化，扩展了凝胶在食品中的应用范围，为添加 XG/KGM 复配凝胶食品的生产提供实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄原胶（食品胶）购买于山东阜丰发酵有限公司；魔芋葡甘聚糖（纯度94%）购买于上海北连生物科技有限公司；盐酸、无水碳酸钠、4-二甲基苯肼、乙酸乙酯（以上试剂均为分析纯）。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备及表征

1）脱丙酮酸基黄原胶样品的制备

采用酸性热处理法脱除黄原胶中的丙酮酸基，参照Abbaszadeh等[24]的方法稍做改动，用0.1 mol/L（含0.1 mol/L NaCl）的盐酸在80、85、90、95、98 ℃下加热2.5 h，调pH值（以含有黄原胶的0.1 mol/L NaCl溶液的pH值为标准）来制备不同丙酮酸基含量的黄原胶，将不同温度下制备的黄原胶记为XG1、XG2、XG3、XG4、XG5，未处理的黄原胶样品记为XG0。参照国标GB1886.41-2015[25]并稍作改动测定黄原胶中丙酮酸基的含量如表1。

表1 黄原胶样品中丙酮酸基含量Table 1 The content of pyruvic group in xanthan gum samples

2）傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）

将不同程度脱丙酮酸基的黄原胶按质量比1∶100与溴化钾充分混合后加到研钵中，沿一个方向研磨，压片机压制后放于样品槽中，在波长为400～4 000 cm-1下进行红外的扫描，次数为16次，对其进行光谱分析（光谱分辨率为4 cm-1），检测丙酮酸基含量对黄原胶结构的影响。

3）核磁共振（1H Nuclear Magnetic Resonance）

取一定量的XG5样品，溶解在氧化氘中，得到质量浓度为5 g/L的混合液，吸取0.5 mL至核磁管中，90 ℃下进行（400 MHz）核磁扫描测试。

1.2.2 黄原胶流变测试

黄原胶与冷去离子水按1:200的质量比混合，磁力搅拌使其完全溶解，得到质量分数为0.5%的样品液，通过流变仪 MCR302来测试黄原胶的流变特性（转子PP-50，直径为50 mm，间隙为1 mm），

1）稳态剪切：取一定量的样品于流变仪平板上，流变温度设定为25 ℃，剪切速率设为0.1～100 s-1（对数方式增加）记录剪切速率对其表观黏度的影响。

2）不同脱丙酮酸程度的黄原胶构象转换温度的测定：取一定量的样品溶液于平板上，在20 ℃下平衡5 min，测定黄原胶在不同程度脱丙酮酸基下储能模量随温度的变化（在平板周围涂抹一层硅油防止水分蒸发）。温度设定：20 ℃→90 ℃→20 ℃（温度变化梯度为2 ℃/min）。

1.2.3 XG/KGM复配凝胶的制备及流变测试

1）复配凝胶的制备

在85℃下，将分别溶于去离子水（浓度为0.5 g/mL）的黄原胶（XG0、XG1、XG2、XG3、XG4、XG5）与魔芋葡甘聚糖（KGM）按照1∶1(质量比)下进行混合并搅拌30 min以充分混合，在25 ℃下冷却形成凝胶。

2）复配凝胶的流变测试

复配凝胶流变特性均采用MCR302进行测试（转子选择及参数设定与1.2.2节处的相同），试验中动态流变学的测试均在其线性黏弹区内，每组测试均做3次平行（在平板周围涂一层硅油防止水分蒸发）。

稳态扫描：T=60 ℃，t=5 min，剪切速率0.1～300 s-1。

式中σ为剪切应力，Pa；K为稠度系数；γ为剪切速率，s-1；n为流动幂律指数。

频率扫描：T=25 ℃，平衡时间=5 min，频率0.1～100 rad/s（应变ε=1%以确保在线性黏弹区内进行）。

温度扫描：以20 ℃→90 ℃→20 ℃的过程进行测试，测试过程中升降温的速度均为2 ℃/min（平衡时间为5 min），扫描参数设定：点的读取1 ℃/点，ε=1%，频率 1 Hz（以确保在线性黏弹区内进行）。

1.3 数据分析

为减少试验误差，所有试验做3次平行，并对其结果利用IBM SPSS22 软件进行方差分析，检验其准确性，置信区间为95%（P＜0.05），利用Origin2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 黄原胶结构表征及流变测试

2.1.1 FTIR、1H-NMR表征

黄原胶的结构表征见图1，黄原胶中的丙酮酸基和乙酰基的-C=O特征峰出现的位置分别为1 726.50和1 617.74 cm-1，图1a表明在脱除XG 中丙酮酸基的过程中，1 726.50 cm-1处的特征峰消失，说明丙酮酸基几乎完全脱除：此外，3 400 cm-1处由-OH伸缩振动引起的特征峰逐渐增大，这主要是因为在脱除丙酮酸基的过程中，黄原胶分子内氢键作用增强[22]。1H-NMR中乙酰基和丙酮酸基的化学位移分别为2.0和1.5[26]。从图1b可以看出，XG5的特征峰在2处未发生变化，而在1.5处的特征峰却消失了，再次证明在XG5的样品中丙酮酸基几乎完全脱除。

2.1.2 稳态剪切

不同程度脱丙酮酸基黄原胶样品的稳态剪切黏度如图2所示。从图中可以看出，黏度值在小范围剪切速率内的变化较小且趋向于直线，表明在较小的剪切范围内，样品近似于牛顿流体。但表观黏度对丙酮酸基的依赖性较大，不同程度脱除丙酮酸基后黄原胶的黏度整体下降。这主要是由于在丙酮酸基脱除的过程中，黄原胶侧链上所带负电荷产生的静电屏蔽现象逐渐消失，分子内的氢键作用增强，使黄原胶的螺旋结构更加紧凑，但黄原胶分子间氢键作用减弱，似固性减弱，逐渐呈现流体的特性。

2.1.3 黄原胶构象转换温度测定

图3显示了黄原胶构象转换温度受丙酮酸基含量变化的影响。随着丙酮酸基的不断脱除，黄原胶储能模量G′急剧变化的温度逐渐升高，表明其构象转换温度逐渐增大，这与Mengmeng等[27]的研究结果一致。主要是因为丙酮酸基的负电荷产生了一定的静电屏蔽，从而抑制了黄原胶侧链和主链之间的缠绕折叠，丙酮酸基脱除后，黄原胶分子内作用力增强，螺旋结构紧密，但其分子间氢键作用减弱，储能模量G′急剧变化的温度升高，有序无序转换温度升高。

2.2 XG/KGM复配凝胶的流变特性

2.2.1 稳态剪切扫描

XG/KGM复配凝胶在室温下以半固体状的形态存在，凝胶结构相对稳定，流动性弱。图4给出了60 ℃下，不同程度脱除丙酮酸基的XG与KGM复配体系的稳态剪切扫描。从图中可以看出，复配体系的黏度随剪切速率的增加而减小，呈现假塑性流体特性[28]。XG/KGM共混体系的表观黏度在剪切速率不变的情况下，随丙酮酸基含量的减少而逐渐降低，其对剪切速率的依赖性也随之减小，这主要是因为XG侧链上的静电排斥力减小，螺旋构象发生收缩，导致其与魔芋葡甘聚糖的接触部位变少，两者之间的相互作用力减弱，在剪切方向上的内摩擦减小，趋向牛顿流体。

表2显示不同程度脱丙酮酸基的XG/KGM复配体系在60 ℃的幂律方程的参数。K表示液体的内摩擦；流态特征指数用n表示，Keleşoğlu 等[29]提出可以用n与1的关系来表示流体是否趋向于牛顿流体，当n=1时，为理想牛顿流体；当n＞1时，表观黏度随剪切速率的增加而增大，呈现胀塑性流体的特征；当n＜1时，流体为假塑性流体；同时n值越小，假塑性越大。由表2可知，n值随黄原胶中丙酮酸基含量的减少逐渐增大，当黄原胶脱除一定丙酮酸基后，复配体系n值达到最大，此时K值达到最小，趋向于理想牛顿流体，复配体系的黏度达到最小。

表2 XG/KGM 复配体系在60 ℃下的稳态剪切黏度幂律模型参数Table 2 Power law parameters of steady-state shear viscosity for XG/KGM compound gels at 60℃

2.2.2 频率扫描

在流变学试验中，动态黏弹性与物质本身的性质密切相关，它可以在一定程度上表征物质之间的三维网络结构，往往与食品加工性质有关。储能模量G′和损耗模量G″常被用来代表一个黏弹性多糖变形时弹性和黏性的大小[30]。图5a显示角频率对不同程度脱丙酮酸基黄原胶与魔芋葡甘聚糖复配后形成的凝胶的G′和G″的影响。从图中可以看出G′对角频率的依赖性较小，即XG/KGM复配体系的网络结构稳定，流动性降低。但XG/KGM复配体系的储能模量G′随丙酮酸基的脱除逐渐减小，这可能是因为丙酮酸基脱除，使得黄原胶分子内氢键作用增强，螺旋结构紧密，与魔芋葡甘聚糖的接触部位减少，复配体系的三维网络结构的稳定性减低，G′逐渐减小。

小振荡试验中损耗因子的正切值tanδ（G″/G′）值小于1，G′＞G″，物质表现出似固性；tanδ值大于1，物质处于流动状态[31]。图5b显示了角频率对复配体系tanδ的影响，表明复配体系的tanδ值均小于1，呈现固体特征，随着角频率的增大，tanδ先减小后增大，而图5a显示G′值几乎不变，而G″随着剪切速率的增大缓慢增加，说明tanδ值的变化主要是G″变化引起。表3 表明复配体系的n*值均小于1，属于非牛顿流体。与表2中n值相比较，n*＜＜n，主要原因是：由于温度升高，复配凝胶的分子间作用力减小，逐渐趋向于假塑性流体；但n*与n随黄原胶丙酮酸基含量减少的整体变化趋势相同，均增大，复配体系的网络结构稳定性减弱。

表3 XG/KGM复配体系的黏度幂律模型在25 ℃下的回归参数Table 3 Regression parameters of viscosity power law model for XG/KGM complex gels at 25 ℃

2.2.3 XG/KGM复配体系溶胶-凝胶的温度扫描

由图6a可以看出复配凝胶的弹性模量G′随温度的降低逐渐增大，并在20 ℃时达到最大，这主要是因为分子间的运动随温度的升高而加快，氢键被破坏，使得凝胶发生了相转换，因而G′急剧增大[32]。这里我们定义XG/KGM 复配凝胶在20 ℃时的弹性模量大小为G′20，数值见表4，G′20由273.3 Pa减少到40.7 Pa，这是由于丙酮酸基含量减少使得XG/KGM之间氢键形成的网络结构减少，复配凝胶强度减弱，表现为弹性模量降低。

从图6a可以看出，在接近于XG的构象转换温度60 ℃时，复配体系的G′急剧增加并大于G″，说明此时复配体系开始形成凝胶，同时也说明黄原胶与魔芋葡甘聚糖是黄原胶处于有序构象时发生协同作用，两者之间主要通过氢键形成网络结构。图6b显示了丙酮酸基含量减少使得XG/KGM的储能模量G′急剧增加的温度降低，即XG/KGM复合凝胶的溶胶-凝胶转变温度降低，XG5/KGM转变温度约为41 ℃。主要原因是随着丙酮酸含量的降低，黄原胶的内部作用力增大，螺旋结构致密，构象转化温度升高。但与魔芋葡甘露聚糖的结合位点减少，分子间相互作用减弱，溶胶-凝胶转换温度降低。

表4 XG/KGM复配凝胶温度扫描参数Table 4 The temperature scanning parameters for XG/KGM compound gels

3 结 论

本文通过酸性热处理的方法脱除黄原胶中的丙酮酸基并研究其对黄原胶结构、性质的影响，进而研究不同程度脱除丙酮酸基对黄原胶与魔芋葡甘聚糖复配体系的影响，主要结论有如下几点：

1）随着丙酮酸基的脱除，黄原胶的螺旋结构更加紧密，表观黏度整体下降，似固性减弱，且在同一温度下，黄原胶的储能模量随丙酮酸基含量的减少而降低，构象转换温度升高。

2）黄原胶/魔芋葡甘聚糖（Xanthan Gum/Konjac Glucomannan）复配凝胶流变特性研究表明，复配体系的表观黏度随丙酮酸基的脱除逐渐减小，趋向于牛顿流体。在动态剪切中，角频率变化对储能模量的影响较小，表现出的依赖性小，说明复配体系的凝胶结构较稳定；升温到90 ℃的XG/KGM复配体系的温度扫描表明：在对样品进行降温的过程中，复配凝胶的储能模量逐渐增加，并在20 ℃时达到最大值，此时未处理的黄原胶与魔芋葡甘聚糖复配体系的起始凝胶温度为60 ℃。在20 ℃下，对不同脱丙酮酸基程度复配体系的储能模量及相变温度进行分析，发现随着丙酮酸基含量减少，XG与KGM之间氢键形成的网络结构减少，协同作用逐渐减弱，复配凝胶强度减弱，储能模量由273.3 Pa减少到40.7 Pa，相变温度从60 ℃降低至41 ℃。

3）黄原胶中丙酮酸基含量的减少使得其分子间作用力增强，螺旋结构更加紧密，与魔芋葡甘聚糖复配形成凝胶的作用减弱，凝胶结构不稳定，使得复配体系的溶胶-凝胶温度降低。该研究为凝胶食品在口腔中固体到流体的转换以及对食品质构的调控提供了可能，扩展了凝胶在食品中的应用。