超声对魔芋葡甘聚糖与大豆蛋白复配体系粒径与流变性的影响

谢建华 张巧芬 张桂云 庞 杰 林常青 高小梅

(漳州职业技术学院食品工程学院1，漳州 363000)(漳州市食品产业技术研究院2，漳州 363000)(福建农林大学食品科学学院3，福州 350002)

多糖与蛋白质是构建各种食品体系的最主要基材[1，2]，它们的相互作用形式和程度决定了食品体系质构、感官、稳定，并显著影响其营养和功能特性[3，4]。但由于多糖和蛋白质形成的共混体系常存在热力学不相容特点，使得其在食品加工应用过程中会出现相分离现象，严重阻碍了多糖-蛋白基产品在食品、药品及材料等领域的广泛应用[5，6]。因此，如何提高多糖-蛋白复配体系的相容性、改善其性能是实现食品材料功能性质优化的关键。

超声波作为一种先进的食品加工技术，因其设备使用方便、环保、安全、无毒等特点，在食品行业得到越来越广泛的重视[7]。超声可以分为两类：低强度超声(频率<20 kHz)和高强度超声(频率范围20～100 kHz)。本研究指的是高强度超声，其声场具有独特的空化现象，可同时产生热效应和机械效应[8，9]。超声的机理是依靠超声的空穴效应，使得液体中的气泡迅速形成、增长、振荡和爆裂，形成极端高温(5 000 K)和高压(50 MPa)，同时伴随着强烈的冲击波和微射流，从而产生巨大的剪切力和混合效应[10]。利用超声波的这种超声振动能量，从而使食品的组织结构、性状和组成发生改变。目前已被应用于食品中生物大分子的改性研究[11]。据相关研究表明，高强度超声可使蛋白质粒度变小、疏水基含量减少，破坏了蛋白分子的空间结构，从而改善食品蛋白质的溶解性[12，13]、起泡性[14]、持水性[11]、乳化性[15]和凝胶性[16，17]等功能特性，促进蛋白质与其他成分的作用。有研究表明超声可有效改善大豆蛋白-刺槐豆胶热力学相容性，从而增强其凝胶体系[18]，因此说明超声可作为增溶多糖-蛋白的有效工具，但目前鲜有文献报道应用超声处理其他多糖大分子与蛋白质的相互作用。

KGM与蛋白质可通过氢键和静电力作用形成混合体系，该体系显示出比单独使用时更优越的性能[19]。基于此，本研究拟以KGM-SPI共混复配体系为研究基材，通过流变学分析研究超声场调制多糖-蛋白溶液共混体系流体行为和黏弹特性，以期寻找调控多糖-蛋白复配体系性能的一种新解决手段，对多糖与蛋白的使用提供一定的指导作用。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料与试剂

KGM(食品级)、SPI(食品级，纯度≥90%)。

1.1.2 仪器与设备

JY92-IIDN型超声波细胞破碎仪(频率范围20～25 kHz)，HH-4型恒温水浴锅， STSJB-120型电动搅拌器， BT-9300S型激光粒度分布仪， Zeta电位仪， Rheoplus MCR301型流变仪。

1.2 方法

1.2.1 KGM-SPI共混复配体系的制备

以蒸馏水为基准称取0.45%的SPI加入到蒸馏水中，搅拌机搅拌使蛋白质分散均匀，称取1.05%的KGM，搅拌机以 150 r/min 的速率缓慢搅拌缓慢加入蛋白液中，同时置于恒温水浴50 ℃条件下搅拌15 min，将共混液分别在0、120、200、280 W超声处理15 min，后进行粒径测试和流变学分析。

1.2.2 KGM-SPI混合体系粒径及分布的测定

将KGM-SPI体系，采用蒸馏水按比例稀释，在折射率为1.5，介质的折射率为1.3条件下，测量体系中粒径的大小及分布情况[20]。

1.2.3 KGM-SPI混合体系ζ-电位的测定

将制备的KGM-SPI混合体系分散到pH 7.0的磷酸盐缓冲液中，在常温条件下采用ZetaPALS-Zeta电位仪测定样品的ζ-电位，测定时的温度为25 ℃，每个样品平行测定3次，计算平均值。

1.2.4 KGM-SPI混合体系流变特性研究

采用流变仪测试不同超声处理的KGM-SPI混合体系流变性能，测试探头为Φ50 mm平行板，1 mm间距。测试温度(30±1) ℃条件下剪切速率从0.01 s-1增加到10 s-1，记录体系黏度和应力变化情况。在温度(25±0.2) ℃、应变1%条件下，分别观察频率从0.1～10 Hz过程中弹性模量(G′)和黏性模量(G″)的变化情况。在应变为1%，频率1.0 Hz条件下，观察不同处理在20～80 ℃下G′和G″的变化情况。

1.3 数据分析

所有实验均重复3次，利用origin2016软件绘图，采用SPSS21.0软件数据统计分析，通过单因素方差分析比较组间数据，结果以平均值±标准偏差表示，具统计学意义上的显著性差异以P<0.05示出。

2 结果与分析

2.1 不同超声功率处理对KGM-SPI混合体系粒径的影响

粒径分布是衡量溶胶特性的重要指标之一。由图1可见，未经超声处理的KGM-SPI体系，其粒径分布范围较广，且有大粒径的颗粒存在，如大于250 μm以上的颗粒；而超声处理其体系颗粒粒径小于未超声处理组，颗粒粒径分布范围较窄，且主要形成中等大小的颗粒，其体积平均粒径(D4,3)为54～64 μm，而中位径在46～55 μm。这说明超声处理可使体系中的KGM或SPI的大颗粒粒径降低。这可能是超声使KGM和SPI形成更小颗粒，溶解性增加，界面张力降低，改变其空间结构，且在基体中分散更均匀，从而促进KGM和SPI分子间的作用，形成更稳定体系，其结果与超声对大豆蛋白-刺槐豆胶的增容性相一致[18]。但不同超声处理其粒径大小不一，从图2可知，未超声处理KGM-SPI体系体积平均粒径(D4,3)和中位径均最大，其次是280 W处理组，而120 W和200 W最小，两个处理的粒径大小相差不显著(P>0.05)，而这种现象的机理需要后面进一步的探讨。

图1 不同功率超声处理的KGM-SPI溶胶粒径分布

图2 不同超声功率处理对KGM-SPI溶胶体积平均粒径(D4,3)大小

2.2 不同超声功率处理对KGM-SPI混合体系ζ-电位的影响

溶胶表面电荷密度能反应其粒子之间静电相互作用，ζ-电位可作为衡量的溶胶颗粒之间相互作用的指标。由图3可见，未经超声处理的KGM-SPI体系Zeta电位为-7.47 mV，经超声处理的KGM-SPI体系的Zeta电位在200 W时为-11.78 mV，而120 W和280 W处理的KGM-SPI体系的Zeta电位分别为-9.13 mV和-10.21 mV，其绝对值均低于200 W处理的电位。说明适当的超声处理使KGM-SPI体系的带电荷数增加，可提高KGM-SPI体系稳定性。

图3 不同功率超声处理的KGM-SPI混合体系ζ-电位的影响

图4 不同超声处理对KGM-SPI溶胶中黏度的影响

2.3 不同超声功率处理对KGM-SPI混合体系剪切稀化的影响

图4为不同超声处理的KGM-SPI体系剪切应力与剪切速率变化曲线。从图4可看出，KGM-SPI复配体系的表观黏度随剪切速率的增加而下降，这说明该复配体系为非牛顿流体，具有假塑性流体的特征。与对照相比，120 W和200 W处理后，复配体系溶液的黏度均显著提高，当280 W处理时，其黏度比未经处理还低。说明适当超声处理对魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白体系的结构与性能产生影响，这可能由于适当超声处理，有利于多糖与蛋白分子间发生交互作用，从而提高其凝胶强度；而当超声功率太高可能会使蛋白质结构破坏或使多糖分子变小从而使其体系作用减弱，黏度下降，但其机理有待进一步研究。

2.4 不同超声功率处理的KGM-SPI混合体系的流变曲线和流变模型

从图5可以看出，同一处理，剪切应力随剪切速率的增大而增大；同一剪切速率条件下，随着超声功率的增大其剪切应力呈先增后减。采用Power-Law模型τ=kγn对魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白复合体系的流变曲线进行拟合，其相关系数均大于0.99，说明拟合效果较好。Power-Law模型中n是流态特性指数，n越小，剪切越易变稀，假塑性程度越大。表1可知，不同处理魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白复配体系n<1，这也说明了其为非牛顿流体。模型中的k为稠度系数，k值越大，说明流体越黏稠。

图5 不同超声处理对KGM-SPI溶胶中剪切应力的影响

表1 复合溶胶在处理条件下的流变特性参数值

从表1可以看出，当超声功率较低时，魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白复配体系随着功率的增加，黏稠系数(k)增大，流变特性指数(n)减小，这说明适当超声处理使体系的非牛顿性流体行为增强，这可能是由于超声处理对KGM-SPI混合体系分子间的相互作用力增强，使KGM-SPI复配体系形成稳定凝胶所致。k值和n值是衡量溶胶体系的质量指标，k值愈大，n值愈小，表明体系质量越好，产品凝胶强度增加[21-22]。当超声功率达增加280 W时，其黏稠系数急激下降，这可能过度超声会使蛋白变性或多糖分子量变小，从而影响其体系相互作用。

图6 k和n分别对应的不同超声处理回归曲线

图6为魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白复配体系的黏稠系数k和流变特性指数n与不同处理的多次项拟合曲线和方程。由图6可知，魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白复配体系的k与不同超声处理呈三次项函数关系，其方程为y=-8×10-6x3+0.002 6x2-0.125 2x+2.524，相关系数R2=1。魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白混合体系的n与不同超声处理符合二次多项函数关系，其方程为y= 5×10-6x2-0.001 3x+0.938 3，相关系数R2=0.983 9。

2.4 不同超声功率处理的KGM-SPI复配体系的黏弹性

图7 频率对KGM-SPI体系溶胶黏弹性的影响

图7为不同超声处理的KGM-SPI体系的弹性模量(G′)均低于黏性模量(G″)的变化曲线。从图7可看出，随着频率的增加，KGM-SPI体系的G′和G″均呈现增大。在低频率时各比例的混合溶胶的G′均低于G″，当频率进步提高时，所有样品的模量均升高，G′增加的速度比G″大，且达到一定频率时G′大于G″，这可能是由于共混体系中分子间相互作用增强，形成更为致密的网络结构，从而使体系凝胶强度增强，说明该体系具有弹性体性质。不同强度的超声处理对KGM-SPI体系作用不同。在120 W和200 W超声处理，其体系的G′与G″均比未处理更大，且其弹性模量和黏性模量的交叉点的频率也更低。而当280 W处理时，其体系G′与G″均比未处理更小，且交叉点在高频率相交。G′与G″随频率变化的曲线的交汇点位置，可作为衡量体系黏弹性能的特点。从图7可知，适当超声处理能够增加KGM-SPI体系的黏弹性，这可能是由于超声预处理能够促进KGM-SPI体系相互作用加强，形成了均一、致密、高强度的凝胶网络结构，而过度超声反而起到反作用。

2.5 不同超声的KGM-SPI复配体系的耐温性

临界凝胶温度，对准确确定其溶胶-凝胶转变点具有非常重要的意义。G′和G″的温度谱曲线的交叉点可作为判断大分子溶胶-凝胶转变温度的手段。图8为不同超声处理的魔芋葡甘聚糖-大豆分离蛋白复配体系的模量随温度的变化趋势。由图8中可以看出，120 W和200 W超声处理，KGM-SPI体系G′与G″均高于对照，而280 W处理的比照还低。加热过程中KGM-SPI体系的G′和G″随着温度的升高均呈下降趋势，除120 W和200 W超声处理的G′有稍微上升后下降。对照处理在整个温度扫描范围G′始终小于G″，无交叉点。而120 W和200 W超声处理分别在39.7 ℃和59.0 ℃有交叉后，其G′均低于G″。说明样品适当超声处理发生了溶胶-凝胶的转变，使KGM-SPI体系形成弹性体系，但该体系对热不稳定，加热使其转变成液体特性。这说明超声对KGM-SPI体系作用与温度相关，有待今后进一步研究。

图8 温度对KGM-SPI体系混合溶胶黏弹性的影响

3 讨论

超声处理可以使KGM-SPI复配体系的粒径大小和表面带电情况发生改变。从体系粒径大小及分布情况看，与未超声处理相比120 W和 200 W超声处理使KGM-SPI体系颗粒变小，且大部分颗粒主要分布在50～60 μm之间，而当超声功率达到280 W时反而使其颗粒粒径增大，但与未处理的小。这可能是超声可多糖和蛋白质分子量先变小，使蛋白质溶解性增加，同时超声也暴露蛋白质分子的内部结构，使部分结构展开、柔性增加，界面张力降低，且在基体中分散更均匀，从而促进KGM和SPI分子间的静电相互作用，形成更稳定体系，其结果与超声对促使蛋白-多糖体系稳定性相一致[18]。而过度超声处理会使蛋白质形成更大不可溶的聚集体，这与超声处理对大豆分离蛋白-磷脂作用相一致[23]。再结合ζ-电位的变化情况看，适当的超声处理使KGM-SPI复配体系的电荷增加，从面增加其体系稳定性。

从流变学分析，KGM-SPI体系为假塑性流体，与未超声组相比，120 W和 200 W超声处理会使KGM-SPI体系的k值增大、n值减小，提高其黏弹性，而280 W超声处理会使其体系k值减小、n值增大，降低其黏弹性；从频率扫描看，120 W和 200 W超声作用增加了KGM-SPI体系的储能模量(G′)及损耗模量(G″)，促使KGM-SPI相互作用的强度增强，形成弹性体系，而280 W的超声处理则会使其相互作用能力降低。从温度扫描看，超声改变了体系的耐温性，且200 W超声处理优于120 W处理，而280 W处理最差。这表明适当超声处理会影响KGM-SPI相互作用的程度，适宜强度的超声处理有利于复合体系凝胶性能和耐温性得到的提升，而过度超声处理其体系未能形成稳定凝胶。再从体系粒径分布及大小和带电情况看，这可能是由于适度超声使KGM和SPI的性质发生改变，如分子变小，溶解度增加等，从而增加其作用力，使其形成更稳定的凝胶体；而适当超声处理会使其分子先变小，ζ-电位绝对值增加，但过度处理反而使其ζ-电位绝对值变小，形成不稳定性聚集体。而这种现象需要今后有待于从其性能和微观结构进一步的探讨。

4 结论

采用不同超声波功率对KGM、SPI相互作用及体系流变性的影响。研究表明适当超声处理可使KGM-SPI体系颗粒变小、颗粒粒径分布范围变窄、ζ-电位绝对值变大，储能模量(G′)及损耗模量(G″)增加，黏稠系数增大，流变特性指数减小，且其体系的耐温性能得到的提升。说明适当超声处理可促使KGM-SPI分子间的作用，形成更稳定弹性体系，其体系非牛顿性流体行为增强。