绿豆淀粉魔芋凝胶基体的制备及性能表征

韩扬，宗绪岩，赵海锋，李丽*

（1.四川轻化工大学生物工程学院，四川宜宾 644000）（2.华南理工大学食品科学与工程学院，广东广州 510641）

魔芋粉的主要功能成分是魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM），而KGM是一类具有高分子量的水溶性、中性植物多糖，它来自于生长在稀林下的魔芋块茎[1-3]。因其具有独特的代谢控制和胶凝能力，已被广泛应用于魔芋豆腐、仿生食品等凝胶化食品中[4,5]，这些凝胶化食品主要是在加热和强碱性条件下形成的。此外，魔芋还具有抗高血糖和高胆固醇血症活性[6]、通便[7]、减肥[8]以及开胃等作用。由于低热量、口感好和饱腹感强，魔芋凝胶食品在市场上越来越受欢迎。

近年来，研究证实引入KGM确实能够改善单一淀粉体系无法实现的功能属性。刘晓庆等[9]向豌豆淀粉凝胶中引入改良剂（魔芋粉）能明显增加混合体系黏度，降低凝胶化焓值。王勇等[10]、Ning等[11]、Ma等[12]发现KGM/玉米淀粉混合后具有协同增效的作用，主要表现在随KGM添加量增大，KGM/玉米淀粉混合物黏稠性增大，假塑性和粘弹性显著增强。龙明秀等[13]研究表明魔芋胶的加入能显著抑制甘薯淀粉的长期回生。Fang[14]发现在10.00%m/m糯马铃薯淀粉（WPS）中加入1.00%m/mKGM加速了剪切诱导凝胶的形成，促进了WPS分子间双螺旋的形成。

在前期试验中发现纯魔芋凝胶确实存在硬度较低、碱味重和冷冻-解冻过程易脱水收缩等问题，为改善其凝胶品质和满足仿生素食行业需求，将不同淀粉引入到魔芋凝胶体系中，最终发现绿豆淀粉的添加对魔芋凝胶特性的影响最大。而绿豆淀粉较其他类型淀粉具有直链淀粉含量高[15,16]，凝胶效果好[17]，凝胶制品色泽、口感和持水性能好而受到消费者和生产商的喜爱。

因此，为改善纯魔芋凝胶存在的不足并进一步探究添加绿豆淀粉对魔芋凝胶内部性能的变化，本研究以硬度和持水力为评价指标，通过单因素和正交试验制备绿豆淀粉魔芋凝胶基体，以差式扫描量热仪（DSC）、傅立叶红外光谱（FT-IR）、扫描电镜（SEM）和X-射线衍射（XRD）等分析方式研究添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶基体的变化，为应用绿豆淀粉魔芋凝胶基体快速生产仿生素食提供技术支撑和理论依据。

1 材料与方法

1.1 原料

魔芋粉（2A级），宜昌维特魔芋胶有限责任公司；绿豆淀粉，新乡良润全谷物食品有限公司；食用纯碱（食品级），日照金禾博源生化有限公司；柠檬酸（食品级），天津渤化永利化工股份有限公司

1.2 主要仪器设备

数显恒温六孔水浴锅，宁波市鄞州群安实验仪器有限公司；CP124C电子分析天平，梅特勒-托利多仪器上海有限公司；DW-25L300低温保存箱，澳柯玛股份有限公司；RT16000C台式高速冷冻离心机，上海容威仪器有限公司；SCIENTZ-10N冷冻干燥机，宁波新芝生物科技有限公司；TA.XT2i型物性测定仪，英国Stable Micro System公司；差示扫描量热仪，德国耐驰公司；扫描电子显微镜，捷克Tesan公司；D2 PHASER X射线衍射仪，德国布鲁克公司；傅立叶红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司。

1.3 试验方法

1.3.1 复合凝胶制备工艺流程

食用纯碱、淀粉→加水混合（80 ℃）→搅拌均匀→魔芋粉→搅拌均匀→室温静置溶胀→煮沸→冷却→冷冻→解冻→柠檬酸浸泡→擦干表面水分→成品

1.3.2 试验设计

固定5.00%魔芋粉含量进行单因素和正交试验，其中碱含量为魔芋粉含量的百分数。在单因素试验得出最佳溶胀时间1.50 h和柠檬酸浸泡浓度为0.50% （m/V）的基础上，选定硬度和持水力为评价指标，以淀粉量、碱含量和冷冻时间为考察因素，每个因素三个水平，采用L9(3)3进行正交优化，得出绿豆淀粉魔芋凝胶最优工艺。正交试验设计见表1。

表1 绿豆淀粉魔芋凝胶正交设计表 Table 1 Orthogonal design table of mung bean starch konjac gel

1.3.3 魔芋凝胶指标的测定方法

1.3.3.1 质构特性测定

复合凝胶采用SMS P/0.5探头进行TPA测试。运行参数包括[18]：测前速度2.00 mm/s，接触压力5.00 g，测试中后速度均为1.00 mm/s，变形量50.00%，间隔时间2.00 s。

1.3.3.2 持水性能测定

称取一定质量的复合凝胶吸干表面水分，用滤纸包裹住凝胶样品放置于50 mL离心管中，配平后于5000 r/min离心15 min[19]，离心前的凝胶质量记为m1，离心后的凝胶质量记为m2，持水力（Water holding capacity，WHC）计算公式如下所示：

1.3.3.3 水分含量测定 参照GB 5009.3-2016《食品安全国家标准食品中水分的测定》直接干燥法。

1.3.3.4 共晶点测定

通过差式扫描量热仪（DSC）测定魔芋凝胶共晶点。将约10.00 mg的魔芋凝胶密封在铝盘中，以空密封盘为参照，在0 ℃～-40 ℃温度范围内以5 ℃/min的冷却速率进行降温，得到魔芋凝胶共晶点。共晶点为DSC曲线中共晶峰的起始温度，该温度是曲线下降的峰斜率的C辅助线与基线的交点[20]。

1.3.3.5 傅立叶红外光谱测定

根据Ye等[21]方法加以修改，将真空冷冻干燥后的魔芋凝胶充分研磨和筛分（100目），将样品室温保存在玻璃干燥器中24 h以达到水分平衡。用玛瑙研钵将干燥样品与KBr按1:100（m/m）研磨，用红外光谱仪在400～4000 cm-1波长范围内扫描测定。

1.3.3.6 XRD测定

将冷冻干燥样品存放于干燥器中进行X-射线衍射测定，测定条件为：管电压30 kV、管电流10 mA，衍射角2θ变化范围为5～90 °，步长为0.02 °，扫描速率为12 °/min，相对结晶度由计算软件直接得出。

1.3.3.7 扫描电镜测定

称取4.00 mg冻干魔芋凝胶样品，喷金10 min，最大加速电压15 kV，在500×下观察魔芋凝胶表面形貌[22]。

1.4 数据分析

采用SPSS 26、Origin 2018和Excel软件对结果进行统计分析，数据结果以平均值±标准偏差表示。

2 结果与讨论

2.1 纯魔芋凝胶TPA指标相关性分析

2.2 正交试验结果

为简化TPA测试结果的分析指标，对纯魔芋凝胶TPA数据进行了相关性分析，TPA测试条件均在室温条件下进行。由表2可知纯魔芋凝胶硬度与弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性和回复性均呈正相关，表明魔芋凝胶硬度越大，弹性、内聚性、胶黏性、咀嚼性和回复性数值也越大。而魔芋凝胶咀嚼性和胶黏性由硬度相关公式计算得出，弹性、回复性和内聚性分别反映了魔芋凝胶形变后恢复的程度、形变后恢复的能力以及内部结合力的大小。对魔芋凝胶来讲，TPA测试指标数值越大，凝胶状态和品质越好，这与雷雯等[23]发现以魔芋豆腐硬度表征全质构特性研究结果一致。因此，后续试验采用硬度值表征其他TPA测试结果以体现魔芋凝胶全质构特性，从而进一步分析凝胶品质。

表2 纯魔芋凝胶各TPA指标相关性分析 Table 2 Correlation analysis of TPA indexes of pure konjac gel

以表2简化TPA指标可得正交试验结果。由表3极差分析可知，各因素对硬度（Hardness）、持水力（WHC）的影响依主次排序分别是C＞A＞B、C＞A＞B，即冷冻时间对绿豆淀粉魔芋凝胶硬度和持水力影响最大，其次分别是淀粉量和碱含量。根据不同评价指标可得绿豆淀粉魔芋凝胶硬度最佳组合为A2B3C3，持水力最优组合为A3B2C2。

表3 绿豆魔芋凝胶正交试验设计及结果 Table 3 Orthogonal test design and results of mung bean konjac gel

结合硬度和持水力均值主效应图（图1）可知，绿豆淀粉添加量在A2和A3时持水力差异不显著（p＞0.05），而A2魔芋凝胶硬度达最大值，因此绿豆淀粉添加量选A2较合适；碱含量选B2较合适，原因是B2持水效果最佳且B1、B2、B3硬度相差不大；冷冻时间选C2，因为C3时绿豆淀粉魔芋凝胶硬度虽最大但持水力下降，长时间冷冻凝胶样品也会造成生产成本上升。综合比较，确定绿豆淀粉魔芋凝胶最佳工艺配方为A2B2C2，即淀粉量3.00 g，碱含量7.00%，冷冻时间1.50 h。

验证试验（见表4）发现当单因素试验结果溶胀时间为1.50 h、柠檬酸浸泡浓度为0.50%（m/V）时，淀粉量为3.00 g，碱含量为7.00%，冷冻时间为1.50 h制备的绿豆淀粉魔芋凝胶硬度为1782.61 g、持水力为92.63%，均高于各正交试验结果，因此确定制备绿豆淀粉魔芋凝胶最佳配方A2B2C2。

2.3 添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶分析

2.3.1 凝胶性能分析

绿豆淀粉魔芋凝胶为正交试验最优配方A2B2C2，添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶硬度值和持水力结果见表4。本研究发现绿豆淀粉魔芋凝胶硬度和持水力上升较明显，凝胶硬度、持水力较纯魔芋凝胶分别提高了54.30%、2.41%，这与孙健等[24]在魔芋豆腐中添加羟丙基变性淀粉使复合凝胶强度增大的研究结果类似，原因可能是魔芋粉与绿豆淀粉混合后体系浓度增大，两者间分子作用力加强，而绿豆淀粉直链淀粉含量较高[25]，能形成硬度更大的凝胶产品，使绿豆淀粉魔芋凝胶结构更稳定，持水效果更明显。

表4 添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶性能分析 Table 4 Performance analysis of konjac gel before and after adding mung bean starch

2.3.2 水分含量与共晶点分析

共晶点是指体系中水分完全冻结成冰晶时的温度[26]。由表5可知纯魔芋凝胶和绿豆淀粉魔芋凝胶水分含量分别为5.25 g/100 g和7.77 g/100 g，共晶点分别为-16.10 ℃和-11.60 ℃，绿豆淀粉魔芋凝胶水分含量、共晶点较纯魔芋凝胶分别提高了2.52 g/100 g、4.50 ℃，淀粉的引入提升了魔芋凝胶的水分含量，这与Shang等[27]研究结果类似。表5发现魔芋凝胶共晶点与水分含量呈正相关，这与张坚强等[28]发现绿茶水分含量越高，共晶点越高的研究结果一致，可能是纯魔芋凝胶含水量较低，溶质浓度相对较高，冻结过程中固化变慢，共晶点越低，也可能是直链淀粉与魔芋的相互作用导致。同时，由于试验冷冻温度是-20 ℃，而两者的共晶点均在-20 ℃以上，说明添加绿豆淀粉前后制备的凝胶均能在-20 ℃条件下完全冻结。

表5 添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶共晶点与水分含量 Table 5 The eutectic point and moisture content of konjac gel before and after adding mung bean starch

2.3.3 傅立叶红外光谱分析

FT-IR通常用于鉴定多糖结构中的有机官能团，当化学基团在分子水平上发生变化时，可以在光谱中观察到差异，例如吸收峰的增强和吸收带的移动[4]。

图2显示了纯魔芋凝胶和绿豆淀粉魔芋凝胶傅立叶光谱图，它们的吸收峰具有相似的频率和形状，但未产生新的吸收峰。添加绿豆淀粉前后制备的魔芋凝胶在3440.00 cm-1附近有一个很强的吸收峰，即-OH的伸缩振动峰，这是多糖化合物的特征吸收峰。魔芋凝胶在2922.00 cm-1附近吸收峰较弱，可以描述为C-H基团的伸缩振动。吸收带位于1640.00 cm-1附近可以指定为分子内或分子间的氢键[29]，吸收波数的减少主要是指氢键程度和强度变化的函数[30]，而绿豆淀粉魔芋凝胶吸收带在1639.00 cm-1处，这表明绿豆淀粉与魔芋粉之间的氢键作用力增强。多项研究指出KGM在1720.00 cm-1附近的特征峰表征乙酰基的存在[31-33]，而魔芋凝胶主要是在碱性加热条件下发生脱乙酰作用，但图2中并未发现1720.00 cm-1左右的吸收峰，表明添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶乙酰基的羰基伸缩振动峰消失，乙酰基完全去除。峰值在1381.00 cm-1处归结于乙酰基上甲基的弯曲振动。1315.00 cm-1附近的吸收峰可能是由于C-OH或C-H的拉伸振动。1080.00 cm-1的特征峰代表C-O单键引起的伸缩振动。特征吸收峰位于878.00 cm-1和806.00 cm-1被认为是魔芋葡甘露聚糖中糖苷键和甘露糖苷键的拉伸振动[34]，这与Li等[35]关于KGM-GA复合凝胶傅立叶光谱分析结果一致。

从纯魔芋凝胶到绿豆淀粉魔芋凝胶，多糖分子间氢键作用加强，且傅立叶光谱图中吸收峰没有显示出显著性的化学结构差异和形成新的基团，化学键未发生显著变化，说明添加绿豆淀粉对魔芋凝胶的化学结构影响微弱。

2.3.4 XRD分析

图3显示了添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶的X-射线衍射图，天然KGM由径向排列的胶束组成，结晶度较差，晶体结构非常不规则[36]。

由图3可看出，添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶显示出典型的非晶型结构，均在2θ=20 °附近出现强衍射峰，各样品间未出现显著性差异，这与Huang等[37]的研究结果相似。纯魔芋凝胶、绿豆淀粉魔芋凝胶结晶度分别为30.30%、25.90%，结晶度下降了4.40%，可能是直链淀粉与KGM间的相互作用。同时，绿豆淀粉与魔芋粉共混后X-射线衍射图未形成新的结晶峰，表明引入绿豆淀粉对魔芋体系晶体结构影响较小。

2.3.5 扫描电镜分析

用扫描电镜研究了真空冷冻干燥后的纯魔芋凝胶与绿豆淀粉魔芋凝胶的微观结构。从图4a中可以观察到纯魔芋凝胶表面平坦，孔隙小且呈撕裂状，孔洞分布不均匀。而绿豆淀粉魔芋凝胶结构发生了明显的变化（图4b），微观结构主要呈立体状且孔径增大，孔洞通过片状连接，片与片之间搭建形成网状空间结构，这跟Sun等[26]发现PtS-KGM具有连续的三维结构类似。分析原因可能是绿豆淀粉填充在魔芋多糖网络结构中，较高浓度的聚集分子使两者相互作用加强，使其形成稳定的网络结构[38]。因此，绿豆淀粉能在一定程度上改善纯魔芋凝胶品质。

3 结论

本文研究了绿豆淀粉魔芋凝胶基体的制备工艺及添加绿豆淀粉前后魔芋凝胶变化的影响。结果表明，在淀粉量为3.00 g，碱含量为7.00%，冷冻时间为1.50 h，溶胀时间为1.50 h，柠檬酸浓度为0.50%（m/V）时可获得硬度为1782.61 g、持水力为92.63%的绿豆淀粉魔芋凝胶基体，此工艺条件下制备的混合凝胶具有更好的凝胶品质和持水性能。同时，性能表征证明了添加绿豆淀粉对魔芋凝胶的化学结构和晶体结构影响较小，两者具有很好的相容性，微观分析进一步证明了绿豆淀粉魔芋凝胶形成了更稳定的网络空间结构，改善了魔芋凝胶品质。因此，添加绿豆淀粉制备复合凝胶在一定程度上能够解决魔芋凝胶现存问题并对新型仿生素食的开发与应用提供理论依据。