不同冷冻处理对魔芋葡甘聚糖凝胶特性和结构的影响

栗俊广，徐 聪，张旭玥，庞 杰，陈历水，陈宇豪，白艳红,*

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南 郑州 450001；2.河南省冷链食品质量与安全控制重点实验室，河南 郑州 450001；3.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；4.漯河市卫龙生物技术有限公司，漯河市食品安全与营养健康重点实验室，河南 漯河 462000）

冷冻是调节魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）凝胶特性的重要手段，可以显著提高KGM凝胶强度[1]，也是以“魔芋爽”为代表的新型KGM凝胶食品加工的重要工艺环节。KGM凝胶在冷冻时，水分子运动受到限制形成冰晶[2]，局部多糖聚集并相互接触，形成高分子聚集微区[3]。解冻后分子重新排列，聚集微区有利于形成更稳定的三维凝胶[4]。虽然冷冻解冻过程可以帮助KGM凝胶形成独特的质构口感，但是也会产生剧烈的脱水现象[5]，导致产品品质下降，已成为行业内亟待解决的关键问题。

针对这一问题，众多学者通过添加其他蛋白[6]或多糖[7]产生的协同效应来改善冷冻KGM凝胶特性[8]，但针对KGM凝胶冷冻工艺的改进研究鲜有报道。相比于传统的空气冷冻（air freezing，AF），浸渍冷冻（immersion freezing，IF）使用导热系数更高的低温冷冻液，可以有效缩短冷冻时间，改善冷冻品质[9]。而超声波辅助冷冻（ultrasonic-assisted freezing，UF）技术是指食品在IF的同时施加一定功率的超声波，可以进一步缩短冷冻时间，改善冷冻品质[10]。有报道指出超声波会在液体介质中造成湍流，并提高传热效率[11]。此外，超声波产生的空化气泡可作为冷冻初生冰核，空化气泡破裂产生的机械力可将生成的冰晶破碎成更小的尺寸，再次作为冰核[12]，继而减小冰晶的尺寸。Xu Baoguo等[13]发现UF技术可以缩短红心萝卜的冷冻时间并降低解冻时的汁液流失。栗俊广等[14]发现UF技术可以减少猪肉肌原纤维蛋白的结构损伤，继而降低蛋白凝胶的蒸煮损失，并提高冷冻后蛋白凝胶强度。Kiani等[15]发现UF技术可以缩小冷冻琼脂凝胶的冰晶尺寸。但利用UF技术改善冷冻KGM凝胶特性的研究鲜有报道。因此，本实验以AF和普通浸渍冷冻为对照，研究不同功率UF处理对KGM凝胶特性的影响，以期为UF在魔芋凝胶制品中的应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

KGM（型号S30903） 上海源叶生物科技有限公司；无水碳酸钠 天津大茂化学试剂有限公司。

1.2 仪器与设备

AB265-S分析天平 梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；BPHJ-500C高低温交变箱 上海一恒科学仪器有限公司；SJT-1-10L超声波辅助速冻设备 无锡上佳生物科技有限公司；JK-8U温度巡检仪 常州金艾联电子科技有限公司；CR-GIII高速冷冻离心机、Regulus8100高分辨冷场发射扫描电子显微镜 日本日立公司；TA-XT Plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems公司；NMI20低场核磁共振仪 纽迈电子科技（苏州）有限公司；Lab-1-50冷冻干燥机 瑞典波通公司；D8 ADVANCE X射线衍射仪 荷兰帕纳科公司。

1.3 方法

1.3.1 KGM凝胶的制备

参考李晶[16]的方法并加以改进，将4 g KGM溶解于90 g去离子水中，将0.48 g碳酸钠溶解于6 g去离子水，充分搅拌分别使KGM和碳酸钠在水中充分溶胀和完全溶解，将碳酸钠溶液加入KGM溶胶，2 000 r/min快速搅拌2 min，注入模具封口静置2 h。将碱化溶胶90 ℃水浴隔水加热1 h形成凝胶，待凝胶冷却至室温25 ℃，于4 ℃冰箱平衡12 h即制得KGM凝胶。

1.3.2 冻融KGM凝胶制备及降温曲线绘制

采用AF、IF和UF 3 种不同冷冻方式处理KGM凝胶。AF在-20 ℃高低温交变箱中进行；IF和UF处理在浸渍冷冻池中进行，样品浸没于-20 ℃体积分数95%乙醇溶液中。IF处理不施加超声波，UF处理施加功率分别为100、200、300、400 W的超声波，工作5 s、暂停5 s。所有样品均使用温度巡检仪记录其降温曲线，并在中心温度达到-18 ℃时转移至-18 ℃冰箱保持12 h，然后在室温25 ℃下解冻6 h，即制得不同冷冻处理的冻融KGM凝胶。

1.3.3 凝胶强度测定

取经冻融处理后的凝胶，采用质构仪测定凝胶强度，测试程序设定如下：使用P/0.5探头，下压距离10 mm，触发力5 g，所得应力曲线中第一个峰即为凝胶破裂点，从触发点至凝胶破裂点所得距离与应力的积分即为凝胶强度。每个处理组测定6 个平行。

1.3.4 析水率测定

参考Lee等[17]的方法，按下式计算析水率。

式中：m1为新制KGM凝胶质量/g；m2为冻融后擦去表面水分称取的凝胶质量/g。

1.3.5 低场核磁共振成像分析

参考Shi Liu等[18]的方法并稍加修改，取经不同冷冻处理的冻融KGM凝胶，切成直径1 cm、高2 cm的圆柱体并置于核磁共振管底部，使用磁共振成像系统对凝胶中的氢质子密度进行测定，并经Osiris软件进行伪彩处理生成氢质子密度伪彩图。测定参数：温度30 ℃、视场读数256 mm、相位192 mm、重复采集4 次、重复时间500 ms、回波时间20 ms。

1.3.6 共晶点及解冻温度测定

参考Lin Wei等[19]的方法并稍加修改，取约20 mg冻融KGM凝胶密封在铝盘中平衡24 h后，在差示扫描量热仪中以空铝盘为参照，以5 ℃/min降温速率从20 ℃降低至-30 ℃，平衡5 min后升温至30 ℃，记录温度变化过程中的差示扫描量热曲线。

1.3.7 结晶度测定

参考Liu Pengfei等[20]的方法并稍加修改，取经不同冷冻处理的冻融KGM凝胶切成1 mm厚薄片，经冷冻干燥后压制测定样品，采用X射线衍射仪测定冷冻干燥凝胶样品的X射线衍射图谱。2θ范围5°～90°，步长0.02°。

1.3.8 微观形貌观察

将冻融凝胶切成2 cm×2 cm×2 cm立方体，在液氮中冷冻后于样品制备腔内升华12 min[21]，然后经5 mA、70 s喷金溅射，在冷场扫描电子显微镜中观察其微观形貌。

1.4 数据处理与分析

所有实验均重复3 次，图表均使用Origin 2018软件绘制，使用SPSS 22.0软件进行差异显著性分析，P＜0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 不同冷冻处理对KGM凝胶降温曲线的影响

冷冻期间的温度变化曲线可直观地描述不同冷冻处理对KGM凝胶冷冻的影响。从图1和表1可以看出，AF处理从4 ℃降温至-18 ℃所需冷冻时间显著长于IF和UF处理（P＜0.05），这是由于空气介质的传热系数远低于液体介质[22]。随着超声波功率的增加，冷冻时间先缩短后延长，UF-300 W组的冷冻时间最短，表明适当功率的超声波可以缩短凝胶冷冻时间，这可能是由于超声波空化作用产生的大量气泡作为冰核诱导冰晶的形成，进而缩短了冷冻时间[23]。UF-400 W和IF组的冷冻时间相近，可能是由于过大功率的超声波在凝胶周围产生了过多热量，影响了凝胶传热，导致凝胶冷冻时间延长[24]。

图1 不同冷冻处理对KGM凝胶降温曲线的影响Fig. 1 Effects of different freezing treatments on cooling curve of KGM gel

表1 不同冷冻处理对KGM凝胶冷冻时间（4～－18 ℃）的影响Table 1 Effects of different freezing treatments on freezing time(4 to −18 ℃) of KGM gel

2.2 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶强度的影响

由图2可知，AF组KGM凝胶强度显著低于IF和UF组（P＜0.05），这可能是由于AF处理的冷冻时间明显长于IF和UF处理，冷冻时间越长，冰晶尺寸越大[25]，对凝胶内部网络结构破坏越大，进而降低了凝胶强度。随着超声波功率的增大，KGM凝胶强度先增大后减小，UF-300 W的凝胶强度最大，为（744.91±14.02）g，相比于AF组提高了61.23%。这可能与冷冻时间相关，适当功率的超声波缩短了凝胶冷冻时间，形成的冰晶尺寸减小，对凝胶内部结构破坏减小，同时超声波空化作用具有一定的均质效果[26]，可以使凝胶内部结构更紧密有序。

图2 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶强度的影响Fig. 2 Effects of different freezing treatments on the strength of frozen-thawed KGM gel

2.3 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶析水率的影响

由图3可知，AF和IF组析水率显著高于UF组（P＜0.05），且在UF组中，随着超声波功率的增大，析水率呈先减小后增大的趋势，UF-300 W组KGM凝胶的析水率最低，为22.61%，相比于AF组降低了23.56%。这可能是超声波的空化作用诱导冰晶成核且减小了冰晶尺寸，使得在解冻时凝胶网络结构得以更好地保留，内部重吸收冰晶所融化的水分也更多[27]，因此，UF组析水率相对于AF和IF组更低。但同时超声波具有一定的热效应，在功率过大（UF-400 W）时，过高的热效应降低了冷冻速率，使冷冻时间延长，反而导致冰晶尺寸较大，并最终导致凝胶析水率增大。

图3 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶析水率的影响Fig. 3 Effects of different freezing treatments on syneresis rate of frozen-thawed KGM gel

2.4 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶水分分布的影响

通过低场核磁共振成像获得凝胶内部水分的氢质子伪彩图，其反映了流动态氢质子的分布情况，图像中红色代表氢质子，其密度越大表示水分含量越高[28]。由图4可知，与AF和IF组相比，UF组KGM凝胶的氢质子分布更多、更均匀，即凝胶内含有更多水分且水分分布更均匀，这与析水率分析结果相印证。随着超声波功率的增加，UF-300 W凝胶内部的氢质子分布最均匀，这表明UF-300 W处理可以使凝胶保留更多的水分，且更均匀地分布于凝胶内部。但UF-400 W凝胶内部氢质子密度及分散度低于UF-300 W，表明过高功率的超声波不仅使KGM凝胶的析水率增加，也使凝胶内部的水分分布更不均匀。

图4 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶水分分布的影响Fig. 4 Effects of different freezing treatments on water distribution in frozen-thawed KGM gel

2.5 不同冷冻处理冻融KGM凝胶的差示扫描量热分析结果

由图5及表2可知，在降温和升温过程中，不同冷冻处理冻融KGM凝胶中，UF-300 W凝胶的共晶点最高、解冻温度最低，AF组的共晶点最低、解冻温度最高。共晶点的提高和解冻温度的降低意味着凝胶内水分与多糖的相互作用减弱。含有多糖和水的凝胶在冷冻过程中，温度下降至结晶点后，水分开始形成冰晶，多糖浓缩于非冻结微区。在非冻结微区中，局部多糖浓度提高，多糖与水的缔合作用加强[29]，而UF-300 W组析水率最低，冻融后凝胶内部水分含量更多，凝胶内局部多糖浓度相对降低，与水的缔合作用减弱，影响水分子结晶，从而提高了共晶点。在升温过程中，同样由于多糖与水分子的缔合作用减弱，使解冻温度降低。即经适当功率UF处理的凝胶相比于AF和IF处理更易冷冻和解冻，从而提高了冷冻经济性和使用便利性。

图5 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶差示扫描量热曲线的影响Fig. 5 Effects of different freezing treatments on DSC scanning curves of frozen-thawed KGM gel

表2 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶共晶点和解冻温度的影响Table 2 Effects of different freezing treatments on eutectic point and thawing temperature of frozen-thawed KGM gel

2.6 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶结晶度的影响

如图6所示，所有组别均仅在2θ约20°及22°附近有较大的弥散峰，没有明显特征峰，表明不同冷冻处理对KGM凝胶的结晶度影响微弱，这与吴岑琳等[30]发现添加大豆油的冻融KGM凝胶的X射线衍射图谱峰位置没有显著变化、均属于无定型弥散峰的结论类似。

图6 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶结晶度的影响Fig. 6 Effects of different freezing treatments on crystallinity of frozen-thawed KGM gel

2.7 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶微观形貌的影响

如图7所示，KGM凝胶内部整体呈疏松多孔的网状片层结构，其褶皱丰富且方向各异[31]。对比AF、IF组可以发现，UF组凝胶内部网状结构更加致密，片层结构之间孔隙也更均匀，AF和IF组凝胶的片层结构松散无序，这可能是由于超声波一定的均质效果使凝胶内部片层结构更加致密。对比不同功率UF组凝胶微观结构可以发现，UF-300 W组凝胶内部结构最致密有序，UF-400 W组凝胶内部结构出现溃散，表明适当功率超声波产生的均质效果可能改善凝胶的内部结构，但过高功率的超声波对凝胶内部结构起破坏作用。

图7 不同冷冻处理对冻融KGM凝胶微观形貌的影响Fig. 7 Effects of different freezing treatments on morphology of frozen-thawed KGM gel

3 结 论

本实验发现300 W的UF可以缩短KGM凝胶的冷冻时间，与AF相比，UF-300 W凝胶的析水率降低了23.56%，凝胶强度提高了61.23%，水分分布更均匀，且不影响KGM凝胶的结晶度。差示扫描量热分析结果显示，相比于AF和IF，UF可以提高凝胶的共晶点，降低解冻温度，使凝胶更容易冷冻和解冻。冷场扫描电子显微镜观察发现，相比于AF和IF组，UF-300 W组凝胶的网络结构更加致密，凝胶片层结构之间孔隙更小。综上，UF可以有效改善冻融KGM凝胶析水严重的问题，且提高凝胶强度。