多频脉冲超声对以赤藓糖醇为共溶质的桃浆-卡拉胶共混凝胶体系性质的影响

吕明月，吕 健，谢 晋，王凤昭，毕金峰,*

（1.中国农业科学院农产品加工研究所，农业农村部农产品加工重点实验室，北京 100193；2.沈阳农业大学食品学院，辽宁 沈阳 110866）

桃（AmygdaluspersicaLinn），蔷薇科（Rossaceae）李属（Prunus），肉质鲜美，含有碳水化合物、膳食纤维、维生素等营养素[1]。一方面，桃浆作为终产品能够较好地保留鲜果的可溶性固形物、风味和营养成分；另一方面，桃浆作为果蔬加工产业的重要中间基料，辅以天然多糖等基材，可构建果浆-多糖共混凝胶体系，用于半固体可食性凝胶食品的开发。基于多糖分子与桃浆原料中的大分子组分的交互作用，可以改善使用单一食品高分子基材制备可食性凝胶食品存在的质构等品质缺陷问题[2]。随着提取和纯化技术的发展进步，天然多糖（如淀粉、卡拉胶、果胶、海藻酸钠等）呈现出普遍性和低成本的特点，加之其优良的生物相容性，使天然多糖在共混凝胶体系类食品制造中得到广泛应用[3]。其中，卡拉胶是从海藻中提取出的天然亲水线性硫酸多糖，由半乳糖和3,6-脱水半乳糖通过α-1,3和β-1,4糖苷键交替连接而成[4]，因其良好的凝胶性、增稠性及抗氧化性等多重属性而在共混凝胶体系中具有广泛的应用。根据双糖重复单元中所含硫酸酯基团数量的不同，可将卡拉胶分为κ-型、ι-型、λ-型。其中，κ-型卡拉胶（κ-carrageenan，κ-C）的每个双糖重复单元仅有1 个硫酸酯基团[5]，因而具有更优的胶凝能力，多被用于改善食品的黏度、流变性等质构特征。κ-C有助于食品形成更为致密的凝胶结构，从而可制备具有更高硬度、刚度及一定脆性的胡萝卜泥产品[6]；κ-C与土豆泥中的马铃薯淀粉产生协同作用有助于增强样品的三维网络结构，形成黏稠度更高的土豆泥[7]；κ-C的胶凝性可以使白菜、豌豆等蔬菜泥的微观结构更致密，改善其3D打印性能[8]。由此可见，利用κ-C的凝胶性是制造加工可食性凝胶食品的关键，但是其在食品中单独使用可能会导致凝胶食品出现脆性增加、易析水等缺陷[9]，可以通过优化加工参数或辅以糖分子等食品成分的方式改善κ-C的凝胶特性。蔗糖有助于κ-C凝胶形成更粗更致密的纤维束网络结构，从而改善其凝胶强度和持水性[10]；环糊精的加入影响κ-C无规则线圈的重新排列，从而改善κ-C的质构特性和冻融稳定性[11]。超声处理可以使κ-C多糖的链状结构被降解，增加κ-C的溶解度从而提升其黏稠度[12]。顺应“大营养大健康”的社会发展需求，降低蔗糖等游离糖的摄入，赤藓糖醇因其甜味爽净且具有高稳定性、低糖醇类物质，低升糖指数和低热值等特性在食品中的应用研究不断深入[13]。

超声波技术在液态或半固态体系中产生的空化效应伴随强烈的冲击波和微射流产生的剪切力有利于促进共混凝胶体系中大分子物质之间的相互作用，进而有效改善终产品的品质特性[14]。其中，超声波的空化效应能够增强共混乳液凝胶体系中大豆蛋白-果胶-大豆油三者之间的氢键、范德华力和疏水相互作用，使其形成更为均匀和致密的乳液凝胶[15]。超声波的微束流和空化作用能够诱导鸡血浆蛋白-魔芋葡甘聚糖凝胶共混体系中蛋白结构膨胀和构象变化，增加蛋白的疏水性和二硫键的数量，进而促进蛋白分子间的共价交联作用，并诱导魔芋葡甘聚糖在凝胶形成过程中交联到血浆蛋白凝胶网络中，赋予了最终产品优异的凝胶强度和保水性[16]。相比较单频脉冲超声处理，多频脉冲超声因其更为强烈的空化效应、机械力和冲击波，可以有效促进酪蛋白酸钠和玉米醇溶蛋白之间的相互作用，制备更稳定的纳米颗粒[17]。此外，多频脉冲超声能够更强烈地促使淀粉溶解度的增加，使其结构和性质发生更明显的变化（如淀粉颗粒膨胀），从而改善淀粉在亚油酸中的分散性，增加淀粉与亚油酸之间接触反应的可能性[18-19]。

本实验以桃浆为基料，辅以κ-C和赤藓糖醇构建共混凝胶体系，解析多频脉冲超声处理对其流变性能、粒径、电学特性、水分分布、微观结构等特性的影响，旨在为以桃浆为基质的复合凝胶共混体系产品的制造与加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

桃果实由北京市农林科学院林业果树研究所提供，采自北京平谷前芮营桃育种和试验示范基地。要求果实颜色、大小相近，成熟度基本一致、无明显病虫害和机械损伤。原料运回实验室后贮藏于4 ℃冷库。

κ-C（分析级，纯度99%，淡黄色粉末）、赤藓糖醇（分析级，纯度99%，白色粉末）上海源叶生物科技有限公司。

1.2 仪器与设备

WKS900B/3S三频超声波反应器 江苏江大五棵松生物科技有限公司；Microtarc S3500激光粒度分析仪美国Microtarc公司；Physica MCR301流变仪 奥地利AntonPaar公司；TENSOR27傅里叶变换红外光谱仪德国Bruker公司；SU8010扫描电子显微镜 日本日立公司；S479-uMix 型多参数测定仪 梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；PQ001低场核磁共振仪苏州纽迈分析仪器股份有限公司；IM3570阻抗分析仪日置（上海）商贸有限公司；BLK190613PD真空冷冻干燥机 江苏博莱客冷冻科技发展有限公司。

1.3 方法

1.3.1 以赤藓糖醇为共溶质的桃浆/κ-C共混凝胶体系的制备

根据前期预实验结果构建共混凝胶体系：桃果实经清洗、去皮、去核后，将果肉与蒸馏水以质量比4∶1比例打浆，打浆时间为150 s，打浆机转速为32 000 r/min。称取2 gκ-C和10 g赤藓糖醇于烧杯中，加入88 mL蒸馏水搅拌溶解，后加入100 g桃浆，充分搅拌使其混合均匀。

1.3.2 多频脉冲超声处理

超声频率设置为单频（20 kHz）、双频（20＋28 kHz）和三频（20＋28＋40 kHz）；设置脉冲条件为脉冲时间3 s，间隔2 s；超声功率300 W，超声时间30 min。以未进行超声处理的样品作为对照组。

1.3.3 流变特性测定

表观黏度：采用流变仪对样品的表观黏度进行测定。取2.3 mL样品于流变仪平行板（直径50 mm）之间，平板间隙尺寸1 mm，使用水循环系统控制样品测定温度为（25±1）℃。在剪切速率从0.1～100.0 s-1范围内测定样品的表观黏度随剪切速率的变化。采用Power-Law模型（下式）对实验数据点进行回归拟合。

式中：τ是剪切应力/Pa；k是稠度系数/（Pa·sn）；n是流动指数。

弹性模量（G’）和损耗模量（G”）：通过在1 Hz下进行应变扫描测试，确定样品的线性黏弹区，设置扫描应变振幅0.1%，角频率（ω）范围0.1～100.0 rad/s，测定样品G’和G”随ω的变化[20]。

1.3.4 粒径的测定

采用激光粒度仪对样品的颗粒粒径分布进行测定。样品粒径参数包括D[4,3]、D[3,2]和D50，分别代表样品的体积平均直径、表面平均直径和中值粒径。

1.3.5 电学特性的测定

电导率：采用多功能参数测定仪的电导率模式测定。

阻抗：采用阻抗分析仪测定样品的阻抗和相位角。进行开路、短路校正后，在检测频率1 kHz、电压1 V条件下进行测定。

1.3.6 水分分布的测定

采用低场核磁共振仪测定样品中的水分分布。取2 mL样品注入核磁管中，使用多脉冲回波序列测试横向弛豫时间T2。参数设置如下：采样频率100 kHz，90°脉宽5.40 μs，180°脉宽8.40 μs，采样点数1 200 036，回波个数12 000，回波时间1 ms[21]。

1.3.7 傅里叶变换红外吸收光谱测定

样品经真空冷冻干燥后与KBr粉末混合，研磨均匀后压成透明薄片，于室温干燥环境下进行傅里叶变换红外光谱扫描。设置分辨率为4 cm-1，扫描范围为400～4 000 cm-1[22]。

1.3.8 微观结构观察

样品经冷冻干燥后切成薄片用导电胶固定于样品台上进行喷金处理。利用扫描电子显微镜在10 kV的加速电压下分别于200 倍和400 倍下进行观察并拍照[23]。

1.4 数据处理与分析

通过SPSS 26.0软件进行ANOVA差异显著性分析（P＜0.05），使用Origin 2022软件进行数据拟合和作图。每个实验均重复3 次，结果以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 多频脉冲超声对共混凝胶体系流变特性的影响

初始状态时，共混凝胶体系的表观黏度高于对照组；随着剪切速率的增加，共混凝胶体系表观黏度逐步降低（图1A），呈现出典型的剪切稀化特性，即假塑性流体。进一步利用Power-Law模型（表1）对表观黏度结果进行拟合（R2＝0.97～0.99）发现，随着脉冲超声频率的增加，样品的稠度系数（k）升高，流动指数（n）降低，表明在相同的剪切速率下，多频脉冲超声处理能够提升共混凝胶体系的表观黏度。这可能是由于脉冲超声降低了分子间和分子内力如氢键、疏水力和范德华力[12]等的相互作用力，进而诱导高度聚集的簇状卡拉胶分子结构伸展；另一方面，脉冲超声可以促进桃浆中细胞壁多糖等大分子物质的“增溶”[24]，暴露出更多的可接触基团，赤藓糖醇的空间位阻作用也被降低，从而使卡拉胶-桃浆-赤藓糖醇之间的相互作用增强。此外，多频脉冲超声的空化和剪切效应有利于增强颗粒之间的作用[25]，表现为体系表观黏度的增加。

表1 共混凝胶体系流变特性模型拟合参数Table 1 Model fitting parameters of rheological properties of the blend gel system

图1 多频脉冲超声对共混凝胶体系流变特性的影响Fig.1 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on rheological properties of the blend gel system

多频脉冲超声处理后共混凝胶体系的G’（凝胶的机械强度或弹性的指标）和G”（类似液体的性质或黏度的指标）的变化如图1B、C所示。其中，G’始终大于G”，表明所制备的体系属于凝胶体系。G’和G”均随着ω的增加而增加，在低ω范围内，G’和G”增加不明显；而在较高ω范围内，G’和G”明显增加。单频和双频脉冲超声处理后，G’和G”均高于对照组，可能是脉冲超声使体系颗粒减小，颗粒间相互作用增强，形成更为均匀的黏弹性升高的凝胶体系[26]。特别地，三频脉冲超声处理使G’和G”降低，可能是由于三频脉冲超声处理条件下体系粒径在更为强烈的空化效应作用下减小，小尺寸颗粒决定低黏度，体系黏弹性下降。由此也可以看出，体系粒径以复杂的方式影响着体系的流变特性。

2.2 多频脉冲超声对共混凝胶体系粒径的影响

多频脉冲超声对共混凝胶体系粒径的影响如表2所示。随着脉冲超声频率的增加，D50、D[4,3]、D[3,2]均呈现出逐渐降低的趋势。相较于对照组，单频脉冲超声处理并未显著降低共混凝胶体系的D50（P＞0.05）；随着脉冲超声频率的增加，共混凝胶体系的D50显著降低（P＜0.05），在三频脉冲超声处理时达到最小（561.70 μm），与对照组相比下降了12.32%。D[4,3]多用于表征共混凝胶体系中的大颗粒[27]。相比较对照组，单频脉冲超声处理组D[4,3]未呈现显著差异（P＞0.05），双频和三频脉冲超声处理分别使D[4,3]降低至608.87 μm和584.50 μm，降幅分别为6.03%和9.80%。D[3,2]用于表征共混凝胶体系中的小颗粒，单频和双频脉冲超声均未显著影响共混凝胶体系的D[3,2]（P＞0.05），三频脉冲超声则显著降低了D[3,2]（391.40 μm）（P＜0.05），比对照组降低了7.57%。双频和三频脉冲超声强烈的空化效应会产生更强的机械剪切力促使共混凝胶体系中颗粒进一步减小[28-29]，此外，超声处理所诱导的各组分间交互作用的增强及减轻的赤藓糖醇等的空间位阻效应也有利于组分间结合的更为紧密[28]，进而呈现出更低的共混凝胶体系粒径。

表2 脉冲超声频率对共混凝胶体系粒径的影响Table 2 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on particle size of the blend gel system

2.3 多频脉冲超声对共混凝胶体系电学特性的影响

电学特性是对共混凝胶体系导电性能的评价，其中电导率表示凝胶体系传导电流的能力[30]，多取决于原料的组成成分、颗粒大小、可溶性成分的类型和浓度等因素；阻抗用于表征额定电压下自由离子或带电化合物可活动程度。明确样品的电学特性有助于理解脉冲超声处理对共混凝胶体系中带电粒子行为变化的影响。基于桃浆细胞膜和液泡膜电容的特性，对照组体系中带电粒子的活动受阻，表现为最低的电导率、相位角绝对值及最大的阻抗值（表3）。与对照组相比，多频脉冲超声处理能够显著影响共混凝胶体系中带电粒子的变化行为，但单频和双频脉冲超声处理条件下的电导率未呈现显著变化（P＞0.05），三频脉冲超声处理的共混凝胶体系呈现出最大的电导率（2 288.37 μS/cm）、相位角绝对值（15.28°）和最小的阻抗（285.03 Ω），电导率和相位角绝对值分别比对照组增加了10.15%、35.82%，阻抗降低了38.52%。多频脉冲超声的空化效应有助于桃浆细胞壁中果胶、蛋白质等带电大分子物质以及细胞质中有机酸、矿物质等带电离子的溶出富集[31]，加之多频脉冲超声的电穿孔效应，可诱导细胞膜孔洞的产生，进而降低带电粒子运动的阻力，同时高频超声波能够增强带电粒子运动排列的有序性，使体系内电阻成分所占比例减小[32]。

表3 多频脉冲超声对共混凝胶体系电学特性的影响Table 3 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on electrical properties of the blend gel system

2.4 多频脉冲超声对共混凝胶体系水分及其分布的影响

图2为多频脉冲超声处理后共混凝胶体系的弛豫时间（T2）分布及峰面积比例的变化。共混凝胶体系的T2在0.1～10 000 ms弛豫时间内分布有3 个峰（图2A），从左到右依次为：T21（0.1～10 ms）代表结合水，主要与共混凝胶体系中的大分子物质如卡拉胶、细胞壁组分等紧密结合；T22（10～100 ms）代表不易流动水，主要固定在凝胶网络结构中；T23（100～1 000 ms）代表自由水，主要存在于凝胶网络结构之外，流动性最强[33]。各峰（T21、T22和T23）面积百分比为各组分水所占的百分比，分别标记为PT21、PT22和PT23（图2B）。由图2A可知，对照组样品中的水分主要由大部分的自由水和少量的不易流动水组成；脉冲超声处理会引起T23弛豫峰左移，峰值降低（PT23减小，PT22增大），水分流动性降低；随着超声频率的增加，T23弛豫峰的左移和降低幅度更为显著。三频脉冲超声处理的共混凝胶体系水分分布图中出现结合水（PT21增加），可能是由于脉冲超声的机械和空化作用促使共混凝胶体系各组分之间结合得更紧密，体系的稳定性增强，水分子的流动性降低。此外，脉冲超声使体系颗粒减小，与水结合的表面积增加，有利于共混凝胶网络捕获更多的水分子，出现了更稳定的结合水[15]。

图2 多频脉冲超声对共混凝胶体系水分分布的影响Fig.2 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on water distribution in the blend gel system

2.5 多频脉冲超声对共混凝胶体系傅里叶变换红外光谱的影响

图3 显示共混凝胶体系特征峰主要包括：3 289～3 500 cm-1处的宽吸收峰是—OH的振动吸收峰，2 908 cm-1处对应的是C—H的振动吸收峰，为多糖的典型吸收峰，1 640 cm-1处的振动是由聚合物结合水引起的，1 255 cm-1处的吸收峰是硫酸酯基团的拉伸振动峰，920 cm-1处的吸收峰是C—O—C（3,6半乳糖吡喃糖）基团的拉伸振动峰[34]。相比较对照组，脉冲超声处理组样品的红外吸收光谱吸收峰形状大致相同，无新的吸收峰出现或特征峰消失，表明无新基团产生，凝胶的结构也没有被破坏。然而，随脉冲超声频率的增加，样品在氢键波长范围（3 289～3 500 cm-1）的峰值向短波数方向移动，表明脉冲超声波的空化效应产生的剪切力和湍流增强了体系各成分之间的氢键相互作用[35]。

图3 多频脉冲超声对共混凝胶体系傅里叶变换红外吸收光谱的影响Fig.3 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on Fourier transform infrared spectrum of the blend gel system

2.6 多频脉冲超声对共混凝胶体系微观结构的影响

多频脉冲超声处理对共混凝胶体系微观结构的影响如图4所示。对照组样品未形成典型的网络结构，表面较为粗糙且空腔孔隙大小不均匀。多频脉冲超声处理明显改善了共混凝胶体系的空腔结构。经过单频脉冲超声处理后，样品中可明显观察到在超声波在体系内部传导产生的空化效应和机械效应诱导作用下，组织结构原有的孔道扩张而产生的新的微通道[36]，这有助于电流通过，促使电阻下降。双频脉冲超声处理产生的更强烈的空化和剪切效应，促使空化泡运动加剧，振动幅度增加，样品空腔进一步扩增，有助于体系中带电离子的溶出从而使电导率增加。三频脉冲超声处理的共混凝胶呈现出更为均匀、致密、表面光滑的孔隙结构，可能是由于更强烈的空化效应和机械剪切对样品起到一定的均质作用[37]；更为致密的共混凝胶网络结构具有更强的水分子捕获能力，使水分子的流动性降低，共混凝胶体系表观黏度上升，这与傅里叶变换红外吸收光谱和表观黏度实验结果相一致。

图4 多频脉冲超声对共混凝胶体系微观结构的影响Fig.4 Effect of multi-frequency pulsed ultrasound on microstructure of the blend gel system

3 结论

本实验系统研究了多频脉冲超声对以赤藓糖醇为共溶质的桃浆-卡拉胶共混凝胶体系特性的影响。结果表明多频脉冲超声处理可使共混凝胶体系的表观黏度升高，且表观黏度随着脉冲超声频率的增加而显著升高；单频和双频脉冲超声处理会提高G’和G”，三频脉冲超声处理则会降低G’和G”。多频脉冲超声处理产生的强烈的空化作用和机械剪切力能够促使共混凝胶体系中出现更多均质化的小颗粒，降低体系的阻抗，增强电导率和相位角绝对值，且脉冲超声频率越大，影响越显著。微观结构分析表明，单频和双频脉冲超声处理促使共混凝胶体系出现了微通道和较大的孔隙结构，三频脉冲超声处理更为强烈的空化作用和机械剪切力对共混凝胶体系产生了均质作用，有利于形成更为致密的网络结构，表现为氢键相互作用的增强以及对水分子络合作用的增强、水分子流动性降低。综合上述结果，超声处理可以改善桃浆-卡拉胶共混凝胶的品质，拓宽了超声处理技术在凝胶食品加工领域的应用。