解冻方式对冷冻魔芋葡甘聚糖凝胶特性和结构的影响

严竟,王亚楠,胡梅,陈厚荣,2,刘雄,2,张甫生,2*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(川渝共建特色食品重庆市重点实验室,重庆,400715)

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan, KGM)是一种从魔芋块茎提取的天然杂多糖,对人体健康有益[1]。KGM溶液在碱或碱性盐的存在下加热可制成各种热不可逆凝胶食品,如雪魔芋、魔芋豆腐、仿生食品等[2],其中雪魔芋是KGM凝胶经冷冻处理后通过离心脱水形成的具有特殊口感的海绵状食品。近几年来,以雪魔芋为代表的KGM凝胶食品因其低热量、饱腹感强和口感好的特点倍受消费者青睐。由于消费者对凝胶食品的接受和偏好与其质地特性高度相关[3],冷冻解冻过程引起的KGM凝胶质构特性的变化越来越受到关注。冷冻处理是一种改善KGM凝胶特性和孔隙率的有效方法[4-5];但在解冻时,冰晶发生融化从凝胶中析出[5],凝胶出现脱水,内部结构形变,凝胶品质降低。

目前,食品加工过程中常用的解冻方式有空气、冷藏室和水浸解冻等,但其解冻缓慢且对质地破坏也较严重[6]。相较于空气和水浸解冻,微波解冻时间短、速率快及解冻后的冻豆腐的感官品质较佳[7],但也存在加热不均易致质地损坏的缺点[8]。而超声波解冻因其空化效应、机械效应和热效应的协同作用,不仅缩短了解冻时间[6],也使冷冻食品解冻更加均匀[9]。如超声波解冻保持鲢鱼鱼糜的品质与节省解冻时间[10],提升鸡肉肌原纤维蛋白凝胶网络的致密度、均匀性以及减轻解冻后凝胶强度与持水力的损失[11]。此外,解冻温度也会影响凝胶特性[12],如GUO等[1]也发现相比起4 ℃和40 ℃,在25 ℃解冻的羧甲基化KGM凝胶强度最高,同时增加多糖浓度、冷冻时间和冻融循环次数解冻可以提高羧甲基化KGM凝胶强度。

目前对冷冻KGM凝胶的解冻有少许关于冻融循环次数和解冻温度上的研究,而系统地探讨不同解冻方式对KGM凝胶的影响的研究尚未见报道。因此,为改善传统解冻方法解冻后KGM凝胶脱水收缩后网络结构变差,质地下降的问题,开展了不同解冻方式对KGM凝胶特性和结构的影响的研究,通过比较分析25 ℃空气、4 ℃冰箱、25 ℃水浸、40 ℃水浸、超声波和微波解冻下,冷冻KGM凝胶的色泽、析水率、质构特性和结构的变化结果,寻求较佳的凝胶解冻方式或组合,以期为冷冻KGM凝胶产品的脱水收缩后质构劣变问题的解决提供数据和理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

魔芋精粉(食品级,KGM含量≥75%),湖北一致魔芋生物科技股份有限公司;无水碳酸钠(分析纯),河南中源化学股份有限公司。

1.2 仪器与设备

JJ-1精密增力电动搅拌器,金坛市城东新瑞仪器厂;HH-ZK8八孔水浴锅,巩义市予华仪器有限责任公司;SL602 N高精度电子天平,上海民桥精密科学仪器有限公司;OLYMPUS BX43光学显微镜,日本Olympus公司;TA.XT Plus质构仪,英国Stable Micro System公司;WR-18手提式色差仪,深圳市威福光电科技有限公司;Spectrun100傅里叶变换红外光谱仪,美国PerkinElmer公司;X′Pert3Powder多功能粉末X射线衍射仪,荷兰帕纳特有限公司;Phenom Pro扫描电子显微镜,荷兰Phenom World公司;SCIENTZ-10 ND普通型冷冻干燥、SB-5200DTD超声波清洗机,宁波新芝生物科技股份有限公司;BCD-532 WDPT冰箱,青海海尔股份有限公司;M1-L202B微波炉,广东美的微波炉制造有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 冷冻KGM凝胶的制备

将4 g的魔芋精粉缓慢地加入到96 mL溶有0.4 g碳酸钠的蒸馏水中[5],搅匀后倒入3.5 cm×3.2 cm×2.7 cm模具中于90 ℃水浴1 h形成凝胶,立即冷却至室温后,置于-18 ℃冰箱中冷冻36 h。

1.3.2 解冻处理

将冷冻后的KGM凝胶从模具中取出,分成6组进行不同的解冻处理。25 ℃空气解冻：将冷冻样品置于(25±1) ℃的室内进行解冻;4 ℃低温解冻：将冷冻样品装在自封袋中,然后放入(4±1) ℃冰箱进行解冻[1];水浸解冻：将冷冻样品胶置于(25±1) ℃和(40±1) ℃水中进行解冻[9];微波解冻：将放入陶瓷碗的冷冻样品置于微波炉中,选择解冻模式进行解冻[13];超声解冻：将冷冻样品装入自封袋,置于超声波清洗机中进行解冻,超声功率为360 W,频率40 kHz,水温(25±1) ℃[14]。

1.3.3 解冻时间测定

解冻时在6种解冻处理的冷冻KGM凝胶样品的中心插入热电偶温度计探头,观察温度变化,待凝胶温度达到4 ℃停止解冻,并记录解冻时间[8]。

1.3.4 白度的测定

将6种解冻处理的冷冻KGM凝胶样品,采用色差仪测量。色差仪开机后,选择反射测量模式,进行黑白校正,校正结束后将每个样品作为标样进行测定,测得样品的L*、a*、b*值,白度(W)[8]的计算如公式(1)所示：

(1)

1.3.5 析水率的测定

将上述加热溶胀后的KGM凝胶冷却后称其质量为a,经过冷冻处理后再采用6种解冻方式处理后得到冷冻KGM凝胶样品。将样品表面的水分用滤纸吸干后分别称其质量为b。析水率[15]的计算如公式(2)所示：

(2)

1.3.6 质构特性的测定

在室温下使用质构仪对6种解冻方式处理后的冷冻KGM凝胶样品(3.5 cm×3.2 cm×2.7 cm)进行全质构分析。测量前,样品置于25 ℃水浴锅1 h。质构测试采用TPA模式,选取P/0.5探头,测前速度设为5.00 m/s,测试速度1.00 mm/s,测后速度1.00 mm/s,形变量40%,触发力5 g,每个样品测3个平行[3]。

1.3.7 微观结构观察

将6种解冻方式处理后的冷冻KGM凝胶切成5 mm×5 mm×1 mm的细薄切片[15],冷冻干燥后运用光学显微镜和扫描电子显微镜观察凝胶样品的微观形态。使用光学显微镜将4倍镜拍照保存。凝胶样品喷金后使用10 kV的加速电压,用扫描电镜放大250倍观察表面微观形貌并拍照记录。

1.3.8 傅里叶变换红外光谱分析

将6种解冻处理的冷冻KGM凝胶的冷冻干燥样品用锉刀磨成粉过100目筛,使用傅里叶变换红外光谱分析仪测定其在600～4 000 cm-1扫描测定,分辨率4 cm-1,扫描次数64[16]。

1.3.9 X-射线衍射分析

将6种解冻处理的冷冻KGM凝胶样品冷冻干燥后研磨成粉,使用多功能粉末X射线衍射仪对样品进行扫描测定,测定条件为：衍射角2θ变化范围为5°～60°,步长为0.02°,扫描速率为10°/min[5]。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2020初步处理实验数据,然后运用SPSS Statistics 27进行单因素试验显著性分析,最后采用Origin 2021绘制图表。所有实验数据均以“平均值±标准差”计算,不同列小写字母表示样品间差异显著,P<0.05。每组试验至少重复3次。

2 结果与分析

2.1 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶解冻时间的影响

解冻时间很大程度上取决于解冻方法和解冻参数,合适解冻的目标是在最短解冻时间内获得高质量的解冻产品[17]。图1为不同解冻方式对冷冻KGM凝胶解冻时间的影响。4 ℃冰箱解冻时间较25 ℃空气延长了387.80%(P<0.05),解冻时间主要取决于解冻介质与冷冻样品之间的温差,温差越大解冻速度越快[18]。25 ℃水浸解冻时间较25 ℃空气缩短了93.54%(P<0.05),是由于水的传热速度比空气快,解冻耗时更短[8]。40 ℃水浸解冻时间比25 ℃水浸缩短了61.00%(P<0.05),这是因为40 ℃水浸解冻更大的温差加快了解冻速度。微波解冻时间最短,相比于25 ℃空气减小了99.71%(P<0.05),微波可以渗透到KGM凝胶的中心并释放热量,缩短了解冻时间[19],与对冻豆腐的研究结果一致[7]。超声波解冻时间比25 ℃水浸解冻缩短了44.47%(P<0.05),超声波通过空化气泡的破裂将声能转化为热能,热能加快了冰向水的相变速度,缩短了解冻时间[9],这与适宜的超声波解冻鲢鱼鱼糜的结论一致[10]。超声波与40 ℃水浴解冻时间耗时无显著差异(P>0.05),表明在该条件下的超声波与40 ℃水浸解冻的传热效率相近。提高水浸的解冻温度、使用微波和超声波解冻均能显著提高冷冻KGM凝胶的解冻效率。

图1 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶解冻时间的影响

2.2 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶色泽的影响

一般来说,产品白度越高越容易被消费者接受。凝胶的三维结构越均匀致密,白度越大,含水量越高凝胶颜色越浅[13]。不同解冻方式对于冷冻KGM凝胶白度的影响如图2所示。魔芋精粉中残留的多酚物质对颜色和褐变起着至关重要的作用,多酚在碱处理下转化为其他化合物,导致碱处理后a*值增加[20],白度下降。相较于25 ℃空气,4 ℃冰箱解冻后的KGM凝胶的白度降低了2.96%(P<0.05),可能是因为KGM凝胶中存在的少量多酚在长时间的氧气接触下发生氧化反应导致颜色变黄,白度下降。25 ℃和40 ℃水浸解冻KGM凝胶的白度较25 ℃空气解冻分别稍微增大了1.64%和0.81%(P>0.05),水浸隔绝空气,抑制了多酚氧化[7],褐变程度低。微波解冻较25 ℃空气解冻的凝胶白度值下降了0.75%(P>0.05),可能由于微波解冻易产生过热现象,较高的温度使KGM凝胶中的少量多酚发生氧化褐变,白度降低。6种解冻方式中,超声波解冻的冷冻KGM凝胶的白度最高,较25 ℃空气解冻提高了4.68%(P<0.05),与不同解冻方式对猪背最长肌蛋白凝胶[13]的结果一致,这可能是因为超声波处理降低了多酚氧化的活性,抑制了褐变反应[20],白度增加。综上,超声波解冻能使KGM凝胶解冻后变色得到有效的改善。

图2 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶白度的影响

2.3 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶析水率的影响

凝胶析水率低说明其抑制脱水收缩的能力更强[15]。不同解冻方式对于冷冻KGM凝胶析水率的影响如图3所示。在较低的温度下,水分子的动能和布朗运动较小,导致水分子在凝胶网络中的位移和重新分布很少[12],析水率下降。因此,4 ℃冰箱解冻后KGM凝胶析水率最低,较25 ℃空气解冻的析水率下降了38.03%(P<0.05),这与不同解冻方式对冷冻海参的解冻损失的研究结果相似[9]。同一温度(25 ℃)下,水浸较空气解冻的KGM凝胶的析水率降低了36.25%(P<0.05),可能是水浸较空气解冻时间更短受热更均匀,形成的凝胶网络变化小保留的凝胶中的水分更多。40 ℃水浸解冻的KGM凝胶的析水率最高,比25 ℃空气解冻提高了16.48%(P<0.05);在较高温度下,当中心温度达到4 ℃时,凝胶表面温度较高,破坏了凝胶网络结构,造成过多的水分流失。微波解冻的KGM凝胶的析水率较25 ℃空气解冻降低了9.97%(P<0.05),可能是因为微波能确保热量在短时间内以简单的方式均匀地传递到凝胶内部,抑制了冰晶对凝胶结构的破环[19],且微波加热凝胶具有更强的KGM分子链相互作用和更均匀集中的网络结构[21]。超声波解冻KGM凝胶的析水率比25 ℃空气解冻降低了19.56%(P<0.05),这或是由于超声波解冻使冰晶快速融化,凝胶结构脱水收缩程度低,同时超声波空化作用具有一定的均质效果[5],增强了凝胶网络截留和固定水的能力。不过超声波解冻KGM凝胶的析水率较25 ℃下的水浸解冻显著增加了26.17%(P<0.05),这或许是因为超声波的空化效应产生过多微泡,对KGM凝胶的表面产生较大的损伤[6],造成水分的流失。综上,4 ℃冰箱、25 ℃水浸、微波和超声波解冻能降低KGM凝胶析水率,其中4 ℃冰箱和25 ℃水浸解冻的效果最佳。

图3 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶析水率的影响

2.4 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶质构特性的影响

凝胶食品的质构特性是消费者选择凝胶食品时的重要指标[17]。不同解冻方式对于冷冻KGM凝胶的硬度、弹性、胶黏性、内聚性和咀嚼性的影响如表1所示。从表中可知,不同解冻方式对冷冻KGM凝胶的弹性和内聚力影响较小,而对硬度、胶黏性和咀嚼性影响很大,这与之前不同解冻方式对冻豆腐[7]的硬度和咀嚼性的研究结果相似。4 ℃冰箱解冻KGM凝胶的硬度、胶黏性和咀嚼性较25 ℃空气分别提高了5.42%、5.05%和7.43%(P<0.05),与上文的析水率结论一致。相比于25 ℃空气解冻,同一温度下水浸解冻的KGM凝胶的硬度、胶黏性和咀嚼性分别提高了21.48%、17.14%和16.81%(P<0.05),这可能是25 ℃水浸解冻后的KGM凝胶受脱水收缩的影响更小,网络结构变形更小更坚固,与其析水率的结果相印证。在相对较低的温度下,解冻速率较慢,凝胶系统有足够的时间来促进分子链的延伸和相互作用并形成更多的氢键[1],因此40 ℃较25 ℃的水浸解冻KGM凝胶的硬度、胶黏性和咀嚼性有所下降(P>0.05)。微波解冻KGM凝胶的硬度、胶黏性和咀嚼性相对于25 ℃空气解冻分别增大了30.39%、26.63%和25.63%(P<0.05),这是由于微波辐射能量对多糖分子的热效应使多糖发生聚合,导致更集中的分子间交联,增加了凝胶的硬度等质构特性[21-22]。超声波解冻KGM凝胶的硬度、胶黏性和咀嚼度最大,较25 ℃空气解冻分别增大了66.05%、74.44%和75.61%(P<0.05),表明超声波解冻的KGM凝胶网络结构致密[9],可能是因为适宜的超声解冻对KGM凝胶结构造成的破坏小,且超声波空化作用使凝胶内部结构更紧密有序[23]。

表1 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶质构特性的影响Table 1 Effects of different thawing methods on texture characteristics of frozen KGM gel

在弹性方面,除4 ℃冰箱解冻外,其他解冻方式的KGM凝胶弹性相对于25 ℃空气解冻显著下降,可能是4 ℃解冻的KGM凝胶内部结构在较低的温度受到的破坏较小且含水量较多,导致弹性略高。微波解冻KGM凝胶弹性最小,相对于空气解冻降低了1.82%(P<0.05)。在内聚性方面,6种解冻方式解冻后的KGM凝胶的内聚性之间无显著差异。综上,超声波解冻比起其他5种解冻方式,能显著改善解冻后KGM凝胶的硬度、胶黏性等的质构特性,可使KGM凝胶素食获得良好的口感。

2.5 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶的微观结构的影响

不同解冻方式解冻后的KGM凝胶显微观察结果如图4所示。解冻失水后KGM凝胶网络结构被破坏,整体向内挤压致结构更为致密但不均匀[24]。从图4-A可知,25 ℃空气解冻KGM凝胶相对于其他解冻方式的孔径较大且不均匀,出现断裂和卷曲皱缩的现象,这可能是由于25 ℃空气解冻后的KGM凝胶脱水收缩程度大,内部结构破坏严重。从图4-B可知,由于4 ℃冰箱解冻KGM凝胶在冷冻凝胶化的温度下保持更长时间[24],较25 ℃空气解冻三维结构更加完整坚硬。从图4-C和图4-D可知,40 ℃水浸解冻相较于25 ℃水浸解冻KGM凝胶孔隙边缘更加粗糙变形,孔径大小不一,这是因其受脱水收缩程度更大,凝胶结构向内挤压变形更多。从图4-E可知,相对于水浸和空气解冻,微波解冻的KGM凝胶孔径更小,孔隙边缘更平整,表明微波解冻对KGM凝胶的立体凝胶网络受脱水收缩影响较小,但受热不均匀导致孔隙大小不均一。从图4-F可知,超声解冻的KGM凝胶较其他解冻方式孔隙最小,网络结构最致密有序,孔隙边缘更为为光滑,这是因其脱水收缩程度小且均匀[25],同时超声波对KGM凝胶具有均质效果[23]。微观结构的结果与之前的硬度、胶黏性和咀嚼性的结果一致。综上所述,超声波解冻相比起其他解冻方式在解冻过程中能很好的保护KGM凝胶的微观结构,形成孔隙小且均匀、致密坚硬的三维网络结构。KGM凝胶致密的网络结构和更小的孔隙不仅可以提高KGM凝胶素食中小分子营养物的保留率,还可以使雪魔芋等KGM凝胶食品获得更好的吸味能力。

A-25 ℃空气解冻;B-4 ℃冰箱解冻;C-25 ℃水浸解冻;D-40 ℃水浸解冻;E-微波解冻;F-超声波解冻图4 不同解冻方式解冻后冷冻KGM凝胶的微观结构

2.6 不同解冻方式解冻后冷冻KGM凝胶的傅里叶变换红外光谱分析

图5 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶的傅里叶变换红外光谱图

2.7 不同解冻方式解冻后冷冻KGM凝胶的X-射线衍射分析

图6为不同解冻处理KGM凝胶的X-射线衍射图谱。6种方式解冻后的KGM凝胶的谱图高度相似,均在2θ=20.9°左右有一个较宽的色散峰,表明KGM呈现无定形态,这与不同冷冻处理的KGM凝胶[5]的研究结果一致。通过MID Jade 6.0软件计算25 ℃空气、4 ℃冰箱、25 ℃水浸、40 ℃水浸、微波和超声波解冻KGM凝胶的相对结晶度分别为：13.61%、13.24%、13.84%、13.51%、13.82%和13.40%,这表明解冻方式对KGM凝胶的结晶度影响微弱。其中,相对于其他解冻方式,4 ℃冰箱解冻的KGM凝胶的结晶峰强度减弱且结晶度最低,这可能是因为在解冻过程中造成了KGM分子发生了聚集,而4 ℃冰箱解冻温度较低且缓慢,KGM分子发生的簇集程度小[29],这表明4 ℃冰箱解冻KGM凝胶脱水收缩程度小,形成的网络结构疏松,与析水率和微观结构的结果相印证。综上,不同的解冻方式对KGM凝胶的分子结晶形态影响微弱。

图6 不同解冻方式对冷冻KGM凝胶的X-射线衍射图谱

3 结论

冷冻处理是将KGM凝胶制成的如雪魔芋等有独特口感的凝胶素食的有效方式,而解冻后品质的损失已成为行业内面临的难题。不同解冻方式解冻后的KGM凝胶特性具有明显差异,25 ℃空气解冻速度慢,解冻后KGM凝胶的析水率较大,硬度、胶黏性和咀嚼性最低;4 ℃冰箱解冻时间最长,解冻后KGM凝胶的析水率最低,但白度和结晶度最小;25 ℃水浸解冻效率较高且解冻后KGM凝胶析水率低,但硬度等质构特性较差;40 ℃水浸解冻时间短但析水率最大;微波解冻耗时最短,解冻后KGM凝胶的硬度等质构特性较好,但由于微波的过热现象,白度较差;超声波解冻时间较短且解冻后KGM凝胶的白度、析水率和质构特性最佳。在实际生产过程中,可根据KGM凝胶产品质地的要求,选择适宜的解冻方式。在生产如魔芋爽等对质地要求较高的KGM凝胶素食和骨架等生物材料时,可采用超声波解冻。在生产魔芋豆腐、软糖等对质地要求低的KGM凝胶食品和伤口敷料时,可采用较高温度的水浸解冻。后期的研究可集中在探讨KGM凝胶在不同解冻方式处理下KGM分子与水分子的相互作用方式,以及超声波和微波解冻改善KGM质地的机理等方面。