不同離子多糖對魚明膠凝膠特性和結(jié)構(gòu)的影響

魯金佩,丁可盈,郭雯雯,馬瑙,樓喬明,楊文鴿,黃濤

(寧波大學(xué) 食品與藥學(xué)學(xué)院,浙江 寧波,315832)

明膠是膠原蛋白部分水解后的產(chǎn)物,是一種重要的生物聚合物,因其具有凝膠性、增稠性、乳化性、成膜性等多種功能特性,被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和攝影等行業(yè)[1]。目前,全球98.5%的商業(yè)明膠來源于哺乳動(dòng)物,但受到口蹄疫、瘋牛病和非洲豬瘟等哺乳動(dòng)物疾病的影響,其食用安全性備受質(zhì)疑；此外,社會(huì)文化和宗教信仰等原因也使哺乳動(dòng)物明膠的應(yīng)用市場受到了限制[2]。因此,開發(fā)可替代哺乳動(dòng)物明膠的新型明膠原料成為明膠領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

魚明膠(fish gelatin,FG)是從魚類加工副產(chǎn)物(魚鱗、魚皮、魚骨和魚鰾)中提取的膠原蛋白水解產(chǎn)物,因其具有類似哺乳動(dòng)物明膠的多功能物理特性,被認(rèn)為是一種潛在優(yōu)良的哺乳動(dòng)物明膠替代品[3]。但與哺乳動(dòng)物明膠相比,FG的凝膠強(qiáng)度和流變學(xué)特性較差,這主要是因?yàn)镕G的脯氨酸和羥脯氨酸含量較低,無法形成充足的氫鍵來穩(wěn)定明膠膠體的三股螺旋結(jié)構(gòu),使其應(yīng)用范圍受到限制。所以,如何有效提高FG的凝膠特性是明膠領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[4]。目前,有關(guān)FG凝膠性的改善方法主要有生物酶交聯(lián)[4]、磷酸化修飾[4-5]、戊二醛交聯(lián)[6]和輻照[7-9]等,但這些改善方法存在生物酶交聯(lián)極易形成熱不可逆凝膠[10],戊二醛具有一定的神經(jīng)毒性[11],磷酸化和輻照修飾效果不夠明顯[12]等問題。研究表明,基于靜電相互作用的離子多糖(anionic polysaccharide,AP)能有效改善FG的凝膠性能[13-15],并且應(yīng)用方法簡單,無毒性,可以食用。然而這種改性的程度與AP種類、添加量相關(guān),有關(guān)此類報(bào)道卻較少。因此,本文主要通過對比研究阿拉伯膠(arabic gum,AG)、黃原膠(xanthan gum,XG)和κ-卡拉膠(κ-carrageenan,κC)對FG的凝膠強(qiáng)度、質(zhì)構(gòu)特性和流變學(xué)等凝膠特性的影響,并結(jié)合傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)初探改性的機(jī)理,旨在為開發(fā)高品質(zhì)FG提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

FG(來源于魚鱗和魚皮),上海源葉生物科技有限公司；AG,法國Nexira公司；κC、XG,上海阿拉丁生化科技股份有限公司；其余試劑均為分析純。

1.2 主要儀器

TA.XT Plus 質(zhì)構(gòu)分析儀,Stable Micro Systems 公司；DHR-2 流變儀,TA Instruments Inc 公司；FT/IR-4700 紅外吸收光譜儀,Jasco Corp 公司；Quanta200F 環(huán)境掃描電子顯微鏡,美國 FEI 公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品制備

參照HUANG等[5]的方法略作修改,制備FG-AP復(fù)合溶液,其總固形物含量為60 mg/mL。按照FG∶AP為179∶1、35∶1、17∶1、11∶1、8∶1(m∶m)的比例稱取適量的干燥FG于超純水中,40 ℃水浴加熱至完全溶解,冷卻至室溫,隨后向FG溶液中分別添加適量的AG、κC和XG,250 r/min下攪拌混勻,分別配制成FG-AG復(fù)合體、FG-κC復(fù)合體和FG-XG復(fù)合體,置于冰箱備用。

2.2 凝膠強(qiáng)度的測定

參照KAEWRUANG等[16]的方法,利用質(zhì)構(gòu)儀對膠體進(jìn)行凝膠強(qiáng)度測試。將混合溶液倒入25 mL的玻璃杯中,10 ℃孵化16～17 h。采用直徑為1.25 cm的P/0.5探頭對膠體進(jìn)行凝膠強(qiáng)度測試,測前、測試、測后速度均為1 mm/s。以探頭進(jìn)入膠體深度為4 mm時(shí)所受的最大力定義為凝膠強(qiáng)度。每組樣品平行測定3次。

2.3 質(zhì)構(gòu)特性的測定

參照HUANG等[5]的方法對膠體進(jìn)行質(zhì)構(gòu)分析。將制備好的復(fù)合體溶液倒入模具中,10 ℃孵化16～17 h。取出膠體并切成直徑為2.5 cm,高度為1.5 cm的圓柱體小膠體。利用質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行質(zhì)構(gòu)檢測,探頭為P/50,行變量為40%,循環(huán)測量2次,測前、測中、測后探頭移動(dòng)速度均為1.0 mm/s。每組樣品平行測定3次。

2.4 流變學(xué)測試

2.4.1 凝膠動(dòng)力學(xué)測試

參照HUANG等[5]的方法對制備的樣品進(jìn)行凝膠動(dòng)力學(xué)測試。移取3 mL的膠體溶液于流變儀平臺上,使用60 mm探頭,40 ℃保持5 min,設(shè)置最終溫度為4 ℃,系統(tǒng)自動(dòng)降溫至4 ℃,保持3 h,頻率為 1 Hz,應(yīng)變力為0.5%。構(gòu)建儲能模量(storage modulus,G′)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化方程為凝膠動(dòng)力學(xué)方程,如公式(1)所示。

Gt=kgelln(tgel-A)+C

(1)

式中：Gt,t(s)時(shí)刻G′的值；tgel,凝膠時(shí)間；kgel,凝膠速率；C,常數(shù)。

2.4.2 溫度測試

參照HUANG等[5]的方法對膠體進(jìn)行溫度測試。FG溶液先從40 ℃降溫至5 ℃,再從5 ℃升溫至40 ℃,速率均為0.5 ℃/min,應(yīng)變力為0.5%,頻率為1 Hz。

2.4.3 黏度測試

參照HUANG等[5]的方法對膠體溶液進(jìn)行剪切速率測試,測試溫度為25 ℃,剪切速率為0.01～1 000 s-1。

2.5 FTIR掃描

參照NAGARAJAN等[17]的方法,使用FTIR分析復(fù)合體的基團(tuán)吸收峰特性。取凍干后的復(fù)合膠體與適量KBr粉末混合,充分研磨并壓片。在4 000～400 cm-1的范圍內(nèi)進(jìn)行光譜掃描,分辨率為4 cm-1。所有的樣品光譜圖以KBr為背景。

2.6 環(huán)境掃描電鏡

參照ROUSI等[18]的方法,將冷凍干燥后的FG樣品置于樣品臺上并用導(dǎo)電膠帶固定,利用環(huán)境掃描電鏡(environment scanning electron microscope,ESEM)在低真空模式下觀測膠體的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。測試電壓為10 kV,放大倍數(shù)為300倍。

2.7 數(shù)據(jù)處理

每組試驗(yàn)重復(fù)3次以上,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。使用Origin 8.0作圖,采用SPSS 21.0軟件處理分析數(shù)據(jù),其中不同字母表示顯著差異(P<0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同離子多糖對魚明膠凝膠強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)特性的影響

凝膠強(qiáng)度是破斷力和破斷距離的乘積,質(zhì)構(gòu)測試可以模擬膠體在人體口腔咀嚼過程中的品質(zhì)變化,兩者均是評價(jià)凝膠品質(zhì)的重要指標(biāo)[5,17]。不同含量的AG、κC和XG對FG凝膠強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)特性的影響如表1所示。與原樣相比,在FG-AG和FG-XG復(fù)合凝膠體系中,復(fù)合膠體的凝膠強(qiáng)度和硬度均隨著AG和XG含量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,且均在比例為35∶1(m∶m)時(shí),凝膠強(qiáng)度最高。結(jié)果表明,加入一定量的AG和XG可以提高復(fù)合膠體的凝膠強(qiáng)度和硬度,但過量的AG和XG反而會(huì)降低復(fù)合膠體的凝膠強(qiáng)度和硬度。FG和AP可以通過靜電相互作用形成FG-AP復(fù)合體,該體系的分子形成3種復(fù)合體：FG-FG、FG-AP和AP-AP。當(dāng)AP含量低時(shí),FG-FG復(fù)合體占主導(dǎo)地位,FG-AP復(fù)合體進(jìn)一步增強(qiáng)膠體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)AP含量較高時(shí),AP-AP復(fù)合體占主導(dǎo)地位,FG-AP復(fù)合體增強(qiáng)膠體的凝膠特性[19]。由于AG和XG是弱凝膠,所以當(dāng)其含量過高時(shí),AP-AP復(fù)合體占據(jù)主導(dǎo)地位,膠體的凝膠強(qiáng)度和硬度降低(P<0.05)。這可能是由于形成的FG-AP復(fù)合體抑制FG凝膠化過程中三股螺旋的形成,降低凝膠特性[19]。然而,在FG-κC復(fù)合凝膠體系中,凝膠強(qiáng)度隨著κC比例的增加而顯著提高,這可能是因?yàn)镕G的脯氨酸殘基和κC分子上的半乳糖硫酸鹽殘基能緊密結(jié)合,增強(qiáng)體系的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可以有效提高FG的凝膠強(qiáng)度[20-21]。此外,FG與AG/XG分子間可形成氫鍵,有助于增強(qiáng)復(fù)合膠體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。復(fù)合膠體黏性和咀嚼性的變化趨勢和凝膠強(qiáng)度和硬度的趨勢保持一致。此外,隨著κC和XG含量的增大,FG-κC和FG-XG復(fù)合膠體的恢復(fù)力逐漸降低,FG-κC復(fù)合體的彈性和凝聚力也逐漸降低,而FG-AG復(fù)合體的恢復(fù)力、彈性和凝聚力卻無顯著性變化。這種差異性可能與多糖自身特性的不同有關(guān)。

表1 不同F(xiàn)G-AP復(fù)合體凝膠強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)特性分析Table 1 Gel strength and texture profile characteristics of various FG-AP complexes

3.2 不同離子多糖對魚明膠流變學(xué)特性的影響

3.2.1 凝膠動(dòng)力學(xué)分析

為了研究時(shí)間對不同離子多糖對FG凝膠形成的影響,采用流變學(xué)中的時(shí)間掃描研究不同離子多糖對FG凝膠過程中G′和損耗模量(loss modulus,G″)的影響,從而對其凝膠形成動(dòng)力學(xué)和凝膠力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)[22]。如圖1所示,前1 000 s時(shí),所有凝膠體系的G′和G″以較快的速度增長,隨后以較小的速度繼續(xù)增加。在凝膠化過程中,當(dāng)G′>G″時(shí),預(yù)示著膠體正在形成。明膠的凝膠過程是明膠分子由無規(guī)則卷曲到三股螺旋轉(zhuǎn)變的過程,主要受pH、明膠的濃度、溫度等的影響。一旦膠體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成,隨著時(shí)間的延長,G′繼續(xù)以較小的速度增加,預(yù)示著三股螺旋的繼續(xù)生成,凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正在增強(qiáng)[19]。

明膠的凝膠化速率可被應(yīng)用于了解明膠凝膠過程中模量的變化,推測三股螺旋的生成情況[5,19,23]。每個(gè)凝膠體系的凝膠動(dòng)力學(xué)分析數(shù)據(jù)如表2所示,原樣的凝膠速率(k)為(1 433.60±29.02),高于FG-AG和FG-XG復(fù)合體體系,這可能是由于AG和XG與FG通過靜電相互作用生成的復(fù)合體會(huì)掩蓋三股螺旋結(jié)合位點(diǎn),抑制了三股螺旋的生成[14,24]。此外,由于AG和XG屬于陰離子多糖,引入的負(fù)電荷增大了復(fù)合體系中的靜電斥力,降低了FG分子的流動(dòng)性[14,18,25-27]。然而,在FG-κC復(fù)合體體系中,FG:κC比例為179∶1和35∶1(m∶m)時(shí),k低于原樣；當(dāng)FG∶κC為17∶1、11∶1和8∶1(m∶m)時(shí),k高于原樣,且隨著κC含量的增加而增大。這可能是由于κC含量過高時(shí),FG三螺旋和κC雙螺旋之間產(chǎn)生了互補(bǔ)作用,導(dǎo)致FG-κC體系具有更多的物理凝膠結(jié)合連接區(qū)[28],呈現(xiàn)出較高的凝膠強(qiáng)度和硬度(表1)。

表2 不同F(xiàn)G-AP復(fù)合體流變學(xué)特性分析Table 2 Rheological characteristics of various FG-AP complexes

3.2.2 溫度掃描分析

明膠的凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)可以通過分析流變學(xué)溫度掃描過程中G′和G″的變化得到[5,29]。在40 ℃時(shí),樣品為溶液狀態(tài),G′和G″的值較低,且G″>G′；在降溫過程中,G′和G″均隨著溫度的降低而升高,且當(dāng)G′和G″形成交點(diǎn)時(shí),所對應(yīng)的溫度即是凝膠點(diǎn),預(yù)示著凝膠正式開始生成；升溫過程中,G′和G″均隨著溫度的升高而降低,且當(dāng)G′和G″形成交點(diǎn)時(shí),所對應(yīng)的溫度即是融膠點(diǎn),預(yù)示著膠體開始融化[5,29]。一般而言,FG的膠融溫度(11～28 ℃)普遍低于哺乳動(dòng)物明膠(28～31 ℃)[19],因此限制了FG的應(yīng)用范圍。如表2所示,在相同的測試方法和參數(shù)下,適量的AG、XG和而增加κC有助于提高FG的凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)：FG-AG復(fù)合膠體的凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)均隨著AG含量的增加而增加,且當(dāng)FG∶AG超過11∶1(m∶m)后,凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)均逐漸降低；而FG-κC和FG-XG復(fù)合膠體的凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)均隨著多糖含量的增加而逐漸升高,且當(dāng)其含量達(dá)到一定時(shí),溶液呈現(xiàn)為弱凝膠狀。不同多糖對FG凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)影響的不同與多糖自身分子形態(tài)、構(gòu)象、分子質(zhì)量大小等有關(guān)[19]。κC是硫酸陰離子多糖,易與蛋白質(zhì)通過靜電相互作用生成穩(wěn)定的復(fù)合體[28,30],而XG側(cè)鏈含有可電離的三糖基團(tuán),表現(xiàn)出極強(qiáng)的聚電解質(zhì)行為[14-15,24,27],易與FG分子通過分子間的靜電相互作用生成穩(wěn)定的復(fù)合體,有助于FG凝膠點(diǎn)和融膠點(diǎn)的提高。明膠的膠融溫度主要受氨基酸組成、α鏈/β鏈的比例、分子質(zhì)量分布、電荷密度等因素影響[19]。因此,加入κC和XG可顯著提高FG的膠融溫度,改善其膠融溫度低的缺點(diǎn)。

3.2.3 表觀黏度分析

黏度是評價(jià)明膠品質(zhì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一,可以反映明膠產(chǎn)品的加工特性。黏度主要受到剪切速率、pH、溫度、剪切壓力和時(shí)間等的影響[5,31]。如圖2所示,相較于原樣,FG-XG和FG-κC復(fù)合體體系均具有較高的黏度,且黏度隨著XG和κC含量的增加而增加,而FG-AG復(fù)合體體系呈現(xiàn)相反的趨勢。在FG-AP復(fù)合體體系中存在著3種類型的分子復(fù)合體：FG-FG、AP-AP、FG-AP。當(dāng)FG過量時(shí),體系黏度主要由FG-FG結(jié)構(gòu)主導(dǎo),FG-AP復(fù)合體進(jìn)一步提高復(fù)合體體系的黏度；在FG含量較低時(shí),體系黏度主要受AP-AP復(fù)合體的影響[19]。單純AP溶液的黏度為XG>κC>AG[14]。XG是線性高分子(2×106～2×107Da),分子鏈顯著高于AG(4×105Da)和κC(102～106Da),且具有更多的流體力學(xué)體積,很容易發(fā)生分子間的交聯(lián),因此FG-XG復(fù)合體具有較高的黏度[14]。

a-FG∶AG；b-FG∶κC；c-FG∶XG圖 2 不同F(xiàn)G-AP復(fù)合體系的流體特性分析Fig.2 Flow behavior analysis of various FG-AP complexes

剪切速率為50 s-1時(shí)所對應(yīng)的黏度值(η50)被認(rèn)為與食品的黏度、潤滑性等品質(zhì)相關(guān)[19]。如表2所示,FG-AG、FG-κC和FG-XG復(fù)合體體系的η50值均高于原樣。這可能是由于FG的分子質(zhì)量ɑ/β鏈比較低[1-2]。除此之外,與FG-AG復(fù)合體相比,FG-XG和FG-κC復(fù)合體體系均表現(xiàn)出較高的η50值。隨著AG含量的增加,FG-AG系統(tǒng)的η50值呈先上升后下降的趨勢；而對于另2個(gè)復(fù)合體體系而言,η50值均隨著XG和κC的含量增加而上升。這種差異可能是受多糖分子自身特征的差異影響,如分子質(zhì)量、分子構(gòu)象和電荷密度等[14]。因此,XG和κC更能賦予FG更好的感官品質(zhì)。

3.3 FTIR

a-FG∶AG；b-FG∶κC；c-FG∶XG圖 3 不同F(xiàn)G-AP復(fù)合體FTIR分析Fig.3 FTIR analysis of various FG-AP complexes

3種FG-AP復(fù)合體體系酰胺III的波數(shù)均低于原樣,表明了FG的β-轉(zhuǎn)角含量逐漸降低。此外,酰胺A反映N—H拉伸,然而FG-AP復(fù)合體體系的酰胺A波數(shù)明顯高于原樣,表明了3種多糖AG、XG和κC和FG生成了氫鍵。因此,加入AG、XG和κC這3種多糖會(huì)改變FG的二級結(jié)構(gòu),從而影響其凝膠特性。

表3 不同F(xiàn)G-AP復(fù)合體的FTIR分析 單位：cm-1

3.4 ESEM

不同種類的AP對FG空間結(jié)構(gòu)的影響如圖4所示,未修飾的FG膠體呈現(xiàn)塊狀和空隙；當(dāng)FG∶AP=35∶1(m∶m)時(shí),3種復(fù)合膠體的結(jié)構(gòu)發(fā)生了相似的改變,FG膠體呈現(xiàn)致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中,FG∶κC=35∶1(m∶m)時(shí),膠體的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)小而密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這與其凝膠性結(jié)構(gòu)分析相一致,且與FG-AG和FG-XG復(fù)合體相比較,κC對FG結(jié)構(gòu)改善效果更好。因此,適量的多糖有助于增強(qiáng)復(fù)合膠體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),膠體呈現(xiàn)出較高的凝膠特性,且κC的效果更好。

a-原樣；b-FG∶AG=35∶1；c-FG∶κC=35∶1； d-FG∶XG=35∶1圖4 不同F(xiàn)G-AP復(fù)合體SEM結(jié)果分析Fig.4 SEM analysis of various FG-AP complexes

4 結(jié)論

本研究探討了不同含量(FG∶AP=179∶1、35∶1、17∶1、11∶1、8∶1)的AG、XG和κC對FG凝膠特性和流變學(xué)特性的影響,為生產(chǎn)安全高品質(zhì)的魚明膠產(chǎn)品提供了有效的理論依據(jù)。結(jié)果表明,適量的AG、XG和κC能有效提高FG的凝膠強(qiáng)度、硬度、凝膠溫度和膠融溫度,且在FG∶AG和FG∶XG為35∶1(m∶m),FG∶κC為8∶1(m∶m)時(shí),復(fù)合膠體具有更高的凝膠強(qiáng)度和硬度。凝膠動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,AG、XG和低含量的κC會(huì)降低復(fù)合膠體的凝膠速率；剪切速率分析表明3種AP均會(huì)提高復(fù)合膠體的表觀黏度,其中高含量的XG和κC更加顯著地提高復(fù)合膠體的黏度。FTIR結(jié)果表明,加入的AP并不會(huì)破壞典型的FG官能團(tuán),但是FG與AP可通過氫鍵的形成改變酰胺A的波數(shù)。ESEM分析表明,在FG∶AP=35∶1(m∶m)時(shí),加入的AG、XG和κC能有效改善復(fù)合膠體凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),其中FG-κC復(fù)合膠體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加致密?？偠灾?綜合凝膠強(qiáng)度、質(zhì)構(gòu)和流變學(xué)分析,高含量的κC更能高效地提高復(fù)合膠體的凝膠特性和黏度。