濕熱降解對(duì)魔芋葡甘聚糖凝膠特性的影響

鄒少?gòu)?qiáng)

（福建立興食品有限公司，福建 漳州 363801）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視膳食健康，對(duì)健康、低熱量食品的訴求也不斷上升。低熱量食品作為新興行業(yè)有巨大的市場(chǎng)潛力和廣闊的發(fā)展空間，其研究與開發(fā)受到營(yíng)養(yǎng)學(xué)界等領(lǐng)域的廣泛重視。可溶性膳食纖維是一種對(duì)人體健康有益的特殊營(yíng)養(yǎng)素，具有低熱量、高飽腹感，且能減少和延緩葡萄糖的吸收等優(yōu)點(diǎn)，是糖尿病[1]和減脂人群[2]良好的輔助食品。

魔芋葡甘聚糖（KGM）為高分子量多糖，由于黏度高和吸水性強(qiáng)等缺陷，且其黏度隨著溫度的升高逐漸降低，在加工過(guò)程中不利于食品保形[3]，局限了魔芋的加工技術(shù)，使得KGM的利用空間極低。天然高濃度KGM降解的方法主要有物理法（超聲波[4]、紅外烘烤[5]）、化學(xué)法（酸法、堿法）和生物法（酶法）等。上述方法均可以使KGM得到有效降解，但具有經(jīng)濟(jì)性低或?qū)Νh(huán)境造成污染的缺陷[6]。因此，采用一種高效、便利和清潔的降解方法是KGM加工生產(chǎn)過(guò)程中的難題。

為了保證KGM溶膠的穩(wěn)定性，通常將其制備成凝膠。多糖類凝膠具有生物降解性、生物相容性、經(jīng)濟(jì)性、可利用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[7]。一般是通過(guò)物理或化學(xué)交聯(lián)方式可制備凝膠。通過(guò)研讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)了解到，KGM溶膠中存在著復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要有KGM分子鏈內(nèi)、KGM分子鏈和KGM分子鏈之間、KGM分子鏈和水分子之間3種類型的氫鍵相互作用[8]。有研究表明，溫度升高，分子運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，分子鏈流動(dòng)阻力減小，KGM溶膠黏度逐漸減小[3]，溶膠的剪切應(yīng)力降低，流動(dòng)性增強(qiáng)[9]。有研究表明對(duì)KGM溶膠進(jìn)行加堿熱處理脫除乙?；笮纬蓺滏I，其黏度、持水性發(fā)生顯著下降[10]。因此，常通過(guò)加堿熱處理制備穩(wěn)定的KGM凝膠。KGM在堿加熱處理?xiàng)l件下脫去乙?；瞥傻哪z穩(wěn)定性較好的原因在于：KGM脫去了部分乙?；鶊F(tuán)，氫鍵作用加強(qiáng)，與KGM的天然結(jié)構(gòu)存在差異。其差異體現(xiàn)在：KGM分子脫除部分乙?；鶊F(tuán)，分子間的空間位阻降低而產(chǎn)生氫鍵并以乙?；摮恢脼楣?jié)點(diǎn)與相鄰分子相互作用形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[11]，從而形成凝膠。在堿加熱處理過(guò)程中，堿濃度越高，乙?；鶊F(tuán)脫除程度越大[12]。有研究表明，脫去乙酰基的KGM，具有良好的可生物降解性和安全性[13]。

基于對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的研讀和總結(jié)，采用可靠性、便利性和清潔性更高的非均相濕熱降解法對(duì)高濃度KGM進(jìn)行降解。在固定高溫高壓下，改變對(duì)KGM精粉的濕熱降解處理時(shí)間，探究其所制溶膠和凝膠的理化性質(zhì)的變化，分析影響凝膠穩(wěn)定性的因素，優(yōu)化KGM凝膠性能最佳降解方案，為凝膠研究和生產(chǎn)提供一定理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

KGM，湖北一致魔芋生物科技股份有限公司提供；氫氧化鈉、溴化鉀均為分析純，國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

ME204TE/02型電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司產(chǎn)品；GI54DS型立式自動(dòng)壓力蒸汽滅菌器，致微（廈門）儀器有限公司產(chǎn)品；DJG-9035A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；Color Squid S000型磁力攪拌器，上海玖析科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；R30A型電動(dòng)攪拌器，南京庚辰科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器責(zé)任有限公司產(chǎn)品；RNA4500型快速黏度分析儀，深圳市三莉科技有限公司產(chǎn)品；VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀，島津儀器（蘇州）有限公司產(chǎn)品；WDW-5型微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)，長(zhǎng)春新特試驗(yàn)機(jī)有限公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 KGM樣品的制作

試驗(yàn)采用非均相濕熱降解法[14]制備KGM樣品。稱取KGM粉末5 g置于培養(yǎng)皿中，用錫紙覆蓋培養(yǎng)皿并扎孔。將裝有KGM粉末的培養(yǎng)皿置于立式自動(dòng)壓力蒸汽滅菌器中，于121℃，0.1 MPa下處理不同時(shí)間 （分別為5，10，15，20，25，30 min）。滅菌器降溫至65℃時(shí)將KGM粉末取出，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱于45℃下烘干2 h。

1.3.2 KGM溶膠黏度的測(cè)定

為測(cè)定KGM樣品溶膠的黏度性能，使用具有結(jié)合可變的剪切力和多循環(huán)的加熱/冷卻技術(shù)的快速黏度分析儀[15]。準(zhǔn)確量取20 mL蒸餾水置于快速黏度分析儀的鉛制樣品筒內(nèi)，稱取7份0.1 g KGM樣品粉末（蒸煮時(shí)間分別為0，5，10，15，20，25，30 min）。將裝有蒸餾水的鉛制樣品筒置于磁力攪拌器上攪拌，并緩慢加入KGM樣品粉末，攪拌30 s至沒有結(jié)塊。將黏度分析儀的攪拌器置于樣品筒且其上端插入攪拌器接頭中，開始測(cè)試，每個(gè)KGM樣品溶膠重復(fù)測(cè)定3次。在該過(guò)程中保證磁力攪拌器攪拌溶膠的時(shí)間相同，使各個(gè)樣品誤差范圍縮小。

1.3.3 傅立葉紅外光譜掃描

為測(cè)定KGM樣品的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)樣品進(jìn)行傅里葉紅外光譜掃描分析[15]，試驗(yàn)采用KBr壓片法。取KGM樣品（蒸煮時(shí)間分別為0，5，10，15，20，25，30 min） 與KBr按1∶5的比例置于瑪瑙研缽中混合均勻，研磨成肉眼看不到小顆粒的粉末。在該過(guò)程中應(yīng)將溴化鉀和研磨的粉末置于紅外燈下烘烤使其干燥，避免其受潮影響試驗(yàn)結(jié)果。將研磨的粉末均勻平鋪在壓片模具內(nèi)，在壓片機(jī)上壓制成片，放入樣品室掃描500～4 000 cm-1波數(shù)范圍的光譜吸收值，每個(gè)KGM樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.3.4 KGM凝膠的制備

對(duì)KGM溶膠進(jìn)行加堿熱處理脫除乙酰基制備凝膠[10]。量取將40 mL蒸餾水置于250 mL燒杯中，用電動(dòng)攪拌器以轉(zhuǎn)速400 r/min進(jìn)行攪拌，緩慢加入0.6 g KGM樣品（蒸煮時(shí)間分別為0，5，10，15，20，25，30 min），攪拌1 h后，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)pH值至11～12，攪拌2 min。將凝膠分離于2個(gè)25 mL的小燒杯中，每個(gè)小燒杯中含15 mL凝膠。在該過(guò)程中應(yīng)盡量保證每個(gè)小燒杯中的凝膠高度一致且表面平整，以達(dá)到測(cè)定凝膠強(qiáng)度的條件。將溶膠置于集熱式恒溫加熱磁力攪拌器80℃水浴加熱30 min。

1.3.5 KGM凝膠強(qiáng)度的測(cè)定

為測(cè)定魔芋凝膠的強(qiáng)度[16]，需將制成的凝膠蓋上保鮮膜并扎孔，在室溫放置12 h以上。測(cè)量凝膠的直徑（3 mm）及高度（1.8 mm），打開電腦上的軟件測(cè)控系統(tǒng)，打開試驗(yàn)機(jī)電源，選擇相應(yīng)的試驗(yàn)類型，填入試驗(yàn)環(huán)境溫度25℃、凝膠直徑和高度等相關(guān)數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)下降到合適的高度，裝放好試樣，設(shè)置形變量為60%。在試驗(yàn)過(guò)程中，一次測(cè)定結(jié)束后需將試驗(yàn)力、變形、位移清零。同時(shí)，需注意設(shè)定合適的升降速度，以免影響試驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 121℃下不同濕熱降解時(shí)間對(duì)所制KGM溶膠黏度的影響

KGM溶膠表觀流動(dòng)對(duì)比圖見圖1，不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的溶膠的快速黏度曲線圖見圖2。

圖1 KGM溶膠表觀流動(dòng)對(duì)比圖

圖2 不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的溶膠的快速黏度曲線圖

由圖2可知，在121℃固定高溫下，KGM粉末在0～5 min濕熱降解處理范圍內(nèi)，所制的溶膠黏度隨處理時(shí)間增加急劇下降，下降了34.9%。在5～10 min范圍內(nèi)，溶膠黏度略有回升，使10 min濕熱降解處理下制備的溶膠黏度稍大于5 min濕熱降解處理下制備的溶膠黏度。說(shuō)明在一定熱處理時(shí)間范圍內(nèi)，KGM溶膠可能存在熱穩(wěn)定性。

在10～30 min范圍內(nèi)，溶膠黏度隨濕熱降解時(shí)間增加下降了65.8%。KGM精粉在25 min和30 min濕熱降解處理下制備的溶膠明顯變稀、流動(dòng)性明顯增強(qiáng)。KGM為大分子多糖，其分子量和KGM溶膠黏度呈正相關(guān)。增加熱處理時(shí)間可以改變KGM溶膠的變形能力，其原因可能為短時(shí)濕熱降解處理的KGM分子鏈纏結(jié)較為緊密，長(zhǎng)時(shí)間熱處理導(dǎo)致KGM分子運(yùn)動(dòng)加快，分子鏈、分子鏈間及分子鏈極性基團(tuán)-OH與水分子間的氫鍵部分?jǐn)嗔?，氫鍵數(shù)目減少，KGM分子鏈、分子鏈間解纏，部分分子結(jié)構(gòu)被破壞[5]。表明隨著濕熱降解處理時(shí)長(zhǎng)的增加，不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的KGM溶膠黏度顯著降低，降解處理時(shí)長(zhǎng)在20 min之后，溶膠都具有較低的黏度。

2.2 121℃下不同濕熱降解時(shí)間對(duì)所制KGM凝膠壓縮強(qiáng)度的影響

測(cè)定壓縮強(qiáng)度實(shí)物圖見圖3，不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的凝膠壓縮強(qiáng)度柱狀圖見圖4，不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖見圖5。

圖3 測(cè)定壓縮強(qiáng)度實(shí)物圖

由圖4可知，10 min濕熱降解處理KGM粉末制備的凝膠壓縮強(qiáng)度最強(qiáng)，5，15，20 min壓縮強(qiáng)度大致相同。由圖5可知，在應(yīng)變10%～60%，KGM凝膠處于彈性形變階段。KGM凝膠單位面積上所承受的力為壓縮應(yīng)力，壓縮前后凝膠高度的比為壓縮應(yīng)變。由圖5可知，應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系呈現(xiàn)出非線性，當(dāng)應(yīng)變較低時(shí)，應(yīng)變隨著應(yīng)力的不斷增大而緩慢增大，當(dāng)凝膠被壓縮至30%應(yīng)變后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的增加而迅速上升，表明凝膠具有一定的彈性性能。當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到同一應(yīng)變60%時(shí)，10 min濕熱降解處理KGM粉末制備的凝膠壓縮應(yīng)力值最高，壓縮強(qiáng)度最大。可能由于其分子鏈交聯(lián)密度較大，具有較好的黏彈性[17]。

圖4 不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的凝膠壓縮強(qiáng)度柱狀圖

圖5 不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

15，5，20 min濕熱降解處理KGM粉末制備的凝膠壓縮應(yīng)力值依次降低。其中，未經(jīng)濕熱降解處理的KGM粉末制備的凝膠的壓縮強(qiáng)度與壓縮應(yīng)力最小，其原因可能是凝膠分子鏈內(nèi)、分子鏈間、分子鏈與水之間強(qiáng)烈的相互作用，所形成的氫鍵數(shù)目較多，因此形成堅(jiān)實(shí)的凝膠。需要特別說(shuō)明的是，在經(jīng)25，30 min濕熱降解處理KGM粉末制備凝膠的過(guò)程中，其溶膠結(jié)構(gòu)松散，未形成凝膠。

說(shuō)明隨著濕熱降解處理時(shí)長(zhǎng)的增加，不同濕熱降解時(shí)間處理下制備的KGM凝膠力學(xué)性能顯著降低。其中，具有低黏度的降解處理20 min的凝膠壓縮強(qiáng)度為25.6 kPa，具有有良好的機(jī)械性能。

2.3 傅立葉紅外光譜分析

不同濕熱降解時(shí)間處理的KGM粉末紅外光譜圖見圖6。

圖6 不同濕熱降解時(shí)間處理的KGM粉末紅外光譜圖

由圖6可知，經(jīng)不同濕熱降解時(shí)間處理下KGM的傅里葉紅外光譜曲線大致相似，在特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有特征吸收峰，光譜吸收峰的位置基本一致，吸收峰相對(duì)強(qiáng)度略有差異。在4 000～2 500 cm-1區(qū)間內(nèi)的吸收峰為糖單元分子內(nèi)或分子間-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰，表明KGM分子內(nèi)和分子間存在氫鍵。其中，未經(jīng)濕熱降解處理的KGM的特征吸收峰相對(duì)強(qiáng)度最強(qiáng)，在降解處理10 min時(shí)，4 000～2 500 cm-1區(qū)間內(nèi)的吸收峰強(qiáng)度較處理5 min吸收峰強(qiáng)度略強(qiáng)。說(shuō)明短時(shí)濕熱降解處理導(dǎo)致KGM分子內(nèi)和分子間氫鍵作用仍然較強(qiáng)。隨著降解時(shí)間的增加，特征吸收峰相對(duì)強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)，可能由于長(zhǎng)時(shí)間濕熱降解時(shí)間處理下KGM粉末的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，KGM分子間或分子內(nèi)部分氫鍵斷裂，導(dǎo)致分子鏈的位置、排列、交聯(lián)等的發(fā)生變化，從而影響KGM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]。

3 結(jié)論

不同濕熱降解時(shí)間處理對(duì)KGM的理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，KGM凝膠的形變能力、機(jī)械強(qiáng)度均發(fā)生明顯變化，主要體現(xiàn)在黏度、強(qiáng)度降低。通過(guò)分析KGM溶膠的黏度、凝膠的強(qiáng)度和樣品粉末的紅外光譜圖像發(fā)現(xiàn)，隨濕熱降解處理時(shí)間延長(zhǎng)，其黏度下降越明顯，凝膠結(jié)構(gòu)越松散，凝膠機(jī)械性能越弱。在該試驗(yàn)設(shè)置的6個(gè)變量水平（5，10，15，20，25，30 min）中，通過(guò)對(duì)黏度、強(qiáng)度和紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，20 min濕熱降解時(shí)間處理下制備的凝膠既具有較低的黏度，也具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。