氧化瓊脂的合成及性能表征

夏 凱 趙鏡琨 安興杰 劉 馨

(青島大學化學科學與工程學院 山東 青島:266071)

瓊脂又稱瓊膠、洋菜、凍粉，按中華人民共和國藥典定義, 瓊脂是一種從某些海藻萃取的親水膠體[1]。瓊脂為多糖類物質，以半乳糖為基礎單位，在其分子的長鏈上存在不同程度的硫酸酯基團。瓊脂為可溶性植物纖維，它不溶于冷水，但能吸水膨脹，能溶于沸水，其溶液冷卻后形成膠凍(凝膠)[2]。瓊脂水溶液形成凝膠時不需要其他任何化學物質的幫助，而且在相同的濃度時其水溶液所形成的膠凍的凝膠強度比其他任何膠凝劑所形成的膠凍的凝膠強度高。瓊脂由于具有很好的膠凝性和凝膠穩定性,廣泛用于食品、醫藥、日用化工、生物工程等許多方面[3]。瓊脂早已被美國食品藥物管理條例列為公認安全的產品，獲準作為食品添加劑載入食品化學品藥典之中，被聯合國糧農組織確認為21世紀健康食品。目前對氧化瓊脂的報道極少，本文對自制的氧化瓊脂從凝膠性能、旋光度、粘度、冷凍干燥掃描電鏡、質構、熱重等方面進行了性能表征。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與設備

101A-1型干燥箱，上海實驗儀器總廠；FD1冷凍干燥機，北京博醫康實驗儀器有限公司；凝膠強度測試儀，中國海洋大學；WZZ-2A型自動旋光儀，上海精科物理光學儀器廠；Brookfield LVT旋轉粘度計，美國Brookfield公司；掃描電子顯微鏡(JSM-840)，日本Jeol公司； TA-XT2i質構儀，英國Surrey公司；熱重分析儀，北京精儀高科儀器有限公司。

瓊脂(食品級)；30%過氧化氫(AR)；氫氧化鈉(AR);硫酸亞鐵(AR)；鹽酸(AR)。

1.2 氧化瓊脂的制備工藝

在四口燒瓶中加入固含量為15%的瓊脂水分散液300g，加入適量催化劑硫酸亞鐵,開動攪拌并升溫到46℃，調節并保持pH值在7.5-7.8范圍內后，在30min內均勻滴加入30%雙氧水溶液2.25g，滴加完畢后繼續保溫反應3h，反應完成后降至室溫，并調pH至6.5-7，用適量還原劑消除過量雙氧水，過濾、洗滌、完全烘干，制得氧化瓊脂樣品1。在相同制備條件下，改變雙氧水用量為4.5g，制得氧化瓊脂樣品2。

1.3 氧化瓊脂的性能測試

1.3.1 氧化瓊脂的羧基含量測定

氧化瓊脂的羧基含量測定方法參照熱糊滴定法[4]。

1.3.2 氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強度

將氧化瓊脂與原料瓊脂分別配制為質量分數1.5%溶液，加熱溶解、冷卻后，測試凝膠溫度、凝膠再溶溫度、凝膠強度。凝膠溫度、再溶溫度測試方法參照Freile-Pelegrin and Robledo[5]。凝膠樣品室溫放置12h后，使用凝膠強度測試儀測定凝膠強度。

1.3.3 旋光測試

精確稱取0.01g氧化瓊脂(樣品2)于20mL蒸餾水中加熱溶解，用WZZ-2A型自動旋光儀于不同溫度下測定旋光值。測試時，從70℃逐漸降溫，測試試管保持水浴恒溫10min后測定旋光值。原料瓊脂作對照試驗。

1.3.4 粘度測試

分別稱取1.50g瓊脂干粉和氧化瓊脂樣品，配制為質量分數1.5%的溶液，加熱溶解，恒溫水浴中從70℃逐漸降溫，測定不同溫度下的粘度值，繪制粘溫曲線。

1.3.5 冷凍干燥掃描電鏡

將氧化瓊脂與原料瓊脂分別配制為質量分數1.5%溶液，加熱完全溶解后，自然冷卻至室溫形成凝膠，繼續室溫放置12h，得到測試凝膠樣品。將測試凝膠樣品于-25℃預凍3h，然后用FD1冷凍干燥機進行冷凍干燥(約36h)，將干燥完全后的樣品觀察面表層切割除去，然后用導電膠帶將樣品粘在掃描電鏡樣品臺上用離子濺射鍍膜儀進行鍍金處理，處理好的樣品放入樣品盒掃描觀察。

1.3.6 質構性能測試

凝膠樣品(按1.3.3中所述方法制備)采用TA-XT2i質構儀進行質構測定，主要參數如下，運行模式：Texture Profile Analysis(TPA)，測試速度：1.0 mm/s，壓縮比：50%，探頭圓柱表面積1.0 cm2，每個樣品測定3次。質構參數的具體定義如郝紅濤[6]所述。

1.3.7 熱重分析測試

將測試樣品放入恒濕干燥器中至少恒濕48h.然后稱取樣品約10mg置于樣品池中，并在高純氮氣氣氛中進行熱重分析。熱重分析升溫范圍為25～600℃，升溫速率為5℃/min。氮氣流速為20mL/min。根據失重率與溫度的變化關系做出熱重曲線(TG)。

2 結果與討論

2.1 氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強度

分別測試原料瓊脂和氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強度，結果如表1所示。

由表1可以看出：瓊脂氧化后，瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強度均有不同程度的下降，而且隨著氧化深度的增加，下降程度逐漸增大。這說明氧化改性瓊脂會對其物理性質產生影響。

表1 氧化瓊脂與原料瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度和凝膠強度測試

2.2 旋光度測試

瓊脂溶液形成凝膠的機理是由于分子間形成雙螺旋結構，并相互聚集而引起的[7]。當瓊脂溶膠冷卻時，瓊脂分子相互作用形成雙螺旋體，進一步冷卻，雙螺旋體進一步聚集而生成較硬的凝膠。圖1為氧化瓊脂(樣品2)與原料瓊脂的旋光度隨溫度變化曲線圖。

圖1 氧化瓊脂與原料瓊脂的旋光度隨溫度變化圖

由圖1可以看出，瓊脂溶膠的旋光度為負值，說明瓊脂分子組成中L-半乳糖組分要大于D-半乳糖組分，并且在相同溫度下原料瓊脂的旋光度比氧化瓊脂的旋光度大。當溫度高于60℃時，瓊脂分子基本上是以單分子狀態存在，為隨機線團，在水相中呈無序態，隨著溫度的降低，旋光度保持不變；當溶液溫度進一步降低到60℃以下時，瓊脂分子開始相互作用形成雙螺旋體，并開始相互聚集；此時溶液旋光度開始隨著溫度下降而快速增大；當溫度降低至40℃時，溶液旋光度達到最大值，溫度繼續下降，溶液旋光度變化不大。說明此時溶液中由瓊脂分子形成的雙螺旋結構已經完成相互聚集，形成了硬凝膠。此外，從圖1中還可以看出，在溫度低于40℃時，原料瓊脂溶液的旋光度基本保持不變，而氧化瓊脂溶液在低于38℃時，其旋光度才基本保持不變，說明氧化后，瓊脂的凝膠形成溫度降低。

2.3 表觀粘度測試

圖2為氧化瓊脂與原料瓊脂溶液的粘溫曲線圖。由圖2可以看出，隨著溫度的降低，三只樣品的溶液表觀粘度均逐漸變大。相同溫度時，氧化瓊脂溶液的表觀粘度小于原料瓊脂溶液的表觀粘度，而且羧基含量越大氧化瓊脂溶液的表觀粘度越小。在溫度高于50℃時，原料與氧化瓊脂溶液的表觀粘度增加很小，當溫度進一步降低時，三只樣品溶液的表觀粘度開始隨溫度降低而急劇增加，說明此溫度下，樣品溶液中瓊脂分子開始形成凝膠，其中原料瓊脂溶液形成凝膠速度最快，氧化瓊脂1溶液次之，氧化瓊脂2溶液最慢。根據Plashchina等的理論研究，當?η/?T→∞(η為表觀粘度)時，可認為該溫度為凝膠形成溫度[8]。所以從圖2可以得出，原料瓊脂、氧化瓊脂1、氧化瓊脂2的凝膠形成溫度分別為39℃、38℃、37℃，這與表1中所測得的凝膠溫度基本符合。

圖2 氧化瓊脂與原料瓊脂的粘溫曲線圖

2.4 掃描電鏡分析

圖3是原料瓊脂與氧化瓊脂(樣品2)的凝膠冷凍干燥掃描電鏡圖。由圖3可以看出，原料瓊脂與氧化瓊脂的凝膠骨架結構均為多孔網狀結構。其孔隙是由瓊脂凝膠經真空冷凍干燥后凝膠中的冰晶升華所產生的。對比圖3中(a)和(b)可以看出，瓊脂氧化后，其多孔凝膠骨架結構的孔隙變小變密，致密的凝膠骨架結構，具有更好的毛細作用[9]，從而使得氧化瓊脂具有更加良好的保水性能。

圖3 氧化瓊脂與原料瓊脂的凝膠冷凍干燥掃描電鏡圖

2.5 質構性能分析

由表2可以看出，隨著氧化瓊脂羧基含量的增加，凝膠樣品的硬度、脆性、彈性和咀嚼性都逐漸降低，而內聚性卻逐漸增加。這說明隨著氧化深度的增加，瓊脂凝膠抵抗外力，保持原有形狀能力減弱，在承受相同外力作用下，氧化瓊脂凝膠更容易破碎為小的碎片[10]，這點可由圖3所示的氧化瓊脂凝膠多孔骨架結構隨氧化深度增加，其孔隙變小變密的結論給予支持。

表2 氧化瓊脂與原料瓊脂的質構參數測試結果

2.6 熱重分析

圖4是原料瓊脂與氧化瓊脂(樣品2)的熱重曲線圖。從圖4(a)可以看出，25～130℃，原料瓊脂失重率達18%，這主要是瓊脂所含水分的重量損失；溫度升至270℃后，失重率迅速增加，這是由瓊脂的降解所引起的；最終原料瓊脂的殘渣質量為20%。從圖4(b)可以看出，25～150℃，氧化瓊脂的失重率達20%，這部分的重量損失同樣為樣品所含的水分；溫度高于270℃后，氧化瓊脂同樣開始降解；最終氧化瓊脂的殘渣質量為22%。比較2條曲線可以看出，瓊脂氧化后含濕率高，失水速率慢，保水性增強，而熱穩定性基本不變。

圖4 氧化瓊脂與原料瓊脂的熱重曲線圖

3 結論

本文以雙氧水為氧化劑制備了氧化瓊脂，并測試了其性能。測試結果表明,氧化瓊脂的凝膠溫度、凝膠再溶溫度、凝膠強度隨羧基含量的增加而降低。氧化后瓊脂的水溶液的旋光度值與表觀粘度值均下降。氧化瓊脂凝膠具有更致密的網絡骨架結構。質構特性參數中硬度、脆性、彈性、咀嚼性隨氧化瓊脂的羧基含量增加而逐漸降低，而內聚性卻逐漸增加。熱重分析顯示，瓊脂氧化后，其的熱穩定性基本保持不變，但其保水性增強。

[1] 中華人民共和國衛生部藥典委員會.中華人民共和國藥典(二部)[M].北京:化學工業出版社,2005:911.

[2] 王銘和.瓊膠和卡拉膠的生產和應用[M].海洋出版社,2001:1-12.

[3] 李琴梅,戚勃.瓊脂的物化特性及其在食品工業中的應用[J].中國食品添加劑,2009，(6):170-174.

[4] 馮國濤,陳慧,單志華.雙氧水對淀粉氧化程度影響的研究[J].皮革科學與工程,2005,15(2): 46-50.

[5] Freile-Pelegrín Y, Robledo D. Influence of alkali treatment on agar from Gracilaria cornea from Yucatan, Mexico[J].Journal of applied Phycology,1997,9(6):533-539.

[6] 郝紅濤,趙改名,柳艷霞，等.肉類制品的質構特性及其研究進展[J].食品與機械,2009,25(3):125-128.

[7] Arnott S, Fulmer A, Scott W E, Dea I C M, Moorhouse R, Rees D A. The agarose double helix and its function in agarose gel structure[J]. Journal of Molecular Biology,1974,90(2):269-284.

[8] Plashchina I G, Muratalieva I R, Braudo E E, Tolstoguzov V B. Studies of the gel formation of κ-carrageenan above the coil-helix transition temperature range[J]. Carbohydrate Polymers,1986,6(1):15-34.

[9] Mao R, Tang J, Swanson B G. Water holding capacity and microstructure of gellan gels [J]. Carbohydrate polymers,2001,46(4):365-371.

[10] Marshall S G, Vaisey M. Sweetness perception in relation to some textural characteristics of hydrocolloid gels[J]. Journal of Texture Studies,1972,3(2):173-185.