凍融凍藏中卡拉膠對面筋蛋白分子量及超微結構的影響

汪星星,余小林,胡卓炎,周沫霖,趙　雷

(華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642)

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凍融凍藏中卡拉膠對面筋蛋白分子量及超微結構的影響

汪星星,余小林,胡卓炎,周沫霖,趙雷*

(華南農業大學食品學院,廣東廣州 510642)

實驗采用空間排阻色譜和多角度激發光光散射聯用(SEC-MALLS)、聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)以及掃描電鏡(SEM)研究面筋蛋白在凍融凍藏(以10 d作為一個凍融周期,在每個凍融周期的第5 d,將冷凍在-18 ℃的樣品升溫至0 ℃,并在此溫度下保持12 h后降溫至-18 ℃繼續凍藏)中添加卡拉膠對面筋蛋白分子量及其分布、蛋白質亞基、自由巰基含量及超微結構的影響。結果表明,隨著凍融時間的延長,面筋蛋白的分子量下降,主要集中在105～106u,添加卡拉膠明顯減緩了分子量下降。凍融過程中,面筋蛋白亞基沒有發生變化,自由巰基含量增加,相同時間下添加卡拉膠組面筋蛋白的自由巰基含量低于空白組,凍融120 d后空白組為4.89 μmol/g而卡拉膠添加組為4.13 μmol/g。通過SEM觀察超微結構,凍融過程中空白組面筋蛋白網絡結構明顯弱化,凍融120 d后有直徑50 μm的孔洞出現,而卡拉膠添加組孔洞大小相對均一。說明添加卡拉膠能有效減緩冰晶對面筋蛋白的破壞,抑制面筋蛋白解聚作用。

面筋蛋白,卡拉膠,凍融,分子量及分布,超微結構

隨著烘焙行業的快速發展,冷凍技術被越來越多的應用到面團生產中,冷凍面團技術得到迅速發展[1]。但是冷凍儲藏過程會對面團品質和穩定性產生極大的負面影響,溫度的波動使冰晶發生重結晶,水分遷移和重新分布,導致蛋白質交聯作用減弱從而破壞面筋蛋白的網絡結構,使面團出現裂紋、持氣力下降、比容減小、面包品質下降、貨架期縮短等問題[2-3]。已有研究報道面筋蛋白在面制品中發揮著重要作用,而長時間的凍藏會對面筋蛋白的分子鏈及聚集態產生明顯的影響[4-5],如何降低凍藏過程對面筋蛋白的破壞程度是冷凍面團行業面臨的挑戰之一。

本實驗采用空間排阻色譜和多角度激發光光散射聯用(SEC-MALLS)、聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)、Ellman’s試劑比色法以及掃描電鏡(SEM)等方法,探討凍融凍藏過程中卡拉膠對面筋蛋白分子量及其分布、自由巰基以及超微結構的影響,以期為卡拉膠在冷凍面團中的作用機理提供理論基礎。

1　材料與方法

1.1材料與儀器

高筋面粉深圳市泰東源實業有限公司;卡拉膠、牛血清白蛋白Sigma公司;冰乙酸、5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(DTNB)、甲叉雙丙烯酰胺(Bis)、丙烯酰胺(Acr)、四甲基乙二胺(TEMED)、過硫酸銨、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、甘氨酸、鹽酸、鹽酸胍等均為分析純。

JJJM54S面筋洗滌儀上海嘉定糧油儀器有限公司;Watrs高效液相色譜、Waters717紫外檢測器美國Waters;Biosep SEC-4000凝膠色譜柱美國Phenomenex;Optilab rEX示差檢測器、DAWN HELEOSII十八角度光散射儀檢測器美國Wyatt;DYCZ-24DN電泳儀北京市六一儀器廠;XL-30-ESEM掃描電鏡荷蘭FEI公司。

1.2實驗方法

1.2.1面筋蛋白的制備參考趙雷的方法[5]。準確稱取10.0 g小麥面粉于面筋洗滌儀洗滌杯中,洗滌兩次,第一次采用250 mL NaCl溶液(5%)去除淀粉和球蛋白,第二次采用250 mL蒸餾水去除NaCl和清蛋白,洗滌完成后,用碘-碘化鉀溶液確定淀粉被完全去除。冷凍干燥、粉碎、過120目篩,置于干燥器中保存備用。

1.2.2樣品的處理及凍融樣品的處理:稱取兩組10.0 g面筋蛋白,分別緩慢溶于100 mL蒸餾水中,空白組不加卡拉膠,另一組加入0.9%(90 mg)卡拉膠,置于磁力攪拌器上攪拌120 min,于4 ℃下靜置8 h后取出,3500 r/min下離心20 min去除上層水分,-80 ℃預凍2 h后,置于-18 ℃冷凍儲藏。凍融方式:以10 d作為一個凍融周期,在每個凍融周期的第5 d,將樣品放入0 ℃中保持12 h后放入-18 ℃繼續凍藏,如此往復。在第0、60、120 d分別取樣,將取出的樣品冷凍干燥、粉碎、過120目篩,得到不同凍融時間的樣品。

1.2.3面筋蛋白溶液的制備取0.5 g面筋蛋白樣品,緩慢加入到25 mL乙酸溶液(500 mmol/L)中,磁力攪拌24 h。將溶解后的樣品,12000 r/min離心30 min,上清液保存備用。

(5) 川藏高速公路的大規模修建，人類活動在短時間內對坡體的應力場、滲流場、溫度場等產生了較大的改變，使原有的自然營力條件下形成的邊坡穩定性失去平衡而導致崩塌的發生，這是工程建設期間崩塌災害呈現大規模上升的直接原因。

1.2.4SEC-MALLS測定采用 SEC-MALLS 測量面筋蛋白分子量分布時,用乙酸溶液將上清液配制成濃度3 mg/mL的蛋白溶液,流動相為500 mmol/L的乙酸溶液,紫外檢測波長為220 nm。分離條件:流速1.0 mL/min,進樣量150 mL,柱溫40 ℃。儀器校正的方法按照文獻[12]方法操作,采用牛血清白蛋白BAS為標準品,測得比折光指數增量dn/dc=(0.1767±0.0028) mL/g。

1.2.5SDS-PAGE電泳參考Panozzo[13]的實驗方法。分離膠濃度為13%,濃縮膠濃度為4%,樣品緩沖液為:62.5 mmol/L Tris-HCl,10%丙三醇,2% SDS,5%巰基乙醇,pH6.8。上樣量:5 μL;80 V 40 min,120V 60 min穩壓電泳,照相分析。

1.2.6自由巰基含量的測定參考Stathopoulos[14]的實驗方法。取75 mg樣品與1 mL Tris-Gly緩沖液(pH=8.0)混勻后加4.7 g鹽酸胍,用緩沖液定容至10 mL。取樣液1 mL加4 mL脲(8 mol/L)和0.1 mL DTNB(4 mg/mL),混勻后于412 nm處測吸光值。自由巰基含量(-SH)的計算公式如式(1)。

自由巰基含量(μmol/g)=73.53×A412D/C

式(1)

式中:A412:412 nm 處的吸光值;D:稀釋因子(2.51);C:樣品濃度(mg/mL)。

1.2.7掃描電鏡的測定將面筋蛋白冷凍干燥后切斷,經離子濺射噴金后,置于掃描電子顯微鏡下觀察樣品橫斷面的結構。

1.2.8數據分析取3次測定結果的平均值,數據采用OriginPro8.0作圖。利用Duncan’s新復極差檢驗(p<0.05),評價樣品平均值之間的差異顯著性。

2　結果與討論

2.1凍融過程中添加卡拉膠對面筋蛋白分子量及分布的影響

圖1為空白組和添加0.9%卡拉膠的面筋蛋白經不同凍融時間后的紫外圖譜。在4.0～14.0 min之間持續有物質被洗脫出來,分別在5.35、7.60、10.8和11.8 min左右出現了4個峰。根據空間排阻色譜法的原理,在7.00 min之前被洗脫出來的是面筋蛋白高分子聚合物,而7.00 min之后洗脫出來的是分子量相對較小的蛋白質。對于未添加卡拉膠的空白組面筋蛋白,隨著凍融時間的延長紫外圖譜中各峰的保留時間都有所延長,峰1的保留時間從未凍藏時的5.37 min增加到凍融120 d后的5.44 min,峰2由未凍藏時的7.51 min增加到凍融120 d后的7.62 min,延長0.11 min,說明整個凍融過程中,面筋蛋白的分子量會下降,主要歸因于凍融過程中溫度的上下波動引起冰晶的生長和遷移對面筋蛋白造成破壞,使面筋蛋白中高分子量聚合物發生解聚,并且解聚程度隨著凍融時間的延長而加劇[4]。添加卡拉膠后的面筋蛋白峰1的保留時間從5.35 min增長到凍融120 d時的5.43 min,峰2的保留時間幾乎沒有明顯的變化,說明添加卡拉膠可以減少凍融時間對面筋蛋白分子量的影響。

圖1　空白組和添加卡拉膠組面筋蛋白不同凍融時間后經SEC分離后檢測的紫外圖譜Fig.1　SEC profiles showing changes in gluten with carrageenan after freeze-thaw for different time

圖2是空白組和卡拉膠添加組的面筋蛋白經不同凍融時間后重均分子量的分布圖。如圖所示,面筋蛋白的分子量在105～109u之間,分布廣泛,在洗脫時間為7.50 min分子量達到最低之后有一定的上漲趨勢,這可能是因為面筋蛋白中殘留少量的清蛋白和球蛋白,而這兩種分子量較小的蛋白會跟隨小分子量的麥谷蛋白被洗脫出來,從而影響dn/dc的數值,當dn/dc發生變化時必然會影響重均分子量的計算,導致出現分子量上升的現象[12]。這部分蛋白質分子量低于105u,研究表明小麥面筋蛋白中高分子量谷蛋白聚合物含量的高低是影響面團和面包品質好壞的重要因素之一,因此高分子量聚合物的變化是研究的重點。

圖2　空白組和添加卡拉膠組面筋蛋白經不同凍融時間后重均分子量的變化Fig.2　Effect of carrageenan on molecular mass of gluten protein after freeze-thaw for different time

由圖2可以看出,當洗脫時間為4.70～5.60 min時,面筋蛋白分子量分布范圍為106～108u,在此范圍內凍融時間對面筋蛋白的分子量影響較小;對于空白組,隨著凍融時間的延長,面筋蛋白的分子量隨之下降,凍融120 d下降最明顯;而添加卡拉膠的面筋蛋白分子量變化小于空白組。當洗脫時間為5.60～7.00 min時,面筋蛋白的分子量分布范圍在105～2×106u,凍融時間對面筋蛋白的分子量變化的影響顯著。對于空白組,凍融60 d后面筋蛋白的分子量從原樣品的6.0×105～1.8×106u下降到6.0×105～1.5×106u,凍融120 d后分子量進一步下降到3.0×105～1.2×106u左右,說明0～-18 ℃的溫度波動導致了面筋蛋白中的水分發生了劇烈的遷移和重結晶現象,這種機械作用的結果使面筋蛋白發生解聚現象,集中在105～106u范圍內,并且隨著時間的延長,蛋白質解聚越嚴重,分子量降低越明顯;而對于添加卡拉膠的面筋蛋白,其分子量的大小和分布與空白組0 d沒有明顯差別,隨著凍融時間的延長,分子量也會下降,但下降趨勢較小。當凍融時間達到60 d時,分子量從原樣品的6.0×105～1.8×106u下降到6.0×105～1.5×106u左右,延長凍融時間至120 d時,分子量幾乎沒有變化,并且都接近空白組凍融60 d樣品的分子量。由于卡拉膠具有很好的持水性和穩定性,在凍融凍藏過程中能夠有效的抑制水分的遷移和冰晶體積的變大,減少冰晶體對面筋蛋白的破壞,保護面筋蛋白的網絡結構[15];也有研究發現卡拉膠易與低分子量的疏水蛋白通過含硫的基團發生交聯作用[9],使低分子量的蛋白聚集在一起,凍融凍藏過程中添加卡拉膠組的面筋蛋白重均分子量的下降程度相比空白組要小。

2.2凍藏過程中添加卡拉膠對蛋白質亞基的影響

圖3為空白組和卡拉膠添加組面筋蛋白經過不同凍融時間后的SDS-PAGE電泳圖。根據SDS-PAGE電泳的原理,HWM-GS(High molecular weight glutenin subunits,高分子量麥谷蛋白亞基)處于凝膠板的上部,醇溶蛋白處在下部[13]。從圖3的電泳條帶可以很直觀的看出,蛋白質分子量在25 ku處有很明顯的分界,25 ku分子量以上的蛋白質占較大比例,25 ku以下則含量很少。分子量在75～150 ku之間有三條很清晰的條帶,屬于HWM-GS,分子量最大且遷移率最慢;37～50 ku之間的是ω-醇溶蛋白,遷移率較慢。25～37 ku之間圖譜的顏色較深,含量較多,是LWM-GS(Low molecular weight glutenin subunits,低分子量麥谷蛋白亞基)和α/β,γ-醇溶蛋白的混合物,分子量較小,遷移率很快。最底端的部分是含量極少的清蛋白和球蛋白,分子量最小,遷移率最快?？瞻捉M面筋蛋白,經過不同凍融時間電泳條帶數目和相對遷移率沒有發生明顯變化。添加卡拉膠的面筋蛋白樣品經過不同凍融時間后其電泳條帶也沒有發生變化,而在37 ku處電泳條帶顏色加深,是該分子量蛋白的含量增多?？ɡz的添加使之形成蛋白-多糖分散體系,增加了蛋白的親水性,使蛋白的溶解性增加[16-17],樣液蛋白質濃度增加造成的條帶顏色加深。但從整個電泳圖譜來看,電泳條帶數量沒有發生變化,說明蛋白質亞基沒有發生變化。在整個凍融凍藏過程中,無論是否添加卡拉膠,面筋蛋白的亞基都不會隨著凍融時間的延長產生明顯變化。

圖3　面筋蛋白SDS-PAGE電泳圖Fig.3　SDS-PAGE of gluten 注:A1、A2、A3分別為空白組面筋蛋白凍融0、60、120 d的電泳條帶,B1、B2、B3分別為添加卡拉膠的面筋蛋白凍融合0、60、120 d的電泳條帶。

2.3凍藏過程中添加卡拉膠對面筋蛋白自由巰基含量的影響

圖4　 空白組和添加卡拉膠組面筋蛋白經不同凍融時間后自由巰基含量的變化Fig.4　Effect of carrageenan on-SH content of gluten after freeze-thaw for different time

圖4為空白組和卡拉膠添加組面筋蛋白經不同凍融時間后自由巰基的含量,反映二硫鍵在凍融過程中的變化。由圖4可知,隨著凍融時間的延長,所有面筋蛋白中自由巰基的含量均呈現增加的趨勢;對于空白組,未凍藏時面筋蛋白的自由巰基含量為2.36 μmol/g,凍融60 d和120 d后自由巰基含量顯著增加,分別達到3.92 μmol/g和4.89 μmol/g(p<0.05),說明隨著凍融時間的延長,面筋蛋白分子內和分子間的二硫鍵發生斷裂,自由巰基含量增加,分子量下降。而卡拉膠添加組的面筋蛋白,在未凍藏時自由巰基含量為2.25 μmol/g,凍融后其含量也會上升,凍融60 d和120 d 后分別增加到3.42 μmol/g和4.13 μmol/g,均接近空白組凍融60 d時自由巰基的含量,且由圖2可知,添加卡拉膠凍融60 d和120 d后面筋蛋白的分子量略微下降,但都接近空白組凍融60 d后的實驗結果。這充分說明面筋蛋白在反復凍融過程中二硫鍵會發生斷裂,形成自由巰基,導致面筋蛋白高聚物發生解聚,分子量降低[18];而添加卡拉膠能夠在一定程度上保護二硫鍵防止斷裂,抑制面筋蛋白發生解聚。

2.4凍藏過程中添加卡拉膠對面筋蛋白超微結構的影響

圖5　面筋蛋白的SEM圖(1000×)Fig.5　SEM photographs of gluten after different for freeze-thaw time(1000×)注:A、B、C分別為空白組面筋蛋白凍融0、60、120 d的SEM圖,a、b、c分別為添加卡拉膠的面筋蛋白凍融0、60、120 d的SEM圖。

圖5為空白組和卡拉膠添加組面筋蛋白經不同凍融時間放大1000倍下的掃描電鏡圖。由圖可看出,面筋蛋白呈現三維網絡結構,隨著凍融時間的延長,面筋蛋白的網絡結構仍然存在,但是孔徑增加。對于空白組,未凍藏的面筋蛋白呈現三維網絡狀結構,孔洞分布均勻且大小均一,直徑在10～15 μm左右;凍融60 d后,網絡發生了明顯的疏松,孔徑大小增大到20～30 μm;凍融120 d后,可以清晰的看出面筋蛋白網絡結構的弱化,孔隙變得大小不一,有直徑超過50 μm的孔洞出現,說明水分的遷移和冰晶體的生長與重結晶會對面筋蛋白的網絡結構造成破壞,對它的超微結構產生影響,并且這種影響隨著凍融時間的延長而加劇。添加卡拉膠的面筋蛋白在未凍藏時呈現綿密細致的孔徑分布,凍融60 d后孔徑略有變化,約為15～20 μm,但仍然分布均勻,凍融120 d后,面筋蛋白產生了大小不一的孔洞,有聚集的小孔洞和分散的大孔,但是其被破壞程度遠小于空白組樣品。在凍融凍藏過程中,冰晶體的遷移和重結晶導致二硫鍵的斷裂和分子量的下降,引起面筋蛋白的微觀結構的弱化,添加卡拉膠能有效抑制凍融過程對面筋蛋白網絡結構的破壞,卡拉膠具有較強的吸水性,吸水后充分分散在面筋蛋白中,使面筋蛋白形成更加均勻的網絡結構,并且卡拉膠的存在能夠減緩水分的遷移,降低冰晶的生長速度,減弱了由于冰晶生長造成的面筋蛋白網絡結構的破壞,從而保護面筋蛋白的超微結構[19]。3結論

凍藏時間延長和溫度波動導致面筋蛋白發生解聚作用,分子量明顯下降,尤其是在105～106u,凍融120 d后面筋蛋白的分子量從原樣品的6.0×105～1.8×106u下降到3.0×105～1.2×106u,麥谷蛋白和醇溶蛋白亞基沒有產生變化,但自由巰基含量增加,凍融120 d空白組面筋蛋白自由巰基含量增加到4.89 μmol/g,網絡結構明顯弱化。而添加卡拉膠后,凍融過程中分子量也會下降,但是相對較小,凍融120 d后重均分子量在6.0×105～1.5×106u左右,自由巰基含量與空白組相比也較低,為4.13 μmol/g,說明卡拉膠在一定程度上保護二硫鍵不被破壞,抑制了解聚現象的發生。二硫鍵斷裂和分子量下降與面筋蛋白網絡結構有密切聯系,卡拉膠能有效抑制凍融過程對面筋蛋白微觀結構的破壞,添加卡拉膠的面筋蛋白在未凍藏時顯示出綿密細致的孔徑分布,凍融120 d后孔徑大小仍然相對均一,被破壞程度遠小于空白組。綜上所述,卡拉膠對于提高面筋蛋白的冷凍穩定性具有良好效果,對面筋蛋白具有一定的保護作用。

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Effects of carrageenan on the molecular weight and microstructure of gluten during freeze-thaw cycles storage

WANG Xing-xing,YU Xiao-lin,HU Zhuo-yan,ZHOU Mo-lin,ZHAO Lei*

(College of Food Science,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In this paper,the effects of freeze-thaw cycles(frozen at-18 ℃ with cycling to 0 ℃ for 12 h and then back to -18 ℃ per 10 days)on molecular weight and distribution,protein subunits,free sulfhydryl group and microscopic property of gluten with carrageenan were studied by the multiangle laser light scattering(MALLS)in combination with size exclusion chromatography(SEC),sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis(SDS-PAGE)and scanning electron microscopy(SEM). The results showed that during the freeze-thaw cycles,the molecular weight of the gluten was significantly decreased,especially in 105～106u,while the molecular weight of the gluten added carrageenan descreased slightly contrast with the control. The SDS-PAGE profiles revealed that there were no remarkable difference and relative mobilities of band for the gluten protein subunits. The free sulphydryl group content increased during the storage,the 4.89 μmol/g for control compared with 4.13 μmol/g for the gluten added carrageenan stored for 120 days,which implying the carrageenan can offer protection to the disulfide bonds. SEM photographs showed that the network was weakened with increasing freeze-thaw cycles storage time,the pore size of the control sample was increased to 50 μm after stored for 120 days,while the gluten added carrageenan was highly uniform in size. These results indicated that the addition of carrageenan could reduce the depolymerisation caused by recrystallization and protect the structure of gluten.

gluten;carrageenan;freeze-thaw;molecular weight and distribution;microscopic property

2015-12-18

汪星星(1991-),女,碩士研究生，研究方向:農產品加工與貯藏,E-mail:xwzm627@163.com。

趙雷(1982-),男,副教授,研究方向:天然產物及高附加值修飾,E-mail:zl00700@163.com。

國家自然科學基金項目(31301412);廣東省自然科學基金項目(S2013040014403);廣東省科技計劃項目(2015A020209143)。

TS210.1

A

1002-0306(2016)12-0089-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.12.009