瓜爾膠與結冷膠復配協效作用規律及粘度流變性研究

孫達鋒，張衛明，張鋒倫，朱昌玲，陳 蕾(南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042)

瓜爾膠與結冷膠復配協效作用規律及粘度流變性研究

孫達鋒，張衛明，張鋒倫，朱昌玲，陳 蕾
(南京野生植物綜合利用研究院，江蘇 南京 210042)

瓜爾膠是一種天然高分子化合物，作為增稠劑、穩定劑被廣泛使用。瓜爾膠可以與多種多糖膠復配，得到凝膠或高粘度溶液。結冷膠是一種優良的微生物多糖膠，具有極佳的穩定及懸浮效果，在含乳飲料及液態產品中應用廣泛。由于其價格較高，溶膠受pH及陽離子濃度影響較大，結冷膠的應用常常受到限制。本文研究了結冷膠-瓜爾膠的配比、pH、離子種類和濃度對瓜爾膠-結冷膠復配體粘度的影響。研究結果表明：復配膠具有協同增粘效果；復配膠粘度在pH值7～11范圍內隨pH值升高而下降，在pH值為3～7范圍內隨pH值升高而上升；在鹽離子達到一定濃度時，單獨的結冷膠無法形成均一體系，而瓜爾膠-結冷膠復配體系能夠形成穩定溶膠。

瓜爾膠；結冷膠；復配；粘度

食用膠又稱增稠劑或親水膠體，是一類能提高食品粘度并改變其性能的食品添加劑，一般屬于水溶性高分子化合物，可水化形成高粘度的均相液。食用膠種類繁多，目前使用最廣泛的主要有卡拉膠、黃原膠、瓜爾豆膠、瓊脂、明膠、海藻酸鈉、刺槐豆膠和魔芋膠等。隨著親水膠體的廣泛應用，人們逐步認識到各種多糖之間存在協同作用，故復配食用膠應運而生。復配膠是將兩種或兩種以上的食用膠按特定比例復合而成的。通過復配，可以發揮各種單一食用膠的互補作用，從而擴大食用膠的使用范圍或提高其使用功能，同時降低生產成本，增加經濟效益。

瓜爾膠屬于水溶性聚合物，主要成分為半乳甘露聚糖[1]，分子質量因來源不同而異，約為100萬～200萬，其結構是由D-甘露糖通過β-1，4苷鍵連接形成主鏈，在某些甘露糖上 D-半乳糖通過α-1，6 苷鍵形成側鏈而構成多分枝的聚糖。糖單元中甘露糖與半乳糖的摩爾比值也因植物品種不同而有差異，通常為2∶1。

結冷膠是由四糖重復單位吡喃葡萄糖單元、吡喃葡萄糖醛酸單元、吡喃葡萄糖單元、吡喃鼠李糖單元依次通過糖苷鍵連接而成的高分子糖類化合物。結冷膠是一種微生物多糖，它是一種新型全透明的穩定劑和增稠劑。結冷膠與其他膠凝劑相比具有用量少，凝固點、熔點可以調節，有優越的呈味性能和高透明度等特性。結冷膠不僅是一種凝膠體，而且是一種具有纖維性狀、黏彈特性和良好風味釋放性的多糖聚合體。

多糖是一種直鏈或具有支鏈的高分子化合物，在高濃度時多糖之間會產生相互作用，它們通過分子間纏繞或者通過分子間次級鍵相互作用起到增稠協同作用，從而使體系粘度增大。據Phillips等[2]報道，卡拉膠與刺槐豆膠混合后其彈性、強度和穩定性有顯著的提高。Milas[3]等研究了卡拉膠，魔芋膠，結冷膠復配體系的凝膠機理。馬彩霞[17]等對結冷膠與卡拉膠、魔芋膠的復配機理進行研究，發現氯化鉀可大大促進結冷膠卡拉膠與魔芋膠的協同增效作用，而氯化鈉則相對弱，這可能與其離子半徑有關。在乳制品中結冷膠可以代替卡拉膠、明膠、海藻膠和果膠的使用，并能提供更優質的凝膠和稠度。在用量方面，結冷膠更具優越性。冷膠加熱到75 ℃可直接于乳中發生水合，必須同時加入CMC或瓜爾豆膠等膠體，以防止乳蛋白沉淀。瓜爾膠和黃原膠復配使用時，其粘度遠高于兩者粘度之和，說明兩者具有良好的增效作用。而瓜爾膠與卡拉膠復合時，幾乎無增效作用，其原因可能是瓜爾膠主鏈和支鏈上基團主要是羥基，卡拉膠幾乎為直鏈大分子，且主要基團也是羥基，都含有大量的半乳糖，作用較弱，增效作用不明顯。何強等[4]主要研究了冰淇淋漿料和硬化后成品的流變性并結合冰淇淋的膨脹率、抗融性，探討復配膠對冰淇淋穩定性影響的機理。研究表明，復配膠的用量在0.30%和0.40%(質量分數)時的膨脹率和抗融性比 0.35%時都有所下降，復配膠的最佳用量為0.35%(質量分數)。有研究[5]發現白芨多糖膠-瓜爾膠復配溶液與瓜爾膠溶液具有相似的流變特性，均表現出剪切變稀。復配溶液中，白芨多糖膠與瓜爾膠的質量比在 1∶9到 9∶1之間時均有一定的協同增效作用。兩者質量比為 9∶1時，復配溶液的粘性指數比瓜爾膠溶液提高一個數量級；質量比為6∶4時，兩者的協同增效作用突然減弱。吳銀琴[6]等以蠟質玉米淀粉、普通玉米淀粉和高直玉米淀粉為原料，加入瓜爾膠，利用快速粘度分析、動態流變儀和物性測試儀，發現與單獨淀粉體系相比，添加瓜爾膠可增加蠟質、普通玉米淀粉復配體系的粘度，且普通玉米淀粉瓜爾膠復配體系表現出更高的協同增稠性。吳偉都等[7]對CMC 與陰離子瓜爾膠復配溶液的流變特性做了研究，試驗結果證明：CMC與瓜爾膠之間存在明顯的協同增效作用，兩者復配有利于增加零剪切粘度、粘度及粘性模量與彈性模量。葉炳鴻等[8]利用Hyperchem 7.0分子結構計算軟件，采用分子動力學的方法，研究了魔芋葡甘聚糖與瓜爾豆膠的微觀結構及相互作用過程，揭示了性能變化的結構原因及分子間存在的作用力。結果表明：魔芋葡甘聚糖與瓜爾豆膠共混后具有一定地協同增效作用；共混膠的粘度隨溫度升高而不斷減小，流變性能變好；但二者共混不能形成性能優異的凝膠。加入卡拉膠后，魔芋葡甘聚糖、瓜爾豆膠及卡拉膠三者共混后形成性能優異的凝膠，分子間主要通過氫鍵連接。吳紹艷[9]等研究發現，魔芋葡甘聚糖(也稱魔芋膠)與瓜爾豆膠均為非凝膠多糖，但二者共按一定比例共混可以得到凝膠。當總糖濃度為1%，魔芋膠與瓜爾豆膠的共混比例為60/40，制備溫度為80 ℃，體系鹽離子(Ca2+)濃度為0.1 mol/L時可得到協同相互作用的最大值。進一步研究[10]發現魔芋葡甘聚糖與瓜爾豆膠共混后成膜，當魔芋膠與瓜爾膠共混濃度為1%，共混比例為60∶40時，共混膜性能最佳。與未共混膜相比，共混膜的強度、抗水性、耐洗刷性、透明度、感官性能等各項性能顯著提高。趙謀明[11]等研究了魔芋膠與瓜爾膠的復配膠體對豬肉脯品質的影響，結果表明不同比例復配膠與鉀離子添加與否對豬肉脯和豬肉糜的質構特性具有顯著性影響，添加含0.24%魔芋膠與0.16%瓜爾膠的復配膠較利于豬肉脯綜合品質的改善。劉良忠[12]等對魔芋精粉與瓜爾膠、CMC-Na、海藻酸鈉等增稠劑互混時協同增效作用進行了研究，結果發現：魔芋精粉和瓜爾膠之間存在著良好的協同增效作用，二者之間的最佳質量比為3∶2，并據此應用于冰淇淋生產中。

本文通過靜態流變實驗，探討瓜爾膠與結冷膠的協同增效性能及pH、離子種類和濃度對瓜爾膠-結冷膠復配體粘度的影響，為復配體系膠在食品工業中的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料：瓜爾膠，結冷膠：南京野生植物研究院實驗室。其他試劑HCl、NaOH、乙醇等均為AR級。

儀器：HH-2數顯恒溫水浴器(金壇市江南儀器廠)；JJ-1大功率攪拌器(常州國華電器有限公司)；pHS-25型pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司)；EL204分析天平(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；NDJ-5S旋轉粘度儀(上海昌吉地質儀器有限公司)。

1.2 方法

稱取一定量的結冷膠、瓜爾膠、二者復配膠溶液各300 mL，置于70 ℃恒溫水浴鍋中溶解，2 h后取出，在室溫下使用NDJ-5S粘度儀測量其12 r/min、30 r/min、60 r/min不同剪切力條件下的粘度。

研究瓜爾膠與結冷膠質量比為20∶1、9.5∶1、6∶1時，瓜爾膠、結冷膠及復配膠的粘度。

研究pH 3，5，7，9，11條件下0.9%的瓜爾膠溶液，0.1%的結冷膠溶液，0.9%瓜爾膠+0.1%結冷膠復配體系粘度。

0.9%的瓜爾膠溶液，0.1%的結冷膠溶液，0.9%瓜爾膠+0.1%結冷膠復配體系粘度，對NaCl、KCl、CaCl2對瓜爾膠-結冷膠復配體粘度的影響進行研究。

2 結果與討論

2.1 結冷膠-瓜爾膠配比對復配膠粘度的影響

表1 不同剪切力條件下1.05%復配膠粘度 mPa·s

表2 不同剪切力條件下瓜爾膠粘度 mPa·s

表3 不同剪切力條件下結冷膠粘度 mPa·s

從表1～3可以看出，瓜爾膠、結冷膠及其復配膠膠液，隨剪切速率的不斷提高，膠溶液都表現粘度下降，表現了剪切稀化現象。兩者復配表現出良好的協同增粘效果。

2.2 pH對結冷膠-瓜爾膠復配體粘度的影響

表4 不同剪切力、pH條件下0.9%瓜爾膠粘度 mPa·s

表5 不同剪切力、pH條件下0.1%結冷膠粘度 mPa·s

表6 不同剪切力、pH條件下1%復配膠粘度 mPa·s

從表4～6可以看出瓜爾膠液具有強的酸穩定堿性，pH值在3～11范圍變化對其粘度影響不明顯。結冷膠粘度在pH值7～11范圍內隨pH值升高而下降，在pH值為3～7范圍內隨pH值升高而上升；pH=7時粘度最大，pH=3以下粘度迅速下降。復配膠受pH變化影響明顯變小。

2.3 鹽離子對結冷膠-瓜爾膠復配體粘度的影響

表7 不同剪切力、不同鹽離子條件下0.9%瓜爾膠粘度 mPa·s

表8 不同剪切力、不同鹽離子條件下復配膠粘度 mPa·s

從表7～8，圖1～4可以看出瓜爾膠對一定濃度 NaCl具有良好的兼容性，一定量的高價鹽離子如CaCl2使膠液親水性更好，粘度變大。而單獨的結冷膠在鹽離子溶液條件無法形成均一體系，而瓜爾膠-結冷膠復配體系能夠形成穩定溶膠。以不加鹽復配膠作對照，加入0.7% NaCl、0.7% KCl和0.1% CaCl2粘度下降50%左右。

圖1 0.1%結冷膠

圖2 含0.7% NaCl結冷膠溶液

圖3 含0.7% KCl結冷膠溶液

圖4 含0.1% CaCl2結冷膠溶液

3 結 論

(1)瓜爾膠具有較好的水溶性和交聯性且在低濃度下能形成高黏度的穩定性水溶液。隨剪切速率的不斷提高，瓜爾膠溶液表現粘度下降，表現了剪切稀化現象。瓜爾膠溶液具有較強的酸堿穩定性，pH值在3～11范圍變化對其粘度影響不明顯。在酸性條件下，瓜爾膠溶液表現出很好的穩定性。瓜爾膠溶液對 NaCl、KCl具有良好的兼容性，一定量的高價鹽離子如CaCl2使膠液親水性更好，粘度變大。

(2) 結冷膠隨剪切速率的不斷提高，結冷膠溶液表現粘度下降，表現了剪切稀化現象。結冷膠粘度在pH值7～11范圍內隨pH值升高而下降，在pH值為3～7范圍內隨pH值升高而上升；pH=7時粘度最大，pH=3以下粘度迅速下降。在NaCl、KCl和CaCl2達到一定濃度時，單獨的結冷膠無法形成均一體系。

(3)復配膠粘度遠大于單獨瓜爾膠和結冷膠溶液粘度，隨瓜爾膠比例降低而降低；復配膠粘度下降。在pH值7～11范圍內隨pH值升高而下降，在pH值為3～7范圍內隨pH值升高而上升，但下降趨勢緩慢。在鹽離子達到一定濃度時，單獨的結冷膠無法形成均一體系，而瓜爾膠-結冷膠復配體系能夠形成穩定膠溶液。以不加鹽復配膠作對照，加入0.7% NaCl、0.7% KCl和0.1% CaCl2粘度下降50%左右。因此瓜爾膠和結冷膠復配后確實具有一定的協同增效作用，二者復配后能大大提高溶液的粘度，且對pH和鹽離子耐受性增加。

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Study on the Synergistic Effect and Rheological Properties of Guar Gum and Gellan Gum

Sun Dafeng，Zhang Weiming，Zhang Fenglun，Zhu Changling，Chen Lei
(Nanjing Institute for Comprehensive Utilization of Wild Plants，Nanjing 210042，China)

Guar gum is a kind of natural macromolecular compound. It is widely used as thickener and stabilizer. Guar is compounded with various polysaccharide，gel or high viscosity solution. Gellan gum is a kind of excellent microbial polysaccharide，stability and suspension with excellent results，and is widely used in milk beverage and liquid products. Because of its high price，the sol is affected by pH and cation concentration，and the application of gellan gum is often limited. In this paper，the effects of the ratio of gellan gum guar gum，pH，ionic species and concentration on the viscosity of guar gum and gellan gum complex were studied. The results show that：compound gum has a synergistic thickening effect；compound gel viscosity value 7-11 range decreased with the increase of pH value in pH，when the pH value is 3-7 range with the increase of pH value increased；at a certain concentration in the salt ions，gellan gum alone can not form a uniform system. The guar gum and gellan gum mixed system can form a stable sol.

Guar gum；gellan gum；compound；viscosity

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.03.003

2016-11-18

“十三五”重點研發計劃項目(2016YFD0400804)。

孫達鋒(1977—)，男，副研究員，研究方向：天然產物。E-mail：sdafeng@163.com

TQ432

A

1006-9690(2017)03-0010-04