長鏈菊粉膠凝性質的研究

羅登林 席 棟 張康逸 安 穎 黃繼紅 康懷彬

(河南科技大學食品與生物工程學院1， 洛陽 471023) (河南省食品原料工程技術研究中心2，洛陽 471023) (河南省農業科學院農副產品加工研究中心3，鄭州 4500080) (豐寧平安高科實業有限公司4，承德 068350) (河南工業大學生物工程學院5，鄭州 450001)

菊粉作為一種不同于淀粉結構的可溶性膳食纖維，在自然界內分布十分廣泛，主要存在于桔?？?、菊科、龍膽科等11個科及單子葉植物中的禾木科、百合科等，其中在菊芋、菊苣、大麗花和蘆筍中含量豐富。菊粉分子是由D-呋喃果糖分子以β (2→1)鍵連接而成的線性直鏈多糖，每個分子末端通過α (1→2)糖苷鍵連接一個葡萄糖殘基[1]。根據平均聚合度(DP)不同可分為3種：短鏈菊粉(DP≤10)、天然菊粉(2≤DP≤60)和長鏈菊粉(DP≥23)。研究證明，菊粉具有促進腸道中雙歧桿菌的增殖和提升腸道健康水平、降血糖、降血脂、減肥和提高礦物質的生物利用率等功能[2,3]。菊粉由于色澤白、顆粒細，且能形成類似脂肪般滑爽感的凝膠質構，因此通常也作為一種優良的脂類替代品和食品品質改良劑而被廣泛應用在乳制品、飲料、面制品和肉制品中，以提高產品品質，賦予食品低能量和益生元的功能[4-6]。當在低脂奶酪中加入12%的菊粉時，所制得的產品堅硬且味道更好[7]。將短鏈菊粉添加到巧克力中能提高產品的質地和顏色，而且還能促進益生菌的生長繁殖，改善腸道健康[8-9]。在植物蛋白飲料中添加2%菊粉時，飲料稠度增加，口感得到改善[10]。短鏈菊粉能增加乳化香腸的彈性，改善其質構和延長其貨架期[11,12]。將長鏈菊粉替代山羊奶奶酪中的脂肪可使其硬度和黏度下降，質地變軟，顯著改善了其流動性[13,14]。當長鏈菊粉和短鏈菊粉按1：1的比例加入到低脂蛋白奶油中時，所制得的奶油更濃稠，口感更好[15]。

目前雖然關于菊粉應用方面的研究報道較多，但在長鏈菊粉凝膠形成和性質方面的研究很少，而這方面的研究將有助于我們更深入地了解菊粉對各類食品的影響規律和機制，以期為實際應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

長鏈菊粉(FXL，平均聚合度≥23，菊粉和低聚果糖含量為99%，單糖含量為0.5%)，在60 ℃下干燥至恒重；

TA.XT Express質構儀；TDZ5-WS離心機；ZNCL-DG恒溫油浴攪拌器。

1.2 凝膠的制備

用去離子水分別配制質量分數為10%、13%、16%、19%、22%的菊粉懸濁液，然后置于油浴鍋中，在一定溫度(40～90 ℃)和磁力攪拌轉速(200～1 500 r/min)下加熱一段時間(1～60 min)后，轉入帶刻度的具塞試管中，冷卻至室溫后在4 ℃下冷藏48 h，然后進行測試分析。每個測試水平實驗重復3次，取平均值，計算標準方差。

1.3 凝膠指數的測定

凝膠指數(Volumetric Gel Index, VGI)是評定物質成膠能力大小的一個指標，其值大小由成膠層和水層體積計算出來，計算公式如式(1)。

(1)

式中：VG為水層和成膠層的總體積/mL；VT為成膠層的體積/mL。

1.4 長鏈菊粉成膠的影響因素

1.4.1 溫度對長鏈菊粉成膠的影響

按照1.2的方法，配制不同質量分數的菊粉懸濁液，置于油浴鍋中，設定轉速為600 r/min、加熱時間為15 min，考察不同溫度對菊粉成膠的影響。

1.4.2 攪拌速度對長鏈菊粉成膠的影響

按照1.2的方法，配制不同質量分數的菊粉懸濁液，置于油浴鍋中，設定溫度為60 ℃、時間為15 min，考察不同攪拌速度對菊粉成膠的影響。

1.4.3 攪拌時間對長鏈菊粉成膠的影響

按照1.2方法，配制不同質量分數的菊粉懸濁液，置于油浴鍋中，設定溫度為60 ℃、 攪拌速度為1 000 r/min，考察攪拌時間對菊粉成膠的影響。

1.5 凝膠持水力的測定

按1.2的方法制備菊粉凝膠，在4 ℃條件分別儲藏1、3、7 d后取出，在3 000 r/min(相對離心力為1 006.88×g)離心30 min后，除去水層并記錄剩余凝膠的質量。每次實驗重復2次，取平均值，計算標準偏差，凝膠持水力計算公式如式(2)。

(2)

式中：m為離心前凝膠與離心管總質量/g；m1為離心管質量/g ；m2為離心后凝膠與離心管總質量/g。

1.6 凝膠質構實驗

長鏈菊粉凝膠的穿刺實驗參數設定為：探頭為P/0.5，穿刺深度為25 mm，測前速率為1 mm/s，測中速率為2 mm/s，測后速率為10 mm/s。數據采集間隔為10 ms。數據結果通過儀器自帶軟件SMS Texture Analyser進行分析凝膠的硬度、黏附性、稠度和黏度系數，每組實驗重復3次，取平均值，計算標準方差。

1.6.1 加熱溫度對凝膠硬度的影響

配制質量分數分別為19%、22%、28%的菊粉懸濁液，置于油浴鍋中，設定攪拌速度600 r/min和攪拌時間10 min，所得凝膠取出冷卻至室溫后，置于4 ℃下冷藏48 h后分析菊粉凝膠的硬度，考察不同加熱溫度對凝膠硬度的影響。

1.6.2 攪拌速度對凝膠硬度的影響

配制質量分數分別為16%、19%、22%的菊粉懸濁液，置于油浴鍋中，設定加熱溫度為60 ℃和攪拌時間10 min，所得凝膠取出冷卻至室溫后，置于4 ℃下冷藏48 h后分析菊粉凝膠的硬度，考察不同攪拌速度對凝膠硬度的影響。

1.6.3 儲藏時間和質量分數對凝膠質構特性的影響

配制質量分數分別為15%、20%、25%、30%、35%的菊粉懸濁液，然后置于油浴鍋中， 在70 ℃、1 000 r/min下加熱10 min，取出后冷卻至室溫，置于4 ℃條件下分別儲藏1、2、3、5和7 d后，分析菊粉凝膠的硬度、黏度指數和稠度。每個水平實驗重復3次，取平均值，計算標準方差，并進行顯著性分析。

1.7 數據處理

運用Origin8.5和SPSS17.0軟件對實驗數據進行處理和顯著性分析，顯著性分析采用Duncan檢驗，顯著性差異P<0.05。

2 結果分析

2.1 溫度對長鏈菊粉成膠的影響

從表中1可以看出，溫度和質量分數對菊粉成膠能力影響明顯。隨溫度的升高，VGI呈現先增加后降低的趨勢，特別是低質量分數時(10%和13%)該趨勢更加明顯。10%的長鏈菊粉懸濁液在60 ℃時VGI達最大值(97.5)，但仍然不能完全形成凝膠；而13%的在50～60 ℃時能完全形成凝膠，但在其他溫度下無法完全成膠。這是因為在低溫度下(<50 ℃)無法破壞菊粉的晶體結構，水分不能進入顆粒的結晶區域，菊粉顆粒不能完全吸水溶脹；隨著溫度的升高(50～80 ℃)，促進了分子鏈的伸展，其顆粒內結晶區域由原來排列緊密的狀態變為疏松狀態，水分子開始逐漸進入結晶區域，使得菊粉的吸水量迅速增加而發生膨脹，并發生相互纏繞和連接作用，形成凝膠的網狀結構[16]；隨溫度進一步升高(>80 ℃)，菊粉懸濁液由乳白色逐漸變得透明，這是由于菊粉的溶解度迅速增加所引起的。由于菊粉在中性環境下對熱非常穩定，即使在90 ℃下放置30 min以上也不會發生降解反應[17]，因此，在高溫下菊粉成膠能力下降可能歸因于高溫嚴重破壞了菊粉分子間的作用力，如靜電引力、氫鍵等，影響了它們在低溫儲藏過程中的重新形成。有研究發現，與較低溫度下相比，在較高溫度下所制備的凝膠內部結構發生了顯著變化，這可能歸因于溫度升高會導致凝膠體系中分子間的熱運動加劇，從而使得分子之間的聯結發生松動[18]。

表1 溫度對長鏈菊粉凝膠指數的影響(VGI)/%

注: “-”表示未研究。

表2 攪拌速度對長鏈菊粉凝膠指數的影響(VGI)/%

2.2 攪拌速度對菊粉成膠的影響

由表2可以看出，隨攪拌速度增大，長鏈菊粉更易于形成凝膠。這是因為高速攪拌有利于破壞菊粉分子的結晶區域，易于吸水膨脹而形成凝膠網狀結構。研究表明，在低剪切速率下菊粉粒徑為29.88 μm，隨著剪切速率的增大，其粒徑減小到9.95 μm[19]?？梢娂羟兴俾实脑龃笫勾罅降木辗圩兂删鶆蚍稚⒌男×椒肿?。當攪拌速度在400～1 500 r/min的范圍內時，攪拌速度對凝膠形成的影響相比溫度的影響要弱。從凝膠性狀來看，低速攪拌形成的凝膠為沙狀質地，凝膠結構松散；而高速攪拌形成的凝膠則是細膩緊致，與黃油類似。研究發現，在高剪切速率下短鏈菊粉分子分散均勻，易于形成凝膠，與本研究的結論一致[20]。

2.3 攪拌時間對菊粉成膠的影響

由表3可以看出，隨攪拌時間的延長，長鏈菊粉凝膠的VGI增大，其形成凝膠的合適加熱時間不應低于10 min。攪拌時間過短，懸濁液還未達到設定的加熱溫度，即受熱溫度過低。由熱力學公式Q=cmΔt(Q為熱量，c為物體的比熱容，m為質量，Δt為溫差)可知，懸濁液吸收的熱量與溫差有關，與加熱時間無關。當加熱到一定時間時，菊粉懸濁液的溫度與加熱介質(水)的溫度相同，此時影響凝膠形成的條件取決于攪拌時間，所以當加熱時間超過10 min時，其對菊粉凝膠的形成影響不明顯。這時隨攪拌時間的延長，菊粉懸濁液攪拌越充分。長時間加熱攪拌具有和上述高速攪拌相同的效果，在適當的溫度下，攪拌時間越長越有利于菊粉的吸水溶脹和分子鏈的展開，利于分子鏈間發生相互作用形成致密的凝膠網絡。實驗還發現，攪拌時間越長，形成的凝膠質地越細膩，也說明充分攪拌有利于凝膠的形成，這與Kim等[19]的研究結果一致。

表3 攪拌時間對菊粉凝膠指數的影響(VGI)/%

注: “—”表示未研究。

2.4 菊粉凝膠的持水性

從圖1中可以看出，菊粉質量分數和放置時間對凝膠持水力的影響明顯。隨著質量分數增大，菊粉凝膠的持水力增大。當菊粉質量分數由15%增大到35%時，凝膠的持水力增大了67.66%(1 d)。在不同放置天數下，同一質量分數的凝膠持水力增加幅度不同，前3 d內菊粉凝膠的持水力變化不顯著，但當放置7 d后，其凝膠的持水力顯著增大。如15%和35%的菊粉凝膠，放置3 d后凝膠的持水力僅比放置1 d后的分別增大了2.45%和0.95%，但放置7 d后則比放置1 d的分別增大了10.25%和10.38%。Krystyjan等[21]認為，儲藏時間的延長和質量分數增大會使多糖凝膠的穩定性增大。持水力表示凝膠截流水分子的能力及三維網狀結構的穩定性，主要與水分子間的作用力有關。質量分數和放置時間會影響凝膠三維網狀結構的穩定性，質量分數的增大和放置時間的延長會使多糖與水分子間的作用力增強，提高凝膠網狀結構的穩定性和持水力。與天然菊粉相比，長鏈菊粉成膠能力和持水能力更強。例如：質量分數為35%的天然菊粉凝膠的持水力只有45%，而相同質量分數的長鏈菊粉凝膠的持水力可達86.7%[18]。這主要歸因于長鏈菊粉分子鏈長，分子鏈端易于發生相互纏繞而形成網絡結構。Ng等[22]發現，菊粉不僅能減少脫脂酸奶的脫水收縮，還能改善酸奶的流變學特性和感官特性。長鏈菊粉凝膠良好的持水性有助于增加食品特別是飲料的穩定性，延長其貨架期，改善食品的品質。

圖1 長鏈菊粉凝膠的持水性

2.5 凝膠質構特性

2.5.1 溫度對凝膠硬度的影響

從表4中可以看出，在50～80 ℃內，隨溫度升高，制備的凝膠硬度顯著增大。對于相同質量分數的菊粉懸濁液，高溫更有利于凝膠的形成和穩定。與在50 ℃下相比，19%、22%和28%的菊粉懸濁液在80 ℃下形成的凝膠硬分別增加了18.73倍、19.19倍和25.83倍，且隨菊粉質量分數的增大，溫度的影響更加明顯。在50 ℃下28%的菊粉凝膠硬度是19%的2.14倍，而當溫度升高到80 ℃時，其值增加到了2.91倍，說明高溫使菊粉分子間的網狀結構變得更加致密，分子間內部作用力增大。

表4 溫度對菊粉凝膠硬度的影響/g

注：N/A: 體系未完全形成凝膠。

研究發現熱誘導作用能使菊粉的平均粒徑變小，而由小粒徑組成的材料比由大粒徑的材料具有更強的結構，這一理論也適用于凝膠[19,23]。也可能是因為高溫使菊粉懸濁液在冷卻時的溫差較大，降溫過程時間較長，使無序松散的凝膠網絡逐漸變得有序緊湊，增強了凝膠內部的作用力。在90 ℃時，質量分數低于22%的菊粉懸濁液不能形成凝膠，而28%的菊粉溶液在90 ℃下形成的凝膠硬度下降顯著。在90 ℃下，乳白色的菊粉懸濁液變成了透明的溶液，此時菊粉完全溶解于水中。溶液為乳白色不透明時是菊粉的溶脹狀態，在此狀態下水分子進入了溶脹的菊粉分子鏈網絡結構中并被束縛，形成了具有一定質地的凝膠結構；而隨加熱溫度的升高(>80 ℃)，菊粉在水中的溶解度迅速增加，這反而不利于其凝膠網絡結構的形成，導致菊粉在低含量時不能形成凝膠，而在高含量時形成的凝膠硬度減小。李斌等[24]也指出，溫度對魔芋葡甘露聚糖體系的溶脹作用影響最大，而且溶解不利于魔芋葡甘露聚糖-硼砂水凝膠體系的形成，這與本研究的結果相似。

2.5.2 攪拌速度對凝膠硬度的影響

表5顯示隨攪拌速度的升高，菊粉凝膠硬度顯著增大。在1 500 r/min下16%、19%和22%的菊粉形成的凝膠硬度分別是200 r/min下的8.71倍、5.27倍和4.58倍，說明攪拌速度對低含量菊粉形成的凝膠硬度影響更顯著。這可能是因為菊粉在低濃度時，分子鏈充分伸展，分子相互之間發生作用的機率較小，而高速攪拌有利于提高分子鏈間通過氫鍵、靜電作用、疏水作用和范德華力等發生相互作用的概率。在攪拌速度較低時(≤600 r/min)菊粉形成的凝膠硬度小，容易破碎?？梢?，增大攪拌速度有利于形成均勻、細膩而硬度大的凝膠。因此可根據各種食品加工的需要，通過調控凝膠的制作條件，獲得不同質構性狀的長鏈菊粉凝膠，以滿足不同食品的品質需求。

表5 攪拌速度對凝膠硬度的影響/g

2.5.3 質量分數和儲藏時間對凝膠質構特性的影響

從表6可以看出，質量分數和放置時間對凝膠硬度影響顯著(P<0.05 )。菊粉凝膠硬度隨質量分數增大而增大，Evageliou等[25]也發現相似的規律。對于15%菊粉凝膠，與儲藏1 d的相比，其硬度在儲藏7 d后顯著增加，說明隨儲藏時間的延長，菊粉凝膠的硬度增大明顯。經1、2、3、5、7 d儲藏后，35%菊粉凝膠硬度比15%的分別增大了5.74、4.96、4.18、4.00和3.72倍，可見凝膠放置時間越長，不同質量分數間的硬度差別越小。儲藏1 d和7 d后，菊粉質量分數由15%增加到25%時，其凝膠硬度分別提高了4.09和2.82倍；而當菊粉質量分數由25%增加到35%時，凝膠硬度分別只增加了32.52%和23.61%。說明儲藏時間對低質量分數菊粉的凝膠硬度影響更大，這說明低質量分數的菊粉形成凝膠的過程較慢，分子間形成較穩定的相互作用需要較長的時間。隨凝膠質量分數的增大和放置天數的延長，凝膠的網狀結構趨向更加致密穩定，對水分子的束縛能力增強，凝膠的硬度也更大。Emma等[26]也發現，與短鏈菊粉相比，中長鏈菊粉容易形成硬度更大的凝膠。長鏈菊粉由于成膠所需的質量分數低，而且凝膠硬度大，因此更適于應用各種具有黏彈性的食品中，如果凍、火腿腸等。

從表6可以看出，隨儲藏時間的延長，凝膠的黏度指數逐漸增大。例如：對于15%菊粉凝膠放置7 d后，其黏度指數較放置1 d的增大了76.6%；而對于35%菊粉凝膠放置7 d后，其黏度指數較放置1 d的增大了23.05%。而且質量分數對凝膠黏度指數的影響也與放置時間有關，儲藏1 d后，35%的菊粉凝膠黏度指數是15%的9.20倍，而儲藏7 d后，35%的菊粉凝膠黏度指數是15%的6.41倍?？梢姺胖脮r間的延長可減弱質量分數差異對凝膠黏度指數的影響。

表6 質量分數和儲藏時間對凝膠質構特性的影響

注：表中小寫字母不同表示差異顯著(P<0.05)。

稠度和黏附性也是評價凝膠品質的重要指標。它們均隨質量分數和儲藏時間的增大而增大。隨儲藏時間的延長，低質量分數的菊粉凝膠稠度(15%～25%)變化較大，而高質量分數的凝膠稠度(25%～35%)變化較小。放置時間為1 d和7 d時，菊粉質量分數由15%增加到25%時，其凝膠稠度分別提高了4.12倍和2.60倍；菊粉質量分數由25%增加到35%時，其凝膠稠度僅分別提高了25.31%和25.81%。說明隨儲藏時間的延長，低質量分數的凝膠稠度變化大，而高質量分數的凝膠稠度變化較小。研究發現，隨茶多糖含量增加，茶多糖-淀粉混合凝膠的稠度、黏聚性和黏度系數明顯增大[27]。菊粉的添加能顯著增加乳制品飲料的黏度，并且長鏈菊粉比短鏈和天然的菊粉影響效果更明顯[28]。黏附性具有與稠度相似的規律，隨儲藏時間的延長，低質量分數的菊粉凝膠黏附性變化大，而高質量分數的變化小。例如：15%和35%質量分數的凝膠黏附性3 d的比1 d的分別增大了53.76%和13.06%；而7 d比5 d分別增大了10.94%和4.66%。這可能是因為凝膠在放置到第5 d時，凝膠的網狀結構已經基本穩定，導致第5天和第7天凝膠黏附性變化較小。

3 結論

隨溫度的升高，長鏈菊粉形成凝膠所需的最低質量分數增加；在50～80 ℃，攪拌速度越大、攪拌時間越長，越有利于菊粉凝膠的形成，但當溫度≥90 ℃時，反而不利于菊粉凝膠的形成。隨著質量分數的增大，菊粉凝膠的持水力增大；在儲藏前3 d內，菊粉凝膠的持水力增加不顯著，但當儲藏7 d后，其凝膠的持水力顯著增加。菊粉凝膠的持水力、硬度、黏度指數、稠度和黏附性均隨質量分數和儲藏時間的增大而增大。