魔芋葡甘露聚糖對β-葡聚糖復合凝膠性質的影響

蔡夢思，謝勇，周勇軍，張盛林，李耀，劉雄,4*

1(西南大學 食品科學學院，重慶，400715)2(閩南科技學院，福建 泉州，362200)3(西南大學，魔芋研究中心，重慶，400715)4(重慶西大魔芋生物科技有限公司，重慶，400715)

β-葡聚糖(β-glucan,BG)是D-葡萄糖以β-(1,3)(1,4)糖苷鍵連接的線性聚合物[1]，因其高黏度的特點，在降血糖、降膽固醇、維持腸道健康方面發揮良好的生理活性[2]。美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration，FDA)以及歐洲食品安全局(European Food Safety Authority，EFSA)已證實了它的生理功能益處[3]。由于其良好的功能特性和膠凝特性，BG在低脂食品生產領域具有良好的應用前景，如PIERO等[4]將燕麥β-葡聚糖作為脂肪替代品添加到低脂肉餅中，明顯改善產品的質構特性；LIU等[5]證實了燕麥β-葡聚糖水解物在低脂肉丸生產中的應用潛力。但BG存在成膠濃度高，成膠速率慢，硬度較大，流動性和貯藏穩定性差[6-7]等缺陷，限制了它在食品中的應用范圍。因此，如何改善BG的膠凝性質，提高功能性食品中的膳食比例儼然成為食品領域亟待解決的生產難題。已有文獻證實膠體復配是改善凝膠性質最簡單有效的手段，如在明膠體系中加入結冷膠可改善混合凝膠性能[8]，魔芋膠和黃原膠共混表現出協同增效的凝膠效果[9]。

魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)是由D-葡萄糖和D-甘露糖以β-(1,4)糖苷鍵連接而成的大分子聚合物[9]，具有較強的吸水性、高膨脹率及高黏度[10]。研究表明，KGM在抑制脂肪酸合成、降膽固醇、降血糖、腸道益生等方面發揮益處[11]，常作為代糖代脂原料而廣泛應用于食品加工領域。目前，KGM的應用多采用堿熱脫乙酰的方式使之形成熱穩定凝膠，但堿熱處理會降低KGM的功能活性[12]。在非堿熱條件下，KGM分子在水溶液中能有效保留其功能活性，在低濃度下形成較弱的水溶膠[13]。研究發現，適量KGM可降低卡拉膠的脆度、提高凝膠彈性[9]。綜上，在保留生理活性的基礎上，水溶膠KGM在降低凝膠硬度，增強持水性等方面表現出較大潛力。

鑒于BG和KGM在膠凝性質方面具有潛在的互補性以及功能活性方面的增效性，二者共混可能改善單一凝膠性質，提高功能性食品中的膳食纖維比例，拓寬生產應用領域。因此，將BG和KGM進行物理共混，通過流變學性質、質構特性、持水性測定探究不同KGM添加量對復合凝膠性質的影響，通過掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared,FTIR)等手段探究二者的相互作用，為其在功能性食品的開發應用方面提供數據基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

燕麥β-葡聚糖(純度>88%)，張家口一康生物有限公司；純化魔芋微粉(純度>86%)，湖北十堰花仙子魔芋制品有限公司。

1.2 儀器與設備

TA-XT plus質構儀，英國Stable Micro Systems公司；MCR302流變儀，奧地利安東帕有限公司；LGJ-10型冷凍干燥機，北京松源華興科技有限公司；AXTG16G型離心機，鹽城市安信實驗儀器有限公司；FA2004A型電子分析天平，上海精天電子儀器有限公司；Spectrum100紅外光譜儀，美國Perking Elmer公司；Phenom Pro掃描電鏡，荷蘭Phenom World公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 BKG復合凝膠的制備

固定總糖濃度為5%(質量分數)，設置KGM添加量為0%，0.3%，0.5%，0.7%，1%(質量分數)，依次記為BKG1,BKG2,BKG3,BKG4,BKG5。

稱取一定質量的BG，加熱攪拌溶解，隨后緩慢加入不同質量的KGM，繼續置于80 ℃水浴攪拌2 h，使二者攪拌均勻，取出倒模冷卻，置于4 ℃冰箱靜置存放，分別在3、5、7 d時測定其凝膠性質。

1.3.2 復合凝膠的表觀特征

參考樊蕊等[7]的方法，稍作調整，樣品經冷藏存放一定時間后，以復合體系不流動、結構不坍塌作為是否形成凝膠的判定標準，觀察記錄各個樣品的組織狀態。

1.3.3 流變學特性檢測

將制備好的凝膠于室溫平衡2 h，選擇PP25平板，平板間隙1 mm，在恒定25 ℃下進行流變測量。

選擇旋轉模式進行穩態黏度掃描，剪切速率0.1～100 s-1，采集21個數據點。采用冪律方程模型對數據進行擬合分析[14],如公式(1)所示:

τ=k×γn

(1)

式中：τ-剪切應力；γ-剪切速率；k-稠度系數；n-流性指數。

在振蕩模式下，應變在10 rad/s的恒定角頻率(ω)下從0.01%增加到100%，以確定線性黏彈區；根據線性黏彈區選擇應變0.5%進行動態頻率掃描，角頻率范圍0.1～100 rad/s，采集16個數據點。

1.3.4 質構特性測定

質構測定參考WANG等[8]的方法稍作調整，使用TA-XT plus質構儀的TPA模式，選取P/0.5探頭，測前、測試、測后速度設置為1 mm/s，壓縮形變50%，時間5 s，觸發力0.049 N；凝膠強度測定采用壓縮模式，選取P/0.5探頭，測前、測試、測后速度設置為0.5 mm/s，測試距離4 mm，感應力0.039 N。

1.3.5 持水性測定

準確稱量1～2 g凝膠于離心管中，8 000 r/min離心20 min，取出，濾紙吸干凝膠表面水分，稱重記錄[7]，持水性的計算如公式(2)所示：

(2)

式中：m-離心析水后凝膠質量，g；M-離心前凝膠質量，g。

1.3.6 紅外光譜掃描

凝膠在-80 ℃下冷凍12 h，轉移至真空冷凍干燥機干燥48 h，得到凍干凝膠樣品，切薄片置于載樣臺，在波長4 000～600 cm-1內掃描16次，分辨率4 cm-1。

1.3.7 掃描電鏡觀察

將冷凍干燥得到的凍干凝膠切為0.5 cm厚的片狀，用雙面膠固定在樣品臺上，噴金，在2 000倍下進行觀察拍照[15]。

1.4 數據處理及分析

所有測量均重復3次，數據以“平均值±標準差”表示，分別采用SPSS 22.0統計分析軟件和Origin 8.5數據繪圖軟件處理數據，采用ANOVA進行顯著分析，P<0.05時認為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 凝膠的表觀特征

為直觀反映復合凝膠隨貯藏時間的變化情況，對復合凝膠的表觀特征進行記錄。如表1所示，與復合組對比，單一BG能較快形成固體凝膠，且表面光滑、質地緊實。隨著KGM添加量的增加，成膠時間延長，或不形成固體凝膠(如BKG4,BKG5)。當KGM添加量>0.7%時，BKG凝膠表現出微流動性，且在貯藏周期內性質穩定；當KGM添加量<0.5%時，由于膠凝作用，BKG凝膠在存放周期內表觀狀態變化明顯，逐漸形成緊實的固體凝膠。說明KGM的添加量及存放時間對BKG凝膠表觀狀態影響較大，KGM的復合弱化了BG的膠凝性能，延長了成膠時間，增加KGM添加量可獲得貯藏穩定的復合凝膠。

表1 不同存放時間下復合體系的表觀特征Table 1 The apparent structure characteristics of composite system under different storage time

2.2 凝膠的流變特性

2.2.1 靜態流變學特性

流變學特性常用來表征復合凝膠的膠凝過程。不同存放時間下的復合凝膠的流變學曲線如圖1所示，在0.1～100 s-1剪切速率內，不同KGM添加量的復合凝膠在不同存放時間下均表現出典型的剪切稀化行為。凝聚層的剪切稀化特性可歸因于剪切下的結構破壞或重排[16]，在0～20 s-1剪切速率范圍，由于剪切力的作用，凝聚層被破壞，黏度急劇下降；繼續增大剪切，凝膠內部逐漸形成最佳定向取向，黏度趨于平穩。復合體系的表觀黏度隨KGM添加量的增加呈現先降低后增加的趨勢。黏度值用以說明二者相互作用[16]，少量的KGM抑制了BG的凝膠性能，成膠結構較為松散，故表現為黏度的下降(如BKG2)；當KGM添加量>0.5%時，由于KGM大分子間發生交聯纏繞、聚集，表現出黏度上升。各凝膠組隨貯藏時間的延長黏度均顯著增加。這可能由于在存放周期內，復合體系逐漸形成穩定凝膠，分子間氫鍵等鍵作用力增強，導致剪切黏度上升[17]。

根據冪律方程模型對凝膠數據進行擬合，結果如表2所示，擬合方程相關系數均在0.89以上，具有較好的相關性。不同樣品的流性指數n<1，表明樣品為剪切稀釋型假塑性流體[18]。隨著KGM添加量的增加，k值增加，這與黏度曲線反映結果一致；n值也隨之增加，隨后在KGM添加量為1%時n值降低，說明隨著KGM的添加，體系假塑性降低，流動性能增強，證明了KGM存在弱化了BG凝膠性能；而1%的KGM可能完全抑制BG凝膠的形成，而表現出KGM高黏稠性質。對比不同存放時間下的n值變化，隨存放時間的延長，n值降低，體系假塑性增強，這展現了凝膠結構的緩慢形成過程。這也印證了表1記錄結果，KGM的添加延長了BG的成膠時間。

表2 不同復合體系的冪律方程參數Table 2 Power law equation parameters of different composite systems

a-存放3 d;b-存放5 d;c-存放7 d圖1 不同存放時間下復合體系的表觀黏度Fig.1 Apparent viscosity of composite system under different storage time

2.2.2 動態流變學特性

對不同存放時間的BKG凝膠進行動態掃描，儲能模量(G′)、損耗模量(G″)隨角頻率(ω)的變化趨勢如圖2所示。從流變學的角度來看，當損耗模量G′至少比G″大1個數量級，并且模量不依賴于或僅輕微依賴于頻率時，就建立了真正的彈性凝膠網絡[19]。因此，G′可作為凝膠化程度的量度，在固化凝膠中，G′通常比較穩定，不隨頻率的變化而發生變化，當G′隨頻率變化明顯時，則表示凝膠較弱，由此可以評估凝膠的成膠過程及成膠能力。

圖2-a、圖2-c、圖2-e顯示BKG凝膠在存放3、5、7 d時的G′，圖2-b、圖2-d、圖2-f則為G′'在3、5、7 d的變化曲線。對比圖2-a、圖2-c、圖2-e，BKG1、BKG2具有較低的頻率依賴，G′ >G″，表現為類固體性質，但BKG2表現出更強的頻率依賴，且BKG2的G′,G″均明顯低于BKG1，說明KGM的少量復合，樣品的凝膠性能弱化；隨存放時間延長，二者的模量均顯著增加且G′在7 d時幾乎不隨頻率變化，這與MAKELA等[20]的研究結論一致，證實了BG成膠時間較長的特點。二者對比說明少量的KGM不足以完全抑制BG凝膠網絡的形成，但降低了其成膠速度和強度，二者表現出拮抗的復配效果。凝膠的動態流變行為可以通過考慮聚合物分子的流動性來解釋，大分子KGM的大量纏結限制了BG分子在水溶液中的伸展，因此需要更長的時間進行重新排列形成凝膠結構[21]。

當KGM添加量>0.5%時，G′均表現出明顯的頻率依賴，說明增加KGM添加量，可能完全抑制復合凝膠彈性網絡的形成，從而導致高KGM添加組的輕微流動性(表1)。在貯藏過程中，BKG3,BKG4,BKG5三組凝膠始終表現出高度頻率依賴，且G′，G″隨貯藏時間變化較小，說明提高KGM添加量可減弱BG的膠凝能力，增強流動性和貯藏穩定性。這一性質可能更適于模擬奶油順滑的口感和應用的穩定性。

a-G′-3 d;b-G″-3 d;c-G′-5 d;d-G″-5 d;e-G′-7 d;f-G″-7 d圖2 不同存放時間下復合體系的G′,G″ 隨角頻率變化曲線Fig.2 The curve of G′,G″ changing with ω of composite system under different storage time

另外，BKG1和BKG2的G′，G″隨頻率變化具有相似的曲線趨勢，而BKG3,BKG4,BKG5三組具有類似的曲線趨勢，這可能提示低添加量和高添加量組間存在明顯結構差異。為進一步探究KGM的添加對復合凝膠的影響，實驗對比了5% BG凝膠，添加量為1%的BKG凝膠及質量分數為1%的KGM溶膠的G′，G″(圖3)。1%KGM溶膠在高頻范圍內，G′>G″，彈性性質占主導地位，在低頻范圍內，G′

圖3 BKG,BG,KGM的G′,G″ 隨角頻率變化曲線Fig.3 The curve of G′,G″ changing with ω of BKG,BG,KGM

2.3 凝膠的質構特性

硬度定義為達到變形所需要的力。根據感官分析，硬度是在咬第一口時咬合食物所需要的力[22]。如表3所示，BKG的硬度/凝膠強度與KGM添加量成反比，隨著添加量的增加，硬度/凝膠強度顯著下降。BG凝膠強度是由凝膠結構中的彈性網絡連接區的數量決定，隨濃度的增加而增加[23]。結果表明，隨KGM添加量的增大，復合凝膠結構中的網絡連接區的數量減少，導致凝膠剛性減弱。內聚性代表組成產品主體的內部紐帶的強度，它與材料在機械作用下斷裂的速率成反比[22]。BKG凝膠的內聚性與KGM添加量成正比，說明隨添加量的增加，復合凝膠的柔性增強，在機械力的作用下不易斷裂。彈性是食物在第二次壓縮中的恢復高度與第一次壓縮變形量的比值[21]。在BKG復合凝膠中，當KGM添加量>0.5%時，凝膠的彈性隨添加量的增加而顯著提升。膠著性用于表示咀嚼半固體食品至可吞咽時所需的能量。結果表明，隨著KGM添加量的增加，BKG樣品的膠著性顯著下降，這意味著KGM的復合對凝膠樣品的吞咽口感影響較大。上述結果表明，添加KGM可以改善單一凝膠剛性大、彈性低的問題，提高添加量可得到更順滑和易吞咽的食用口感。

表3 不同存放時間下復合體系的質構特性Table 3 Texture characteristics of composite system under different storage time

在存放過程中，觀察到BKG1,BKG2,BKG3,BKG4組的硬度/凝膠強度/膠著性隨存放時間的延長而明顯增加，即在貯藏過程中，凝膠繼續形成交聯結構區域，使得凝膠剛性增強。但時間因素對凝膠剛性的影響遠低于KGM復合所帶來的影響。當KGM添加量為1%時，凝膠硬度/凝膠強度/膠著性在存放過程中不發生顯著變化，說明提高KGM添加量，樣品表現出更優的貯藏穩定性。

2.4 凝膠的持水性

持水性是評價食品品質的重要指標，可以反映復合凝膠的結構的緊密性，是用作食品加工方面的重要參考依據。

圖4顯示了各復合體系分別在3、5、7 d時的持水性差異。當KGM添加量<0.5%時，隨著存放時間的延長，復合體系的持水性提高，這是由于在存放過程中，復合體系逐漸形成穩定的凝膠網絡結構，故而持水性增強；添加量>0.5%時，持水性提高至99.5%，且在存放周期內均表現出極好的持水性能。由于KGM分子中含有大量的親水基團而表現出極強的吸水能力[10]。因此，由于KGM的作用，復合體系即可表現出良好的持水性能。

圖4 不同存放時間下復合體系的持水性Fig.4 Water holding capacity of composite system under different storage time

相同時間下，復合體系的持水性在BKG2處均出現最低點，整體呈現先下降后上升的趨勢，這可能與凝膠結構的形成有關。上述流變學和質構特性表明，BKG2形成比BKG1更弱的凝膠體系，形成的凝膠網絡不足以籠絡住體系中的水分，加之體系中KGM濃度較低，不足以完全穩定住水分，故而持水性降低。

2.5 FTIR分析

3 340 cm-1左右出現的吸收峰寬帶為分子間或分子內—OH的伸縮振動峰，證實了糖分子中存在明顯的分子間氫鍵[24]。1 642 cm-1處的寬峰為締合羥基C—O的拉伸，1 021 cm-1左右吸收峰是β-D-吡喃糖C—H的變角振動峰，表明分子中含有β-D-吡喃糖環，896 cm-1處的吸收峰指示了分子以β-糖苷鍵連結[25]。在KGM的FTIR譜圖中，807 cm-1處為KGM甘露糖的特征吸收峰[26]。

KGM和BG的相互作用可以通過FTIR來分析，如圖5所示，KGM和BG分別在3 330 cm-1和3 323 cm-1處出現寬峰，復合物BKG在此處的吸收峰向較高波數移動，表明BG與KGM發生相互作用，分子內氫鍵發生彎曲振動。BKG的FTIR圖譜包含二者所有的特征峰，且峰減小，說明二者可能存在類似吸附的交互作用。BKG中1 723 cm-1處羰基伸縮峰減弱消失，而在1 642 cm-1處發生分子內氫鍵的拉伸偶聯并向較低的波數輕微偏移，YE等[27]在研究KGM與殼聚糖的共混作用時觀察到類似現象，表明BG與KGM分子在復合過程中發生新的氫鍵，二者可能通過氫鍵相互作用。

圖5 BKG、BG和KGM的FTIR圖譜Fig.5 FTIR spectra of BKG,BG and KGM

2.6 凝膠的微觀結構

圖5中顯示了兩種完全不同類型的空間結構，一類是交聯網絡結構，另一類是規律的片層結構，這從微觀結構上解釋了復合體系的宏觀性質。如圖5-a，5%的β-葡聚糖在水溶液中逐漸形成緊密交聯的彈性網絡結構，圖5-b～圖5-e顯示，隨著KGM添加量的增加，復合體系的空間結構逐漸由交聯網絡過渡為片層結構，片層結構不穩定，在外界力的作用下易產生位移，從而表現出宏觀的流動性。這合理解釋了KGM添加量較高時，體系具有微流動性的原因。

對比圖5-a～圖5-c，BKG2，BKG3形成的彈性網絡連接區的數量較BKG1明顯減少；圖5-d、圖5-e顯示BKG4，BKG5的凝膠呈明顯的片層結構，與質量分數為1%的KGM膠體結構(圖5-f)類似。純KGM凝膠呈現表面光滑的片層結構，而復合組的結構片層較為粗糙，表面可觀察到網絡鑲嵌，網絡骨架鑲嵌在片層表面或內部。這可以解釋為二者存在吸附或包埋的相互作用：在KGM和BG復合體系中，大分子KGM吸水溶脹，通過氫鍵作用吸附包埋了水溶液中的BG分子，限制了溶液中BG分子的伸展、交聯，溶液中可用作膠凝的BG分子減少，從而導致復合凝膠(圖5-b、圖5-c)的網絡連接區較少，凝膠強度減弱，持水性下降。隨著KGM復合比例上升，更多的KGM分子參與作用，BG分子被完全吸附或包埋，從而微觀上表現為純KGM凝膠的片層結構，宏觀上表現為微流動性。

3 結論

本研究探討了不同添加量的KGM及不同貯藏時間對KGM/BG復合凝膠性質的影響，并對凝膠機理進行了初步討論，可以為BG在食品加工生產領域的應用提供一定的理論支撐。研究發現添加KGM可顯著改變KGM/BG復合凝膠的性質，KGM添加量<0.5%時會對BG凝膠的形成產生不利影響，不利于凝膠食品的開發利用；當KGM添加量>0.5%時，復合體系將獲得更好的持水性及流動性，適宜于涂抹性食品的開發利用?；诖?，生產時可通過調配原料比例、控制添加量來拓寬BG在食品生產中的應用范圍，這為產品開發提供了有效思路及數據基礎。

a- BKG1；b- BKG2；c- BKG3；d- BKG4；e- BKG5；f- 1%KGM圖6 不同復合體系的掃描電鏡圖(2 000 X)Fig.6 Scanning electron microscope images of different composite systems (2 000 X)