明膠 /卡拉膠復(fù)配凝膠的特性研究

曹祥薇,嚴海彪

(湖北工業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院,湖北武漢 430068)

明膠 /卡拉膠復(fù)配凝膠的特性研究

曹祥薇,嚴海彪＊

(湖北工業(yè)大學化學與環(huán)境工程學院,湖北武漢 430068)

利用動態(tài)熱機械分析儀(DMA)、旋轉(zhuǎn)黏度計等儀器對明膠/卡拉膠復(fù)配膠的溶液黏度、凝膠溫度及熱力學特性進行了研究,并分析了金屬離子對復(fù)配膠各項性能的影響.結(jié)果表明:隨著卡拉膠質(zhì)量分數(shù)由 1%增加到 3%,溶液黏度和凝膠溫度分別提高了 64 mPa·s和12℃,儲能模量 G’也在不斷增加;K+能有效提高復(fù)配膠凝膠溫度和 G’,當 K+質(zhì)量分數(shù)為0.6%時,凝膠溫度提高到 48℃.

明膠;卡拉膠;復(fù)配;凝膠特性

0 引言

明膠是多肽分子聚合物質(zhì),是膠原蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物,來源廣泛,除具有一定營養(yǎng)價值和醫(yī)療功能外,還具有生物可降解性、生物相容性和一定的等電點等特點.低質(zhì)量分數(shù)的明膠溶液黏度較小,且凝膠溫度和凝膠熔點過低,因此不適于在常溫下凝膠成型,造成應(yīng)用的局限性,為解決這些問題,可將明膠與其他食用膠復(fù)配,提高黏度和凝膠溫度,使其滿足加工成型的要求[1-2].卡拉膠在與明膠復(fù)配時能表現(xiàn)出十分顯著的協(xié)同增效作用,宋佳明等[3]研究表明,在明膠食品包裝膜中添加卡拉膠,能提高膜的拉伸強度,同時保持其可降解性和可食性.孫哲浩等[4]將明膠與卡拉膠進行復(fù)配,研究表明隨卡拉膠濃度的提高,凝膠強度和儲能模量增加.作者以明膠/卡拉膠復(fù)配膠為研究對象,通過研究兩種膠的相互作用及各種因素對復(fù)配膠的影響,以期為開發(fā)明膠與卡拉膠的復(fù)配膠作為微膠囊的囊材應(yīng)用提供指導.

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠:青海明膠股份有限責任公司,食品級;卡拉膠:滕州恩普特生物工程有限責任公司,食品級;氯化鉀:徐州海成食品添加劑有限公司,食品級.

HH.S11—1型電熱恒溫水浴鍋:上海昨非實驗設(shè)備有限公司;D2004W型攪拌器:上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司;Q800型動態(tài)熱機械分析儀:美國 TA儀器公司;NDJ—7型旋轉(zhuǎn)黏度計:上海精密科學儀器有限公司.

1.2 方法

1.2.1 溶液黏度的測定

按比例稱量明膠和卡拉膠,配制出復(fù)配膠溶液,靜置待溶液均勻無氣泡,用旋轉(zhuǎn)黏度計測定溶液在80℃下的黏度,每組重復(fù)測量 5次,取平均值.

1.2.2 凝固點的測定

參照文獻 [5]的方法測定膠的凝固點,在80℃下配制復(fù)配膠溶液,保溫靜置待溶液均勻無氣泡后將溶液倒入 40 mL燒杯中,用鐵架臺和蝶形夾固定溫度計并使其下端位于溶液的中央,以固定的時間間隔在一定的距離范圍內(nèi)快速輕微移動杯體,當發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象時判定為已達到凝膠狀態(tài):在固定溫度計處稍感阻力;凝膠表面微有褶皺產(chǎn)生;溫度計和膠液間有細小的空隙存在,而非液體包圍狀.記錄此時溫度計溫度即凝膠溫度.

1.2.3 熱力學特性的測定

配制不同配比的明膠 /卡拉膠溶液,倒入模具中冷卻成凝膠,利用 DMA測定凝膠的熱力學特性,使用平行板夾具,直徑 3 cm,固定應(yīng)變 1.0,樣品厚度 6.5 mm,進行溫度掃描,觀測凝膠體隨溫度的升高熱力學特性的改變.

2 結(jié)果與討論

2.1 明膠 /卡拉膠配比對凝膠黏度和溫度的影響

保持總膠量為 6%不變,配置以下 5種不同明膠/卡拉膠配比的膠液:5/1;4.5/1.5;4/2;3.5/2.5;3/3(W/W),明膠 /卡拉膠配比對凝膠黏度和溫度的影響性見表1和表2.

表1 明膠 /卡拉膠配比對凝膠黏度的影響

如表1所示,膠液黏度隨卡拉膠比重的增加而增加,說明在總膠量和膠液溫度不變的情況下,卡拉膠的比例是影響膠液黏度的主要因素.隨著卡拉膠比重的增加,兩種大分子長鏈間的交互作用加強,分子間的聯(lián)結(jié)程度增加,造成膠液黏度的加大.另外從表1中可看出,當卡拉膠質(zhì)量分數(shù)大于 1.5%時,黏度隨卡拉膠質(zhì)量分數(shù)提高上升幅度加大.說明復(fù)配膠體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,明膠/卡拉膠復(fù)配膠在明膠濃度較高時,形成以明膠為主體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),隨著卡拉膠質(zhì)量分數(shù)的上升,卡拉膠則轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)主體[6].當卡拉膠質(zhì)量分數(shù)達到 1.5%時,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)主體由明膠轉(zhuǎn)換為卡拉膠.

表2 明膠/卡拉膠配比對凝膠溫度的影響

從表2可以看出,凝膠溫度隨卡拉膠質(zhì)量分數(shù)的增加而明顯提高,明膠與卡拉膠都可以形成熱可逆凝膠,隨著溫度的降低,體系發(fā)生了“溶膠-凝膠”轉(zhuǎn)變,形成具有一定三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠[7].與明膠相比,卡拉膠對凝膠溫度影響較大,卡拉膠濃度每上升0.5%,凝膠溫度平均提高3℃.說明隨著卡拉膠濃度的上升,兩種膠的交互作用加強,分子間纏結(jié)點增加,分子作用力加大,造成體系在較高溫度下便失去流動性,轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài).

2.2 明膠 /卡拉膠復(fù)配膠的熱力學特性

明膠/卡拉膠復(fù)配膠的熱力學特性如圖 1所示.

圖1 復(fù)配膠溫度對儲能模量的影響

由圖 1可知,不同配比的復(fù)配膠儲能模量 G’隨著溫度的上升不斷下降.凝膠體的 G’的變化反映出凝膠體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的變化,凝膠體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)隨溫度的上升逐漸潰散,當溫度達到一定值以上時,凝膠的 G’幾乎降為 0,此時膠體的三維結(jié)構(gòu)被完全破壞,體系從凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z態(tài),此時溫度即為復(fù)配膠熔點[4].

比較 5種不同配比膠體的 G’變化曲線,體系中卡拉膠所占比例越大,其 G’值越大.當卡拉膠質(zhì)量分數(shù)從 1.5%上升到 2%時,復(fù)配膠熔點提高了 1倍,此時復(fù)配膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主體發(fā)生了轉(zhuǎn)換,由明膠轉(zhuǎn)換為卡拉膠,使得體系的熱力學特性發(fā)生了明顯變化.其結(jié)果與表1中黏度與復(fù)配膠配比關(guān)系的結(jié)果相一致.說明添加卡拉膠不僅能提高黏度和凝膠溫度,同時也增加了復(fù)配膠熔點,擴展了凝膠成型后的使用溫度范圍,有利于明膠的成型加工.

2.3 氯化鉀對明膠 /卡拉膠復(fù)配膠凝膠溫度的影響

氯化鉀對明膠/卡拉膠復(fù)配膠凝膠溫度的影響見表3.

表3 氯化鉀對明膠/卡拉膠復(fù)配膠凝膠溫度的影響

當明膠 /卡拉膠為 4/2(W/W),KCl含量在0～0.6%范圍內(nèi)其凝膠溫度隨 KCl質(zhì)量分數(shù)的變化趨勢如表3所示,凝膠溫度隨 KCl質(zhì)量分數(shù)的增加而增加.當添加 0.1%的 KCl時,凝膠溫度已上升到 38℃,與 3/3(明膠 /卡拉膠)復(fù)配膠的凝膠溫度相同.有關(guān)文獻[8]指出,金屬離子能減小卡拉膠分子鏈之間的靜電排斥作用,使分子鏈呈電中性排列,加速凝膠化過程.試驗結(jié)果表明隨著K+的增加,卡拉膠分子間的靜電排斥作用減小,分子鏈更易形成螺旋結(jié)構(gòu),并在較高溫度下由螺旋聚集再形成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu).

2.4 氯化鉀對明膠 /卡拉膠復(fù)配膠的熱力學特性的影響

圖 2為添加不同質(zhì)量分數(shù)的氯化鉀的復(fù)配膠的儲能模量 G’的變化.

圖2 氯化鉀對明膠 /卡拉膠復(fù)配膠 G’的影響

比較圖 1、圖 2可以看出,添加 KCl后凝膠體系的 G’升高.當溫度為 70℃時,未添加 KCl的復(fù)配膠的 G’基本已降為 0,凝膠結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全破壞,而添加 0.1%KCl后 G’提高到 0.052 MPa,體系仍然保持有一定彈性性能,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有被完全破壞.增加凝膠體系中 K+的含量,可減少靜電排斥作用,使得整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密.隨著溫度的上升,凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從沒有 K+作用的部分開始潰散,而有 K+作用的部分由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加緊密,潰散溫度更高.因此,隨著 KCl質(zhì)量分數(shù)的提高,復(fù)配膠體系中松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷減少,轉(zhuǎn)而形成更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),潰散溫度提高.

3 結(jié)論

1)明膠 /卡拉膠復(fù)配膠的黏度和凝膠溫度都隨卡拉膠比例的上升而增加,當卡拉膠含量達到2%時,復(fù)配膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主體由明膠轉(zhuǎn)換為卡拉膠.

2)復(fù)配膠體系的儲能模量隨著溫度的上升不斷下降,卡拉膠比例的增加能有效提高體系彈性性能,提高熔點.

3)復(fù)配膠的凝膠溫度和儲能模量隨 KCl質(zhì)量分數(shù)的增加而不斷提高.

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STUDY ON THE PROPERTIES OF GELATI N-CARRAGEENAN COMPOUND GEL

CAO Xiang-wei,YAN Hai-biao
(College of Chem istry and Environm ent,Hubei University of Technology,W uhan430068,China)

The article studied the viscosity,the gel temperature and the ther modynamic properties of the gelatin-carrageenan compound gel by using a dynamic thermo-mechanical analyer(DMA),a rotating viscometer and so on,and analyzed the influences of metal ions on the properties of the compound gel.The results showed that the viscosity and the gel temperature increased by 64 mPa·s and 12℃ respectively when the mass fraction of carrageenan increased from 1%to 3%,and the storage modulus G′,also increased constantly.The gel temperature and G′of the compound gel could be improved effectively by increasing the concentration of K+.When the mass fraction of K+reached to 0.6%,the gel temperature was improved to 48℃.

gelatin;carrageenan;compound gel;gel properties

TS201.7

B

1673-2383(2010)05-0022-03

2010-06-30

曹祥薇(1986-),女,湖北武漢人,碩士研究生,研究方向為高分子材料成型與加工.

＊通信作者