魔芋葡甘聚糖與羧甲基淀粉復配凝膠穩(wěn)定性研究

徐焱春，丁保淼，徐振明，田志宏，*

(1.長江大學生命科學學院，湖北荊州434025;2.湖北達雅化工技術發(fā)展有限公司，湖北荊州434000)

魔芋(Amorphophalms konjac)為天南星科魔芋屬植物的泛稱，是一種多年生宿根塊莖草本植物，在我國其主要分布于四川、湖北、貴州、陜西等地山區(qū)［1］。魔芋經(jīng)過粗加工后制成魔芋粉，其主要成分為魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，簡稱KGM)，它是魔芋中的主要活性物質(zhì)，對于魔芋葡甘聚糖的一級結構，目前比較公認的說法是，由D-葡萄糖和D-甘露糖以1∶1.6、1∶1.5 物質(zhì)的量的比，通過β-1，4-糖苷鍵和β-1，3-糖苷鍵等連接而成的，而且在某些糖殘基C-3 位和C-6 位上存在含有乙?；闹ф?，這可能與其凝膠性有關［2-5］。據(jù)研究顯示，魔芋葡甘聚糖在食品、醫(yī)藥、果蔬保鮮等方面有著廣泛的應用前景［6-8］。在實際應用中魔芋葡甘聚糖其凝膠存在穩(wěn)定性差的缺點，這大大限制了其在實際生產(chǎn)中的應用。文獻研究表明魔芋膠與其他膠體復配具有協(xié)同作用，不僅可以大大地改善魔芋膠的性能，而且還可以研究出新型的、低成本的、集合多種膠體優(yōu)良性能的產(chǎn)品［9-10］。本文以魔芋葡甘聚糖與羧甲基淀粉進行復配，探討各影響因素對復配膠凝膠強度的影響情況，并為提高魔芋的利用價值及其實際應用提供一定的理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋精粉、羧甲基淀粉 湖北達雅化工技術發(fā)展有限公司提供;其它試劑 均為分析純。

TMS-PRO 型質(zhì)構儀 美國食品技術公司生產(chǎn)。

1.2 實驗方法

1.2.1 復配凝膠的制備 按照一定的KGM∶CMS 復配比例和濃度，將稱量好的魔芋精粉和羧甲基淀粉分別倒入盛有蒸餾水的燒杯中，放置在溫度分別為30、45、60、75、90℃的恒溫水浴鍋中，持續(xù)攪拌一段時間后，取出燒杯在室溫下分別放置一定時間后，測量其凝膠強度。

1.2.2 復配凝膠的強度測定 凝膠強度是指使凝膠破裂的單位表面積上所承受的力。使用質(zhì)構儀測定凝膠強度，測試程序參數(shù)如下:測試速度60mm/min，測試距離20mm，探頭使用直徑為3.6cm 的圓柱平底體探頭。質(zhì)構儀測定參數(shù)的定義:定義凝膠的強度為，測試中探頭做的功，即正峰值下的正面面積，單位為mJ。

1.2.3 單因素實驗

1.2.3.1 總濃度對魔芋葡甘聚糖-羧甲基淀粉復配凝膠強度的影響 固定KGM 和CMS 復配比例為8∶2(w/w)，凝膠溫度為60℃，凝膠時間為1h，改變復配膠的總濃度(20、30、40、50、60g/L)，探討濃度對凝膠強度的影響。

1.2.3.2 復配比例對復配凝膠強度的影響 固定KGM 與CMS 復配凝膠的總濃度為20g/L，凝膠溫度為60℃，凝膠時間為1h，改變KGM 與CMS 質(zhì)量比例(10∶0、8∶2、6∶4、5∶5、4∶6、2∶8、0∶10)，考察其對復配凝膠的強度影響。

1.2.3.3 凝膠溫度對復配凝膠強度的影響 固定KGM 和CMS 復配比例為8∶2(w/w)，總濃度20g/L，凝膠時間1h，改變其凝膠溫度(30、45、60、75、90℃)，觀察溫度對復配凝膠強度的影響。

1.2.3.4 煮膠時間對復配凝膠強度的影響 固定KGM 和CMS 復配比例8∶2(w/w)，總濃度20g/L，凝膠溫度60℃，改變其煮膠時間(30、45、60、75、90、105、120min)從而提高復配體系的凝膠強度。

1.2.3.5 常溫放置時間對復配凝膠強度的影響 固定KGM 和CMS 復配比例8∶2(w/w)，總濃度20g/L，凝膠溫度60℃，凝膠時間1h，改變復配凝膠在常溫下的放置時間分別為0、4、8、12、16、20、24、28、32h。

1.2.3.6 鹽離子對復配凝膠強度的影響 固定KGM和CMS 比例8 ∶2(w/w)，總濃度20g/L，凝膠溫度60℃，凝膠時間1h，改變鹽離子(KCl)的質(zhì)量分數(shù)分別為0.1%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8% (占蒸餾水體積)。

2 結果與分析

2.1 總濃度對魔芋葡甘聚糖-羧甲基淀粉復配凝膠強度的影響

濃度是復配溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z的一個必要條件，只有達到一定的濃度值，才有可能形成凝膠。結果如圖1。

圖1 總濃度對復配凝膠強度的影響Fig.1 The effect of the total concentration on the gel strength

從圖1 中可以看出，總濃度與凝膠的強度呈3 次方多項式相關性(R2=0.999)，相關性方程如下:y =0.0004x3-0.0484x2+2.0363x-19.572

隨著總濃度的不斷增加，凝膠的強度也不斷增大，其可能的原因是隨著總膠濃度的增大，復配膠分子占的體積增大，加大了相互作用的機率，故凝膠強度增大［11］。然而，在一定溫度和一定煮膠時間條件下，濃度越大所形成的凝膠氣泡越多且越大，且表面易形成一層膜，對凝膠實際強度測定帶來一定的誤差。

2.2 復配比例對復配凝膠強度的影響

KGM 與CMS 復配比例對復配膠的協(xié)同作用有重要影響，結果如圖2。

圖2 KGM-CMS 的復配比例對凝膠強度的影響Fig.2 KGM-CMS compound proportion affect gel strength

由圖2 可知，當比例在8∶2 時，復配凝膠的強度達到最大值，為52mJ;隨著比例的降低，凝膠強度也降低，當比例為4∶6 時，復配凝膠強度與單體魔芋葡甘聚糖凝膠強度相當;但隨著比例的繼續(xù)降低，復配凝膠強度則小于單體魔芋葡甘聚糖凝膠強度。說明當復配比例大于4∶6 時，復配凝膠體系中起主導作用的是魔芋葡甘聚糖，而當復配比例小于4∶6 時，起主導作用的是羧甲基淀粉。

2.3 凝膠溫度對復配凝膠強度的影響

溫度是對復配凝膠強度的一個重要的影響因素，結果如圖3。

圖3 溫度對凝膠強度的影響Fig.3 The effect of temperature on the gel strength

圖3 顯示了溫度與復配凝膠強度的關系，隨著溫度的增高，凝膠強度也隨之增大，當溫度增高到75℃時，復配凝膠強度達到最大值51.9mJ;當溫度處于75～90℃之間時，凝膠體系的強度有所下降，但高于低溫下和常溫下的凝膠強度，可能的原因是高溫加速了分子的運動速率和提高了分子的活力，加大了分子之間的碰撞機會，然而持續(xù)高溫也有可能破壞了部分分子結構［12］，影響了其原有的性質(zhì)。

2.4 煮膠時間對復配凝膠強度的影響

煮膠是為了使魔芋葡甘聚糖與羧甲基淀粉分子間充分反應，從而提高復配體系的凝膠強度，結果如圖4。

圖4 煮膠時間對凝膠強度的影響Fig.4 The effect of the cook glue time on the gel strength

由圖4 可得知，煮膠時間90min 時，復配凝膠的強度達最大值63.4mJ;圖4 中還顯示出，小于60min時，復配凝膠的強度變化不大，且均較小，從60 ～120min 之間，復配凝膠的強度變化劇烈，60min 是一個拐點，可能是由于隨著煮膠時間的延長，分子間有足夠的時間發(fā)生碰撞，慢慢形成大量氫鍵［13］;凝膠強度先是急劇增加到90min 時，然后又急劇下降，90min時間是一個臨界點，造成這種變化可能的原因是隨著持續(xù)高溫的煮膠，部分分子發(fā)生降解，從而凝膠強度下降。

2.5 常溫放置時間對復配凝膠強度的影響

對放置時間的探討是基于在實際應用中，提高復配凝膠產(chǎn)品的性能，其結果如圖5。

圖5 放置時間對復配凝膠強度的影響Fig.5 The effect of deposited time on the gel strength

如圖5 所示，隨著放置時間的延長，復配凝膠強度也增強;當放置時間為24h 時，復配凝膠的強度增加到最大值，即62.98mJ;當放置時間超過24h 后，復配凝膠的強度開始下降;可能是由于凝膠存放時間過長，分子間已形成的牢固的網(wǎng)格結構降解，凝膠的強度下降所致。

2.6 鹽離子對復配凝膠強度的影響

KCl 含量對復配凝膠強度的影響結果如圖6。

圖6 表明，KCl 質(zhì)量分數(shù)與復配凝膠的強度呈負相關性，隨著KCl 含量的不斷增加，復配凝膠強度不斷減小，而且在KCl 含量為0.1%～0.2%之間，凝膠強度下降最劇烈;導致凝膠強度降低的原因可能是由于加入離子后，破壞了原有兩種多糖分子間的絞合，妨礙了氫鍵的形成，從而影響了凝膠的強度。

圖6 KCl 質(zhì)量分數(shù)對凝膠強度的影響Fig.6 The effect of KCl concentration on the gel strength

3 結論

利用KGM 與CMS 的協(xié)同增效作用，以CMS 改善KGM 的凝膠性能，制備了KGM-CMS 復配凝膠，KGM 的凝膠性能得到了大大的改善。實驗結果表明，總膠濃度為20g/L 時即可得性質(zhì)良好的復配凝膠，且復配凝膠的穩(wěn)定性隨著總膠濃度的增加而明顯提高;復配凝膠的最優(yōu)制備工藝為:KGM∶CMS 比例8∶2(w/w)，煮膠溫度75℃，煮膠時間90min，常溫放置時間24h。同時研究發(fā)現(xiàn)，KCl 會降低復配凝膠的穩(wěn)定性。本研究為KGM-CMS 復配凝膠的實際應用提供了一定的科學依據(jù)。

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