不同處理條件對明膠體系凝膠特性的影響

黃遠芬， 王 欣， 劉寶林

(上海理工大學食品質量與安全研究所，上海200093)

明膠是膠原蛋白的變性產物，具有良好的膠凝性、熱可逆性和親水性，是一種重要的食品添加劑，可作為酒類的澄清劑、分散體系的穩(wěn)定劑、肉制品的增稠劑和膠凝劑等［1］。

作為增稠劑和膠凝劑，黏度和凝凍強度是反映明膠品質的重要指標［2］。此外，很多食品如果凍、糖果、水晶肉等對產品的透明度亦有一定的要求［3］，因此透射比也是一個不可忽視的指標。食品體系中的電解質、酸堿性、糖類物質及明膠濃度等因素均會影響明膠的黏度、凝凍強度和透射比。如Choi［4］研究發(fā)現(xiàn)，魚明膠的凝凍強度隨蔗糖濃度的增加而增大，隨NaCl 濃度的增加而減小;當pH 值小于4 或大于8 時，其凝凍強度則劇烈下降。Pang等［5］認為，當pH 值為3 時，明膠體系的凝膠結構最為松散，凝膠硬度和強度最小。李光鵬等［6］的研究結果顯示明膠濃度的增加可使溶液黏度增大;而當NaCl 和蔗糖的濃度小于5.0%時有利于增加溶液的黏度。齊海萍［3］等認為NaCl 的添加對明膠/海藻酸鈉復合體系的透明度不利，而蔗糖濃度低于7.5%則有助于體系透明度的改善。

雖有不少的文獻就明膠凝膠特性的影響因素進行了報道，但鮮有同時研究這些因素。因此本試驗將著重研究明膠濃度、蔗糖、NaCl 和pH 值對明膠凝凍強度、黏度和透射比的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠(化學純，B 型豬骨膠)、蔗糖和NaCl(均為分析純)購于上海國藥試劑有限公司。TA. XT Plus 質構儀購于英國SMS 公司;NDJ-5S 數(shù)顯旋轉粘度計購于上海昌吉地質儀器有限公司;UV 9100D 紫外可見分光光度計購于北京萊伯泰科儀器有限公司;PHS-25 型數(shù)顯pH 計購于上海儀電科學儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 明膠溶液的配制

1.2.1.1 不同明膠濃度的明膠溶液配制 以去離子水為溶劑，稱取一定質量的明膠至去離子水中，在室溫下放置1 ～2 h，充分溶脹后，60 ℃水浴攪拌，配置濃度(質量體積比分別為5%、10%、15%、20%、25%的均勻明膠溶液。

1.2.1.2 不同蔗糖濃度的明膠溶液配制 配制質量分數(shù)分別為0 ～35%(以5%為間隔)的蔗糖溶液作為溶劑，稱取一定質量的明膠至蔗糖溶液中，在室溫下放置1 ～2 h，充分溶脹后，60 ℃水浴攪拌，使之形成明膠濃度為10%(質量體積比)的均勻溶液。

1.2.1.3 不同NaCl 濃度的明膠溶液配制 配制摩爾濃度分別為0 ～3.0 mol/L(以0.5 mol/L為間隔)的NaCl 溶液作為溶劑，稱取一定質量的明膠至NaCl 溶液中，在室溫下放置1 ～2 h，充分溶脹后，60℃水浴攪拌，使之形成明膠濃度為10%(質量體積比)的均勻溶液。

1.2.1.4 不同pH 值的明膠溶液配制 首先按照方法1.2.1.1 中所示方法配制10 份濃度均為10%(質量體積比)的明膠溶液，再分別將各份明膠溶液的pH 值相對應地調節(jié)為2 ～11。

1.2.2 檢測項目及方法 凝凍強度:將明膠溶液移入凍力瓶，置于4 ℃冰箱中存放12 h 后測量。測量參數(shù):探頭P/0.5，測試前速度1.00 mm/s，觸發(fā)力10 g，測試速度1.50 mm/s，測試距離20.00 mm，返回速度10.00 mm/s。

黏度:將明膠溶液置于35 ℃水浴，保持恒溫，用黏度計測量。

透射比:將明膠溶液置于45 ℃水浴，用紫外分光光度計測量溶液在波長450 nm 及620 nm 下的透光率，所得值即為透射比［7］。

1.3 數(shù)據處理

試驗中均設3 次重復，每個重復測量2 次，運用SPSS 17.0 軟件對數(shù)據進行統(tǒng)計分析，用Origin 8.0軟件對數(shù)據進行擬合。

2 結果與分析

2.1 明膠濃度對其凝膠特性的影響

凝凍強度反映的是明膠由溶液或者溶膠形成有彈性的、可逆的凝膠的特性。明膠濃度對明膠體系凝凍強度的影響見圖1A。在試驗濃度范圍內，明膠體系凝凍強度隨明膠濃度的增加呈良好的線性增加趨勢(R2=0.993)。這是由于，在明膠凝膠網絡結構形成過程中，4 ℃時明膠單體通過內部氫鍵形成單螺旋結構，每3 條單螺旋肽鏈間以氫鍵相連形成3 股螺旋，3 股螺旋結構通過重組形成一個巨大的大分子三維網絡［8］。氫鍵最重要的作用之一是形成和維持網絡結構［9］。明膠濃度的增大有助于分子內氫鍵的生成和分子間氫鍵的增加，氫鍵的增多促使更大、更為致密的凝膠網絡結構的生成，因此凝凍強度隨著明膠濃度增加而增大。

明膠體系黏度隨明膠濃度的增加呈良好的二項式升高趨勢(R2=0.975*)(圖1B)，這與Yang［10］的試驗結果相符。這是因為在明膠濃度較小時，明膠粒子之間相互獨立，溶液體系沒有固定的結構，隨著濃度的增加，明膠粒子間的距離變小，形成的氫鍵使明膠肽鏈聚集形成松散的三維網狀結構［11］，增多的網狀結構阻礙了明膠體系的流動性，因此明膠體系的黏度也隨之增大。

圖1 凝凍強度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨明膠濃度的變化情況Fig.1 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittancy(C)of geltin with gel concentrations

2.2 蔗糖濃度對凝膠特性的影響

明膠體系凝凍強度隨蔗糖濃度的變化見圖2A。以蔗糖濃度25%為分界點，凝凍強度隨蔗糖濃度的增加呈先增大后減小的三項式函數(shù)關系(R2=0.94*)。

蔗糖對明膠的凝凍過程存在正反兩方面的作用:一方面蔗糖分子含有較多的羥基(-OH)，具有很強的水合作用［13］，蔗糖的加入能夠促進明膠肽鏈與溶劑之間的水合作用，使連接單螺旋鏈的連接點增多，從而促進明膠的膠凝化，增加體系的剛性［14］，使凝凍強度增大。另一方面，隨著蔗糖濃度的遞增，蔗糖較強的水合能力可能與明膠“競爭”水［15］，使明膠的膠凝時間滯后，不利于明膠的凝膠化，因此隨蔗糖濃度的增加，阻礙凝膠網絡形成的作用增大。由此可推斷在蔗糖濃度小于25%時，水合作用占主導，促進明膠凝膠網絡的形成;而當其濃度大于25%時，阻礙膠凝形成的作用占主導，故凝凍強度呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖2 明膠凝凍強度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨蔗糖濃度的變化情況Fig.2 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)，and transmittancy(C)of gelatin with sucrose concentrations

明膠體系黏度隨蔗糖濃度的增加而呈良好的二項式增大趨勢(R2= 0.970)(圖2B)。這與Bryant［16］等的研究結論相符。Choi［15］等同樣發(fā)現(xiàn)糖類物質，如蔗糖、木糖和葡萄糖會增大明膠體系的黏度。蔗糖濃度小于25%時，蔗糖濃度的增加有利于凝膠網絡的形成，這削弱了體系的流動性，使體系的黏度增大;同時，蔗糖溶液的黏度也隨蔗糖濃度的增加而增大［17］，因此明膠體系黏度隨蔗糖濃度的增加而增大。

明膠體系透射比隨蔗糖濃度的增加整體呈增大的趨勢(圖2C)。蔗糖濃度低于25%時，蔗糖能增強明膠的水合作用，使得明膠溶液中的無規(guī)則卷曲結構變得較為均勻，因此透射比隨蔗糖濃度增加而增大［3］。而在蔗糖濃度大于25%時，可能由于蔗糖無膠凝作用使得溶液中原本就稀疏的無規(guī)則卷曲結構變得更加松散，因此透射比增大。

2.3 NaCl 濃度對明膠凝膠特性的影響

明膠體系凝凍強度隨NaCl 濃度的變化見圖3A，凝凍強度隨NaCl 濃度的增加而線性減小(R2=0.984*)。

圖3 明膠凝凍強度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨NaCl 濃度的變化情況Fig.3 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittancy(C)of gelatin with NaCl concentrations

蛋白質凝膠的形成是體系中各種吸引力與排斥力達到平衡的結果［18］。鹽離子具有極強的親水性，會抑制蛋白質的水合作用;同時，鹽離子還會中和蛋白質上的電荷，削弱明膠分子之間的靜電相互作用，打破凝膠體系中吸引力與排斥力之間的平衡［19］，不利于網絡結構的形成。因此NaCl 濃度的增加使得蛋白質高分子鏈卷曲，形成的凝膠網絡剛性減弱［20］，凝凍強度減小。

明膠體系黏度隨隨NaCl 濃度的變化見圖3B。當NaCl 濃度小于2.0 mol/L時，NaCl 的添加不利于明膠的水合作用，體系中的無規(guī)則卷曲結構增多，黏度減小;NaCl 濃度為2.0 mol/L時，明膠體系的黏度與空白組相比顯著降低(P ＜0.05);當NaCl 濃度大于2.0 mol/L時，由于明膠蛋白質的鹽析［21］造成體系黏度增大。但總體明膠黏度隨NaCl 濃度的增加整體上呈先減小后增大的趨勢，這一結果與Cumper［22］等的研究結果相符。

明膠體系透射比隨NaCl 濃度的變化見圖3C，隨NaCl 濃度的增大，明膠體系的透射比整體呈先增大后減小的趨勢。在本試驗濃度范圍內，NaCl 不利于凝膠網絡結構的形成，凝膠的凝凍強度隨NaCl 濃度的增加而減小，這說明明膠無規(guī)則卷曲結構變得稀疏，光透過率增大，故透射比增大。當NaCl 濃度繼續(xù)增加鹽析出的顆粒分散在體系中，影響了溶液的光透過率，因此透射比相對減小。

2.4 pH 值對明膠凝膠特性的影響

明膠體系凝凍強度隨pH 值的變化見圖4A，在pH 值為4 ～7 時，明膠體系凝凍強度相對較高，而當pH 值小于4 或大于7 時，凝凍強度迅速減小。這與Choi［4］和Pang［5］等的研究結果相似。

圖4 明膠凝凍強度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨pH 值的變化情況Fig.4 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittance(C)of gelatin with pH values

引起這種變化的原因可能有以下兩個方面:(1)靜電斥力作用:當pH 值偏離明膠等電點(約4.89)時，肽鏈之間會因帶上相同屬性的電荷而產生靜電斥力，偏離越大，斥力越大，而過大的斥力會打破維持網絡結構的作用力之間的平衡，不利于網絡結構的形成。故溶液的酸性或堿性越強，凝凍強度越小。(2)組成肽鏈的氨基酸中含有-COOH、-NH2、-NH-等，它們可與-OH、-NH2、-NH-等基團上的氫原子形成氫鍵，促進凝膠的形成，但酸性條件下，加入的H+易與肽鏈上的N 或O 原子結合，將N 或O 原子質子化，導致氫鍵被破壞［23］，使凝凍強度顯著降低。

明膠體系黏度隨pH 值的變化見圖4B。黏度在pH 值為2 ～6 時無顯著差異(P ＞0.05)，而pH 值為7 時體系黏度顯著增大，但pH 值大于7 時，則黏度顯著減小，這與Ward［24］的結論相符，即當pH 值為3 ～5 時，明膠溶液的黏度要相對穩(wěn)定;而pH 值為7時雖偏離此范圍，但仍有利于凝膠的形成，其凝凍強度相對較大，使其黏度相對增大;但當pH 值大于7時，由于明膠體系內的氫鍵被破壞，不利于網絡結構的形成，從而使體系黏度顯著降低。

明膠體系透射比隨pH 值的增大呈先減小后緩慢上升的趨勢，并且與pH 值呈良好的二項式函數(shù)關系(圖4C)。原因可能是質子化作用和過大的靜電斥力抑制了明膠體系的凝膠化，使溶液中原本就松散的網絡結構更為疏松，因此溶液的酸性或堿性越強，其透射比越大。

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