鈣離子對低酯果膠/海藻酸鈉復合凝膠流變特性及微觀結(jié)構(gòu)的影響

苗鐘化，辛宜聰，曾瑞琪，張甫生，鄭炯*

1(西南大學 食品科學學院，重慶,400715) 2(食品科學與工程國家級實驗教學示范中心(西南大學)，重慶，400715)

海藻酸鈉(sodium alginate，Alg)是一種由α-L-古洛糖醛酸(G鏈段)與β-D-甘露糖醛酸(M鏈段)以1,4糖苷鍵連接而成的線性多糖，其會根據(jù)不同海藻種類、提取部位以及收獲的時間段來決定M/G鏈段比例與分布[5]。由于海藻酸鈉的水溶液具有較高的黏度，因此在食品和藥品等行業(yè)中已經(jīng)廣泛的被用作增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑[6]。Alg單獨使用時其凝膠會具有良好的熱穩(wěn)定性，但凝膠較為脆弱，且其溶解緩慢，因此很少單獨添加Alg作為凝膠劑或增稠劑[7]。食品復合膠可以彌補單種膠體的缺點，因此目前已有不少關于Alg和其他膠體復配的報道，張帆[8]等研究發(fā)現(xiàn)，在Alg和黃原膠復合后，相分離的出現(xiàn)會引起臨界凝膠點的急劇降低。周愛梅等[9]研究表明，Alg和HMP復配后兩者可在酸性環(huán)境中加熱形成凝膠。

研究表明，金屬離子對Alg凝膠結(jié)構(gòu)和流變性能有不同程度的影響，在加入Ca2+的Alg體系的凝膠形成過程中，會形成“蛋盒”結(jié)構(gòu)或螺旋構(gòu)象[10]。汪海波[11]則指出Cu2+、Ca2+加入到LMP中，可以得到硬度和彈性更好的凝膠。而楊英[12]則探討了加入Ca2+后，濃縮誘導Alg/HMP體系形成凝膠。在實際應用中，Alg凝膠具有較好的彈性但質(zhì)地脆弱，LMP凝膠具有較高的黏度但彈性較差，將2種對Ca2+均有響應的凝膠復合后或許可以彌補2種凝膠單獨使用的缺點，目前國外有不少學者使用Alg與果膠復合后制備了具有均勻網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、拉伸性能優(yōu)異的薄膜[13-14]。因此本實驗用Alg與LMP復合后，加入不同濃度的Ca2+，觀察復配凝膠體系流變特性與微觀結(jié)構(gòu)的變化，旨在拓廣Alg與LMP在食品行業(yè)中的應用，并為開發(fā)新型的LMP/Alg復合凝膠提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

低酯果膠(酯化度20%)，河南恒銳食品生物科技有限公司；海藻酸鈉,河南千志商貿(mào)有限公司;CaCl2(分析純)，成都市科龍化工試劑廠;檸檬酸(分析純)，成都市科龍化工試劑廠；NaHCO3(分析純)，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 儀器與設備

電子分析天平(FA2004A型)，上海精天電子儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)流變儀(AR-G2型)，美國TA公司；鎢燈絲掃描電子顯微鏡(JSM-6510LV型)，日本電子株式會社(JEOL)。

1.3 方法

1.3.1 復合凝膠的制備

參考楊英[12]的方法，首先用檸檬酸和NaHCO3配制成pH值為6的緩沖體系，量取50 mL緩沖液加入0.2 g的Alg在80 ℃下將其完全溶解。量取49 mL的緩沖液，加入0.8 g的LMP在常溫下溶解完全。將Alg溶液冷卻至室溫后與LMP溶液混合，攪拌均勻，分別加入1 mL不同濃度CaCl2的溶液，標準樣品加入1 mL去離子水，最終配制成100 mL Ca2+濃度分別為0、6、9、12、15 μmol/mL的凝膠體系，放置在4 ℃的冰箱靜置24 h后進行測定。

工程數(shù)據(jù)庫主要用于存儲施工升降機導軌架零件工程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫主要由導軌架的物理性能、常規(guī)力學性能以及幾何參數(shù)等組成。物理性能主要包括施工升降機導軌架材料、適用范圍、彈性模量、泊松比、剪切模量、質(zhì)量、熱處理方式、應用實例等。常規(guī)力學性能主要包括屈服強度、重力、強度極限、硬度、工作狀態(tài)、受力情況等。幾何參數(shù)主要包括長度、寬度、高度、面積、體積等幾何信息。將這些信息存儲在Access數(shù)據(jù)庫中，用ODBC數(shù)據(jù)庫的形式表達，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳遞和共享。

1.3.2 流變特性的測定

參考楊英[12]的方法并做如下的改動：采用平板-平板測量系統(tǒng)，平行板直徑40 mm，設置間隙1.5 mm在25 ℃下用稱量勺挖取適量樣品,待平行板下壓后，用刮板除去多余樣品，表面用硅油密封防止水分蒸發(fā)。

靜態(tài)流變測定：切速率從0～300 s-1上升，再從300～0 s-1下降，測定過程中剪切應力和黏度的變化情況。采用Power-law模型對所得數(shù)據(jù)點進行擬合，R2表示方程擬合精度。Power-law方程表示如下：

σ=Kγn

(1)

式中：σ指剪切應力，Pa；K指稠度系數(shù)，Pa·sn；γ指剪切速率，s-1；n表示流體指數(shù)。

動態(tài)黏彈性測定：設置掃描應變值為1%，振蕩頻率設定0.1～10 Hz，在25 ℃下觀察不同樣品的儲能模量G′、損耗模量G″的變化情況。

動態(tài)時間掃描測定：設置溫度為30 ℃，固定振蕩頻率為1 rad/s，掃描應變1%，觀察不同樣品的儲能模量G′、損耗角正切tanδ在3 600 s內(nèi)的變化。

動態(tài)溫度掃描測定：設置溫度掃描范圍25～80 ℃，以2 ℃/min的速率從80 ℃開始降溫，固定振蕩頻率為1 Hz，保留時間300 s，觀察不同樣品的儲能模量G′與損耗角正切tanδ隨溫度的變化情況。

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)的觀察

使用掃描電子顯微鏡對LMP/Alg復合凝膠體系微觀結(jié)構(gòu)進行觀察。將制備好的凝膠樣品放于冰箱中凍藏24 h后，水分凍結(jié)完全，再將樣品放置在-55 ℃的真空冷凍干燥機中，待樣品完全干燥后固定在樣品臺上，經(jīng)離子濺射儀噴金后，在15 kV的電壓和200放大倍率下進行掃描電鏡的觀察，選擇清晰且具有代表性的視野進行拍照。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所得數(shù)據(jù)均使用Origin 9.0進行相關圖表的繪制和數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣離子對LMP/Alg復合凝膠流變特性的影響

2.1.1 靜態(tài)剪切流變特性

圖1是添加了不同Ca2+濃度的LMP/Alg復合凝膠體系的剪切應力與剪切速率的變化關系。由圖可知，添加了Ca2+的凝膠體系其剪切應力均有所下降，并在Ca2+濃度為9 μmol/mL后剪切應力達到最低，繼續(xù)向復合凝膠添加Ca2+其剪切應力有所回升。這是由于在較低的剪切速率下，復合凝膠纏結(jié)、鉤掛的形成速度比由于外力引起的纏結(jié)破裂速度更快，因此復合凝膠體系表現(xiàn)出較高的黏度[15]，但隨著剪切速率的增大，較高速率剪切的作用力對分子間的作用力具有的破壞作用占據(jù)主導地位而導致了黏度的下降[3]。

表1為Power-law模型的擬合結(jié)果，由表可知，擬合方程的決定系數(shù)R2均在0.97以上，因此擬合模型的精度較高。稠度系數(shù)K是體系黏稠度的量度，K值越大則體系越黏稠，而流體指數(shù)n可以表示樣品的假塑性程度[16]。由表可知，添加鈣離子的凝膠體系其流體指數(shù)均比未添加鈣離子的體系更低，這可能是由于鈣離子的加入在多糖分子間形成了鹽橋，使分子間更加有序的纏繞，因此體系表現(xiàn)出更強的假塑性[3]。稠度系數(shù)的變化規(guī)律較流體指數(shù)更為復雜，這可能是由于Alg的G鏈段對Ca2+非常敏感，因此低濃度下主要表現(xiàn)出的是Alg凝膠的流變學特征，體系具有較高的彈性和較低的黏度，但Ca2+的濃度超過9 μmol/mL后，LMP開始在Ca2+的作用下形成“蛋盒”結(jié)構(gòu)，而由于復合體系中LMP的占比更高，因此隨Ca2+濃度的增大，表現(xiàn)出更明顯的LMP流變學特征。

表1 LMP/Alg復配體系Power-Law方程擬合參數(shù)Table 1 Power-Law parameters for LMP/Alg mixed system

2.1.2 動態(tài)黏彈流變特性

圖2-A和圖2-B是凝膠體系的動態(tài)模量與損耗角正切隨掃描頻率變化的曲線。圖2-A表明未添加Ca2+的體系其儲能模量較低，Ca2+的加入可以明顯提高體系的儲能模量，而隨著剪切頻率的加快，凝膠體系的儲能模量迅速上升，且添加Ca2+的體系比未添加鈣離子的體系其儲能模量上升幅度更大，復合凝膠在Ca2+添加濃度為9 μmol/mL時儲能模量達到峰值。圖2-B表明了Ca2+的加入可以有效降低凝膠體系的損耗角正切。這可能是由于Ca2+的加入使得分子間開始形成“蛋盒”結(jié)構(gòu)，因此體系表現(xiàn)出更多的固態(tài)特征，損耗角正切下降，這與HAN等[17]的研究結(jié)果類似。但是當Ca2+添加量過多時，可以看出凝膠體系的損耗角正切反而上升，這可能是因為較低濃度的Ca2+加入后首先與Alg分子結(jié)合，而Alg凝膠體系與LMP凝膠體系相比，其表現(xiàn)出更強的固體特征和彈性特征。結(jié)合圖2-A可知，復合凝膠的儲能模量降低，并且損耗角正切升高，黏性特征增強，說明繼續(xù)加入Ca2+之后，Ca2+與LMP分子結(jié)合，形成了以LMP凝膠為主的復合凝膠[18-19]。

圖2 LMP/Alg復配體系儲能模量(A)及損耗正切值(B)隨頻率變化曲線Fig.2 Curves of storage modylus(A) and tanδ(B) with frequency of LMP/Alg mixed system

2.1.3 動態(tài)時間掃描

圖3-A和圖3-B是LMP/Alg復合凝膠體系儲能模量和損耗角正切在1 h內(nèi)隨時間的變化趨勢。由圖3-A、3-B可知，未添加Ca2+的凝膠體系其儲能模量最低，損耗角正切值最大，這是可能由于樣品無有序排列與分子間鏈接形成的空間結(jié)構(gòu)，導致體系的固體特征不明顯，彈性不足。由于LMP和Alg都具有許多羧基基團，在Ca2+加入后都會與其形成“蛋盒”結(jié)構(gòu)，水分子則被包裹在該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中，同時Ca2+的加入可能使分子上的電荷分布更加均勻，分子排列更加有序，使得凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)更加致密，彈性有所上升，固體特征更加明顯，最終導致了儲能模量的上升與損耗角正切值的下降[12]。

圖3 凝膠體系儲能模量(A)及損耗角正切(B)隨保留時間變化曲線Fig.3 Curves of storage modulus(A) and tanδ(B) with time of gel systems

由圖3-A可以看出，當Ca2+添加達到9 μmol/mL其彈性模量達到最大，但是其隨時間的變化幅度也較大，即凝膠在長時間的外力作用下不太穩(wěn)定，在Ca2+添加量為6 μmol/mL時其儲能模量也出現(xiàn)了相似的變動。這可能是由于在較低濃度的Ca2+環(huán)境中，海藻酸鈉的G鏈段比LMP更加敏感[20-21]，先與Ca2+形成了“蛋盒”結(jié)構(gòu)，而由Alg G鏈段和Ca2+相結(jié)合形成的凝膠體系表現(xiàn)出較好的彈性，因此儲能模量在Ca2+濃度為9 μmol/mL時達到峰值，而損耗角正切在此時最小[20]。但是在長時間的外力作用下其儲能模量的變化幅度更大，這可能是由于由2個Alg分子與1個Ca2+所形成的“蛋盒”結(jié)構(gòu)并不是最終的穩(wěn)定構(gòu)象，這種結(jié)構(gòu)最終會轉(zhuǎn)變?yōu)橛?個海藻酸鈉分子與1個Ca2+所形成的螺旋構(gòu)象，因此低濃度Ca2+表現(xiàn)出復合凝膠體系的儲能模量變化幅度更大[10]。有學者指出，由于LMP分子結(jié)構(gòu)中含有較多未被甲基化的羧酸基團，分子間的斥力較大，Ca2+的加入可能會起到中和電荷從而改變果膠分子聚集狀態(tài)的作用，而LMP在復合凝膠體系中的含量明顯占優(yōu)勢地位，因此隨著Ca2+的繼續(xù)添加體系表現(xiàn)出了更高的黏性，但由于LMP分子間在Ca2+的作用下形成了鹽橋，總體上仍然比未添加Ca2+的凝膠體系具有更強的彈性和固體特征[3]。

2.1.4 動態(tài)溫度掃描

圖4-A和圖4-B反映了凝膠體系在不同溫度下儲能模量和損耗模量變化趨勢，由圖4-A、4-B可知，未添加Ca2+的凝膠體系其儲能模量和損耗模量變化幅度不大，但在降溫的過程中儲能模量和損耗模量均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。而添加了Ca2+的凝膠體系其儲能模量和損耗模量在40～50 ℃時達到峰值，然后會隨溫度的降低而略有下降，這可能是由于高溫破壞了多糖分子之間的氫鍵，導致體系中分子之間無序排列，而隨著溫度的降低，氫鍵逐漸形成，在40 ℃左右多糖分子間的氫鍵基本完全形成，多糖分子鏈與Ca2+形成的螺旋結(jié)構(gòu)具有較穩(wěn)定的構(gòu)象，因此此時的儲能模量與損耗模量達到峰值[22]。當Ca2+達到9 μmol/mL時，凝膠體系具有最高的儲能模量，這可能是因為在此Ca2+濃度下主要表現(xiàn)出的是以彈性為主的Alg凝膠特征[23]，而繼續(xù)加大Ca2+濃度，2種模量均有所下降，則可能是由于大量的Ca2+加入后，Ca2+在LMP分子間形成鹽橋，使得LMP形成了更為有序的排列，表現(xiàn)出了以LMP為主的凝膠特征。

圖4 凝膠體系儲能模量(A)及損耗模量(B)隨溫度變化曲線Fig.4 Curves of storage modulus(A) and tanδ(B) with temperature of gel systems

2.2 鈣離子對LMP/Alg復合凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖5為不同Ca2+添加量的LMP/Alg凝膠體系在200倍下的掃描電鏡圖。圖5-A表明，未添加Ca2+的凝膠體系中主要是大分子間的纏繞和鉤掛，通過多糖分子間的相互作用形成簡單的聚合體，圖中的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和凝膠孔洞較少，主要為片狀與條狀物質(zhì)的纏繞和鉤掛，這與陳軍[24]研究的果膠粗提取掃描電鏡圖的結(jié)果相類似。

圖5-B表明，隨著Ca2+的加入，復合凝膠開始出現(xiàn)三維的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，開始形成更多的凝膠孔洞，因此宏觀上凝膠體系表現(xiàn)出更明顯的固態(tài)特征與更強的彈性特征。由圖5-B的掃描電鏡觀察圖中可以看出，類似圖5-A中的片狀和條狀物質(zhì)有所減少，而細小的海綿多孔與類似蜂窩的結(jié)構(gòu)則是Alg與Ca2+結(jié)合后的凝膠特征結(jié)構(gòu)[25]。

圖5-C為當Ca2+添加濃度達到9 μmol/mL時復合凝膠的電鏡圖，可以看出在此條件下制備得到的凝膠體系其凝膠孔洞是最多且最為致密的，因此表現(xiàn)出最明顯的固體特征與較高的彈性，這與流變學測定結(jié)果是一致的，這應該是由于此時復合凝膠中的Ca2+濃度適當，體系中占主導地位的是Alg分子與Ca2+結(jié)合后的復合物，因此表現(xiàn)出Alg的凝膠特征。

A-0 μmol/mL;B-6 μmol/mL;C-9 μmol/mL;D-12 μmol/mL;E-15 μmol/mL圖5 不同Ca2+添加量的LMP/Alg復合體系電鏡掃描圖Fig.5 Scanning electron microscope images of different content Ca2+ in LMP/Alg mixed system

圖5-D為Ca2+濃度達到12 μmol/mL的掃描電鏡圖。由圖5-D可知，隨著Ca2+濃度的繼續(xù)增大，復合凝膠中孔洞的數(shù)量低于Ca2+濃度為9 μmol/mL時的數(shù)量，并且其掃描觀察圖中的網(wǎng)孔沒有圖5-C中的孔洞致密，呈現(xiàn)出片狀和帶狀的纏結(jié)傾向。有學者研究發(fā)現(xiàn)，LMP與Ca2+的交聯(lián)除“蛋盒”模型的棒狀交聯(lián)，隨Ca2+濃度的提升，在LMP與 Ca2+的交聯(lián)過程中LMP分子更多地呈現(xiàn)出點狀交聯(lián)[26]。而LMP在復合凝膠中占據(jù)優(yōu)勢地位，因此在高濃度Ca2+的環(huán)境中，推測Ca2+溶液的加入會和周邊LMP分子作用，因此更多的表現(xiàn)出LMP的特征，這可能是圖5-D呈現(xiàn)出不同于圖5-B和圖5-C掃描電鏡圖的原因。

圖5-E的觀察結(jié)果表明，在高濃度Ca2+環(huán)境中復合凝膠的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出片狀和條狀物質(zhì)的鉤掛和纏繞，類似圖5-A，但圖5-E中的凝膠結(jié)構(gòu)具有更規(guī)則和致密的排序，這可能是由于LMP分子中本身具有較多的羧基基團，解離后負電荷間的排斥力較大，但Ca2+加入后平衡了部分電荷，在分子間形成了鹽橋，再通過分子間的氫鍵與側(cè)鏈間的疏水相互作用穩(wěn)定構(gòu)象，因此分子間的排列更為緊密，最終導致了圖中的片狀和條狀物質(zhì)更為致密和有序[15]。

3 結(jié)論

LMP/Alg復合凝膠體系為典型的剪切變稀的假塑性流體，但添加Ca2+的復合凝膠體系具有更低的稠度系數(shù)與流體指數(shù)。Ca2+的加入使復合凝膠最終的儲能模量和損耗模量均有提升，損耗角正切值下降，復合凝膠的流變學性能得到改善。同時，Ca2+的加入使得凝膠的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開始形成，并在Ca2+濃度為9 μmol/mL時觀察到最致密和有序的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，繼續(xù)加入Ca2+后，多孔網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)受到影響，呈現(xiàn)出LMP特征的凝膠結(jié)構(gòu)。在實際應用中，可以根據(jù)產(chǎn)品的需求加入不同濃度的Ca2+，控制最終成品的黏彈性。但后續(xù)還需要進一步研究LMP/Alg在不同產(chǎn)品中的添加效果，以拓寬LMP/Alg復合凝膠體系在食品行業(yè)中的應用。