魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉膠復(fù)合凝膠制備條件的優(yōu)化

吳佳煜,楊 丹,龔靜妮,李源釗,龐 杰,*,吳先輝

(1.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002;2.寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建福安 355000)

近年來,天然植物多糖受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注,多糖的利用與開發(fā)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1]。魔芋葡甘聚糖(Konjac glucomannan,KGM)是從植物魔芋的塊狀莖提取出來的中性高分子量多糖,因其具有優(yōu)良的凝膠性、吸水性等特征,被廣泛應(yīng)用在食品、工業(yè),甚至醫(yī)藥等行業(yè)[2]。KGM分子量在1×106～2×106之間,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,親水性強(qiáng)而且分子間存在獨(dú)特的相互作用,但作為凝膠制品時(shí),單一KGM的凝膠行為存在著一些不足,如凝膠強(qiáng)度不夠、黏度不足等問題,由此限制了KGM的應(yīng)用范圍[3-4]。據(jù)研究報(bào)道,在對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件下,通過對(duì)不同多糖進(jìn)行復(fù)配改性,可使多糖體系中分子間及分子內(nèi)相互作用力發(fā)生改變,從而產(chǎn)生新的性質(zhì),以改善單一多糖的部分局限性能,提升其應(yīng)用價(jià)值[5-10]。κ-卡拉膠(κ-Carrageenan,KC)是由非硫酸基化或硫酸基化的3,6-脫水半乳糖與半乳糖通過α-1,3糖苷鍵和β-1,4鍵交替連接而成,具有良好的增稠性和膠凝性,但是在單一應(yīng)用中存在著脆性過大及彈性較小的缺陷[11-16]。因而準(zhǔn)確掌握多糖混合交互作用在各種條件下的變化規(guī)律對(duì)擴(kuò)大天然多糖的應(yīng)用具有重要的意義。

本研究通過探討水浴溫度、攪拌時(shí)間、底物配比對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度的影響,并通過響應(yīng)面法優(yōu)化工藝參數(shù),模擬建立優(yōu)異的溶膠制備工藝體系,以期改善魔芋葡甘聚糖的特性黏度,并為解決魔芋葡甘聚糖在凝膠質(zhì)食品中出現(xiàn)的問題、改善食品品質(zhì)提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋葡甘聚糖 湖北一致魔芋生物科技有限公司(食品級(jí));κ-卡拉膠 浙江上方生物科技有限公司(食品級(jí))。

NDJ-9S數(shù)顯粘度計(jì) 上海五相儀器儀表有限公司;雙列電子恒溫水浴鍋 江蘇金怡儀器科技有限公司;RADWAG電子分析天平 上?？推潓?shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司;Eppendorf高速離心機(jī) 北京線上生物科技有限公司;G82046數(shù)顯六聯(lián)異步電動(dòng)攪拌器 北京冠測(cè)精電儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 KGM/KC復(fù)合膠液的制備 稱取一定量的KC粉末,于實(shí)驗(yàn)所設(shè)水浴條件下,通過調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速至450 r·min-1,將其均勻分散在100 mL去離子水中;待KC均勻溶解后,保持轉(zhuǎn)速及實(shí)驗(yàn)所設(shè)溫度不變,緩慢加入一定量的KGM粉末,于實(shí)驗(yàn)所設(shè)時(shí)間下進(jìn)行充分?jǐn)嚢鑋17];而后,將制得的KGM/KC復(fù)合膠液置于4000 r·min-1的離心機(jī)中離心5 min,取出后置于常溫下冷卻保存,待測(cè)。

1.2.2 KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度測(cè)試 使用數(shù)顯粘度計(jì),于常溫環(huán)境中將轉(zhuǎn)子浸入KGM/KC復(fù)合膠液,調(diào)整轉(zhuǎn)子浸入深度至轉(zhuǎn)子細(xì)頸下沿,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至60 r/min,進(jìn)而測(cè)定KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)固定溶液總濃度一定,選取水浴溫度、攪拌時(shí)間及底物配比三個(gè)因素進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn),考察各個(gè)因素對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度的影響。

在固定攪拌時(shí)間1.5 h、底物配比1∶1的條件下,研究水浴溫度(60、70、75、80、85 ℃)五個(gè)變量水平對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響;在固定底物配比1∶1、水浴溫度75 ℃的條件下,研究攪拌時(shí)間(0.5、1、1.5、2、2.5 h)五個(gè)變量水平對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響;在固定水浴溫度75 ℃、攪拌時(shí)間1.5 h的條件下,研究KGM:KC底物配比(10∶0、8∶2、5∶5、2∶8、0∶10)五個(gè)變量水平對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響。

1.2.4 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,以復(fù)合膠液特性黏度為響應(yīng)值,水浴溫度、攪拌時(shí)間及底物配比為因素,進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)因素及水平表

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)5次,測(cè)定所得黏度值結(jié)果取平均量;通過Design-Expert V8.0.6 軟件建立響應(yīng)面模型,基于Box-Behnken Design(BBD),對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化[18-20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 不同水浴溫度對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度的影響 從圖1可知,水浴溫度對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度具有一定影響。當(dāng)水浴溫度小于75 ℃時(shí),隨水浴溫度逐漸增大,KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度增大趨勢(shì)明顯。該現(xiàn)象的出現(xiàn)可能是由于復(fù)合膠液分子間距小,彼此緊密,溫度升高加劇分子間的摩擦使得黏度上升[21-22]。當(dāng)水浴溫度達(dá)75 ℃時(shí),復(fù)合膠液特性黏度達(dá)到最大,而后水浴溫度繼續(xù)增加,會(huì)提升分子動(dòng)能,促進(jìn)分子流動(dòng),使黏度有所降低。因此,復(fù)合膠液的最適的溫度范圍為70～80 ℃,過度升溫將不利于體系黏度的上升。

圖1 水浴溫度對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響

2.1.2 不同攪拌時(shí)間對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度的影響 從圖2可知,攪拌時(shí)間對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度性質(zhì)可造成較大的影響。隨著攪拌時(shí)間逐漸增長(zhǎng),復(fù)合膠液特性黏度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),且攪拌時(shí)間為1.5 h時(shí),可實(shí)現(xiàn)最大黏度。此后,分散于復(fù)合膠液中的KGM/KC分子鏈隨攪拌時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)而逐漸被打斷,復(fù)合膠液特性黏度隨之降低[23]。

圖2 攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響

2.1.3 不同底物配比對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度的影響 從圖3可知,不同底物配比對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度可造成較大的影響。隨著KGM的占比從100%減小到50%時(shí),KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)。該現(xiàn)象形成原因可歸結(jié)于當(dāng)KGM占比較大時(shí),復(fù)合膠液內(nèi)部形成兩相連續(xù)的互穿/互鎖結(jié)構(gòu),流動(dòng)阻力進(jìn)一步增大,從而引起復(fù)合膠液特性黏度的增大;隨著高黏度的KGM組分在體系中含量逐漸減少時(shí),KC分子與水分子的結(jié)合能力增強(qiáng),削弱了KGM分子和水分子間的相互作用力,轉(zhuǎn)而使KGM分子間結(jié)合力受到強(qiáng)化,致使分子鏈產(chǎn)生收縮效應(yīng),分子尺寸由此減小;同時(shí),由于大量的KC附著在KGM表面,造成體系粒子間的粘滯力及遲滯力減小,流動(dòng)性增強(qiáng),而使得體系黏度急劇降低[24]。

圖3 底物配比對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響

2.2 KGM/KC復(fù)合體系特性黏度優(yōu)化

2.2.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)與結(jié)果分析 參考Box-Behnken實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì),由單因素實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果可知,水浴溫度、攪拌時(shí)間及底物配比對(duì)KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度影響較大。因此,在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以復(fù)合膠液特性黏度為響應(yīng)值建立三因素三水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果參見表2。

表2 Box-Behnken 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

采用Design-Expert V8.0.6軟件對(duì)Box-Behnken設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)指標(biāo)的擬合,并通過建立數(shù)學(xué)模型對(duì)自變量的回歸曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如下:

黏度Y=47.62-0.27A+1.46B+9.90C+0.87AB-0.11AC-0.14BC-3.99A2-6.27B2-11.82C2。

建立回歸模型方差分析,分別設(shè)置顯著性檢驗(yàn)參考值為0.05及0.01(表3)。

通過表3所示數(shù)據(jù)分析可知,模型p值<0.0001,決定系數(shù)R2=0.9999,說明響應(yīng)值變化有99.99%來源于所選因素,回歸方程在表達(dá)各個(gè)因素對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響上具有顯著性(p<0.05),回歸模型能很好的解釋響應(yīng)面的變化。失擬項(xiàng)p=0.5090>0.05,未能達(dá)到顯著水平,表明其模型純誤差是不顯著的,由此可說明依據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)擬合出的回歸曲線方程意義顯著,可以用來分析KGM/KC復(fù)合膠液交互作用的最佳條件。

表3 回歸模型方差分析

從回歸方程顯著性檢驗(yàn)可知:模型中影響復(fù)合膠液特性黏度的因素主次為C-底物配比>B-攪拌時(shí)間>A-水浴溫度。其中,A、B、C、A2、B2、C2的影響均為極顯著(p<0.01),BC間交互作用影響顯著(p<0.05),AB間交互作用影響極顯著(p<0.01)。

圖4～圖6表示底物配比、水浴溫度及攪拌時(shí)間三因素間兩兩交互作用對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響的響應(yīng)面圖與等高線圖。

圖4表示當(dāng)?shù)孜锱浔葹?∶1時(shí),水浴溫度和攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響。其中,由圖4(a)可看出，隨著水浴溫度與攪拌時(shí)間的增大,復(fù)合膠液特性黏度呈先增大后減小的趨勢(shì)。由圖4(b)可看出等高線趨于橢圓形狀,表示水浴溫度和攪拌時(shí)間的交互作用顯著(p<0.05)。

圖4 水浴溫度與攪拌時(shí)間交互作用對(duì)復(fù)合膠液特性黏度影響的響應(yīng)面圖(a)和等高線圖(b)

圖5表示當(dāng)攪拌時(shí)間為1.5 h時(shí),底物配比和水浴溫度對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響。其中,由圖5(a)可看出KGM/KC底物配比隨KGM占比的減小,復(fù)合膠液特性黏度呈先緩慢增大后急劇減小的趨勢(shì)。同樣,隨著水浴溫度的升高,復(fù)合膠液特性黏度也符合先增大后減小的趨勢(shì)。

圖5 水浴溫度與底物配比交互作用對(duì)復(fù)合膠液特性黏度影響的響應(yīng)面圖(a)和等高線圖(b)

圖6表示當(dāng)水浴溫度為75 ℃時(shí),底物配比和攪拌時(shí)間對(duì)復(fù)合膠液特性黏度的影響。其中,由圖6(a)可看出，KGM/KC底物配比隨KGM占比的減小及攪拌時(shí)間的增大,復(fù)合膠液特性黏度呈先增大后減小的趨勢(shì)。

圖6 攪拌時(shí)間與底物配比交互作用對(duì)復(fù)合膠液特性黏度影響的響應(yīng)面圖(a)和等高線圖(b)

2.2.2 驗(yàn)證分析 根據(jù)Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得出回歸曲線方程,并通過Design-Expert V8.0.6程序處理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所得數(shù)據(jù)。應(yīng)用響應(yīng)面設(shè)計(jì)法優(yōu)化出最佳KGM/KC復(fù)合膠液制備條件為:水浴溫度75.67 ℃,攪拌時(shí)間1.45 h,底物配比1∶0.57時(shí),KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度最高,在該條件下的理論黏度值為69.1397 Pa·s。將以上理論組合進(jìn)行實(shí)際校正,為:水浴溫度76 ℃,攪拌時(shí)間1.5 h,底物配比(KGM:KC)5∶3,在此條件下重復(fù)5次實(shí)驗(yàn),得到黏度值為(68.87±0.37) Pa·s,與理論值誤差為0.39%<1%,說明模型準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

通過響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),證明了水浴溫度、攪拌時(shí)間、底物配比均為KGM/KC復(fù)合膠液特性黏度的顯著影響因子(p<0.05)。通過單因素實(shí)驗(yàn)與響應(yīng)面分析法優(yōu)化所得的最佳KGM/KC復(fù)合凝膠制備工藝參數(shù)為:水浴溫度76 ℃,攪拌時(shí)間1.5 h,底物配比(KGM∶KC)5∶3,此時(shí)的KGM/KC復(fù)合膠液黏度值為68.87 Pa·s,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所得數(shù)值與理論值的誤差<1%,說明經(jīng)過優(yōu)化所得的最佳工藝參數(shù)可靠合理。本研究可為改善以魔芋葡甘聚糖為原料的食品品質(zhì)提供一定的理論依據(jù)和指導(dǎo),從而拓寬其在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用。