蔗糖共溶質(zhì)對瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變學性質(zhì)及結(jié)構(gòu)形成動力學的影響

朱建華，鄒秀容，丘秀珍，劉日斌，單 斌

（1.韶關學院英東食品科學與工程學院，廣東 韶關 512005；2.韶關學院化學與環(huán)境與工程學院，廣東 韶關 512005）

從材料科學視角而言，食品產(chǎn)品是將營養(yǎng)、感官和控釋等功能賦予到由各種食用成分經(jīng)過相應工藝處理（壓力、剪切及溫度場等）而獲得的具一定微結(jié)構(gòu)（如凝膠、乳液及泡沫等）的軟物質(zhì)，與其他軟物質(zhì)不同的是其能被攝食且可被感知到質(zhì)構(gòu)和風味[1-4]。食品工業(yè)所囊括的各式食品種類中，半固體凝膠態(tài)食品占據(jù)極為廣泛的市場份額，對食品產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟推動和滿足民眾消費意義重大。果凍類凝膠產(chǎn)品為由較低濃度的單一或多種食品高分子（多糖等親水膠體）、高濃度低分子共溶質(zhì)（蔗糖、淀粉糖漿等）及溶劑水構(gòu)成，為典型半固體軟物質(zhì)凝膠材料[5-7]。果凍類凝膠產(chǎn)品工業(yè)制備成型在蔗糖等共溶質(zhì)場中完成溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程，此過程溶膠、調(diào)配、灌裝及殺菌工序都保持較高溫度，體系呈溶膠狀態(tài)，殺菌后的冷卻工序體系發(fā)生溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，由流動態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)[8-10]。

共溶質(zhì)場指食品高分子材料溶膠-凝膠過程所處的環(huán)境并非理想狀態(tài)下的僅含高分子組分的水溶液環(huán)境，同時溶液中溶解有蔗糖、淀粉糖漿、聚葡萄糖、鹽分、乳化劑等單一或多元低分子共溶物（即共溶質(zhì)）[11-12]。此類共溶物的分子質(zhì)量小于食品高分子分子質(zhì)量，共溶質(zhì)的存在可改變食品高分子在溶液中的折疊和纏結(jié)，并影響到溶膠-凝膠過程流變性質(zhì)演變規(guī)律，進而影響到產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)、風味及貯藏性能的體現(xiàn)[13-15]。果凍類產(chǎn)品制備成型溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程的流變學性質(zhì)直接影響到原料泵送、產(chǎn)品成型及質(zhì)構(gòu)形成等重要性質(zhì)形成。目前食品學術和產(chǎn)業(yè)界相關研究人員多從工藝及配方優(yōu)化角度來研究果凍類凝膠體系[16-17]，關于共溶質(zhì)場中食品高分子共混體系的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變性質(zhì)及凝膠形成動力學研究鮮見報道。

本實驗以瓊脂-魔芋膠為雙組分共混模擬工業(yè)生產(chǎn)果凍用二元復配體系，采用流變測試、質(zhì)構(gòu)分析、掃描電鏡及紅外分析等技術，研究蔗糖共溶質(zhì)濃度對瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變學性質(zhì)變化趨勢、凝膠化速度及動力學的影響，以期為果凍類凝膠產(chǎn)品的物性設計和規(guī)避產(chǎn)品質(zhì)量缺陷提供應用理論基礎參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

LV-Q2瓊脂 福建省緑麟食品膠體有限公司；魔芋膠（型號KJ30） 湖北強森魔芋科技有限公司；蔗糖（一級，含量＞99.6%） 市售。試劑均為食品級。

MCR92旋轉(zhuǎn)流變儀 奧地利Anton Paar公司；FTIR-8400S傅里葉變換紅外光譜儀 日本島津公司；TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀 美國FTC公司；TM3030型臺式掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司。

1.2 方法

1.2.1 瓊脂-魔芋膠共混體系相圖測定

按相應比例混合蔗糖和魔芋膠粉，然后于60 ℃用純水溶脹15 min配制獲得魔芋膠儲備液。用純水及瓊脂粉按預先預設比例配制懸浮液，并于室溫預先進行8 h溶脹得瓊脂儲備液。按一定比例共混瓊脂儲備液及魔芋膠儲備液得瓊脂-魔芋膠共混液，配制后用錫箔紙密封燒杯口并放入水浴鍋中于80 ℃恒溫30 min，恒溫階段結(jié)束后迅速取出自然冷卻至室溫，通過目測法觀察瓊脂-魔芋膠溶液共混體系相圖形態(tài)并繪制相圖。

1.2.2 流變學性質(zhì)測試

含有不同質(zhì)量分數(shù)蔗糖的瓊脂-魔芋膠共混溶液于80 ℃水浴鍋中恒溫30 min后，轉(zhuǎn)移至保溫桶中進行保溫，然后將1 mL樣品，快速轉(zhuǎn)移到預先加熱到70 ℃的流變儀平行板（上下板直徑45 mm，狹縫1 mm），除去過量樣品并在樣品外緣加一層輕質(zhì)硅油防止樣品中的水分蒸發(fā)。在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)（0.5%應變），進行小振幅應變掃描考察體系黏彈性質(zhì)。測試程序如下：先從70 ℃以2 ℃/min降溫至10 ℃，然后在10 ℃保溫10 min，此過程頻率恒定為6.28 rad/s，記錄G’、G”及損耗系數(shù)（tanδ）；然后進行頻率掃描，頻率范圍為0.1～100 rad/s。

1.2.3 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠結(jié)構(gòu)形成速度測定

非等溫或等溫過程特定時間階段共混凝膠形成相對快慢常用凝膠結(jié)構(gòu)平均形成速度（structure developing rate average，SDRa）及即時凝膠化速度進行表征[18-20]，如公式（1）、（2）所示：

式中：G’ini為G’end特定時間階段對應的起始及終點彈性模量值/Pa；tini、tend為對應階段起始及終點測定時間/min。對G’-t曲線求一階導數(shù)得：

式中：vg為即時凝膠化速度/（Pa/min）。

SDRa及vg分別可用于表征時間段及時間點的凝膠化相對快慢，但尚難以定量表征vg改變的快慢，為此引入即時凝膠化加速度參數(shù)，如公式（3）所示：

式中：αg為對G’-t曲線求二階導數(shù)獲得即時凝膠化加速度/（Pa/min2）。

αg的正負性具有物理意義，正值表示凝膠化處于加速階段，而負值則反之視為凝膠化處于減速階段，正負性相同的αg可以其絕對值（加速率）進行相對大小比較，其值越大，凝膠結(jié)構(gòu)化速度改變越快。αg可用于輔助分析凝膠化加速過程特征。

1.2.4 瓊脂-魔芋膠共混凝膠質(zhì)構(gòu)特性測定

質(zhì)構(gòu)測定用凝膠樣品制備過程采用內(nèi)空腔為圓臺體的模具，相應圓臺體尺寸為：下底面Ф1為（23±1.0）mm，上底面Ф2為（20±1.0）mm，高度H為（7±0.5）mm。將瓊脂-魔芋膠共混溶液于80 ℃水浴恒溫30 min后注入模具中，室溫條件下2 h后脫模待測。測試條件及參數(shù)：P/36R探頭，測前速率為1.0 mm/s，測試速率為0.5 mm/s，返回速率為1.0 mm/s，壓縮變形程度為20%，觸發(fā)力為0.10 N。

1.2.5 瓊脂-魔芋膠共混凝膠析水性測定

瓊脂-魔芋膠共混凝膠制備程序同1.2.4節(jié)，于室溫條件放置2 h脫模后，移入20 ℃恒溫箱中并開始計時，測定樣品保溫3、6、9、21、24 h及27 h后的析水率，按公式（4）計算：

式中：m0為初始凝膠質(zhì)量/g；mt為靜置t小時后凝膠的質(zhì)量/g。

1.2.6 掃描電鏡測試

瓊脂-魔芋膠共混凝膠樣品制備程序同1.2.4節(jié)，切成10 mm×10 mm×10 mm薄片狀，放入超低溫冰箱凍結(jié)，隨后置于凍干機凍干后轉(zhuǎn)移至干燥器中密封保存。掃描電鏡觀察前用薄刀片將樣品切片，并選擇低真空模式后在15 kV加速電壓下觀察橫切斷面微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.7 傅里葉變換紅外光譜測試

測試前瓊脂-魔芋膠共混凝膠樣品烘干至恒質(zhì)量，采用常規(guī)溴化鉀壓片法制備紅外掃描用樣品，掃描波數(shù)范圍選取4 000～400 cm－1，分辨率為0.5 cm－1，記錄樣品的紅外光譜。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有實驗均重復3 次，利用Origin 9.0軟件進行繪圖，采用SPSS 21.0軟件進行質(zhì)構(gòu)、析水性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，通過單因素方差分析（one-way ANOVA）比較組間數(shù)據(jù)，結(jié)果以 ±s表示，P＜0.05，差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 瓊脂-魔芋膠溶液共混體系相圖分析

圖1 瓊脂-魔芋膠共混體系相圖Fig. 1 Phase diagram of agar/konjac blends

未添加蔗糖條件下，圖1中瓊脂質(zhì)量分數(shù)和魔芋膠質(zhì)量分數(shù)網(wǎng)格線的交點為1 個樣品的瓊脂質(zhì)量分數(shù)和魔芋膠質(zhì)量分數(shù)的組合。瓊脂-魔芋膠共混體系的相圖形態(tài)共分為黏彈性流體態(tài)、水樣凝膠態(tài)、弱凝膠態(tài)及自支撐型凝膠態(tài)。盛放樣品的燒杯傾斜45°后，自杯緣可流出的樣品相態(tài)為黏彈性流體態(tài)、樣品上層可發(fā)生較大位移蠕動且自杯緣不可流出的樣品相態(tài)為水樣凝膠態(tài)、樣品可輕微蠕動但燒杯垂直倒置后可從燒杯中跌落的樣品相態(tài)為弱凝膠態(tài)；盛放樣品的燒杯垂直倒置后樣品發(fā)生輕微蠕動但不會從燒杯中跌落的樣品相態(tài)為自支撐型凝膠態(tài)。由圖1可知，2 種多糖質(zhì)量分數(shù)均較低時，即瓊脂質(zhì)量分數(shù)不大于0.20%，且魔芋膠質(zhì)量分數(shù)不大于0.30%，該區(qū)域內(nèi)共混體系尚未形成三維網(wǎng)絡凝膠結(jié)構(gòu)，共混體系的相態(tài)為黏彈性流體態(tài)，該相態(tài)占據(jù)相圖的左下角區(qū)域。在較高瓊脂濃度或魔芋膠濃度區(qū)域（瓊脂質(zhì)量分數(shù)大于0.30%或魔芋膠質(zhì)量分數(shù)大于0.40%），單獨增加魔芋膠或瓊脂質(zhì)量分數(shù)均可觀察到共混體系的相態(tài)均發(fā)生由黏彈性流體態(tài)逐漸向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變趨勢?；谙鄨D分析及實際工業(yè)生產(chǎn)果凍體系多糖配料濃度范圍，后續(xù)流變、析水、質(zhì)構(gòu)、電鏡及紅外性質(zhì)分析選擇質(zhì)量分數(shù)組合為0.60%瓊脂-0.60%魔芋膠的共混體系為研究對象進行考察。

2.2 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變性質(zhì)分析

圖2 瓊脂-魔芋膠共混體系G’和G”隨t變化曲線Fig. 2 G’-t and G”-t cures of agar/konjac blends

含不同蔗糖共溶質(zhì)的瓊脂-魔芋膠共混體系降溫及恒溫過程黏彈性模量隨時間變化如圖2所示。降溫起始階段（約70～55 ℃），G’及G”值均低于10 Pa且G”＞G’，表明共混體系處于可流動態(tài)。降溫過程隨溫度進一步降低（約55～40 ℃），G’、G”逐漸增加，G’增幅顯著高于G”增幅，G’和G”相對大小仍呈G”＞G’，但兩者差值漸小，直至達到傳統(tǒng)意義上凝膠點（gel point temperature，GPT，G’=G”時，溫度值約40 ℃左右）。GPT的意義在于整個體系形成三維凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，共混溶液體系由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，不能再流動，但受外力作用時可以變形。GPT以下隨溫度降低直至降溫末溫度點，G’呈增加趨勢，黏彈性模量值相對大小保持G’＞G”，且二者差值呈“剪刀差”增加趨勢。最后恒溫階段G’呈緩慢增加趨勢，表明凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)得到進一步鞏固。相同控溫程序條件下，預實驗研究了純瓊脂和純魔芋膠黏彈模量隨時間變化趨勢（實驗數(shù)據(jù)未示出），發(fā)現(xiàn)控溫過程瓊脂溶液發(fā)生了明顯的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，而魔芋膠溶液G’、G”變化非常小且未出現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，表明瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變主要由瓊脂組分引起。

瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠過程特征參數(shù)結(jié)果（表1）顯示，隨蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加，凝膠點溫度、同溫度點G’、SDRa值均呈先增加而后降低趨勢，表明蔗糖共溶質(zhì)存在可以調(diào)節(jié)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變進程及改變凝膠的強度。低質(zhì)量分數(shù)蔗糖存在時，蔗糖與多糖分子之間的相互作用主要通過蔗糖的平伏羥基與多糖分子間形成氫鍵，并促進交聯(lián)點出現(xiàn)和凝膠化[21]。此種促進凝膠形成的效應可能主要與蔗糖在水溶液體系中具備強的水合作用相關，而水合作用可將水分子從瓊脂及魔芋膠高分子周圍排斥出來，降低了瓊脂分子周圍的水分子數(shù)，削弱了瓊脂分子與水分子之間的相互作用，從而促進瓊脂多糖分子形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。過量的蔗糖共溶質(zhì)存在卻因蔗糖與自由水分子間氫鍵分子作用加強阻礙了瓊脂多糖螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)生和弱化凝膠形成。研究人員在考察卡拉膠、結(jié)冷膠等單一多糖凝膠證實了蔗糖濃度低于臨界值時可以穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)，而高于臨界值時促使凝膠失穩(wěn)的現(xiàn)象[22-24]。

表1 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程流變學特征參數(shù)Table 1Rheological characteristic parameters of agar/konjac blends during sol-gel transition

圖3 瓊脂-魔芋膠共混體系tanδ-t關系曲線Fig. 3 tanδ-t cures of agar/konjac blends

tanδ-t作為G’-t，G”-t曲線的補充，表征瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變時具有參考意義，圖3顯示瓊脂-魔芋膠共混體系經(jīng)歷了從溶膠態(tài)過渡到凝膠態(tài)的過程，隨溫度降低，凝膠化開始后，tanδ不斷減小，歷經(jīng)tanδ為1后，tanδ值最終介于0.25～0.31之間，為典型弱凝膠結(jié)構(gòu)[25]。隨蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加，與對照相比，添加5%蔗糖樣品tanδ為1所在溫度值要高于對照樣，添加10%及15%蔗糖樣品對應溫度值介于對照樣和添加5%蔗糖樣品之間，進一步證實了蔗糖小分子共溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)可影響到瓊脂-魔芋膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變歷程。

圖4 瓊脂-魔芋膠共混體系控溫程序末頻率掃描曲線Fig. 4 G’-ω and G”-ω cures of agar/konjac blends at the end of the constant temperature procedure

由圖4可知，頻率掃描范圍內(nèi)G’＞G”，表明樣品均能形成凝膠結(jié)構(gòu)。低頻范圍，隨頻率增加模量增加緩慢，但高頻區(qū)，隨頻率增加，彈性模量出現(xiàn)陡增或陡降，表明高頻區(qū)共混體系凝膠結(jié)構(gòu)容易被破壞。相同角頻率條件下，隨著蔗糖質(zhì)量分數(shù)的增大，共混凝膠G’值呈先增加而后降低趨勢，進一步說明低質(zhì)量分數(shù)蔗糖共溶質(zhì)的存在，強化了瓊脂-魔芋膠共混凝膠結(jié)構(gòu)，而高質(zhì)量分數(shù)蔗糖共存時又使共混凝膠結(jié)構(gòu)遭到破壞[26]。

2.3 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變速度分析

圖5 瓊脂-魔芋膠共混體系vg（a）及αg（b）隨時間變化曲線Fig. 5 vg-t (a) and αg-t (b) cures of agar/konjac blends

高分子體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變存在多種判定方法，其中一種方法認為溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變時發(fā)生G’=G”，此種凝膠點的判定方法因簡單直觀而被廣泛用于食品高分子體系凝膠研究[27-28]。但此種方法的局限性在于無法探知溶液體系中交聯(lián)點的首次出現(xiàn)點溫度及交聯(lián)點生成量最大時的溫度，也不能定量考察溶膠-凝膠化過程的速度及加速度情況，因此有研究人員提出對G’-t關系求導并提出vg概念對溶膠-凝膠化速度進行分析[18]，本實驗對該方法進行了小幅改進，提出vg參數(shù)概念表征溶膠-凝膠化進程。對G’-t關系曲線分別取一階及二階導數(shù)，相應得到vg及αg。

表2 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠過程凝膠化節(jié)點溫度、速度及加速度參數(shù)Table 2 T, vg and αg of agar/konjac blends during sol-gel transition

由圖5a可知，隨溫度降低，vg均呈先自零線（縱坐標為零的水平界限線）下方升高經(jīng)過零線而后升高達到峰值，繼而降低的趨勢。vg為0處對應的溫度點為凝膠化起始點溫度（initial structure formation temperature，IST），介于55～60 ℃之間，IST可視為儀器設備感知閾值內(nèi)首次感應到共混體系中多糖的螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈形成，此后隨溫度降低瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈數(shù)量和長度增加引起G’增加，直至vg達最大值時溫度點（critical structure formation temperature，CST），CST值約為30 ℃，此溫度點瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈生成量最大；溫度點低于CST后，G’進一步增加，vg值從峰值回落，主要因為瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈增量逐漸降低所致，恒溫過程vg繼續(xù)呈下降趨勢，但均因出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點而改變了降溫過程vg原有下降趨勢，原因在于相同時間內(nèi)恒溫過程形成的瓊脂雙螺旋分子鏈相比降溫而言增量更小，但凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)得到進一步鞏固。從圖5a及表2特征參數(shù)可知，與對照相比，添加5%蔗糖后共混體系vg明顯增加，但添加10%與添加5%蔗糖共混體系樣品相比vg得到降低，但仍高于對照樣，添加15%蔗糖共混體系的vg與對照樣相比無顯著性差別。

圖5b顯示所有蔗糖添加范圍αg隨溫度降低呈逐漸降低趨勢。αg曲線分布在零線兩側(cè)，零線上側(cè)，為凝膠化正向加速階段，其值排序依次為αg0%蔗糖＜αg15%蔗糖＜αg10%蔗糖＜αg5%蔗糖，表明瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠化加速均在降溫起始階段，此階段vg增加，G’亦增加。零線下側(cè)凝膠加速度值為負值，表明凝膠化驅(qū)動力變?yōu)榉聪嗔?，隨溫度降低凝膠形成速度遞減，G’仍增加。含不同蔗糖共溶質(zhì)共混體系凝膠加速率大小依次排序與零線上側(cè)相同，同溫度點含5%蔗糖共混體系凝膠結(jié)構(gòu)化加速率值最高。與對照樣相比，含5%蔗糖共混體系在零線兩側(cè)同溫度點凝膠化加速率值均增加，且溫度點距離CST越遠，兩者加速率差值越大，表明添加5%蔗糖后共混體系凝膠化加速快、減速也快。當蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加至10%時，共混體系零線兩側(cè)凝膠化加速率值均從峰值下降，添加15%蔗糖后，凝膠化加速率值進一步回落，但仍高于對照樣。此結(jié)果可能主要因為蔗糖在水溶液環(huán)境中與瓊脂親水膠體分子競爭鍵合水分子，較低質(zhì)量分數(shù)蔗糖利于瓊脂分子鏈之間形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而對凝膠結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)態(tài)化作用。較低共溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)蔗糖使瓊脂多糖分子鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的速率更快，達到峰值后大部分瓊脂分子鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)并參與凝膠結(jié)構(gòu)，因而共混體系溶液中的瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)形成速度減緩從而導致凝膠化速率降低也快。

2.4 凝膠化反應動力學分析

非等溫動力學模型常用于降溫過程溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變動力學分析[29]，此種方法主要結(jié)合經(jīng)典非等溫化學分解反應動力學速率方程、阿倫尼烏斯方程、時溫關系及凝膠與橡膠物理體系的近似處理四方面而獲得。經(jīng)典的非等溫化學分解反應動力學可按方程（5）表征[30]：

式中：C為質(zhì)量分數(shù)/%；C0為初始質(zhì)量分數(shù)/%；t為反應時間/min；k0為指前因子；Ea為反應活化能/（J/mol）；T為t時刻對應的絕對溫度值/K；R為氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））。

變溫速率為線性速率的前提下的，基于實驗實證和回歸分析進行推導此表達式可獲得：

非等溫條件下的經(jīng)典化學反應動力學模型能與流變測試黏彈性模量關聯(lián)起來，關鍵是借鑒橡膠彈性理論進行轉(zhuǎn)換，具體就凝膠體系而言，因彈性模量值通常與高分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)量或質(zhì)量分數(shù)成比例，因此質(zhì)量分數(shù)改變效應可通過同步改變的彈性模量值來研究，對方程（6）而言C與彈性模量G’的改變具有等效性，因此其質(zhì)量分數(shù)C和質(zhì)量分數(shù)變化值（dC）可分別用模量值G’及模量變化值（dG’）予以替代[31]，并得到直接用流變學參數(shù)表征凝膠過程的動力學方程：

與公式（6）相比，公式（7）中因為凝膠形成過程彈性模量值增量為正，此公式中負號轉(zhuǎn)換為正號，此一點與分解反應過程反應物質(zhì)量分數(shù)增量為負正好相反。多糖非等溫動力學分析過程常見現(xiàn)象是降溫階段實驗結(jié)果通常會顯示溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程具備2 個特征區(qū)域，對應2 個不同溫度范圍并分成2 個不同階段的反應[32-33]。為研究蔗糖質(zhì)量分數(shù)對共混體系凝膠動力學參數(shù)影響，因此進行歸一化比較，利用方程（7）對瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠形成過程進行動力學分析，參照已有親水膠體體系凝膠過程n值亦取值為2[34-35]。圖6為不同蔗糖質(zhì)量分數(shù)條件下瓊脂-魔芋膠共混體系的作圖結(jié)果，結(jié)果表明溫度大于50 ℃時，G’及G”值都很小，且黏彈性模量值存在上下波動狀態(tài)，在擬合曲線上顯示為噪音信號，見圖6中橢圓虛線標示出區(qū)域。選定第I階段溫度范圍為50～35 ℃，第II階段溫度范圍為35～10 ℃，以最小二乘法擬合后求得2 個階段的Ea值（表3），分段擬合直線的R2值均大于0.90，表明擬合過程具有較高置信度并具備可比性。

圖6 瓊脂-魔芋膠共混體系彈性模量隨溫度變化的Arrhenius擬合曲線Fig. 6 Arrhenius fitting of G’-T cures of agar/konjac blends

表3 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過程凝膠活化能及相關系數(shù)特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of Ea and R2during sol-gel transition

高溫范圍內(nèi)所有樣品的Ea介于250～430 kJ/mol，均顯著高于低溫區(qū)相應值（介于50～60 kJ/mol），高溫范圍內(nèi)活化能相對比較高，表明瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠三維網(wǎng)絡需要克服能壘越高，而低溫范圍，瓊脂分子形成雙螺旋結(jié)構(gòu)相對容易，能壘顯著降低，凝膠形成速度大大加速。當添加蔗糖質(zhì)量分數(shù)為5%時，高溫區(qū)能壘被顯著降低，進一步增加蔗糖質(zhì)量分數(shù)到10%或15%時，能壘重新得到提高，尤其添加15%質(zhì)量分數(shù)蔗糖時，能壘甚至超過對照樣，弱化了形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，此結(jié)果與G’-t、G”-t曲線表現(xiàn)出的蔗糖質(zhì)量分數(shù)改變效應趨勢是一致的，主要因為低質(zhì)量分數(shù)蔗糖有助于高分子間的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成，降低了形成凝膠網(wǎng)絡所需要的能量，而高質(zhì)量分數(shù)蔗糖因為蔗糖自身束縛水能力的增強弱化了多糖分子水化溶脹，最終導致形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)需要消耗更多的能量。與高溫區(qū)域蔗糖質(zhì)量分數(shù)對活化能具備顯著影響效應相比，改變蔗糖質(zhì)量分數(shù)對低溫區(qū)域的Ea沒有顯著性差別影響，原因可能在于第II階段發(fā)生在凝膠化增強過程，瓊脂雙螺旋分子鏈結(jié)構(gòu)形成相對容易。研究人員考察低甲氧基果膠、低?；Y(jié)冷膠/酪蛋白酸鈉及刺槐豆膠/黃原膠共混體系單一或共混親水膠體體系凝膠活化能隨溫度變化時發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果[27,29,31]。

2.5 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠析水性質(zhì)分析

由圖7可知，添加5%蔗糖瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠在27 h后的析水率是1.45%，未添加共溶質(zhì)對照樣相應值是1.50%，略有降低，進一步增加蔗糖質(zhì)量分數(shù)至10%，析水率顯著降低到1.17%，表明添加蔗糖質(zhì)量分數(shù)越高，瓊脂-魔芋膠共混凝膠的析水率越低，蔗糖加入后，能明顯提高共混凝膠的持水能力。蔗糖分子中的平伏羥基基團能夠與鄰近水分子相互作用，形成分子間氫鍵，蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加，此類氫鍵數(shù)也相應增加，導致持水能力增加，文獻報道蔗糖共溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對瓊脂及黃原膠共混凝膠彈性模量及持水性質(zhì)具類似影響趨勢，并歸因于蔗糖因富含羥基比親水膠體分子具更強的水合能力所致[35-36]。

圖7 蔗糖質(zhì)量分數(shù)對瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠析水性影響Fig. 7 Effects of sucrose concentration on the syneresis of agar/konjac blend gels

2.6 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)分析

圖8 蔗糖質(zhì)量分數(shù)對瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)的影響Fig. 8 Effects of sucrose concentration on textural properties of agar/konjac blend gels

由圖8可知，隨蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加，與對照相比共混凝膠彈性值呈先增加后降低趨勢，說明添加蔗糖量較少時，利于多糖分子形成雙螺旋結(jié)構(gòu)并促進凝膠形成，與蔗糖質(zhì)量分數(shù)影響共混凝膠G’趨勢結(jié)果一致。黏附性則呈先降低后增加趨勢，表明較高質(zhì)量分數(shù)蔗糖存在時，小分子共溶質(zhì)蔗糖與水分子形成水合作用后利于對多糖分子鏈塑化作用，使分子鏈展延，不利于多糖分子鏈聚集并產(chǎn)生較強黏附作用。

2.7 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠微觀結(jié)構(gòu)分析

如圖9所示，與對照樣相比，隨蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加共混凝膠基質(zhì)愈發(fā)細密化，斷面區(qū)域更加平整，共混凝膠孔隙呈降低趨勢，此現(xiàn)象可能是由于蔗糖存在因氫鍵作用更多的水分是以毛細水分存在，導致凍干過程，從凝膠表面逸散出去的凹洞明細減小，此與析水率的結(jié)果相一致。添加10%及15%蔗糖的共混凝膠斷面微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不規(guī)則點狀白色斑點，主要是凍干過程因局部區(qū)域小分子共溶質(zhì)蔗糖溶質(zhì)過飽和后形成結(jié)晶所致。Maurer等[36]在考察瓊脂及黃原膠體系時發(fā)現(xiàn)了較高質(zhì)量分數(shù)蔗糖與水分子親水膠體競爭結(jié)合時出現(xiàn)了類似蔗糖結(jié)晶析出現(xiàn)象。

圖9 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠掃描電鏡圖Fig. 9 SEM images of agar/konjac blend gels

2.8 瓊脂-魔芋膠共混凝膠體系紅外光譜分析

圖10 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠傅里葉紅外光譜圖Fig. 10 FTIR spectra of agar/konjac blend gels

FTIR是解析分子結(jié)構(gòu)的有效方法，小分子共溶質(zhì)與高分子體系相互作用的強弱亦可以通過振動譜帶峰位置、寬度及強度的改變來確定[37]。如圖10所示，4 種樣品的峰形比較相似，共混凝膠在3 400 cm－1附近存在羥基伸縮振動。與對照相比，添加5%、10%及15%蔗糖后，伴隨羥基振動峰的位置依次為3 445.68、3 439.71、3 427.58、3 419.08 cm－1，隨蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加羥基伸縮振動峰增強并向低波數(shù)方向偏移，表明共混體系中形成氫鍵數(shù)更多，主要因為蔗糖與水分子結(jié)合形成了更多的氫鍵所致。低質(zhì)量分數(shù)蔗糖的添加增強了瓊脂-魔芋膠共混體系中瓊脂分子間作用力，利于瓊脂分子間形成螺旋結(jié)構(gòu)并纏結(jié)形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用主要由氫鍵作用維系。但高質(zhì)量分數(shù)（10%～15%）蔗糖條件下，蔗糖分子除與水分子形成氫鍵外，與多糖分子亦能形成氫鍵作用，蔗糖分子束縛水能力增強，一定程度限制了水分子運動，給多糖分子鏈運動提供了障礙，從而不利于瓊脂雙螺旋分子鏈結(jié)構(gòu)的形成并導致凝膠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)弱化。

3 結(jié) 論

與對照相比，添加5%蔗糖后共混體系凝膠點溫度值升高，vg明顯增大，但蔗糖質(zhì)量分數(shù)超過10%后，SDRa、vg均降低，但仍高于對照樣，表明低質(zhì)量分數(shù)蔗糖存在時可促進凝膠化，高于臨界質(zhì)量分數(shù)值后，弱化了凝膠形成。蔗糖共溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)對凝膠加速率的影響在零線兩側(cè)均呈先增加后降低趨勢，并在添加5%蔗糖時達到最高值，表明較低質(zhì)量分數(shù)蔗糖共溶質(zhì)在凝膠化起始階段可促進瓊脂-魔芋膠共混體系形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而促進體系凝膠。蔗糖共溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)僅對高溫區(qū)Ea產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），與對照相比，添加5%蔗糖后，Ea值由377.12 kJ/mol降低為255.49 kJ/mol，蔗糖添加量超過5%后，Ea值被升高。隨蔗糖質(zhì)量分數(shù)增加，共混凝膠的析水率越低，質(zhì)構(gòu)彈性值呈先增加后降低趨勢，但黏附性則呈相反趨勢，凝膠微觀結(jié)構(gòu)愈發(fā)細密化，斷面區(qū)域更加平整，F(xiàn)TIR結(jié)果表明添加蔗糖可改變瓊脂-魔芋膠共混體系中蔗糖分子與水分子及多糖分子間的氫鍵作用力，從而改變凝膠化行為。綜合上述在果凍類凝膠產(chǎn)品實際溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變制備過程，通過選擇合適共溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)來調(diào)適凝膠工序速度及優(yōu)化最終制品質(zhì)構(gòu)、保水性等品質(zhì)特性是一種潛在可用的有效方法。