劉婷婷,楊嘉丹,曹宸瑀,張艷榮,*
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130118;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食用菌加工技術(shù)集成科研基地,吉林 長(zhǎng)春 130118)
銀耳多糖(Tremella fuciformispolysaccharide,TFP)來源于銀耳子實(shí)體、孢子、發(fā)酵液中分離純化得到的帶有分支的雜多糖[1],具有抗腫瘤[2]、抗氧化[3]、降低血脂[4]、促進(jìn)傷口愈合[5]、增強(qiáng)免疫力[6]等功效。目前,TFP的研究主要集中于生物活性和提取工藝方面[1,7],對(duì)于其在食品中改善產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)特性等方面的研究也有少量報(bào)道。Zhang Yakun等[8]研究發(fā)現(xiàn),TFP可以增加蛋白的凝膠強(qiáng)度,提高產(chǎn)品的持水力和硬度;盧玉容等[9]發(fā)現(xiàn),通過添加適量TFP可縮短發(fā)酵時(shí)間,改善低脂酸奶的持水力和質(zhì)構(gòu),提升低脂酸奶的感官品質(zhì)。
結(jié)冷膠(gellan gum,GG)是由少動(dòng)鞘鞍醇單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)合成的胞外多糖[10]。近年來,學(xué)者們做了大量關(guān)于GG應(yīng)用于食品和生物醫(yī)藥工業(yè)的研究。作為凝膠劑,GG具有良好的穩(wěn)定性,且耐酸、耐高溫、熱可逆以及用量少[11],但同時(shí)GG凝膠質(zhì)地脆性大,并且受陽離子濃度影響,從而限制了GG在食品工業(yè)中的應(yīng)用。因此,在很多的實(shí)際應(yīng)用中,通常將2 種甚至多種親水膠體復(fù)配使用來改變單一親水膠體在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中的缺陷,進(jìn)而起到替代食品原料、改善質(zhì)構(gòu)、創(chuàng)造復(fù)合結(jié)構(gòu)和控制縮水性的作用[12]。研究發(fā)現(xiàn)GG與其他親水膠體(魔芋膠、果膠等)具有良好的復(fù)配性能[12-15]。
目前,有關(guān)TFP和GG相互作用的研究還鮮見報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)利用流變儀和質(zhì)構(gòu)儀等研究TFP、GG以及兩者按不同質(zhì)量比復(fù)配后體系的流變、凝膠及持水特性,以期拓寬TFP的應(yīng)用范圍,提高產(chǎn)品營養(yǎng)價(jià)值,同時(shí)減少食用膠使用量,為我國新型食品的開發(fā)提供理論指導(dǎo)。
TFP為實(shí)驗(yàn)室自制,具體方法為:稱取一定量銀耳粉,按液料比50∶1加入蒸餾水,在微波功率400 W下提取2 h,提取液經(jīng)脫蛋白、濃縮、醇沉、冷凍干燥后即為TFP。
GG(食品級(jí)) 浙江中肯生物科技有限公司。
DHR-3流變儀 美國TA公司;TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀英國Stable Micro Systems公司;CT15RT多功能冷凍高速離心機(jī) 天美(中國)科學(xué)儀器有限公司;DIKW-4雙列四位電熱恒溫水浴鍋 北京中興偉業(yè)儀器有限公司;IR Prestige傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,F(xiàn)TIR)儀 日本島津公司;ALTO 2500高分辨率掃描電鏡冷凍傳輸裝置 美國Gatan公司;JSM 6301F掃描電子顯微鏡 日本JEOL公司。
1.3.1 樣品的制備
以蒸餾水配制不同質(zhì)量濃度(0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g/100 mL)的TFP溶液和GG溶液,以及不同質(zhì)量比(1.6∶0.4、1.2∶0.8、0.8∶1.2、0.4∶1.6)的TFP/GG復(fù)配體系,將上述溶液及復(fù)配體系置于75 ℃恒溫水浴鍋中充分加熱,攪拌混合物直至完全溶解,將蒸發(fā)掉的水分用75 ℃的蒸餾水進(jìn)行補(bǔ)充至混合時(shí)的初始體積。將制備好的樣品于4 ℃條件下貯存18 h后進(jìn)行質(zhì)構(gòu)特性分析。
1.3.2 流變特性的測(cè)定
將制備好的樣品置于流變儀測(cè)試平臺(tái)上,采用直徑40 mm平行板測(cè)量,每次測(cè)試均需更換樣品。
靜態(tài)流變性測(cè)定:溫度75 ℃,測(cè)定在剪切速率為0.1~1 000 s-1內(nèi)樣品表觀黏度(η)的變化,并用Power-Law數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擬和。
動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定:溫度75 ℃,掃描應(yīng)變1%,測(cè)定在角頻率為0.1~100 rad/s內(nèi)樣品儲(chǔ)能模量(G’)和損耗模量(G”)的變化。
在TFP和GG復(fù)配體系頻率掃描的線性黏彈區(qū)域,G’和G”隨角頻率的變化可按方程(1)、(2)[16]進(jìn)行擬合。
式中:n’和n”分別為G’和G”的相關(guān)系數(shù);ω為角頻率;K’是每個(gè)正弦剪切變形周期儲(chǔ)存和恢復(fù)的能量;K”是在1 Hz條件下每個(gè)正弦剪切變形周期損耗的以熱量形式散失的能量。
觸變性測(cè)定:溫度75 ℃,剪切速率先從0.1 s-1增加到1 000 s-1,之后立即以同樣的變化速率從1 000 s-1下降到0.1 s-1,記錄整個(gè)過程中各樣品溶液剪切應(yīng)力的變化情況。
1.3.3 凝膠強(qiáng)度的測(cè)定
采用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定凝膠破裂所需的最大力,即為凝膠強(qiáng)度[17]。測(cè)定條件:P/0.5圓柱形探頭,測(cè)前速率和測(cè)中速率為1.00 mm/s,測(cè)試探針上升速率為10.00 mm/s,位移10.00 mm,觸發(fā)力5.0 g。每組實(shí)驗(yàn)平行3 次。
1.3.4 凝膠質(zhì)構(gòu)的測(cè)定
采用質(zhì)構(gòu)儀對(duì)不同條件下制備的凝膠進(jìn)行質(zhì)地剖面分析。測(cè)定條件:P/36R不銹鋼圓柱形探頭,測(cè)前速率和測(cè)中速率均為1.00 mm/s,測(cè)試探針上升速率為10.00 mm/s,壓縮程度30%,觸發(fā)力5.0 g。每組實(shí)驗(yàn)平行3 次。
1.3.5 凝膠持水性的測(cè)定
將約1 mL不同條件下制備的凝膠體系加入到塑料離心管中,待其凝膠后,10 000 r /min離心15 min,吸去上層水,按式(3)計(jì)算持水力(water holding capacity,WHC)。
式中:m0為空離心管質(zhì)量/g;m1為離心前裝有凝膠的離心管質(zhì)量/g;m2為吸去上層水分后的離心管質(zhì)量/g。每組實(shí)驗(yàn)平行3 次。
1.3.6 凝膠的FTIR分析
參照李晉等[18]方法,稱取由2 g/100 mL TFP溶液、GG溶液及不同質(zhì)量比復(fù)配體系制備的凝膠粉末2 mg,加入200 mg烘干至恒質(zhì)量的KBr,置于研缽中研磨均勻,用電動(dòng)壓片機(jī)壓片,在4 000~400 cm-1范圍進(jìn)行FTIR掃描。
1.3.7 低溫掃描電子顯微鏡觀察凝膠結(jié)構(gòu)
采用配備冷凍傳輸裝置的掃描電子顯微鏡進(jìn)行凝膠結(jié)構(gòu)觀察。取約1~3 mm3的凝膠放置到樣品保持器中,并迅速在液氮(-210 ℃)中冷卻,隨后將樣品轉(zhuǎn)移到冷凍傳輸裝置上(-150 ℃),-90 ℃升華5 min以除去暴露在凝膠表面的冰。最后對(duì)樣品濺射鍍金,在溫度-150 ℃、加速電壓15 kV條件下進(jìn)行分析。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010軟件繪圖,采用SPSS 16.0軟件通過Duncan’s法進(jìn)行多組樣本間差異顯著性分析,P<0.05表示差異顯著。
在75 ℃下,各樣品表觀黏度(η)在剪切速率0.1~1 000 s-1之間的變化如圖1所示。所有質(zhì)量濃度的TFP溶液、GG溶液,以及所有比例的TFP/GG復(fù)配溶液的表觀黏度均隨剪切速率的增加而降低,表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性[19]。在相同剪切速率下,TFP溶液和GG溶液表觀黏度隨著質(zhì)量濃度的增加而增加,TFP/GG復(fù)配溶液表觀黏度隨著TFP比例的增加而增加。將曲線擬合為冪律方程η=kγn-1,式中η為表觀黏度,γ為剪切速率。其中,k是稠度指數(shù),k越大,液體越黏稠。n是流動(dòng)行為指數(shù),也稱為假塑性指數(shù),即若n=1,流體為牛頓流體;n<1,流體被歸類為假塑性流體;n>1,則為脹塑性流體[20]。
圖1 不同質(zhì)量濃度TFP溶液(A)、GG溶液(B)和不同質(zhì)量比對(duì)TFP/GG復(fù)配體系(C)的表觀黏度(η)Fig. 1 Shear rate dependent viscosity (η) of TFP solutions (A), gellan solutions (B) at different concentrations and on TFP/GG mixtures at different mass ratios (C)
表1 不同質(zhì)量濃度TFP溶液和GG溶液的冪律模型擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for the power law models of TFP and GG solutions at different concentrations
表2 不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配體系的冪律模型擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters for the power law models of TFP-GG mixtures at different mass ratios
由表1可知,隨著質(zhì)量濃度的增大,TFP溶液和GG溶液的稠度指數(shù)逐漸增加,流動(dòng)行為指數(shù)逐漸降低,說明質(zhì)量濃度越高,溶液的黏稠性越大,假塑性也越強(qiáng)。質(zhì)量濃度為0.4 g/100 mL的TFP溶液和GG溶液的稠度指數(shù)最小,流動(dòng)行為指數(shù)最大,最接近于牛頓流體。
由表2可知,TFP/GG復(fù)配溶液流動(dòng)行為指數(shù)在0.882 1~0.917 2之間,表明TFP/GG復(fù)配溶液是假塑性流體。且在共混狀態(tài)下,TFP/GG質(zhì)量比為1.6∶0.4時(shí),流動(dòng)行為指數(shù)最小,說明此時(shí)的流動(dòng)性最好。剪切稀化現(xiàn)象對(duì)食品加工過程有重要影響,在物料體系中通過添加TFP,可改善其流變性能,使其適宜于高剪切速率下加工,改進(jìn)物料輸送和灌注工藝,使能量消耗減少,易于加工成型[17]。
圖2 不同質(zhì)量濃度TFP溶液(A)、GG溶液(B)和不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配體系(C)的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性(75 ℃)Fig. 2 Dynamic rheological properties of TFP solutions (A) and GG solutions (B) at different concentrations, as well as their mixtures at different mass ratios (C) (75 ℃)
凝膠體系的動(dòng)態(tài)黏彈性與其實(shí)際應(yīng)用性能直接相關(guān)。儲(chǔ)能模量G’能反映黏彈性物質(zhì)的類固體性質(zhì)即彈性和剛性,而損耗模量G”能反映黏彈性物質(zhì)的類液體性質(zhì)即黏性和流動(dòng)性[21-22]。如圖2A、B所示,TFP溶液和GG溶液G’和G”隨角頻率的增加而增加,且不同質(zhì)量濃度下均為G”先高于G’,角頻率達(dá)到一定值后G’高于G”,GG溶液的曲線交點(diǎn)低于TFP溶液。其原因可能是TFP、GG的分子構(gòu)象、分子鏈間作用力以及分子質(zhì)量的不同所致[17]。
如圖2C所示,TFP/GG復(fù)配體系的G’和G”也隨角頻率的增加而增加,在低頻率下G’小于G”,體系以黏性為主;角頻率達(dá)到一定值后G’大于G”,此時(shí)體系以彈性為主,呈現(xiàn)一定的弱膠性。而G’和G”曲線的交點(diǎn)隨著TFP比例的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),這說明TFP對(duì)復(fù)配體系的動(dòng)態(tài)黏彈性影響較大,在適當(dāng)質(zhì)量比下可提高復(fù)配體系的黏性和流動(dòng)性。
表3 不同質(zhì)量濃度TFP溶液G’和G”隨角頻率的變化Table 3 Variation in G’ and G” of TFP solutions with different concentrations as a function of angular frequency
表4 不同質(zhì)量濃度GG溶液G’和G”隨角頻率的變化Table 4 Variation in G’ and G” of GG solutions with different concentrations as a function of angular frequency
表5 TFP/GG復(fù)配體系G’和G”隨角頻率的變化Table 5 Variation in G’ and G”of TFP-GG mixtures with different mass ratios as a function of angular frequency
通過公式(1)、(2)對(duì)各樣品體系線性黏彈區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,計(jì)算得到的參數(shù)如表3~5所示。從動(dòng)態(tài)流變數(shù)據(jù)可以看出,隨著質(zhì)量濃度的增加,TFP溶液和GG溶液的n’和n”減小,而K’和K”增大,說明樣品溶液的黏性增強(qiáng),這與靜態(tài)流變性的分析結(jié)果一致。
由表5可以看出,隨著TFP質(zhì)量比例的增加,TFP/GG復(fù)配體系的n’從0.270 80降至0.115 90,n”從0.199 40降至0.068 80,說明復(fù)配體系的彈性增強(qiáng);而K’和K′隨著TFP比例的增加而增大,這可能是由于TFP的增稠性提高了TFP/GG復(fù)配體系中連續(xù)相的黏彈性[20]。以上結(jié)果表明,TFP質(zhì)量濃度對(duì)TFP/GG復(fù)配體系的動(dòng)態(tài)流變性質(zhì)起到?jīng)Q定性的作用。
圖3 不同質(zhì)量濃度TFP溶液(A)、GG溶液(B)和不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配體系(C)的觸變性(75 ℃)Fig. 3 Thixotropic curves of TFP solution (A), GG solution (B) at different concentrations, as well as their mixtures at different mass ratios (C) (75 ℃)
由圖3可知,各樣品溶液剪切應(yīng)力上升過程與下降過程不重合,在曲線下方形成了明顯的觸變環(huán),這表明體系屬于觸變體系。TFP溶液的觸變環(huán)面積隨質(zhì)量濃度的變化較?。▓D3A),而GG溶液、TFP/GG復(fù)配溶液的觸變環(huán)面積隨GG質(zhì)量濃度的增加而增大(圖3B、C)。觸變環(huán)面積大小反映觸變性的大小,若觸變環(huán)面積大,則表示此體系經(jīng)外力作用后黏度變化大,外力撤除后,體系恢復(fù)到未經(jīng)外力作用狀態(tài)所需的時(shí)間長(zhǎng),該過程即觸變性反應(yīng)物料經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間剪切后在靜止時(shí)重新稠化的過程[23-24]。食品制作過程中希望觸變環(huán)面積越小越好,這樣有助于食品保型,易于食品的加工制作。添加TFP可以改善GG的觸變性,因此在食品中應(yīng)用時(shí)可以根據(jù)不同情況使用不同質(zhì)量比的TFP/GG復(fù)配體系。
表6 不同質(zhì)量濃度TFP溶液、GG溶液和不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配體系的質(zhì)構(gòu)特性Table 6 Textural characteristics of TFP solutions, GG solutions at different concentrations, as well as their mixtures at different mass ratios
質(zhì)構(gòu)特性對(duì)于固體食品尤為重要,因?yàn)榧庸み^程中其質(zhì)地比液體食品更容易改變[25]。由表6可知,隨著TFP比例的增加,復(fù)配凝膠的凝膠強(qiáng)度、硬度、咀嚼性和回復(fù)性降低。由此可見,TFP的添加明顯降低了復(fù)配凝膠的硬度,這種現(xiàn)象在GG和其他多糖復(fù)配的研究中也有報(bào)道[15,26],因此,在復(fù)配體系中,凝膠硬度主要來自于GG的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而不是聚合物的重排,GG是決定凝膠硬度的關(guān)鍵性因素[27]。
另外,各比例TFP/GG復(fù)配凝膠的彈性和黏性均大于單獨(dú)使用的GG凝膠,當(dāng)復(fù)配質(zhì)量比為1.6∶0.4、1.2∶0.8、0.8∶1.2、0.4∶1.6時(shí),其凝膠彈性為28.15%、35.77%、38.08%、43.87%,均高于GG凝膠。說明TFP與GG分子間的纏繞使其復(fù)配體系形成了質(zhì)地更優(yōu)的彈性凝膠,為開發(fā)凝膠類食品提供參考依據(jù)。GG溶液和TFP/GG復(fù)配體系均可形成良好的凝膠結(jié)構(gòu)。
由圖4可知,GG凝膠持水力能隨GG質(zhì)量濃度的增加而增加(圖4A),TFP/GG復(fù)配凝膠均呈現(xiàn)良好的持水力(圖4B),均大于90%,且隨著TFP比例的增加而增加,均優(yōu)于GG持水性能。由此可知,TFP可以顯著提高復(fù)配體系的持水性能,其原因可能是當(dāng)TFP穿插在TFP/GG復(fù)配凝膠體系中時(shí),與GG形成了良好的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[28],有利于將TFP/GG復(fù)配體系應(yīng)用于凝膠類食品制作當(dāng)中。
圖4 不同質(zhì)量濃度GG凝膠(A)和不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配凝膠(B)的持水性Fig. 4 Water-holding capacity of GG gels at different concentrations (A),and TFP/GG gels (B) at different mass ratios
圖5 TFP凝膠、GG凝膠和不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配凝膠的FTIR圖Fig. 5 FTIR spectra of gel TFP gel, GG gel and TFP/GG gels at different mass ratios
由圖5可見,TFP凝膠的FTIR譜圖中的主要表現(xiàn)為3 202 cm-1和2 926 cm-1的吸收峰,分別來自糖類分子O—H和C—H的伸縮振動(dòng)[29]。1 643 cm-1和1 416 cm-1處的吸收峰分別對(duì)應(yīng)于糖醛酸中C=O振動(dòng)和C—O伸縮振動(dòng)[30]。1 026 cm-1和1 250 cm-1處的吸收峰分別是由于糖環(huán)中的C—O—C伸縮振動(dòng)和C—H可變角振動(dòng)[31]。806 cm-1處的吸收峰為α-型吡喃糖的C—H彎曲振動(dòng)或硫酸鹽組中的C—O—S[30,32]。對(duì)于GG凝膠,其在2 926、1 159、1 029 cm-1和611 cm-1處觀察到主要吸收峰。
TFP凝膠和TFP/GG復(fù)配凝膠的特征吸收峰位置基本相同,復(fù)配凝膠中隨著TFP比例的增加,峰的振幅相應(yīng)增加。在3 202~3 288 cm-1區(qū)域間O—H伸縮振動(dòng)變化不大,說明氫鍵作用力在復(fù)配體系中不占主導(dǎo)作用,可能是TFP與GG之間的靜電作用。隨著TFP比例的減小,復(fù)配凝膠吸收峰由1 643 cm-1(1.6∶0.4)輕微紅移,分別移動(dòng)至1 614、1 604、1 614 cm-1和1 599 cm-1,表明有序結(jié)構(gòu)增加[33]。與GG凝膠吸收峰(2 926 cm-1)相比,質(zhì)量比為1.6∶0.4、1.2∶0.8、0.8∶1.2、0.4∶1.6復(fù)配凝膠吸收峰分別轉(zhuǎn)移至2 854、2 856、2 854 cm-1和2 911 cm-1低波數(shù)段,表明—CH2基團(tuán)更可能與其他側(cè)鏈相互作用。此外,質(zhì)量比為1.6∶0.4、1.2∶0.8、0.8∶1.2、0.4∶1.6復(fù)配凝膠中的硫酸鹽基團(tuán)分別轉(zhuǎn)移至1 147、1 149、1 139 cm-1和1 148 cm-1。這些結(jié)果表明TFP與GG之間發(fā)生相互作用,導(dǎo)致聚電解質(zhì)復(fù)合物的形成。
圖6 TFP凝膠、GG凝膠及不同質(zhì)量比TFP/GG復(fù)配凝膠的微觀結(jié)構(gòu)(2 000×)Fig. 6 Microstructure of TFP gel, GG gel and TFP/GG gels at different mass ratios (2 000 ×)
由圖6可知,不同質(zhì)量比TFP和GG復(fù)配的各凝膠微觀結(jié)構(gòu)具有明顯差異。TFP凝膠微觀結(jié)構(gòu)均一,孔隙排列整齊規(guī)律,呈立體多邊形蜂窩狀(圖6A),這主要是水合作用下TFP分子間交聯(lián)的結(jié)果。隨著GG比例的增加(圖6B~E),復(fù)配凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,孔隙變大,立體蜂窩狀結(jié)構(gòu)逐漸削弱;當(dāng)GG比例增加至1.6∶0.4(圖6E)時(shí),復(fù)配凝膠的微觀結(jié)構(gòu)變得十分致密,呈現(xiàn)出連續(xù)的絲狀和片狀結(jié)合的聚集體,表明TFP和GG之間具有很好的相容性和交聯(lián)性;這與質(zhì)構(gòu)分析及持水性的分析結(jié)果一致。圖6F顯示,GG凝膠結(jié)構(gòu)主要是由絲狀鏈和小顆粒組成的網(wǎng)狀平面,掃描電子顯微鏡下沒有觀察到立體的空間結(jié)構(gòu)。綜上可知,復(fù)配體系中,TFP和GG分子之間存在相互作用,且可以形成良好的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
本實(shí)驗(yàn)對(duì)不同質(zhì)量濃度(0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 g/100 mL)的TFP溶液、GG溶液及不同質(zhì)量比(1.6∶0.4、1.2∶0.8、0.8∶1.2、0.4∶1.6)的TFP/GG復(fù)配體系的流變和凝膠特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,TFP對(duì)復(fù)配體系的動(dòng)態(tài)流變特性有決定性作用,TFP可以降低復(fù)配凝膠的硬度及彈性,有效提高其持水性能。因此,可在食品加工中添加適當(dāng)比例的TFP/GG復(fù)配混合物,來滿足不同產(chǎn)品對(duì)黏稠度、凝膠及持水特性的需求,在提高產(chǎn)品營養(yǎng)價(jià)值同時(shí)還可減少食用膠的使用量,提升產(chǎn)品品質(zhì),拓寬TFP的應(yīng)用范圍。