刘施琳,朱 丰,林圣楠,黄金城,李天骄,王红丽,林向阳

(福州大学生物科学与工程学院,福建福州 350108)



琼脂凝胶强度及弛豫特性的研究

刘施琳,朱 丰,林圣楠,黄金城,李天骄,王红丽,林向阳*

(福州大学生物科学与工程学院,福建福州 350108)

借助低场核磁共振仪及质构仪,探讨影响琼脂凝胶强度及弛豫特性的因素,并分析其凝胶机理。结果表明:琼脂凝胶强度随着琼脂质量分数增大而增大;pH为6.0～7.0是琼脂凝胶形成最适条件;适当添加量的氯化钾、木糖醇、蔗糖可增大琼脂凝胶强度,分别在添加质量分数为0.2%～0.3%、9%和6%时效果最佳;适当比例的魔芋胶、卡拉胶和刺槐豆胶可与琼脂产生协同增效作用,分别在其所在比例为15%、5%、10%时与琼脂产生协同增效作用最强;氯化钙、氯化钠和β-环状糊精则阻碍凝胶的形成,降低琼脂凝胶强度。琼脂凝胶的弛豫时间T23均与凝胶强度存在极显著(p<0.01)负相关,即凝胶中水分流动性越小,凝胶强度越大。

琼脂,弛豫时间T23,凝胶强度

琼脂(Agar)又称琼胶,是由石花菜及其他红藻植物提取出来的一种经济藻胶[1]。琼脂具有良好的胶凝、稳定、增稠和悬浮性,广泛应用于食品、生物工程、日用化工、医药等许多方面[2],但琼脂存在脆性大、透明度低、粘弹性差、易发生脱液收缩等缺点,已有研究表明,可通过加入其他食品胶、电解质等改善其品质[3-6],因此研究琼脂凝胶强度的影响因素及其凝胶机理对改善琼脂凝胶品质具有重要意义。

琼脂由中性琼脂糖(Agarose)和酸性琼脂胶(Agaropectin)组成[7],琼脂糖为凝胶组分,而琼脂胶为非凝胶组分。琼脂糖的结构如图1a[8]所示:由D-半乳糖和3,6-脱水-L-半乳糖组成的直链,其直链通过氢键相互作用形成双螺旋结构,每个结构单元中存在四个羟基,其中三个向外的羟基可通过氢键与任何相邻的螺旋或溶剂结合,最后一个羟基在螺旋内部并通过氢键与螺旋内的水分子结合[8-12]。琼脂溶液在冷却后其双螺旋结构形成三维网状的凝胶结构,如图1b所示,分散液体镶嵌在网状结构的空隙之中,且部分水分子能与琼脂中的疏水主链通过氢键结合,形成琼脂聚合物[13]。因此,水是凝胶的主要成分之一,其结合状态是影响凝胶性能的重要因素[14-15]。核磁共振技术可通过测定氢核的纵向弛豫时间T1和横向弛豫时间T2表征样品中水分分布、结合状态和迁移率,已经广泛应用于食品研究中[16-20],但目前用于琼脂凝胶的研究还鲜见报道。

图1 琼脂糖与琼脂凝胶结构[8]Fig.1 Agarose and agar gel structure[8]

本文借助低场核磁共振仪及质构仪探究琼脂质量分数、pH、电解质、甜味剂、食品胶对琼脂凝胶强度及弛豫特性的影响,并分析其凝胶机理,为进一步改善琼脂凝胶的品质及琼脂的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

石花菜 产自山东青岛,去杂质、洗净后烘干备用;氯化钠、氯化钙、氯化钾 均为分析纯;卡拉胶、刺槐豆胶、魔芋胶、刺槐豆胶、食用碱、蔗糖、木糖醇、柠檬酸 均为食品级。

LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌锅 上海申安医疗器械厂;BC/BD-217CH冷柜 河南新飞电器有限公司;BS110S电子天平 赛多利斯科学仪器(北京)有限公司;DHG-9123A电热恒温鼓风干燥箱 上海精宏实验设备有限公司;TA-XT plus质构仪 Stable Micro Systems;HH-4数显恒温水浴锅 国华电器有限公司;MJ-25PM01B美的搅拌机 广东美的精品电器制造有限公司;FD5-2.5真空冷冻干燥机 美国SIM公司;JSM-7500F扫描电子显微镜 日本电子(JEOL);MINI NMR核磁共振分析仪 上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 琼脂粉制备

1.2.1.1 工艺流程 称取石花菜→提胶→过滤→凝胶→冷冻→脱水→烘干→粉碎→冷却至恒重[21]。

1.2.1.2 操作要点 提胶:将称量好的石花菜置于1 L的锥形瓶中,按料液比1∶36加入蒸馏水置于110 ℃的压力蒸汽灭菌锅中保温36 min。

过滤:趁热将提取的胶液用4层纱布过滤,100 ℃水洗涤3次。

凝胶:让滤液冷却至室温后,自动形成凝胶。

冷冻:于-18 ℃冰箱中冷冻成冰。

脱水:将冻结的琼脂置于室温中解冻脱水。

烘干:将脱水后的琼脂,在53 ℃的恒温鼓风烘箱中烘干。

粉碎:粉碎机粉碎，过80目筛。

冷却至恒重:琼脂粉于干燥器中冷却干燥,每隔2 h称量,直至两次称量结果之差小于0.01 g。

1.2.2 胶液制备 称取1.000 g琼脂粉于锥形瓶中,加入蒸馏水至100.0 g,用保鲜膜封口后置于92 ℃恒温水浴中溶解,再用热蒸馏水补充总质量至100.0 g,搅拌均匀备用[22]。

改变胶液制备条件,按上述方法进行实验[14]。

固定溶剂pH为7.0,电解质与甜味剂添加量为0.0%,改变总胶质量分数:分别添加0.6%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、3.0%的琼脂粉。

固定电解质与甜味剂添加量为0,琼胶质量分数为1.0%,改变溶剂pH:用柠檬酸及食用碱分别将蒸馏水的pH调至3.5、4.0、4.5、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0。

固定溶剂pH为7.0,甜味剂添加量为0.0%,琼胶质量分数为1.0%,改变电解质添加量:分别添加0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.6%、0.8%的氯化钠,氯化钾、氯化钙同。

固定溶剂pH为7.0,电解质添加量为0.0%,琼胶质量分数为1.0%,改变甜味剂添加量:分别添加0、0.5%、1.0%、3.0%、6.0%、9.0%、12.0%的木糖醇,蔗糖同。

固定溶剂pH为7.0,电解质与甜味剂添加量为0,总胶(琼胶+其他食品胶)质量分数为1.0%,改变其他食品胶所占比例:改变魔芋胶添加量占总胶的比例为:0、5%、10%、15%、20%、25%、30%,再称取琼脂粉至总胶质量分数为1.0%,刺槐豆胶、卡拉胶、β-环状糊精同。

1.2.3 琼脂的凝胶强度测定 称取10.000 g胶液趁热倒入底面积为4 cm2的10 mL烧杯中,每个样品平行三次,于室温中放置过夜,测定前置于25 ℃水浴锅中1 h,将胶完整取出在质构仪上测定其质构特性。测定模式为TPA模式,探头型号为SMS P/36,测试前速率1 mm/s,测试速率为0.5 mm/s,测试后速率为0.5 mm/s,停留时间3 s,触发力3 g,测定距离10.00 mm[23]。

1.2.4 琼脂的核磁共振分析实验 称取约3.000 g胶液放入玻璃试管(口径18 mm),每个样品平行三次,放置过夜,测定前置于25 ℃水浴锅中1 h,而后将样品管置于NMR探头中(保持温度32 ℃),使用CPMG序列测试横向弛豫时间T2,其中接收机带宽SW=100 kHz,采样起始点控制参数RFD=0.080 ms,重复采样时间间隔TW=6500.000 ms,模拟增益RG1=20.0 db,90°和180°脉宽分别是P90=18 μs,P180=36 μs,时延DL1=0.050,采样点数TD=15555.8,数字增益DRG1=3,数据半径DR=1,累加扫描次数NS=16,回波个数NECH=1500[16]。实验取3份平行,每份平行测3次。

1.2.5 数据处理 利用SPSS 22.0软件进行显著性及相关性分析,其他实验结果用Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 琼脂凝胶的低场核磁共振分析

质量分数为1%的琼脂凝胶的横向弛豫时间分布图见图2。

图2 琼脂凝胶的横向弛豫时间分布Fig. 2 T2 distribution of agar gel

横坐标横向弛豫时间T2,表征水分的流动性,T2值越小代表此种水分的流动性越弱。纵坐标质子密度M2,表征的是对应弛豫时间下的水分含量[24]。如图2所示,琼脂三维网状凝胶结构中存在3种流动性不同的水分,其中T21(6.09～7.79 ms)最小,这部分水流动性最弱,被认为是间接与大分子结合并直接与强结合水以氢键结合的弱结合水层[25]。T22(71.66～150.17 ms)与T23(169.87～402.66 ms)较T21更大,属于与水分结合较不紧密的水,流动性较强。在琼脂三维网状凝胶结构中T23组分的水含量最大,在实验过程中随各因素的变化最明显,因此T23为本次的研究重点。

2.2 琼脂质量分数对凝胶强度、弛豫时间T23的影响

图3 琼脂质量分数与凝胶强度、弛豫时间T23的关系曲线Fig.3 Relationship between agar mass fraction and gel strength,relaxation time T23注:不同字母代表差异显著(p<0.05),图2～图7同。

由图3可知,当琼脂质量分数较小时,随质量分数增大,琼脂凝胶强度显著(p<0.05)增大;当琼脂质量分数超过2.0%时,琼脂凝胶强度增长趋势变缓。由图还可知,琼脂凝胶的弛豫时间T23随着琼脂质量分数增大而显著(p<0.05)下降,下降趋势在琼脂质量分数超过2.0%时开始变缓。说明随着琼脂质量分数的增加,其凝胶中水分流动性逐渐降低,即持水性越来越好。这可能是因为随着琼脂质量分数增加,琼脂溶液中双螺旋结构增加,分子间相互缠结形成的网络的节点随之增加,三维网状凝胶结构结合更加紧密,与水相互结合的位点也随之增加,因此凝胶中水分流动性变弱而凝胶强度变大;当琼脂质量分数达到一定值时,琼脂溶液中双螺旋结构趋于饱和,使凝胶中水分流动性下降趋势及凝胶强度增大趋势变缓[8-13,15]。

如表1所示,琼脂凝胶的凝胶弛豫时间T23与凝胶强度呈极显著(p<0.01)的负相关性,表明随着琼脂质量分数的变化,凝胶中水分的物理状态与凝胶强度具有极显著的相关性,即琼脂凝胶中的水分流动性越小,凝胶强度越大。

表1 琼脂质量分数的凝胶弛豫时间T23与强度相关性分析Table 1 Correlation analysis between gel relaxation time T23 and gel strength

注:“*”表示显著(p<0.05);“**”表示极显著(p<0.01),表2～表5同。

2.3 pH对凝胶强度、弛豫时间T23的影响

图4可知,琼脂凝胶强度随着pH增大呈先增大后减小的趋势,在pH为6.0～7.0时,凝胶强度在最高的水平,而pH<4.5或pH>7.0时,凝胶强度取得较小值。由图4可知,随着pH的增大,琼脂凝胶的弛豫时间T23呈先下降后上升趋势。在pH为6.0～7.0时,弛豫时间T23取得最小值,说明此时凝胶中水的流动性最弱。这可能是因为在pH<4.5或pH>7.0的溶液不利于双螺旋结构的羟基与相邻的螺旋或水分子进行氢键结合,因此凝胶三维网络结构更疏松,水分子流动性变大,凝胶强度下降[8,15]。综上可知,pH为6.0～7.0时是琼脂凝胶形成最适条件,pH<4.5或pH>7.0的条件均不利于琼脂凝胶的形成。

图4 pH与凝胶强度、弛豫时间T23的关系曲线Fig.4 Relationship between pH and gel strength,relaxation time T23

如表2所示,琼脂凝胶的凝胶弛豫时间T23与凝胶强度呈极显著(p<0.01)的负相关性,表明随着pH的变化,凝胶中水分的物理状态与凝胶强度具有极显著的相关性,即琼脂凝胶中的水分流动性越小,凝胶强度越大。

表2 不同pH琼脂凝胶弛豫时间T23与强度相关性分析Table 2 Correlation analysis between gel relaxation time T23 and gel strength at different pH

2.4 电解质对凝胶强度、弛豫时间T23的影响

图5a可知,琼脂凝胶强度随着氯化钠和氯化钙质量分数的增加呈下降趋势;随着氯化钾质量分数增加呈先上升后下降趋势,且在氯化钾质量分数为0.2%～0.3%时凝胶强度取得最高水平。

图5 电解质与凝胶强度、弛豫时间T23的关系曲线Fig.5 Relationship between electrolyte and gel strength,relaxation time T23

由图5b可知,琼脂凝胶的弛豫时间T23随着氯化钠和氯化钙质量分数的增加呈上升趋势;随着氯化钾质量分数增加呈先下降后上升趋势,在氯化钾质量分数为0.2%～0.3%时取得最小水平。表明随着氯化钙和氯化钠添加量的增加,凝胶中水分子流动性越来越大,而随着氯化钾添加量增加,凝胶中的水分子流动性先变小后增大,在氯化钾质量分数为0.2%～0.3%时水分子流动性最小。这可能是因为离子与水产生的偶极-离子相互作用有关,钠离子产生强电场与氯离子产生的弱电场,分别与水分子产生较强的偶极-离子相互作用,且其作用超过了它们对水与水之间氢键结合的破坏,使水分子较紧密地堆积在离子周围[8,15],而减少了水分子与凝胶网络结构的羟基结合,因此三维网状凝胶结构中水分子流动性变大。氯化钙对琼脂凝胶影响与氯化钠相似,但因其产生电场比氯化钠更强,所以在其作用下,水分子流动性变化更大。而氯化钾中,因氯离子与钾离子均产生弱电场,与水分子偶极-离子相互作用不足以弥补它破坏的水与水之间的氢键结构,所以在低质量分数时,这种破坏有利于水与三维网状凝胶结构中的羟基结合而使整个三维网状凝胶结构中水分子的流动性变小,随着离子质量分数的增大,水分子与三维网状凝胶结构中羟基结合达到饱和,而离子对水与水之间氢键结合破坏越来越大,因此水分子流动性开始逐渐上升。此外,也有研究者认为是钠离子与钙离子的存在使分子间的斥力下降,分子伸展程度降低,形成的网络结点数减少,使凝胶结构松散[5]。

由表3可知,添加不同的电解质,琼脂凝胶的弛豫时间T23与凝胶强度均呈极显著(p<0.01)的负相关性,表明凝胶中水分的物理状态与凝胶强度具有极显著的相关性,即琼脂凝胶中的水分流动性越小,凝胶强度越大。

表3 添加不同质量分数电解质的琼脂凝胶的 弛豫时间T23与强度相关性分析Table 3 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at at different mass fraction of electrolyte

2.5 甜味剂对凝胶强度、弛豫时间T23的影响

图6 甜味剂与凝胶强度、弛豫时间T23的关系曲线Fig.6 Relationship between sweeteners and gel strength,relaxation time T23

由图6a可知,琼脂凝胶强度随着甜味剂质量分数的增加呈先上升后下降趋势,添加木糖醇质量分数为0.5%、1%、3%、6%、9%时,琼脂凝胶强度分别较未添加时增大22.7%、25.3%、29.5%、55.3%、63.3%;添加蔗糖质量分数为0.5%、1%、3%、6%,9%时,凝胶强度分别增大11.8%、17.9%、16.2%、30.5%、-12.2%。由此可知,在添加木糖醇质量分数为9%时,凝胶强度增大幅度最大,为63.3%;在添加蔗糖质量分数为6%时,琼脂凝胶强度增大幅度取得最大值为30.5%,且在添加相同质量分数时,添加木糖醇的琼脂凝胶强度增大幅度大于添加蔗糖的琼脂凝胶强度的增幅。

由图6b可知,琼脂凝胶的弛豫时间T23随着木糖醇或蔗糖质量分数的增加呈先下降后上升趋势,木糖醇和蔗糖添加量分别在9%和6%时,凝胶的弛豫时间T23取得最小值。表明随着木糖醇或蔗糖添加量的增加,水分流动性先变小后变大,且木糖醇和蔗糖添加量分别在9%和6%时,水分流动性最弱。这可能是因为蔗糖与木糖醇均为亲水分子,能与水分子或三维网状凝胶结构中的羟基进行氢键结合,因此少量的蔗糖或木糖的添加能使三维网状凝胶结构结合更紧密,水分流动性变弱[4,15]。但随着蔗糖或木糖醇添加量增大,水分流动性到达最低值后开始逐渐上升,这可能是因为木糖醇或蔗糖质量分数达到一定值时,开始与琼脂双螺旋结构的三个外向的羟基结合,阻碍了双螺旋结构交联,导致三维网状凝胶结构松散,水分流动性开始变大,且随着糖质量分数逐渐增大,阻碍作用越强,水分流动性逐渐上升[4,8-12]。

由表4可知,随着甜味剂添加的质量分数不同,琼脂凝胶的弛豫时间T23与凝胶强度均呈极显著(p<0.01)的负相关性,表明凝胶中水分的物理状态与凝胶强度具有极显著的相关性,即琼脂凝胶中的水分流动性越小,凝胶强度越大。

表4 添加不同质量分数甜味剂的 琼脂凝胶弛豫时间T23与强度相关性分析Table 4 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at different mass fraction of sweeteners

2.6 食品胶对凝胶强度、弛豫时间T23的影响

由图7a可知,随着魔芋胶、刺槐豆胶、卡拉胶所占比例增大,琼脂凝胶强度呈先上升后下降趋势,且凝胶强度的增幅分别在魔芋胶、刺槐豆胶、卡拉胶所占比例为15%、10%、5%时取得最大值，分别为46.7%、34.3%、25.7%;随着β-环状糊精所占比例增大,琼脂凝胶强度呈逐渐下降趋势。

由图7b可知,琼脂凝胶的弛豫时间T23随着魔芋胶、卡拉胶、刺槐豆胶所占比例的增大呈先下降后上升趋势,且弛豫时间T23分别在魔芋胶、刺槐豆胶、卡拉胶所占比例为15%、10%、5%时取得最小值,而琼脂凝胶的弛豫时间T23随着β-环状糊精所占比例的增大呈逐渐上升趋势。表明随着魔芋胶、卡拉胶、刺槐豆胶所占比例的增大,水分流动性先变小后变大,而β-环状糊精所占比例的增大使水分流动性逐渐变大。这可能是因为魔芋胶是由甘露聚糖和葡萄糖以β-1,4键键合的高分子量非离子型甘露聚糖,它能与琼脂的双螺旋结构相互作用,形成三维网状凝胶结构;卡拉胶具有类似琼脂的双螺旋结构,加入少量的卡拉胶可与琼脂发生协同增效作用,共同形成更加紧密的三维网状凝胶结构;刺槐豆胶分子由具有很长的光滑区与具有半乳糖链的毛发区组成,光滑区能与琼脂的双螺旋相互作用,形成三维网状凝胶结构。因此加入适当比例的魔芋胶、卡拉胶、刺槐豆胶可与琼脂发生协同增效作用,促进三维网状结构的形成,减小水分流动性,但超过一定比例则会阻碍三维网状凝胶结构的形成,增大水分流动性[4-6,15]。β-环状糊精是由7个葡萄糖残基以β-1,4-糖苷键结合构成的环状物,不能参与琼脂分子形成的三维网状结构,阻碍了琼脂凝胶结构的形成,导致琼脂凝胶结构更加松散,因此水分子流动性随着β-环状糊精所占比例的上升而增大[4,15]。

图7 其他食品胶所占比例与凝胶强度、 弛豫时间T23的关系曲线Fig.7 Relationship between food gum and gel strength,relaxation time T23

由表5可知,随着其他食品胶所占比例不同,琼脂凝胶的弛豫时间T23与凝胶强度均呈极显著(p<0.01)的负相关性,即琼脂凝胶中的水分流动性越小,凝胶强度越大。

表5 添加不同比例其他食品胶的 琼脂凝胶弛豫时间T23与强度相关性分析Table 5 Correlation analysis between gel relaxation time T23and gel strength at different mass fraction of food gum

3 结论

本文借助低场核磁共振及质构仪探究琼脂质量分数、pH、3种电解质、2种甜味剂、4种食品胶对琼脂凝胶强度及弛豫特性的影响,并分析其凝胶机理。结果表明:琼脂的凝胶强度值随着琼脂质量分数增大而增大;pH为6.0～7.0是琼脂凝胶形成最适条件,pH<4.5或pH>7.0的条件均不利于琼脂凝胶的形成;适当添加量的氯化钾、木糖醇、蔗糖可有效增大琼脂凝胶强度,分别在添加质量分数为0.2%～0.3%、9%和6%时效果最佳;适当比例的魔芋胶、卡拉胶和刺槐豆胶可与琼脂产生协同增效作用,分别在其所在比例为15%、5%、10%时与琼脂产生协同增效作用最强;氯化钙、氯化钠和β-环状糊精则阻碍凝胶的形成,降低琼脂凝胶强度。研究结果中琼脂凝胶的弛豫时间T23均与凝胶强度存在极显著(p<0.01)负相关,表明凝胶的水分子物理状态与凝胶强度存在极显著相关,既凝胶中水分流动性越小,凝胶强度越大。

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Research of strength and relaxation properties of agar gel

LIU Shi-lin,ZHU Feng,LIN Sheng-nan,HUANG Jin-cheng,LI Tian-jiao,WANG Hong-li,LIN Xiang-yang*

(College of Biological Science and Technology,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

With the low-field NMR and texture analyzer,the factors influencing the strength and relaxation properties of agar gel were discussed,and the gel mechanism was analyzed. The results suggested that:with the increase of agar mass fraction,agar gel strength was increased. When the pH was 6.0～7.0,gel showed the best strength. Potassium chloride,xylitol,sucrose could improve agar gel strength to some extent. Especially,the mass fraction of 0.2%～0.3%,9% and 6% showed the maximum strength of agar gel. Appropriate proportion of konjac gum,locust bean gum and carrageenan could generate synergies with agar,and generated the strongest synergies in their respective proportion of 15%,5% and 10%. Calcium chloride,sodium chloride,andβ-cyclodextrin hindered the formation of the gel,and reduced agar gel strength. The results indicated that the agar gel relaxation time T23and gel strength significantly(p<0.01)negatively correlated. In other word,the smaller the water mobility was in the gel,the greater the gel strength was.

agar;relaxation time T23;gel strength

2016-12-29

刘施琳(1992-)，女，硕士研究生，研究方向：水产品加工及贮藏工程，E-mail：954857051@qq.com。

*通讯作者:林向阳(1969-)，男，博士，教授，研究方向：生物质资源化，E-mail:925400384@qq.com。

福建省新世纪优秀人才支持计划课题(SW2007-20)。

TS201.1

A

1002-0306(2017)13-0085-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.13.016