李晓艺,苏现波,韩 霜,马 良,2,蔡路昀,张宇昊,2,*

(1.西南大学食品科学学院,重庆 400715; 2.西南大学国家食品科学与工程实验教学中心,重庆 400715)

明胶是一种重要的天然高分子化合物,通过胶原蛋白的部分水解制得。在食品工业中,明胶多用于糖果[1]、乳制品[2]和肉制品[3]中。明胶是热可逆凝胶,能够在凝胶和溶胶之间进行可逆的转化。明胶凝胶主要由氢键维持,所以加热时凝胶会熔化[4-5]。水产动物来源明胶因其亚基氨基酸含量较哺乳动物低,导致凝胶机械强度差,融化温度更低[6],从而限制了其在食品工业中的应用。

在食品应用中,采用一些亲水胶与明胶产生相互作用,可改善水产明胶的缺陷,以扩大水产明胶的使用范围提高其性质[7-8]。林好等[9]将魔芋葡甘聚糖和明胶复配后,其粘着性、增稠性、稳定性等性能得到了改善。

卡拉胶,又称角叉菜胶,主要由α(1-4)-3,6-D-吡喃半乳糖和β(1-3)-D-吡喃半乳糖为基本骨架交替连接[10],目前食品领域最常用的为κ-卡拉胶。κ-卡拉胶的凝胶特性与3,6-内醚键与硫酸酯基团密切相关[11],也是一种热可逆凝胶,常被用作食品加工中的胶凝剂,但单独使用时都有一定的局限,κ-卡拉胶在低浓度时就能形成凝胶,但其凝胶脆性大,弹性小,而明胶在低浓度时黏度、凝胶温度和熔化温度都较低,常温下不易凝胶成型。有研究表明软糖制作时,将卡拉胶与明胶进行复配,可以制作出弹性和硬度均较为理想的软糖[12],原因在于二者间产生的相互作用。目前对于卡拉胶与明胶相互作用方面有少量报道,刘波等[13]曾将κ-卡拉胶和明胶复配,研究了复配比例、浓度及温度对复配溶液表观粘度的影响。结果表明,表观粘度随κ-卡拉胶所占比例的增大而增大,随着复配胶浓度的增加而增加,随着测定温度的升高而降低;在总胶含量4%,卡拉胶/明胶为3∶7的配比下,复配胶液流动性好,冷却后可形成富有弹性和咀嚼性的凝胶体。该研究主要针对在明胶-卡拉胶溶液体系的特性,对于凝胶体系特性随二者配比变化并未研究。王露等[14]对卡拉胶/明胶混合体系的相行为进行了研究,结果表明混合体系下,卡拉胶和明胶的相互作用会阻碍各自螺旋聚集过程,混合体系凝胶化由卡拉胶主导,该报道主要集中在二者混合体系的相行为变化,并未研究二者凝胶体系的宏观特性。由此可见,将卡拉胶和明胶复配可以改善体系凝胶特性,但目前卡拉胶-明胶体系凝胶特性随配比的变化规律及其分子机制尚缺乏系统研究。

因此,本研究将大目金枪鱼皮明胶与κ-卡拉胶混合制成复配胶,研究了不同配比的复配胶的凝胶强度、流变学性质、凝胶持水性、质构特性等性质,并通过红外光谱分析和电镜扫描探究明胶与κ-卡拉胶分子间的交互机制,初步探索二者复配体系中凝胶特性变化的原因,以期为扩大这两种食品胶体的应用特别是在软糖工业中的应用奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

新鲜大目金枪鱼皮 山东中鲁远洋(烟台)食品有限公司(捕捞海域:太平洋(FAO 77海域));κ-卡拉胶 分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司;盐酸、冰乙酸、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、氢氧化钠、溴化钾 分析纯,成都市科龙化工试剂厂;溴化钾 光谱纯,成都市科龙化工试剂厂。

JA3003B型电子天平 上海精天电子仪器有限公司;PHS-25型数显酸度计 杭州雷磁分析仪器厂;8002型温控水浴锅 北京永光明医疗仪器厂;101-4-S型电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械厂;FD-1-50型真空冷冻干燥机 北京博医康实验仪器有限公司;5810R型冷冻离心机 德国Eppendorf公司;HX-1005型恒温循环器 郑州长城科工贸有限公司;CT-3型质构仪 美国博勒飞公司;DHR-1型TA流变仪 美国TA公司;Spectrun100型红外光谱仪 美国PerkinElmer公司;HITACHI E1010型离子溅射仪、S-3000N型扫描电子显微镜 日本日立仪器公司。

1.2 实验方法

1.2.1 金枪鱼皮明胶的制备 基础工艺条件参照Karayannakidis等[15]的方法并做一些改进:将金枪鱼皮去鳞,洗净,剪碎、漂洗并沥干,以质量浓度1%的SDBS超声脱脂2 h[16],水洗后,以质量浓度为0.8%的氢氧化钠溶液处理1 h,去除杂蛋白,每30 min换一次液。水洗后,以质量浓度为2.2%的乙酸溶液处理1 h,去除残留的碱液。水洗至pH4.5左右,在55 ℃条件下提胶6 h,滤除皮渣后,抽滤,60 ℃烘干24 h,即得明胶成品,密封于干燥皿中备用。

1.2.2 明胶/κ-卡拉胶复配胶的配制 分别配制质量浓度为5%(w/v)的明胶溶液和κ-卡拉胶溶液,分别取一定的量以不同比例混合并搅拌均匀,加适量的水使得最终复配胶的总质量浓度为3%(w/v),配比为:10∶0、9∶1、7∶3、5.5∶4.5、5∶5、4.5∶5.5、3∶7、1∶9、0∶10(明胶∶卡拉胶)。

1.2.3 不同配比复配胶凝胶强度的测定 参照GB 6783-2013《食品添加剂 明胶》中凝胶强度的测定方法,测定不同混合比例复配胶的凝胶强度。配制总浓度相同,混合比例不同的复配胶,将其在(10±0.1) ℃恒温循环器中凝冻16～18 h,采用CT-3质构仪测定凝胶强度。选用TA5圆柱型探头,下压速度1 mm/s,下压距离4 mm,得出凝胶强度数值[17],结果取整数。

1.2.4 流变学试验 测定明胶与κ-卡拉胶复配胶的储能模量G′和损耗模量G″随温度、黏度η随剪切速率的变化,方法参照陈丽清[18]并做适当调整。参数设置:40 mm铝平板;间距:1000 μm。静态剪切流变试验:观察样品的黏度与剪切速率的相关性,剪切速率的扫描范围:0.01～100 s-1,测试温度30 ℃。动态温度扫描:稳定时间为5 min,固定振荡频率为1.0～10 rad/s,温度扫描范围25～75 ℃,速率2 ℃/min。

1.2.5 不同配比复配胶凝胶持水率的测定 持水率的测定方法参照齐海萍[19],取一定质量(W1)的凝胶,切成大小均一的小粒,在温度为20 ℃,转速为4000 r/min下离心5 min,取出凝胶体用滤纸将表面水分吸干后称量(W2),凝胶体持水率按下式计算:

式中:W1为离心前凝胶质量,g;W2为离心后凝胶质量,g。

1.2.6 不同配比复配胶质构特性的测定 使用CT-3质构仪测定复配胶的质构特性。参数设置:探头:TA5;测试类型:TPA;测试速度:5 mm/s;测试距离:20 mm;触发力:5 g;可得到硬度、弹性、咀嚼性、胶着性、内聚性等参数[17]。

1.2.7 红外光谱扫描 分别取一定量的不同配比的复配胶,冷冻干燥后剪碎。称取1 mg样品与100 mg溴化钾混合研磨,40 ℃烘干后压片,用红外光谱仪扫描400～4000 cm-1的吸收光谱,扫描次数32次,分辨率4 cm-1[20]。

1.2.8 电镜扫描 分别取一定量的不同配比的复配胶,冷冻干燥后剪碎。从各个样品中分别选取一定大小的样品,用专用的双面胶固定,HITACHI E1010型离子溅射仪喷金处理50 s[21],使用电子显微镜观察各个样品的微观结构。

1.3 数据处理

数据分析处理采用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0软件,并用Origin 8.软件做图。

2 结果与分析

2.1 不同配比复配胶的凝胶强度分析

从表1中可看出,质量浓度为3%的明胶的凝胶强度为34 g,而3%的κ-卡拉胶凝胶的凝胶强度高达504 g,显著高于明胶的凝胶强度(p<0.05),这说明κ-卡拉胶分子之间的相互作用力远远高于明胶分子间的相互作用力。将明胶与κ-卡拉胶混合后,明胶/κ-卡拉胶比例为9∶1时不能形成凝胶,继续增大κ-卡拉胶的比例,复配胶的凝胶强度随着κ-卡拉胶比例的增大不断增大,但均小于κ-卡拉胶凝胶的凝胶强度。Sinthusamran等[22]将明胶与κ-卡拉胶共混,使κ-卡拉胶所占的总固体比例分别为0、25%、50%、75%、100%,结果显示,随着κ-卡拉胶的含量不断增加,凝胶强度由211 g逐渐增大到430 g,混合胶凝胶强度的增大依赖于κ-卡拉胶的浓度,由此推断复配胶的凝胶结构可能由卡拉胶主导。

表1 不同配比对复配胶凝胶强度的影响Table 1 Effect of ratio on the gel strength of compound gel

2.2 不同配比复配胶的流变学性质分析

2.2.1 不同配比复配胶的黏度随剪切速率的变化 本研究测定了不同配比复配胶的黏度随剪切速率的变化,结果如图1所示。可以看出,随着剪切速率的不断增加,所有凝胶的黏度均随着剪切速率的增大而下降,这说明明胶与κ-卡拉胶及其复配胶均呈现假塑性流体的性质,凝胶的黏度受剪切速率大小的影响,表现为剪切变稀。单组分κ-卡拉胶溶液黏度较高,而明胶溶液黏度较低。当体系中明胶与卡拉胶比例达到7∶3时,体系黏度明显增大,证明当体系中卡拉胶浓度达到30%时,可大幅提升体系黏度特性;当卡拉胶比例在45%～90%时,在低剪切速率下体系的黏度呈现增加趋势,高剪切速率下黏度特性趋近。表明当体系中卡拉胶比例超过45%时,样品在高剪切速率下呈现相近的有序结构[23]。纯卡拉胶体系则在高剪切速率下呈现比混合样品更高的黏度,说明体系中明胶的存在会影响高剪切速率下体系有序结构的形成。

图1 不同配比复配胶黏度与剪切速率的关系Fig.1 Relationship between the viscosity of the compound gel and the shear rate

2.2.2 不同配比复配胶的G′与G″随扫描温度的变化 为了解温度对不同配比复配胶黏弹性的影响,本研究配制了质量浓度为3.0%的明胶、不同配比的复配胶和κ-卡拉胶凝胶,测定温度对复配胶黏弹性的影响,结果如图2所示。储能模量G′和损耗模量G″分别代表着凝胶的弹性性质与粘性性质。由图2a可知,明胶凝胶在低温下的G′和G″均不超过20,当温度大于20 ℃时,即达到底值且趋于平稳。由图2b、图2c可知,所有复合凝胶和卡拉胶的G′和G″均明显高于明胶凝胶,且随着温度的升高逐渐降低,而且整个升温过程中,复配胶的G′和G″随着κ-卡拉胶比例的增大而增大,说明卡拉胶在凝胶体系中占据主导。通常情况下,将升温过程中G′=G″时的温度定义为凝胶的熔化温度。复配胶中κ-卡拉胶的比例越高,复配胶的熔化温度越高(表2)。这些趋势均表明,κ-卡拉胶的加入,提高了复配胶的凝胶性,研究结果与孙哲浩[24]的结果相符。

图2 温度对明胶的G′和G″(a)、不同配比复配胶 及卡拉胶的G′(b)和G″(c)影响Fig.2 The effects of temperature on the G′ and G″ of the gelatin(a),G′(b)and G″(c)of the compound gel and the κ-carrageenan

表2 明胶、κ-卡拉胶及复配胶的熔化温度Table 2 Melting temperature of gelatin, κ-carrageenan and compound gel

综合凝胶强度和流变学试验的结果可以看出,质量浓度为3%的条件下,κ-卡拉胶分子间相互作用明显高于明胶分子间相互作用,因此当将两者混合制成复配胶后,κ-卡拉胶的比例对复配胶的性质的影响尤其明显。κ-卡拉胶的比例越高,复配胶的凝胶强度、黏度、储能模量和损耗模量越高。

2.3 不同配比复配胶的凝胶持水率分析

凝胶的持水力代表着凝胶体系网状结构束缚水分的能力,持水力的大小影响着产品的质构特性和加工损失[25]。不同配比复配胶的凝胶持水率如图3所示。从中可看出,单组分明胶或κ-卡拉胶溶液的凝胶持水性较高,达到97%以上。两者复配后,凝胶持水率降低。明胶与卡拉胶配比为7∶3与5.5∶4.5时持水率显著降低(p<0.05),尤其是配比为7∶3时。这可能与体系中κ-卡拉胶含量低,卡拉胶和明胶的相互作用会阻碍各自的螺旋聚集[26],造成凝胶网络结构形成不够密集有关。其他配比凝胶持水率无显著性变化。在实际应用中,将明胶/卡拉胶复配时,可在5∶5～0∶10范围内调整配比调节凝胶特性,不会影响产品持水性。

图3 不同配比对复配胶凝胶持水率的影响Fig.3 Effect of ratio on the gel water-holding capacity of compound gel

2.4 不同配比复配胶的质构特性分析

由表3可知,复配胶中,随着κ-卡拉胶比例的逐渐增大,复配胶的硬度随之增大,但始终低于单组分κ-卡拉胶凝胶。与单组分明胶凝胶相比,明胶/κ-卡拉胶配比为7∶3时,复配胶硬度低于明胶凝胶,继续增大κ-卡拉胶比例,各组复配胶凝胶硬度均高于明胶凝胶。咀嚼性和胶着性是硬度的补充参数,变化趋势与硬度相同。复配胶的内聚性随着κ-卡拉胶比例的增大而减小,κ-卡拉胶的加入使得凝胶变得脆而白,表现为保持凝胶自身完整性的能力下降[27],这可能与κ-卡拉胶本身较易形成硬而脆的凝胶有关。复配胶的弹性随着κ-卡拉胶比例的增大而轻微下降,但无显著变化(p>0.05)。

表3 不同配比对复配凝胶质构特性的影响Table 3 Effect of different ratio on the texture of compound gel

将凝胶持水率和凝胶质构特性结果综合来看,复配胶在明胶/κ-卡拉胶比例为7∶3时出现了拐点,可能是由于κ-卡拉胶含量较低,此时体系中明胶与κ-卡拉胶存在的分子间交互作用导致凝胶无法形成致密的网络结构。随着κ-卡拉胶含量进一步增加,卡拉胶之间的作用可能逐渐占据主导,将明胶包裹在网络中。由此推断,明胶与κ-卡拉胶交互越多,凝胶持水力和质构特性越差。通过凝胶持水率和质构的特性变化趋势初步推测,当明胶/κ-卡拉胶比例为7∶3时,两者分子间的交互作用最多。

2.5 红外光谱扫描

红外光谱中,可以根据光谱图中个各谱带的出峰位置、峰的强度和宽度等信息,对分子高聚物的构象进行分析。为探究各凝胶的构象,分别取明胶凝胶、各比例复配胶、卡拉胶凝胶进行红外光谱分析,得到图谱如图4所示。κ-卡拉胶的红外光谱图中在926 cm-1与846 cm-1处出现了吸收峰,这两者分别代表了3,6-内醚-D-半乳糖和4-硫酸基-β-D-半乳糖[28],证明本研究所使用的卡拉胶为κ-卡拉胶。明胶的红外光谱图中,酰胺Ⅰ带出现在1634.87 cm-1处,代表了C=O基团伸缩振动的吸收峰;酰胺Ⅱ带出现在1564.03 cm-1处,代表C-N基团的伸缩振动或N-H基团的弯曲振动;酰胺Ⅲ带出现在1246.33 cm-1处,其强度与三螺旋的结构密切相关;此外,出现在3435.59 cm-1处的酰胺A带,表明了N-H基团或O-H基团的伸缩振动。

图4 不同配比复配胶红外光谱图Fig.4 FTIR spectra of compound gel of different ratio

各不同比例的复配胶的红外光谱图中,均出现了κ-卡拉胶与明胶的特征吸收峰,但酰胺A带、Ⅱ带的吸收峰位置发生了明显的偏移。各个复配胶的酰胺A带分别出现在3409.98 cm-1(7∶3)、3434.62 cm-1(5.5∶4.5)、3431.25 cm-1(5∶5)、3433.83 cm-1(4.5∶5.5)、3434.48 cm-1(3∶7)、3433.94 cm-1(1∶9)处,这与明胶凝胶相比,发生了红移,表明明胶与κ-卡拉胶之间存在一定交互作用。这可能是由于存在于κ-卡拉胶分子链上的硫酸酯基团,与明胶的氨基端形成了氢键,导致氢键作用加强,从而使得酰胺A带向低波数移动。此外,与明胶凝胶和卡拉胶凝胶相比,各个复配胶的酰胺Ⅱ带吸收峰也发生了红移,也说明了两者之间存在氢键作用力。王露[14]也曾发现,明胶与卡拉胶混合溶液温度逐渐降低形成凝胶后,复合物中主要作用力转变为氢键作用力。配比为7∶3的复配胶的酰胺A带与Ⅱ带发生了明显红移,则表明此时明胶与κ-卡拉胶之间的交互作用最多,此时凝胶特性最差。逐渐增大卡拉胶的比例,明胶的含量逐渐减少,明胶与κ-卡拉胶的交互作用也随之逐渐减少。说明复配胶中可能形成了以卡拉胶为主体的结构,与复配胶凝胶所表现出来的性质相符。

2.6 电镜扫描

为了更好地观察各个凝胶的微观结构,试验对配比为10∶0、0∶10、7∶3、5∶5、1∶9(明胶:κ-卡拉胶)的凝胶进行电镜扫描,结果如图5所示。

图5 复配胶凝胶的电镜扫描图Fig.5 The SEM of compound gel注:明胶/卡拉胶比例从上到下依次为0∶10、10∶0、7∶3、5∶5、1∶9;从左至右分别为放大300倍、1500倍、5000倍。

单组分的明胶或κ-卡拉胶凝胶都结构紧密,表面平滑,两者复配后出现褶皱与聚集,说明明胶与κ-卡拉胶混合后两种高分子并不是简单的混合在一起,而是通过分子间相互作用发生了一定的结合。明胶/κ-卡拉胶比例为7∶3时褶皱最多,说明此时两者分子间的交互作用最多;逐渐提高κ-卡拉胶的比例至90%时,表面逐渐平滑紧密,与κ-卡拉胶的电子扫描图接近,说明当卡拉胶比例超过30%后,复配胶逐渐以κ-卡拉胶为主体。电镜扫描结果与红外分析结果相一致。

3 结论

本试验以明胶凝胶和κ-卡拉胶凝胶为参照,测定了不同配比复配胶的各项凝胶特性,结果表明:复配胶的凝胶强度、储能模量和损耗模量均随着κ-卡拉胶比例的增大而增大,明胶与κ-卡拉胶复配后较单纯的明胶凝胶具有更强的增稠性。明胶/κ-卡拉胶配比为7∶3和5.5∶4.5时,复配胶凝胶持水性显著下降。质构特性显示,明胶/κ-卡拉胶配比为7∶3时,复配胶硬度低于明胶凝胶,继续增大κ-卡拉胶比例,各组复配胶凝胶硬度均高于明胶凝胶,但低于κ-卡拉胶。咀嚼性和胶着性变化趋势与硬度相同。红外光谱分析结果说明κ-卡拉胶与明胶之间存在一定的交互作用,形成了分子间氢键。两者间的交互作用在明胶/κ-卡拉胶的比例为7∶3时最强,与复配胶凝胶所表现出来的性质相符。电镜扫描结果进一步说明了不同比例的κ-卡拉胶与明胶混合后,两者通过氢键发生了不同程度的交互作用。以上结果为扩大这两种食品胶体的应用奠定了理论基础。在实际生产中,可通过改变明胶/κ-卡拉胶的配比来调节复配凝胶的特性以适应不同产品的需要。