陈 青 周涛涛 程红梅 韩晓祥

(浙江工商大学食品与生物工程学院， 杭州 310018)

0 引言

目前，肥胖已成为威胁人类健康的重要因素[1-4]。文献[5]发现，体质量如果能减少10～15 kg，就有可能逆转Ⅱ型糖尿病。控制和治疗肥胖最有效的途径是减少热量摄入或延长食物在胃部的消化时间。多糖是食品中的重要组分，在食品微观结构、贮藏稳定性等方面发挥着重要的作用，对多糖结构进行调控，可实现对食品质构、营养和风味的调节[6-7]。如果能在食品中加入一种或多种对酸敏感的多糖，使其在接触胃酸时形成凝胶，就有可能在不改变食品风味和口感的前提下延长消化时间，从而达到减肥的目的。海藻酸钠遇酸可形成酸性凝胶，并可延长胃部消化时间，但海藻酸钠遇钙离子立刻凝胶，影响其在食品工业中的应用[8]。结冷胶(Gellan gum, GLG)是一种阴离子多糖，具有香味释放性强、复配性佳、安全性和生物相容性好等优点，在食品、制药、化工等领域应用广泛[9-12]。商品化结冷胶[13]主要包括高酰基结冷胶(High acyl gellan gum，HA)和低酰基结冷胶(Low acyl gellan gum，LA)。低酰基结冷胶可以形成性质良好、凝胶速率适中的酸性凝胶，且在模拟胃肠液中消化时间延长，有望成为减肥食品的新型添加剂。在食品工业中，生产者经常将高酰基和低酰基结冷胶复配使用，以满足不同的功能要求[14-16]。但目前关于低酰基/高酰基复合酸性结冷胶凝胶的研究鲜见报道。

应力松弛可灵敏地反映材料的质地和结构变化[17-19]，且在测试中不会对材料结构产生影响。为全面了解结冷胶酸化凝胶的形成过程，本文以应力松弛作为表征手段，研究LA/HA质量配比、基体浓度、pH值对复合酸性结冷胶凝胶的凝胶特性的影响，同时模拟胃液环境研究复合凝胶的结构重建，以期为结冷胶在我国食品工业及其他领域中的加工应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

高酰基结冷胶LT100(美国Kelco公司)，低酰基结冷胶Kelcogel(美国Kelco公司)，HCl(成都市科龙化工试剂厂，分析纯)；去离子水(实验室自制)。

JZ78-1型磁力搅拌器(杭州通用电子仪表厂)，电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，XMT-E5000型加热器(威利斯公司)，TA TX型物性分析仪(英国SMS公司)，BL-180型集成防爆冷柜(上海亿思科技有限公司)。

1.2 实验方法

1.2.1低酰基/高酰基结冷胶复合酸性凝胶制备

在室温(20℃)下将适量结冷胶粉末加入去离子水中，溶胀24 h，于90℃下进行磁力搅拌，直至结冷胶粉末完全溶解，用HCl调节pH值，将溶液分装在Φ30 mm×20 mm模具中，用15℃的冷水浴冷却10 min，在4℃冰箱中放置36 h后脱模进行测试分析，在进行测试前，凝胶试样均在室温下放置0.5 h进行平衡。

本研究中制备的复合酸性凝胶中LA/HA的质量配比为0∶100、25∶75、50∶50、75∶25和100∶0，复合凝胶体系的pH值为2、3、4、5、5.4(未调节)，基体总质量浓度为0.005、0.010、0.015 g/mL。

1.2.2复合酸性凝胶的凝胶特性测定

利用两种方式测试了复合酸性凝胶的凝胶特性，并对其进行了关联对比。第1种方式是应力松弛，采用TA TX型物性分析仪进行测试，测定模式：hold test；测定前探头速度：1 mm/s；测定时探头速度：1 mm/s；测定后探头速度：3 mm/s；压缩应变：10%；触发类型：自动；触发力：0.049 N；测试时间：600 s；探头型号：P45(直径为45 mm的圆柱探头)。根据得到的力-时间关系曲线，计算出相应的参数。每组实验重复测定3次，文中所用数据为3次重复测量的平均值。

利用TA TX型物性分析仪对复合酸性凝胶的硬度进行了表征，选用的夹具为P45，测试模式为TPA (Texture profile analysis)。具体测试参数为：预压速度3 mm/s，下压速度1 mm/s，回复速度3 mm/s，变形量6 mm，两次压缩之间的停留时间10 s，触发力0.049 N。取TPA测试结果中的硬度表征凝胶强度。每组实验重复测定5次，文中所用数据为5次重复测量的平均值。

1.3 数据统计分析

文中所有数据均利用Origin 8.0和SPSS 17.0进行数据处理和分析。为了减少实验误差，提高数据的可信度，本研究中每组实验重复测定3～5次，文中所用数据为多次重复测量结果的平均值。

2 结果与分析

2.1 复合酸性结冷胶凝胶(L/H-GLG)的形成

图1 低酰基/高酰基复合酸性结冷胶凝胶照片Fig.1 Typical macroscopic aspect of low acyl (LA) and high acyl (HA) mixed acid gellan gum gels (L/H-GLG)

图1给出了低酰基/高酰基复合酸性结冷胶凝胶的照片。LA/HA质量配比越大，凝胶的透明性越好，这是因为低酰基结冷胶形成的是透明凝胶，而高酰基结冷胶则形成白色不透明凝胶，体系内低酰基结冷胶含量高，这时低酰基结冷胶会形成连续网络结构，复合凝胶主要表现出低酰基结冷胶的特性。此外，低酰基结冷胶含量越高，凝胶越坚实，而高酰基结冷胶含量越高，形成的凝胶则越柔软。随着体系pH值的降低，复合凝胶的颜色均会变成不透明的白色。

基体总浓度、LA/HA质量配比和pH值对复合凝胶的形成均有影响。基体总质量浓度越低时越不容易形成坚实的凝胶。当基体总质量浓度为0.005 g/mL时，LA/HA质量配比为100∶0时只有在pH值为2时才能形成坚实凝胶。基体总质量浓度升高到0.010 g/mL时，除了未调节pH值且LA/HA质量配比为100∶0的样品以外，其它样品均形成了坚实的凝胶。当pH值为2、LA/HA质量配比为0∶100时，基体总质量浓度为0.005 g/mL与0.015 g/mL的体系均不能形成坚实的凝胶，说明当pH值很低时，高酰基结冷胶含量越高，则越不容易形成坚实的复合凝胶。由此可见，相对高酰基结冷胶而言，低酰基结冷胶对酸更为敏感。文献[20]考察钙离子对低酰基/高酰基复合凝胶的凝胶性质影响时发现，低酰基结冷胶对钙离子更敏感，这也与本文研究结果一致。

图2 低酰基/高酰基结冷胶复合酸性凝胶典型的应力松弛曲线和Peleg模型拟合Fig.2 Typical stress relaxation curves of L/H-GLG and stress relaxation data after conversion to linear form by graphing Peleg model

2.2 应力松弛模式对复合酸性结冷胶凝胶特性的表征

用来描述食品体系松弛行为最常用的模型是Maxwell模型，但文献[21]认为食品体系很多时候表现出非线性粘弹性的特点，且因为食品体系成分复杂多变，因此Mawell模型对于食品体系并不适用，食品体系的应力松弛行为可以用一个非常简单的归一化模型进行拟合，即

(1)

式中F0——应力松弛曲线中初始作用力，N

F(t)——t时刻的作用力，N

k1——松弛单位作用力所需要的时间，s

k2——松弛程度系数

松弛之后体系的平衡模量EA计算公式为

(2)

式中A——试样的横截面积，m2

ε——施加的应变

图2a给出了复合酸性凝胶典型的应力松弛曲线，可见，复合凝胶在受到外力作用并保持应变不变时，样品的应力会迅速达到一个最大值。随着保持时间的延长，初始时应力会快速降低，当时间超过某个临界值后，应力下降速率减慢，并逐渐趋于稳定，总地来说，复合酸性凝胶的应力松弛曲线可以分为两个区，一个为快速松弛区，另一个则为稳定区。复合酸性凝胶的应力不会松弛为零，说明其是一个典型的具有残余应力的体系。多次重复测试的测试曲线基本重合，且彼此之间偏差小于5%，说明应力松弛数据可重复且可信。

根据复合酸性凝胶应力曲线的变化特点，利用Peleg模型对其应力松弛行为进行了拟合，图2b给出了拟合结果，显然，Peleg模型可以很好地拟合复合酸性凝胶的应力松弛行为。

2.2.1k1和k2

图3给出了复合酸性凝胶k1与体系pH值以及LA/HA质量配比之间的关系曲线。复合酸性凝胶的k1均随LA/HA质量配比的升高出现了先增大后减小的变化规律，样品基本都在LA/HA质量配比为50∶50时出现最大值，说明此时凝胶松弛单位应力的时间越长，即凝胶更强。此外，还可发现，LA/HA质量配比对复合酸性凝胶k1也有较为明显的影响，总地来说，体系内低酰基结冷胶含量越高，k1对pH值的敏感性越强，说明相对于高酰基结冷胶而言，低酰基结冷胶对pH值更为敏感。固定的LA/HA质量配比下，复合酸性凝胶基本都在pH值为3～4时获得了最大值，这可能是因为此时体系结构发展得较为完善。体系的pH值会影响到结冷胶分子构象[22]，一方面H+会屏蔽结冷胶分子链上带负电的羧基，另一方面pH值还会影响低酰基结冷胶分子链上羧基的解离度。体系内酸含量越高，酸化速率越快，结冷胶分子链聚集越快，越不容易形成致密结构，当pH值为3～4时，体系内部分子链的聚集速度适中，结构致密。

图3 LA/HA质量配比及pH值对复合酸性凝胶k1的影响Fig.3 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on k1 of L/H-GLG

图4给出了复合酸性结冷胶凝胶k2与pH值、LA/HA质量配比的关系。k2表示的是凝胶应力松弛的程度，k2越大，说明样品的弹性越大，纯液体k2=1，理想虎克固体k2→∞。显然，k2与k1的变化规律基本相似。在所研究的基体总浓度的范围内，当pH值为2时，复合凝胶的k2最小，为1.05～2.07，说明pH值为2时形成的复合凝胶是弱凝胶。这可能是因为此时体系的酸化速率过快，使得结冷胶分子链聚集速率加快，造成凝胶内部的三维网络无法发展完善。文献[21]研究发现，玉米粒的k2为5.81，奶酪的k2为1.11，低甲氧基果胶的k2为1.21，豆子的k2为2.26。与k1的变化特点类似，复合酸性凝胶k2随着LA/HA质量配比的升高出现了先基本保持平稳然后降低的变化趋势，这是由高酰基结冷胶形成的凝胶弹性更大，而低酰基结冷胶形成的凝胶更脆造成的。这与文献[20]的研究结果一致。

图4 LA/HA质量配比及pH值对复合酸性凝胶k2的影响Fig.4 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on k2 of L/H-GLG

2.2.2平衡模量

如果材料是理想弹性体，可以一直维持施加在样品上的作用力，如果材料是纯粘性流体，则作用力会快速松弛掉。平衡模量(EA)是一个与初始应力和弹性相关的物理量。对于多糖凝胶来说，EA与凝胶强度之间存在正相关性，即凝胶强度越大，EA越大。对于低酰基/高酰基结冷胶复合酸性凝胶而言，EA也是其凝胶网络强弱的体现，可用来表征凝胶的强弱。因为高酰基结冷胶形成的凝胶软而弹，无法用压缩法对其强度进行表征，故而利用TPA测定了凝胶的硬度。平衡模量EA与硬度之间具有显著的正相关性(相关系数0.948 2～0.956 4)，凝胶强度越大，平衡模量也越高，因此本研究利用EA作为复合酸性凝胶凝胶强度的表征。

图5 LA/HA质量配比及pH值对复合凝胶EA的影响Fig.5 Effects of LA/HA weight ratio and pH value on EA of L/H-GLG

图5给出了LA/HA质量配比和pH值对复合酸性凝胶平衡模量的影响。显然，复合凝胶的EA随着LA/HA质量配比的增大先升高后降低，基本都在LA/HA质量配比为50∶50时取得最大值，说明此时凝胶的强度最大。文献[23]研究发现，低酰基和高酰基结冷胶混合时，会各自形成双螺旋结构，当低酰基结冷胶含量较低时，高酰基结冷胶形成了网络结构，而低酰基结冷胶分散在其中，但低酰基质量分数增大到50%时，低酰基结冷胶和高酰基结冷胶形成了互穿网络结构，此时强度最大。之后随着低酰基结冷胶含量的进一步增大，高酰基结冷胶则作为分散相存在于低酰基结冷胶形成的网络结构中，平衡模量会降低。文献[24]研究发现，当HA质量分数在30%～60%之间时，LA和HA会形成互穿网络结构，使得本体模量最大，这也与本研究结果一致。

pH值对复合酸性凝胶EA也有影响，基本所有的复合酸性凝胶都在pH值为3时平衡模量最大，可能是因为此时分子量聚集速率较为合适，形成的凝胶结构较为致密所致。结冷胶总浓度越大，单位体积内高分子链越多，凝胶的平衡模量也越高。

2.3 酸液浸泡对复合酸性凝胶的凝胶特性的影响

为了模拟复合凝胶进入胃部之后结构的变化，考察了复合酸性凝胶在pH值为2的酸液中凝胶性质的演变，图6给出了酸液浸泡对不同初始pH值的复合酸性凝胶EA的影响。显然，随着浸泡时间的延长，复合酸性凝胶的EA也出现了先增大后稳定的变化特性，随着复合凝胶内部高酰基结冷胶含量的增多，酸液浸泡时间对复合酸性凝胶EA影响越来越小，这也说明了高酰基结冷胶对pH值改变不敏感。由图6a可见，初始pH值3的复合酸性凝胶在pH值2的酸液中浸泡6 h后，LA/HA质量配比为100∶0、75∶25、50∶50、25∶75和0∶100凝胶的EA从初始的11.36、8.02、14.16、6.36、2.05 kPa分别变为13.58、17.14、19.13、11.65、1.47 kPa。由图6b可以看出，初始pH值为5.4的复合凝胶在pH值为2的酸液中浸泡6 h后， LA/HA质量配比为75∶25、50∶50、25∶75和0∶100的凝胶EA则从初始的3.24、6.42、3.95、3.29 kPa变为19.05、22.03、11.88、1.93 kPa。显然，复合凝胶的初始pH值与浸泡溶液的pH值相差越大，酸液浸泡的影响越明显，这是因为H+能进一步促进分子链间的聚集，增强凝胶的网络结构，使凝胶强度增强。当复合酸性凝胶与外界环境的pH值相差越大，H+的迁移越容易，影响也就越大，这也说明了复合酸性凝胶的结构不仅可以通过制备条件进行控制，还可以通过环境的pH值进行调控。

图6 酸液浸泡对复合酸性凝胶EA的影响Fig.6 EA of L/H-GLG as a function of length of exposure to acidic environment

3 结论

(1)低酰基/高酰基复合酸性结冷胶凝胶的凝胶特性可用应力松弛参数进行表征，Peleg模型可以对复合酸性凝胶的应力松弛行为进行拟合。

(2)LA/HA质量配比对复合凝胶应力松弛行为影响显著，随LA/HA质量配比的增加，k1表现出先增大、后减小的变化规律，当LA/HA质量配比为50∶50时获得最大值。相对于高酰基结冷胶，低酰基结冷胶对酸更为敏感。

(3)平衡模量EA可用来表征复合酸性凝胶的凝胶强度。随着LA/HA质量配比的增大，复合酸性凝胶的EA先增大、后减小，在LA/HA质量配比为50∶50时取得最大值，说明此时凝胶的强度最大， LA和HA形成了互穿网络结构。所有的复合凝胶都在pH值为3时平衡模量最大。结冷胶总浓度越高，复合酸性凝胶的平衡模量也越大。

(4)低酰基/高酰基复合酸性结冷胶凝胶的结构可以通过制备条件和环境pH值进行调控。