夏雨，焦志華，劉海英

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

茶多酚對明膠的改性作用*

夏雨，焦志華，劉海英

(江南大學(xué)食品學(xué)院，江蘇無錫，214122)

利用不同濃度茶多酚對明膠進(jìn)行改性，研究明膠改性前后凝膠強(qiáng)度、流變學(xué)性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)以及蛋白質(zhì)結(jié)晶度的變化，并探討茶多酚作為明膠改性劑的最佳條件。結(jié)果表明，2 g/L的茶多酚對明膠凝膠的強(qiáng)度、熔點(diǎn)和凝固點(diǎn)提高最顯著;傅里葉紅外轉(zhuǎn)換光譜和X-射線衍射的研究結(jié)果表明，2 g/L的茶多酚對明膠的交聯(lián)作用最強(qiáng)?？傊瑵舛葹? g/L的茶多酚對明膠具有明顯的改性作用。

明膠，茶多酚，改性

明膠具有很多優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，如它具有可逆性凝膠、高粘性和成膠性，同時(shí)它也是一種非常重要的高分子材料，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)學(xué)、化妝品、飼料、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。但是明膠自身也存在一些缺陷，如熱穩(wěn)定性差和機(jī)械強(qiáng)度差等，限制了它在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。現(xiàn)代食品化學(xué)的研究證明，改性可顯著提高蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)。明膠改性常用的方法有化學(xué)方法［1－2］和物理方法［3］。但這些方法多針對于照相明膠等應(yīng)用材料，通過改性途徑提高明膠在干性狀態(tài)下的物理強(qiáng)度。而且許多應(yīng)用于明膠改性的交聯(lián)劑都具有生物毒性，不適合應(yīng)用于食品和化妝品等領(lǐng)域。

明膠和多酚類物質(zhì)容易結(jié)合，而且少數(shù)多酚類物質(zhì)不像常用醛類改性劑具有生物毒性，使這部分多酚作為明膠的安全改性劑成為可能。目前本實(shí)驗(yàn)室已利用天然多酚單寧酸嘗試制備了改性明膠［4］。結(jié)果表明，明膠凝膠性能和熔點(diǎn)均有所改善。但單寧酸并不安全，對人體存在毒性。

茶葉是人類可以攝入的最主要的三大安全的酚類物質(zhì)膳食來源之一。茶多酚是茶葉中主要的多酚類物質(zhì)，無毒，并具有抗氧化等多種生物活性［5－6］。茶多酚來源豐富，重量可以占到茶葉干重的22% ～30%，價(jià)格相對低廉。茶多酚中含有大量羥基，可與蛋白質(zhì)和氨基酸結(jié)合，這是利用茶多酚改性魚明膠生成水凝膠的理論前提。茶多酚易于制取和純化，其粗提物的純度即可達(dá)到30% ～40%，高純度茶多酚已經(jīng)進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。由于茶多酚中主要成分含量高而易于精制，如將其作為魚明膠改性的主研劑，不但成本較低，而且試驗(yàn)結(jié)果將比較穩(wěn)定。

本研究的目的是利用不同濃度的茶多酚改性明膠，研究茶多酚對明膠的主要性質(zhì)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

明膠，食品級，中國醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司;茶多酚，食品級，上海邦成化工有限公司;其他試劑均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

TA-XT2質(zhì)構(gòu)測試儀，英國SMS公司;AR1000型流變儀，英國TA公司;D8 Advance型X-射線衍射儀，德國Bruker AXS公司;MlocroMoDuLYo-230型真空冷凍干燥機(jī)，Thermo Savant公司;傅立葉變換紅外光譜儀NEXUS470，美國NICOLET公司;s-4800掃描電鏡測試儀，日本日立有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的制備

分別配制明膠與茶多酚的混合溶液，明膠的最終濃度為66.7 g/L，茶多酚的最終濃度分別為0.5 g/L、1 g/L、2 g/L、3 g/L、4 g/L，接著向各混合溶液樣品中加入NaN3，使NaN3在各溶液中的最終濃度均為0.1 g/L。攪拌條件下，于50℃通氧氣反應(yīng)1 h，分別分裝于凍力瓶中，于25℃恒溫交聯(lián)24 h，之后放到7℃環(huán)境保溫16～18 h。

1.3.2 凝膠強(qiáng)度的測定

凝膠強(qiáng)度測定采用 Bloom法［7］，采用質(zhì)構(gòu)儀測定。測定條件為:柱塞P0.5;下壓 4 mm，壓力5 g，壓入后速度1 mm/s。測定步驟:將樣品在質(zhì)構(gòu)儀圓臺上放平，柱塞對準(zhǔn)膠面中心后下壓，記錄最大力。

1.3.3 流變性的測定

按1.3.1方法制備改性明膠溶液，50℃通氧氣反應(yīng)1 h后，分別倒入平底培養(yǎng)皿，密封，冷卻后成為厚度約為1 mm明膠凝膠薄片。明膠凝膠薄片于25℃恒溫交聯(lián)24 h，之后放到7℃環(huán)境保溫16～18 h。

實(shí)驗(yàn)條件［8］:平板60 mm，磨具錐角為 2，夾縫為0.15 mm;掃描頻率為1 Hz，蠕變應(yīng)力為3.0 Pa。測定方式為溫度掃描。將明膠樣品于4℃保溫，于流變儀上平衡至5℃，然后升溫至40℃，升溫速率為1℃/min;在40℃保溫5 min后，降溫至5℃，降溫速率為1℃/min。在升溫和降溫過程中測量相角(δ)。

1.3.4 紅外性質(zhì)測定

樣品的制備:將不同濃度茶多酚改性后的明膠真空冷凍干燥，之后研碎成粉末。紅外測定的條件:采用KBr壓片法制樣;掃描范圍為4 000～400 cm－1。

1.3.5 X-射線衍射分析

樣品的制備:不同濃度茶多酚改性后的明膠真空冷凍干燥，之后研碎成粉末。測定條件:采用銅靶Cu Kα(λ=0.154 06 nm)，功率為1 600 W(40 kV ×40 mA)，采用NaI晶體閃爍計(jì)數(shù)器(Scintillation Counter)測量X-射線的強(qiáng)度，掃描范圍為3°～90°，掃描速度4°/min，步長0.02°。發(fā)散狹縫DS、防散射狹縫SS和接受狹縫RS設(shè)置分別為1 mm、1 mm和0.1 mm。

1.3.6 表面狀態(tài)觀察

樣品的制備:先按照1.3.3中的方法將空白明膠及用不同濃度茶多酚改性后明膠凝膠自然干燥成薄膜備用。測定方法:將明膠薄膜噴金處理后放在樣品臺上觀察并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性后明膠的凝膠強(qiáng)度變化

不同濃度茶多酚與明膠混合后通氧氣反應(yīng)1 h，分別制備成濃度為0.5、1、2、3、4 g/L 的茶多酚改性明膠。通過磁力攪拌器充分混合均勻后，將其分別分裝至凍力瓶中，各瓶顏色不同，深淺變化見圖1，不同濃度茶多酚改性明膠的凝凍強(qiáng)度比較見圖2。

空白明膠的顏色為淡黃色，與茶多酚反應(yīng)后的明膠的顏色變?yōu)榧t褐色，且隨著茶多酚濃度的增加，顏色逐漸加深。當(dāng)茶多酚濃度繼續(xù)增加時(shí)，過量的茶多酚與明膠呈白色沉淀析出。由圖2可知，當(dāng)茶多酚濃度繼續(xù)增加時(shí)，凝膠強(qiáng)度也隨著茶多酚濃度繼續(xù)增加，當(dāng)茶多酚濃度達(dá)到2 g/L后開始降低。其中主要原因?yàn)椴瓒喾泳哂卸鄠€(gè)酚羥基，而明膠肽鏈富含氨基和羧基。則酚羥基與明膠肽鏈間可形成氫鍵，拉近了明膠肽鏈間距離，增加了明膠肽鏈間作用力，其結(jié)果則是明膠凝膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，使明膠的凝膠強(qiáng)度增大。

2.2 改性后明膠的相變溫度變化

在動態(tài)流變特性的測量過程中，一般以tan(δ)=1作為膠凝和融化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其對應(yīng)的溫度即為膠凝溫度和熔化溫度。在動態(tài)黏彈性分析中，分別可以得出熔化溫度和膠凝溫度，如表1所示。

圖1 不同濃度茶多酚與明膠反應(yīng)后顏色變化

圖2 不同濃度茶多酚改性明膠的凝凍強(qiáng)度比較

表1 不同濃度茶多酚改性明膠后熔化和膠凝溫度變化

由于明膠的成熟時(shí)間延長和水分散失，故空白明膠的濃度升高，其熔化溫度較高。相比較之下，添加茶多酚的明膠樣品的熔化溫度和凝膠溫度均有所增加。其中，用2 g/L茶多酚改性的明膠，其熔化溫度和凝膠溫度上升幅度最大，上升幅度分別達(dá)到5.1℃和4.1℃。

明膠形成的是一種熱可逆凝膠，通常穩(wěn)定熱可逆凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要作用力是氫鍵，氫鍵的形成和破壞依賴于溫度。茶多酚增強(qiáng)了明膠肽鏈間的氫鍵作用力，使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，從而使其熔化溫度升高。同樣，添加茶多酚明膠的凝膠形成會更加容易，即其凝膠溫度也會升高。

2.3 改性后明膠的紅外特征變化

蛋白質(zhì)和多肽在紅外區(qū)域表現(xiàn)為9個(gè)振動模式或基團(tuán)頻率，其中最常用于二級結(jié)構(gòu)分析的是酰胺I帶，位于1 600～1 700 cm－1范圍，酰胺I帶的振動頻率取決于C＝O和N—H之間的氫鍵性質(zhì)，即特征振動頻率反映了多肽或蛋白質(zhì)的特定二級結(jié)構(gòu)(α-螺旋、β-折疊、無規(guī)則卷曲等)［9－10］。

對空白明膠以及經(jīng)過 0.5、1、2、3、4 g/L 茶多酚改性的明膠進(jìn)行了紅外光譜測定，結(jié)果見圖3。圖3中所標(biāo)A為酰胺A帶出峰位置，I為酰胺I帶出峰位置，II為酰胺II帶出峰位置，III為酰胺III帶出峰位置。

圖3 各種明膠樣品的紅外光譜結(jié)果

不同明膠的酰胺A帶、酰胺I帶、酰胺II帶、酰胺III帶的出峰位置見表2。

表2 不同明膠紅外光譜出峰處

酰胺A帶峰出現(xiàn)在3 300 cm－1左右，為O—H和N—H的伸縮振動吸收峰，它反映氫鍵的存在以及變化情況。當(dāng)氫鍵形成時(shí)，譜帶將向低波數(shù)移動，通常氫鍵越強(qiáng)，降低越明顯［11］。表2中可見樣品在3 200～3 400 cm－1處的吸收峰分別為:3 308.72 cm－1、3 299.14 cm－1、3 292.76 cm－1、3 288.32 cm－1、3 295.91 cm－1和 3 304.00 cm－1，可見明膠在經(jīng)過0.5 g/L茶多酚改性后譜帶向低波數(shù)移動9.58 cm－1，經(jīng)1 g/L茶多酚改性后譜帶向低波數(shù)移動15.96 cm－1;經(jīng)2 g/L茶多酚改性后譜帶向低波數(shù)移動20.4 cm－1，經(jīng)3 g/L茶多酚改性后譜帶向低波數(shù)移動12.81 cm－1，經(jīng)4 g/L茶多酚改性后譜帶向低波數(shù)移動4.72 cm－1。由此可以說明隨著茶多酚濃度的增加，明膠改性后形成氫鍵呈現(xiàn)先增多后減少的趨勢，且2 g/L茶多酚改性使分子形成氫鍵最強(qiáng)，使分子鏈接觸更為緊密，由此也證明了用濃度為2 g/L的茶多酚對明膠改性后的凝膠強(qiáng)度最好。酰胺I帶、酰胺II帶、酰胺III帶分別表示C＝O的伸縮振動、N—H的彎曲振動和C—H的伸縮振動，表2中各個(gè)濃度下茶多酚改性的明膠的酰胺I帶、酰胺II帶、酰胺III帶出峰處相差不大。

2.4 改性后明膠的X射線衍射特征變化

圖4～圖9為空白明膠及不同濃度茶多酚改性明膠的X射線衍射圖譜。

圖4 空白明膠X-射線光譜

圖5 0.5 g/L茶多酚改性明膠X-射線光譜

表3 多種明膠樣品X-射線光譜出峰處及d值

圖6 1 g/L茶多酚改性明膠X-射線光譜

圖7 2 g/L茶多酚改性明膠X-射線光譜

圖8 3 g/L茶多酚改性明膠X-射線光譜

圖9 4 g/L茶多酚改性明膠X-射線光譜

將上述X射線衍射圖譜中出現(xiàn)的2個(gè)峰分別定義為峰A和峰B。峰B與漫散射有關(guān)，峰A代表肽鏈間的距離，用d值表示，d值越小代表蛋白質(zhì)結(jié)晶面距離越小，明膠與茶多酚之間的交聯(lián)作用越強(qiáng)。

表3為空白明膠及用不同濃度茶多酚交聯(lián)后的明膠的光譜中的出峰處及d值，由表3可以看出，不同濃度茶多酚與明膠交聯(lián)后蛋白質(zhì)的結(jié)晶面距離均變小，且2 g/L茶多酚改性明膠的峰A的d值最小，因此2 g/L茶多酚與明膠交聯(lián)后蛋白質(zhì)結(jié)晶面的距離最短，即2 g/L茶多酚對明膠的交聯(lián)作用最強(qiáng)。

3 結(jié)論

茶多酚分子具有多個(gè)酚羥基，因此1個(gè)茶多酚分子可以結(jié)合多個(gè)明膠肽鏈，從而拉近明膠肽鏈間距離，增強(qiáng)了明膠分子間作用力。對于改性后明膠凝膠而言，茶多酚增強(qiáng)了凝膠內(nèi)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)的明膠凝膠的機(jī)械性能。但與此同時(shí)，茶多酚交聯(lián)加深了明膠的顏色。

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Study on the Properties of Gelatin Modified by Tea Polyphenols

Xia Yu，Jiao Zhi-hua，Liu Hai-ying
(School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi 214122，China)

Gelatin was modified in this work by different concentrations of tea polyphenols.The gel strength，rheological properties，molecular structures and the protein crystallinity in the gelatin before and after modification were comparatively studied，and the optimum tea polyphenols concentration for gelatin modification was discussed.Results showed that 2 g/L of the tea polyphenols mostly benefited to the improvement of gel strength，melting point and freezing point.Results of the fourier transform infrared spectroscopy and the X-ray diffraction showed that 2 g/L of the tea polyphenols mostly improved the cross-linking of gelatin.All the results showed that 2 g/L of the tea polyphenols can improve the property of gelatin significantly.

gelatin，tea polyphenols，modification

博士，副教授(劉海英為通訊作者)。

* 江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)(BK2009749、BK2008103);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(JUSRP21010)

2011－07－02，改回日期:2011－07－24