徐曉萍，張亞寧，樊 巧，陳厚榮，張甫生（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

響應面法優(yōu)化制備魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白混合凝膠

徐曉萍，張亞寧，樊 巧，陳厚榮，張甫生*
（西南大學食品科學學院，重慶 400715）

為提高多糖-蛋白混合物穩(wěn)定性，改善彼此性能并探究制備過程中各因素對多糖-蛋白混合凝膠成型及性能的影響，以魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）和大豆分離蛋白（soybean protein isolate，SPI）為試材，制成KGM-SPI混合凝膠，研究制備工藝對其凝膠強度和持水性的影響。在單因素試驗的基礎上，取KGM-SPI總質量分數(shù)、KGM與SPI配比、KCl濃度和Ca(OH)2添加量為自變量，凝膠強度為響應值，建立混合凝膠強度的二次回歸方程，并通過響應面分析得到優(yōu)化制備條件為：KGM-SPI總質量分數(shù)4.5%、KGM與SPI配比3∶1、KCl濃度0.13 mol/L、Ca(OH)2添加量0.15%。此條件下混合凝膠強度驗證值為2.758 N，與預測值2.779 N相近。通過對優(yōu)化前后凝膠質構特性進行了對比分析，均證實優(yōu)化結果可靠。

魔芋葡甘聚糖；大豆分離蛋白；混合凝膠；響應面法

食品體系是由多種組分混合而成的復雜體系，多糖和蛋白質是構成食品的兩大重要組分。但多糖-蛋白共混體系多處于亞穩(wěn)態(tài)，在加工、貯運等實際應用中常出現(xiàn)相分離，導致多糖-蛋白基產品在食品、藥品及材料等領域的應用受到嚴重阻礙[1-4]。因共混體系質構、流變等特性受分子結構、濃度、環(huán)境pH值和離子強度等影響[5]，通過調控這些因素可顯著改善多糖-蛋白共混體系的穩(wěn)定性。

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是一種繼淀粉和纖維素之后、來源豐富的可再生天然中性多糖，可以吸收100倍于自身體積的水分形成水溶性膠體[6]，具親水性、凝膠性、黏結性、成膜性及低熱量、低脂肪、高膳食纖維等優(yōu)良特點[7]，被廣泛用于食品、醫(yī)學、生物學等領域。大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）含有豐富的氨基酸、鈣、磷、鐵和維生素，且膽固醇含量低[8]，為目前來源最為豐富的植物蛋白[9]，具有乳化、膠凝、成膜等多種特性，已應用于各類食品中[10-11]。以魔芋葡甘聚糖與大豆分離蛋白來研究多糖與蛋白共混體系極具代表性，目前關于KGM與SPI共混體系的研究，僅有關于體系宏觀性質及部分初級結構研究[12-15]的報道，混合體系制備過程中各因素對其性質影響方面的研究較少[16-17]。KGM為吡喃型Glu和吡喃型Man以β-1,4-糖苷鍵連接而成的親水性非離子型多糖，維持其雙螺旋構象的乙酰基在堿性條件下加熱會被脫除，雙螺旋開環(huán)[18]，更多地與SPI通過氫鍵作用[19]形成網絡結構，可通過調節(jié)濃度、配比、離子強度和pH值等增強KGM和SPI分子鏈間相互作用，基于此，本研究通過單因素試驗研究制備過程中KGM-SPI質量分數(shù)、配比、離子濃度等對KGM-SPI混合凝膠的影響，并采用響應面法研究各因素間相互作用對混合凝膠性質的影響，優(yōu)化凝膠制備條件，改善KGMSPI混合凝膠的性能，以期為多糖和蛋白混合凝膠的制備提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

KGM（食品級，純度≥95%） 上海北連生物科技有限公司；SPI（食品級，純度≥90%） 鄭州哼多寶化工有限公司；氯化鉀（分析純） 重慶北碚化學試劑廠；氫氧化鈣（分析純） 重慶川東化工公司。

1.2 儀器與設備

JJ-1型精密增力電動攪拌器 金壇市城東新瑞儀器廠；HH-2型數(shù)顯恒溫水浴鍋 常州奧華儀器有限公司；SL602N型高精數(shù)顯電子天平 上海民橋精密科學儀器有限公司；TA.XT2i型物性測定儀 英國Stable Micro System公司；GL-20G-Ⅱ型高速冷凍離心機 上海安亭科學儀器廠。

1.3 方法

1.3.1 KGM-SPI混合凝膠的制備流程

將一定量的SPI緩慢加入到有磁力攪拌器攪拌的去離子水中，邊攪拌邊添加，待SPI分散均勻，將稱量好的KGM緩慢加入到SPI分散液中，充分攪拌以保證KGM完全分散到SPI水分散液中，加入凝固劑Ca(OH)2充分攪拌混合均勻，平整表面后于95 ℃恒溫水浴30 min形成凝膠，立即冷卻到室溫，并存放在4 ℃過夜待測。

1.3.2 KGM-SPI混合凝膠的性能測定

1.3.2.1 KGM-SPI混合凝膠的質構特性

使用質構儀的質構分析模式測定凝膠質構特性。操作條件：p0.5探頭，測試前速率2.0 mm/s，形變量50%，測試速率1.0 mm/s，測試后速率5 mm/s，觸發(fā)力0.05 N。每個試樣均做10 個平行，測定凝膠強度、黏性、彈性、內聚性、膠著性和咀嚼性。

1.3.2.2 KGM-SPI混合凝膠的持水性

將凝膠切成均勻的矩形顆粒置于10 mL離心管中，于冷凍離心機中12 000×g、4 ℃離心10 min，濾紙吸干管內可見水分，稱質量。持水率按式（1）計算：

式中：m1為離心管和離心后凝膠質量/g；m2為離心管和離心前凝膠質量/g；m3為離心管質量/g。

1.3.3 試驗設計

1.3.3.1 單因素試驗設計

選取對試驗影響較大的因素：KGM-SPI總質量分數(shù)（1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%）、SPI與KGM配比（3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3、8∶2）、KCl濃度（0.02、0.05、0.08、0.11、0.15、0.2、0.3 mol/L）、Ca(OH)2添加量（0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%），研究各因素對凝膠性能的影響。試驗均做3 個平行。

1.3.3.2 響應面試驗設計

在單因素試驗的基礎上，以凝膠強度為響應值，設計四因素三水平的響應面試驗，如表1所示，優(yōu)化各個工藝參數(shù)。

表1 響應面試驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface design

1.4 數(shù)據統(tǒng)計與分析

利用Origin 7.5與Design-Expert處理分析實驗數(shù)據，實驗均做3 次以上平行，取平均值，結果以標準差的形式表示。

2 結果與分析

2.1 KGM-SPI總質量分數(shù)對混合凝膠性能的影響

設定KGM與SPI配比為6∶4，KGM-SPI總質量分數(shù)按1.3.3.1節(jié)制備凝膠，測定其凝膠強度及持水性，如圖1所示。

圖1 KGM-SPI總質量分數(shù)對混合凝膠強度和持水性的影響Fig.1 Effect of total concentration of KGM and SPI on the gel strength and water-holding capacity of KGM-SPI mixed gels

凝膠強度主要是由形成凝膠的物質間通過共價鍵合、靜電、氫鍵、疏水作用等發(fā)生交聯(lián)和聚集形成三維網狀結構的致密程度決定[10]。由圖1可知，隨著KGMSPI總質量分數(shù)的增加，混合凝膠的凝膠強度和持水性均呈上升趨勢，質量分數(shù)為4%時，凝膠強度達到最大且持水性最高。這是因為開始時混合物中KGM和SPI含量較低，兩者相互作用形成的凝膠結構不夠致密，隨著混合物總質量分數(shù)的增加，兩者相互作用機會增多形成網絡結構更加致密，凝膠強度逐漸增強。對于持水性，由于KGM和SPI均具有膠凝性結合了一部分水分，同時兩者相互作用形成的網絡結構將一部分水分截留，持水性提高，此結果和其他蛋白質與多糖所形成混合凝膠持水性的研究一致[20-21]。隨后持水性呈明顯下降趨勢是因為KGM與SPI總量過多，不能充分溶解[22]，凝膠相互結合不緊密，因而結合水的能力下降。綜合凝膠強度高，持水性較高角度考慮，KGM-SPI混合物總質量分數(shù)為3.5%～5.0%可滿足凝膠制備要求。

2.2 KGM-SPI配比對混合凝膠性能的影響

設定KGM-SPI總質量分數(shù)為3.5%，KGM與SPI的配比按1.3.3.1節(jié)制備凝膠，測定其凝膠強度和持水性，如圖2所示。

由圖2可知，隨著KGM-SPI配比的增大，混合凝膠的凝膠強度不斷增大，持水性逐漸提高；而后隨著配比繼續(xù)增大，凝膠強度和持水性逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為隨著KGM-SPI配比增大，KGM在混合物中比例增加，其凝膠強度強于蛋白質[23]，且KGM具有較強的親水性，其與SPI的相互作用有助于提高SPI的溶解性，進而促進兩者間的相互作用[16]，故凝膠強度不斷增大。對于持水性而言，同樣是因為KGM比例增加引起的，因KGM本身可通過氫鍵、偶極等作用力吸收足夠多的水分[6]，且其與SPI形成的多孔網絡結構也對水分具有束縛作用[23]，故可使持水性提高。當配比至6∶4后，凝膠強度上升速率變緩，持水性也趨于穩(wěn)定，這可能是由于KGM和SPI相互作用存在最佳比例造成的，如丁金龍等[10]研究得出魔芋膠-大豆蛋白比例為5∶4時，混合凝膠的凝膠強度和持水性達到最大。為此，6∶4配比應為KGM和SPI較佳的配比，此時分子間相互作用較為顯著，且形成較為致密網絡結構。隨后KGM配比繼續(xù)增加，凝膠強度稍有增加，持水性基本不變，二者變化均不如前期顯著。綜上，根據實際操作經驗和共混物的性能分析結果，試驗考慮KGM和SPI配比為6∶4～7∶3。

圖2 KGM-SPI配比對混合凝膠強度和持水性的影響Fig.2 Effect of KGM/SPI ratio on the gel strength and water-holding capacity of KGM-SPI mixed gels

2.3 KCl濃度對KGM-SPI混合凝膠性能的影響

KCl的加入可促進KGM進一步溶解，防止與SPI發(fā)生相互作用前結塊[6]。設定KGM與SPI配比為7∶3，總質量分數(shù)為3.5%，KCl濃度按1.3.3.1節(jié)制備凝膠，測其凝膠強度和持水性，如圖3所示。

圖3 KCl濃度對KGM-SPI混合凝膠強度和持水性的影響Fig.3 Effect of KCl concentration on the gel strength and water-holding capacity of KGM-SPI composite gels

由圖3可知，隨著KCl濃度的增大，混合凝膠的凝膠強度呈先增大后減小并逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢。KCl的濃度在0.02～0.11 mol/L時，凝膠強度不斷增強；濃度處于0.11 mol/L時，混合凝膠的凝膠強度達到最大；當KCl濃度大于0.11 mol/L后，凝膠強度逐漸下降，且當濃度超過0.15 mol/L時，混合凝膠的凝膠強度呈基本穩(wěn)定。對于混合凝膠的持水性，當加入KCl濃度在0.02～0.08 mol/L時，持水性隨濃度的上升而提高；濃度處于0.08 mol/L時，持水性達到最高；隨后濃度繼續(xù)增大，混合凝膠的持水性呈降低趨勢并逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為KGM的擴散遷移速度遠遠小于水分子擴散遷移速度，其發(fā)生溶脹，顆粒表面產生一層薄高聚糖黏稠溶液相互黏聯(lián)結塊[6]，不利于溶解同時妨礙其與水和SPI相互作用，當加入KCl后，KCl在其中起到稀釋分散劑的作用[24]，促進KGM溶解，并進一步與SPI相互作用，同時鹽的加入使得蛋白溶液有一定的離子強度，提高蛋白質溶解性[25]，混合凝膠的凝膠強度增大，持水性提高。

隨著KCl濃度繼續(xù)增大，部分SPI發(fā)生鹽析效應，且長時間加熱使得蛋白基團發(fā)生化學反應，如巰基氧化，形成聚集產生相分離，這均不利于混合凝膠形成連續(xù)的凝膠網絡結構[22]，導致混合凝膠的凝膠強度下降，持水性下降。同時在高鹽濃度條件下鹽的水化能力強于蛋白和多糖，從而奪去了多糖分子和蛋白質外圍的水膜，使復合凝膠的持水性下降，這與?akir等[26]對乳清分離蛋白-卡拉膠混合凝膠持水性的研究結果一致。因此根據上述分析結果及從凝膠強度高，持水性較高角度考慮，試驗中KCl濃度選擇0.08～0.15 mol/L為宜。

2.4 Ca(OH)2添加量對KGM-SPI混合凝膠性能的影響

Ca(OH)2作為混合凝膠的助凝劑，主要是OH－離子對共聚物分子之間相互作用形成網絡結構產生影響，從而影響凝膠強度和持水性[27-28]。設定KGM與SPI配比為6∶4，總質量分數(shù)為3.5%，Ca(OH)2添加量按1.3.3.1節(jié)制備凝膠，測定其凝膠強度和持水性，如圖4所示。

圖4 Ca(OOHH))2對KGM-SPI復合凝膠強度和持水性的影響Fig.4 Effect of Ca(OH)2dosage on the gel strength and water-holding capacity of KGM-SPI composite gels

由圖4可知，當Ca(OH)2添加量在0.05%～0.15%時，凝膠強度隨其添加量增加而增加；當添加量大于0.15%時，隨著Ca(OH)2添加量繼續(xù)增加，混合凝膠的凝膠強度逐漸降低。而對于持水性，Ca(OH)2添加量在0.05%～0.10%時，隨著添加量的增加，持水性呈下降趨勢；0.10%～0.15%時，持水性趨于穩(wěn)定；隨后混合凝膠的持水性隨添加量的增加呈上升趨勢。KGM為親水性非離子型多糖，其分子中沒有強疏水基團，與SPI不可能存在強的疏水作用和靜電作用，故氫鍵作用是其主要相互作用力[10]；而KGM的膠凝和膠溶作用不僅受陰離子類型影響，還受體系pH值影響[29]，隨著OH－濃度的上升，促進了膠凝作用，從而促進凝膠穩(wěn)定結構的形成，同時又增加了膠溶力，使凝膠結構的破壞增加[22]，故這兩種作用大小的平衡決定了凝膠性狀的具體變化。

當Ca(OH)2添加量在0.05%～0.10%之間時，膠溶作用弱于凝膠作用，凝膠強度增強；同時也因膠溶及OH－奪取原有凝膠中KGM，凝膠網絡破壞，部分水流出，持水性下降。在0.10%～0.15%之間時，膠溶作用與溶膠作用趨于平衡，持水性也趨于平衡；但因KGM富含乙?；鵞7]，OH－濃度的升高，可使同等濃度KGM凝膠強度在一定范圍內繼續(xù)增強。而在Ca(OH)2添加量大于0.15%時，膠溶作用強于凝膠形成作用，凝膠強度下降，同時OH－離子濃度過高導致蛋白質變性，水分子易通過氫鍵作用在多肽鏈中的—CO—和—NH—中心形成多分子水網[30]，導致持水力增強，持水性提高。根據復合凝膠強度的大小和實際食品的酸堿性要求，之后的試驗選取Ca(OH)2的添加量0.15%左右為宜。

2.5 響應面試驗優(yōu)化

2.5.1 響應面試驗結果

表2 響應面試驗設計與結果Table 2 Experimental design and results of response surface design

在單因素試驗的基礎上，以KGM-SPI總質量分數(shù)、配比、KCl濃度、Ca(OH)2添加量為響應因素，凝膠強度為響應值進行試驗，試驗設計及結果如表2所示。

2.5.2 回歸模型建立及方差分析

利用Design-Expert軟件對表2數(shù)據進行逐步回歸擬合，所得回歸方程如下：

表3 凝膠強度回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance for the quadratic model of gel strength

由表3可知，該模型4 個因素A、B、C、D對混合凝膠的凝膠強度影響均極顯著（P＜0.01）；AD、BC、BD、CD的交互作用對其有極顯著影響（P＜.01），因素AB、AC的交互作用對其影響不顯著（P＞0.05）；A2、B2、C2、D2對其有極顯著影響（P＜0.01）。失擬項（P＝0.994 3）不顯著，R2＝0.998 3表明該模型的擬合度良好，能很好地分析和預測混合凝膠的凝膠強度在不同制備條件下的變化。

2.5.3 響應面分析

圖5 各因素交互作用對KGM-SPI混合凝膠強度的影響Fig.5 Response surface graphs showing the effects of various factors on the gel strength of KGM-SPI mixed gels

由表3和式（2）可知，KGM-SPI總質量分數(shù)、配比、KCl濃度、Ca(OH)2添加量均為影響混合凝膠凝膠強度的主要因素，各因素間交互影響如圖5所示。KGM-SPI總質量分數(shù)與配比、KGM-SPI總質量分數(shù)與Ca(OH)2添加量間交互作用不顯著（圖5a、5b），其余4 組交互顯著，與方差分析表結果一致。圖5c顯示，當KCl濃度在較低水平時，KGM-SPI總質量分數(shù)對凝膠強度的影響比較顯著，凝膠強度隨著總質量分數(shù)的增加顯著升高。在KCl濃度0.11～0.15 mol/L、KGM-SPI總質量分數(shù)3.5%～4.7%時的響應面坡面極陡且存在極值，二者交互作用顯著。圖5d顯示，當Ca(OH)2添加量在較低水平時，KGM-SPI配比對凝膠強度的影響比較顯著，凝膠強度隨配比的增加顯著升高。在KGM-SPI配比2.00∶1～3.50∶1、Ca(OH)2量0.10%～0.18%時的響應面坡面極陡且存在極值，二者的交互作用顯著。KGM-SPI配比與KCl濃度、Ca(OH)2添加量與KCl濃度間交互作用見圖5e、5f。曲面圖的等高線呈橢圓形，表明配比與KCl濃度、Ca(OH)2添加量與KCl濃度間交互作用對凝膠強度有顯著影響，此與單因素試驗結果一致。

2.5.4 混合凝膠制備工藝的優(yōu)化與驗證

由軟件對數(shù)據分析得知，KGM-SPI總質量分數(shù)4.66%、配比3.23∶1、KCl 0.13 mol/L、Ca(OH)2添加量0.15%條件下所制備凝膠強度為2.779 N。將最佳條件調整為KGMSPI總質量分數(shù)4.5%、配比3∶1、KCl濃度0.13 mol/L、Ca(OH)2添加量0.15%。此條件下測得的凝膠強度為2.758 N，與理論值相近，可見回歸模型能很好地預測混合凝膠的性能，優(yōu)化結果可靠。

2.6 KGM-SPI混合凝膠質構分析

選取KGM和SPI總質量分數(shù)3.5%、配比7∶3制備凝膠并作為空白樣品，對空白樣品、空白樣品添加0.15% Ca(OH)2，空白樣品添加0.15% Ca(OH)2和0.08 mol/L KCl進行質構分析，與優(yōu)化后的凝膠進行對比，結果見表4。

表4 凝膠質構性能分析Table 4 Texture properties of mixed gels

由表4可知，與空白樣品等相比，隨著制備條件的不斷優(yōu)化，混合凝膠的凝膠強度、彈性、內聚性、膠著性和咀嚼性均增強，膠著性和咀嚼性等的提高表明把凝膠咀嚼成能夠咀嚼狀態(tài)和吞咽狀態(tài)所需要的能量均增大[31]，這反映出經優(yōu)化后的條件可起到改善混合凝膠質構性能的作用；同時表中也顯示黏性呈下降趨勢，一般說來，黏性越大，凝膠越脆，剛性不足，即凝膠強度越弱[31]；優(yōu)化后樣品黏度下降，也進一步證實在優(yōu)化條件下所制備的KGM-SPI復合凝膠凝膠強度得到提高。綜上，回歸模型所得出的優(yōu)化條件下制備的KGM-SPI混合凝膠確實表現(xiàn)出良好的性能，優(yōu)化結果可靠。

3 結 論

通過適當調節(jié)KGM-SPI質量分數(shù)、配比、KCl濃度、Ca(OH)2添加量后，KGM-SPI混合凝膠的凝膠強度和持水性均有所改善。各因素均為影響凝膠強度和持水性的主要因素，通過響應面優(yōu)化得到混合凝膠最優(yōu)制備條件為：KGM-SPI質量分數(shù)4.5%、KGM與SPI配比3∶1、KCl濃度0.13 mol/L、Ca(OH)2添加量0.15%；在此條件下制得的凝膠強度為2.758 N，與理論值2.779 N相近。此外，對優(yōu)化后制成凝膠與優(yōu)化前等凝膠樣品進行質構分析比較，也進一步證實優(yōu)化條件下制備的KGM-SPI混合凝膠的性能良好，優(yōu)化結果可靠。

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Optimization of the Formulation of Konjac Glucomannan-Soybean Protein Isolate Mixed Gel by Response Surface Methodology

XU Xiaoping, ZHANG Yaning, FAN Qiao, CHEN Hourong, ZHANG Fusheng*
(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China)

This study aimed to enhance the compatibility of polysaccharide-protein mixtures, to improve their performance and to study the effects of various factors on gelation and gel properties. The effects of formulation variables on gel strength and water-holding capacity of konjac glucomannan (KGM)-soybean protein isolated (SPI) mixed gels were examined. Optimization of formulation variables was carried out using combination of single factor method and response surface methodology. A quadratic regression model was built using KGM to SPI ratio, total concentration, KCl concentration and Ca(OH)2dosage as the independent variables and gel strength as the response. Results showed that the optimum conditions for preparing the mixed gel were determined as follows: mixed gel concentration, 4.5%; KGM/SPI ratio, 3:1; KCl concentration, 0.13 mol/L; and Ca(OH)2dosage, 0.15%. Under these conditions, the gel strength of SPI-KGM gels was experimentally 2.758 N, approaching to the predicted value of 2.779 N. In addition, the texture properties of the mixed gels were analyzed before and after the optimization, and the results indicated that the optimization was reliable.

konjac glucomannan (KGM); soybean protein isolate (SPI); mixed gel; response surface methodology

10.7506/spkx1002-6630-201604008

TS210.4

A

1002-6630（2016）04-0044-07

徐曉萍, 張亞寧, 樊巧, 等. 響應面法優(yōu)化制備魔芋葡甘聚糖-大豆分離蛋白混合凝膠[J]. 食品科學, 2016, 37(4): 44-50.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201604008. http://www.spkx.net.cn

XU Xiaoping, ZHANG Yaning, FAN Qiao, et al. Optimization of the formulation of konjac glucomannan-soybean protein isolate mixed gel by response surface methodology[J]. Food Science, 2016, 37(4): 44-50. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201604008. http://www.spkx.net.cn

2015-05-28

西南大學博士基金項目（SWU111067）；國家自然科學基金青年科學基金項目（31301599）

徐曉萍（1990—），女，碩士研究生，研究方向為碳水化合物資源開發(fā)與利用。E-mail：891865909@qq.com

*通信作者：張甫生（1983—），男，講師，博士，研究方向為碳水化合物、食品非熱加工。E-mail：zfsswu@163.com