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(廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004)

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魔芋葡甘露聚糖與木薯淀粉復配溶膠及協(xié)效性研究

李堅斌,劉培華,陳雨,李敏,鄧秋燕

(廣西大學輕工與食品工程學院,廣西南寧 530004)

以魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)和木薯淀粉(cassava starch,CS)為原料進行復配研究,探討魔芋葡甘露聚糖/木薯淀粉復配溶膠的復配協(xié)同增效性,研究多糖總濃度、復配比例、溫度和pH對復配溶膠粘度和透光率的影響。結(jié)果表明:KGM與CS復配,可產(chǎn)生協(xié)同增效性,復配溶膠的粘度大于兩者之和;KGM/CS復配溶膠的最佳條件:多糖的總濃度3.0%,KGM/CS比值為3∶7,溶脹溫度80 ℃,pH7,最優(yōu)條件下的KGM/CS復配溶膠的粘度為41.391×103cP,透光率為7.339%。

魔芋葡甘露聚糖,木薯淀粉,復配溶膠,協(xié)同增效

魔芋葡甘露聚糖(konjac glucomannan,KGM)來源于魔芋屬魔芋膠的根部和塊莖,是一種天然高分子可溶性的非離子型多糖[1]。葡甘露聚糖的線性骨架是由β-D甘露糖單元和β-D葡萄糖單元以1∶1.5或1∶1.6通過β-1,4糖苷鍵連接而成,少量分支(約8%)通過β-1,6葡糖基連接[2-3]。魔芋葡甘露聚糖是目前所發(fā)現(xiàn)的自然界中粘度最高的多糖之一,其水溶膠的粘度很大,具有優(yōu)良的成膜性,可溶性,增稠性,良好的生物相容性等優(yōu)點,且資源豐富,來源廣泛,可生物降解,適用于多種方法的改性[4-5]。這些優(yōu)勢使KGM可以廣泛應用于各種食品和保健食品。其不僅可以作為食品添加劑,如乳化劑、增稠劑、肉粘合劑應用于食品工業(yè)中[3];KGM還具有許多生理功效,如抑制肥胖,調(diào)節(jié)血糖和膽固醇含量,預防結(jié)腸癌等[6-9];此外,由于KGM還可與其他物質(zhì)復合改性得到可生物降解,對環(huán)境友好的膜材料、控制釋放材料、固定化載體等生物材料[10-12]。然而,天然KGM固有一些缺陷,如魔芋葡甘露聚糖不能快速溶脹和水合,溶解速度慢,溶膠穩(wěn)定性差等,限制了其應用[5]。將魔芋葡甘露聚糖與其他多糖復配改性,能改善其溶膠粘度和透光率等性能,生產(chǎn)新型的,低成本的,集合多種膠體優(yōu)良性能的產(chǎn)品,達到良好的協(xié)同效應,拓寬葡甘聚糖的應用范圍[13-14]。木薯淀粉(ccassava starch,CS)是一種具有獨特性質(zhì)的天然淀粉,滲透力強,成膜性好,能直接用于食品和工業(yè)上[15]。本文研究了魔芋葡甘露聚糖/木薯淀粉復配溶膠形成的最佳條件及復配溶膠的協(xié)同增效性,能夠在提高粘度的同時保持透光率,希望為魔芋材料的進一步研發(fā)和應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

魔芋葡甘露聚糖(KGM)3APF-040v0 由北海多環(huán)保健品有限公司;木薯淀粉(CS) 明陽淀粉廠。

DV-Ⅱ+Pro粘度計 美國Brookfield公司;HJ-3數(shù)顯恒溫磁力攪拌器 江蘇天由有限公司;868酸度計 美國Orion公司;D40-2F電動攪拌機 杭州儀表電機廠;SP-721紫外分光光度計 上海光譜儀器有限公司;AL204電子天平 梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1 KGM/CS復配溶膠的制備 按比例分別稱取一定量的KGM和CS分散于蒸餾水中,室溫下攪拌均勻后,在一定溫度下攪拌30 min后冷卻至室溫。

1.2.2 粘度的測定 采用粘度計進行溶膠粘度測定,溶膠置于Brookfield測量杯中,將探頭浸入溶膠至刻度線,30 s后讀取粘度值。

1.2.2.1 KGM粘度的測定 將KGM配制成濃度為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%的溶液,70 ℃水浴攪拌30 min,后冷卻至室溫測定其粘度。

1.2.2.2 CS粘度的測定 將CS配制成濃度為3%、3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%、6%、7%的懸濁液,70 ℃加熱糊化15 min,冷卻至室溫測定其粘度。

1.2.2.3 KGM/CS復配溶膠粘度的測定 取0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的KGM分別與2.5%、3.0%、3.5%、4%、4.5%的CS復配,室溫下測其復配溶膠的粘度。

1.2.3 透光率的測定 采用紫外分光光度計,以去離子水為參比,于556 nm波長處測量溶膠的吸光度A,其透光率T為:

透光率T(%)=102-A

式(1)

1.2.4 KGM/CS配比對復配溶膠粘度和透光率的影響 多糖的總濃度控制在3.0%,pH7.0,按比例:KGM∶CS為0∶10、1∶9、2∶8、3∶7、4∶6分別稱取一定量的KGM和CS分散于蒸餾水中,室溫下攪拌均勻后,在70 ℃的水浴中加熱攪拌30 min,然后冷卻至室溫,測定溶膠粘度和透光率。

1.2.5 多糖濃度對復配溶膠粘度和透光率的影響 多糖總濃度為2.0%、2.2%、2.4%、2.6%、2.8%、3.0%、3.2%,pH7.0,按KGM∶CS為3∶7稱取一定量的KGM和CS,室溫下攪拌均勻后,在70 ℃的水浴中加熱攪拌30 min,然后冷卻至室溫,測定溶膠粘度和透光率。

1.2.6 不同溶脹溫度對復配溶膠的粘度和透光率的影響 多糖總濃度控制為3.0%,pH7.0,按KGM∶CS為3∶7稱取一定量的KGM和CS,室溫下攪拌均勻后,將燒杯分別置于溫度為40、50、60、70、80、90、100 ℃的水浴中加熱攪拌30 min,然后冷卻至室溫,測定溶膠粘度和透光率。

1.2.7 pH對復配溶膠粘度和透光率的影響 多糖總濃度控制為3.0%,pH分別設定為3、4、5、6、7、8、9,按KGM∶CS為3∶7稱取一定量的KGM和CS,室溫下攪拌均勻后,將燒杯分別置于溫度為80 ℃的水浴中加熱攪拌30 min,然后冷卻至室溫,測定溶膠粘度和透光率。

1.2.8 數(shù)據(jù)處理 對實驗數(shù)據(jù)采用Origin 8.6 軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1復配溶膠的協(xié)同增效性

2.1.1 KGM與粘度的關系 KGM是一種水溶性高分子多糖,基本上不帶電荷,含有豐富的羥基,易溶于水,吸水膨脹,粘度很高[1]。結(jié)果如圖1所示。從圖1中可看出,隨著KGM濃度的增加,溶膠粘度也隨之增加。KGM濃度低時,粘度增加緩慢;隨著濃度增加,粘度迅速增加,呈現(xiàn)假塑性流體特征[16]。多糖的流變學行為取決于它們的結(jié)構(gòu)、分子量、濃度等[17]。KGM的這種變化可能是因為KGM溶膠濃度較小時,分子間的距離較大,分子間不能直接形成氫鍵,分子間相互作用弱,溶膠粘度小。KGM溶膠濃度增大,分子間的距離減小,受分子熱運動的影響,分子間交聯(lián),形成氫鍵,粘度值增加[18]。

圖1 KGM濃度對溶膠粘度的影響Fig.1 Effect of concentration of KGM sol on the viscosity

2.1.2 CS與粘度的關系 從圖2中可以看出,隨著CS濃度的增加,CS溶膠的粘度也增加,CS溶膠的粘度與濃度呈線性正相關。(y=2.6315x-8.1965,R2=0.9850)。

圖2 CS濃度對溶膠粘度的影響Fig.2 Effect of concentration of CS sol on the viscosity

2.1.3 KGM/CS復配溶膠粘度變化規(guī)律 由圖3～圖6可知,KGM/CS復配溶膠的粘度都大于KGM與CS的粘度之和,產(chǎn)生增稠效應和協(xié)同效應。主要是KGM與CS分子之間形成氫鍵,增加溶膠分子間內(nèi)摩擦力,使得溶膠的粘性增加,粘度增大。從圖中還可以看出,KGM添加量為0.2%、0.3%、0.4%時,KGM/CS溶膠粘度隨CS濃度的增加而增加;當KGM濃度增加到0.5%,而CS濃度小于3.0%時,KGM/CS溶膠粘度上升較慢,CS濃度大于3.0%時,復配溶膠的粘度急劇上升,與KGM溶膠粘度-濃度的變化規(guī)律相同。KGM含量少時,KGM在溶膠中呈無規(guī)線團分子,與螺旋狀的CS分子纏繞較少,分子間結(jié)合力弱,當KGM濃度增加到一定值,KGM分子構(gòu)象由無規(guī)線團分子過渡為球形分子結(jié)構(gòu),包裹住CS小分子,KGM與CS之間形成氫鍵,流動阻力增加[19],因此,粘度隨CS溶膠濃度增加近乎呈指數(shù)遞增。

圖3 0.2% KGM溶膠與不同濃度CS溶膠復配Fig.3 The viscosity of various concentration of CS sol mix with 0.2% KGM sol

圖4 0.3% KGM溶膠與不同濃度CS溶膠復配Fig.4 The viscosity of various concentration of CS sol mix with 0.3% KGM sol

圖5 0.4% KGM溶膠與不同濃度CS溶膠復配Fig.5 The viscosity of various concentration of CS sol mix with 0.4% KGM sol

圖6 0.5% KGM溶膠與不同濃度CS溶膠復配 Fig.6 The viscosity of various concentration of CS sol mix with 0.5% KGM sol

2.2復配溶膠粘度的影響因素

2.2.1 KGM/CS比例對復配溶膠粘度和透光率的影響 由圖7可知,KGM/CS的配比不同,復配溶膠的粘度和透光率也有所變化。復配溶膠的粘度隨著KGM含量的增加而逐漸增大,透光率則隨著KGM含量的增加而逐漸降低。這可能是因為同等濃度下,CS的粘度遠遠小于KGM的粘度,所以復配溶膠的粘度隨著KGM的濃度增加而增加。實驗發(fā)現(xiàn)繼續(xù)增加KGM的比例,復配溶膠的粘度呈指數(shù)倍數(shù)增加,粘度已超出粘度計的測量量程。透光率是考察溶膠性能的一項重要指標,透光率越高,高分子在分散介質(zhì)水中分散越均勻。透光率隨著KGM的含量增加而降低,可能是因為KGM分子比CS分子大,吸光度大,隨著KGM含量的增加,復配溶膠中的CS含量的減少,吸光度增加,透光率減少。當KGM∶CS為3∶7時,達到較高粘度同時透光率不至于太低,減少了透光度降低帶來的不利影響,選擇合適的KGM/CS比值為3∶7。

圖7 不同KGM/CS比對復配溶膠粘度和透光率的影響Fig.7 Effects of the concentration ratio about KGM and CS on viscosity and transmittancy of blending sol

2.2.2 多糖總濃度對復配溶膠粘度和透光率的影響 粘度是高分子化合物溶膠流變學性質(zhì)的一項重要指標,表觀粘度可以直觀的表現(xiàn)溶膠中的水分子與高分子化合物的相互作用,對于高分子復配物而言,可以同時反映復配物分子間的相互作用。由圖8可知,不同多糖濃度對復配溶膠的粘度和透光率都有影響。粘度隨著多糖濃度的增加而增加,相反,透光率隨著多糖濃度的增加而降低。多糖濃度的增加,單位體積中的分子數(shù)量也隨之增加,分子間相互作用力也增加,粘度也隨之升高;單位體積中的分子數(shù)量的增加也降低了光線的透過率,吸光度增大,透光率降低。多糖濃度為3.0%時,與2.8%相比,透光率雖然從3.899%降低到3.628%,但粘度卻從28.844×103cP升高到了40.693×103cP。因此多糖濃度選擇3.0%較為合適。

圖8 不同多糖濃度對復配溶膠粘度和透光率的影響Fig.8 Effects of the concentration about polysaccharide on viscosity and transmittancy of blending sol

2.2.3 不同溶脹溫度對復配溶膠的粘度和透光率的影響 由圖9可知,隨著溶脹溫度的增加,復配溶膠的粘度呈現(xiàn)出先增加后減少的變化規(guī)律,在80 ℃時粘度最高,達到了41.848×103cP。可能是在該溶脹溫度下,KGM分子與CS分子間氫鍵作用增強,分子結(jié)合更緊密。當溫度繼續(xù)升高時,分子運動加劇,KGM分子與CS分子間作用力減弱,兩者形成的氫鍵不牢固,數(shù)量下降,不能形成穩(wěn)定的復配體系,導致了復配溶膠粘度的下降[19]。隨著溶脹溫度的增加,復配溶膠的透光率也逐漸增大。小于60 ℃時,還沒有達到CS的糊化溫度,體系的透光率較低,隨著溶脹溫度的增加,CS糊化速率增加,糊化更完全。因此,選擇80 ℃的溶脹溫度較為合適。

圖9 不同溶脹溫度對復配溶膠粘度和透光率的影響Fig.9 Effects of the swelling temperature on viscosity and transmittancy of blending sol

2.2.4 pH對復配溶膠粘度和透光率的影響 由圖10可知,體系pH對復配溶膠的粘度和透光率影響較大。pH為4時,溶膠粘度最低,在強堿環(huán)境下能使復配溶膠的粘度明顯增加,pH5～8時則保持相對穩(wěn)定。透光率在強酸強堿環(huán)境中都呈下降趨勢,pH4～7時呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,pH為7時,溶膠的透光率最大,pH大于7時,又呈現(xiàn)下降趨勢。粘度和透光率隨pH不穩(wěn)定的變化可能是由KGM復雜的分子結(jié)構(gòu)所決定的,KGM分子中含有醇羥基,他在不同pH情況下解離程度不同,導致pH對復配體系的粘度和透光率影響產(chǎn)生波動,這一影響有待進一步研究。因此,選擇pH為7較為合適,粘度為41.391×103cP,透光率為7.339%。

圖10 不同pH對復配溶膠粘度和透光率的影響Fig.10 Effects of pH on viscosity and transmittancy of blending sol

3 結(jié)論

KGM的濃度與粘度呈指數(shù)關系,CS的濃度與粘度呈線性關系,KGM的濃度增加到0.5%時,復配溶膠的粘度與濃度關系呈指數(shù)關系。KGM與CS復配,可產(chǎn)生協(xié)同增效性,復配溶膠的粘度大于兩者之和。KGM/CS復配溶膠的最佳條件是:多糖的總濃度3.0%,KGM/CS比值為3∶7,溶脹溫度80 ℃,pH7。KGM/CS復配溶膠的粘度隨KGM比例、總糖濃度的增加而增加，隨溶脹溫度的增加先增加后減少。KGM/CS復配溶膠的粘度與pH的關系比較復雜,pH為4時粘度最小,pH大于4時,隨pH的增加而增加。KGM/CS復配溶膠的透光率隨KGM、總糖濃度增加而減小,隨溶脹溫度增加而增加,隨著pH增加呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢。在最優(yōu)條件下制備KGM/CS復配溶膠,測定其粘度為41.391×103cP,透光率為7.339%。KGM/CS復配溶膠具有一定的協(xié)同增效性。

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Synergisticcharacteristicsandmixedsolofkonjacglucomannanandcassavastarch

LIJian-bin,LIUPei-hua,CHENYu,LIMin,DENGQiu-yan

(School of Light Industry and Food Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

The mixed sol of konjac glucomannan(KGM)and cassava starch(CS)were prepared.The consistency of mixed sol of konjac mannan/tapioca starch and combined synergies were studied. The effects of the concentration of polysaccharides,mixed proportion,temperature and pH on the viscosity of mixed sol were investigated. The experimental results indicated that consistency of mixed sol of konjac mannan/cassava starch was similar to KGM,but better than cassava starch sol. KGM could form synergistic gels with CS. The viscosity of mixed sol was greater than sum of KGM and CS.The optimal conditions were polysaccharide of total concentration 3.0%,the mixed proportion 3∶7(KGM∶CS),swell temperature 80 ℃,pH7.The viscosity of mixed sol in optimal conditions was 41.391×103cP,transmittance was 7.339%.

konjac glucomannan;cassava starch(CS);mixed sol;synergistic interaction

2016-12-14

李堅斌(1970-)，女，博士，教授，研究方向:糖類物質(zhì)生物利用及其污染控制,E-mail：437362893@qq.com。

國家自然科學基金項目(20864001，31160326)；廣西科學研究與技術開發(fā)項目(桂科能10100025)；2016廣西區(qū)特色本科專業(yè)建設項目。

TS201.7

:A

:1002-0306(2017)12-0039-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.12.008