,,,, ,4,*,

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系,福建漳州 363000;2.農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心,福建漳州 363000;3.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002;4.哈佛大學(xué)物理系,美國(guó) MA 02138;5.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)

魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠的剪切流變特性研究

謝建華1,2,謝丙清3,張麗紅1,2,王文成1,2,龐杰3,4,*,張民5,*

(1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系,福建漳州 363000;2.農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心,福建漳州 363000;3.福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院,福建福州 350002;4.哈佛大學(xué)物理系,美國(guó) MA 02138;5.天津科技大學(xué)食品工程與生物技術(shù)學(xué)院,天津 300457)

利用流變儀研究了不同質(zhì)量濃度、溶脹時(shí)間和溫度條件下魔芋葡甘聚糖/瓊脂(KGM/Agar)共混體系的剪切流變特性。結(jié)果表明:KGM/Agar共混體系隨著質(zhì)量濃度增大,黏稠系數(shù)k增大;隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng),黏稠系數(shù)k增大;而溫度在30～60 ℃范圍內(nèi),黏稠系數(shù)k隨著溫度升高先增大再減小然后再增大,呈現(xiàn)波浪式。從黏稠系數(shù)和流動(dòng)指數(shù)結(jié)果表明,其混合膠的最佳工藝為:KGM/Agar共混膠的質(zhì)量濃度1.2%,溶脹溫度40 ℃,溶脹時(shí)間120 min。魔芋葡甘聚糖/瓊脂(KGM/Agar)共混體系流變特性服從冪律方程,通過(guò)進(jìn)一步對(duì)黏稠系數(shù)k和流動(dòng)指數(shù)n隨濃度、時(shí)間和溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合,其關(guān)系曲線分別用指數(shù)函數(shù)和多項(xiàng)式曲線擬合,以期為KGM/Agar的應(yīng)用和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

魔芋葡甘聚糖,瓊脂,流變性能

魔芋葡甘聚糖(簡(jiǎn)稱(chēng)KGM)是從魔芋的球莖中提取出來(lái)的一種具有持水、保濕、膠凝、成膜等性能的天然高分子中性多糖[1],可作為凝膠劑、黏合劑、緩釋劑等成分使用[2-3]。KGM的凝膠結(jié)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)品的性能有重要影響[4-5],可以在一定條件下形成熱不可逆(熱穩(wěn)定)凝膠和熱可逆凝膠[6],這使其被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、生物,材料等領(lǐng)域[7-8]。但是,由于KGM 的加工應(yīng)用穩(wěn)定性等問(wèn)題很大程度限制了其在食品加工工業(yè)中的應(yīng)用[9],因此研究通過(guò)KGM 與其它多糖的共混,利用與其分子內(nèi)或分子間的交互作用、協(xié)同作用,改善膠體體系性質(zhì)已成為其解決問(wèn)題的方法。近年來(lái),許多研究者開(kāi)展了大量關(guān)于KGM 與結(jié)冷膠、黃原膠、卡拉膠、殼聚糖等復(fù)配增效作用、協(xié)同作用的性質(zhì)及機(jī)理方面的研究[10],但是,還是存在著凝膠穩(wěn)定性差、凝膠產(chǎn)品有異味、容易脫水等問(wèn)題。

瓊脂(Agar)是一種從海藻中提取的親水膠體[11],是以1,3連接的β-D-半乳糖和1,4連接的3,6-內(nèi)醚-L-半乳糖交替連接起來(lái)的長(zhǎng)鏈的線性的高分子多糖[12-13]。Tseng[14]提出，瓊膠是可溶性植物纖維,不溶于冷水,但能吸水膨脹,能溶于沸水,其溶液冷卻后形成膠凍(凝膠)[4]。其1%～2%稀中性溶液冷卻后生成凝膠,于35～50 ℃凝固,90～100 ℃融化,凝膠具有熱穩(wěn)定性高、凝膠強(qiáng)度高等特性,廣泛用于食品工業(yè)、醫(yī)藥、日用化工、生物工程等方面[15]。

本文以魔芋葡甘聚糖(KGM)與瓊脂(Agar)共混溶膠為研究對(duì)象,考察不同質(zhì)量濃度、溶脹時(shí)間和溫度條件下KGM/Agar共混溶膠體系的剪切流變特性,以期為KGM/Agar的應(yīng)用和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1材料與儀器

魔芋膠 三艾有機(jī)魔芋發(fā)展有限公司;瓊脂 綠新福建食品有限公司。

MCR301 Rheoplus流變儀 奧地利安東帕有限公司;PL402-C電子天平 梅特勒-托利多儀器有限公司;R30A 電動(dòng)攪拌器 上海弗魯克科技發(fā)展有限公司;DC-3020 水浴鍋 寧波雙嘉科技發(fā)展有限公司。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 KGM/Agar共混溶膠的制備 定量稱(chēng)取魔芋葡甘聚糖(KGM)和瓊脂(Agar)于室溫條件下以300 r/min的攪拌速度分別分散于去離子水中,分散時(shí)間10 min,按魔芋葡甘聚糖(KGM)70%和瓊脂(Agar)30%比例混合制備成復(fù)合溶膠。

1.2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合溶膠、溶脹溫度和時(shí)間對(duì)共混膠的影響。

1.2.2.1 質(zhì)量濃度對(duì)共混復(fù)合溶膠流變特性的影響 在溶脹溫度30 ℃,溶脹時(shí)間120 min,攪拌速度300 r/min的條件下分別制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.8%、1.0%、1.2%和1.4%的復(fù)合溶膠,冷卻至室溫后,進(jìn)行剪切流變實(shí)驗(yàn)。

1.2.2.2 加熱時(shí)間對(duì)共混復(fù)合溶膠流變特性的影響 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%,溶脹溫度30 ℃,攪拌速度300 r/min的條件下分別制備溶脹時(shí)間為20、40、60、80、100、120、140 min的復(fù)合溶膠,冷卻至室溫后,進(jìn)行剪切流變實(shí)驗(yàn)。

1.2.2.3 溶脹溫度對(duì)共混復(fù)合溶膠流變特性的影響 分別在30、40、50、60 ℃下,溶脹120 min,攪拌速度300 r/min制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的復(fù)合溶膠,冷卻至室溫后,進(jìn)行剪切流變實(shí)驗(yàn)。

1.2.3 KGM/Agar共混溶膠的靜態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn) 將KGM/Agar共混溶膠置于流變儀中進(jìn)行流變性質(zhì)研究測(cè)試。使用PP50探頭,與平行板間的間距為0.5 mm。在(30±1) ℃條件下觀察樣品的應(yīng)力與剪切速率的相關(guān)性(剪切速率掃描范圍0.01～10 s-1)。

1.3數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定所得的數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,使用OriginLab軟件進(jìn)行圖片繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1不同質(zhì)量濃度對(duì)共混溶膠流變特性的影響

從圖1可以看出,同一質(zhì)量濃度條件下,剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大;同一剪切速率條件下,隨著質(zhì)量濃度的增大其剪切應(yīng)力也增加。魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠的流變性關(guān)系可用power-law模型τ=kγn進(jìn)行擬合,其k值越大,液體越黏稠,n是流變特性指數(shù),是衡量假塑性程度的指標(biāo),n 越小,剪切越易變稀,假塑性程度越大。魔芋葡甘聚糖與瓊脂復(fù)合溶膠流變性關(guān)系如表1所示。

圖1 不同質(zhì)量濃度對(duì)共混溶膠的流變特性的影響Fig.1 Effect of concentration on rheological behaviour of Konjac Gum and Agar sol

質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)kn相關(guān)系數(shù)0.80.6800.8120.9861.00.8990.7770.9781.21.1140.7710.9761.41.8780.7600.971

從表1可以看出,在30 ℃條件下,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,魔芋葡甘聚糖與瓊脂共混溶膠黏稠系數(shù)k增大,流變特性指數(shù)n減小,復(fù)合溶膠的流變特性指數(shù)減小,意味著溶膠的非牛頓性流體行為增強(qiáng),這可能是由于質(zhì)量濃度增加,KGM與Agar分子之間的相互作用增大,溶膠體系形成致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),摩擦力增大,使得溶膠體系所需克服的屈服應(yīng)力就越大,黏稠系數(shù)也相應(yīng)增大。另外k值和n值作為評(píng)價(jià)溶膠體系的質(zhì)量指標(biāo),k值愈大,n值愈小,增稠效果更佳,有利于增強(qiáng)產(chǎn)品凝膠強(qiáng)度[16-17]。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到1.4%時(shí),其粘稠系數(shù)由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的1.114增加到1.878,大約擴(kuò)大1.69倍,可能會(huì)影響凝膠產(chǎn)品的硬度、口感。因此,綜合考慮,選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的共混溶膠作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。

同時(shí)對(duì)KGM與Agar復(fù)合溶膠的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溫度進(jìn)行擬合,所得曲線和方程如圖2所示。由圖2可知,30 ℃條件下葡甘聚糖與瓊脂復(fù)合溶膠的黏稠系數(shù)k與質(zhì)量濃度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,擬合的曲線方程為y=0.176e1.631x,相關(guān)系數(shù)R2=0.960;復(fù)合溶膠的流變特性指數(shù)n與質(zhì)量濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系符合二次多項(xiàng)式模型,擬合的曲線方程為y=0.362x2-0.855x+1.264,相關(guān)系數(shù)R2=0.999。

圖2 k和n分別對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)效應(yīng)回歸曲線Fig.2 Regression curves of concentration effect for k and n respectively

2.2溶脹時(shí)間對(duì)共混溶膠流變特性的影響

從圖3可以看出,在相同的剪切速率下,隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng),KGM與Agar復(fù)合溶膠的剪切應(yīng)力逐漸增大,這是由于KGM與Agar隨著溶脹時(shí)間增加過(guò)程中兩多糖分子逐步溶脹,隨著溶脹時(shí)間的延長(zhǎng),KGM與Agar分子之間相互纏繞,相互聚集形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得溶膠體系屈服應(yīng)力增大。

圖3 溶脹時(shí)間對(duì)共混溶膠流變特性的影響Fig.3 Effect of heating time on rheological properties of Konjac Gum and Agar sol

采用Power-Law模型對(duì)圖3中各條曲線進(jìn)行擬合,其結(jié)果見(jiàn)表2。其流動(dòng)指數(shù)n 均小于1,表現(xiàn)出非牛頓流體的特征,但時(shí)間對(duì)大分子間作用的影響無(wú)規(guī)律。與此同時(shí),稠度系數(shù)k 隨著溶脹時(shí)間的延長(zhǎng)由0.098 增大到1.667,最后降低至1.604,呈現(xiàn)逐漸上升后降低的趨勢(shì),表明溶脹時(shí)間的延長(zhǎng),增加了體系的黏稠度,降低了其流動(dòng)性。

表2 共混溶膠在不同溶脹時(shí)間條件下的流變特性參數(shù)值Table 2 Rheological parameters at different heating time conditions

同時(shí)對(duì)KGM與Agar復(fù)合溶膠的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溫度進(jìn)行擬合,所得曲線和方程如圖4所示。從圖4可以直觀看出,黏稠系數(shù)K與溶脹時(shí)間二者之間呈三次函數(shù)的關(guān)系,曲線擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.965,因此在實(shí)際應(yīng)用中以黏稠系數(shù)和流變特性指數(shù)為依據(jù),參照表2和圖4參數(shù)所描述的曲線變化規(guī)律,確定溶脹時(shí)間120 min較為適宜。

圖4 k和n分別對(duì)應(yīng)的時(shí)間效應(yīng)回歸曲線Fig.4 Regression curves of heating time effect for k and n respectively

2.3溫度對(duì)共混溶膠流變特性的影響

從圖5可以看出,同一剪切速率下,在40 ℃時(shí)其剪切應(yīng)力最大,而在30、50、60 ℃處理的溶膠的剪切應(yīng)力相差不大,總體上50 ℃處理組的溶膠應(yīng)力最小,而30 ℃處理組在低剪切速率時(shí)低于60 ℃處理組,但30 ℃處理組剪切速率的增長(zhǎng)速度高于60 ℃處理組,并最終在較高剪切速率時(shí)30 ℃處理組在高于60 ℃處理組。這可能由于KGM與Agar在不同溫度下溶脹狀態(tài)不一樣有關(guān),低溫條件下大分子溶脹較慢,其剪切應(yīng)力也相應(yīng)小;而40 ℃處理組其應(yīng)力最大,這可能與瓊脂在40 ℃左右條件下,瓊脂親水基團(tuán)與水分子發(fā)生水化作用,使伸展到水中部分的側(cè)鏈形成較厚的溶劑化層,高速剪切時(shí)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦相應(yīng)增大,導(dǎo)致粘度升高剪切應(yīng)力增加[18]。

圖5 溫度對(duì)共混復(fù)合溶膠流變特性的影響Fig.5 Effect of temperature on rheologicalproperties of Konjac Gum and Agar sol

對(duì)圖5中的曲線進(jìn)行Power-Law模型回歸,得到的擬合參數(shù)如表3所示;同時(shí)對(duì)KGM與Agar復(fù)合溶膠的黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溫度進(jìn)行擬合,所得曲線和方程如圖6所示。從圖6可以看出,黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溶脹溫度二者之間均呈三次函數(shù)的關(guān)系,曲線擬合相關(guān)系數(shù)R2=1。因此在生產(chǎn)中可以參照表3圖6參數(shù)所描述的曲線變化規(guī)律,根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需要,選擇理想的溫度條件。

表3 共混復(fù)合溶膠在不同溶脹溫度條件下的流變特性參數(shù)值Table 3 Rheological parameters of Konjac Gum and Agar sol at different temperatures

圖6 k和n分別對(duì)應(yīng)的溫度效應(yīng)回歸曲線Fig.6 Regression curves of temperature effect for k and n respectively

3 結(jié)論

通過(guò)流變儀考察不同質(zhì)量濃度、溶脹時(shí)間和溫度對(duì)魔芋葡甘聚糖/瓊脂(KGM/Agar)共混溶膠的剪切流變特性的影響。KGM/Agar共混溶膠是假塑性非牛頓流體,流變特性服從Power-Law模型;共混溶膠的黏稠系數(shù)k隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大和加熱時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,在溫度30～60 ℃范圍內(nèi),黏稠系數(shù)k隨著溫度升高先增大再減小然后再增大的波浪式變化趨勢(shì)。當(dāng)質(zhì)量濃度為1.2%,溶脹時(shí)間為120 min,溶脹溫度為40 ℃時(shí),KGM/Agar共混溶膠達(dá)到最大的飽和溶脹狀態(tài)。

在30 ℃條件下,共混溶膠的黏稠系數(shù)k與質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系,流變特性指數(shù)n與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的呈二次多項(xiàng)式關(guān)系;黏稠系數(shù)k與溶脹時(shí)間呈三次函數(shù)的關(guān)系;而黏稠系數(shù)k和流變特性指數(shù)n與溶脹溫度均呈三次函數(shù)的關(guān)系。該研究結(jié)果有利于后續(xù)KGM/Agar共混溶膠的相互作用機(jī)理及其生產(chǎn)應(yīng)用和質(zhì)量評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

[1]Tatirat,Orawan,Charoenrein,et al.Physicochemical properties of konjac glucomannan extracted from konjac flour by a simple centrifugation process[J].Lwt-food Science and Technology,2011,44(10):2059-2063.

[2]Brenner Tom,Wang Zheng,Achayuthakan Piyada,et al.Rheology and synergy of κ-carrageenan/locust bean gum/konjac glucomannan gels[J].Carbohydrate Polymers,2013,98(1):754-760.

[3]Fanbing Meng,Yexing Liang,Tiangang Shuai,et al.Physicochemical properties of Amorphophallus paeoniifolius(Dennst.)Nicolson starch and its blend with konjac glucomannan[J].Starch-St?rke,2015,67:9-10.

[4]ZhangL Q,Liu X Y,Zhao S F,et al.Study on Konjac Glucom Annan-Carrageenan Edible Blend Films[J].Advanced Materials Research,2013,641:521-524.

[5]楊振,孔保華,夏秀芳,等.魔芋粉對(duì)鯉魚(yú)肌原纖維蛋白凝膠特性的影響[J].食品科學(xué),2012,33(11):116-120.

[6]龐杰,吳春華,溫成榮,等.魔芋葡甘聚糖凝膠研究進(jìn)展及其問(wèn)題[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2011,11(9):181-187.

[7]王麗霞,龐杰.魔芋葡甘聚糖不可逆凝膠研究進(jìn)展及相關(guān)問(wèn)題[J].食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào),2012,3(5):387-391.

[8]Xu Z L,Sun Y M,Yang Y H,et al. Effect ofγ-irradiation on some physiochemical properties of konjac glucomannan[J].Carbohydrate Polymers,2007,70(4):444-450.

[9]溫成榮,潘娟,龐杰,等.魔芋葡甘聚糖/威蘭膠體系流變性能研究[J].糧食與油脂,20014,27(6):31-35.

[10]Wu C H,Wen C R,Wang X M,et al. Structural characterization and properties of konjac glucomannan/curdlan blend films[J].Carbohydrate Polymers,2012,89(2):497-503.

[11]M H Norziah,S L Foo,A Abd Karim,et al.Rheological studies on mixtures of agar(Gracilariachangii)and k-carrageenan[J]. Food Hydrocolloids,2006,2:204-217.

[12]Z K Brown,P J Fryer,I T Norton,et al. Drying of agar gels using supercritical carbon dioxide[J]. Journal of Super-critical Fluids,2010,54:89-95.

[13]武杰.新型保健冰淇淋加工工藝與配方[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2000：44.

[14]Xiao C,Liu H,Lu Y. Characterization of poly(vinylpyrro-lidone)konjac glucomannan blend films[J]. Journal of Applied Polymer Science,2001(a),81(5):1049-1055.

[15]李琴梅,戚勃.瓊脂的物化特性及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)食品添加劑,2009,(6):170-174.

[16]Achayuthakan P,Suphantharika M. Pasting and rheological properties of waxy corn starch as affected by guar gum and xanthan gum[J]. Carbohydrate Polymers,2008,71(1):9-17.

[17]Noriko K. Relationship between the quality of konjac flour and the molecular matter nature of konjac mannan[J]. Journal of Agricultural Biological Chemistry,1979,43(11):2391-2392.

[18]王霏,江開(kāi)勇.瓊脂凝膠注模成形不銹鋼粉末漿料與生坯的性能[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,32(3):247-252.

StudyonshearrheologicalpropertiesofKonjacglucomannanandAgarblends

XIEJian-hua1,2,XIEBing-qing3,ZHANGLi-hong1,2,WANGWen-cheng1,2,PANGJie3,4,*,ZHANGMin5,*

(1.Department of Food and Biology Engineering,Zhangzhou Profession and Technology Institute,Zhangzhou 363000,China;2.The Applied Technical Engineering Center of Further Processing and Safety of Agricultural Products,Higher Education Institutions in Fujian Province,Zhangzhou 363000,China;3.College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fujian 350002,China;4.Harvard University Department of Physics,MA 02138,America;5.College of Food Science and Biotechnology,Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300457,China)

Rheometer was used to determine rheological properties of Konjac glucomannan and Agar(KGM/Agar)under various conditions of concentration,heating time and temperature. The results showed that the viscous coefficient(k)of KGM/Agar blend system increased with the the increase concentration and the heating time prolong. While the temperature was in the range of 30～60 ℃,the viscous coefficient(k)increased at first then decreased and increased again as wave-like changes,with increasing temperature. The results of viscosity coefficient and flow index showed that the optimal parameters was the mass concentration of KGM/Agar blend 1.2%,swelling temperature of 40 ℃,swelling time 120 min. The rheological properties of KGM/Agar blend system could be fitted by power-law model and the change tendencies of viscosity factor(k)and flow index(n)correlated with concentration,heating time and temperature were also obtained. The curves could be fitted by power and polynomial curve and could provide a reliable foundation for proper applications of KGM/Agar in the food industry and its quality evaluation.

Konjac glucan-mannan;Agar;rheological properties

2017-01-03

謝建華(1976-)，碩士，副教授，研究方向：天然產(chǎn)物化學(xué)與應(yīng)用研究,E-mail:xiejh2001@163.com。

*通訊作者:龐杰(1965-)，博士，教授，研究方向：食品化學(xué)與營(yíng)養(yǎng),E-mail:pang3721941@163.com。 張民(1972-)，博士，教授，研究方向：食品化學(xué)與營(yíng)養(yǎng),E-mail:zm0102@tust.edu.cn。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31471704，31271837和31301599)；福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014J01378)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JA15697)。

TS201.7

:A

:1002-0306(2017)16-0001-04

10.13386/j.issn1002-0306.2017.16.001