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(四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川都江堰 611830)

魔芋膠的流變學(xué)及加工特性的研究

鄧林,劉延嶺

(四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川都江堰611830)

通過對(duì)魔芋膠的流變學(xué)特性和加工特性,如持水力和凍融穩(wěn)定性的研究,得到以下結(jié)論:魔芋膠為剪切變稀的假塑性流體,屬于熱不可逆凝膠;魔芋膠的持水力較好,但是其凍融穩(wěn)定性不好。故在食品加工中要依據(jù)具體情況選擇性使用魔芋膠。

魔芋膠,流變學(xué)特性,加工特性

Abstract:The rheological and processing characteristics such as water holding capacity and freeze-thaw stability of konjac gum were studied. The results showed that konjac gum solutions was pseudoplastic fluid and was thermally irreversible gel. Its water holding capacity was better but freeze-thaw stability was not good. Therefore,the using of konjac gum should be based on the specific situation in food processing.

Keywords:konjac gum;rheological properties;processing characteristics

魔芋(Amorphophallus konjac),又稱蒟蒻,天南星科魔芋屬,是多年生宿根性塊莖草本植物。據(jù)《本草綱目》記載,2000多年前魔芋就用來治病[1]。魔芋含有16種氨基酸,10種礦物質(zhì)微量元素和豐富的食物纖維,可以防治多種腸胃消化系統(tǒng)的慢性疾病,對(duì)防治糖尿病、高血壓有特效;而且魔芋低熱、低脂、低糖,對(duì)預(yù)防和治療結(jié)腸癌、乳腺癌、肥胖癥的人群來說,是一種既飽口福又治病健體的食品[2]。

魔芋膠(konjac gum,英文縮寫為KGM)是對(duì)魔芋精粉(konjac powder)進(jìn)行深加工的產(chǎn)物,其有效的化學(xué)成分為葡甘聚糖,由D-葡萄糖和D-甘露糖通過β-1,4-糖苷鍵結(jié)合而成[3]。與魔芋精粉相比,其純度、細(xì)度(100～300目)和粒度更高,溶解速度和形成凝膠反應(yīng)速度更快,理化性能更優(yōu)[4],被廣泛應(yīng)用于飲料、果凍、冰淇淋、肉制品、面制品等食品中[1-2]。本文系統(tǒng)地研究了魔芋膠溶液的流變學(xué)特性,期望獲得的結(jié)果能為魔芋膠在生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

魔芋膠(KGM)和黃原膠 均為食品級(jí)產(chǎn)品,成都食品膠添加劑公司。

AR2000-EX型動(dòng)態(tài)流變儀(為靜態(tài)流變學(xué)研究儀器) 美國TA公司;HAAKE MARS型旋轉(zhuǎn)流變儀(為動(dòng)態(tài)流變學(xué)研究儀器) 德國Haake公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 魔芋膠的靜態(tài)流變特性研究

1.2.1.1 魔芋膠溶液濃度對(duì)其黏度和剪切力的影響 配制濃度分別為1.5%、1.0%、0.5%、0.3%和0.1%的KGM溶液。采用AR2000-EX型動(dòng)態(tài)流變儀,選用直徑為20 mm的平行板測量系統(tǒng),將樣品臺(tái)溫度設(shè)定為30 ℃,(板間距1.0 mm),將剪切速率從0.1 s-1增加到600 s-1,記錄不同濃度KGM溶液的流變曲線。

1.2.1.2 溫度對(duì)魔芋膠溶液黏度的影響 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KGM溶液。采用HAAKE MARS型旋轉(zhuǎn)流變儀,選用直徑為50 mm、1°的不銹鋼加長錐板測量系統(tǒng),固定剪切速率(s-1),15 min內(nèi)將溫度從70 ℃降至10 ℃,記錄KGM溶液溫度變化下的流動(dòng)曲線。

1.2.1.3 魔芋膠溶液的觸變性 使用AR2000-EX型動(dòng)態(tài)流變儀,選用直徑為20 mm(板間距1.0 mm)的平行板測量系統(tǒng),對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的KGM溶液,采用兩步穩(wěn)態(tài)程序使剪切速率先從0.1 s-1增加到600 s-1,之后立即以同樣的變化速率從600 s-1下降到0.1 s-1,記錄整個(gè)過程的剪切應(yīng)力的變化情況。

1.2.2 魔芋膠的動(dòng)態(tài)流變學(xué)性質(zhì)分析

1.2.2.1 魔芋膠溶液的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的KGM溶液,該濃度下流體特性更好,濃度越大越呈現(xiàn)凝膠特性。采用AR2000-EX型動(dòng)態(tài)流變儀,選擇平板直徑為20 mm(板間距l(xiāng) mm)的平行板測量系統(tǒng),測定樣品的動(dòng)態(tài)粘區(qū)間,在線性粘彈區(qū)內(nèi),固定振蕩應(yīng)力,測定溶液的儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)和動(dòng)力學(xué)粘度(η′)隨振蕩頻率的變化。

1.2.2.2 魔芋膠的熔化特性分析 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的KGM溶液。采用HAAKE MARS型旋轉(zhuǎn)流變儀,選用直徑為50 mm、1°的不銹鋼加長錐板測量系統(tǒng),從25 ℃以5 ℃/min的速度升至65 ℃,在頻率為1.0 Hz的條件下記錄降溫和升溫過程中G′和G″的變化,測定其熔化特性。

1.2.3 魔芋膠的持水力性質(zhì)分析 參照Huang YIqun等[5]方法,并稍作改進(jìn)。取質(zhì)量為m1凝膠狀KGM加入到質(zhì)量為m0的離心管中。常溫下保存30 min后于3000 r/min心30 min,吸去上層析出的水分,測定吸取水分后離心管的質(zhì)量m2。每一樣品平行測定5次。以黃原膠作為對(duì)照品,按照同樣的方法測定其持水力。按照以下公式計(jì)算KMG樣品的持水力。

持水力(%)=(m1-m2)/(m2-m0)×100

1.2.4 魔芋膠的凍融處理分析 在室溫下測定質(zhì)量濃度為1%的KMG溶液經(jīng)過凍融處理(-20 ℃冷凍24 h,30 ℃解凍1 h)后的表觀黏度(30 ℃,剪切速率 50 s-1)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。以黃原膠作為對(duì)照品,測定其凍融穩(wěn)定性。

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以測定幾次得到的均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。采用Origin 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 魔芋膠的靜態(tài)流變學(xué)特性

2.1.1 剪切速率及濃度對(duì)魔芋膠溶液黏度的影響 由圖1可以看出,當(dāng)KGM濃度大于0.1%時(shí),黏度隨著剪切速率的增加逐漸降低,表現(xiàn)出剪切變稀的假塑性[6],在相同的剪切速率下,溶液的黏度隨著質(zhì)量濃度的增大而迅速增大。而濃度低于0.1%時(shí),剪切速率對(duì)其黏度影響很小,呈現(xiàn)出牛頓流體的流動(dòng)特性[7]。KMG溶液為剪切變稀的牛頓流體的流體特性。

圖1 不同濃度魔芋膠溶液的流變曲線 Fig.1 Rheological curves of KGMsolutions at different concentrations

從圖2可知,魔芋膠溶液的流體特性服從Power law模型,σ=Kγn。其中,稠度系數(shù)K和流動(dòng)指數(shù)n是與液體性質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù),其表觀粘度為η=Kγn-1[8]。這與周建芳[9]對(duì)瓜爾膠溶液流變特性研究的結(jié)果相同。

圖2 不同濃度魔芋膠溶液的剪切應(yīng)力-剪切速率曲線Fig.2 Shear stress-shear rate curves of KGM solutions at different concentrations

2.1.2 溫度對(duì)魔芋膠溶液黏度的影響 從圖3可以看出,隨著溫度的升高,魔芋膠黏度逐漸減小。這是由于溫度升高,分子的運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),分子間相互作用力減小,分子流動(dòng)阻力減小,因而黏度降低。這說明當(dāng)溫度升高,分子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),魔芋膠分子和水分子的結(jié)合能力強(qiáng)沒有被蒸發(fā)除去,其保水性能較好。

圖3 溫度對(duì)魔芋膠溶液黏度的影響Fig.3 Effects of temperature on the viscosity of KGM solution

2.1.3 魔芋膠溶液的觸變性 在剪切過程中,如果樣品溶液的剪切力在剪切速率上升與下降過程中不重合,形成了明顯的觸變環(huán),即表明體系屬于觸變體系。觸變環(huán)的面積反映觸變性的大小。若觸變環(huán)的面積大,則表示此體系經(jīng)外力作用后,其黏度變化大,外力撤出后體系恢復(fù)到未經(jīng)力作用的體系狀態(tài)所需的時(shí)間長,即觸變性反應(yīng)物料經(jīng)長時(shí)間剪切后在靜止時(shí)是一個(gè)重新稠化的過程[10]。在食品制作過程中,食用膠的觸變環(huán)面積越小越好,這樣有助于食品的保形加工。

圖4為魔芋膠溶液的觸變性,由圖4可以看出,魔芋膠溶液的觸變環(huán)面積與黃原膠相比相差較大,由于觸變環(huán)越大在加工過程中越易發(fā)生變形,因此魔芋膠不適合應(yīng)用在需要保形的食品中,例如面包、糕點(diǎn)中就不適合添加魔芋膠,而在不需要保形的食品如蛋黃醬中就適合使用魔芋膠作為增稠劑。

圖4 魔芋膠溶液的觸變性Fig.4 Thixotropic curves of KGM solution

2.2 魔芋膠的動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性

2.2.1 魔芋膠溶液的動(dòng)態(tài)粘彈性 圖5為魔芋膠溶液的動(dòng)態(tài)粘彈性。由圖5可以看出,在低頻率下G′與G″相當(dāng),體系為半固態(tài)。隨著頻率的逐漸增大,G′和G″均有所增加,但是G′的增加幅度大于G″,并且G′大于G″,此時(shí)體系以彈性為主,呈現(xiàn)一定的弱膠性。這是因?yàn)楫?dāng)頻率低時(shí),松弛時(shí)間足夠長,形變緩慢發(fā)生,大部分能量通過粘性流動(dòng)而損耗,分子處于能量較低的狀態(tài)中。松弛是通過分子鏈間的纏結(jié)點(diǎn)滑移而進(jìn)行的[11]。當(dāng)頻率升高時(shí),有效松弛時(shí)間減少,分子鏈間沒有足夠的時(shí)間發(fā)生滑移,這些纏結(jié)點(diǎn)越來越類似于固定的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)[12]。這種臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存能量的能力不斷升高,溶液趨向于彈性體。此外,KGM的動(dòng)力學(xué)粘度η′隨著振蕩頻率的增大而逐漸減小,表現(xiàn)出剪切變稀的特性,這與靜態(tài)流變學(xué)特性研究的結(jié)果一致。

圖5 魔芋膠溶液的動(dòng)態(tài)粘彈性Fig.5 Dynamic viscoelasticity of KGM solution

2.2.2 魔芋膠溶液的熔化特性 加熱過程中G″和G′的交匯點(diǎn)的溫度定義為熔化點(diǎn)。圖6為魔芋膠的熔化特性曲線?？梢钥闯?在加熱過程中,隨著溫度的升高,溶液的G′和G″逐漸降低,并且在整個(gè)升溫過程中G″始終大于G′,這是由于隨著溫度的升高,魔芋膠溶液的粘度降低,分子流動(dòng)性增大,分子間的相互作用減弱,表現(xiàn)出黏性流體的特征(G″>G′)。上述結(jié)果表明,魔芋膠溶液在加熱時(shí)不會(huì)熔化,依然呈現(xiàn)黏性流體的特征[13]。

圖6 魔芋膠溶液的熔化特性Fig.6 Melting characteristics of KGM solutions

2.3 魔芋膠的持水力

持水力表現(xiàn)的是與水的結(jié)合能力。在食品的加工中,持水力反映了其防止水分流失的能力,持水力好的食物能夠保持優(yōu)異的口感或性狀。圖7為魔芋膠樣品的持水力?？梢钥闯?常溫下魔芋膠的持水力優(yōu)于黃原膠。這是魔芋膠較黃原膠含有更多的羥基基團(tuán),能夠與水發(fā)生有效結(jié)合,從而表現(xiàn)出較高的持水能力。

圖7 魔芋膠的持水力Fig.7 Water holding capacity of KGM

2.4 凍融處理對(duì)銀耳粗多糖黏度的影響

凍融穩(wěn)定性在食品特別是冷凍速凍食品的加工中具有十分重要的地位。在冷凍儲(chǔ)藏過程中,熱變化和隨之而來的水相變化是導(dǎo)致冷凍速凍食品品質(zhì)變化的主要原因。在食品冷藏過程中,多糖大分子以及一些小分子之間氫鍵重新締合會(huì)導(dǎo)致冷凍食品中水分的收縮或脫水,從而影響到冷凍食品體系的粘度特性和凝膠特性,宏觀表現(xiàn)為食品品質(zhì)的下降[14]。因此,有必要研究魔芋膠的凍融穩(wěn)定性。

圖8 凍融處理對(duì)魔芋膠溶液黏度的影響Fig.8 Apparent viscosity of KGM solution with freezing-thawing treatments

凍融處理前后魔芋膠溶液黏度的變化如圖8所示。由圖8可以看出,凍融處理對(duì)2種多糖溶液的黏度均有影響,經(jīng)過凍融后黃原膠溶液的黏度略有增大,而魔芋膠溶液的黏度卻明顯變小。這可能是由于在凍結(jié)過程中魔芋膠中多糖分子的氫鍵重新締合,導(dǎo)致嚴(yán)重脫水,變成水分子,黏度降低程度大,而黃原膠在凍結(jié)過程中,溫度對(duì)其氫鍵影響較小,因此其黏度變化不大[16]。

3 結(jié)論

較為系統(tǒng)地研究了魔芋膠的靜態(tài)流變學(xué)、動(dòng)態(tài)流變學(xué)特性、持水力和凍融穩(wěn)定性,得到了以下結(jié)論:魔芋膠為剪切變稀的假塑性流體,其黏度隨著質(zhì)量濃度的增加逐漸增大,隨著溫度的升高逐漸降低,并且在加工過程中不利于食品保形;研究了魔芋膠的動(dòng)態(tài)粘彈性和熔化特性,發(fā)現(xiàn)魔芋膠為熱不可逆凝膠;魔芋膠的持水力較好但其凍融穩(wěn)定性不好,在食品加工中要依據(jù)具體情況選擇使用。

[1]陳運(yùn)忠,候章成. 魔芋膠(魔芋葡甘聚糖KGM)在食品添加劑工業(yè)中的應(yīng)用機(jī)理和實(shí)踐[J]. 食品工業(yè)科技,2006(1):155-157.

[2]黃明發(fā),魯興容,刁兵,等. 魔芋膠的功能特性及其在肉制品中的應(yīng)用[J]. 中國食品添加劑,2012(2):186-190.

[3]馬正智,彭小明,董杰,等. 我國魔芋膠的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 食品添加劑專論綜述,2008(4):101-107.

[4]鄭梅霞,朱育菁,劉波,等. 黃原膠的流變性及與魔芋膠等的協(xié)效性研究[J]. 食品工業(yè)科技,2016(8):303-306.

[5]Huang Y,Tang J,Swanson BG,et al. Effect of calcium concentration on textural properties of high and low acyl mixed gellan gels[J]. Carbohydrate Polymers,2003,75(5):106-110.

[6]Lu Zhanhui,Yuan Meilan,Sasaki T,et al. Rheological properties of fermented rice flour gel[J]. Cereal Chemistry,2007,84(6):620-625.

[7]Barrangou LM,Drake M,Daubert CR,et al. Textural properties of agarose gels. II. Relationships between rheological properties and sensory texture[J]. Food Hydrocolloids,2006,20(23):196-203.

[8]Gomez-Diaz D,Navaza JM,Quintans-Riveiro L C. Influence of mixing and temperature on the rheological properties of carboxymethyl cellulose/kappa-carrageenan mixtures[J]. European Food Research and Technology,2008,32(9):312-315.

[9]周建芳,張黎明,Perter SHui. 兩性瓜爾膠衍生物溶液的流變特征[J]. 物理化學(xué)學(xué)報(bào),2003(11):1081-1084.

[10]Peressini D,Peighambardoust SH,Hamer RJ,et al. Effect of shear rate on microstructure and rheological properties of sheared wheat doughs[J]. Journal of Cereal Science,2008,48(2):426-438.

[11]Rao MA. Rheology of Fluid and Semisolid Foods[M]. Berlin:Springer Verlag,1999:329-334.

[12]Rao M A,Cooley HJ. Determination of effective shear ratesin rotational viscometers with complex geometries[J]. Journal of Texture Studies,1984,28(3):223-229.

[13]H Lin,L Lai. Isolation and viscometric characterization of hydrocolloids from mulberry(MorusalbaL.)leaves[J]. Food Hydrocolloids,2009,23(3):840-848.

[14]Pongsawatmanit R,Temsiripong T,Ikeda S,et al. Influence of tamarind seed xyloglucan on rheological properties and thermal stability of tapioca starch[J]. Journal of Food Engineering,2006,77(1):41-50.

Studyonrheologicalandprocessingcharacteristicsofkonjacgum

DENGLin,LIUYan-ling

(Sichuan Technology and Business College,Dujiangyan 611830,China)

TS201.1

A

1002-0306(2017)18-0056-04

2017-02-13

鄧林(1977-)，女，碩士，副教授，主要從事食品生物技術(shù)方面的科研和教學(xué)，E-mail：ddlin@126.com。

10.13386/j.issn1002-0306.2017.18.011