樊 蕊

(北京大學公共衛(wèi)生學院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學系，北京 100191)

燕麥β-葡聚糖是一種通過β-(1→3)和β-(1→4)糖苷鍵連接而成的線性非淀粉多糖，其在一定條件下可以形成凝膠。凝膠性也被認為是燕麥β-葡聚糖的基本性質(zhì)之一。燕麥β-葡聚糖可作為一種新型的功能性食品配料、營養(yǎng)增補劑、化妝品和醫(yī)用原料，引起了廣泛關注[1]。但燕麥β-葡聚糖添加到這些食品中不僅會影響食品的感官性能，而且還會影響食品的質(zhì)地和營養(yǎng)功能等，同時，還可與食品體系中的脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉以及其他多糖等功能性大分子共同作用，影響加工食品的特性和功能。因而，燕麥β-葡聚糖研究已成為熱點。

從20世紀末起，對燕麥β-葡聚糖的溶液流變性能和凝膠性能已有研究[2-3]。燕麥β-葡聚糖溶液顯示出典型的無規(guī)則卷曲的流動特性，在低剪切率下，溶液顯示出剪切稀化流動特性，而分子量較大的葡聚糖顯示出假塑性流動特性[4]。隨著儲存時間的延長，β-葡聚糖溶液顯示出類似凝膠的結構，在凝膠固化過程的后期，溶液轉變?yōu)榈湫偷膹椥阅z[5]。但是到目前為止，對于燕麥β-葡聚糖凝膠特性的研究不夠完善，不同制備方法對凝膠特性的研究未見報道。

目前常用的制備凝膠的方法包括：熱處理、凝固劑、酶法、交聯(lián)劑，不同制備方法得到的凝膠其性質(zhì)和形成機理不同，因此，可以滿足不同的應用目的。超高壓(Ultrahigh pressure, UHP)作為一種新型的非熱加工食品新技術近年來被廣泛地研究與應用。超高壓會使其分子結構和空間構象發(fā)生改變，從而影響其物理化學性質(zhì)，如流變學性質(zhì)等[6]。以前有關超高壓對多糖性質(zhì)的研究[7-9]相對較少，多集中在淀粉和食品膠方面，從超高壓對食品多糖凝膠特性的研究結果來看，將超高壓技術應用于食品多糖凝膠是一個十分值得關注的方向。

為了更好地理解葡聚糖凝膠在食品以及醫(yī)藥領域的應用，本試驗擬對傳統(tǒng)熱誘導和新型超高壓技術誘導制備的葡聚糖的凝膠性質(zhì)、質(zhì)構以及微觀結構進行系統(tǒng)的比較和分析，以期明確超高壓技術在β-葡聚糖凝膠制備方面的優(yōu)越性，為β-葡聚糖凝膠對食品口感、穩(wěn)定性的影響以及工藝參數(shù)的設計等提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 設備與試劑

分析天平：AR1140型，美國奧豪斯公司；

冷凍干燥：Alpha 1-2 D Plus型，德國 Marin Christ公司；

流變儀：AR-1500ex型，美國 TA 公司；

質(zhì)構儀：TA-XT Plus型，英國 Stable Micro Systems公司；

掃描電鏡：JSM-6701F型，日本 JEOL 公司；

超高壓設備：HPP L2-700/1型，天津華泰森淼生物工程技術有限公司；

恒溫磁力攪拌器：78HW-1型，江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司；

冷凍干燥：Alpha 1-2 D Plus型，德國Marin Christ公司；

真空包裝機：DZ-260B型，北京愷欣世紀科技有限公司；

旋渦混合/振蕩器：HAVDRTEX-5型，北京恒奧德科技有限公司；

燕麥β-葡聚糖：OG 2.0×105、LOG 1.0×105，廣州中康食品有限公司。

1.2 制備方法

1.2.1 熱誘導制備葡聚糖復合凝膠 分別稱取一定量的燕麥β-葡聚糖LOG和燕麥β-葡聚糖OG，按質(zhì)量比1∶1混合，在一定溫度下于磁力攪拌器攪拌至完全溶解制成復合β-葡聚糖溶液，放置于4 ℃的冰箱過夜，觀察β-葡聚糖凝膠的形成和外觀特性，研究溫度、總質(zhì)量分數(shù)對β-葡聚糖凝膠形成的影響。將每份溶液倒入50 mL小燒杯中，當小燒杯傾斜60°時樣品無流動性即認為形成凝膠。

1.2.2 超高壓誘導制備葡聚糖復合凝膠 分別稱取一定量的燕麥β-葡聚糖LOG和燕麥β-葡聚糖OG，按質(zhì)量比1∶1混合，40 ℃下于磁力攪拌器攪拌至完全溶解后，冷卻至室溫，得到復合燕麥β-葡聚糖溶液。將制備的復合燕麥β-葡聚糖溶液裝入50 mL離心管中，然后將離心管放入聚乙烯袋后真空封口，并將樣品置于壓力腔內(nèi)，浸沒于傳壓介質(zhì)中，以水為傳壓介質(zhì)，設置一定的壓力進行超高壓處理，保壓時間30 min，升壓速率6.5 MPa/s，降壓速率20 MPa/s。處理后的樣品置于4 ℃冰箱保藏，所有性質(zhì)的測定均在24 h后進行。

1.3 β-葡聚糖復合凝膠的表觀特征

樣品經(jīng)冷卻后，通過肉眼觀察各個樣品的組織狀態(tài)。

1.4 持水性測定

根據(jù)Zhang等[10]的方法，并稍作修改。稱取 3 g 凝膠樣品于10 mL離心管中，離心(10 000 r/min，20 min)，用濾紙小心地吸除離心出來的水分，20 min后再次離心稱重，直至2次離心排水后離心管和樣品的總重量之差<0.05 g，按式(1)計算持水性。試驗3次取平均值。

(1)

式中：

WHC——持水性，%；

W1——離心后離心管和樣品的總重量，g；

W0——離心管的重量，g；

W2——離心前離心管和樣品總重量，g。

1.5 持油性測定

采用左鋒等[11]的方法，并進行改進。準確稱取 1 g 凝膠置于10 mL離心管中，再加入 5 mL 大豆色拉油，漩渦混合(手動點振方式)5 min，分散均勻后于室溫下靜置 30 min，離心(3 000 r/min，20 min)，倒掉上清色拉油，再稱重。直至2次離心排油后離心管和樣品的總重量之差<0.05 g，按式(2)計算持油性。試驗3次取平均值。

(2)

式中：

OHC——持油性，%；

W1——離心后離心管和樣品的總重量，g；

W0——離心管的重量，g；

W2——離心前離心管和樣品總重量，g。

1.6 流變特性測定

凝膠的特殊結構使其同時具有固體和液體的性質(zhì)，即在力學上表現(xiàn)為固體的性質(zhì)而在熱動力學上表現(xiàn)出濃溶液的性質(zhì)。利用流變儀對β-葡聚糖復合凝膠進行流變測試，選擇平板系統(tǒng)(型號：PP-40，直徑40 mm，設置間隙5 mm)，恒溫25 ℃由循環(huán)水系統(tǒng)精確控制。將凝膠進行頻率掃描測試，設置頻率范圍0.1～100.0 rad/s，溫度25 ℃，平衡時間2 min，為保證所有樣品在線性黏彈范圍內(nèi)，應變選擇1%。

1.7 質(zhì)構特性測定

測試前，將樣品切成高度為1 cm的圓柱形，并置于室溫下平衡2 h，然后利用質(zhì)構儀進行測量，主要參數(shù)：運行模式 Texture profile analysis (TPA)；探頭 P/0.25；測試速度保持恒定，為60 mm/min；壓縮變形為樣品的30%；起始力0.4 N。選取的質(zhì)構指標包括硬度、內(nèi)聚性、彈性、咀嚼性。每個處理重復6次。

1.8 凍融穩(wěn)定性

將β-葡聚糖復合凝膠置于-20 ℃冰箱，每隔3 d取出置于4 ℃冰箱解凍12 h，測定后將剩余解凍后的β-葡聚糖復合凝膠繼續(xù)放入-20 ℃凍藏，以此往復5次[12]。

1.9 掃描電鏡

將制備的凝膠樣品冷凍干燥，噴金，通過掃描電鏡觀察，加速電壓5 kV，每個樣品觀察5～10個區(qū)域。

1.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

每組試驗至少重復3次，結果通過Origin 8.6處理后用平均值(M)±標準差(SD)表示。運用SPSS 18.0 進行單因素方差分析(ANOVA)，若方差分析效果顯著，則使用Duncan進行多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 β-葡聚糖復合凝膠表觀特征

表1可以看出，溫度60 ℃處理的β-葡聚糖溶液均無法形成凝膠，而溫度高于70 ℃時，β-葡聚糖溶液總濃度高于11%均可以形成凝膠。β-葡聚糖在溶液中以無規(guī)則線團存在，屬于黏彈性體系，并且和質(zhì)量分數(shù)有一定關系，這就使得在一定條件下能形成凝膠[13]。隨著溫度升高至80 ℃，β-葡聚糖成膠濃度降低，總濃度為8%便可形成穩(wěn)定的凝膠，此結論與前人[14]報道結果一致。從表1還可看出，70 ℃形成的凝膠結構較松散；而80 ℃形成的凝膠表面平整光滑，結構緊實。對于超高壓誘導方法，壓力<400 MPa處理的β-葡聚糖溶液基本不能形成凝膠，而壓力>400 MPa時，高于12%的β-葡聚糖可形成凝膠，當壓力增加到500 MPa，成膠濃度為7%。但400 MPa時凝膠不易成形，表面粗糙，結構松散；而600 MPa形成的凝膠表面平整光滑，結構緊實。超高壓可使多糖的分子結構和空間構象發(fā)生改變，影響其物理化學性質(zhì)，如流變學性質(zhì)，從而影響其凝膠性[15-16]。

2.2 β-葡聚糖復合凝膠流變性能

酸奶質(zhì)地、口感、乳清析出等許多宏觀特性與其流變學，微觀結構之間存在著很大的相關性。為了將β-葡聚糖復合凝膠作為脂肪模擬物添加在乳制品中，本試驗對復合凝膠的流變、質(zhì)構、微觀結構以及加工特性進行了分析。由圖1(b)可看出，當熱誘導制備β-葡聚糖復合凝膠的，β-葡聚糖總濃度<8%時，其G′、G″隨著ω增加，呈現(xiàn)增加的趨勢，Winte等[17]發(fā)現(xiàn)對于典型的凝膠體系，G′和G″相互平行且G′>G″，因此，當β-葡聚糖總濃度在8%～14%時，熱誘導制備的β-葡聚糖復合凝膠可形成典型凝膠。但是，超高壓誘導的β-葡聚糖復合凝膠，即使β-葡聚糖總濃度低于8%，依然形成典型的凝膠，并且隨著濃度增加，G′、G″呈增加的趨勢。當總濃度進一步升高到15%時，超壓誘導的β-葡聚糖復合凝膠均形成典型凝膠。這是因為超高壓和熱處理的凝膠形成機理不同，其化學鍵破壞的方式不同，因此形成的凝膠具有不同的特性。

2.3 β-葡聚糖復合凝膠持水持油性能測定

由圖2可以看出，無論是超高壓還是熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠，其持水性和持油性隨著濃度的增加而增加。超高壓誘導的β-葡聚糖復合凝膠持水性的增加較為平緩，當β-葡聚糖總濃度增加至12%后，其持水性基本保持恒定。而熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠持水性隨著β-葡聚糖總濃度的增加呈持續(xù)增加的趨勢。超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠持水性始終高于熱誘導的，可能是高壓在促進凝膠形成凝膠網(wǎng)絡結構的同時，水分充填在網(wǎng)絡結構中，有利于束縛住更多的水分，使持水性增加，同時也增加了凝膠強度[18]。2種誘導方法制備的葡聚糖復合凝膠持油性如圖2(b)所示。熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠持油性顯著高于超高壓誘導的，且兩者的變化趨勢也不同。熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠隨著β-葡聚糖濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。欲將β-葡聚糖復合凝膠添加在乳制品中，必須考慮其本身的流變特性。但將β-葡聚糖復合凝膠應用在酸乳中的研究還未見報道，在后續(xù)試驗中可進一步開展研究。目前有報道[19]將明膠、果膠添加至牛乳中，明膠具有明顯的吸水膨脹性，并且粘附于酪蛋白的表面加強了乳蛋白連接，可以有效地束縛水分。并且形成了弱的凝膠，利用極性基團吸附大量的水包裹到明膠凝膠中，粘附于酪蛋白表面，使得持水性升高[20-21]，但少量果膠的加入與酪蛋白發(fā)生“架橋絮凝”反應，使持水性降低，導致蛋白質(zhì)過度重組產(chǎn)生了大塊的酪蛋白聚集體[22]。

表1 不同處理和β-葡聚糖濃度制備的復合凝膠狀態(tài)?

? “-”表示樣品未形成凝膠；“+”表示樣品形成凝膠，但是較粗糙，不夠緊實；“++”表示凝膠較平整光滑；“+++”表示凝膠更光滑緊實。

2.4 β-葡聚糖復合凝膠質(zhì)構性能測定

由圖3可以看出，β-葡聚糖總濃度以及制備方法對復合凝膠的質(zhì)構特性影響顯著。超高壓誘導的β-葡聚糖復合凝膠的硬度、內(nèi)聚性、彈性和咀嚼性高于熱誘導的。熱誘導的β-葡聚糖凝膠的硬度隨著葡聚糖濃度的增加呈顯著先增加后降低的趨勢(P<0.05)，當β-葡聚糖濃度達到14%時，其硬度最大，為1.8 N，但顯著低于超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠(P<0.05)。此現(xiàn)象與前人[23]研究結果相似。學者[24]32指出，隨著多糖濃度的上升，其耐壓性越好?？赡苁请S著多糖濃度的上升，更多分子間的非共價鍵形成，使得整個網(wǎng)絡結構能夠承受的壓力越來越大。報道[25]指出，在酸乳中適當添加阿拉伯膠可以增加酸乳的硬度，但是添加過多由于空間位阻會破壞酪蛋白的交聯(lián)，阻礙網(wǎng)絡結構構建，引起抵抗外力性能變?nèi)酰瑥亩鴮е履橛捕?、?nèi)聚性都降低。

超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠，其內(nèi)聚性隨著β-葡聚糖濃度的增加保持恒定的趨勢，而熱誘導的β-葡聚糖凝膠其內(nèi)聚性隨著濃度的增加呈微小下降趨勢[圖3(b)]。

圖1 超高壓誘導/熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠的頻率掃描曲線Figure 1 The frequency sweep curves of β-glucan mixed gels prepared with differenttreatments

圖2 超高壓誘導/熱誘導的β-葡聚復合糖凝膠的持水持油性Figure 2 The water and oil hold capacities of β-glucan mixed gels prepared with different treatments

王銳[24] 35報道，隨著玉米麩皮添加量的增加，鴨肉凝膠的凝聚性降低。

由圖2(c)、(d)可看出，隨著β-葡聚糖濃度的增加，β-葡聚糖凝膠的彈性和咀嚼性均呈先增后降趨勢，此結果與卡拉膠-魔芋膠復合凝膠[26]的彈性和咀嚼性變化趨勢相似。超高壓誘導的β-葡聚糖復合凝膠彈性高于熱誘導的，其結論與陸海霞等[27]研究結果一致。

2.5 β-葡聚糖復合凝膠凍融穩(wěn)定性測定

對于特殊的食品乳液體系，冷凍是必備加工工序，如冰淇淋。乳液冷凍涉及到一系列物理化學變化，包括水和脂肪結晶、界面相轉變和生物大分子構象改變及由此引起的連鎖反應[28]，因此，探討β-葡聚糖復合凝膠凍融循環(huán)的持水性變化，對其應用在冷凍食品中是非常有必要的。圖4顯示不同誘導方式制備的凝膠在凍融循環(huán)中對β-葡聚糖凝膠持水性的影響。隨著β-葡聚糖濃度增加，β-葡聚糖凝膠持水性增加，且超高壓制備的持水性高于熱誘導的。高壓促使多糖發(fā)生解聚，溶解性升高，使更多的自由水與多糖形成結合水，增強了持水性能[29]；但不同方法誘導制備的β-葡聚糖，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其持水力均呈下降趨勢。這是因為在反復凍融中，溫度不斷變化，冰晶不斷消失和形成，對凝膠的網(wǎng)絡有一定的破壞作用，使其截留水分的能力降低。經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，超高壓誘導制備的15%的β-葡聚糖凝膠持水性降低至初始持水性的91%，而熱誘導制備的β-葡聚糖凝膠持水性降低至初始持水性的87%，表明超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠的穩(wěn)定性略優(yōu)于熱誘導的。因此，超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠為水包油乳液型冷凍食品、熱敏性生物活性物質(zhì)和低溫儲存藥品的制備和研發(fā)提供一條有效的技術途徑。

圖4 超高壓誘導/熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠的凍融循環(huán)的持水性特征Figure 4 The water hold capacities of β-glucan mixed gels by different treatments in freeze-thaw cycle

2.6 β-葡聚糖復合凝微觀結構表征

將β-葡聚糖復合凝膠添加在酸奶中，改變了酸奶凝膠固有的微觀結構，酸奶凝膠微孔的大小與其保水性及乳清析出的敏感性有關，微孔越均勻越細小，其保水性越好[30]。由圖5可以看出，當β-葡聚糖總濃度較低時(10%)，超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠表面較為光滑，而熱誘導的β-葡聚糖凝膠表面粗糙，不均勻。當增加β-葡聚糖總濃度，超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠由簇狀轉化為團塊狀，且表面孔洞數(shù)量和體積均減少。通過比較發(fā)現(xiàn)，超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠表面較熱誘導的均勻、致密，孔洞較小且分布均勻。綜上所述，超高壓誘導的β-葡聚糖凝膠更加適合應用在酸乳中。

圖5 超高壓誘導/熱誘導的β-葡聚糖復合凝膠的掃描電鏡Figure 5 SEM images of β-glucan mixed gel

3 結論

本試驗系統(tǒng)分析了熱誘導和超高壓誘導制備的不同分子量的β-葡聚糖復合凝膠的性質(zhì)和微觀結構，結果顯示超高壓誘導制備的β-葡聚糖復合凝膠的凝膠強度、質(zhì)構特征、微觀結構以及持水性均優(yōu)于熱誘導制備的。此結論為推廣超高壓技術在多糖凝膠的制備方面以及優(yōu)化β-葡聚糖凝膠，擴大其在食品中的應用提供了理論依據(jù)。在后期研究中，將對不同方法制備的β-葡聚糖復合凝膠的機理和應用進行深入研究。