樊 蕊

(北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)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(rèn)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(bǔ)劑、化妝品和醫(yī)用原料，引起了廣泛關(guān)注[1]。但燕麥β-葡聚糖添加到這些食品中不僅會(huì)影響食品的感官性能，而且還會(huì)影響食品的質(zhì)地和營養(yǎng)功能等，同時(shí)，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(diǎn)。

從20世紀(jì)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(dòng)特性，在低剪切率下，溶液顯示出剪切稀化流動(dòng)特性，而分子量較大的葡聚糖顯示出假塑性流動(dòng)特性[4]。隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長，β-葡聚糖溶液顯示出類似凝膠的結(jié)構(gòu)，在凝膠固化過程的后期，溶液轉(zhuǎn)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(bào)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(jī)理不同，因此，可以滿足不同的應(yīng)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(shù)近年來被廣泛地研究與應(yīng)用。超高壓會(huì)使其分子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象發(fā)生改變，從而影響其物理化學(xué)性質(zhì)，如流變學(xué)性質(zhì)等[6]。以前有關(guān)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(jié)果來看，將超高壓技術(shù)應(yīng)用于食品多糖凝膠是一個(gè)十分值得關(guān)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(lǐng)域的應(yīng)用，本試驗(yàn)擬對傳統(tǒng)熱誘導(dǎo)和新型超高壓技術(shù)誘導(dǎo)制備的葡聚糖的凝膠性質(zhì)、質(zhì)構(gòu)以及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的比較和分析，以期明確超高壓技術(shù)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(shè)計(jì)等提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 設(shè)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(gòu)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(shè)備：HPP L2-700/1型，天津華泰森淼生物工程技術(shù)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(jī)：DZ-260B型，北京愷欣世紀(jì)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(dǎo)制備葡聚糖復(fù)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(fù)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?jǐn)?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(dāng)小燒杯傾斜60°時(shí)樣品無流動(dòng)性即認(rèn)為形成凝膠。

1.2.2 超高壓誘導(dǎo)制備葡聚糖復(fù)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(fù)合燕麥β-葡聚糖溶液。將制備的復(fù)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(shè)置一定的壓力進(jìn)行超高壓處理，保壓時(shí)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(jìn)行。

1.3 β-葡聚糖復(fù)合凝膠的表觀特征

樣品經(jīng)冷卻后，通過肉眼觀察各個(gè)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(jì)算持水性。試驗(yàn)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(jìn)行改進(jìn)。準(zhǔn)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(dòng)點(diǎn)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(jì)算持油性。試驗(yàn)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(jié)構(gòu)使其同時(shí)具有固體和液體的性質(zhì)，即在力學(xué)上表現(xiàn)為固體的性質(zhì)而在熱動(dòng)力學(xué)上表現(xiàn)出濃溶液的性質(zhì)。利用流變儀對β-葡聚糖復(fù)合凝膠進(jìn)行流變測試，選擇平板系統(tǒng)(型號：PP-40，直徑40 mm，設(shè)置間隙5 mm)，恒溫25 ℃由循環(huán)水系統(tǒng)精確控制。將凝膠進(jìn)行頻率掃描測試，設(shè)置頻率范圍0.1～100.0 rad/s，溫度25 ℃，平衡時(shí)間2 min，為保證所有樣品在線性黏彈范圍內(nèi)，應(yīng)變選擇1%。

1.7 質(zhì)構(gòu)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(gòu)儀進(jìn)行測量，主要參數(shù)：運(yùn)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(gòu)指標(biāo)包括硬度、內(nèi)聚性、彈性、咀嚼性。每個(gè)處理重復(fù)6次。

1.8 凍融穩(wěn)定性

將β-葡聚糖復(fù)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(fù)合凝膠繼續(xù)放入-20 ℃凍藏，以此往復(fù)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(gè)樣品觀察5～10個(gè)區(qū)域。

1.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次，結(jié)果通過Origin 8.6處理后用平均值(M)±標(biāo)準(zhǔn)差(SD)表示。運(yùn)用SPSS 18.0 進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，若方差分析效果顯著，則使用Duncan進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 β-葡聚糖復(fù)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(shí)，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(tuán)存在，屬于黏彈性體系，并且和質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定關(guān)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(jié)論與前人[14]報(bào)道結(jié)果一致。從表1還可看出，70 ℃形成的凝膠結(jié)構(gòu)較松散；而80 ℃形成的凝膠表面平整光滑，結(jié)構(gòu)緊實(shí)。對于超高壓誘導(dǎo)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(shí)，高于12%的β-葡聚糖可形成凝膠，當(dāng)壓力增加到500 MPa，成膠濃度為7%。但400 MPa時(shí)凝膠不易成形，表面粗糙，結(jié)構(gòu)松散；而600 MPa形成的凝膠表面平整光滑，結(jié)構(gòu)緊實(shí)。超高壓可使多糖的分子結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)象發(fā)生改變，影響其物理化學(xué)性質(zhì)，如流變學(xué)性質(zhì)，從而影響其凝膠性[15-16]。

2.2 β-葡聚糖復(fù)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(xué)，微觀結(jié)構(gòu)之間存在著很大的相關(guān)性。為了將β-葡聚糖復(fù)合凝膠作為脂肪模擬物添加在乳制品中，本試驗(yàn)對復(fù)合凝膠的流變、質(zhì)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)以及加工特性進(jìn)行了分析。由圖1(b)可看出，當(dāng)熱誘導(dǎo)制備β-葡聚糖復(fù)合凝膠的，β-葡聚糖總濃度<8%時(shí)，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(dāng)β-葡聚糖總濃度在8%～14%時(shí)，熱誘導(dǎo)制備的β-葡聚糖復(fù)合凝膠可形成典型凝膠。但是，超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)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(dāng)總濃度進(jìn)一步升高到15%時(shí)，超壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)合凝膠均形成典型凝膠。這是因?yàn)槌邏汉蜔崽幚淼哪z形成機(jī)理不同，其化學(xué)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(fù)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(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)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(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)合凝膠持水性的增加較為平緩，當(dāng)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(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)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(dǎo)的β-葡聚糖凝膠持水性始終高于熱誘導(dǎo)的，可能是高壓在促進(jìn)凝膠形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，水分充填在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，有利于束縛住更多的水分，使持水性增加，同時(shí)也增加了凝膠強(qiáng)度[18]。2種誘導(dǎo)方法制備的葡聚糖復(fù)合凝膠持油性如圖2(b)所示。熱誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)合凝膠持油性顯著高于超高壓誘導(dǎo)的，且兩者的變化趨勢也不同。熱誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)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(fù)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(fù)合凝膠應(yīng)用在酸乳中的研究還未見報(bào)道，在后續(xù)試驗(yàn)中可進(jìn)一步開展研究。目前有報(bào)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(qiáng)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(tuán)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(yīng)，使持水性降低，導(dǎo)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(fù)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(shí)；“++”表示凝膠較平整光滑；“+++”表示凝膠更光滑緊實(shí)。

2.4 β-葡聚糖復(fù)合凝膠質(zhì)構(gòu)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(fù)合凝膠的質(zhì)構(gòu)特性影響顯著。超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)合凝膠的硬度、內(nèi)聚性、彈性和咀嚼性高于熱誘導(dǎo)的。熱誘導(dǎo)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(dāng)β-葡聚糖濃度達(dá)到14%時(shí)，其硬度最大，為1.8 N，但顯著低于超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖凝膠(P<0.05)。此現(xiàn)象與前人[23]研究結(jié)果相似。學(xué)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(jià)鍵形成，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠承受的壓力越來越大。報(bào)道[25]指出，在酸乳中適當(dāng)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(huì)破壞酪蛋白的交聯(lián)，阻礙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建，引起抵抗外力性能變?nèi)?，從而?dǎo)致凝乳硬度、內(nèi)聚性都降低。

超高壓誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)/熱誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)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(dǎo)/熱誘導(dǎo)的β-葡聚復(fù)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(bào)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(jié)果與卡拉膠-魔芋膠復(fù)合凝膠[26]的彈性和咀嚼性變化趨勢相似。超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)合凝膠彈性高于熱誘導(dǎo)的，其結(jié)論與陸海霞等[27]研究結(jié)果一致。

2.5 β-葡聚糖復(fù)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(xué)變化，包括水和脂肪結(jié)晶、界面相轉(zhuǎn)變和生物大分子構(gòu)象改變及由此引起的連鎖反應(yīng)[28]，因此，探討β-葡聚糖復(fù)合凝膠凍融循環(huán)的持水性變化，對其應(yīng)用在冷凍食品中是非常有必要的。圖4顯示不同誘導(dǎo)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(dǎo)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(jié)合水，增強(qiáng)了持水性能[29]；但不同方法誘導(dǎo)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?yàn)樵诜磸?fù)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(luò)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)的β-葡聚糖凝膠的穩(wěn)定性略優(yōu)于熱誘導(dǎo)的。因此，超高壓誘導(dǎo)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(chǔ)存藥品的制備和研發(fā)提供一條有效的技術(shù)途徑。

圖4 超高壓誘導(dǎo)/熱誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)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(fù)合凝微觀結(jié)構(gòu)表征

將β-葡聚糖復(fù)合凝膠添加在酸奶中，改變了酸奶凝膠固有的微觀結(jié)構(gòu)，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(guān)，微孔越均勻越細(xì)小，其保水性越好[30]。由圖5可以看出，當(dāng)β-葡聚糖總濃度較低時(shí)(10%)，超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖凝膠表面較為光滑，而熱誘導(dǎo)的β-葡聚糖凝膠表面粗糙，不均勻。當(dāng)增加β-葡聚糖總濃度，超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖凝膠由簇狀轉(zhuǎn)化為團(tuán)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(dǎo)的β-葡聚糖凝膠表面較熱誘導(dǎo)的均勻、致密，孔洞較小且分布均勻。綜上所述，超高壓誘導(dǎo)的β-葡聚糖凝膠更加適合應(yīng)用在酸乳中。

圖5 超高壓誘導(dǎo)/熱誘導(dǎo)的β-葡聚糖復(fù)合凝膠的掃描電鏡Figure 5 SEM images of β-glucan mixed gel

3 結(jié)論

本試驗(yàn)系統(tǒng)分析了熱誘導(dǎo)和超高壓誘導(dǎo)制備的不同分子量的β-葡聚糖復(fù)合凝膠的性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示超高壓誘導(dǎo)制備的β-葡聚糖復(fù)合凝膠的凝膠強(qiáng)度、質(zhì)構(gòu)特征、微觀結(jié)構(gòu)以及持水性均優(yōu)于熱誘導(dǎo)制備的。此結(jié)論為推廣超高壓技術(shù)在多糖凝膠的制備方面以及優(yōu)化β-葡聚糖凝膠，擴(kuò)大其在食品中的應(yīng)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(fù)合凝膠的機(jī)理和應(yīng)用進(jìn)行深入研究。