顧賽麒，周琳卉，王蘇寧，周緒霞，丁玉庭

（浙江工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310014）

流體凝膠（fluid gel）是指一類具有流動(dòng)性、分散在非凝膠連續(xù)相（通常是水）中的膠凝顆粒懸浮液[1]，具有微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)控的特點(diǎn)，目前已作為藥物或益生菌的緩釋載體得到商業(yè)化應(yīng)用，同時(shí)，其也作為理想的脂肪替代物，在低能量食品市場(chǎng)中應(yīng)用潛力巨大[2]。常見的流體凝膠一般為多糖和蛋白的共混體系，向其中添加少量油脂可賦予體系更好的潤(rùn)滑感與穩(wěn)定性。多糖-蛋白-油脂復(fù)合體系經(jīng)不同程度的剪切力作用，其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，從而獲得具有不同流變特性的流體凝膠[3]。

多糖、蛋白、油脂是制備流體凝膠的三大類基料組分。變性淀粉中的乙酰化二淀粉磷酸酯（acetylated distarch phosphate，ADSP）具有抗熱、抗酸、抗老化等特點(diǎn)，與蛋白質(zhì)等大分子復(fù)合時(shí)，可吸附在顆粒上形成一個(gè)厚的吸附層，且保持足夠的構(gòu)象自由避免聚集，從而改善體系結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性[4]。水解明膠（hydrolysate gelatin，HG）擁有蛋白水解物的多種功能特性（如抗氧化及抗菌活性等）[5]。Hu等[6]發(fā)現(xiàn)水解蛋白可阻止多糖鏈內(nèi)分子結(jié)合和氫鍵的形成，可有效抑制淀粉多糖回生。Sunisa等[7]的研究表明水解明膠可減少蛋白質(zhì)鏈之間的相互作用，增加網(wǎng)絡(luò)體系的自由體積。大豆油（soybean oil，SO）為產(chǎn)量最大的植物油之一，在凝膠劑作用下可以發(fā)生結(jié)構(gòu)化，有助于流體凝膠內(nèi)部形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前，添加油脂的復(fù)合凝膠已作為脂肪替代物在奶酪方面成功應(yīng)用，產(chǎn)品穩(wěn)定性顯著提高[8]。

流體凝膠自身流動(dòng)性主要取決于靜電和疏水相互作用，該作用可通過調(diào)節(jié)pH及離子強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)[9]。Lopez等[10]發(fā)現(xiàn)中性偏酸性條件下體系內(nèi)電荷密度降低促進(jìn)了鏈間結(jié)合，從而有利于凝膠的形成；堿性條件下，氫氧根離子對(duì)變性淀粉有增溶作用，因此體現(xiàn)為抑制作用。Wang等[11]發(fā)現(xiàn)鈣離子可與多糖形成鈣橋，促進(jìn)凝膠的形成。此外，多糖-蛋白凝膠形成過程中常伴隨靜電相互作用，適當(dāng)鹽離子的加入能夠屏蔽靜電現(xiàn)象，以調(diào)整流體凝膠的流變特性。Basse等[12]發(fā)現(xiàn)離子濃度為0.5 mol/L時(shí)，對(duì)凝膠形成和凝膠彈性的促進(jìn)作用遠(yuǎn)大于0.8 mol/L。因此，流體凝膠具有豐富的機(jī)械性能及流變學(xué)行為，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化工等領(lǐng)域。

本文采用魔芋膠、乙?；矸哿姿狨?、水解明膠和大豆油為主要基料，以不同pH、氯化鈣濃度等條件制備復(fù)合流體凝膠（KGM-ADSP-HG-SO，KAHS），基于正交試驗(yàn)確定其最優(yōu)制備工藝，并對(duì)三種不同水平的復(fù)合流體凝膠自身特性進(jìn)行比較分析，旨在為研發(fā)新型流體凝膠的制備工藝提供方法借鑒。

1 材料及方法

1.1 材料與儀器

魔芋膠（食品級(jí)） 湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司；乙酰化二淀粉磷酸酯（食品級(jí)） 臨沂市富興變性淀粉廠；大豆油（食品級(jí)） 益海嘉里食品營(yíng)銷有限公司；無(wú)水檸檬酸鈉（食品級(jí)） 北京鼎國(guó)昌盛生物科技有限責(zé)任公司；骨膠原蛋白肽（食品級(jí)，2000 Da） 包頭東寶生物技術(shù)股份有限公司；分子蒸餾單甘酯 陜西晨明生物科技有限公司；磷酸、十二烷基硫酸鈉（SDS）、尿素 均為分析純，北京鼎國(guó)昌盛生物科技有限責(zé)任公司。

FA25高速分散機(jī) 上海Fluko流體機(jī)械制備有限公司；UV762紫外可見分光光度計(jì) 上海儀電分析儀器有限公司；CR21GⅡ高速離心機(jī) 日本日立公司；TA-XT Plus質(zhì)構(gòu)儀 英國(guó)Stable Micro System公司；Ultra Scan色差儀 美國(guó)Hunter Lab公司；MCR302流變儀 奧地利安東帕有限公司；TG209F1熱重儀 德國(guó)NETISCH；Q100型差示掃描量熱儀

美國(guó)TA公司；PHS-3 C pH計(jì) 上海精密科學(xué)儀器有限公司；DHG-9070型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 多元復(fù)合流體凝膠的制備 分子蒸餾單甘酯與大豆油按質(zhì)量比1:20混合，高溫加熱至完全溶解作為油相備用；稱取各物料并將其分散于一定濃度的氯化鈣溶液中，使用0.1 mol/L鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH，攪拌形成均勻水相。將油水兩相混合低速剪切3 min，后于90 ℃水浴加熱；待完全水合后于2000 r/min剪切20 min，靜置冷卻至室溫后重復(fù)剪切20 min，最終制得樣品，并于4 ℃冷藏保存。

1.2.2 單因素實(shí)驗(yàn) 采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，依次考察不同基料添加量對(duì)制備流體凝膠的影響，保持pH 6.5，氯化鈣濃度0.2 mol/L：保持魔芋膠4%，水解明膠6%，大豆油8%不變，考察不同乙酰化二淀粉磷酸酯添加量（0、2%、4%、6%、8%、10%）對(duì)凝膠特性的影響；保持魔芋膠4%，乙酰化二淀粉磷酸酯6%，大豆油8%不變，考察不同水解明膠添加量（0、2%、4%、6%、8%、10%）對(duì)凝膠特性的影響；保持魔芋膠4%，乙?；矸哿姿狨?%，水解明膠6%不變，考察不同大豆油添加量（0、2%、4%、6%、8%、10%）對(duì)凝膠特性的影響；

保持魔芋膠4%，乙?；矸哿姿狨?%，水解明膠6%，大豆油8%，氯化鈣濃度為0.2 mol/L不變，考察不同pH（3、4、5、6、7、8、9、10）對(duì)凝膠特性的影響；保持魔芋膠4%，乙?；矸哿姿狨?%，水解明膠6%，大豆油8%，pH6.5不變，考察不同氯化鈣濃度（0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mol/L）對(duì)凝膠特性的影響。

1.2.3 正交試驗(yàn) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按表1設(shè)計(jì)進(jìn)行正交試驗(yàn)。為消除不同指標(biāo)間的量綱差異，同時(shí)對(duì)凝膠強(qiáng)度、質(zhì)量損失率與感官評(píng)定指標(biāo)進(jìn)行離差標(biāo)準(zhǔn)化（min-max normalization，MMN），將三者標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值分別乘以各自權(quán)重系數(shù)（0.4、0.3和0.3，由學(xué)校和企業(yè)專家共同開會(huì)討論決定）后進(jìn)行加和，其和值即為綜合評(píng)分（Y）。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and level tables of orthogonal experiment

1.2.4 質(zhì)構(gòu)特性及凝膠強(qiáng)度測(cè)定 將上述流體凝膠置于直徑6 cm、高度10 cm的圓柱型孔板中，樣品表面均勻且高度保持一致，置于室溫下平衡30 min后，使用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定。質(zhì)構(gòu)測(cè)定采用TPA模式，參數(shù)設(shè)定如下：探頭P/0.5，測(cè)定前、中、后速度均為1 mm/s，觸發(fā)力5 g，應(yīng)變50%，進(jìn)行兩次壓縮，兩次壓縮時(shí)間間隔為4 s，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定6次；凝膠強(qiáng)度測(cè)定選擇相同模式，參數(shù)設(shè)定如下：探頭：P/5S，測(cè)試前中后速度均為1 mm/s，觸發(fā)力5 g，應(yīng)變50%，每個(gè)樣品平行測(cè)定15次。

1.2.5 感官評(píng)定 評(píng)定方法依據(jù)于學(xué)萍等[13]、潘治利等[14]的感官評(píng)定法并稍作修改，邀請(qǐng)15位感官評(píng)定經(jīng)驗(yàn)豐富食品專業(yè)人員（7男8女，平均年齡23歲）對(duì)流體凝膠的擠出流暢性、組織狀態(tài)、色澤和涂抹性進(jìn)行綜合評(píng)分，感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 感官評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Sensory evaluation criteria

1.2.6 動(dòng)態(tài)流變特性 采用MCR302流變儀測(cè)量流體凝膠的剪切流變性。藥匙取20 mL流體凝膠均勻分散于平板上。緩慢降低上板（直徑75 mm），兩個(gè)平行板間隙閉合至1 mm。動(dòng)態(tài)振蕩模式實(shí)驗(yàn)：先進(jìn)行應(yīng)變掃描，應(yīng)變掃描范圍為0.1%～100%，固定頻率1 Hz，以此確定線性粘彈區(qū)。25 ℃恒溫下，確定1%應(yīng)變后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)頻率掃描，頻率掃描范圍為0.1～100 Hz，測(cè)定儲(chǔ)能模量（G'）和損耗模量（G''）頻率函數(shù)曲線。

1.2.7 質(zhì)量損失率 稱取5 g流體凝膠置于離心管中，于4 ℃、10000 r/min條件下離心20 min后，棄去上清液，分別對(duì)空離心管、離心前后帶凝膠的離心管進(jìn)行稱重，分別記其質(zhì)量為m1、m2和m3，凝膠質(zhì)量損失率按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

1.2.8 差示掃描量熱分析 稱取20 mg流體凝膠，放入40 μL氧化鋁坩堝底部后密封，在流速為20 mL/min氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將坩堝置于差示掃描量熱儀中進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定溫度范圍為?50～60 ℃，升溫速率為10 ℃/min，進(jìn)行差示掃描量熱法（differential scanning calorimeter，DSC）分析。水分形態(tài)分析[15]：可凍結(jié)水（Wf）含量通過樣品在0 ℃附近的焓變（ΔH）計(jì)算得出，見公式（2）。非凍結(jié)水含量（Wnf）由總水分含量（EWC）減去可凍結(jié)水含量（Wf）可得，見公式（3），EWC按GB 5009.3-2016《食品中水分的測(cè)定》的方法進(jìn)行測(cè)定。

其中：ΔH為復(fù)合凝膠DSC測(cè)得吸熱峰面積計(jì)算的單位質(zhì)量焓變（J/g）；ΔH0為純水的單位質(zhì)量焓變（J/g），334.00 J/g。

1.2.9 熱穩(wěn)定性 稱取20 mg樣品于熱重分析儀中，采用高純氮?dú)鉃檩d氣，氣體流量為30 mL/min，以10 ℃/min的速度將樣品從25 ℃加熱至600 ℃，對(duì)樣品進(jìn)行熱重（thermogravimetry，TG）和熱重微分（thermogravimetric differential，DTG）測(cè)定。

1.2.10 分子相互作用力 參考金楊等[16]的方法，并加以調(diào)整。將試驗(yàn)樣品分別與純水、0.6 mol/L氯化鈉、0.6 mol/L脲、0.6 mol/L十二烷基硫酸鈉溶液以1:10（wt%）混合攪拌。室溫靜置平衡30 min后采用1.2.4質(zhì)構(gòu)測(cè)定方法，測(cè)定實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組（純水組）之間凝膠硬度變化，通過凝膠硬度變化值表征靜電作用力、氫鍵、疏水相互作用大小。

1.2.11 傅里葉變換紅外光譜 采用傅里葉變換紅外光譜（fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR）對(duì)復(fù)合凝膠進(jìn)行分析。分別稱取2 mg冷凍干燥后的凝膠粉末與200 mg溴化鉀混勻、研磨、壓片進(jìn)行全波段掃描。FTIR測(cè)試條件：波長(zhǎng)4000～400 cm?1，分辨率4 cm?1，溫度25 ℃，掃描32次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 22.0軟件和Origin 2018軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，采用多重比較法中的最小顯著差法（least significant difference, LSD），且P<0.05判定為顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 基料組分對(duì)多元復(fù)合流體凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響 物料不同添加量對(duì)復(fù)合流體凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響如表3所示。隨著乙?；矸哿姿狨サ脑黾?，凝膠硬度、粘著性總體呈上升趨勢(shì)，添加量最大與添加量為0%時(shí)相比，凝膠硬度和粘度增幅分別為194.70%、225.81%。由于乙酰化二淀粉磷酸酯具有磷酸酯基團(tuán)，增大了淀粉膨潤(rùn)率使之充分吸收水分，支撐凝膠體系，從而提高凝膠的質(zhì)構(gòu)特性[17]。相比添加量為0時(shí)，當(dāng)水解明膠添加量為10%時(shí)，凝膠硬度、粘著性、內(nèi)聚性及膠著性均呈下降趨勢(shì)，凝膠硬度和粘著性降幅較大，分別達(dá)25.84%、42.90%，這可能與水解明膠肽鏈的靜電相互作用和空間排斥力不平衡有關(guān)。隨著水解明膠添加量的增加，凝膠彈性變化不顯著（P>0.05），表明水解明膠添加量對(duì)凝膠彈性指標(biāo)影響較小。上述結(jié)果與王煜桐等[18]和Mirzapour等[19]報(bào)道的凝膠質(zhì)構(gòu)特性隨水解明膠添加量變化的趨勢(shì)一致。粘著性隨大豆油的增加顯著下降（P<0.05），凝膠硬度則先上升后下降。當(dāng)大豆油含量為8%時(shí)，凝膠硬度達(dá)到最大值（93.49 g）?？赡苁谴蠖褂团c凝膠基質(zhì)相互作用充當(dāng)活性填充劑，減少了凝膠基質(zhì)內(nèi)顆粒的間隙，提高了蛋白凝膠的硬度，但高濃度大豆油（10%）會(huì)導(dǎo)致硬度下降，可能是由于油滴的聚集行為破壞了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Jiao等[20]研究發(fā)現(xiàn)添加3%魚油，魚糜凝膠硬度有所增加，而進(jìn)一步添加則會(huì)導(dǎo)致凝膠硬度降低。

2.1.2 基料組分對(duì)多元復(fù)合流體凝膠感官評(píng)價(jià)的影響 由表4可知，隨著乙?；矸哿姿狨ヌ砑恿康脑黾樱黧w凝膠的擠出流暢性、組織狀態(tài)和涂抹性得分均先上升后下降，可能是凝膠分子間交聯(lián)作用增大，促使凝膠硬度增強(qiáng)（表3）。當(dāng)乙?；矸哿姿狨ヌ砑恿看笥?%時(shí)，復(fù)合凝膠擠出困難且表面粗糙，添加量為6%時(shí)，流體凝膠組織狀態(tài)最好，總體感官得分最高。增加水解明膠添加量，凝膠擠出流暢性和涂抹性增強(qiáng)，組織狀態(tài)及感官總分先增加后減小。綜合考慮，為避免水解明膠對(duì)復(fù)合凝膠破壞性過大并同時(shí)改善復(fù)合凝膠流動(dòng)性，應(yīng)控制其添加量約為6%。不同大豆油添加量對(duì)流體凝膠的擠出流暢性、色澤和涂抹性差異并不顯著，但對(duì)組織狀態(tài)評(píng)分呈顯著差異。組織狀態(tài)評(píng)分先上升后下降，可能是由于適量的大豆油可增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度，但過量的大豆油會(huì)從網(wǎng)絡(luò)孔隙中流出，導(dǎo)致凝膠表面析油嚴(yán)重，塌陷程度變大，組織狀態(tài)均一性變差[21]。表3中凝膠性能變化趨勢(shì)也印證了上述觀點(diǎn)。因此，大豆油添加量為8%左右，可有效緩解大豆油析油和組織狀態(tài)均一性較差的現(xiàn)象，且具有總體最佳感官體驗(yàn)。

表3 添加不同基料組分制得多元復(fù)合流體凝膠質(zhì)構(gòu)特性Table 3 Determination of the texture index of multiple composite fluid gel prepared by adding different base components

表4 添加不同基料組分制得多元復(fù)合流體凝膠感官評(píng)價(jià)結(jié)果（分）Table 4 Sensory evaluation results of multiple composite fluid gel prepared by adding different base components (score)

2.1.3 基料組分對(duì)多元復(fù)合流體凝膠流變特性的影響 多元復(fù)合流體凝膠動(dòng)態(tài)流變特性須在線性粘彈區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。線性粘彈區(qū)是指復(fù)合模量G'不隨應(yīng)變而變化的區(qū)域[22]。由應(yīng)變掃描曲線（圖1）可知，選取應(yīng)變?yōu)?%能確保所施加的應(yīng)變不會(huì)破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。動(dòng)態(tài)流變學(xué)考察了不同樣品的變化趨勢(shì)，儲(chǔ)能模量G'表示形變可逆且貯存能量的彈性性質(zhì)，損耗模量G''表示形變不可逆而能量損耗的粘性性質(zhì)[23]。分析圖1可知，各組樣品G'均大于G''，即體系以彈性性能為主。G'和G''均隨頻率增加而增大，且呈頻率依賴性，說明體系具有典型的弱凝膠特性。G'和G''隨乙?；矸哿姿狨ヌ砑恿吭黾佣龃螅?dāng)添加量為10%時(shí)，G'和G''達(dá)到最大值（圖1B）。說明該流體凝膠在乙?；矸哿姿狨プ饔孟?，分子間網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)程度顯著增加。這與修琳等[24]研究的多糖蛋白凝膠儲(chǔ)能與損耗模量均隨淀粉增加而增加的趨勢(shì)相似。隨水解明膠的添加，G'和G''均呈下降趨勢(shì)。水解明膠添加量為10%時(shí)，流動(dòng)性最強(qiáng)，G'和G''則降至最低值（圖1D）。張煒杰等[25]發(fā)現(xiàn)水解明膠的小分子鏈起潤(rùn)滑作用，減少了分子間流動(dòng)時(shí)的摩擦力，宏觀表現(xiàn)為粘度降低，流動(dòng)性增加。由圖1F可知，大豆油添加量為8%時(shí)，G'和G''最大；當(dāng)添加量大于8%，G'和G''開始下降，可能是復(fù)合凝膠大分子間相分離，形成不同相的濃度差，導(dǎo)致體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)出現(xiàn)差異。這與凝膠質(zhì)構(gòu)特性變化（表3）相呼應(yīng)。Wu等[26]發(fā)現(xiàn)復(fù)合凝膠中添加的油脂可作為活性填充劑能與基質(zhì)作用，能增強(qiáng)儲(chǔ)能模量及凝膠強(qiáng)度。三種基料物質(zhì)隨著頻率增加，儲(chǔ)能模量與損耗模量始終呈緩慢增加的變化趨勢(shì)，說明該凝膠體系穩(wěn)定性較強(qiáng)。由圖1B可知，在頻率接近100 Hz時(shí)，乙?；矸哿姿狨ソM的模量變化最小，說明該淀粉對(duì)體系穩(wěn)定性可能有一定的促進(jìn)作用。

圖1 添加不同基料組分制得多元復(fù)合流體凝膠動(dòng)態(tài)流變特性Fig.1 Dynamic rheological properties of multiple composite fluid gel prepared by adding different base components

2.1.4 pH和氯化鈣濃度對(duì)多元復(fù)合流體凝膠穩(wěn)定性的影響 質(zhì)量損失率和凝膠強(qiáng)度能反映凝膠穩(wěn)定性及凝膠性能，可直觀地評(píng)價(jià)凝膠品質(zhì)和質(zhì)量。凝膠質(zhì)量損失率與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，質(zhì)量損失率越低。由圖2A可知，凝膠強(qiáng)度隨pH升高先增加后減小，當(dāng)pH為6時(shí)，凝膠強(qiáng)度最大（98.23 g）。由于pH靠近水解凝膠等電點(diǎn)時(shí)，分子間靜電斥力降低且氫鍵生成，促使凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成和成長(zhǎng)；反之，當(dāng)pH遠(yuǎn)離其等電點(diǎn)時(shí)，分子鏈展開，分子相互靠近較困難，凝膠強(qiáng)度減弱[27]。觀察圖2A可知，復(fù)合流體凝膠質(zhì)量損失率與凝膠強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)，質(zhì)量損失率越小。質(zhì)量損失主要是由于析油現(xiàn)象，大豆油填充于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)凝膠三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越緊密，凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)，對(duì)大豆油的束縛力也越強(qiáng)，從而降低了復(fù)合流體凝膠的質(zhì)量損失率。

圖2B顯示，不同氯化鈣濃度影響下，復(fù)合流體凝膠的凝膠強(qiáng)度和質(zhì)量損失率均有一定的差異。隨著鹽濃度的增加，凝膠強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，質(zhì)量損失率變化趨勢(shì)與之相反。當(dāng)氯化鈣濃度為0.4 mol/L時(shí)，凝膠強(qiáng)度升至最大值（118.31 g），質(zhì)量損失率降至最小值（1.4%）。Cao等[28]發(fā)現(xiàn)由于鈣離子對(duì)多糖-蛋白凝膠中的帶電物質(zhì)能產(chǎn)生靜電屏蔽效應(yīng)。因此，適當(dāng)添加鈣離子能顯著提高凝膠強(qiáng)度（P<0.05），但過量鹽離子將中和體系的負(fù)電荷，使凝膠之間斥力減弱，形成的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)也隨之減少，凝膠強(qiáng)度降低[29]。適量鈣離子可使多糖凝膠體系孔徑變小、孔徑數(shù)量增加，提高體系持水性和凝膠強(qiáng)度，但過量鈣離子則導(dǎo)致凝膠相分離[30]。

圖2 不同pH和氯化鈣濃度對(duì)多元復(fù)合流體凝膠強(qiáng)度和質(zhì)量損失率的影響Fig.2 Effects of different pH and calcium chloride concentration on gel strength and mass loss rate of multiple composite fluid gels

2.2 正交試驗(yàn)確定最優(yōu)配方工藝

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇乙酰化二淀粉磷酸酯、水解明膠及大豆油添加量，氯化鈣濃度及pH作為考察對(duì)象，采用5因素4水平方法，以綜合評(píng)分（Y）為指標(biāo)，按照L16（45）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)結(jié)果見表5，方差分析結(jié)果見表6。由表5可知，復(fù)合凝膠為KAHS-5組和KAHS-14組綜合評(píng)分較高，分別為0.76和0.83。經(jīng)離差標(biāo)準(zhǔn)化分析可知，各因素對(duì)粘彈性流體凝膠影響程度依次為B>A>E>C>D，且D為不顯著因素，理論最佳配方為A4B2C3D3E2，即乙酰化二淀粉磷酸酯6.5%、水解明膠5.5%、大豆油8%、pH6.5、氯化鈣0.35 mol/L。經(jīng)外部重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證三次后，其綜合評(píng)分高達(dá)0.98±0.01，故可將其定義為“最優(yōu)組”，記為KAHSS-H。觀察表5，基于綜合評(píng)分高低，從中進(jìn)一步篩選出綜合評(píng)分最低的KAHS-4組（為0.01），以及綜合評(píng)分居中的KAHS-7組（為0.57），將其分別定義為“最低組”和“中間組”，依次記為KAHS-4-L和KAHS-7-M。本研究后續(xù)對(duì)三組不同配方復(fù)合凝膠（最低組、中間組和最優(yōu)組）的熱穩(wěn)定性進(jìn)行比較分析，并初步探討其內(nèi)在機(jī)制。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The results of orthogonal test

表6 基于綜合評(píng)分的正交試驗(yàn)方差分析Table 6 The variance analysis of orthogonal test based on comprehensive score

2.3 不同綜合評(píng)分等級(jí)的多元復(fù)合流體凝膠熱穩(wěn)定性分析

圖3A為復(fù)合流體凝膠差示掃描量熱圖，各組凝膠樣品的譜峰反映其熱焓變化。復(fù)合凝膠最低組（KAHS-4-L）、中間組（KAHS-7-M）和最優(yōu)組（KAHS-S-H）譜圖相似，?20～0 ℃之間均有一個(gè)較寬的吸收峰，表明復(fù)合凝膠中可凍結(jié)水在升溫過程中發(fā)生了焓變，故可知體系中可凍結(jié)水和非凍結(jié)水含量。通過分析焓變可知，三組復(fù)合凝膠中最優(yōu)組可凍結(jié)水含量最低（8.22%），非凍結(jié)水含量最高（50.33%）。

圖3B結(jié)果顯示，最低組、中間組、最優(yōu)組三組熱解最終固體殘留物分別為13.41%、13.66%、14.51%，且最優(yōu)組熱重曲線總體位于其他兩組上方，表明最優(yōu)組凝膠熱穩(wěn)定性最好。DTG曲線顯示（圖3C），三組樣品均出現(xiàn)3個(gè)明顯的失重峰，表明其熱分解主要分為三階段：第一階段（30～200 ℃），此階段凝膠體系開始失去自由水和中間水，由于最優(yōu)組的自由水與親水基團(tuán)緊密結(jié)合，形成的非凍結(jié)結(jié)合水使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，故第一階段最優(yōu)組失重速率小于其他兩組；第二個(gè)階段（200～300 ℃），主要失去非凍結(jié)水，體系中親水基團(tuán)的結(jié)合水脫除及凝膠側(cè)鏈上的氫鍵受熱斷裂分解；最后階段（300～600 ℃），主要是凝膠體系大分子鏈的分解。凝膠體系熱穩(wěn)定性與分子作用力有關(guān)，根據(jù)圖3結(jié)果推測(cè)，最優(yōu)組凝膠分子作用力可能顯著強(qiáng)于另外兩組。

圖3 不同綜合評(píng)分等級(jí)的多元復(fù)合流體凝膠熱穩(wěn)定性分析結(jié)果Fig.3 Thermal stability analysis results of multiple composite fluid gels with different comprehensive scoring grades

由表7可知，三組復(fù)合凝膠的熔融峰起點(diǎn)均小于0 ℃。根據(jù)“三態(tài)水”模型可知，當(dāng)復(fù)合凝膠達(dá)到溶脹平衡時(shí)，可凍結(jié)中間水含量較低，其熔融峰被自由水掩蓋、疊加[31]。同時(shí)，復(fù)合凝膠吸收峰溫度有所偏移，且吸收峰溫度最優(yōu)組<中間組<最低組，即最優(yōu)組冰點(diǎn)溫度最低。結(jié)合焓變結(jié)果可知，最優(yōu)組中水分子有生成更多氫鍵的可能，以形成類似“籠形”的“聚集體”，增強(qiáng)凝膠網(wǎng)絡(luò)與水分子之間作用力，將更多水分子禁錮在復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)中，使不易流動(dòng)的水流動(dòng)性變差、冰點(diǎn)下降，吸熱峰的峰值向低溫區(qū)移動(dòng)。綜上分析，最優(yōu)組持水能力比最低組和中間組強(qiáng)。

表7 不同綜合評(píng)分等級(jí)的多元復(fù)合流體凝膠水分分布狀態(tài)Table 7 Moisture distribution of multiple composite fluid gels with different comprehensive scoring grades

2.4 不同綜合評(píng)分等級(jí)的多元復(fù)合流體凝膠分子間作用力分析

復(fù)合流體凝膠需要一定分子間作用力來維持凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)，作用力類型可能為靜電作用、氫鍵、疏水作用等。本研究通過添加對(duì)凝膠有不同破壞作用的試劑來確定分子間作用力類型。氯化鈉主要削弱靜電作用，但對(duì)氫鍵作用無(wú)影響；脲則破壞氫鍵作用，且不會(huì)削弱靜電作用；SDS則破壞疏水作用。通過以上破壞力間接判斷分子間作用力大小[32]。圖4A反映不同試劑作用后，與對(duì)照組相比凝膠硬度的變化值來表征相互作用力大小。各組凝膠分子間作用力主要是疏水作用力，氫鍵和靜電作用力相對(duì)較弱，說明疏水作用力是凝膠體系中維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要因素，且最優(yōu)組疏水作用力最高。一方面，可能因?yàn)閺?fù)合凝膠暴露大量疏水性氨基酸殘基，顯著增強(qiáng)了分子間疏水相互作用；另一方面，疏水作用力是維持魔芋膠三維結(jié)構(gòu)的主要作用力，90 ℃熱誘導(dǎo)后，疏水作用力提高[33]。李曉飛等[34]研究發(fā)現(xiàn)的溫度降低會(huì)使凝膠體系疏水作用力減弱，側(cè)面印證了此觀點(diǎn)。同時(shí)，最優(yōu)組氫鍵比其他兩組強(qiáng)。綜上所述，最優(yōu)組分子作用力相對(duì)最強(qiáng)，與上述結(jié)論中最優(yōu)組熱穩(wěn)定性較強(qiáng)的現(xiàn)象相呼應(yīng)。

FTIR是用于研究分子結(jié)構(gòu)的常用手段，根據(jù)光譜圖中振動(dòng)譜帶的強(qiáng)度、寬度和出峰位置等信息，可從分子水平分析高聚物的構(gòu)象變化。觀察圖4B可知，最低組、中間組、最優(yōu)組三組凝膠樣品具有相似的紅外光譜，表明三組復(fù)合凝膠均沒有生成新官能團(tuán)，最低組、中間組、最優(yōu)組分別在3238.48、3235.55、3233.12 cm?1附近出現(xiàn)較大峰，且凝膠發(fā)生紅移，分子間O-H氫鍵伸縮振動(dòng)，與分子內(nèi)和分子間的氫鍵作用有關(guān)。O-H氫鍵伸縮振動(dòng)向低波數(shù)方向移動(dòng)，分子間鍵能增強(qiáng)[35]，表明最優(yōu)組氫鍵大于其他兩組，這與分子作用力結(jié)論相互印證。

圖4 不同綜合評(píng)分等級(jí)的多元復(fù)合流體凝膠分子間作用力分析結(jié)果Fig.4 Intermolecular force analysis results of multiple composite fluid gels with different comprehensive scoring grades

3 結(jié)論

本研究創(chuàng)制了一種新型多元流體凝膠體系。隨著乙?；矸哿姿狨ズ痛蠖褂吞砑恿康纳撸摿黧w凝膠的硬度、儲(chǔ)能模量及損耗模量呈遞增趨勢(shì)，表明加入乙?；矸哿姿狨ズ痛蠖褂湍軌蛟鰪?qiáng)復(fù)合凝膠相互作用力和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。然而，隨著水解明膠添加量的升高，上述指標(biāo)呈相反趨勢(shì)。通過正交試驗(yàn)確定了復(fù)合凝膠的最優(yōu)工藝配方：6.5%乙酰化二淀粉磷酸酯、5.5%水解明膠和8%大豆油，保持pH及氯化鈣濃度分別為6.5、0.35 mol/L。熱重及差示掃描量熱結(jié)果顯示，最優(yōu)組復(fù)合凝膠的熱穩(wěn)定及持水性最佳，凝膠分子間作用力主要為疏水作用力，其次為氫鍵和靜電作用力，且最優(yōu)組復(fù)合凝膠的氫鍵和疏水作用力最強(qiáng)。傅里葉紅外光譜結(jié)果同樣表明，最優(yōu)組復(fù)合凝膠的氫鍵鍵能高于最低組和中間組。為制備新型多元流體凝膠提供了基礎(chǔ)研究。