韓揚(yáng)，宗緒巖，趙海鋒，李麗*

（1.四川輕化工大學(xué)生物工程學(xué)院，四川宜賓 644000）（2.華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東廣州 510641）

魔芋粉的主要功能成分是魔芋葡甘露聚糖（konjac glucomannan，KGM），而KGM是一類具有高分子量的水溶性、中性植物多糖，它來自于生長在稀林下的魔芋塊莖[1-3]。因其具有獨特的代謝控制和膠凝能力，已被廣泛應(yīng)用于魔芋豆腐、仿生食品等凝膠化食品中[4,5]，這些凝膠化食品主要是在加熱和強(qiáng)堿性條件下形成的。此外，魔芋還具有抗高血糖和高膽固醇血癥活性[6]、通便[7]、減肥[8]以及開胃等作用。由于低熱量、口感好和飽腹感強(qiáng)，魔芋凝膠食品在市場上越來越受歡迎。

近年來，研究證實引入KGM確實能夠改善單一淀粉體系無法實現(xiàn)的功能屬性。劉曉慶等[9]向豌豆淀粉凝膠中引入改良劑（魔芋粉）能明顯增加混合體系黏度，降低凝膠化焓值。王勇等[10]、Ning等[11]、Ma等[12]發(fā)現(xiàn)KGM/玉米淀粉混合后具有協(xié)同增效的作用，主要表現(xiàn)在隨KGM添加量增大，KGM/玉米淀粉混合物黏稠性增大，假塑性和粘彈性顯著增強(qiáng)。龍明秀等[13]研究表明魔芋膠的加入能顯著抑制甘薯淀粉的長期回生。Fang[14]發(fā)現(xiàn)在10.00%m/m糯馬鈴薯淀粉（WPS）中加入1.00%m/mKGM加速了剪切誘導(dǎo)凝膠的形成，促進(jìn)了WPS分子間雙螺旋的形成。

在前期試驗中發(fā)現(xiàn)純魔芋凝膠確實存在硬度較低、堿味重和冷凍-解凍過程易脫水收縮等問題，為改善其凝膠品質(zhì)和滿足仿生素食行業(yè)需求，將不同淀粉引入到魔芋凝膠體系中，最終發(fā)現(xiàn)綠豆淀粉的添加對魔芋凝膠特性的影響最大。而綠豆淀粉較其他類型淀粉具有直鏈淀粉含量高[15,16]，凝膠效果好[17]，凝膠制品色澤、口感和持水性能好而受到消費(fèi)者和生產(chǎn)商的喜愛。

因此，為改善純魔芋凝膠存在的不足并進(jìn)一步探究添加綠豆淀粉對魔芋凝膠內(nèi)部性能的變化，本研究以硬度和持水力為評價指標(biāo)，通過單因素和正交試驗制備綠豆淀粉魔芋凝膠基體，以差式掃描量熱儀（DSC）、傅立葉紅外光譜（FT-IR）、掃描電鏡（SEM）和X-射線衍射（XRD）等分析方式研究添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠基體的變化，為應(yīng)用綠豆淀粉魔芋凝膠基體快速生產(chǎn)仿生素食提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料

魔芋粉（2A級），宜昌維特魔芋膠有限責(zé)任公司；綠豆淀粉，新鄉(xiāng)良潤全谷物食品有限公司；食用純堿（食品級），日照金禾博源生化有限公司；檸檬酸（食品級），天津渤化永利化工股份有限公司

1.2 主要儀器設(shè)備

數(shù)顯恒溫六孔水浴鍋，寧波市鄞州群安實驗儀器有限公司；CP124C電子分析天平，梅特勒-托利多儀器上海有限公司；DW-25L300低溫保存箱，澳柯瑪股份有限公司；RT16000C臺式高速冷凍離心機(jī)，上海容威儀器有限公司；SCIENTZ-10N冷凍干燥機(jī)，寧波新芝生物科技有限公司；TA.XT2i型物性測定儀，英國Stable Micro System公司；差示掃描量熱儀，德國耐馳公司；掃描電子顯微鏡，捷克Tesan公司；D2 PHASER X射線衍射儀，德國布魯克公司；傅立葉紅外光譜儀，美國Thermo Fisher公司。

1.3 試驗方法

1.3.1 復(fù)合凝膠制備工藝流程

食用純堿、淀粉→加水混合（80 ℃）→攪拌均勻→魔芋粉→攪拌均勻→室溫靜置溶脹→煮沸→冷卻→冷凍→解凍→檸檬酸浸泡→擦干表面水分→成品

1.3.2 試驗設(shè)計

固定5.00%魔芋粉含量進(jìn)行單因素和正交試驗，其中堿含量為魔芋粉含量的百分?jǐn)?shù)。在單因素試驗得出最佳溶脹時間1.50 h和檸檬酸浸泡濃度為0.50% （m/V）的基礎(chǔ)上，選定硬度和持水力為評價指標(biāo)，以淀粉量、堿含量和冷凍時間為考察因素，每個因素三個水平，采用L9(3)3進(jìn)行正交優(yōu)化，得出綠豆淀粉魔芋凝膠最優(yōu)工藝。正交試驗設(shè)計見表1。

表1 綠豆淀粉魔芋凝膠正交設(shè)計表 Table 1 Orthogonal design table of mung bean starch konjac gel

1.3.3 魔芋凝膠指標(biāo)的測定方法

1.3.3.1 質(zhì)構(gòu)特性測定

復(fù)合凝膠采用SMS P/0.5探頭進(jìn)行TPA測試。運(yùn)行參數(shù)包括[18]：測前速度2.00 mm/s，接觸壓力5.00 g，測試中后速度均為1.00 mm/s，變形量50.00%，間隔時間2.00 s。

1.3.3.2 持水性能測定

稱取一定質(zhì)量的復(fù)合凝膠吸干表面水分，用濾紙包裹住凝膠樣品放置于50 mL離心管中，配平后于5000 r/min離心15 min[19]，離心前的凝膠質(zhì)量記為m1，離心后的凝膠質(zhì)量記為m2，持水力（Water holding capacity，WHC）計算公式如下所示：

1.3.3.3 水分含量測定 參照GB 5009.3-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中水分的測定》直接干燥法。

1.3.3.4 共晶點測定

通過差式掃描量熱儀（DSC）測定魔芋凝膠共晶點。將約10.00 mg的魔芋凝膠密封在鋁盤中，以空密封盤為參照，在0 ℃～-40 ℃溫度范圍內(nèi)以5 ℃/min的冷卻速率進(jìn)行降溫，得到魔芋凝膠共晶點。共晶點為DSC曲線中共晶峰的起始溫度，該溫度是曲線下降的峰斜率的C輔助線與基線的交點[20]。

1.3.3.5 傅立葉紅外光譜測定

根據(jù)Ye等[21]方法加以修改，將真空冷凍干燥后的魔芋凝膠充分研磨和篩分（100目），將樣品室溫保存在玻璃干燥器中24 h以達(dá)到水分平衡。用瑪瑙研缽將干燥樣品與KBr按1:100（m/m）研磨，用紅外光譜儀在400～4000 cm-1波長范圍內(nèi)掃描測定。

1.3.3.6 XRD測定

將冷凍干燥樣品存放于干燥器中進(jìn)行X-射線衍射測定，測定條件為：管電壓30 kV、管電流10 mA，衍射角2θ變化范圍為5～90 °，步長為0.02 °，掃描速率為12 °/min，相對結(jié)晶度由計算軟件直接得出。

1.3.3.7 掃描電鏡測定

稱取4.00 mg凍干魔芋凝膠樣品，噴金10 min，最大加速電壓15 kV，在500×下觀察魔芋凝膠表面形貌[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 26、Origin 2018和Excel軟件對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 純魔芋凝膠TPA指標(biāo)相關(guān)性分析

2.2 正交試驗結(jié)果

為簡化TPA測試結(jié)果的分析指標(biāo)，對純魔芋凝膠TPA數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)性分析，TPA測試條件均在室溫條件下進(jìn)行。由表2可知純魔芋凝膠硬度與彈性、內(nèi)聚性、膠黏性、咀嚼性和回復(fù)性均呈正相關(guān)，表明魔芋凝膠硬度越大，彈性、內(nèi)聚性、膠黏性、咀嚼性和回復(fù)性數(shù)值也越大。而魔芋凝膠咀嚼性和膠黏性由硬度相關(guān)公式計算得出，彈性、回復(fù)性和內(nèi)聚性分別反映了魔芋凝膠形變后恢復(fù)的程度、形變后恢復(fù)的能力以及內(nèi)部結(jié)合力的大小。對魔芋凝膠來講，TPA測試指標(biāo)數(shù)值越大，凝膠狀態(tài)和品質(zhì)越好，這與雷雯等[23]發(fā)現(xiàn)以魔芋豆腐硬度表征全質(zhì)構(gòu)特性研究結(jié)果一致。因此，后續(xù)試驗采用硬度值表征其他TPA測試結(jié)果以體現(xiàn)魔芋凝膠全質(zhì)構(gòu)特性，從而進(jìn)一步分析凝膠品質(zhì)。

表2 純魔芋凝膠各TPA指標(biāo)相關(guān)性分析 Table 2 Correlation analysis of TPA indexes of pure konjac gel

以表2簡化TPA指標(biāo)可得正交試驗結(jié)果。由表3極差分析可知，各因素對硬度（Hardness）、持水力（WHC）的影響依主次排序分別是C＞A＞B、C＞A＞B，即冷凍時間對綠豆淀粉魔芋凝膠硬度和持水力影響最大，其次分別是淀粉量和堿含量。根據(jù)不同評價指標(biāo)可得綠豆淀粉魔芋凝膠硬度最佳組合為A2B3C3，持水力最優(yōu)組合為A3B2C2。

表3 綠豆魔芋凝膠正交試驗設(shè)計及結(jié)果 Table 3 Orthogonal test design and results of mung bean konjac gel

結(jié)合硬度和持水力均值主效應(yīng)圖（圖1）可知，綠豆淀粉添加量在A2和A3時持水力差異不顯著（p＞0.05），而A2魔芋凝膠硬度達(dá)最大值，因此綠豆淀粉添加量選A2較合適；堿含量選B2較合適，原因是B2持水效果最佳且B1、B2、B3硬度相差不大；冷凍時間選C2，因為C3時綠豆淀粉魔芋凝膠硬度雖最大但持水力下降，長時間冷凍凝膠樣品也會造成生產(chǎn)成本上升。綜合比較，確定綠豆淀粉魔芋凝膠最佳工藝配方為A2B2C2，即淀粉量3.00 g，堿含量7.00%，冷凍時間1.50 h。

驗證試驗（見表4）發(fā)現(xiàn)當(dāng)單因素試驗結(jié)果溶脹時間為1.50 h、檸檬酸浸泡濃度為0.50%（m/V）時，淀粉量為3.00 g，堿含量為7.00%，冷凍時間為1.50 h制備的綠豆淀粉魔芋凝膠硬度為1782.61 g、持水力為92.63%，均高于各正交試驗結(jié)果，因此確定制備綠豆淀粉魔芋凝膠最佳配方A2B2C2。

2.3 添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠分析

2.3.1 凝膠性能分析

綠豆淀粉魔芋凝膠為正交試驗最優(yōu)配方A2B2C2，添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠硬度值和持水力結(jié)果見表4。本研究發(fā)現(xiàn)綠豆淀粉魔芋凝膠硬度和持水力上升較明顯，凝膠硬度、持水力較純魔芋凝膠分別提高了54.30%、2.41%，這與孫健等[24]在魔芋豆腐中添加羥丙基變性淀粉使復(fù)合凝膠強(qiáng)度增大的研究結(jié)果類似，原因可能是魔芋粉與綠豆淀粉混合后體系濃度增大，兩者間分子作用力加強(qiáng)，而綠豆淀粉直鏈淀粉含量較高[25]，能形成硬度更大的凝膠產(chǎn)品，使綠豆淀粉魔芋凝膠結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，持水效果更明顯。

表4 添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠性能分析 Table 4 Performance analysis of konjac gel before and after adding mung bean starch

2.3.2 水分含量與共晶點分析

共晶點是指體系中水分完全凍結(jié)成冰晶時的溫度[26]。由表5可知純魔芋凝膠和綠豆淀粉魔芋凝膠水分含量分別為5.25 g/100 g和7.77 g/100 g，共晶點分別為-16.10 ℃和-11.60 ℃，綠豆淀粉魔芋凝膠水分含量、共晶點較純魔芋凝膠分別提高了2.52 g/100 g、4.50 ℃，淀粉的引入提升了魔芋凝膠的水分含量，這與Shang等[27]研究結(jié)果類似。表5發(fā)現(xiàn)魔芋凝膠共晶點與水分含量呈正相關(guān)，這與張堅強(qiáng)等[28]發(fā)現(xiàn)綠茶水分含量越高，共晶點越高的研究結(jié)果一致，可能是純魔芋凝膠含水量較低，溶質(zhì)濃度相對較高，凍結(jié)過程中固化變慢，共晶點越低，也可能是直鏈淀粉與魔芋的相互作用導(dǎo)致。同時，由于試驗冷凍溫度是-20 ℃，而兩者的共晶點均在-20 ℃以上，說明添加綠豆淀粉前后制備的凝膠均能在-20 ℃條件下完全凍結(jié)。

表5 添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠共晶點與水分含量 Table 5 The eutectic point and moisture content of konjac gel before and after adding mung bean starch

2.3.3 傅立葉紅外光譜分析

FT-IR通常用于鑒定多糖結(jié)構(gòu)中的有機(jī)官能團(tuán)，當(dāng)化學(xué)基團(tuán)在分子水平上發(fā)生變化時，可以在光譜中觀察到差異，例如吸收峰的增強(qiáng)和吸收帶的移動[4]。

圖2顯示了純魔芋凝膠和綠豆淀粉魔芋凝膠傅立葉光譜圖，它們的吸收峰具有相似的頻率和形狀，但未產(chǎn)生新的吸收峰。添加綠豆淀粉前后制備的魔芋凝膠在3440.00 cm-1附近有一個很強(qiáng)的吸收峰，即-OH的伸縮振動峰，這是多糖化合物的特征吸收峰。魔芋凝膠在2922.00 cm-1附近吸收峰較弱，可以描述為C-H基團(tuán)的伸縮振動。吸收帶位于1640.00 cm-1附近可以指定為分子內(nèi)或分子間的氫鍵[29]，吸收波數(shù)的減少主要是指氫鍵程度和強(qiáng)度變化的函數(shù)[30]，而綠豆淀粉魔芋凝膠吸收帶在1639.00 cm-1處，這表明綠豆淀粉與魔芋粉之間的氫鍵作用力增強(qiáng)。多項研究指出KGM在1720.00 cm-1附近的特征峰表征乙?；拇嬖赱31-33]，而魔芋凝膠主要是在堿性加熱條件下發(fā)生脫乙酰作用，但圖2中并未發(fā)現(xiàn)1720.00 cm-1左右的吸收峰，表明添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠乙?；聂驶炜s振動峰消失，乙?；耆コ?。峰值在1381.00 cm-1處歸結(jié)于乙?；霞谆膹澢駝?。1315.00 cm-1附近的吸收峰可能是由于C-OH或C-H的拉伸振動。1080.00 cm-1的特征峰代表C-O單鍵引起的伸縮振動。特征吸收峰位于878.00 cm-1和806.00 cm-1被認(rèn)為是魔芋葡甘露聚糖中糖苷鍵和甘露糖苷鍵的拉伸振動[34]，這與Li等[35]關(guān)于KGM-GA復(fù)合凝膠傅立葉光譜分析結(jié)果一致。

從純魔芋凝膠到綠豆淀粉魔芋凝膠，多糖分子間氫鍵作用加強(qiáng)，且傅立葉光譜圖中吸收峰沒有顯示出顯著性的化學(xué)結(jié)構(gòu)差異和形成新的基團(tuán)，化學(xué)鍵未發(fā)生顯著變化，說明添加綠豆淀粉對魔芋凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響微弱。

2.3.4 XRD分析

圖3顯示了添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠的X-射線衍射圖，天然KGM由徑向排列的膠束組成，結(jié)晶度較差，晶體結(jié)構(gòu)非常不規(guī)則[36]。

由圖3可看出，添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠顯示出典型的非晶型結(jié)構(gòu)，均在2θ=20 °附近出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰，各樣品間未出現(xiàn)顯著性差異，這與Huang等[37]的研究結(jié)果相似。純魔芋凝膠、綠豆淀粉魔芋凝膠結(jié)晶度分別為30.30%、25.90%，結(jié)晶度下降了4.40%，可能是直鏈淀粉與KGM間的相互作用。同時，綠豆淀粉與魔芋粉共混后X-射線衍射圖未形成新的結(jié)晶峰，表明引入綠豆淀粉對魔芋體系晶體結(jié)構(gòu)影響較小。

2.3.5 掃描電鏡分析

用掃描電鏡研究了真空冷凍干燥后的純魔芋凝膠與綠豆淀粉魔芋凝膠的微觀結(jié)構(gòu)。從圖4a中可以觀察到純魔芋凝膠表面平坦，孔隙小且呈撕裂狀，孔洞分布不均勻。而綠豆淀粉魔芋凝膠結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化（圖4b），微觀結(jié)構(gòu)主要呈立體狀且孔徑增大，孔洞通過片狀連接，片與片之間搭建形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，這跟Sun等[26]發(fā)現(xiàn)PtS-KGM具有連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)類似。分析原因可能是綠豆淀粉填充在魔芋多糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，較高濃度的聚集分子使兩者相互作用加強(qiáng)，使其形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[38]。因此，綠豆淀粉能在一定程度上改善純魔芋凝膠品質(zhì)。

3 結(jié)論

本文研究了綠豆淀粉魔芋凝膠基體的制備工藝及添加綠豆淀粉前后魔芋凝膠變化的影響。結(jié)果表明，在淀粉量為3.00 g，堿含量為7.00%，冷凍時間為1.50 h，溶脹時間為1.50 h，檸檬酸濃度為0.50%（m/V）時可獲得硬度為1782.61 g、持水力為92.63%的綠豆淀粉魔芋凝膠基體，此工藝條件下制備的混合凝膠具有更好的凝膠品質(zhì)和持水性能。同時，性能表征證明了添加綠豆淀粉對魔芋凝膠的化學(xué)結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)影響較小，兩者具有很好的相容性，微觀分析進(jìn)一步證明了綠豆淀粉魔芋凝膠形成了更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，改善了魔芋凝膠品質(zhì)。因此，添加綠豆淀粉制備復(fù)合凝膠在一定程度上能夠解決魔芋凝膠現(xiàn)存問題并對新型仿生素食的開發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)。