楊悅，任元元，鄧?yán)幔瑒⒗?，鐘?

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400716)2(四川省食品發(fā)酵研究設(shè)計院，四川 溫江，611130)3(重慶市生物技術(shù)研究所有限責(zé)任公司，重慶，401121)4(四川省沐川森態(tài)園生物科技有限公司，四川 沐川，614599)

魔芋，天南星科魔芋屬多年生草本植物，又名磨芋、鬼芋、蒟蒻[1]，是我國的一種重要的資源植物，具有藥用、食用及工業(yè)價值[2]。魔芋經(jīng)洗滌、去皮、干燥、粉碎、過篩得到的魔芋粉，具有增稠、成膜和降血糖等功效[1]，在食品、醫(yī)藥和化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。魔芋粉的主要功能成分為魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan，KGM)，含量不低于50%，依純化精制程度而不同。KGM是一種天然高分子多糖，在適宜的堿性條件加熱，KGM分子發(fā)生脫乙?；饔茫纬煞€(wěn)定的熱不可逆凝膠[3](以下簡稱魔芋凝膠)，見圖1。商業(yè)魔芋凝膠食品(仿生食品)通常采用氫氧化鈣和碳酸鈉為凝固劑，在pH值為11～13的堿性條件，魔芋精粉濃度高于30 g/L且在水溶液中充分溶脹加熱生成[4]。魔芋仿生食品質(zhì)量受魔芋精粉與水比例、加堿(凝固劑)種類、加堿量、凝固時間、加熱溫度等多因素影響，使用不同的堿性凝固劑生成的魔芋凝膠口感、彈性、色澤、氣味等方面都存在差異[5]，因此篩選更適宜的凝固劑制作魔芋凝膠，一直受到理論研究和生產(chǎn)應(yīng)用的重視。

圖1 KGM在堿性條件下脫乙酰基反應(yīng)

堿性電解水(alkaline electrolyzed water，AEW)是通過電解鹽溶液獲得的，產(chǎn)生于電解槽的陰極端，具有高pH、低氧化還原電位(oxidation-reduction potential，ORP)性質(zhì)[6]。其堿性特質(zhì)，具備了魔芋凝膠制作工藝中所需條件。此外，AEW含有的活性成分不穩(wěn)定，可逐漸恢復(fù)為普通水，對環(huán)境污染小[7]，較使用氫氧化鈣、碳酸鈉更加綠色、安全。同時，AEW制取裝置結(jié)構(gòu)簡單，與生產(chǎn)傳統(tǒng)化學(xué)試劑相比成本低廉[8]，利于在食品加工中推廣應(yīng)用。由于其呈現(xiàn)的堿性和食用安全性，因此設(shè)想將AEW作為凝固劑，制作魔芋凝膠，為此開展本文的研究驗證。目前，尚無利用AEW制作魔芋凝膠相關(guān)研究報道。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

魔芋精粉[葡甘聚糖含量(以干基計)為(72.62±1.73)%，符合NY/T 494—2010 《魔芋粉》標(biāo)準(zhǔn)要求],四川省江油市新保魔芋制品有限公司;堿性電解水由電解飽和K2CO3電解質(zhì)水溶液電解得到氫氧化鈣、碳酸鈉、碳酸鉀(AR)，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

XK-A7型電解水機，廣東鑫康科技有限公司；FD-C20002電子天平，昆山優(yōu)科維特電子科技有限公司；HCJ-4C磁力攪拌水浴鍋，常州恩培儀器制造有限公司；SY-10真空冷凍干燥機，北京松源華興科技有限公司；5804R離心機，德國Eppendorf公司；CM-5色差儀，日本柯尼卡美能達(dá)公司；TA.XT Plus質(zhì)構(gòu)儀，英國Stable Micro System公司；MCR302模塊化旋轉(zhuǎn)與界面流變儀，奧地利安東帕有限公司；Phenom Pro掃描電鏡，荷蘭Phenom World公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 堿性電解水制備

將配制的飽和碳酸鉀溶液加入電解水機，按照該機操作手冊指示工作，電解6 min，獲得堿性電解水(pH：12.65±0.01，ORP：-646 mV)。

1.3.2 魔芋凝膠制備方法

1.3.2.1 氫氧化鈣、碳酸鈉制備魔芋凝膠

參考李曉飛等[9]的方法并適當(dāng)修改：分別準(zhǔn)確稱取1.00 g魔芋精粉均勻分散于30 mL純水中，攪拌至魔芋精粉充分吸水溶脹為魔芋溶膠，置于70 ℃的水浴鍋加熱1 h，取出冷卻至室溫。另分別稱取0.3%(占純水質(zhì)量，下同)氫氧化鈣和碳酸鈉，用少量水分別溶解(氫氧化鈣溶液pH：12.49±0.03，碳酸鈉溶液pH：11.46±0.11)，加入到魔芋溶膠中，快速攪拌均勻，用保鮮膜密封，靜置1 h，于95 ℃水浴1 h，取出冷卻至室溫即得到魔芋凝膠。

1.3.2.2 AEW制備魔芋凝膠

準(zhǔn)確稱取1.00 g魔芋精粉，加入30 mL AEW(pH：12.65±0.01，ORP：-646 mV)，攪拌均勻，室溫充分溶脹3 h。95 ℃水浴1 h，取出冷卻至室溫，即得魔芋凝膠。

氫氧化鈣、碳酸鈉、AEW為凝固劑制作的魔芋凝膠分別記為GCa、GNa和GAEW，制備的魔芋凝膠經(jīng)取樣器制樣為直徑5 cm的圓柱體。

1.3.3 色度測定

色澤是影響食品感官品質(zhì)的重要因素。不同凝固劑制作的魔芋凝膠色澤差異用L*(亮度值)、a*(紅度值)和b*(黃度值)表示[10]。將1.3.2.1和1.3.2.2 制作的魔芋凝膠均勻切片(直徑5 cm，厚1 cm)。色度儀經(jīng)校正后，分別測定不同凝固劑制備的魔芋凝膠色度，記錄L*、a*和b*值，重復(fù)測定5次。

1.3.4 持水性測定

參考王鑫等[11]的方法并適當(dāng)修改。將1.3.2.1和1.3.2.2制作的魔芋凝膠均勻切片(直徑5 cm，厚1 cm)，置于50 mL離心管，在4 000 r/min離心15 min，除去分離的水并稱量，質(zhì)量記為m2。持水性(water holding capacity，WHC)計算如公式(1)所示：

(1)

式中：WHC為魔芋凝膠持水性，%；m1為原魔芋凝膠質(zhì)量，g；m2為離心后魔芋凝膠質(zhì)量，g。

1.3.5 凝膠強度測定

將1.3.2.1和1.3.2.2制作的魔芋凝膠切片(同上)，用質(zhì)構(gòu)儀測定魔芋凝膠強度[9]。設(shè)定質(zhì)構(gòu)儀測定參數(shù)：質(zhì)構(gòu)分析(texture profile analysis，TPA)壓縮模式，探頭P/0.5(直徑0.5英寸的圓柱狀平頭探頭)，測試前速度1.5 mm/s，測試速度1.0 mm/s，測試后速度1.0 mm/s，感應(yīng)力2 g，循環(huán)次數(shù)1次。重復(fù)測定5次。

1.3.6 凍融穩(wěn)定性

魔芋凝膠在-20 ℃冷凍12 h，室溫下解凍6 h[12]，作為1個凍融循環(huán)，重復(fù)5個凍融循環(huán)。每次循環(huán)后測定凝膠析水率。具體操作如下：每次凍融前準(zhǔn)確稱取凝膠的質(zhì)量記為m1，將樣品在4 000 r/min離心15 min，去除分離的水并稱量，質(zhì)量記為m2。每個樣品重復(fù)3次。析水率計算如公式(2)所示：

(2)

式中：m1，原魔芋凝膠質(zhì)量，g；m2，凍融循環(huán)離心后魔芋凝膠質(zhì)量，g。

1.3.7 質(zhì)構(gòu)測定

魔芋凝膠使用質(zhì)構(gòu)儀進行TPA測試[13]。根據(jù)樣品的性質(zhì)，選擇硬度、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性和回復(fù)性作為研究參數(shù)，測前和測中速度為3 mm/s，測后速度為1 mm/s，觸發(fā)力為5 g，測試樣品應(yīng)變量50%，重復(fù)測定5次。

1.3.8 流變學(xué)特性測定

使用流變儀測試魔芋凝膠的流變學(xué)特性。采用直徑為25 mm的轉(zhuǎn)子，平行板間隙設(shè)置為3 mm，應(yīng)變?yōu)?%，頻率為1 Hz，在轉(zhuǎn)子邊緣涂抹低密度硅油，防止試驗過程中水的蒸發(fā)，每次掃描時，將樣品加載到流變儀的平行板上[14]。

頻率掃描：可以用來說明樣品的結(jié)構(gòu)完整性和機械強度；溫度設(shè)定25 ℃，該溫度下平衡5 min后，在1～100 rad/s 頻率進行頻率掃描，觀察G′和G″與角頻率之間的相關(guān)性。

溫度掃描：反映樣品的熱穩(wěn)定性；溫度從20 ℃升至100 ℃，升溫速率為2 ℃/min，監(jiān)測G′和G″的變化趨勢。

時間掃描：反映凝膠強度隨時間的變化；將復(fù)配凝膠切成薄片，溫度設(shè)定為90 ℃，時間為2 h，監(jiān)測G′和G″的變化趨勢。

1.3.9 凝膠表面形貌觀察

將魔芋凝膠制成邊長約為3 mm的方塊，放入-80 ℃ 的冰箱中，冷凍12 h，立刻轉(zhuǎn)移至真空冷凍干燥機，凍干48 h。將凍干的凝膠用導(dǎo)電雙面膠固定到樣品臺，斷面朝上，噴金，抽真空，掃描電鏡觀察凝膠斷面形貌。

1.3.10 數(shù)據(jù)處理

采用Excel處理數(shù)據(jù)，結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，采用SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，不同小寫字母表示樣品間存在顯著性差異(P<0.05)，采用Origin 2019b 軟件作圖。未注明的，重復(fù)試驗3次。

2 結(jié)果與分析

2.1 色度測定

L*指明暗程度，值越大表明樣品的表觀白度越白；a*，正值表示顏色偏向紅色，負(fù)值表示偏向綠色；b*，正值表示顏色偏向黃色，負(fù)值表示偏向藍(lán)色[10]。3種凝固劑制作的魔芋凝膠外觀和色度檢測結(jié)果見圖2和圖3。如圖2所示，GCa偏黃。由圖3可以看出，3種樣品的L*、a*、b*均為正值。其中，GCa的b*值最高，與圖2觀察結(jié)果相符。GAEW白度最佳，其L*值為77.27,遠(yuǎn)大于GCa(72.66)和GNa(75.62)(P<0.05)，且a*和b*都較低。由此可見，使用AEW制作的魔芋凝膠，其色澤相對使用氫氧化鈣和碳酸鈉為凝固劑制作的樣品有所改善，有利于色澤的調(diào)整，添加增白劑的用量可以減少。

圖2 三種魔芋凝膠外觀對比

圖3 三種魔芋凝膠的色度

2.2 持水性測定

魔芋凝膠保持水分的能力可用持水性來評價，高持水性表明在外力作用下丟失的水分較少，表明魔芋凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對水分子的束縛能力強，彈性和凝膠強度大[15]。3種凝固劑制作的魔芋凝膠持水性大小如圖4所示，均在90%以上，都表現(xiàn)出良好的持水性。由圖4可知，GAEW與GCa持水性無顯著差異，顯著大于GNa(P<0.05)?？赡苁怯捎邴}離子誘導(dǎo)凝膠形成作用增強，同時陽離子填充量增加，魔芋凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為致密，彼此纏結(jié)聚集形成更為緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此可充分鎖住水分子防止其流失，從而提高魔芋凝膠的持水性[16]。所用AEW由鉀鹽電解得到，含有一定量的K+，而不同種類的鹽形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)略有不同，從而導(dǎo)致3種魔芋凝膠持水性出現(xiàn)差異[17]。

圖4 三種魔芋凝膠的持水性

2.3 凝膠強度

凝膠強度指凝膠崩裂或斷裂時單位面積所受的力，是反映凝膠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)堅實程度的重要參數(shù)[18]。如圖5所示，GAEW的強度最高，其次是GCa，GNa強度最低，且表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。可能是因為AEW由鉀鹽電解得到，含有一定程度的K+，使魔芋分子間纏結(jié)聚集形成更為緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而不同種類的鹽離子對凝膠強度的增強效果依次為：K+>Ca2+>Na+[19]，因而GAEW內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為堅實，強度更大，持水性也更強。

圖5 三種魔芋凝膠的強度

2.4 凍融穩(wěn)定性

凍融穩(wěn)定性分析是通過測定冷凍-解凍-離心循環(huán)的析水率大小，評價在凍融過程中，食品抵抗不良物理變化能力的重要指標(biāo)[20]。本實驗采用離心法[20]測定5個冷凍-解凍-離心循環(huán)后的析水率，評價魔芋凝膠的凍融穩(wěn)定性。析水率結(jié)果如表1所示?？傮w上，由于凝膠網(wǎng)絡(luò)中含有大量的水，經(jīng)冷凍形成冰晶破壞魔芋凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此經(jīng)過反復(fù)冷凍解凍循環(huán)，魔芋凝膠析水率較大[21]。結(jié)果表明，在一定條件下，魔芋凝膠析水率與凍融循環(huán)次數(shù)之間存在典型的正相關(guān)。在第2～5個凍融循環(huán)中，3個樣品的析水率均無顯著差異。經(jīng)過5個冷凍周期后GCa、GNa、GAEW的析水率分別為72.29%、72.05%和72.00%?？傮w上，經(jīng)反復(fù)凍融，使用AEW制作的魔芋凝膠的凍融穩(wěn)定性與氫氧化鈣和碳酸鈉的無顯著性差異(P>0.05)。

表1 三種魔芋凝膠的凍融穩(wěn)定性 單位:%

2.5 質(zhì)構(gòu)分析

硬度是指在牙齒之間或舌與腭之間壓縮樣品所用的力[22]。表2顯示了3種堿性凝固劑對魔芋凝膠硬度的影響，GCa的硬度最高，GAEW次之，GNa最低，三者之間有顯著性差異(P<0.05)。對魔芋凝膠而言，硬度數(shù)值越大，魔芋凝膠形狀越堅挺，外觀品質(zhì)越好[23]。彈性表示樣品受擠壓后的恢復(fù)能力[22]。如表3所示，3種堿性凝固劑制作的魔芋凝膠彈性的大小順序為：GAEW>GCa>GNa。內(nèi)聚性反映出樣品內(nèi)部緊密程度和抗外界破壞力。從表3可以看出，3種堿性凝固劑對魔芋凝膠內(nèi)聚性的影響無顯著差異，GNa的內(nèi)聚性稍小于GCa和GAEW。咀嚼性反映了魔芋凝膠對咀嚼的持續(xù)抵抗性，咀嚼性越強，魔芋凝膠口感越好[24]。GCa和GAEW的咀嚼性無顯著差異，且遠(yuǎn)大于GNa?；貜?fù)性指樣品受壓后迅速恢復(fù)變形的能力，3種樣品的回復(fù)性無顯著差異，表明3種堿性凝固劑對魔芋凝膠回復(fù)性的影響無較大區(qū)別。綜上，AEW相比碳酸鈉制作的魔芋凝膠效果更好，與氫氧化鈣制作的魔芋凝膠效果相似。

表2 三種魔芋凝膠的質(zhì)構(gòu)特性

2.6 流變學(xué)特性

儲能模量(G′)又稱彈性模量，指物質(zhì)受力產(chǎn)生彈性形變的程度，損耗模量(G″)又稱黏性模量，表征物質(zhì)在外力作用下阻礙物質(zhì)流動的特性[25]。

圖6-A表示在25 ℃條件下，不同凝固劑制作的魔芋凝膠G′和G″對角頻率的依賴關(guān)系，在整個頻率范圍內(nèi)，隨著角頻率的增加，3種樣品都表現(xiàn)出G′>G″的特點，表明各樣品網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)足夠緊密，均形成了較強的凝膠[13]。

圖6-B顯示了各樣品在20～100 ℃測量溫度時，G′和G″的變化，從而分析樣品的熱穩(wěn)定性。溫度低于40 ℃時，水分子吸收熱量開始運動，帶動KGM分子隨之運動，但魔芋凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊密，已有的熱運動不足以解開其分子纏繞[26]，因此在這一溫度范圍內(nèi)G′保持穩(wěn)定且高于G″。隨溫度升高，GCa的曲線較為平緩，受溫度的影響較小，GNa和GAEW的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始受到破壞，其中GNa的曲線始終呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。當(dāng)溫度大于70 ℃時，GAEW的G′不斷降低，AEW制作的魔芋凝膠G′受高溫影響較大。

隨時間變化，魔芋凝膠的強度也會隨之變化。因此，本研究在90 ℃條件下對3種樣品進行時間掃描，如圖6-C所示?？梢钥闯?，隨著時間延長，3種樣品的G′和G″變化趨勢總體較緩慢，說明凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本形成。其中，G′均表現(xiàn)出緩慢增長的趨勢。GNa的G″曲線先降低再上升，最終趨于平緩。GCa和GAEW的G′曲線有相同的變化，最初階段有一定程度下降，隨時間延長進入平臺期?？傮w上，3種凝膠樣品G′和G″隨時間無較大變化。從流變特性可以看出，3種樣品均形成了較好的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

A-G′、G″隨角頻率的變化；B-G′、G″隨溫度的變化；C-G′、G″隨時間的變化

2.7 微觀結(jié)構(gòu)

從前面實驗發(fā)現(xiàn)，3種凝固劑對魔芋凝膠的凝膠強度、持水特性有不同程度的影響。在一定程度上，魔芋凝膠的質(zhì)構(gòu)及持水性與其微觀結(jié)構(gòu)有一定的相關(guān)性[27]。因此，通過掃描電子顯微鏡對3種凝膠樣品進行微觀結(jié)構(gòu)觀察。由圖7可以看出，不同凝固劑制作的魔芋凝膠體系結(jié)構(gòu)有一定程度的變化，GCa形成的蜂窩網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較完整、封閉，網(wǎng)絡(luò)壁層較厚，這可能是因為Ca2+與KGM分子產(chǎn)生架橋作用，有助于分子彼此扭結(jié)、纏繞，形成具有蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，該結(jié)構(gòu)與前文GCa有良好的持水性和較強的凝膠強度有關(guān)[26]。GNa具有較多的連接區(qū)，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不緊密，且壁層較薄，壁上有少許微孔，細(xì)薄的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相對較多的孔洞解釋了GNa析水率高、硬度較差的原因[28]。GAEW與GNa的微觀結(jié)構(gòu)類似，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增多，聚集程度稍微增強，空隙較小，且有序、平整，致密有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有助于持水力的增強[29]，與前文持水性測定所得結(jié)果保持一致。

A1-GCa放大500倍；A2-GCa放大800倍；B1-GNa放大500倍；B2-GNa放大800倍；C1-GAEW放大500倍；GAEW放大800倍

3 結(jié)論

本文以AEW代替?zhèn)鹘y(tǒng)堿性凝固劑，研究其對魔芋凝膠理化特性影響，并與氫氧化鈣和碳酸鈉制作的魔芋凝膠進行比較分析。研究表明，以AEW為凝固劑制作的魔芋凝膠，在色澤和凝膠強度方面有所改善，均優(yōu)于氫氧化鈣和碳酸鈉制作的樣品，有良好的商品性質(zhì)。在持水性、凍融穩(wěn)定性、質(zhì)構(gòu)分析和流變特性等方面表現(xiàn)出與氫氧化鈣為凝固劑制作的魔芋凝膠相似的良好性能，這些優(yōu)良性質(zhì)與通過掃描電鏡觀察到的致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)果密切相關(guān)。綜上所述，AEW具有制備魔芋凝膠的應(yīng)用潛力。