明胶 /卡拉胶复配凝胶的特性研究

曹祥薇,严海彪

(湖北工业大学化学与环境工程学院,湖北武汉 430068)

明胶 /卡拉胶复配凝胶的特性研究

曹祥薇,严海彪＊

(湖北工业大学化学与环境工程学院,湖北武汉 430068)

利用动态热机械分析仪(DMA)、旋转黏度计等仪器对明胶/卡拉胶复配胶的溶液黏度、凝胶温度及热力学特性进行了研究,并分析了金属离子对复配胶各项性能的影响.结果表明:随着卡拉胶质量分数由 1%增加到 3%,溶液黏度和凝胶温度分别提高了 64 mPa·s和12℃,储能模量 G’也在不断增加;K+能有效提高复配胶凝胶温度和 G’,当 K+质量分数为0.6%时,凝胶温度提高到 48℃.

明胶;卡拉胶;复配;凝胶特性

0 引言

明胶是多肽分子聚合物质,是胶原蛋白质的水解产物,来源广泛,除具有一定营养价值和医疗功能外,还具有生物可降解性、生物相容性和一定的等电点等特点.低质量分数的明胶溶液黏度较小,且凝胶温度和凝胶熔点过低,因此不适于在常温下凝胶成型,造成应用的局限性,为解决这些问题,可将明胶与其他食用胶复配,提高黏度和凝胶温度,使其满足加工成型的要求[1-2].卡拉胶在与明胶复配时能表现出十分显著的协同增效作用,宋佳明等[3]研究表明,在明胶食品包装膜中添加卡拉胶,能提高膜的拉伸强度,同时保持其可降解性和可食性.孙哲浩等[4]将明胶与卡拉胶进行复配,研究表明随卡拉胶浓度的提高,凝胶强度和储能模量增加.作者以明胶/卡拉胶复配胶为研究对象,通过研究两种胶的相互作用及各种因素对复配胶的影响,以期为开发明胶与卡拉胶的复配胶作为微胶囊的囊材应用提供指导.

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

明胶:青海明胶股份有限责任公司,食品级;卡拉胶:滕州恩普特生物工程有限责任公司,食品级;氯化钾:徐州海成食品添加剂有限公司,食品级.

HH.S11—1型电热恒温水浴锅:上海昨非实验设备有限公司;D2004W型搅拌器:上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司;Q800型动态热机械分析仪:美国 TA仪器公司;NDJ—7型旋转黏度计:上海精密科学仪器有限公司.

1.2 方法

1.2.1 溶液黏度的测定

按比例称量明胶和卡拉胶,配制出复配胶溶液,静置待溶液均匀无气泡,用旋转黏度计测定溶液在80℃下的黏度,每组重复测量 5次,取平均值.

1.2.2 凝固点的测定

参照文献 [5]的方法测定胶的凝固点,在80℃下配制复配胶溶液,保温静置待溶液均匀无气泡后将溶液倒入 40 mL烧杯中,用铁架台和蝶形夹固定温度计并使其下端位于溶液的中央,以固定的时间间隔在一定的距离范围内快速轻微移动杯体,当发现以下现象时判定为已达到凝胶状态:在固定温度计处稍感阻力;凝胶表面微有褶皱产生;温度计和胶液间有细小的空隙存在,而非液体包围状.记录此时温度计温度即凝胶温度.

1.2.3 热力学特性的测定

配制不同配比的明胶 /卡拉胶溶液,倒入模具中冷却成凝胶,利用 DMA测定凝胶的热力学特性,使用平行板夹具,直径 3 cm,固定应变 1.0,样品厚度 6.5 mm,进行温度扫描,观测凝胶体随温度的升高热力学特性的改变.

2 结果与讨论

2.1 明胶 /卡拉胶配比对凝胶黏度和温度的影响

保持总胶量为 6%不变,配置以下 5种不同明胶/卡拉胶配比的胶液:5/1;4.5/1.5;4/2;3.5/2.5;3/3(W/W),明胶 /卡拉胶配比对凝胶黏度和温度的影响性见表1和表2.

表1 明胶 /卡拉胶配比对凝胶黏度的影响

如表1所示,胶液黏度随卡拉胶比重的增加而增加,说明在总胶量和胶液温度不变的情况下,卡拉胶的比例是影响胶液黏度的主要因素.随着卡拉胶比重的增加,两种大分子长链间的交互作用加强,分子间的联结程度增加,造成胶液黏度的加大.另外从表1中可看出,当卡拉胶质量分数大于 1.5%时,黏度随卡拉胶质量分数提高上升幅度加大.说明复配胶体系结构发生了变化,明胶/卡拉胶复配胶在明胶浓度较高时,形成以明胶为主体的网状结构,随着卡拉胶质量分数的上升,卡拉胶则转换为网络主体[6].当卡拉胶质量分数达到 1.5%时,网状结构主体由明胶转换为卡拉胶.

表2 明胶/卡拉胶配比对凝胶温度的影响

从表2可以看出,凝胶温度随卡拉胶质量分数的增加而明显提高,明胶与卡拉胶都可以形成热可逆凝胶,随着温度的降低,体系发生了“溶胶-凝胶”转变,形成具有一定三维网络结构的凝胶[7].与明胶相比,卡拉胶对凝胶温度影响较大,卡拉胶浓度每上升0.5%,凝胶温度平均提高3℃.说明随着卡拉胶浓度的上升,两种胶的交互作用加强,分子间缠结点增加,分子作用力加大,造成体系在较高温度下便失去流动性,转变为凝胶态.

2.2 明胶 /卡拉胶复配胶的热力学特性

明胶/卡拉胶复配胶的热力学特性如图 1所示.

图1 复配胶温度对储能模量的影响

由图 1可知,不同配比的复配胶储能模量 G’随着温度的上升不断下降.凝胶体的 G’的变化反映出凝胶体内部分子结构的变化,凝胶体的网络结构随温度的上升逐渐溃散,当温度达到一定值以上时,凝胶的 G’几乎降为 0,此时胶体的三维结构被完全破坏,体系从凝胶态转变为溶胶态,此时温度即为复配胶熔点[4].

比较 5种不同配比胶体的 G’变化曲线,体系中卡拉胶所占比例越大,其 G’值越大.当卡拉胶质量分数从 1.5%上升到 2%时,复配胶熔点提高了 1倍,此时复配胶网络结构的主体发生了转换,由明胶转换为卡拉胶,使得体系的热力学特性发生了明显变化.其结果与表1中黏度与复配胶配比关系的结果相一致.说明添加卡拉胶不仅能提高黏度和凝胶温度,同时也增加了复配胶熔点,扩展了凝胶成型后的使用温度范围,有利于明胶的成型加工.

2.3 氯化钾对明胶 /卡拉胶复配胶凝胶温度的影响

氯化钾对明胶/卡拉胶复配胶凝胶温度的影响见表3.

表3 氯化钾对明胶/卡拉胶复配胶凝胶温度的影响

当明胶 /卡拉胶为 4/2(W/W),KCl含量在0～0.6%范围内其凝胶温度随 KCl质量分数的变化趋势如表3所示,凝胶温度随 KCl质量分数的增加而增加.当添加 0.1%的 KCl时,凝胶温度已上升到 38℃,与 3/3(明胶 /卡拉胶)复配胶的凝胶温度相同.有关文献[8]指出,金属离子能减小卡拉胶分子链之间的静电排斥作用,使分子链呈电中性排列,加速凝胶化过程.试验结果表明随着K+的增加,卡拉胶分子间的静电排斥作用减小,分子链更易形成螺旋结构,并在较高温度下由螺旋聚集再形成三维网状凝胶结构.

2.4 氯化钾对明胶 /卡拉胶复配胶的热力学特性的影响

图 2为添加不同质量分数的氯化钾的复配胶的储能模量 G’的变化.

图2 氯化钾对明胶 /卡拉胶复配胶 G’的影响

比较图 1、图 2可以看出,添加 KCl后凝胶体系的 G’升高.当温度为 70℃时,未添加 KCl的复配胶的 G’基本已降为 0,凝胶结构已经被完全破坏,而添加 0.1%KCl后 G’提高到 0.052 MPa,体系仍然保持有一定弹性性能,网络结构没有被完全破坏.增加凝胶体系中 K+的含量,可减少静电排斥作用,使得整个网络结构更加紧密.随着温度的上升,凝胶体系的网络结构从没有 K+作用的部分开始溃散,而有 K+作用的部分由于网络结构更加紧密,溃散温度更高.因此,随着 KCl质量分数的提高,复配胶体系中松散的网络结构不断减少,转而形成更加致密的网络结构,溃散温度提高.

3 结论

1)明胶 /卡拉胶复配胶的黏度和凝胶温度都随卡拉胶比例的上升而增加,当卡拉胶含量达到2%时,复配胶的网络结构主体由明胶转换为卡拉胶.

2)复配胶体系的储能模量随着温度的上升不断下降,卡拉胶比例的增加能有效提高体系弹性性能,提高熔点.

3)复配胶的凝胶温度和储能模量随 KCl质量分数的增加而不断提高.

[1] 罗亮,左榘,孟凡玲.κ-卡拉胶凝胶的力学行为研究 [J].高分子材料科学与工程,2005,21(4):212-215.

[2] Clark A H,Richardson R K,Ross-Murphy S B,el at.Structural and mechanicalproperties of agar/gelatin co-gels. Small-defor mation studies[J].Macromolecules,1983,16(8):1367-1374.

[3] 宋佳明,陈海华.响应面法优化卡拉胶 -明胶复合膜拉伸特性的研究 [J].食品与机械,2009,25(6):169-163.

[4] 孙哲浩,赵谋明,张源,等.明胶与κ-卡拉胶交互作用特性及机理的研究 [J].食品科学,2001,22(1):14-18.

[5] 刘凌,薛毅,王亚南,等.κ-卡拉胶胶凝特性研究[J].郑州轻工业学院学报,1999,14(1):64-68.

[6] Sok Line V L,Remondetto G E,SubiradeM.Cold gelation ofβ-lactoglobulin oil-in-water emulsions[J].Food Hydrocolloids,2005,19(2):269-278.

[7] Meunier V,Nicolai T,Durand D.Structure and kinetics of aggregatingκ-carrageenan studied by light scattering[J].Macromolecules,2000,33(7):2497-2504.

[8] 叶林,赵谋明,林伟锋.酪蛋白 -卡拉胶体系凝胶特性的研究 [J].食品工业科技,1999,20(4):9-11.

STUDY ON THE PROPERTIES OF GELATI N-CARRAGEENAN COMPOUND GEL

CAO Xiang-wei,YAN Hai-biao
(College of Chem istry and Environm ent,Hubei University of Technology,W uhan430068,China)

The article studied the viscosity,the gel temperature and the ther modynamic properties of the gelatin-carrageenan compound gel by using a dynamic thermo-mechanical analyer(DMA),a rotating viscometer and so on,and analyzed the influences of metal ions on the properties of the compound gel.The results showed that the viscosity and the gel temperature increased by 64 mPa·s and 12℃ respectively when the mass fraction of carrageenan increased from 1%to 3%,and the storage modulus G′,also increased constantly.The gel temperature and G′of the compound gel could be improved effectively by increasing the concentration of K+.When the mass fraction of K+reached to 0.6%,the gel temperature was improved to 48℃.

gelatin;carrageenan;compound gel;gel properties

TS201.7

B

1673-2383(2010)05-0022-03

2010-06-30

曹祥薇(1986-),女,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为高分子材料成型与加工.

＊通信作者