鱼鳞明胶的泡沫性能*

涂宗财，段邓乐，叶云花，王 辉，钮培佩，黄涛

1(南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西南昌，330047)2(江西师范大学生命科学学院，江西南昌，330022)

明胶是一种主要由18种氨基酸组成的蛋白质，由于其独特的理化性质使其广泛应用于食品、医药以及化妆品等领域，在食品制造方面，它可以作为稳定剂、增稠剂、黏合剂和发泡剂等，提高食品的弹性、黏度和以及稳定性等［1-4］。近年来，以鱼鳞为原料提取明胶备受科学研究者的青睐，研究表明，鱼鳞可以作为一种很好的明胶原料，因其含有丰富的蛋白质，且主要为胶原蛋白和角蛋白，故用鱼鳞提取明胶有巨大的应用前景［5-8］。

当明胶作为发泡剂应用于食品工业中时，根据不同的用途对明胶泡沫的要求不同，如在提高食品弹性、稳定性等方面，往往需要大量的泡沫，而在发酵工业中却需要抑制泡沫的产生［9］。因此，对泡沫性质进行研究以便使人们掌握其起泡性和稳定性的机理，从而更好的将泡沫应用于工业和日常生活中显得尤为重要。然而，目前对鱼鳞明胶泡沫性质的研究鲜有报道。

泡沫体系性能的研究涉及到许多参数，近年来所采用的方法主要是通过泡沫扫描分析仪对泡沫剂性能进行测试［10-11］。该泡沫仪器不仅可以给出起泡能力、泡沫膨胀系数、泡沫稳定性等参数，还可以分析泡沫粒径分布、尺寸大小等，并且其自身携带的软件可供人们对实验结果进行对比分析。与传统方法相比，该方法大大减少了实验的重复次数以及实验的工作量［9，11］。因此，本文主要以鳙鱼鱼鳞作为原料提取明胶，利用泡沫扫描仪，通过测试泡沫性质、表面扩张黏弹性等对明胶泡沫随时间和浓度的变化的机理进行了研究。

1 材料和方法

1.1 材料与试剂

鳙鱼鱼鳞，购于南昌市青山湖区天虹超市;HCl为分析纯。

1.2 仪器与设备

Foamsc泡沫扫描仪，法国TECLIS-IT Concept;界面扩张流变仪，法国TECLIS-IT Concept公司;FK-A组织捣碎机，江苏金坛市环宇科学仪器厂;LG J-1冷冻干燥机，北京亚泰科隆仪器有限公司;HH-4数显水浴锅，国华电器有限公司;

1.3 实验方法

1.3.1 鱼鳞明胶提取

将新鲜的鳙鱼鱼鳞剔除杂物后初步水洗，用组织捣碎机处理2 min捣碎，HCl浸泡脱钙之后清洗，至水澄清为宜，调节pH值至5.5，配制料液比1∶15(g∶mL)，在80℃恒温水浴中加热2 h提取得到鱼鳞明胶溶液［12］，经冷冻干燥后密封包装，备用。

1.3.2 样品制备

将上述明胶溶于蒸馏水中，按照质量体积比将明胶配制成1、2、3 mg/mL的溶液，于室温下慢慢搅拌至完全溶解。

1.3.3 泡沫性质测定

泡沫性能测定采用泡沫扫描仪进行。首先进行泡沫的制备:将60 mL待测溶液用注射器注射到玻璃管底部，通过多孔玻璃滤器鼓吹空气(恒定气流速度为200 mL/min);然后通过电导测定泡沫柱的起泡性、起泡稳定性以及泡沫排液，使用CCD摄像机观察气泡的变化并每隔5 s进行一次拍照，当泡沫体积达到100 mL时，立即停止空气鼓吹。气泡的分布情况以及气泡大小可采用CAS软件处理得到。使用玻璃管底部的电极测定气泡剩下的液体和从泡沫中排出的液体。

1.3.4 扩张黏弹性测定

采用界面扩张流变仪测定溶液的扩张黏弹性［13-14］。界面受到周期性压缩和扩张条件下，界面张力会发生周期性的变化。界面扩张模量ε定义为界面张力γ变化相对于界面面积A自然对数变化的比值，界面扩张向量ε也可以方便地用复数形式表示［10］:

式中:|ε|为界面扩张模量;εd为扩张弹性;ωηd为扩张粘性部分;ω为界面面积正弦变化的角频率;ηd为扩张黏度。

对于黏弹性界面，界面面积和界面张力的周期性变化之间存在相角(θ)，扩张弹性和扩张黏度可以用以下公式计算:

2 结果与分析

2.1 泡沫形状

图1 明胶浓度为1 mg/mL的泡沫随时间变化图(从鼓气停止后开始分析，每个相邻图片间隔100 s)Fig.1 The change of the foams generated from 1 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

图2 明胶浓度为2 mg/mL的泡沫随时间变化图(从鼓气停止后开始分析，每个相邻图片间隔100 s)Fig.2 The change of the foams generated from 2 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

图1～图3分别为鼓气停止后，不同浓度明胶的气泡随时间的变化。由图1～图3可以看出，各浓度的气泡均随时间的增长而逐渐变大，且其形状由最初的球形逐渐变为不规则的多边形。因为泡沫是液体中的气泡在密度差的作用下，在液面上形成以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物，当气泡内的压力互不相同时，液膜的形状将会被压缩，从而导致泡沫形状不规则［15］。从图1可以看出，当明胶的质量浓度为1 mg/mL时，泡沫变大很快，且短时间内就会变形甚至破裂。这可能是因为当明胶浓度过低时，很难在液膜表面形成单层的覆盖，导致液膜稳定性较低，从而导致泡沫破裂［16］。

图3 明胶浓度为3 mg/mL的泡沫随时间变化图(从鼓气停止后开始分析，每个相邻图片间隔100 s)Fig.3 The change of the foams generated from 3 mg/mL gelatin beginning with the stop of air flow(there is a 100 seconds interval between neighboring picture respectively)

2.2 泡沫参数

表1选择不同浓度明胶在鼓气停止后的0 s和100 s处进行比较，主要是因为这2个时间点既能提供鼓气停止的环境，又能避免低浓度的体系泡沫衰减过快，达不到一定的观测高度而无法与高浓度泡沫进行比较的缺陷。众数即泡沫半径尺寸出现最多的一组数据，众数越接近，表明泡沫半径变化幅度越小，泡沫稳定性越好;标准差越小，表明这些数值较接近平均值;歪斜和相对标准偏差越小，表明分析测试结果精密度越高。表1表明，在0 s和100 s时，浓度为2 mg/mL的明胶泡沫的半径范围、歪斜和相对标准偏差均最小，说明该浓度泡沫的更容易向新生成的界面扩散，即分散性最好［9］。

表1 明胶泡沫参数Table 1 The data offoam parameters of gelatin

图4为停止鼓气100 s时不同浓度明胶泡沫的半径具体分布范围。图4中显示，1 mg/mL的明胶泡沫半径主要分布在0.252以下，最大半径可达1.453 mm。2 mg/mL的明胶泡沫半径主要分布在0.181 mm以下，其中小于0.055 mm的最多。3 mg/mL的明胶泡沫半径主要分布在0.058 mm以下，最大半径可达0.373 mm。可以得出，2 mg/mL的明胶泡沫半径最小。泡沫稳定性与泡沫薄膜的性质密切相关，当质量分数提高时，泡沫半径最小，则液膜最薄，从而排液速率最低，导致其泡沫稳定性最高［18］。

图4 100 s时不同浓度明胶泡沫粒径分布图Fig.4 The distribution of foam size of gelatin at 100 s

2.3 明胶泡沫性能

图5所示为不同浓度明胶泡沫体积随时间的变化。在相同的空气气流下，泡沫体积达到100 mL所需的时间越短，则起泡性越好［9］。由图5-A可以看出，浓度为1 mg/mL的明胶泡沫所需要的时间最大，为106.49 s，而浓度为2 mg/mL的明胶泡沫只需要32.59 s，说明浓度为2 mg/mL的明胶泡沫起泡性最好。由图5-B可以看出，泡沫体积的衰减速率由大到小依次为浓度1 mg/mL的明胶＞浓度3 mg/mL的明胶＞浓度2 mg/mL的明胶，即2 mg/mL的明胶泡沫对应的曲线衰减最慢，表明该浓度泡沫稳定性最好［11］。

图5 不同浓度明胶的泡沫体积随时间的变化(A-泡沫增长;B-泡沫衰减)Fig.5 The evolution of the foam volume of different systems as a function of time

2.4 泡沫稳定性与排液速度的关系

泡沫的稳定性与泡沫中液体含量呈正相关关系，通常用液体体积表示泡沫中的液体含量。泡沫排液是气泡相互挤压和重力作用的结果。当泡沫的质量一定时，泡沫半径越小，面积就越大，液膜也就越薄，从而导致排液速率下降，提高泡沫稳定性［18-19］。由图6可以看出，泡沫中液体含量随着时间的增加呈现先增加后减小的趋势，当浓度为2 mg/mL时，泡沫中的液体含量几乎达到最大值，仅比0.3%明胶泡沫低0.14 mL;排液速度的大小则依次为0.1% ＞0.3% ＞2 mg/mL，均表明当明胶浓度为2 mg/mL时明胶泡沫稳定性最好。

图6 明胶泡沫中液体含量与时间、浓度的关系Fig.6 Liquid volume in the foams generated from gelatin as a function of time“t”and concentration，respectively

2.5 表面黏弹性

表2为振荡频率为0.1 Hz时不同浓度明胶泡沫的表面扩张黏弹性。从表面扩张黏弹性中可以获取较多的界面信息，如蛋白质分子的构象变化、表面膜的紧密度和强度等，泡沫稳定性随着表面膜扩张黏弹性的增大而增加［20-21］。由表2可以看出，一方面，随着明胶溶液浓度的增加，扩张模量|ε|值和扩张弹性εd值均呈现先增大后减少的趋势，其最大值正好与泡沫最佳体系即浓度为2mg/mL的明胶泡沫体系一致，表明浓度为2 mg/mL的明胶界面浓度最大以及明胶分子从体相向新生成的界面的扩散最少，说明形变时的界面扩张力梯度最高［22］。另一方面，εd值远远大于扩张黏性ωηd值，表明明胶泡沫体系中液膜的作用力主要为弹性。同时，ωηd值随着浓度的增加变化不大，且在明胶浓度为2 mg/mL时ωηd最少，更加证明扩张黏性主要与明胶分子界面层凝胶状网状结构的形成和表面变性有关［9］。

表2 明胶泡沫的表面扩张黏弹性Table 2 Surfacedilational viscoelasticity of foams generated from gelatin

3 结论

(1)明胶泡沫性质随时间和浓度的变化而有不同，其中各个浓度的气泡均随时间的增长而逐渐变大，且其形状由最初的球形逐渐变为不规则的多边形。

(2)浓度为2 mg/mL的明胶泡沫的粒径最小，主要分布在0.055 mm以下的区域;泡沫中的液体含量几乎达到最大值;扩张模量|ε|值和扩张弹性εd值最大，扩张黏性ωηd值最小，均表明浓度为2 mg/mL的明胶泡沫起泡能力最强，泡沫稳定性最高，同时εd值远远大于扩张黏性ωηd值，表明明胶泡沫体系中液膜的作用力主要为表面弹性。

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