青稞β葡聚糖凝胶热特性、动态粘弹性及微观结构研究

邵　舒,董吉林,*,申瑞玲,孙永敢

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450000;2.郑州轻工业学院食品生产与安全协同创新中心,河南郑州 450000)



邵舒1,2,董吉林1,2,*,申瑞玲1,2,孙永敢1,2

(1.郑州轻工业学院食品与生物工程学院,河南郑州 450000;2.郑州轻工业学院食品生产与安全协同创新中心,河南郑州 450000)

本文采用差示扫描量热仪(DSC)、动态粘弹谱仪(DMA)及原子力显微镜(AFM)研究了青稞β-葡聚糖(BG)凝胶的热特性、动态粘弹性及微观结构变化,旨在为BG凝胶在食品中的应用提供依据。DSC结果表明,当样品的储存温度相同时,BG凝胶随着浓度的升高起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、最终温度(Tc)及热焓值(ΔH)增加;而当样品浓度相同时,凝胶热稳定性随温度增加而降低;DMA实验表明,BG凝胶的浓度越大、形成温度越低,弹性响应的系数(G′)值越大,表明BG分子间的交联增加,凝胶的弹性增强;AFM结果显示青稞BG分子会发生自然聚集,且随着浓度增加和存放时间的延长,聚集程度就越高,当其浓度为100 μg/mL时样品中就会出现网络状聚集结构。

青稞β-葡聚糖,凝胶,热特性,动态粘弹性,微观结构

随着生活水平的提高,人们的膳食结构也在悄然的发生着变化,膳食纤维的摄入量与健康的关系引起了人们的关注。青稞富含膳食纤维,特别是其中的β-葡聚糖(BG),作为一种水溶性膳食纤维具有调节血糖、降低胆固醇、增强免疫力等生理功能[1],因此,富含BG青稞食品的研发也受到行业的重视。BG是一种大分子粘性多糖,在一定条件下能够形成凝胶,并具有增稠和乳化稳定性,因此,也可作为食品配料应用于乳制品、肉制品等多种食品中[2]。但由于原料的不同、BG制备方法和分子大小的不同,BG形成凝胶的条件和性质也存在很大差异。Burkus[3]等人研究了温度和浓度对大麦BG凝胶形成的影响,结果发现浓度的增加和黏度的减小有利于BG凝胶的形成,且凝胶的强度也随浓度的增加和黏度的减小而增大。Vassilis[4]研究发现大麦BG分子越小凝胶形成的速率越快,但形成凝胶的机械稳定性和BG分子量成正比。Lrakli[5]等人研究了多羟基化合物对大麦BG凝胶的影响,结果发现在6%(w/v)的大麦BG溶液中分别添加30%(w/v)的葡萄糖、果糖、蔗糖、木糖、核糖,都能够延缓凝胶形成时间延长,并影响凝胶的强度。但针对我国产青稞BG的凝胶方面的研究,特别是对其微观结构变化研究较少,因此,本实验以青稞BG凝胶为研究对象,对青稞BG凝胶的热特性、动态粘弹性及微观动态聚集过程进行细致的研究,目的是深入了解BG结构与功能的关系,为富含BG青稞食品的研发提供理论依据。

表1　浓度及温度对青稞BG凝胶的热特性参数的影响Table 1　Effect of concentration and temperature on the thermal parameters of hulless barley β-glucans gel

注:平均值±标准偏差(n=3),不同字母代表差异显著(p<0.05)。

1　材料与方法

1.1材料与仪器

青稞BG(纯度为98.1%,相对分子量为9×103～1.0×104)西藏圣伯力生物技术有限公司;β-葡聚糖测试试剂盒爱尔兰Megazyme公司。

Nanoscopy Ⅲa型原子力显微镜美国VECCO公司;T6新世纪紫外-可见分光光度计 北京普析通用仪器有限公司;JA1203电子天平海越平科学仪器有限公司;Q100型差示扫描量热仪美国TA公司;Q800型动态粘弹谱仪美国TA公司。

1.2实验方法

1.2.1青稞BG凝胶的制备参照文献[6]并对其方法加以改进,将青稞BG加入蒸馏水中,配制成不同浓度的BG溶液(3.6%,4.8%和6.0%),在95 ℃水浴中加热800 r/min搅拌2 h。然后一组放置在温度为21 ℃的环境中,而另一组置于冰箱中(5 ℃)。放置48 h后对其特性进行研究。

1.2.2青稞BG凝胶热特性的测定准确称量2.5 mg样品于40 μL铝质样品盘中,加入蒸馏水分别配制成浓度为3.6%、4.8%、6.0%的BG凝胶溶液,密封后置室温下平衡2 h。利用DSC测定样品的热特性,参数设置为:从25 ℃开始升温,以3 ℃/min的速率升温到100 ℃,并且用密封空的铝盒做参比。结果以吸热曲线表示,测定凝胶糊化的起始温度T0,峰值温度Tp,终止温度Tc并计算热焓值ΔH。

1.2.3青稞BG凝胶动态粘弹性的测定采用DMA测定不同浓度青稞BG凝胶的储能模量(G')随温度的变化。测定设置为:从25 ℃开始升温,以3 ℃/min的速率升温到100 ℃,升温速率为3 ℃/min,选用单悬臂梁的夹具,应力0.5 g。

1.2.4青稞BG凝胶形成的微观结构表征采用滴液沉积法制备样品,将青稞BG放入重蒸水中,在85 ℃水浴中充分溶解1 h,降到室温后过0.45 μm微孔滤膜,然后稀释成1、20、50、100、200 μg/mL系列浓度的样品,将1 μg/mL的样品直接制样实验,将20、50、100、200 μg/mL系列浓度的样品室温储存20 d再进行实验。制样时取3 μL样品溶液滴加在洗净的硅片上,放在无尘的环境中自然挥发干燥,制好的样品用Nanoscopy Ⅲa型原子力显微镜成像,采用轻敲模式,在室温和正常大气湿度下操作,扫描范围为10 μm×10 μm。

1.2.5数据分析每个实验均平行测定3次,采用Origin对数据进行整理并作图,用SPSS软件分析数据。

2　结果与讨论

2.1青稞BG凝胶热特性

DSC是获得高聚物在构象转变时热力学变化信息的有效手段。浓度及温度对青稞BG凝胶热特性影响的分析结果如表1所示,青稞BG凝胶的DSC曲线如图1所示。由表1可以看出,BG凝胶转化为熔胶的过程中,吸收热量在55～80 ℃之间,这和Lazaridou[7-8]等人的报道结果是一致的。从表1中还可以看出,5、21 ℃形成的凝胶的起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、最终温度(Tc),及热焓值(ΔH)值都随着凝胶浓度的增加而增加。这是因为青稞BG凝胶网络的形成是通过分子链的聚集、交联和缠绕等作用形成的,随着浓度的增大,分子链密度增大,凝胶网络结构中能够形成更多的交联点和交联区域,从而使得凝胶在熔化时需要吸收较多的热量以破坏氢键等的交联作用,从而使得ΔH随着浓度的升高而增大;浓度高时形成的网络结构也更致密,稳定性增强,使得T0、Tp、Tc升高[9]。当凝胶的浓度相同时,5 ℃形成的凝胶热焓值(ΔH)要小于21 ℃形成的凝胶,但融化温度起始温度(T0)、峰值温度(Tp)、最终温度(Tc)却高于21 ℃形成的凝胶,这表明在相同浓度的体系中,和21 ℃形成的凝胶相比,5 ℃形成的凝胶具有更致密的网络结构且稳定性较强。

图1　青稞BG DSC曲线Fig.1　The DSC curve of hulless barley β-glucans gel

2.2青稞BG凝胶动态粘弹性

青稞BG凝胶动态粘弹性的实验结果见图2,G′是对于弹性响应的系数。由图2可以看出G凝胶在加热时G′值随着温度的升高而下降,这因为凝胶在加热时发生凝胶向熔胶的转变,交联结构破坏,表现为储能模量G′随温度升高而下降,转化的温度不是出现在某一温度值,而是在某一温度区间内G′值剧烈的下降[10]。对于同一储存温度的BG,当样品浓度从4.8%增大到6.0%时,G′值大幅度增加,这是因为G′值被用来衡量凝胶网络的连通性,与聚集的微观结构中交联点的数量和强度有关,而G′值的大小与样品的浓度有很大的相关性,所以随着浓度的增加BG聚合物之间的交联区域和粘度都会增加[11-12]。从图中还可以看出,当BG浓度相同时,5 ℃形成凝胶的G′值大于21 ℃形成凝胶的G′值,这是因为随着温度的升高,凝胶结构中的氢键等交联结构破坏,交联区域减少,从而G′值下降,凝胶弹性下降。从图2中还可以看出,随着凝胶浓度的增加,凝胶形成的温度对G′值的影响加大,这是因为和21 ℃条件下形成的凝胶相比,5 ℃条件下形成的凝胶具有更加牢固的网络结构,温度是影响凝胶形成的一个重要因素[13]。根据Morgan[14]等人研究发现,青稞BG凝胶的形成是通过分子链之间的相互作用和交联区域的聚集等作用形成的,且融化温度较低,在40～80 ℃之间。

图2　浓度及温度对青稞BG凝胶动态粘弹性的影响Fig.2　Effect of concentration and temperature on dynamic viscoelasticity the of hulless barley β-glucans gel

图3　青稞BG凝胶的AFM图Fig.3　AFM photographs of hulless barley β-glucans gel注:a～e青稞BG的浓度分别为1、20、50、100、200 μg/mL。

2.3青稞BG凝胶的微观结构表征

实验研究了青稞BG在稀溶液中的存在状态,结果如图3,图3a为新鲜配制的1 μg/mL的样品原子力显微镜扫描图片,由图可以看到硅片上的BG分子呈现为细小的圆形颗粒,数量较多,也有细长的近似微纤维的结构,这些结构看上去比较紧密;溶液经过20 d储存后,不同浓度的样品实验得到的原子力显微镜图片表现出不同的分子聚集状态,图3b是浓度为20 μg/mL的样品,由图可以清晰地看到硅片上的BG分子聚集为较大的圆形颗粒,颗粒大小一致性较好,而且颗粒中间部分较致密,而边缘部分相对稀疏,呈毛绒状;当浓度增大到50 μg/mL时(图3c),样品中出现长的纤维,圆形的颗粒状聚集物变得稀少,纤维形状不是规则的直线型,而是略带弯曲,纤维粗细也不均匀;当浓度增大到100 μg/mL时(图3d)时,硅片上的聚集分子呈现出网络状的结构,纤维彼此错综相连,形成了清晰可见的网状物,但也有个别小的圆形颗粒出现在网络中。随着样品浓度的进一步增大(200 μg/mL),网络结构中纤维的宽度也增大,出现类似于片状的纤维连接(图3e),这可能是出现了粗的纤维连接。

综合实验结果可以看出,青稞BG分子在溶液中的存在状态与浓度,存放时间存在一定的相关性,青稞BG分子的聚集是自发的过程,分子之间通过氢键等作用彼此交联在一起,形成纤维、网络等结构,当溶液中的BG浓度达到一定值时,便会形成有一定机械强度和形状的凝胶[15]。Thomas Moschakis[16]等人利用激光扫描共聚焦显微镜观察了燕麦及青稞BG溶液的聚集过程,结果发现在存放2 h后,BG分子聚集为纤维状结构,随着存放时间的延长,分子之间相互作用的加强,形成球形或圆形的三维网络结构。Keith R. Morgan[17]等人利用原子力显微镜观察到,青稞BG稀溶液存放三天后显微图片上显示BG分子聚集为圆形小颗粒和微小纤维。在类似的报道中,有人对燕麦BG的分子微观结构和聚集性质做了研究,Jia Wu[18]等人利用原子力显微镜观察了BG的聚集过程,结果发现10 μg/mL 的样品在室温存放10 d后,BG分子聚集为纤维状分子。

3　结论

BG凝胶在温度升高时能够熔化,凝胶熔化温度范围为40～80 ℃;对于同一储存温度下的BG凝胶,热力学参数值随着凝胶的浓度增加而增加;对于同一浓度的样品,凝胶的热稳定性随着温度降低而增加。DMA分析结果表明BG凝胶,当样品储存温度相同时,凝胶G′值随着样品浓度的增加而增加;当样品浓度相同时,5 ℃形成的凝胶G′值大于21 ℃形成的凝胶的G′值。利用AFM从微观上了解青稞BG分子的聚集过程,结果发现青稞BG分子在溶液中会发生自动聚集,且聚集状态与青稞BG凝胶存放时间和浓度有关,在不同聚集阶段的样品中分别发现有小球状、纤维状和网状聚集结构。

本文研究发现青稞BG能够形成热可逆的水凝胶,具有作为凝胶剂应用于食品工业的潜力,尤其是应用于保健食品。所以可以采用不同浓度的样品,制备出性质不同的凝胶以适用于不同的应用需要。而且作为高分子多糖,青稞BG凝胶在生物材料和医学等领域也有广阔的发展前景。

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Study on the thermal property,dynamic viscoelasticity and microstructure of Hulless barleyβ-glucan gel

SHAO Shu1,2,DONG Ji-lin1,2,*,SHEN Rui-ling1,2,SUN Yong-gan1,2

(1.College of Food and Biological Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China;2.Collaborative Innovation Center for Food Production and Safety,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450000,China)

The thermal property and dynamic viscoelasticity of Hulless barleyβ-glucan gel(BG)as well as microstructure were investigated respectively in order to provide a theory foundation on food industry. The differential scanning calorimeter(DSC)analysis showed that the onset temperature(To),peak temperature(Tp),end temperature(Tc)and enthalpy of gelatinization(ΔH)increased with the increase of the concentration,when the gels were prepared in the same temperature;while the gels had the same concentration,the thermostability of gels decreased with the increase of the preparation temperature. The dynamic viscoelastometer(DMA)analysis demonstrated that the value of G′increased with the increase of solution concentration and the preparation temperature,suggesting that the cross-linked structures among the gels was increased. The atomic force microscope(AFM)indicated that the BG molecules could naturally gather. In addition,the aggregation level of BG molecules became higher with the rise of gels concentration and the extension of the storing time of gels. Especially,when solution concentration was 100 μg/mL,the network-like structures would be formed among BG molecules.

Hulless barleyβ-glucan;gel;thermal property;dynamic viscoelasticity;microstructure

2015-06-03

邵舒(1988-),女,硕士,研究方向:谷物营养与加工研究,E-mail:245480974@qq.com。

董吉林(1968-),博士,副教授,研究方向:谷物加工,E-mail:dji1968@163.com。

公益性行业(农业)科研专项(201403063)。

TS201.7

A

1002-0306(2016)03-0054-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.03.002