抗性糊精对κ-卡拉胶凝胶特性的影响

詹 伟，袁 超，崔 波

(齐鲁工业大学食品科学与工程学院，山东济南 250000)

天然多糖无毒、生物相容性好、具有良好的生态友好性，已被广泛应用于食品工业和制药配方中[1-2]。κ-卡拉胶是从某些红色海藻中提取的一种含硫多糖，由 重复的α-1，3糖苷键连接的D-半乳吡喃糖和β-1连接的3，6-脱水半乳吡喃糖单元交替连接而成[3]。由于其优异的结构性能，被应用于食品领域以改善食品的质地、粘度和稳定性等[4]。然而，κ-卡拉胶单独成胶时，凝胶的脆性大、水分易析出，不能满足食品工业的部分应用[5]。

在κ-卡拉胶中添加其它糖类可以提高κ-卡拉胶凝胶的强度和持水性能。已有相关报道，多糖与κ-卡拉胶混合后形成的凝胶的理化特性优于单纯κ-卡拉胶凝胶[6-8]。例如，有研究表明κ-卡拉胶中加入秋葵多糖可以显著提高混合凝胶的结构参数，并通过改变水的分布来影响其持水能力。Loret等[9]研究了玉米糖浆/葡萄糖浆混合物(DE=63/40)对κ-卡拉胶凝胶力学性能的影响。结果表明，由于更多的或更大的κ-卡拉胶链聚集，混合凝胶体系具有更高的刚性。Yang等[10]研究了蔗糖对κ-卡拉胶凝胶结构特性的影响，结果表明蔗糖的加入可以提高κ-卡拉胶凝胶的相转变温度，形成的凝胶具有更致密、更粗的κ-卡拉胶纤维束网络结构。然而，关于低聚糖对κ-卡拉胶凝胶特性影响的研究有限。Yuan等[11]研究了不同分子结构的环糊精对κ-卡拉胶凝胶特性的影响。环糊精的加入影响κ-卡拉胶无规则线圈的重新排列，从而改变κ-卡拉胶的凝胶特性。

抗性糊精是通过淀粉热解得到的一种不可消化的低聚糖[12-13]，糖链结构中包含抗酶水解的糖苷键(如α-1,2,α-1,3)。已有研究表明，抗性糊精可以作为膳食纤维来调节人体的血糖、血脂和肠胃环境[14]。另外，抗性糊精也应用在低热量食品中，作为添加剂改善食品风味。抗性糊精的原料来源广泛，生产成本低，而且本身具有低甜度、高溶解、无异味等特点[15]。然而，抗性糊精的研究已有报道，但仍未被广泛应用。

因此，本文研究了以抗性糊精为共溶剂加入到κ-卡拉胶中，通过研究κ-卡拉胶凝胶的冻融稳定性、热力学特性、压缩模量、红外光谱及微观结构的变化，探究抗性糊精对卡拉胶凝胶的影响方式。以期为拓展抗性糊精和κ-卡拉胶的应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

κ-卡拉胶(纯度>98%) 上海TCI有限公司；抗性糊精(水分含量3.08%) 日本松谷化学株式会社；氯化钾 分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

Agilent1260型凝胶渗透色谱 德国Pruftechnik公司；TM120、TM250和TM500型超水凝胶柱 美国Waters公司；TA6000型同步热分析仪 荷兰Perkin Eimer公司；TA-XTplus/30型质构仪 英国SMS公司；TG1650-WS型高速台式离心机 上海卢湘仪离心机仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1κ-卡拉胶和抗性糊精的分子量测定 采用凝胶渗透色谱法(GPC)测定κ-卡拉胶和抗性糊精的分子量分布。检测器为示差折光检测器，测量柱采用超水凝胶柱TM120、TM250和TM500，测定时三柱串联。流动相为0.1 mol/L的硝酸钠，流速1 mL/min，柱温和检测器温度均为40 °C。样品测量前过0.45 μm滤膜，取45 μL进样并收集数据。利用Cirrus GPC软件进行数据分析。

1.2.2 混合凝胶的制备 参照Yuan等[16]的方法，稍作修改制备混合凝胶。称取适量的κ-卡拉胶粉末(1%,w/w)加入到0.2%(w/w)氯化钾溶液中40 °C搅拌均匀，制得1%的纯卡拉胶凝胶原液备用。分别加入1%、2%、3%、4%、5%(w/w)的抗性糊精到κ-卡拉胶溶液中，85 °C水浴搅拌30 min。所得均质液过100目的筛子消除气泡倒入模具中。最后，将样品在25 °C下保存6 h。

1.2.3 冻融稳定性测定 新制备的κ-卡拉胶凝胶原液称重后转移到6个烧杯内，分别加入1%～5%的抗性糊精。混合溶液在85 °C水浴搅拌30 min，称量各离心管的重量记为M1，每个样品均匀地转移到50 mL离心管中，25 °C静置6 h，形成凝胶后称重记为M2。随后转移至-20 °C冷冻24 h，然后25 °C解冻6 h，6000 r/min离心15 min，去除水分后称重，记为M3。冻融循环重复5次，计算每次冻融循环后的析水率。析水率的计算公式如下：

式中：M1为离心管质量，g；M2为凝胶与离心管总质量，g；M3为离心后除去水分后凝胶与离心管的总质量，g。

1.2.4 热稳定性分析 各凝胶样品置于-20 °C环境下冷冻4 h后真空冷冻干燥冻干，研磨成粉末状。称取约10 mg粉末凝胶样品于陶瓷坩埚中进行热稳定性分析。N2流速20 mL/min，升温速率20 °C/min，升温区间20～900 °C。

1.2.5 热动力学分析 通过积分法研究抗性糊精对卡拉胶凝胶热分解动力学的影响。根据下式求得各κ-卡拉胶凝胶的活化能：

式中：α为热分解反应转化率；T为温度(K)；A为指前因子(min-1)，反应本性常数；R为气体常数(8.314 J/(mol·K)；C为升温速率(K/min)；E为反应活化能(kJ·mol-1)。

1.2.6 压缩模量 制备好的各κ-卡拉胶凝胶切成圆柱形的小块(36 mm×10 mm)，置于TA-XTplus/30质构仪平台上。传感器参数5 N，探头以0.1 mm/s的测试速度运行至5 mm的深度，收集应力(τ)与应变(λ)的变化数据。在低应变区，应力与应变曲线用Neo-Hookean模型拟合，拟合曲线的斜率即压缩模量。

1.2.7 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 取少量冷冻干燥后的凝胶粉末置于金刚石平板孔内，自然压下。在扫描次数为48次、分辨率为8 cm-1以及扫描波长范围为4000～400 cm-1的条件下收集样品的红外谱图。

1.2.8 微观结构 制备好的凝胶样品用液氮迅速冷冻，待液氮挥发后将样品切成小块，-80 ℃保存12 h后进行真空冷冻干燥。冻干后的样品在其观察表面进行喷金处理，在加速电压为20 kV的真空条件下，利用扫面电镜放大500倍后观察并拍摄样品的微观形貌。

1.3 数据分析

采用Origin 8.5软件作图，SPSS 22.0软件进行显著性差异分析(P< 0.05)。

2 结果与分析

2.1 κ-卡拉胶与抗性糊精的分子量分布

图1为κ-卡拉胶与抗性糊精的分子量分布谱图，表1为κ-卡拉胶和抗性糊精的分子量相关参数。从图1中可以看出，κ-卡拉胶的谱图中仅有一个洗脱峰(图1A)，且κ-卡拉胶的分散系数为1.67(表1)，表明κ-卡拉胶的分子量较集中。κ-卡拉胶的重均分子量(Mw)为62.66×103kDa，该测量结果与Campo等[2]之前报道的κ-卡拉胶的Mw结果相近。抗性糊精的谱图中在保留时间为23.15 min处观察到一个主峰(图1B)，且洗脱峰很窄，糊精的分散系数为1.55，表明所用糊精样品组分单一，分子量分布集中，几乎没有其它小分子单糖[17]。实验测得所用抗性糊精的平均DP值(12.84)远小于κ-卡拉胶的平均DP值(3867.90)，这表明抗性糊精加入到κ-卡拉胶溶液中可以通过搅拌分散到多糖链之间。

图1 κ-卡拉胶与抗性糊精的分子量分布谱图Fig.1 Molecular weight distribution pattern of κ-carrageenan and resistant dextrin

表1 κ-卡拉胶和抗性糊精的分子量相关参数Table 1 Correlation parameters of molecular weight of κcarrageenan and resistant dextrin

2.2 冻融稳定性

表2为抗性糊精对κ-卡拉胶凝胶冻融稳定性的影响。由表2可知，纯κ-卡拉胶凝胶的析水率在第一次冻融循环中达到了58.85%，且随着冻融循环次数的增加协同作用逐渐增大，在经历5次冻融循环后析水率从58.85%增加到70.08%。这是因为凝胶的网络结构在冷冻过程中易受到冰晶的破坏，导致解冻过程中水分析出[18]。添加抗性糊精后的κ-卡拉胶凝胶冷冻稳定性明显提高，且随着抗性糊精的添加量的增加，提升效果越明显。这是由于抗性糊精分子进入到了κ-卡拉胶的链与链之间，糊精分子带有大量的羟基基团，可与凝胶内部的水分子发生相互作用，在冷冻过程中减少冰晶形成的可用水从而减少冰晶对κ-卡拉胶凝胶网络的破坏作用。而在解冻过程中则由于糊精分子与水的相互作用使水分能更多地保留在凝胶内部。先前桑璐媛[19]研究了β-环糊精对κ-卡拉胶凝胶冻融稳定性的影响。β-环糊精亦降低了κ-卡拉胶凝胶的析水率，然而，相同糊精添加量的情况下，抗性糊精提升κ-卡拉胶凝胶的冻融稳定性优于β-环糊精，且抗性糊精在水溶液中的溶解度大于β-环糊精的溶解度，不易析出。

表2 抗性糊精添加量对κ-卡拉胶凝胶冻融稳定性的影响Table 2 Effect of resistant dextrin addition on the freeze-thaw stability of κ-carrageenan

2.3 热稳定性分析

图2为抗性糊精、κ-卡拉胶凝胶及不同添加量抗性糊精混合κ-卡拉胶凝胶的热失重率的导数曲线。由图2可知所有样品的受热失重可以分为三个阶段：第一阶段T≤180 °C，这一阶段主要是样品中水分的蒸发导致，包括样品中的游离水分和结合水；第二阶段T≥210 °C，该阶段失重最明显，对应样品分子的解聚和分解过程[20]，包括凝胶网络的断裂，官能团受热分解[21]。第三阶段T>700 °C是最终分解产物的碳化阶段。从图中可以看出，κ-卡拉胶和抗性糊精(图2)的分子分解只有一个失重阶段，分解峰值温度分别为242.32 °C和327.90 °C，这说明这两种样品的纯度极高，这与样品分子量分布的结果相一致[22]。κ-卡拉胶中抗性糊精的添加量从1%增加到4%时，κ-卡拉胶凝胶样品分解温度逐渐增大，但当抗性糊精添加量为5%时，混合凝胶的分解温度出现降低。这是因为抗性糊精分子与κ-卡拉胶分子链之间存在相互作用，使混合凝胶的网络结构更加致密[23]，有更大的刚性，凝胶结构分解需要更多的能量。但过量的抗性糊精分子会对κ-卡拉胶的凝胶网络结构产生挤压，破坏部分结构壁(图4f)，使热分解所需的能量减少。

图2 抗性糊精添加量对κ-卡拉胶凝胶热稳定性的影响Fig.2 Effect of resistant dextrin addition on the thermal stability of κ-carrageenan gel

2.4 热动力学分析

表3是各凝胶样品的热动力学分解活化能和指前因子。本实验讨论了κ-卡拉胶凝胶的主要热分解阶段，即200～300 ℃，为减少误差，在计算动力学参数时将温度区间分段，间隔为20 ℃[24]。反应活化能是指分子从常态转化为易发生化学反应的状态时所需的能量，在相同条件下物质所需反应化学能越高，表明物质常态下越稳定。由公式计算得κ-卡拉胶的反应活化能为72.81 kJ·mol-1，指前因子5.19×108min-1，κ-卡拉胶凝胶的密集网络结构使其反应需要较高的活化能。抗性糊精的加入使κ-卡拉胶凝胶热分解所需的活化能显著提高，且随糊精添加量增加，提升越明显。当糊精添加量为4%时，κ-卡拉胶凝胶的反应活化能达到大值106.20 kJ/mol。混合凝胶分解时需要更多的能量，表明混合凝胶的网络结构更加致密。然而，当抗性糊精的添加量达到5%时，混合凝胶热分解所需的活化能出现降低。这是因为过量的抗性糊精分子阻碍了多糖链的聚集，而且在形成凝胶的过程中对周围的网络结构产生挤压，导致最终形成的网络结构出现破损(图4f)。因此在热分解时，相对减少了网络结构分解所需的能量。Wang等[23]研究羟丙基-β-环糊精对κ-卡拉胶凝胶结构的影响，亦报道了类似的结果。高浓度的羟丙基-β-环糊精使κ-卡拉胶分子链的聚合途径受到阻碍。另外，抗性糊精的添加量为3%时，混合凝胶热分解所需的活化能低于糊精添加量为2%的混合凝胶。当抗性糊精加入到κ-卡拉胶中，抗性糊精分子以两种方式存在，部分溶解在水相，分散在网络空腔上表面，另外一部分嵌入到κ-卡拉胶骨架内，促进κ-卡拉胶分子形成更多的缠结[19]。当少量抗性糊精(1%、2%)加入后，糊精分子主要以分散的方式存在，通过分子间相互作用强化凝胶的网络结构。然而更多的糊精加入后(3%)，凝胶样品的热分解活化能出现降低。这可能因为部分糊精分子分散到κ-卡拉胶骨架内，将网络结构分隔，但还没有足够多的糊精分子支撑连续网络的分隔，导致部分的网络结构不完整，降低了分解时所需的能量。

表3 凝胶样品的热分解活化能和指前因子Table 3 The activation energy and pre-exponential factor of gels

2.5 压缩模量

凝胶食品具有一定的抗形变能力，可以方便食品的运输和储存，也会赋予食品咀嚼口感。抗性糊精对κ-卡拉胶凝胶的压缩模量的影响如表4所示。从实验结果可以看出抗性糊精的加入提高了κ-卡拉胶凝胶的压缩模量，在抗性糊精添加量为4%时达到最大。当糊精添加量为5%时，弹性模量出现降低，这与凝胶热稳定性的变化趋势相同。凝胶的模量愈大,愈不容易变形, 表示凝胶的刚性愈大。抗性糊精的加入使得κ-卡拉胶在溶胶状态时搅拌更加均匀，削弱了κ-卡拉胶链与水的相互作用，成胶时促使多糖链相互靠近形成更加紧密的网络结构。Zhao等[25]研究了κ-卡拉胶/聚丙烯酸水凝胶的应力与应变关系。结果表明，复合凝胶具有优异的力学性能，材料的韧性和强度得到提高。抗性糊精的加入促进κ-卡拉胶线性链的相互靠近，最终形成的凝胶内部网络结构更加坚韧。然而，过量的抗性糊精分子(5%)充斥在κ-卡拉胶凝胶网络中，会部分破坏凝胶网络，导致凝胶的压缩模量降低。这与先前报道的羟丙基-β-环糊精对κ-卡拉胶凝胶的压缩模量的结论相似[22]。另外，刘国军等[26]亦报道普鲁兰糖的加入可提升κ-卡拉胶的凝胶强度。然而普鲁兰糖的分子量远大于抗性糊精的分子量，加入到κ-卡拉胶中会改变溶液的黏度。而抗性糊精的水溶液黏度很低，且随剪切速率和温度变化引起的变化微小。因此，抗性糊精的加入不会改变κ-卡拉胶溶液的内部特性。

表4 抗性糊精对κ-卡拉胶凝胶的压缩模量的影响Table 4 The compression elastic modulus of κ-carrageenan gels influenced by resistant dextrin

2.6 红外衰减全反射分析

图3为添加了不同浓度抗性糊精的卡拉胶凝胶的红外谱图。由图3可知，纯卡拉胶凝胶在3365、1236、920 cm-1处的峰分别属于-OH的伸缩振动、硫酸酯基及C-O-C(3，6半乳吡喃糖)基团[27]。添加了抗性糊精的卡拉胶凝胶与纯卡拉胶凝胶相比，没有出现新的特征峰，说明抗性糊精分子没有与卡拉胶分子之间产生共价结合，即抗性糊精仅作为共溶剂影响卡拉胶分子链的排列。然而，含有抗性糊精的卡拉胶凝胶在3365 cm-1处的峰向低波数方向偏移且峰强度提高，说明混合卡拉胶体系中氢键相互作用增强。随这抗性糊精添加量的增加，峰变化越明显。这是因为抗性糊精分子加入到κ-卡拉胶中后使凝胶体系产生更多的氢键，这有利于卡拉胶分子链之间的有序排列。其它低聚糖例如羟丙基-β-环糊精的加入亦有利于卡拉胶分子链之间的有序排列[23]。

图3 添加抗性糊精的卡拉胶凝胶的红外谱图Fig.3 The infrared spectra of κ-carrageenan gel with resistant dextrin

2.7 微观结构分析

不同添加量的抗性糊精对κ-卡拉胶凝胶微观结构的影响如图4所示。纯κ-卡拉胶凝胶呈现出褶皱交联网络结构(图4a)，导致了纯κ-卡拉胶凝胶的持水率和强度较低，这与Yuan等[16]的研究结果一致。在抗性糊精的存在下，网络结构发生明显变化。混合凝胶的网络结构壁变的光滑且坚硬，凝胶的蜂窝状结构比纯κ-卡拉胶凝胶更紧密(图4b～f)。随着抗性糊精添加量的增加，凝胶网络结构变得更加密集，并观察到一些絮状颗粒附着在凝胶壁上。这一结果表明，抗性糊精增强κ-卡拉胶的胶凝作用[28]。在κ-卡拉胶/环糊精混合凝胶中也观察到类似的现象，添加了环糊精的混合凝胶呈现出更加精细的网状结构，且孔隙均匀。然而，当抗性糊精浓度达到5%时，κ-卡拉胶/抗性糊精混合凝胶的网络出现部分破坏。过量的抗性糊精分子阻碍了κ-卡拉胶链的接近和凝胶化。这些结论与热稳定性及压缩模量的结果一致。

图4 不同抗性糊精添加量对κ-卡拉胶凝胶微观结构的影响Fig.4 Effect of resistant dextrin addition on the microstructure of kappa-carrageenan gel

3 结论

利用物理混合的方式研究了抗性糊精对卡拉胶凝胶特性的影响。对比分析了各样品的冻融稳定性、热稳定性、压缩弹性模量、红外光谱及微观结构。抗性糊精的加入显著影响κ-卡拉胶凝胶的冻融稳定性。随着糊精添加量的增加，凝胶的冻融稳定性呈升高趋势。与单纯κ-卡拉胶相比，添加抗性糊精的κ-卡拉胶凝胶分解温度最大上升至257.86 ℃，反应活化能为106.20 kJ·mol-1。另外，在4%抗性糊精的存在下，κ-卡拉胶凝胶的弹性压缩模量增加至43.83 kPa。红外光谱及微观结构结果表明，抗性糊精以非共价结合的方式影响了κ-卡拉胶的凝胶特性且与糊精的添加量有显著关系。在抗性糊精添加量为4%时，κ-卡拉胶凝胶的网络结构最为紧密。抗性糊精加入到κ-卡拉胶体系中，通过与体系内分子的相互作用，使凝胶具有更好的理化特性。结合抗性糊精和κ-卡拉胶的功能特性，这些研究结果可能有助于功能性凝胶食品的开发。