不同超声条件下结冷胶酸性凝胶的凝胶特性研究

陈 青 程红梅 周涛涛 岳志敏 韩晓祥

(浙江工商大学食品与生物工程学院， 杭州 310018)

0 引言

蛋白质和多糖是食品体系中两类重要的生物大分子，也是赋予食品良好质构特性和加工性能的主要因素。凝胶性质是多糖和蛋白质的重要功能特性，通过凝胶结构的调控可实现食品质构、感官、营养和风味的调节[1-3]。

近年来，环境友好的加工技术，如超声波处理技术成为世界各国研究者的关注热点[4-6]。超声波是指频率大于20 kHz的声波，同时拥有波动与能量双重性。超声波会产生空化作用、机械效应以及热效应等，对多糖和蛋白质的微观结构、物理化学性质和功能特性影响显著，目前已广泛用于多糖和蛋白质的提取、降解、改性和加工等方面[7-12]。超声波处理可以通过改变生物大分子的微观结构，增加流动性，增强多糖、蛋白质、水之间的相互作用，有利于改善凝胶品质和保水性。如文献[13]发现，菜籽分离蛋白在超声波和碱处理作用下，蛋白质的游离巯基含量和表面疏水性增大，α-螺旋和无规线团含量减少，当超声频率为20 kHz和pH值为12.5时，改性蛋白质的溶解度最大，超声波处理有望成为蛋白质改性的有效手段。文献[14]发现超声处理同时辅以漆酶交联可提高α-乳白蛋白乳液稳定性，适中的超声时间可增强α-乳白蛋白乳液凝胶的凝胶强度。文献[15]考察了超声处理对转谷氨酰胺酶(TG酶)诱导花生分离蛋白(PPI)-燕麦膳食纤维(ODF)混合凝胶的影响，发现超声处理会减少α-螺旋的含量，增大β-螺旋和无规线团含量，有利于PPI-ODF体系形成连续致密的凝胶结构，凝胶强度增强。

结冷胶是一种水溶性的阴离子多糖，在食品、化工、医药等行业中应用广泛[16-19]。在医药领域中，结冷胶可用于骨修复材料、抗菌药物载体、基因转染和基因治疗。在食品工业中可作为稳定剂、乳化剂、胶凝剂、成膜剂等用于糖果、果酱、水凝胶、面制品以及乳制品的生产，还可作为新型清洗剂用于造纸行业。凝胶性质是结冷胶在食品工业中使用时最受关注的特性之一，目前关于超声波处理对结冷胶凝胶性质的影响研究还鲜有报道。本文以低酰基结冷胶(LA)为研究对象，考察超声处理对结冷胶酸性凝胶凝胶特性的影响，以期为结冷胶改性提供新思路，为结冷胶在食品工业及其它领域中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

低酰基结冷胶(LA)Kelcogel，美国Kelco公司；葡萄糖酸-δ-内酯(GDL)，阿拉丁生化科技股份有限公司，食品级；去离子水，实验室自制；戊二醛25%水溶液，上海化学试剂采购供应五联化工厂；十二水合磷酸氢二钠，二水和磷酸二氢钠，无水乙醇，氢氧化钠，分析纯，西陇科学股份有限公司。

XH-300A型微波超声萃取仪，北京祥鹄科技发展有限公司；JZ78-1型磁力搅拌器，杭州通用电子仪表厂；电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司；TG16-WS型台式高速离心机，长沙湘仪离心机仪器有限公司；CR-400型色差计，日本Konica Minolta Sensing 公司；新芝SCIENTE-10N型冷冻干燥机，宁波新芝生物科技有限公司；TA-XT 2i型质构分析仪，英国SMS公司；E-1010型喷金仪、TM-1010型扫描电子显微镜，日本Hitachi公司；BL-180型集成防爆冷柜，上海亿思科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1结冷胶凝胶制备

在室温(20℃)下将适量结冷胶粉末加入去离子水中并溶胀24 h，于90℃下进行磁力搅拌，直至结冷胶粉末完全溶解得到结冷胶溶液。将结冷胶溶液(100 mL)倒入微波专用三颈瓶，利用微波超声波萃取仪进行超声处理，超声探头浸入结冷胶溶液液面以下10 mm处，超声循环模式设置为1∶0(超声探头一直振动)，超声处理温度恒定为(55±1)℃。超声处理完成后，在结冷胶溶液中加入GDL，磁力搅拌3 min，将溶液分装在Ф30 mm×20 mm模具中，用15℃的冷水浴冷却10 min后，在4℃的冰箱中放置36 h后脱模，进行测试分析。在进行测试前，凝胶试样均在室温下放置0.5 h进行平衡。

配制的结冷胶溶液质量浓度为0.004、0.006、0.008、0.01 g/mL，GDL/LA质量比分别为0.25、0.5、1、2和4。超声功率为100、300、500、700 W，超声时间为0、10、20、30、40 min。

1.2.2不透明指数测试

利用实验室自制的切片工具从凝胶的中间部分切出厚度2 mm的薄片，用色差计测试样品的明亮度。样品置于黑色背景下测得明亮度Lb，样品置于白色背景下测得明亮度Lw。则凝胶的不透明指数(OI)为：Lb/Lw×100%。

1.2.3力学性能测试

凝胶的力学性能使用TA-XT 2i型质构分析仪测试。测试模式为compression，探头型号为P/45(直径为45 mm的圆柱探头)。测试前探头下压速度为1 mm/s，测试时探头速度为0.5 mm/s，测定后探头回复速度为1 mm/s，压缩应变为80%，触发力为0.049 N。

测试过程中凝胶样品截面会发生改变，参照文献[20]对测定的力和应变进行校正，公式为

(1)

(2)

式中ε——真实应变

σ——真实应力

F(t)——t时刻的力

L(t)——t时刻的试样高度

L0——样品的初始高度

S0——样品的初始横截面积

从ε-σ曲线上可以获得表征凝胶力学性能的参数，如断裂应力、断裂应变和杨氏模量。

1.2.4保水性测试

在脱模后的凝胶中部切出15 mm×15 mm×15 mm的小方块，放入50 mL离心管中，测出空离心管的质量W0，加入凝胶后离心管和凝胶的总质量为W1。在10 000 r/min的条件下离心15 min，去除水后离心管和凝胶的总质量为W2，凝胶保水性指数(WHC)为：(W2-W0)/(W1-W0)×100%。

1.2.5微观结构分析

在脱模后的凝胶中部切出10 mm×10 mm×15 mm的长方体，用pH值为7.2的质量分数2.5%的0.1 mol/L戊二醛PBS(磷酸盐缓冲液)溶液固定24 h，间隔12 h换一次固定液。之后用0.1 mol/L、pH值7.2的PBS冲洗试样3次，每次15 min。用1%的锇酸溶液固定样品2 h，再用0.1 mol/L、pH值7.0的PBS漂洗样品3次，每次15 min。用体积分数为50%、70%、80%、90%、95%的乙醇脱水一次，每次15 min，再用100%的乙醇处理2次，每次20 min。然后用液氮将试样冷冻，置于真空冷冻干燥机中干燥，经真空喷金后，采用扫描电子显微镜观察试样断面的微观形貌，加速电压3 kV。

1.3 数据统计分析

所有数据均利用Origin 8.0和SPSS 17.0进行数据处理和分析。在实验中为了减少实验误差，提高数据可信度，每组实验重复测定3～5次，文中所用数据为多次重复测量的平均值。

2 结果与讨论

2.1 凝胶的光学性质

图1(图中不同字母表示p<0.01水平差异显著，下同)给出了超声处理对结冷胶酸性凝胶不透明指数的影响。显然，随着超声功率提高和超声时间延长，结冷胶酸性凝胶的不透明性略有减小，这是因为超声波在液体中传播时，存在空化效应，产生的剪切力会改变材料的结构、相态和性质[12]。超声作用可能会使结冷胶分子链断裂，形成的聚集态尺寸略有减小，故而凝胶的不透明性略有降低。结冷胶浓度越高，酸性凝胶的不透明性越强。浓度增大，溶液中结冷胶分子之间的距离减小，分子链与分子链发生碰撞的几率增大，分子链更容易聚集形成链接区，聚集态尺寸增大，凝胶不透明性增大[21]。酸性凝胶的不透明性随着GDL/LA质量比的升高而增大，这是因为GDL在水溶液中水解产生葡萄糖酸，释放的氢离子会与结冷胶分子链上带负电的羧基结合，促进了结冷胶双螺旋链的聚集。随着体系内GDL含量增高，释放氢离子的速度和数量增大，使得链接区数量和尺寸增大，凝胶的不透明性增加。这与文献[22]对钙离子诱导结冷胶凝胶的不透明性研究结果类似。

相对而言，结冷胶浓度改变对不透明性的影响程度更大，这也与凝胶宏观形貌的观察结果一致。

2.2 凝胶的力学性能

超声处理结冷胶酸性凝胶的应力-应变关系曲线如图2所示，可见，该曲线可分为3个变化区域：①线性粘弹区。当应变在0.05以内时，应力与应变之间符合线性关系。②非线性粘弹区。该区域主要是凝胶样品的塑性变形，在测试时可以看到凝胶样品中有水分渗出，此区域内应力增加速率大于应变增加速率。③断裂临界区。该区域内应力和应变达到最大值，之后凝胶样品发生断裂。

2.2.1断裂应力

图3给出了超声处理对结冷胶酸性凝胶断裂应力的影响，显然，结冷胶浓度越高，凝胶的断裂应力越大，这是因为浓度增大，单位体积内结冷胶分子链数目增多，形成的凝胶结构更为致密。随着超声功率的增大，凝胶的断裂应力逐渐减小。当结冷胶质量浓度为0.01 g/mL时，在不同的GDL/LA质量比下，超声功率从100 W增大到700 W时，断裂应力减小为初始值的73%～82%。随着超声时间的延长，断裂应力则逐渐减小，当超声时间延长到40 min时，凝胶的断裂应力降低到初始值(未超声处理)的71%～92%。说明超声处理会弱化结冷胶酸性凝胶的形成。GDL/LA质量比对超声处理结冷胶酸性凝胶断裂应力影响显著，当GDL/LA质量比为1时，断裂应力最大。这是因为pH值会影响结冷胶分子构象[23]，溶液中的氢离子会与结冷胶分子链上带负电的羧基结合，屏蔽了羧基间的静电排斥作用，同时氢离子浓度也会影响结冷胶分子链上羧基的解离度。在结冷胶酸化体系中，存在着酸化和凝胶两个竞争作用，如果体系酸化速率过快，结冷胶分子链聚集速度也过快，不容易形成均匀结构。现有研究表明[24]，凝胶速率越慢，越容易形成均匀凝胶。对于超声处理的结冷胶酸化体系而言，当GDL/LA质量比为1时，凝胶速率和酸化速率均较为适中，体系内部可形成相对完整的网络结构，凝胶强度最大。此外还可发现，当GDL/LA质量比为1时，超声功率和超声时间对凝胶断裂应力的影响程度最小。

2.2.2断裂应变

图4给出了超声处理对结冷胶酸性凝胶断裂应变的影响，断裂应变是凝胶破断时产生的变形量，断裂应变越大，说明凝胶变形性越好，凝胶越软。由图可知，随着超声功率增大和超声时间延长，断裂应变会略有增大，说明超声作用使凝胶变软。超声作用对断裂应变的影响程度与GDL/LA质量比密切相关，GDL/LA质量比越小，超声时间和超声功率对断裂应变的影响程度越大，当GDL/LA质量比大于1时，超声时间和超声功率对凝胶断裂应变的影响较小。结冷胶浓度越低，凝胶的断裂应变越大，说明结冷胶浓度越低，超声处理后形成的酸性凝胶变形性越大，凝胶越软。此外，凝胶的断裂应变随着GDL/LA质量比的增大而减小。

2.2.3杨氏模量

杨氏模量是材料刚性的表现，可用来表征凝胶的坚实度。图5给出了超声处理对结冷胶酸性凝胶杨氏模量的影响，显然，超声功率和超声时间对杨氏模量影响显著，随着超声功率的增大和超声时间的延长，杨氏模量均出现了下降，相对于超声功率而言，超声时间的影响更为明显。当超声时间延长到40 min时，杨氏模量降低到初始值的60%～68%，这与超声作用对断裂应力的影响结果类似。由图5c可知，结冷胶浓度越高，凝胶的杨氏模量也越大。此外，酸性凝胶的杨氏模量均在GDL/LA质量比为1时达到最大值，说明合适的GDL/LA质量比会使结冷胶凝胶强度提高，但体系中酸含量过高或过低均会影响结冷胶分子链的聚集速率，不易形成均匀致密凝胶，使得凝胶强度降低。

根据结冷胶凝胶力学性能的变化规律，提出了超声处理下结冷胶酸性凝胶的形成机理，如图6所示。对于未超声处理的结冷胶溶液而言，当温度较高时(高于凝胶温度)，结冷胶分子链呈无规线团构象，随着温度的降低，结冷胶分子链发生聚集而形成三维网络结构。对超声处理的结冷胶溶液而言，超声处理温度为55℃，高于结冷胶的凝胶温度(0.01 g/mL结冷胶溶液的凝胶温度约为33℃)，在该温度下结冷胶分子链呈无规线团构象，超声处理使结冷胶分子链断链，产生较多的结冷胶短链分子。温度降低，结冷胶分子链聚集形成网络结构，与未超声处理体系相比，此时分子链间的缠结交联点减少，产生较多短的悬挂链，凝胶结构弱化，因此超声处理后凝胶的断裂应力和杨氏模量降低。

2.3 凝胶的保水性

超声处理对结冷胶酸性凝胶保水性的影响如图7所示，超声功率增大，凝胶保水性降低，当超声功率超过500 W后，超声功率对凝胶保水性几乎无影响。这可能是因为超声功率增大，凝胶结构的致密度略有降低。随着超声时间延长，保水性先是略有增大，之后则略有降低，保水性在超声时间为30 min时获得最大值。文献[25]认为结冷胶酸性凝胶会形成均匀的海绵状网络结构，网络结构中的孔隙大小和数量决定了凝胶样品的保水性。根据上文提出的凝胶机理，随着超声时间的延长，形成的凝胶结构中产生了较多的悬挂链，微孔结构增多，保水性得到了一定程度的增强。文献[26]发现一定条件的高强度超声处理，会增强GDL诱导的大豆分离蛋白凝胶的保水性，与本文结果类似。

凝胶样品的保水性随着基体浓度的增加而逐渐增大，其变化规律与断裂应力和杨氏模量相似。结冷胶浓度越高，体系内部形成的网络结构更致密，离心时微观结构更难被破坏，保水性更大。酸性凝胶的保水性随着GDL/LA质量比的增大而减小，当GDL/LA质量比为4时，酸性凝胶保水性最小，这可能是因为此时酸性凝胶断裂应变最小，在受到较大离心力作用时，网络结构更容易破坏，从而导致酸性凝胶的保水性降低。综上所述，如果能合理控制超声处理条件，可使结冷胶酸性凝胶获得较好的持水能力。

2.4 凝胶的微观结构

图8给出了超声作用后结冷胶酸性凝胶的微观结构，随着基体浓度的升高，凝胶的结构更为致密，这与上文对酸性凝胶力学性质、光学性质和保水性的研究结果一致。超声处理和酸化会使得凝胶形成海绵状的网络结构，随着超声功率增大，凝胶网络结构中孔洞较多且较小，结构变得不均匀，更不容易锁住水分，凝胶强度也较低。超声处理后结冷胶网络结构中会形成较多的小纤维束，这是因为超声作用下结冷胶形成较多的短链，在形成网络结构时因无法与其他分子链之间形成有效的联结，会以悬挂链的形式在孔洞的内部形成细小纤维束微结构。当超声功率为500 W和700 W时，细小纤维状结构非常明显，小纤维束可以通过毛细管力将水束缚在凝胶的网络结构，这也说明了当超声功率超过500 W后凝胶保水性相差不大的原因。

3 结论

(1)超声处理对结冷胶酸性凝胶凝胶特性影响显著。断裂应变随着超声时间延长和超声功率增加而逐渐增大，断裂应力和杨氏模量则随着超声时间延长和超声功率增加而逐渐减小，说明超声处理会使结冷胶酸性凝胶弱化。

(2)结冷胶浓度越高，不透明指数、断裂应力、杨氏模量和保水性越大，断裂应变则越小。GDL/LA质量比越大，酸性凝胶的断裂应变和保水性越低，不透明指数越大。断裂应力、杨氏模量随着GDL/LA质量比的增大出现了先增大后降低的变化趋势，当GDL/LA质量比为1时获得最大值。

(3)超声处理使得结冷胶分子链断链，三维网络结构中形成了细小的纤维束，适中的超声处理时间(30 min)可以提高凝胶的保水性。

(4)超声波处理技术可用于结冷胶改性，适当的超声波处理可改善结冷胶酸性凝胶的凝胶特性。