不同木薯淀粉对冻融魔芋葡甘聚糖 凝胶特性的比较分析

徐聪，栗俊广,2，张旭玥，赵电波,2，陈历水，孙芳菲，白艳红,2*

（1.郑州轻工业大学食品与生物工程学院，河南省冷链食品质量安全控制重点实验室，河南郑州 450001） （2.食品生产与安全河南省协同创新中心，河南郑州 450001） （3.漯河市卫龙生物技术有限公司，漯河市食品安全与营养健康重点实验室，河南漯河 462000）

随着休闲食品产业的不断发展，以魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）为核心原料的冻融脱乙酰KGM凝胶在市场上受到广泛关注，其代表性产品魔芋爽因其独特的口感备受消费者的青睐。KGM在碱性条件下加热脱去乙酰基形成热不可逆凝胶后[1-3]，再通过凝胶冷冻增强工艺，即冻融处理形成其独特的质构特性[4-6]。冻融处理虽然能极大的增强KGM凝胶的机械强度，但经冻融处理后，凝胶析水现象严重，李晓飞等[7]发现30 g/L的KGM凝胶在冻融处理后析水率达到了50%。有研究认为KGM凝胶在冷冻过程中KGM分子的运动被限制，相互接触而紧密结合，形成高分子聚集微区和非聚集微区，在解冻时非聚集区因为凝胶网络被破坏而大量失水[8]。目前，关于KGM凝胶在冻融处理后的剧烈析水现象已经成为制约魔芋凝胶产品创新和品质提升的瓶颈问题。

针对这一问题，众多学者利用KGM多糖和其他多糖如黄原胶、羧甲基壳聚糖、羧甲基纤维素等之间的协同作用以改善KGM凝胶特性[9-11]，Shang等[12]发现淀粉可有效改善冻融魔芋凝胶的析水现象。淀粉是食品工业中常见且广泛应用的一种多糖。在原淀粉上经过物理、化学或酶改性形成的改性淀粉，可以不同程度的改善其抗冻性能[13]。目前市面上抗冻淀粉主要为酯化淀粉、交联淀粉及交联酯化淀粉等。王静文等[14]发现添加醋酸酯淀粉（starch acetate，SA）可以有效降低冷冻水晶饺子皮的冻裂率，吴香[15]发现乙酰化二淀粉己二酸酯淀粉（acetylated di-starch adipate，ADA）可以有效提高肌原纤维蛋白凝胶的保水性，Arocas等[16]发现乙酰化二淀粉磷酸酯淀粉（acetylated di-starch phosphate starch，ADP）可以有效降低奶油酱的解冻损失。但是利用改性淀粉改善冻融KGM凝胶析水现象和凝胶特性的研究鲜有报道，因此本文研究木薯淀粉（cassavastarch，CS）及三种以CS为基粉改性的SA、ADA和ADP淀粉对冻融KGM凝胶质构、保水性和结构的影响，为KGM/淀粉复合凝胶食品的开发提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 原料

S30903型号魔芋葡甘聚糖（KGM），上海源叶生物科技有限公司；木薯淀粉（CS）、木薯醋酸酯淀粉（SA）、木薯乙酰化二淀粉己二酸酯淀粉（ADA）、木薯乙酰化二淀粉磷酸酯淀粉（ADP），青州北联淀粉有限公司；无水碳酸钠，天津市大茂化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器

AB265-S分析天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；CR-GIII高速冷冻离心机，日本日立公司；TA-XT Plus质构分析仪，英国Stable Micro System公司；Vertex傅里叶变换红外光谱仪，美国Bruker光学公司；D8 ADVANCE X射线衍射仪，荷兰帕纳科公司；STA449F3同步热分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司；SU8010冷场扫描电子显微镜，日本日立公司。

1.3 实验方法

1.3.1 冻融魔芋葡甘聚糖凝胶的制备

参考李晶等[2]的方法并稍加修改，在90 g去离子水中加入4 g魔芋葡甘聚糖，在6 g去离子水中加入0.48 g碳酸钠，充分搅拌使魔芋完全溶解后，加入碳酸钠碱液，以1500 r/min的转速搅拌2 min后加入模具中封口溶胀2 h。将溶胶于95 ℃水浴锅中隔水加热1 h形成凝胶，待凝胶冷却至室温25 ℃后，于-18 ℃冰箱中冷冻12 h，随后于25 ℃室温下解冻6 h，即制得经冻融处理的魔芋葡甘聚糖凝胶（KGM）。

1.3.2 冻融魔芋葡甘聚糖/淀粉凝胶的制备

参考Shang等[12]的方法并稍加修改，在90 g去离子水中加入2.5 g魔芋葡甘聚糖和1.5 g淀粉充分溶解后，加入用0.48 g碳酸钠完全溶解于6 g去离子水中的碱液，以1500 r/min的转速搅拌2 min后在模具中封口溶胀2 h。后续制备方法如1.3.1所示，即制得经冻融处理的魔芋葡甘聚糖/木薯淀粉复合凝胶（KGM/CS）、魔芋葡甘聚糖/木薯醋酸酯淀粉复合凝胶（KGM/SA）、魔芋葡甘聚糖/木薯乙酰化二淀粉己二酸酯淀粉复合凝胶（KGM/ADA）、魔芋葡甘聚糖/木薯乙酰化二淀粉磷酸酯淀粉复合凝胶（KGM/ADP）。

1.3.3 质构分析

将经冻融处理后的凝胶切成10 mm高的圆柱体（底面直径为25 mm），在质构分析仪中进行全质构分析，测试程序设定如下：使用P/36R探头，压缩形变量50%，触发力5 g，测前速度2 mm/s，测中及侧后速度1 mm/s，间隔时间5 s，即得到冻融凝胶的质构特性。

1.3.4 析水率和持水率的测定

析水率和持水率的测定参照Zhang等[17]的方法，记录加热后冷却至室温的凝胶质量为a，将经冻融处理后的凝胶用滤纸轻轻擦去表面水分，记录质量为b，将擦去表面水分的凝胶在离心机中4 ℃下10000 r/min离心20 min后擦去表面水分，记录质量为c。

1.3.5 傅里叶变换红外光谱分析

参考Xia等[18]的方法，在400～4000 cm-1范围内，测定冷冻干燥凝胶样品的傅里叶变换红外光谱。

1.3.6 结晶度分析

参考Liu等[19]的方法并稍加修改，在5 °至90 °范围内，以0.02 °的步长测定冷冻干燥凝胶样品的X射线衍射图谱。

1.3.7 热稳定性分析

参照Zhu等[20]的方法并稍加修改，将约10 mg样品在同步热分仪中以氮气为保护气，从50 ℃以10 ℃/min加热到200 ℃，记录样品随温度变化的质量损失。

1.3.8 微观形貌观察

参照李培源等[7]的方法并稍加修改，将2 cm立方的凝胶在液氮中迅速冷冻后，在-80 ℃下升华10 min后切片并喷金，送入高真空的冷场电子扫描显微镜中观察凝胶切面的微观结构。

1.3.9 数据处理

以上所有实验均采用三次重复，所有图表均使用Origin 2018软件绘制，使用SPSS 22.0软件进行显著性分析，p<0.05为显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 不同木薯淀粉对冻融魔芋葡甘聚糖凝胶质构特性的影响

由表1可知，相比于冻融KGM凝胶，使用不同木薯淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖所制备的冻融复合凝胶的硬度、咀嚼性及回复性显著降低（p<0.05），弹性和内聚性无明显变化（p>0.05）。硬度、咀嚼性及回复性的变化可能是由于相比于四种淀粉，魔芋葡甘聚糖的粘度更高，形成的网状结构更致密，在凝胶压缩形变至50%时所承受的力也越大，因此冻融复合凝胶的硬度、咀嚼性及回复性均显著降低。弹性和内聚性无明显变化则表明使用不同种类的木薯淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖对冻融凝胶的弹性及内聚性无明显影响。在四种冻融复合凝胶中存在的质构特性的差异表明变性淀粉的种类对冻融复合凝胶的质构特性有直接影响，其中KGM/ADA和KGM/ADP复合凝胶的硬度、咀嚼性及回复性相比于其余两种冻融复合凝胶有显著提高，这可能是由于ADA和ADP淀粉均属于交联酯化淀粉[21]，在加工中引入了有机酯键，酯键相互交联而形成了交联键[22]，提高了淀粉内部与外部的联系，继而提高了交联密度，使其能更好的填充在KGM凝胶网络内部，从而提高了冻融凝胶的硬度、咀嚼性及回复性，这一点与郑罗燕[22]的结果相类似。综合五种冻融凝胶的质构特性，使用ADP淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖所制备的冻融复合凝胶与冻融KGM凝胶的硬度和咀嚼性差异最小（p<0.05），硬度从274.36 g下降至176.33 g，咀嚼性从130.57 g下降至79.32 g，且弹性、内聚性及回复性无显著差异（p>0.05）。硬度和咀嚼性的降低可能会影响感官评价得分，但针对冻融KGM凝胶的质构特性中的硬度和咀嚼性与感官评价的正负相关性还需要进一步研究。

2.2 不同木薯淀粉对冻融魔芋葡甘聚糖凝胶保水性的影响

图1a和图1b分别为不同木薯淀粉对冻融魔芋葡甘聚糖凝胶析水率及持水率的影响。析水率和持水率是反应凝胶冻融后保水性的重要指标，凝胶在冷冻中冰晶的形成很容易破坏复合凝胶的网络结构[23]，从而导致解冻过程中的高度脱水收缩，继而影响凝胶的物理特性或功能特性。由图1a可知，使用淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖可以显著降低冻融KGM凝胶的析水率，同时，KGM/ADP复合凝胶的析水率相比于最高的KGM凝胶从29.75%下降至8.71%。持水率反映了凝胶在冻融后的水分保持能力，从图1b中可以发现，KGM/ADP复合凝胶的持水率为87.42%，最低的KGM/CS复合凝胶仅为64.78%，KGM凝胶为73.68%。综合析水率和持水率可以发现，淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖可以显著提高冻融KGM凝胶的保水性，这与Shang等[12]的结论相一致，四种复合凝胶中保水性最好的是KGM/ADP凝胶，这可能是由于ADP淀粉中的有机酯键相互交联[24]，有效提高了淀粉的润胀率，能更好的吸收凝胶冻融中脱水收缩析出的水分，继而降低析水率。同时，由于ADP淀粉引入的乙酰基，增强了淀粉内部与外部的联系，提高了交联密度，促进了凝胶强度的同时能使凝胶保持更多的水分。但析水率和持水率的趋势的不同可能是由于ADP相比其他三种淀粉以及魔芋葡甘聚糖的抗冻性能更好，因而KGM/ADP凝胶表现出更低的析水率，但更低的析水率表明凝胶中含有更多的水分，这导致了持水率与析水率的趋势不同，这与Liu等[25]的结论一致。

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

复合凝胶及KGM凝胶的傅里叶红外吸收光谱如图2a所示，不同木薯淀粉及碱处理后的淀粉的傅里叶红外吸收光谱如图2b所示。在图2a中1725 cm-1处均未表现出吸收峰，此处为羰基的伸缩振动峰[26]，与魔芋葡甘聚糖分子的特征乙酰基团有关，这表明使用不同木薯淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖不会影响葡甘聚糖的脱乙酰行为。虽然SA、ADA和ADP三种淀粉中同样带有乙酰基[27-29]，但复合凝胶粉末未在此处显现出吸收峰，由此可以推断出魔芋葡甘聚糖分子及SA、ADA和ADP在碱处理后都脱去乙酰基。从图2b中可以看出，CS及碱处理后的CS由于分子中没有乙酰基，在1725 cm-1均未表明出吸收峰，而SA、ADA和ADP在碱处理前在1725 cm-1表现的吸收峰在碱处理后均消失了，证明了上述推断，这表明复合凝胶在制备中的碱处理不仅脱去了魔芋葡甘聚糖的乙酰基，也能脱去SA、ADA和ADP中的乙酰基。因而复合凝胶及KGM凝胶所表现出的凝胶特性的差异可能也与脱去乙酰基这一行为相关，但具体机制还需进一步研究。

2.4 结晶度分析

复合凝胶及KGM凝胶的X射线衍射图谱如图3所示，所有凝胶均在在20 °左右时出现一个明显的弥散峰，且没有明显特征峰。Yuan等[30]研究发现KGM呈现无定形状态，结晶程度小，而淀粉/魔芋复合凝胶的XRD图谱与KGM凝胶无明显差异，这表明CS、SA、ADA、ADP这四种淀粉对KGM分子结晶形态的影响微弱。

2.5 热稳定性分析

复合凝胶及KGM凝胶的热降解曲线如图4所示，从50～200 ℃的热降解曲线中，大致可以分为两个阶段，在50 ℃至约125 ℃中出现的较大的质量损失，Huang等[31]发现该温度段的质量损失可能是由于冻干凝胶样品中游离水损失，在这段质量损失中，其质量损失的一阶导数即质量相对于温度的质量损失率的峰值在约92 ℃附近，在此温度下KGM凝胶的质量损失最小，这可能是由于相比于四种复合凝胶而言，KGM凝胶冻干后由于凝胶中含有的魔芋葡甘聚糖较多，在脱去乙酰基团后表现出的疏水性较强，吸收空气中的游离水也最少，继而质量损失也较为缓慢。在125～200 ℃中，四种复合凝胶一直保持相对平缓的质量损失，且KGM/ADP复合凝胶的质量最大，质量损失最低，KGM凝胶质量迅速损失，在200 ℃时已经低于四种复合凝胶，在质量损失一阶导数图中，可以明显看出KGM凝胶出现两个较大的质量损失率点，分别为150 ℃和180 ℃，Zhang等[32]发现该温度段可能是凝胶样品中的结合水的损失温度，这表明复合凝胶样品的结合水保持能力强于KGM凝胶，且KGM/ADP凝胶对结合水的保持能力最强，这与持水率的结论一致，综合KGM凝胶与复合凝胶在两大温度段的质量损失，使用ADP淀粉代替部分魔芋葡甘聚糖所制备的复合凝胶相比于KGM凝胶在125～200 ℃的煎炒温度段质量损失更低，但在50～125 ℃的蒸煮温度段质量损失相比于KGM凝胶更高。

2.6 微观形貌观察

不同木薯淀粉对冻融魔芋葡甘聚糖凝胶微观结构的影响如图5所示，在凝胶的微观结构中普遍存在的网状结构，其壁层很薄，褶皱丰富，这与Pang等[33]的观察结果类似。凝胶内部的网状结构朝向各异。对比KGM凝胶和复合凝胶的微观结构图可以发现，KGM凝胶网状结构最为致密，使用CS、SA、ADA、ADP所制备的复合凝胶网状结构孔隙较大。但KGM/ADP凝胶的网状结构最均匀有序，其次是KGM/SA凝胶，KGM/CS凝胶和KGM/ADA凝胶类似，KGM凝胶网络结构孔隙大小最不均一。这可能是由于复合凝胶经冻融处理后脱水收缩程度小，析水率低，凝胶中含有的水分相较于KGM凝胶更多。KGM凝胶因大量失水而导致凝胶网络结构被破坏，整体向内挤压，网状结构就更为致密，这也表现在KGM凝胶切面网状结构不均匀上。KGM/ADP凝胶的网状结构最均匀有序可能是由于ADP淀粉的因改性引入的交联酯键，提高了交联密度，对KGM网络结构的支撑作用更好，在冻融处理后，凝胶脱水收缩程度小且均匀，凝胶向内挤压的程度小。这与析水率的结果一致。即使用ADP淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖后所制备的凝胶经冻融处理后抗脱水收缩的能力提高，虽然扩大了凝胶的孔隙，但提高了凝胶内部的均一性，继而提高了产品的质量稳定性。

3 结论

不同木薯淀粉均可以降低冻融KGM凝胶的析水率，降低凝胶硬度同时不影响凝胶的弹性，其中冻融KGM/ADP凝胶特性最佳。相比于KGM凝胶，KGM/ADP凝胶析水率从29.75%下降至8.71%，持水率从73.68%提高至87.42%，硬度从274.36 g下降至176.33 g，弹性、内聚性及回复性无显著差异。红外光谱和XRD分析显示淀粉替代部分魔芋葡甘聚糖不会影响葡甘聚糖的脱乙酰行为和结晶形态。热降解曲线表明不同木薯淀粉可以提高冻融KGM凝胶的热稳定性且使用ADP淀粉的复合凝胶的热稳定性最佳。微观形貌观察表明，不同木薯淀粉可以提高冻融KGM凝胶的抗脱水收缩能力且使用ADP淀粉的复合凝胶的抗脱水收缩能力最强。