湿热降解对魔芋葡甘聚糖凝胶特性的影响

邹少强

（福建立兴食品有限公司，福建 漳州 363801）

随着社会的不断发展，人们越来越重视膳食健康，对健康、低热量食品的诉求也不断上升。低热量食品作为新兴行业有巨大的市场潜力和广阔的发展空间，其研究与开发受到营养学界等领域的广泛重视。可溶性膳食纤维是一种对人体健康有益的特殊营养素，具有低热量、高饱腹感，且能减少和延缓葡萄糖的吸收等优点，是糖尿病[1]和减脂人群[2]良好的辅助食品。

魔芋葡甘聚糖（KGM）为高分子量多糖，由于黏度高和吸水性强等缺陷，且其黏度随着温度的升高逐渐降低，在加工过程中不利于食品保形[3]，局限了魔芋的加工技术，使得KGM的利用空间极低。天然高浓度KGM降解的方法主要有物理法（超声波[4]、红外烘烤[5]）、化学法（酸法、碱法）和生物法（酶法）等。上述方法均可以使KGM得到有效降解，但具有经济性低或对环境造成污染的缺陷[6]。因此，采用一种高效、便利和清洁的降解方法是KGM加工生产过程中的难题。

为了保证KGM溶胶的稳定性，通常将其制备成凝胶。多糖类凝胶具有生物降解性、生物相容性、经济性、可利用性强等诸多优点[7]。一般是通过物理或化学交联方式可制备凝胶。通过研读国内外文献了解到，KGM溶胶中存在着复杂的氢键网络结构，主要有KGM分子链内、KGM分子链和KGM分子链之间、KGM分子链和水分子之间3种类型的氢键相互作用[8]。有研究表明，温度升高，分子运动加强，分子链流动阻力减小，KGM溶胶黏度逐渐减小[3]，溶胶的剪切应力降低，流动性增强[9]。有研究表明对KGM溶胶进行加碱热处理脱除乙酰基后形成氢键，其黏度、持水性发生显著下降[10]。因此，常通过加碱热处理制备稳定的KGM凝胶。KGM在碱加热处理条件下脱去乙酰基制成的凝胶稳定性较好的原因在于：KGM脱去了部分乙酰基团，氢键作用加强，与KGM的天然结构存在差异。其差异体现在：KGM分子脱除部分乙酰基团，分子间的空间位阻降低而产生氢键并以乙酰基脱除位置为节点与相邻分子相互作用形成三维网状结构[11]，从而形成凝胶。在碱加热处理过程中，碱浓度越高，乙酰基团脱除程度越大[12]。有研究表明，脱去乙酰基的KGM，具有良好的可生物降解性和安全性[13]。

基于对国内外文献的研读和总结，采用可靠性、便利性和清洁性更高的非均相湿热降解法对高浓度KGM进行降解。在固定高温高压下，改变对KGM精粉的湿热降解处理时间，探究其所制溶胶和凝胶的理化性质的变化，分析影响凝胶稳定性的因素，优化KGM凝胶性能最佳降解方案，为凝胶研究和生产提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

KGM，湖北一致魔芋生物科技股份有限公司提供；氢氧化钠、溴化钾均为分析纯，国药化学试剂有限公司提供。

1.2 仪器与设备

ME204TE/02型电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司产品；GI54DS型立式自动压力蒸汽灭菌器，致微（厦门）仪器有限公司产品；DJG-9035A型电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司产品；Color Squid S000型磁力搅拌器，上海玖析科学仪器有限公司产品；R30A型电动搅拌器，南京庚辰科学仪器有限公司产品；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义市予华仪器责任有限公司产品；RNA4500型快速黏度分析仪，深圳市三莉科技有限公司产品；VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪，岛津仪器（苏州）有限公司产品；WDW-5型微机控制电子拉力试验机，长春新特试验机有限公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 KGM样品的制作

试验采用非均相湿热降解法[14]制备KGM样品。称取KGM粉末5 g置于培养皿中，用锡纸覆盖培养皿并扎孔。将装有KGM粉末的培养皿置于立式自动压力蒸汽灭菌器中，于121℃，0.1 MPa下处理不同时间 （分别为5，10，15，20，25，30 min）。灭菌器降温至65℃时将KGM粉末取出，放入电热鼓风干燥箱于45℃下烘干2 h。

1.3.2 KGM溶胶黏度的测定

为测定KGM样品溶胶的黏度性能，使用具有结合可变的剪切力和多循环的加热/冷却技术的快速黏度分析仪[15]。准确量取20 mL蒸馏水置于快速黏度分析仪的铅制样品筒内，称取7份0.1 g KGM样品粉末（蒸煮时间分别为0，5，10，15，20，25，30 min）。将装有蒸馏水的铅制样品筒置于磁力搅拌器上搅拌，并缓慢加入KGM样品粉末，搅拌30 s至没有结块。将黏度分析仪的搅拌器置于样品筒且其上端插入搅拌器接头中，开始测试，每个KGM样品溶胶重复测定3次。在该过程中保证磁力搅拌器搅拌溶胶的时间相同，使各个样品误差范围缩小。

1.3.3 傅立叶红外光谱扫描

为测定KGM样品的分子结构，对样品进行傅里叶红外光谱扫描分析[15]，试验采用KBr压片法。取KGM样品（蒸煮时间分别为0，5，10，15，20，25，30 min） 与KBr按1∶5的比例置于玛瑙研钵中混合均匀，研磨成肉眼看不到小颗粒的粉末。在该过程中应将溴化钾和研磨的粉末置于红外灯下烘烤使其干燥，避免其受潮影响试验结果。将研磨的粉末均匀平铺在压片模具内，在压片机上压制成片，放入样品室扫描500～4 000 cm-1波数范围的光谱吸收值，每个KGM样品重复测定3次。

1.3.4 KGM凝胶的制备

对KGM溶胶进行加碱热处理脱除乙酰基制备凝胶[10]。量取将40 mL蒸馏水置于250 mL烧杯中，用电动搅拌器以转速400 r/min进行搅拌，缓慢加入0.6 g KGM样品（蒸煮时间分别为0，5，10，15，20，25，30 min），搅拌1 h后，用1 mol/L NaOH溶液调pH值至11～12，搅拌2 min。将凝胶分离于2个25 mL的小烧杯中，每个小烧杯中含15 mL凝胶。在该过程中应尽量保证每个小烧杯中的凝胶高度一致且表面平整，以达到测定凝胶强度的条件。将溶胶置于集热式恒温加热磁力搅拌器80℃水浴加热30 min。

1.3.5 KGM凝胶强度的测定

为测定魔芋凝胶的强度[16]，需将制成的凝胶盖上保鲜膜并扎孔，在室温放置12 h以上。测量凝胶的直径（3 mm）及高度（1.8 mm），打开电脑上的软件测控系统，打开试验机电源，选择相应的试验类型，填入试验环境温度25℃、凝胶直径和高度等相关数据。调节试验机下降到合适的高度，装放好试样，设置形变量为60%。在试验过程中，一次测定结束后需将试验力、变形、位移清零。同时，需注意设定合适的升降速度，以免影响试验结果。

2 结果与分析

2.1 121℃下不同湿热降解时间对所制KGM溶胶黏度的影响

KGM溶胶表观流动对比图见图1，不同湿热降解时间处理下制备的溶胶的快速黏度曲线图见图2。

图1 KGM溶胶表观流动对比图

图2 不同湿热降解时间处理下制备的溶胶的快速黏度曲线图

由图2可知，在121℃固定高温下，KGM粉末在0～5 min湿热降解处理范围内，所制的溶胶黏度随处理时间增加急剧下降，下降了34.9%。在5～10 min范围内，溶胶黏度略有回升，使10 min湿热降解处理下制备的溶胶黏度稍大于5 min湿热降解处理下制备的溶胶黏度。说明在一定热处理时间范围内，KGM溶胶可能存在热稳定性。

在10～30 min范围内，溶胶黏度随湿热降解时间增加下降了65.8%。KGM精粉在25 min和30 min湿热降解处理下制备的溶胶明显变稀、流动性明显增强。KGM为大分子多糖，其分子量和KGM溶胶黏度呈正相关。增加热处理时间可以改变KGM溶胶的变形能力，其原因可能为短时湿热降解处理的KGM分子链缠结较为紧密，长时间热处理导致KGM分子运动加快，分子链、分子链间及分子链极性基团-OH与水分子间的氢键部分断裂，氢键数目减少，KGM分子链、分子链间解缠，部分分子结构被破坏[5]。表明随着湿热降解处理时长的增加，不同湿热降解时间处理下制备的KGM溶胶黏度显著降低，降解处理时长在20 min之后，溶胶都具有较低的黏度。

2.2 121℃下不同湿热降解时间对所制KGM凝胶压缩强度的影响

测定压缩强度实物图见图3，不同湿热降解时间处理下制备的凝胶压缩强度柱状图见图4，不同湿热降解时间处理下制备的凝胶的应力-应变曲线图见图5。

图3 测定压缩强度实物图

由图4可知，10 min湿热降解处理KGM粉末制备的凝胶压缩强度最强，5，15，20 min压缩强度大致相同。由图5可知，在应变10%～60%，KGM凝胶处于弹性形变阶段。KGM凝胶单位面积上所承受的力为压缩应力，压缩前后凝胶高度的比为压缩应变。由图5可知，应力应变曲线关系呈现出非线性，当应变较低时，应变随着应力的不断增大而缓慢增大，当凝胶被压缩至30%应变后，应力随着应变的增加而迅速上升，表明凝胶具有一定的弹性性能。当压缩应变达到同一应变60%时，10 min湿热降解处理KGM粉末制备的凝胶压缩应力值最高，压缩强度最大。可能由于其分子链交联密度较大，具有较好的黏弹性[17]。

图4 不同湿热降解时间处理下制备的凝胶压缩强度柱状图

图5 不同湿热降解时间处理下制备的凝胶的应力-应变曲线图

15，5，20 min湿热降解处理KGM粉末制备的凝胶压缩应力值依次降低。其中，未经湿热降解处理的KGM粉末制备的凝胶的压缩强度与压缩应力最小，其原因可能是凝胶分子链内、分子链间、分子链与水之间强烈的相互作用，所形成的氢键数目较多，因此形成坚实的凝胶。需要特别说明的是，在经25，30 min湿热降解处理KGM粉末制备凝胶的过程中，其溶胶结构松散，未形成凝胶。

说明随着湿热降解处理时长的增加，不同湿热降解时间处理下制备的KGM凝胶力学性能显著降低。其中，具有低黏度的降解处理20 min的凝胶压缩强度为25.6 kPa，具有有良好的机械性能。

2.3 傅立叶红外光谱分析

不同湿热降解时间处理的KGM粉末红外光谱图见图6。

图6 不同湿热降解时间处理的KGM粉末红外光谱图

由图6可知，经不同湿热降解时间处理下KGM的傅里叶红外光谱曲线大致相似，在特定波长范围内具有特征吸收峰，光谱吸收峰的位置基本一致，吸收峰相对强度略有差异。在4 000～2 500 cm-1区间内的吸收峰为糖单元分子内或分子间-OH的伸缩振动吸收峰，表明KGM分子内和分子间存在氢键。其中，未经湿热降解处理的KGM的特征吸收峰相对强度最强，在降解处理10 min时，4 000～2 500 cm-1区间内的吸收峰强度较处理5 min吸收峰强度略强。说明短时湿热降解处理导致KGM分子内和分子间氢键作用仍然较强。随着降解时间的增加，特征吸收峰相对强度呈减弱趋势，可能由于长时间湿热降解时间处理下KGM粉末的分子结构发生变化，KGM分子间或分子内部分氢键断裂，导致分子链的位置、排列、交联等的发生变化，从而影响KGM的网络结构[5]。

3 结论

不同湿热降解时间处理对KGM的理化性质产生显著影响，KGM凝胶的形变能力、机械强度均发生明显变化，主要体现在黏度、强度降低。通过分析KGM溶胶的黏度、凝胶的强度和样品粉末的红外光谱图像发现，随湿热降解处理时间延长，其黏度下降越明显，凝胶结构越松散，凝胶机械性能越弱。在该试验设置的6个变量水平（5，10，15，20，25，30 min）中，通过对黏度、强度和红外光谱分析发现，20 min湿热降解时间处理下制备的凝胶既具有较低的黏度，也具有优良的稳定性。