干热处理不同时间对琼胶与 β-环糊精复配物理化性质的影响

李 煜,付晓婷,许加超,高 昕

(中国海洋大学食品科学与工程学院,山东青岛 266003)

琼胶(agar)是一种从红藻门植物中提取的具有经济价值的亲水性多糖,被美国食品与药品监督管理局认定为一般公认安全(GRAS)的食品添加剂[1]。由于其具有增稠、稳定等性能,以及特殊的凝胶可逆性及熔点凝固点滞后性,琼胶被广泛应用于食品、医药、生物等领域[2-3]。然而,常规琼胶室温下不溶于水,熔点在95 ℃以上,该性质使得琼胶在应用中受到限制。常规琼胶应用于食品体系中会影响对高温敏感的食品成分的活性,且其溶解需要消耗大量能源和时间,因此其应用的体系受限、成本较高。由此可见,制备低熔点且具有一定凝胶强度的琼胶,采用冷化料以保证食品成分的活性并节约能源,能大大提高琼胶的应用领域。

已报道的琼胶的改性通常采用化学方法,其产品多应用于生物领域[4]。化学改性带来的安全问题有待评价,不适合用于食品工业中。徐博等[5]探讨采用螺杆挤压这一物理改性方法对琼胶熔点的降低效果,该方法生产的琼胶熔点得以降低,但报道中也表明其产品颜色偏黄、溶解耗时较长,方法有待改进。

干热改性是一种物理改性方法,是指物质在较低水分含量(<10%)时于100～180 ℃的温度下进行热处理从而改善物质性质的一种方法[6]。干热改性方法结合了干法工艺和热处理的优越性,简单安全,无毒无污染,不含化学试剂残留,能明显改善产品的理化性质[7]。Pramodrao等对淀粉分别与羧甲基纤维素、海藻酸钠共混物干热改性进行了研究,发现干热后淀粉糊的透明度,溶解度以及色度都降低[8]。

β-环糊精是一种无嗅无毒的白色结晶粉末,它是由7个葡萄糖分子组成的环状结构化合物。因为β-环糊精的稳定特性,其经常作为改良剂和稳定剂应用在食品、医药和生物领域[9]。课题组前期实验对琼胶和β-环糊精、预糊化淀粉、羧甲基淀粉、羟丙基淀粉、酯化淀粉等不同种类淀粉的复配物进行干热处理的研究发现:琼胶与β-环糊精有很好的相容性,两者复配后琼胶仍然具有凝胶性;且发现通过干热处理,复配物的熔点降低。因此本文对处理前后琼胶与β-环糊精复配物的理化性质进行了研究,并对其性质变化的机理进行了探讨。本研究为琼胶更广泛、高效地应用于食品工业提供了理论和实践参考。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

琼胶 分子量26～40 kDa,食品级，福建环宇海洋生物科技有限公司(原料为龙须菜Gracilarialemaneiformis);β-环糊精 分子量1135,食品级，山东西王糖业有限公司;其他试剂 均为分析纯。

HH-2数显恒温水浴锅、JJ-1大功率电动搅拌器 国华电器有限公司;PHS-3C精密pH计 上海精密科学仪器有限公司;棒式玻璃温度计 天沪分析仪器有限公司;PL203电子天平 梅特勒-托利多上海仪器有限公司;TMS-PRO质构仪 美国Food Technology Corporation;TU-1810 722可见分光光度计 上海欣茂仪器公司;CR-400色彩色差计 日本Konica Minolta公司;Zetasizer粒度仪 马尔文仪器公司;MCR101流变仪 奥地利安东帕有限公司;200PC差示热量扫描仪 德国耐驰公司;D8 Advance X射线粉末衍射仪 德国Bruker公司;Nicolet iS 10傅立叶红外光谱仪 美国Thermo Electron公司。

1.2 实验方法

1.2.1 琼胶与β-环糊精复配物的制备 称取琼胶、β-环糊精各10 g,混合均匀置于烧杯中,用250 mL蒸馏水溶解成悬浊液,用1 mol/L的NaOH溶液调节悬浊液pH至8。用保鲜膜将烧杯封口防止水分蒸发,保鲜膜上打开一个小口便于插入搅拌棒。混合物于100 ℃水浴锅中用电动搅拌器加热搅拌30 min,形成均匀澄清的溶液。然后在60 ℃水浴锅中电动搅拌2 h使两种物质充分混匀。搅拌结束后,将澄清的溶液倒入搪瓷盘中,室温冷却至形成凝胶。将复配物凝胶置于40 ℃烘箱中热风干燥至水分含量小于10%,研磨粉碎后过80目筛,得到琼胶与β-环糊精的复配物。

1.2.2 干热处理条件 将上步所得琼胶与β-环糊精复配物置于玻璃盘中,于150 ℃下分别热风干热1、1.5、2、2.5、3 h,探讨不同干热处理时间对产物的凝胶强度、熔点、透明度等物理性质的影响,并对干热处理不同时间(0、1、2、3 h)后的复配物的色度及结构变化进行了研究。

1.2.3 物理性质的测定

1.2.3.1 凝胶强度的测定 取不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物1 g于100 mL烧杯中,加蒸馏水50 mL,沸水加热溶解至澄清溶液,于60 ℃下水浴保温30 min后,用保鲜膜封烧杯口,置于20 ℃下静置15 h,然后采用TMS-PRO质构仪的P/10探头,测前和测试速率为0.5 mm/s,测后速率为1 mm/s,触发力为5 g,压缩距离20 mm,记录凝胶破裂时最大的力(g),再根据探头截面积换算为g/cm2即为其凝胶强度。

1.2.3.2 熔点的测定 取不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物0.5 g于100 mL烧杯中,加蒸馏水25 mL,沸水加热溶解至澄清溶液。按照史升耀等[10]方法测定熔点:取15 mL热胶液倒入内径约22 mm的大试管中,将带有温度计的橡皮塞插入试管,使温度计的水银球落入距离试管底部约7.5 cm处,试管正立放置12 h,待胶液凝固。次日通过橡皮塞的另一个小口放入一粒不锈钢珠于凝胶表面,将试管放水浴中加热,凝胶逐渐溶解,钢珠落到试管底部的温度即为熔化温度。

1.2.3.3 透明度的测定 取不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物1 g于100 mL烧杯中,加蒸馏水50 mL,沸水加热溶解至澄清的溶液,将热胶液(>95 ℃)倒入比色皿中,室温放置24 h,用可见分光光度计在620 nm处测定透光率(%)。

1.2.3.4 色度的测定 取适量不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物样品,用色差仪测定其色差参数。待仪器校准完毕后开始测定。其原理是应用亨特-Lab表色系测定3个颜色的分量L*、a*、b*,以公式=[(ΔL)2+(Δa)2+(Δb)2]1/2计算样品与参照物的色差(ΔE),其中ΔL=L样品-L标准(明度差异),Δa=a样品-a标准(红/绿差异),Δb=b样品-b标准(黄/蓝差异)[6]。本文测得的ΔE值是干热前样品与干热后样品的色差,故以干热前复配物的L*、a*、b*作为标准。

1.2.4 粒径的测定 取不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物20 mg于100 mL烧杯中,加超纯水20 mL,沸水加热溶解配成1 mg/mL的胶液,水浴60 ℃保温30 min,过0.45 μm的滤膜,振荡均匀,用Zetasizer粒度仪测定其粒径分布。

1.2.5 黏度的测定 取不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物0.8 g于100 mL烧杯中,加蒸馏水20 mL,沸水加热溶解配成质量分数为4%的胶液。采用MCR101流变仪,采用直径为50 mm的锥板测量系统,将样品温度设定为70 ℃,将剪切速率从0.1 s-1增加到700 s-1记录不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物的流动曲线。

1.2.6 热力学分析 用差示扫描量热计(DSC)对物质进行热力学分析。准确称取10 mg样品于DSC专用铝盒(规格:Φ8 mm×2.1 mm)中,量取20 μL蒸馏水加入到铝盒中,立即将样品盒压紧密封,于室温下平衡水分12 h,以空皿为参比,放入DSC中进行扫描,扫描温度为25～160 ℃,样品升温速率5 ℃/min。

1.2.7 颗粒结晶性质分析 将干燥的样品放置于带有凹槽的玻璃板上,填满凹槽并压实。测定条件:Cu Kα射线,波长1.5418 Å,电压40 kV,电流30 mA,扫描速率1°/min,扫描范围2θ为5°～40°,步长为0.02,得到样品的X-射线衍射图谱。

1.2.8 红外光谱分析 利用傅里叶红外光谱仪对干燥好的样品进行扫描,扫描波谱范围为400～4000 cm-1,分辨率4 cm-1,扫描次数为32次。称取2 mg的样品和一定量的溴化钾粉末充分混合,在红外灯的照射下,置于玛瑙研钵中研磨。将研磨好的混合物粉末压片,置于红外光谱仪中进行红外扫描。

1.3 数据分析

采用SPSS 19.0对数据进行差异显著性分析,其他数据拟合处理采用Origin 9.0软件。

2 结果与分析

2.1 物理性质分析

2.1.1 干热过程中凝胶强度、熔点和透明度的变化 琼胶的凝胶强度为960 g/cm2,熔点为92 ℃,透明度为33.38%。将琼胶与β-环糊精复配后但不经干热处理,所得到的复配物的凝胶强度为451.7 g/cm2,熔点为87.9 ℃,透明度为45.01%。说明β-环糊精的加入对琼胶产生了一种稀释效应。进一步对琼胶与β-环糊精的复配物进行干热处理,以研究干热过程中琼胶性质的变化。

经干热处理不同时间后,复配物的凝胶强度、熔点和透明度如表1所示。结果表明,随着干热处理的进行,琼胶与β-环糊精复配物的凝胶强度、熔点逐渐降低。干热处理后的复配物,其凝胶强度和熔点均低于原始琼胶,其透明度高于原始琼胶,且复配物能在水中迅速分散溶解。据Kumar和Fotedar报道,食品工业对琼胶要求的凝胶强度为150～450 g/cm2[11]。本研究通过复配和干热处理所得的琼胶的凝胶强度范围为181.33～392.67 g/cm2,在150～450 g/cm2范围内,因此能够满足应用的要求。Zhang等人通过向琼胶分子链中引入了羧甲基[12]、羟丙基[13]、羧基[14]、乙酰基[15]等取代基实现了琼胶理化性质的改变,但是化学改性生产的琼胶的食用安全性有待评价。徐博[5]等采用螺杆挤压生产的琼胶熔点降低,但是需要在水中搅拌7～10 min才能溶解,其速溶性有待解决。本研究表明,复配和干热处理也能改变琼胶的理化性质,制备低熔点速溶琼胶。由于不同应用对于琼胶的凝胶强度、添加量的要求各异,实际生产中可根据其应用的需求,控制干热时间以制备不同凝胶强度及熔点的琼胶。

表1 琼胶与β-环糊精复配物干热处理不同时间后的物理性质Table 1 Physical properties of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time

2.1.2 干热过程中色度的变化 琼胶与β-环糊精复配物干热前后色度值的测定数据如表2所示。

表2 琼胶与β-环糊精复配物干热处理不同时间后的色差参数Table 2 Color parameters of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time

干热处理1、2、3 h后复配物的L*值逐渐降低,说明亮度逐渐减小;b*值逐渐升高,说明经干热后复配物色泽偏黄;ΔE值逐渐增加,说明复配物的色泽与未干热前复配物的色泽相差逐渐增大。该结果与Pramodrao等人[8]报道的羧甲基纤维素与芋头淀粉复配后进行干热处理的结果一致,这可能是由于干热过程中发生了焦糖化反应。徐博[5]等采用螺杆挤压生产的低熔点琼胶颜色偏黄,而通过和β-环糊精复配后未经干热处理的琼胶的b*值是12.41,较琼胶本身的b*值15.63低。干热处理1 h后复配物的b*值15.73与琼胶本身的b*值15.63相近。Yarnpakdee等人的研究中报道的商品化琼胶(孟买HiMedia laboratories有限公司)的b*值为13.38[16],与本研究中干热处理1 h复配物的b*值相似。

2.2 干热过程中粒径大小的变化

由图1可知,琼胶和β-环糊精的复配物的平均粒径大小为238.8 nm,150 ℃干热处理1、2、3 h后的复配物的平均粒径大小分别为195.3、183.4和175.4 nm。随着干热处理的进行,琼胶和糊精复配物的粒径明显减小,干热时间越长粒径越小。其可能的原因是,干热破坏了分子结构,导致粒径变小,因此分子量变小。因为聚合物的溶解能力与它的分子量有关,分子量越小,分子间作用力越小,分子越容易溶解于水中[17]。因此随着干热时间增加,复配物的溶解能力逐渐变强,熔点逐渐降低。

颗粒结构破坏后,加热过程中体系变得不均匀,在受到光的照射时易发生光的折射和散射,透光率降低。这和王凯等人研究的木薯淀粉、蜡质玉米淀粉与黄原胶复配进行干热处理后透明度降低的结果原因一致[18]。因此随着干热处理的进行,琼胶和β-环糊精的复配物平均粒径降低,复配物的透明度逐渐降低。但与琼胶相比,干热处理3 h后的琼胶和β-环糊精复配物其透明度(36.88%)仍然优于原始琼胶(33.38%)。

2.3 干热过程中稳态剪切黏度的变化

不同干热时间下的琼胶与β-环糊精复配物的稳态流动曲线如图2。由图2可知,干热前及干热1、2、3 h的琼胶β-环糊精复配物,都表现出低剪切速率时的牛顿流体性质和高剪切速率时的剪切变稀行为。低剪切速率时,牛顿流体域中系统重新排列的速率大于剪切变形的速率(即聚合物分子重新缠绕速率大于被剪切拉伸的速率)。然而,大于一定剪切速率后,高分子链在溶液中重新排列的速率小于挤压变形速率,出现剪切稀化现象[19]。

图2 琼胶与β-环糊精复配物 干热处理不同时间后的黏度变化Fig.2 Viscosity of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time

随着干热处理的进行,复配物的黏度逐渐降低。通过Cross方程对流动曲线进行拟合,得到零剪切粘度(η0),无限剪切速率黏度(η∞),松弛时间(λ),临界剪切速率(γcrit=1/λ),模型拟合度(R2),如表3所示。零剪切速率黏度表征多糖链之间的相互联系的密切程度[20]。由表3可知,随着干热处理的进行,复配物的η0是逐渐降低的,说明多糖链分子间缠绕和分子间次级键相互作用是逐渐降低的。临界剪切速率值表征的是分子链被定向的倾向性[21],由表3可知,随着干热处理的进行,松弛时间(λ)是逐渐增大的,即临界剪切速率(γcrit)是逐渐减小的。说明随着干热处理的进行,分子链被定向的倾向性逐渐增大,分子链变得刚性,导致分子链间不易相互缠绕形成双螺旋结构。R2均在95%以上表示模型拟合度较好,结果可靠。以上结果表明,分子链之间的相互作用力减小以及分子链变短、刚性变大,导致随着干热时间增加,复配物的熔点和凝胶强度逐渐降低。

表3 琼胶与β-环糊精复配物干热处理不同时间后的Cross方程参数及其拟合情况Table 3 Parameters of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time by a Cross equation

2.4 颗粒结晶性质分析

图3为干热前及150 ℃干热1、2、3 h后的琼胶和β-环糊精复配物的X-射线衍射图谱。从图3可以看出,干热前的琼胶和β-环糊精复配物在2θ约为13.83°和19.29°处出现两个衍射峰。其中在2θ=19.29°处的特征衍射峰峰形较窄,较高,衍射强度比较强。而干热1、2、3 h之后的复配物,在2θ=13.83°处的峰消失,而位于2θ=19.29°处的特征衍射峰峰位变小(移至18°左右),峰形变得较低,较宽,衍射强度变弱,衍射峰呈现弥散特征。

图3 琼胶与β-环糊精复配物干热处理 不同时间后的X射线衍射图Fig.3 XRD patterns of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time注:(a)0 h,(b)1 h,(c)2 h,(d)3 h，图4～图5同。

衍射峰的高度和宽度取决于结晶的质量分数和大小,峰越高、越窄,意味着结晶越大或结晶区域越完整[22]。而分子排列越紧密规整,分子的结晶度越高,溶解能力越大[23]。因此以上结果表明经过干热后,复配物的结晶结构被破坏导致复配物的熔点降低。干热时间越长,结晶结构破坏的程度越大,熔点越低。这和张梦雅等人研究的马铃薯淀粉和壳聚糖、黄原胶、卡拉胶等食品胶复配后进行干热处理,复配物的结晶度降低的结果一致[24]。

2.5 热力学分析

干热前及150 ℃干热1、2、3 h后的琼胶和β-环糊精复配物的DSC热流曲线如图4所示。从图4中峰的面积可以看出,经过干热处理1、2、3 h后的复配物的峰面积逐渐减小,表明复配物的相转变吸热焓逐渐降低。相转变吸热焓ΔH代表在相变过程中双螺旋结构的解聚和熔融所需要的能量,其取决于分子的结晶度以及分子排列的有序性[25]。相转变吸热焓值的降低表明,解聚和熔融双螺旋结构的能量降低。这可能是经过干热处理后,复配物的颗粒破裂,结晶区受到破坏,双螺旋结构紧密程度减弱,导致了相转变吸热焓值降低。该结果与马菲等人报道的干热处理淀粉与魔芋葡甘聚糖复配物的结果相似[26]。

图4 琼胶与β-环糊精复配物 干热处理不同时间后的DSC热流曲线Fig.4 DSC curves of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time

2.6 红外光谱分析

干热前及150 ℃干热1、2、3 h后的琼胶和β-环糊精复配物的红外图谱见图5。1646 cm-1附近为H2O的弯曲振动吸收峰,2917 cm-1附近为CH2的C-H不对称伸缩振动吸收峰,1160 cm-1附近的吸收峰为非对称的C-O-C伸缩振动,1081 cm-1为C-O的伸缩振动吸收峰。在3000～3800 cm-1有明显的吸收峰,此峰为-OH的伸缩振动峰,-OH为强极性基团,缔合现象非常显著,除游离-OH峰外,还可以产生分子内及分子间氢键的吸收峰[27]。从图谱中可以看出,干热前以及干热1、2、3 h后的琼胶和β-环糊精复配物的红外图谱特征峰的种类无显著差异,说明经过干热后没有任何新的官能团产生。但干热1、2、3 h后的复配物在3000～3800 cm-1处的吸收峰位移值向高波长移动,峰型变窄,且峰的吸收值明显变小。吕杨等人的报道表明吸收峰位移值向高波数移动说明分子之间的氢键作用力减弱[28]。朱平平等人发现氢键等分子间作用力与聚合物的溶解能力有关,分子间的作用力越小,聚合物的溶解能力越强,其熔点越低[17]。由此可知干热处理使得琼胶和β-环糊精复配物的氢键作用力变小,且随着干热时间增加,氢键作用力逐渐减小。这与吕杨等人研究的黄原胶同蜡质大米淀粉干热反应后其红外图谱整体向高波数移动,说明与黄原胶干热改性的大米淀粉的氢键作用减弱的结果相似[28]。

图5 琼胶与β-环糊精复配物干热处理 不同时间后的红外光谱图Fig.5 FT-IR analysis of of agar/β-cyclodextrin mixtures treated at different dry-heating time

3 结论

经干热处理后,琼胶与β-环糊精的复配物的凝胶强度、熔点、透明度和色泽都发生了显著的变化。随着干热时间增加,复配物的凝胶强度、熔点和透明度逐渐降低,色泽逐渐增加。干热处理破坏了琼胶与β-环糊精复配物的颗粒,使颗粒粒径变小。同时干热处理将复配物的分子链打断,破坏了分子的结晶结构,使复配物的黏度下降、结晶度降低。红外结果表明经过干热后,琼胶与β-环糊精复配物的红外特征峰向高波长移动,分子间的氢键作用力减小。聚合物的熔点与它的分子量、分子间作用力和结晶结构有关。经过干热处理后,琼胶与β-环糊精复配物的分子量变小、分子间作用力变小、分子的结晶结构破坏等原因导致复配物的熔点降低。

将琼胶与β-环糊精复配并经干热处理一定时间,可以得到低熔点同时具有一定凝胶强度的琼胶,满足其在食品中的应用需求。而且通过调整干热时间,可制备具有不同理化性质的琼胶产品。该法与琼胶的化学改性法相比,操作简单无污染,是一种更加安全的生产食品添加剂用琼胶的方法。