超声对蔗糖共溶质场中大豆分离蛋白/魔芋胶共混体系流变及凝胶性质的影响

朱建华 邹秀容 刘日斌 单 斌 陈钰雍

(韶关学院英东食品科学与工程学院，韶关 512005)

半固体(semi-solid)凝胶态食品占据广泛的食品市场份额，对食品产业经济推动和满足民众消费意义重大，市场常见的素食类产品多为大豆蛋白及魔芋胶等蛋白或多糖基材制备的可食性凝胶。凝胶产品制备成型过程可借鉴材料科学研究领域已非常完善的聚合物共混改性方法，对蛋白和多糖高分子进行共混以发挥各食品高分子组分的性质优点，并可克服使用单一食品高分子基材时存在的成本过高及品质缺陷等劣势[1,2]。

凝胶态素食产品工业化制备成型过程通常在共溶质场中完成溶胶-凝胶转变，此类凝胶产品的质构等性能受制于微观结构特性[3,4]。共溶质场指食品蛋白或多糖高分子溶胶-凝胶转变过程所处的环境并非仅含高分子组分的水溶液环境，同时存在蔗糖、盐分、乳化剂等单一或多元低分子共溶质，共溶质的分子质量虽远小于蛋白或多糖分子质量，但可改变蛋白或多糖高分子在溶液中的折叠和缠结，并影响到溶胶-凝胶转变过程的相行为、流变性质和微观结构形成[5,6]。超声波处理可以在液态体系中产生空化、剪切、剧烈搅拌等作用，是一种有效的改变高分子共混体系相行为、流变及凝胶等性能的方法[7]。

迄今国内外鲜见共溶质场中超声处理对蛋白多糖共混体系溶胶-凝胶转变过程物性文献报道，因此开展该领域的流变及凝胶性质研究具有十分重要的理论意义，利于阐明共溶质场及超声处理条件下素食类产品凝胶形成的机理。以大豆分离蛋白/魔芋胶(SPI/Konj)为双食品高分子组分模型共混体系，研究超声对蔗糖共溶质场中SPI/Konj共混体系溶胶-凝胶转变过程流变性质、凝胶质构和微观结构，以期为改善蛋白多糖共混凝胶类素食配方及工艺设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料与仪器设备

大豆分离蛋白(SPI，蛋白干基质量分数为92.0%，含水量为7.3%)；KJ30魔芋胶(Konj)；蔗糖(一级，质量分数>99.6%)，食品级。scientz-IID超声处理仪；MCR92旋转流变仪；TMS-Pro型质构仪；TM3030扫描电子显微镜型；FTIR-8400S傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 SPI/Konj溶液共混体系的制备

分别称取适量SPI、Konj分散于盛放蒸馏水的烧杯中，加入蔗糖(质量浓度分别为0%、10%、20%)进行充分搅拌分散均匀，然后移入60 ℃恒温水浴锅中恒温振荡30 min，制备获得SPI/Konj(10.0%/0.3%)溶液共混体系。

1.2.2 超声处理

将超声探头浸入配制好的SPI/Konj共混溶液液面以下2 cm，超声探头与盛放样品的高型烧杯同轴放置并位于液面中间，同时将盛放样品的烧杯置于冰水浴中，超声处理处理全过程按超声0.8 s，暂停1.2 s 模式进行，以避免样品因连续超声作用而使温度骤升。设定超声处理仪功率为475 W，处理时间梯度为0、10、20 min。

1.2.3 流变学性质测试

不同条件处理的SPI/Konj共混溶液于60 ℃恒温 30 min后转移至保温桶中，然后将1 mL样品快速转移到预先加热到25 ℃的流变仪平行板(上下板直径45 mm，狭缝1 mm)，除去过量样品并在样品外缘加一层轻质硅油防止样品中的水分蒸发。保持在线性黏弹区范围内的应变条件下(γ=0.5%)，进行动态流变测试。溶胶-凝胶转变过程测试程序：①首先于25 ℃以2 ℃/min升温至95 ℃，然后在95 ℃恒温20 min，最后由95 ℃以2 ℃/min降温至25 ℃，此过程频率(ω)为6.28 rad/s，记录随时间(t)变化的弹性模量(G′)、损耗模量(G″)及损耗系数(tanδ)值，用于质构、SEM、FTIR测试分析的SPI/Konj共混凝胶的热处理过程同此程序；②恒温末进行频率扫描分析共混体系力学响应性质，频率扫描范围为0.1～100 rad/s，记录随ω变化G′、G″值；③振幅扫描范围为0.001～100，用于监测凝胶的线性黏弹区域变化趋势。

1.2.4 凝胶结构形成速度分析

特定时间阶段共混凝胶形成相对快慢常用凝胶结构平均形成速度(SDRa)进行表征[8 ]:

(1)

(2)

式中：vg为即时凝胶化速度/Pa/min; SDRa及vg分别表征时间段及时间点的凝胶化相对快慢。

1.2.5 TPA质构特性测定

用于质构分析的SPI/Konj共混凝胶尺寸规格为：下底面直径(23±1.0) mm，上底面直径(20±1.0) mm，高度为(7±0.5) mm的圆台体。质构分析采用TPA测试模式，匹配P/36R圆柱形探头，测前以及测后速度均为1.0 mm/s，测试速度为0.5 mm/s，压缩程度为70%，触发力为0.10 N。

1.2.6 SEM测试

将SPI/Konj共混凝胶样品切成10 mm×10 mm×10 mm薄片状，放入超低温冰箱冻结，随后置于冻干机冻干，然后转移至干燥器中密封保存。扫描电镜观察前用薄刀片将样品切片，并选择低真空模式后在15 kV加速电压下观察。

1.2.7 FTIR测试

测试前SPI/Konj共混凝胶样品烘干至恒重，采用常规溴化钾压片法制备红外扫描用样品，扫描波长范围选取 4 000～400 cm-1，分辨率为 0.5 cm-1，记录样品的红外光谱。

1.3 数据分析

所有实验均重复3次，利用Origin9.0软件绘图，采用SPSS21.0软件数据统计分析，通过单因素方差分析比较组间数据，结果以平均值±标准偏差表示，具统计学意义上的显著性差异以P<0.05示出。

2 结果与讨论

2.1 SPI/Konj共混体系溶胶-凝胶转变过程流变性质分析

图1a显示升温阶段未经超声处理共混体系的G′及G″值均相对较高，其中G′>60 Pa且G′>G″，此阶段G′及G″的相对大小及变化趋势与未添加蔗糖共溶质场中大豆蛋白组分黏弹性模量变化趋势存在较大差异[10,11]，主要原因是大豆蛋白与魔芋胶共存时大豆蛋白变性进程受到魔芋胶多糖影响所致。随蔗糖浓度增加，SPI/Konj共混体系的G′呈降低趋势，可能原因是蔗糖存在抑制和迟滞了SPI变性所致，但在后续恒温及降温阶段此趋势逐渐被逆转为升高趋势，降温过程蔗糖的存在利于由变性大豆蛋白及魔芋胶两种高分子共同参与的网络结构形成和巩固。图1b显示，与未经超声处理组相比，超声处理10 min后， 共混体系的G′整体显著下降了1～2个数量级，升温过程G′及G″值锐减至低于10 Pa，且G′及G″相对更加接近，主要因为超声降解了魔芋胶多糖高分子的链段所致。超声处理10 min条件下，恒温及降温过程添加20%蔗糖共混体系的G′显著低于添加10%蔗糖及未添加蔗糖样品G′，表明超声处理屏蔽了添加蔗糖可提高共混体系G′的效应，主要因为超声处理降解高分子链段后，超过一定浓度的蔗糖会因氢键效应更不利于长链胶束及三维网络结构形成所致。图1c显示超声处理20 min后，此种超声降低共混体系G′的屏蔽效应更加显著。

表1 SPI/Konj共混体系溶胶-凝胶转变过程流变学特征参数

由图3a可知，未经超声处理组，全频率范围G′>G″，G′、G″对频率的依赖性较弱，表明均能形成相对较强的凝胶体系。超声处理10 min后(图3b)，低频范围，随频率增加G′、G″变化更大，且高频区随频率增加，G′出现陡增趋势，表明高频区各凝胶结构容易被破坏，产生切变流动行为[12]。相同频率条件下，随着蔗糖浓度的增大，SPI/Konj共混凝胶的G′值呈先增加而后降低趋势，进一步说明低浓度蔗糖共溶质的存在强化了共混凝胶结构，而高浓度蔗糖共存时使共混凝胶结构遭到破坏，研究考察结冷胶凝胶性质时发现了类似蔗糖浓度效应[13]。与超声处理10 min样相比，图3c显示超声处理20 min后切变流动点进一步向低频方向偏移，说明凝胶结构进一步被弱化，且此超声条件下，随蔗糖浓度增加，降温末频率扫描范围共混体系G′呈显著降低趋势，表明超声处理20 min后，完全屏蔽了蔗糖增效共混体系凝胶三维网络结构的作用。

● 0% G′ ○ 0%G″ ▼ 10%G′ ▽ 10%G″ ▲ 20%G′ △ 20%G″

图2 SPI/Konj共混体系凝胶化速度图

● 0%蔗糖G′ ○ 0%蔗糖G″ ▼ 10%蔗糖G′ ▽ 10%蔗糖G″ ▲ 20%蔗糖G′ △ 20%蔗糖G″

● 0%蔗糖G′ ○ 0%蔗糖G″ ▼ 10%蔗糖G′ ▽ 10%蔗糖G″ ▲ 20%蔗糖G′ △ 20%蔗糖G″

图4a显示未经超声处理组，整个扫描区域G′、G″存在一平台区，即线性黏弹区域，且平台区内G′均高于1 000 Pa，随振幅逐渐增加，出现平滑下降区域，表明整个共混体系为非脆性凝胶。图4b及图4c分别显示超声10 min和20 min组样品未发现类似平滑下降区域，整个振幅扫描范围G′、G″对振幅几乎没有依赖性且G′、G″均低于100 Pa，随蔗糖浓度增加和超声时间延长，G′、G″被显著降低。

2.2 SPI/Konj共混体系凝胶质构性质分析

表2显示未经超声处理时SPI/Konj共混凝胶的硬度值及黏附性值均随蔗糖浓度增加而增加。超声处理10 min后，添加等浓度蔗糖共溶质条件下，硬度和黏附性值均被显著降低，且与未超声组相比该超声条件下蔗糖浓度增加硬度及黏附性的趋势被改变，超过10%蔗糖质量浓度的共混体系凝胶硬度和黏附性值均低于对照样。超声处理20 min共混凝胶的硬度和黏附性进一步被降低。超声处理后，SPI/Konj共混体系中的蛋白和多糖高分子链被降解，不利于形成三维结构的同时，短链产生的黏附性作用也被削弱，此过程超声降解占主导作用，因而屏蔽了添加蔗糖强化共混凝胶强度的作用。

表2 不同处理条件下SPI/Konj共混体系凝胶质构参数

注：超声时间相同组，字母不同表示凝胶质构参数之间具有显著差异(P<0.05)。

2.3 共混体系凝胶微观结构分析

比较图5a、图5b及图5c可知，未经超声处理组SPI/Konj共混凝胶的微观凝胶结构呈现连续网络特征，且随蔗糖浓度升高，凝胶网络结构微孔结构数量和平均孔隙率和尺度均呈轻微增加趋势。图5d、图5e及图5f显示超声处理10 min样品共混凝胶微观网络结构因发生团块状聚集而显著减少。图5g、图5h及图5i表明进一步延长超声时间至20 min，微观三维网络结构形成团块状的趋势愈加明显。与未经超声处理样品比较，超声处理因机械剪切及空化效应等复合作用使共混凝胶微观结构发生了显著变化，并导致凝胶强度进一步被弱化。研究发现随超声作用加强可弱化马铃薯淀粉糊凝胶的三维网络结构并降低凝胶的力学强度[14]，而超声处理鱼糜后可使凝胶的网格结构更加致密、均匀并能提升凝胶的强度[15]，超声对不同食品高分子凝胶微观结构的改变趋势存在较大差异，主要源于不同食品高分子结构耐受超声剪切和空化降解效应不同所致。

图5 SPI/Konj共混体系凝胶扫描电镜图

2.4 SPI/Konj共混凝胶体系红外光谱分析

a 超声0 min+0%蔗糖 b 超声10 min+0%蔗糖c 超声20 min+0%蔗糖 d 超声0 min+10%蔗糖e 超声10 min+10%蔗糖 f 超声20 min+10%蔗糖g 超声20 min+20%蔗糖图6 SPI/Konj共混体系凝胶傅里叶红外测试结果图

3 结论

未经超声处理时，共混凝胶化速度、黏弹模量、质构硬度及黏附性均随蔗糖浓度增加而增加，提高了凝胶结构化速率，并最终强化凝胶强度。随超声时间延长，未添加蔗糖时凝胶体系微观结构发生了团块状聚集，从而导致凝胶三维网络破坏并显著降低共混凝胶强度。同时施加超声处理和添加蔗糖共溶质，蔗糖共溶质提高凝胶结构强度效应被超声弱化，表明超声处理和蔗糖共溶质对SPI/Konj共混体系凝胶结构及性能不具备协同增效作用。