摘　要:以低質(zhì)量分數(shù)(0.01%~0.25%)結冷膠(gellan gum)為研究對象,研究了結冷膠溶膠(質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%)的流變性質(zhì),考察了Ca2+質(zhì)量分數(shù)及膠質(zhì)量分數(shù)對結冷膠凝膠(0.05%~0.25%)的凝膠強度的影響以及Ca2+與K+在促進凝膠的協(xié)同作用.結果表明,質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%的結冷膠溶膠的流變學類型接近Cross模型,該體系具有剪切稀化性、觸變性及屈服應力,且三者均隨結冷膠質(zhì)量分數(shù)的增大而增大.動態(tài)測量結果表明,上述溶膠是以彈性為主的粘彈性體系,彈性所占比例隨結冷膠質(zhì)量分數(shù)的增大而增大.結冷膠凝膠(質(zhì)量分數(shù)為0.05%~0.25%)的凝膠強度隨膠質(zhì)量分數(shù)的增大而增大;隨Ca2+質(zhì)量分數(shù)的增大呈先增大后減小的變化規(guī)律,Ca2+的最適用量為200~280 mg/kg.Ca2+與K+對促進結冷膠凝膠無協(xié)同作用.

關鍵詞:結冷膠;流變性;凝膠強度;剪切稀化;觸變性;屈服應力;粘彈性

    早在1978年,美國科學家就發(fā)現(xiàn)了結冷膠,它是由伊樂藻假單胞菌(Pseudomonas elodea)經(jīng)需氧發(fā)酵產(chǎn)生的能形成凝膠的多糖,由4個糖分子(D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、D-葡萄糖及L-鼠李糖)組成的重復單元聚合而成,其中第一個葡萄糖分子是以β(1,3)糖苷鍵與前一單元的鼠李糖分子連在一起,其余糖分子之間以β(1,4)糖苷鍵相連接[1].結冷膠在極低的用量下(質(zhì)量分數(shù)為0.05%)即可形成澄清透明的凝膠.其在食品中的用量通常為0.1%~0.3%,為瓊脂和卡拉膠用量的1/3~1/2. 1990年美國FDA批準其應用于食品中,我國于1996年批準其應用于食品中[2].自發(fā)現(xiàn)結冷膠以來,眾多學者對其性質(zhì)進行了研究,結果表明:結冷膠凝膠能力受陽離子類型、陽離子濃度及其自身濃度的影響,二價陽離子比一價陽離子促進結冷膠凝膠的能力強,其中Ca2+比Mg2+有效;二價陽離子使結冷膠形成熱不可逆性凝膠,一價陽離子使結冷膠形成熱可逆性凝膠[3].在陽離子存在時,在pH 4.0~8.0時結冷形成的凝膠的強度,幾乎不隨pH變化[4].低酰基結冷膠形成的凝膠脆,加之形成凝膠所需的膠質(zhì)量分數(shù)低,因此有利于風味物質(zhì)的釋放[5].以上研究結果大都是在模擬體系(質(zhì)量分數(shù)大于等于0.4%[3~5])中進行的,這一數(shù)值遠遠高于其在食品體系中的實際用量.因此,作者研究了質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%的結冷膠溶膠的流變性質(zhì)和Ca2+對質(zhì)量分數(shù)為0.05%~0.25%結冷膠凝膠強度的影響以及Ca2+與K+二者對其凝膠強度的

影響.1　材料與方法1.1　實驗材料

結冷膠:美國Kelco公司生產(chǎn);KCl:食品級,市售;無水CaCl2:食品級,市售.

1.2　主要儀器

TA.XT2i物性測試儀:英國Stable microsys公司制造; AR-1000流變儀:英國TA Instrument公司制造.

1.3　實驗方法

1.3.1　低質(zhì)量分數(shù)結冷膠溶膠流變性質(zhì)

1)結冷膠溶膠的制備:稱一定量的結冷膠粉末在室溫下將其分散在50 mL去離子水中(盛于50mL燒杯中),在電爐上加熱至沸騰并不斷攪拌,直至結冷膠粉末完全溶解形成透明、澄清的溶液(用大約80℃的去離子水補償由于蒸發(fā)而損失的質(zhì)量),再將預先稱好的CaCl2添加到熱的結冷膠溶液中并充分攪拌,在室溫下自然冷卻得結冷膠溶膠.

采用的結冷膠質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%,鈣離子質(zhì)量分數(shù)為200 mg/kg[6].

2)剪切稀化程度的測定及屈服應力的測定:采

用AR-1000流變儀對質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%的結冷膠溶膠(每千克溶膠中含200 mg Ca2+)應用穩(wěn)態(tài)轉動(steady state flow)程序進行測定.夾具為6 cm,錐板1°,測定參數(shù)為25℃,剪切速率γ為0.05~15 s-1[7].

3)觸變性的測定[6]:采用AR-1000流變儀,對質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%的結冷膠溶膠(每千克溶膠中含200 mg Ca2+),調(diào)節(jié)溫度為25℃,采用兩步steady state flow程序使剪切速率先從0.05 s-1增加到15 s-1,之后立即以同樣的變化速率從15 s-1下降到0.05 s-1,記錄整個過程的粘度或剪切應力的變化情況[7].

4)結冷膠溶膠的粘彈性測定:采用AR-1000流變儀的振蕩程序(Oscillation procedure)測定不同質(zhì)量分數(shù)的結冷膠溶膠的粘彈性隨振蕩頻率的變化.頻率掃描條件為:溫度25℃,頻率范圍0.01~10 Hz;控制應變?yōu)?對質(zhì)量分數(shù)為0.04%,0.03%和0.02%的結冷膠溶膠取1.5% strain;對質(zhì)量分數(shù)為0.01%的結冷膠溶膠取3% strain(已采用應變掃描確定此應變處于樣品的線性粘彈區(qū)).

1.3.2　凝膠強度的測定1凝膠的制備與結冷膠溶膠的制備基本相同.采用的結冷膠質(zhì)量分數(shù)為0.05%~0.25%,Ca2+質(zhì)量分數(shù)為60~360 mg/kg,室溫為28℃.每個樣品做3個平行樣.用TA.XT2i物性測試儀測定所形成凝膠的強度.夾具P 0.5;測定參數(shù)為:前速度(Pre-speed) 8. 0 mm/s;速度(speed)4.0 mm/s;后速度(Post-speed)8.0 mm/s;距離(distance)20.0 mm.取使凝膠破碎所需的最大力為凝膠強度的數(shù)值,單位為g.

1.3.3　Ca2+與K+的協(xié)同作用的測定1凝膠的制備與結冷膠溶膠的制備基本相同,不同之處在于冷卻時室溫為25℃.固定結冷膠質(zhì)量分數(shù)為0.1%,Ca2+質(zhì)量分數(shù)為240 mg/kg.加入KCl使K+最終質(zhì)量分數(shù)為0,120,240,1 200,2 400,3 600 mg/kg.對所形成的凝膠進行凝膠強度的測定.

2　結果與討論

2.1　剪切稀化程度,屈服應力及觸變性的測定大多數(shù)的食品膠在受到剪切力作用時都表現(xiàn)為剪切變稀,其中有一些溶膠還具有屈服應力(如瓜兒豆膠)或具有觸變性(如海藻酸鈉).食品膠體各異的流變學性質(zhì)決定了其在食品中的特殊用途.為了確定結冷膠適用的食品體系,作者對質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%的結冷膠溶膠的流變性質(zhì)進行了研究,結果見圖1~4.從圖1~4中不同質(zhì)量分數(shù)的結冷膠溶膠的剪切應力與剪切速率的變化曲線可以看出,隨著剪切速率的增加,對4種質(zhì)量分數(shù)的結冷膠溶膠而言,所需的剪切應力都遵循相同的變化規(guī)律,即:增大→平衡→減小→平衡,推測其所屬的流變學類型應為Cross模型.Cross模型所描述的是具有兩個類牛頓區(qū)的假塑性體系.將曲線與Cross模型擬合,得到各種質(zhì)量分數(shù)的結冷膠溶膠的K, n,屈服應力值為σ0,η0和η∞,見表1.在Cross模型(ηα-η∞)/(η0-η∞)=1/[1+(K*γ)n]中,η0為零剪切時的表觀粘度;η∞為當剪切速率γ→∞時的粘度,即最終粘度;K為稠度指數(shù);n

為流動指數(shù).

    由表1可見:隨著結冷膠質(zhì)量分數(shù)的增大,流動指數(shù)n增大(僅在0.04%時有些異常,而其與0.03%的也很接近),即溶膠越偏離牛頓流體,剪切變稀程度越大.同時σ0,η0隨結冷膠溶膠質(zhì)量分數(shù)的增大也逐漸增大,但η∞的數(shù)值卻很接近,都接近于水的粘度.根據(jù)這一結果,可以預測,在膠體食品中添加一定質(zhì)量分數(shù)的結冷膠能有效地懸浮分散相粒子,使體系承受較大的剪切而不立即產(chǎn)生明顯的流動和粒子的上浮或下沉,而當剪切力超過屈服應力時,溶膠可在較低的剪切速率(<15 s-1)即成為水樣流體,具有良好的口感.質(zhì)量分數(shù)越大,觸變環(huán)面積越大,粘度在恢復的過程中所需的時間越長.因此,在使用結冷膠作為穩(wěn)定劑時,應避免食品膠體在貯藏過程中經(jīng)受長時間的剪切而導致質(zhì)構破壞.

2.2　結冷膠溶膠粘彈性的測定

    小幅震蕩實驗是測定物體粘彈性的方法之一,其評價指標為G′,G″和δ,其中G′(儲能模量)代表彈性部分,G″(損耗模量)代表粘性部分,δ為損耗角,其正切tgδ=G″/G′表征了體系的粘彈特性.tgδ越大則粘性成分占優(yōu)勢,體系表現(xiàn)為流體的特征;tgδ越小則彈性成分占優(yōu)勢,體系表現(xiàn)為固體的特征,一般以tgδ=1為界限.采用此法對不同質(zhì)量分數(shù)的結冷膠溶膠在各自所確定的應變下進行頻率掃描,測其G′和G″,結果見圖5.

    對質(zhì)量分數(shù)為0.01%~0.04%的結冷膠溶膠來說,4種體系的G′均大于G″,說明4種體系均以彈性為主;隨著質(zhì)量分數(shù)的增大,G′和G″均不同程度的增大,tgδ越來越小(見表2,僅0.02%的溶膠有些異常),體系越來越以彈性為主;若繼續(xù)增大溶膠的質(zhì)量分數(shù)(≥0.05%),可形成肉眼可見的凝膠.因此,用物性儀研究質(zhì)量分數(shù)為0. 05% ~

0.25%的結冷膠凝膠的力學性質(zhì).

2.3　Ca2+質(zhì)量分數(shù)及結冷膠質(zhì)量分數(shù)(0.05%~0.25%)對結冷膠凝膠強度的影響研究表明:高質(zhì)量分數(shù)(≥0.4%)結冷膠的凝膠強度隨陽離子質(zhì)量分數(shù)的增大呈先增大后減小的變化規(guī)律,即存在一個最適的陽離子質(zhì)量分數(shù)范圍;膠質(zhì)量分數(shù)不同,最適陽離子質(zhì)量分數(shù)也有差異.推測其原因可能是:結冷膠分子的羧基側鏈由于靜電相互作用而互相排斥,這阻礙了螺旋的緊密結合,也阻礙了螺旋的緊密聚集,而陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用[3],因此隨著陽離子質(zhì)量分數(shù)的提高,凝膠強度也隨之提高;但過多的陽離子又會阻礙結冷膠雙螺旋結構的有序聚集,減弱凝膠,

所以當質(zhì)量分數(shù)超過一定限度,又會使凝膠強度下降[8].

     為了確定低質(zhì)量分數(shù)結冷膠的最適陽離子質(zhì)量分數(shù),研究了Ca2+對低質(zhì)量分數(shù)(0.05%~0.25%)結冷膠的凝膠強度的影響,見圖6.結果表明:在實驗選擇的結冷膠質(zhì)量分數(shù)范圍內(nèi),凝膠強度隨Ca2+質(zhì)量分數(shù)的增大都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,其最適Ca2+質(zhì)量分數(shù)為200~280 mg/kg.

    由表3看出:隨著結冷膠質(zhì)量分數(shù)的增大,凝膠強度呈現(xiàn)不等的增加,尤其以0.15%~0.2%的結冷膠增幅最大.同樣隨著膠質(zhì)量分數(shù)的增大,最適Ca2+質(zhì)量分數(shù)也在增大,只有質(zhì)量分數(shù)0.15%的曲線有異常,見表4.這可能是因為隨著膠質(zhì)量分數(shù)的增大,形成雙螺旋所需的Ca2+數(shù)量增大,從而達到最佳結合的Ca2+質(zhì)量分數(shù)也隨之增大.

2.4　Ca2+與K+協(xié)同作用的測定

一價陽離子和二價陽離子誘使低酰基結冷膠凝膠的機理分別為[9]:1)單價金屬離子結合到單一螺旋的表面,這樣

降低了它們的電荷密度,減少了聚集時的靜電障礙.雙螺旋由強的羧基—陽離子+—水—陽離子+—羧基的相互作用連接.

2)二價陽離子通過在相鄰兩螺旋的一對羧基之間的結合(形成“橋”)促進聚集,雙螺旋由更強的羧基—陽離子++—羧基相互作用連接[10].二者的凝膠機理不同,但它們誘使結冷膠從無規(guī)線團轉變成雙螺旋,接著由雙螺旋聚集形成結合區(qū)的驅(qū)動力都來自陽離子與羧基的結合.因此當二者共存時,一方面有可能由于兩者與羧基的競爭結合而不能形成有序的雙螺旋使凝膠強度減弱,一方面也可能由于兩者與羧基的互補結合而產(chǎn)生協(xié)同作用.作者考察了二者的協(xié)同作用,見圖7.

    從圖7可以看出:沒加K+時,其凝膠強度為154.1 g,當體系中K+的質(zhì)量分數(shù)為240 mg/kg時,凝膠強度下降為140.6 g,當繼續(xù)增加K+的質(zhì)量分數(shù)為2 400 mg/kg時,凝膠強度達到最低,為98.9 g,隨后K+質(zhì)量分數(shù)增加為3 600 mg/kg,凝膠強度又上升,達到123.4 g.此現(xiàn)象的原因為:在K+質(zhì)量分數(shù)較低時,結冷膠上的羧基與K+的有限

結合不能形成足夠量的氫鍵連接,同時又減弱了Ca2+在羧基間的橋聯(lián),因而隨著K+的加入,凝膠強度下降;而當K+質(zhì)量分數(shù)增大到一定程度時,溶液中反過來就主要以K+為主體,此時隨著K+的加入,凝膠強度又出現(xiàn)上升的趨勢.但由于Ca2+的存在,二者互相競爭不能形成有序的雙螺旋,因此二者在促進結冷膠凝膠上無協(xié)同作用.

3　結　論

低質(zhì)量分數(shù)結冷膠溶膠(0.01%~0.04%)的流變學類型接近Cross模型,該體系具有剪切稀化性、觸變性和屈服應力,且三者均隨結冷膠質(zhì)量分數(shù)的增大而增大;該體系的粘彈性以彈性為主,彈性所占比例也隨膠質(zhì)量分數(shù)的增大而增大.Ca2+對低質(zhì)量分數(shù)結冷膠的凝膠強度的影響與高質(zhì)量分數(shù)相似,都存在一個最適質(zhì)量分數(shù),對質(zhì)量分數(shù)為

0.05%~0.25%的結冷膠來說,此范圍為200~280mg/kg. Ca2+與K+對促進結冷膠凝膠無協(xié)同作用.