小分子糖-罗望子多糖复合凝胶特性研究

王枫1,艾连中1,赖凤羲1,张汇1*,谢凡1,宋子波2

1 上海理工大学健康科学与工程学院 上海食品微生物工程技术研究中心 上海200093 2 云南猫哆哩集团食品有限责任公司 云南玉溪 653100)

摘要 探究不同小分子糖(蔗糖、果糖和葡萄糖)含量对罗望子多糖(TSP)复合凝胶特性的影响。分析小分子糖-TSP 复合凝胶的流变特性、持水性、质构特性,并通过低场核磁共振技术分析其水分分布情况。结果表明:质量分数45%~60%的蔗糖和果糖及质量分数40%~55%的葡萄糖能使1%(m/V)的TSP 溶液形成凝胶;当蔗糖和果糖的质量分数为55%,葡萄糖质量分数为50%时,蔗糖-TSP 复合凝胶的G′、持水性、硬度、内聚性和咀嚼性分别为108.39 Pa,98.20%,65.55 g,0.87 和52.55 g,果糖-TSP 复合凝胶的G′、持水性、硬度和咀嚼性分别为147.36 Pa,98.57%,62.29 g 和44.84 g,葡萄糖-TSP 复合凝胶的G′、持水性、硬度、内聚性分别为117.46 Pa,98.56%,61.86 g 和48.05 g,都达到最大值,此时凝胶性质最稳定,最有嚼劲。低场核磁结果表明,当蔗糖和果糖质量分数为55%,葡萄糖质量分数为50%时,小分子糖-TSP 复合凝胶半结合水含量为99.8%~100%,可能是小分子糖中的羟基与水分子形成较多的氢键,半结合水大幅度增加,TSP 链之间交联增多,使得凝胶更加坚固。研究结果可为TSP 在食品工业中的应用提供理论依据。

关键词 小分子糖;罗望子多糖凝胶;流变特性;质构特性;水分分布

罗望子多糖(Tamarind seeds polysaccharide,TSP)是从罗望子(Tamarindus indica L.)种仁中提取的一种木葡聚糖类多糖,由葡萄糖、木糖和半乳糖以物质的量比3.1 ∶1.7∶1.0 组成,其主链为β-(1→4)连接的D-葡聚糖,在O-6 位置被α-D-木糖取代形成侧链,部分木糖残基在O-2 位又被β-D-半乳糖取代[1]。TSP 具有多种优良的理化性质,如增稠性[2]、乳化性[3]、成膜性[4]和抗冰重结晶[5]等特性。此外,TSP 在水溶液中不具有凝胶性,然而在乙醇、多酚或小分子糖等的作用下,TSP 溶液可形成凝胶[6],这使得TSP 在食品和生物医药领域具有良好的应用潜能。目前,TSP 溶液在乙醇或多酚作用下形成凝胶的现象已被解析,研究发现乙醇和多酚可促使TSP 发生聚集,形成无规律的交联域,从而形成凝胶[6-7]。然而,小分子糖诱导TSP 形成凝胶的物化性质还未见报道。

本研究选择食品工业中使用范围最广的小分子糖(蔗糖、果糖和葡萄糖)为原料,探讨不同小分子糖诱导TSP 形成凝胶的浓度范围,分析不同小分子糖-TSP 复合凝胶的流变特性、持水性、质构特性和水分分布,以期为TSP 在凝胶食品中的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

罗望子种仁粉,云南猫哆哩集团食品有限责任公司;食品级蔗糖(Sucrose,Suc),广西来宾东糖凤凰有限公司;食品级果糖(Fructose,Fru),河南万邦化工科技有限公司;食品级葡萄糖(Glucose,Glc),西王药业有限公司;无水乙醇,上海泰坦科技股份有限公司;苯酚、硫酸,上海沪试实验室器材股份有限公司;标准品D-葡萄糖(D-glucose,D-Glc)、D-木糖(D-xylose,D-Xyl)、D-半乳糖(Dgalactose,D-Gal),美国Sigma-Aldrich 公司。

1.2 仪器与设备

ML204 分析天平,瑞士METTLER TOLEDO公司;L5S 型紫外分光光度计,上海仪电分析仪器有限公司;Kjeltec 8400 全自动凯氏定氮仪,瑞典FOSS 公司;DionexTM ICS-5000+高效阴离子交换色谱,美国Thermo Fisher Scientific 公司;高效分子排阻色谱串联多角度激光光散射系统(High performance size exclusion chromatography multiangle laser light scattering,HPSEC-MALLS),美国Wyatt Technology公司;Discovery DHR-3流变仪,美国TA Instruments 公司;TA.XT Plus 质构仪,英国Stable Micro Systems 公司;PQ001 核磁共振分析仪,上海纽迈电子科技有限公司;CMAG MS10 磁力搅拌器,德国IKA 公司;SP-752冷冻离心机,美国Beckman 公司。

1.3 方法

1.3.1 TSP 的制备及组成分析 采用酸提醇沉法[8]从罗望子种仁粉中制备TSP,总糖含量采用苯酚-硫酸法[9]测定,标准品为葡萄糖,标准曲线方程为Y=7.505X+0.0108(R2=0.999,线性方法的质量浓度范围25~125 μg/mL);蛋白质含量采用凯氏定氮法[10]测定,蛋白质换算系数为6.25。通过DionexTM ICS-5000+高效阴离子交换色谱串联脉冲安培检测器分析TSP 的单糖组成[11]。参考Zhang等[1]的方法,用高效分子排阻色谱串联多角度激光光散射系统(HPSEC-MALLS)分析TSP 的分子质量和相关参数。

1.3.2 样品的制备 配制质量分数30%~65%的蔗糖、果糖和葡萄糖溶液各100 mL,分别取30 mL 于蓝盖瓶中,80 ℃边搅拌边加入0.3 g TSP 粉末(1%,m/V)使其充分溶解,冷却备用。所有样品一式3 份。

1.3.3 凝胶动态流变分析 参考Tanger等[12]的方法,将样品置于Discovery DHR-3 流变仪平板正中央,选用不锈钢平板夹具(直径40 mm,测试间隙1 000 μm)对样品进行如下操作:1)动态频率扫描:角频率范围0.1~100 rad/s,温度25 ℃,应变1%(在线性黏弹范围内);2)升温扫描:1 Hz,应变1%,温度以5 ℃/min 的速率从25 ℃升至95 ℃,测定时在夹具周围滴覆一层硅油以防升温导致水分蒸发。采用TA instruments Trios 软件采集数据并分析、拟合。

针对动态频率扫描数据,利用式(1)进行拟合:

式中,G′——储能模量,Pa;ω——角频率,rad/s;a——指前因子;b——指数,是lgG′对lgω 作图的斜率。

1.3.4 凝胶质构分析 参考Liu等[13]的方法,将制备好的凝胶样品置于TA.XT Plus 质构仪载物台上,探头对准样品中心进行二次压缩试验,参数设置为探头型号P/100,下压与回升速度1.0 mm/s,应变30%,触发类型自动,施力5.0 g,测定时间5 s。样品为圆柱形(H=15 mm,d=26 mm)。用Exponent 软件分析凝胶的硬度、弹性、内聚性和咀嚼性。

1.3.5 持水性测定 参考Khemakhem等[14]的方法测定凝胶持水性,将凝胶表面的水分轻轻吸干,称重,8 000 r/min 离心15 min,吸干凝胶表面水分,称重,记录离心前、后的凝胶质量,按式(2)计算凝胶持水性:

式中,m1 和m2——离心前和离心后的凝胶质量,g。

1.3.6 水分分布测定 采用低场核磁共振测定凝胶的水分分布[15]。吸取溶解好的TSP 溶液2 mL 于核磁管中,冷却形成凝胶后采用CPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)脉冲序列测定自旋-自旋弛豫时间(T2)。测试条件:温度32 ℃,频率100 kHz,等待时间6 000 ms,采样点数1 800 050,累计扫描次数8,回波个数18 000。用Niuamg NMR 软件进行数据采集与处理。

1.3.7 数据处理 试验结果均以 “平均数±标准差”表示,3 次平行测定。用Excel 2019 对数据进行统计与计算,用SPSS Statistics 25 进行显著性差异分析(P <0.05),并用Origin 2018 绘图与拟合。

2 结果与分析

2.1 TSP 的化学组成和分子质量

采用酸提醇沉法制备得到TSP 样品,其得率为53.64%(表1),总糖含量为97.85%,蛋白质含量为1.62%(<3.0%),符合《食品安全国家标准 食品添加剂 罗望子多糖胶》(GB 1886.106-2015)[16]要求。单糖组成分析表明TSP 由葡萄糖、木糖和半乳糖以摩尔比3.4∶1.8∶1.0 组成,接近文献报道的3.1∶1.7∶1.0[1]。TSP 重均分子质量Mw 为692.3 ku,数均分子质量Mn 为447.4 ku,回旋半径Rg 为63.6 nm,水合动态半径Rh 为39.91 nm,与Zhang等[1]报道的略有差异,这可能与罗望子的生理阶段不同有关。根据Mark-Houwink 方程([η]=K×Mwa)计算得到的参数α 和根据Rg 和Rh 计算得到的结构参数ρ(ρ=Rg/Rh)分别为0.663 和1.59,说明TSP 为半柔性无规线团构象(α=0.5~0.8,ρ=1.5~1.8)[17]

表1 TSP 的化学组成和分子质量
Table 1 Chemical composition and molecular mass of TSP

注:试验结果表示为“平均值± 标准差”(n=3);总糖和蛋白质含量为质量分数,葡萄糖、木糖和半乳糖含量为摩尔分数。

2.2 小分子糖含量的确定及小分子糖-TSP 复合凝胶的动态流变特性

采用流变学方法测定储能模量G′(表征固体行为)和损耗模量G″(表征液体行为),比较二者的大小,可判断体系处于液体或凝胶状态[18]。凝胶分为弱凝胶和强凝胶,弱凝胶G′略大于G″,G′和G″都具有很强的频率依赖性,并且随着频率增大会出现交点;强凝胶G′远大于G″,模量与频率无关[18]。动态流变结果显示蔗糖和果糖的质量分数为40%,葡萄糖为30%时,小分子糖和TSP 混合体系的G′小于G″(图1a~1c),tanδ 大于1(图1d~1f),表明体系处于液体状态,未形成凝胶;当蔗糖和果糖的质量分数在45%~60%,葡萄糖为40%~55%时,G′远大于G″,tanδ 小于1,表明体系处于凝胶状态,且G′、G″随ω 增加缓慢上升,说明凝胶介于弱凝胶和强凝胶之间;当小分子糖含量继续增加(蔗糖和果糖增加至65%,葡萄糖增加至60%),在低角频率条件下,G′略大于G″,随后出现交点,tanδ 在1 附近,表明体系有弱凝胶趋势[18],而G′很小(<10 Pa),表观形态更接近液态[19]。以上结果表明45%~60%的蔗糖和果糖及40%~55%的葡萄糖能促使TSP 溶液形成凝胶,而不同小分子糖诱导TSP 形成凝胶浓度范围的不同可能与小分子糖的水合性质有关。

图1 小分子糖-TSP 复合凝胶的G′、G″和tanδ 随角频率的变化及ω=1 时随糖含量的变化
Fig.1 Changes in G′,G″ and tanδ of small molecular sugar-tamarind polysaccharide complex gels with angular frequency and with sugar content at ω=1

图2 小分子糖-TSP 复合凝胶的G′、G″和tanδ 随温度的变化
Fig.2 Changes in G′,G" and tanδ of small molecular sugar-TSP complex gels with temperature

以小分子糖的质量分数为横坐标,G′和G″为纵坐标作图,可以更明显的看出糖含量对小分子糖-TSP 复合凝胶动态黏弹性的影响,结果如图1g和1h 所示,当ω=1,蔗糖和果糖的质量分数在45%~60%,葡萄糖质量分数在40%~55%之间时,小分子糖-TSP 复合凝胶的G′随糖含量的增加先增大后降低,tanδ 随糖含量的增加先减小后增大,当蔗糖和果糖的质量分数为55%,葡萄糖为50%时,G′达最高(图1g);当蔗糖和果糖的质量分数为50%和55%,葡萄糖为45%和50%时,tanδ 较小(图1h),表明在适中的糖含量下形成的凝胶最稳定[20]

为进一步直观描述小分子糖-TSP 凝胶的动态黏弹性,用power-law 模型(G′=a×ωb)对凝胶动态扫描数据进行数学拟合,结果如表2 所示,其中a 代表凝胶强度[21],b 代表G′对ω 的依赖程度,b=0 表示G′不随频率变化,低b 值是弹性凝胶的特征,b 值接近1 是黏性凝胶的特征[22]。在蔗糖和果糖的质量分数为45%~55%,葡萄糖为40%~50%的范围内,随着糖含量增加,a 值增大且与糖含量具有一定相关性(蔗糖:y=-326.58+7.68x,R2=0.980;果糖:y=-586.08+13.37x,R2=0.998;葡萄糖:y=-366.01+9.67x,R2=0.998),说明在此范围内糖含量越高形成的凝胶强度越大。蔗糖、果糖和葡萄糖与TSP 形成的凝胶b 值均接近0(0.02~0.16),为弹性凝胶,当蔗糖和果糖质量分数为50%和55%,葡萄糖质量分数为45%和50%时,b值最小,此时凝胶弹性最好。

表2 小子糖-TSP 复合凝胶的动态流变参数对频率的依赖性
Table 2 Frequency dependencies for dynamic rheological parameters of small molecular sugar-TSP complex gels

注:数据为“平均值±标准差”(n=3);同一列不同字母代表差异显著(P <0.05)。

2.3 小分子糖-TSP 复合凝胶的温度稳定性

测定小分子糖-TSP 复合凝胶的温度稳定性可为实际生产中的杀菌工艺提供理论指导,流变升温扫描下的G′和G″可以表征凝胶的温度稳定性。将温度从25 ℃升高至95 ℃,记录G′和G″随温度的变化,结果表明,整体上,在升温起始阶段(25~55 ℃),小分子糖-TSP 复合凝胶的G′(图3a~3c)和tanδ(图3d~3f)缓慢下降;温度升高至55~80 ℃时,分子间的键被破坏,G′快速下降,tanδ 升高,凝胶逐渐融化;温度继续升高至80~95 ℃时,G′降到最低,tanδ 趋于平缓,凝胶几乎全部融化。这表明小分子糖-TSP 形成的复合凝胶在食品加工中适合低温杀菌。随着小分子糖含量的增加,G′到达最低点的温度升高,说明增加小分子糖含量有利于增加凝胶的温度稳定性,这与Wang等[23]的研究类似。

图3 小分子糖-TSP 复合凝胶的持水性
Fig.3 Water holding capacity of small molecular sugar-TSP complex gels

2.4 小分子糖-TSP 复合凝胶的持水性

持水性是评价凝胶食品品质的重要参数之一,为此,采用高速离心法测定离心前、后水分的损失以评估凝胶的持水能力,结果如图3 所示。结果表明,在蔗糖和果糖质量分数为45%~60%,葡萄糖质量分数为40%~55%的范围内,小分子糖-TSP 复合凝胶持水性为88.24%~98.57%,整体持水性较好。持水性随糖含量增加先增大后降低,当蔗糖和果糖质量分数为55%,葡萄糖为50%时,小分子糖-TSP 复合凝胶持水性最高,分别为98.20%,98.57%,98.56%,结合动态流变结果,这些质量分数下的凝胶性质最稳定,可能形成了更致密均匀的结构,能够更好地保持水分[6]

2.5 小分子糖-TSP 复合凝胶的质构特性

质构特性对食品质量至关重要,质构特性包括硬度、弹性、内聚性和咀嚼性等参数,其中,硬度和弹性是最直接反映口感的指标,内聚性与感官评分有较大的正相关性[24],咀嚼性越大表示凝胶越有嚼劲。通过质构仪用P/100 探头对小分子糖-TSP 复合凝胶进行二次压缩试验模拟其在口腔中的咀嚼过程,经软件计算可得到硬度、弹性、内聚性和咀嚼性等参数,结果如图4 所示。结果表明,小分子糖-TSP 复合凝胶的硬度(图4a)、弹性(图4b)、内聚性(图4c)和咀嚼性(图4d)在测试的范围内均随糖的质量分数增加呈先升高后降低的趋势,其中蔗糖质量分数为55%时,蔗糖-TSP 复合凝胶的硬度、内聚性和咀嚼性最大,分别为65.55 g,0.87 和52.55 g,质量分数为50%时,弹性最大,为1.00;果糖质量分数为55%时,果糖-TSP 复合凝胶的硬度和咀嚼性最大,分别为62.29 g 和44.84 g,质量分数为50%时,弹性和内聚性最大,分别为0.95 和0.79,然而与55%质量分数的果糖-TSP 复合凝胶没有显著性差异;当葡萄糖质量分数为50%时,葡萄糖-TSP 复合凝胶硬度和内聚性达到最大值,分别为61.86 g 和48.05 g,质量分数为45%时,弹性最大和内聚性最大,分别为0.96和0.86,然而与50%质量分数的葡萄糖-TSP 复合凝胶没有显著性差异。这说明当蔗糖和果糖质量分数为55%,葡萄糖质量分数为50%时,小分子糖-TSP 复合凝胶较有嚼劲,2.2 节的流变结果也表明此时凝胶性质最稳定,二者具有一致性。

图4 小分子糖-TSP 复合凝胶的质构特性随糖含量的变化
Fig.4 Changes in texture properties of small molecular sugar-TSP complex gels with sugar content

注:不同字母代表差异显著(P <0.05)。

2.6 小分子糖-TSP 复合凝胶的水分分布

低场核磁可在不破坏凝胶结构的情况下测定凝胶中水分子的状态和比例,为此,采用该技术对小分子糖-TSP 复合凝胶的水分分布进行分析,结果如图5 所示。结果表明,不添加小分子糖时,1%TSP 溶液仅在1 873.8 ms 处出现一个单峰,随着小分子糖含量的增加,T2 逐渐减小,出现多个峰(图5a~5c):其中T21(0.14~0.33 ms)代表结合水、T22(37.6~115.0 ms)和T23(132.2~464.2 ms)代表半结合水、T24(510.5~1873.8 ms)代表自由水。此外,峰面积代表各部分水的相对含量[25]

图5 小分子糖-TSP 复合凝胶的水分子横向弛豫时间T2 及水分分布随糖含量的变化
Fig.5 Changes in transverse relaxation time T2 of water and moisture distribution in small molecular sugar-TSP complex gels with sugar content

以结合水、半结合水和自由水的相对含量为纵坐标,小分子糖的质量浓度为横坐标作图(图5d~5f),可以发现,小分子糖-TSP 复合体系中结合水较少(图5d),主要为半结合水(图5e)和自由水(图5f)。当蔗糖和果糖的质量分数为0%~40%,葡萄糖质量分数为0%~30%时,小分子糖-TSP 复合体系未形成凝胶,半结合水含量极低(蔗糖-TSP复合体系半结合水含量为0%~2.9%,果糖-TSP 复合体系半结合水含量为0%~5.5%,葡萄糖-TSP 复合体系半结合水含量为0%~4.4%),自由水含量接近100%;体系刚开始凝胶时,蔗糖-TSP 复合体系半结合水含量升高至6.7%(蔗糖质量分数为50%),果糖-TSP 复合体系半结合水升高至10.7%(蔗糖质量分数为50%);葡萄糖-TSP 复合体系半结合水从4.4%升高至5.8%(葡萄糖质量分数为45%),推测是因为小分子糖中的羟基可与水分子形成氢键,降低自由水含量,促进TSP 链交联形成连接区,当交联达到一定程度时,形成网络结构包裹液体,从而形成凝胶[26-27];当凝胶性质最稳定,持水性最好,硬度和咀嚼性最高时(蔗糖和果糖的质量分数为55%,葡萄糖质量分数为50%),体系半结合水含量升高至99.8%~100%,其原因可能是小分子糖的羟基与水分子形成了更多的氢键,从而大幅度降低了自由水含量,使得TSP 链之间的交联增多,凝胶更加稳固[26-27]。当蔗糖和果糖的质量分数继续升高至60%,葡萄糖质量分数升高至55%~60%时,虽然体系半结合水含量依然很高,但过量的糖夺取了维系凝胶立体结构的水分,小分子糖-TSP 复合凝胶的稳定性、持水性和质构特性等均下降[28]。另外,65%的蔗糖和果糖及60%的葡萄糖与TSP 的复合体系呈液体状态,这还可能是因为糖含量过高导致体系黏度过高阻碍了凝胶的形成[23]

此外,研究发现蔗糖、果糖和葡萄糖开始形成凝胶及性质达到最稳定的质量分数有所不同,这可能与它们的水合性质有关,而小分子糖的水合性质与其平均水平羟基数n(e-OH)和分子体积有关,平均水平羟基数n(e-OH)越大,越容易与水分子结合,小分子糖、水分子和TSP 之间的结合越紧密,而分子体积太多会阻碍它们之间的相互作用[26]。蔗糖、果糖和葡萄糖的n(e-OH)分别为6.3,3.0,4.6[29],而蔗糖为二糖,分子大小对水合作用的负面影响超过了平均水平羟基的正面促进作用,使得蔗糖与果糖一样需要在质量分数达到45%时,才能诱导TSP 凝胶,60%时性质才最稳定,而葡萄糖质量分数为40%,即可诱导TSP 形成凝胶,质量分数达到55%,即表现出稳定的凝胶性质。

3 结论

本研究发现当蔗糖和果糖的质量分数为45%~60%,葡萄糖质量分数为40%~55%时,小分子糖能促使TSP 形成凝胶,且在此范围内,糖含量越高小分子糖-TSP 复合凝胶温度稳定性越好;当蔗糖和果糖的质量分数为55%,葡萄糖质量分数为50%时,G′最高,凝胶强度最强,此时的复合凝胶持水性和硬度、弹性、内聚性和咀嚼性等质构特性也达到最大值。低场核磁分析表明小分子糖诱导TSP 凝胶与小分子糖的水合性质有关,小分子糖中的羟基可与水分子形成氢键,降低体系自由水含量,促进TSP 链交联形成连接区,包裹液体,从而形成凝胶。此外,不同小分子糖促进TSP 凝胶的作用可能与它们的平均水平羟基数n(e-OH)和分子体积有关。

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Studies on the Gelling Properties of Complex between Small Molecular Sugars and Tamarind Seed Polysaccharide

Wang Feng1,Ai Lianzhong1,Lai Phoency1,Zhang Hui1*,Xie Fan1,Song Zibo2
1Shanghai Engineering Research Center of Food Microbiology,School of Health Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093 2Yunnan Maoduoli Group Food Co.,Ltd.,Yuxi 653100,Yunnan)

Abstract The effects of different content of small molecular sugars(sucrose,fructose and glucose)on the properties of tamarind seed polysaccharide(TSP)composite gel were investigated.The rheology properties,water holding capacity and texture of small molecular sugar-TSP gel were studied.The moisture distributions of the composite gels were analyzed by low-field nuclear magnetic resonance(LF NMR).The results showed that sucrose and fructose at 45%-60%(m/m)and glucose at 40%-55%(m/m)could make TSP solution(1%,m/V)form gel.When the contents of sucrose and fructose at 55%(m/m)and glucose at 50%(m/m),the G′,water holding capacity,hardness,cohesiveness and chewiness of sucrose-TSP gel were of 108.39 Pa,98.20%,65.55 g,0.87,52.55 g,while the G′,water holding capacity,hardness and chewiness of fructose-TSP gel were of 147.36 Pa,98.57%,62.29 g,44.84 g,and the G′,water holding capacity,hardness,cohesiveness of glucose-TSP gel were of 117.46 Pa,98.56%,61.86 g,48.05 g,all of which reached the maximum.At this state,the gels were the most stable and chewable.The results of LF NMR showed that when sucrose and fructose at 55%(m/m)and glucose at 50%(m/m),the semi-bound water content of small molecular sugar-TSP gels was 99.8%-100%.This might be due to the large amount of hydrogen bonds between hydroxy groups of small molecular sugars and water molecules,and the cross-linking between TSP chains increased,which made the gel much stronger.This study can provide theoretical basis for the application of tamarind polysaccharide in food industry.

Keywords small molecular sugar;tamarind seed polysaccharide gel;rheological properties;texture properties;moisture distribution

文章编号 1009-7848(2024)04-0069-11

DOI:10.16429/j.1009-7848.2024.04.007

收稿日期:2023-08-08

基金项目:上海市科技创新行动计划国内科技合作项目(21015800300)

第一作者:王枫,女,硕士生

通信作者:张汇 E-mail:zhh8672@126.com