全 文 ：[Article] www.whxb.pku.edu.cn
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao)
Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30 (6), 1134-1141 June
Received: March 17, 2014; Revised: April 23, 2014; Published on Web: April 25, 2014.
∗Corresponding author. Email: zhxchen@ustc.edu; Tel: +86-13735802398.
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (20973155).
国家自然科学基金(20973155)资助项目
© Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica
doi: 10.3866/PKU.WHXB201404251
瓜儿豆胶和刺槐豆胶抑制阿斯巴甜甜感强度的机制探索
徐淑臻 韩 雪 田俊楠 吴 寨 陈忠秀*
(浙江工商大学食品与生物工程学院,杭州 310035)
摘要: 目前大分子水溶胶对于味觉物质的影响机制研究主要集中于胶体自身的性质以及胶体结构与味物质
的相互作用.本文选择了食品中常用的瓜儿豆胶(GG)和刺槐豆胶(LBG),研究了这两种非离子水溶胶对甜味剂
阿斯巴甜(APM)感官甜度的影响,并探索了其中的物理化学机制.感官实验结果表明,高浓度的瓜儿豆胶和刺
槐豆胶对阿斯巴甜的甜度有抑制作用,且随着水溶胶浓度的增高,达到高分子临界交叠浓度C*后,抑制作用更
明显.基于人工受体模型,利用等温滴定量热(ITC)技术发现,两种水溶胶存在条件下阿斯巴甜与受体模型相互
作用的结合常数急剧减小.另外,通过对甜味剂存在下非离子水溶胶的水分分布、扩散性质的考察,发现随水溶
胶浓度增加,体系的结合水含量均增多,尤其是水溶胶浓度达到临界交叠浓度(C*)后增多的现象更明显;同时,
分子的扩散也受到了阻碍,从而导致阿斯巴甜感官甜度的降低.本研究表明,探索大分子水溶胶对甜味剂分子
与受体结合差异性的影响、溶液中水分子的弛豫性质及赋存状态、结合体系的粘度及扩散性质的研究,为理解
大分子水溶胶对甜味影响的物理化学机制提供更多的信息.
关键词: 甜味; 热力学; 水流动性; 扩散; 阿斯巴甜; 非离子胶
中图分类号: O642; O648
Mechanism behind the Inhibition of Sweetness Intensity of Aspartame
by Guar Gum and Locust Bean Gum
XU Shu-Zhen HAN Xue TIAN Jun-Nan WU Zhai CHEN Zhong-Xiu*
(College of Food Science and Biotechnology Engineering, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310035, P. R. China)
Abstracts: Current research on the effects of macromolecular hydrocolloids on sweetness is mainly focused
on the properties of hydrocolloids and their texture-taste interactions. In this paper, the influence of two kinds
of nonionic food hydrocolloids, Guar gum (GG) and Locust bean gum (LBG) on the taste of aspartame (APM)
was studied. Sensory evaluation revealed high concentrations of GG and LBG significantly inhibited the
sweetness intensity of APM, especially when their concentrations were higher than C* (coil overlap
concentration). The mechanism of this phenomenon was investigated using an artificial taste receptor model
and isothermal titration calorimetry. The association constant for APM, determined by the artificial taste receptor
model, decreased in the presence of GG and LBG. More bound water was found in GG and LBG with an
increase in the hydrocolloid concentration, especially at higher than C*. Additionally, water diffusion was
hampered and this contributed to the lower sweetness intensity. We thus determined the influence of the
hydrocolloid on the binding of sweeteners with the receptor, its water mobility as well as its diffusion behavior
in the hydrocolloidal texture. The information obtained enables an understanding of the mechanism behind the
effects of macromolecular hydrocolloids on taste.
Key Words: Sweetness; Thermodynamics; Water mobility; Diffusion; Aspartame; Nonionic hydrocolloid
1134
徐淑臻等:瓜儿豆胶和刺槐豆胶抑制阿斯巴甜甜感强度的机制探索No.6
1 引 言
水溶胶在食品中应用广泛,主要用来增大食品
的粘度, 提高食品的货架期以及改善食品的口感
等.1 目前国内外很多学者已经发现,食品中由于水
溶胶的加入,食物的口感会发生改变.
Mackey等 2,3曾报道酸、甜、苦、咸四种味道在纯
水中的感官阈值较食品介质中小,随着食品中水溶
胶的浓度增加, 味感甚至变得难以感受到. 他们随
后发现,咖啡因、奎宁和糖精在甲基纤维素中的味
感强度较纯水中低. Christensen4发现低粘度的羧甲
基纤维素对咸味和甜味的味觉感受抑制作用很微
弱,而高粘度的羧甲基纤维素对咸味和甜味的味感
强度有明显的抑制作用. Baines和Morris5研究了瓜
儿豆胶浓度对风味物质和甜味物质的味感影响,结
果发现,当瓜儿豆胶浓度低于临界交叠浓度C*值(临
界交叠浓度指的是高分子水溶胶在低浓度时呈现
牛顿行为, 随着浓度的增大, 达到某一特定浓度值
时,高分子呈现非牛顿流体行为, 并且分子间开始
缠结,这个特定浓度值即C*)时,聚合物链可以自由
移动,甜味和风味物质的味感没有明显的变化;而
其浓度高于C*值时, 聚合物链相互之间进行缠结,
形成一个网状结构,显著降低了甜味和风味的味感
强度.但并不是所有的大分子增稠剂都对呈味物质
具有抑制作用. Stone和Oliver6发现蔗糖溶液的味觉
敏感度随玉米淀粉、黄蓍胶、羧甲基纤维素、甲基纤
维素和果胶粘度的增加而逐渐降低,但相对甜度却
逐渐升高; Pangborn等 7研究了低浓度的五种水溶胶
对蔗糖、糖精、咖啡因等物质味感强度的影响,结果
发现柠檬酸的酸味、咖啡因的苦味以及蔗糖的甜味
均被抑制, 而糖精的甜味却被明显提高. 也有研究
发现, 在含有甜味剂的非离子水溶胶中加入NaCl,
会对高浓度糖溶液的甜感强度有增加作用.8
尽管人们很早就发现大分子水溶胶对味感强
度有明显的影响,但对于其中机制的研究还不甚深
入.多数研究者主要关注溶液粘度的变化. 除此以
外,水溶胶结构的改变也是原因之一, 聚合物分子
链的缠结会引起味觉物质不能充分混合,当大分子
浓度高于或低于C*时,聚合物由于链结构的不同引
起了甜味的变化.9-11 另外,凝胶的形成也会改变味
感强度.12,13 当在溶液中引入唾液、离子或者改变溶
液所处的温度时都会对味感造成一定影响.14 Burseg
等 15对增稠剂存在时甜味抑制现象做出了动力学的
解释,即口腔内促味剂释放量的减少以及扩散速率
的减小的原因主要来源于三个方面:一是促味剂与
增稠剂的相互作用,二是促味剂与受体结合过程受
到了阻碍,三是某些增稠剂多糖链的缠绕引起促味
剂不能很好地在溶液中混合.
阿斯巴甜(APM)是一种人工甜味剂,其甜度是
蔗糖的200倍,由于甜味纯正,广泛应用于食品和饮
料中.16目前大分子水溶胶对阿斯巴甜甜感强度的研
究主要集中在感官品评,其背后的物理化学机制鲜
见报道. 我们认为, 大分子水溶胶对甜度的影响机
制除了与溶液粘度、大分子自身结构的变化有关以
外,甜味分子与甜味受体的结合强度在大分子存在
下的改变应该是重要的因素之一.但是由于目前人
们还不能获得甜味受体蛋白的完整晶体结构,关于
甜味受体蛋白与甜味剂的相互作用研究非常困
难.17,18 我们前期试图建立人工甜味受体模型,探索
其与甜味剂相互作用的热力学,在一定程度上揭示
了人工甜味剂与天然甜味剂结合差异性与甜感强
度差异之间的联系、19甜味抑制剂的化学作用机制 20
以及甜味异构体甜感差异的物理化学机制.21 本文
中,我们选用两种非离子水溶胶即瓜儿豆胶(GG)和
刺槐豆胶(LBG),研究非离子水溶胶存在下阿斯巴
甜甜感强度变化的机制. 首先通过感官品评实验,
获得水溶胶存在下阿斯巴甜甜感强度的变化,然后
基于人工甜味受体模型解析大分子水溶胶对阿斯
巴甜与受体模型结合过程热力学参数的影响. 同
时,利用低场核磁探索体系中的水分分布及弛豫性
质,利用电化学探针研究分子扩散的变化, 并结合
溶液粘度对甜感强度变化的影响,阐明非离子水溶
胶存在下阿斯巴甜甜感强度变化的物理化学机理.
2 实验部分
2.1 试 剂
瓜儿豆胶(5000-5500厘泊, 200目),刺槐豆胶,
阿斯巴甜(≥98%),无水硫酸钠(≥99%),均为Aladdin
试剂公司产品;亚铁氰化钾(>99.5%,中国医药集团
上海化学试剂公司),富勒醇(按文献 22合成),实验用
水(Milli-Q去离子水),氮气(99.99%).
2.2 感官品评实验
考察甜味剂在一系列水溶胶体系中的感官变
化,选择阿斯巴甜作为所考察的甜味剂, 浓度分别
为0.125、0.250、0.500 g∙L-1.选取瓜儿豆胶和刺槐豆
胶溶液构建水溶胶体系,浓度分别为 0、0.48、1.43、
2.85 g∙L-1和0、1.00、3.00、6.00 g∙L-1.分别取5 mL不
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Acta Phys. -Chim. Sin. 2014 Vol.30
同浓度的溶液置于塑料杯中, 并按顺序摆放. 由品
评员对每个塑料杯中的溶液进行品评,且每次品评
需使溶液在口腔内蕴含约 2 s,清水漱口且休息10 s
后方可进行下一个样品的品评,品评过程中需对每
个样品的感官甜度值进行评分.实验选用极其弱、
弱、恰好、强、很强、极其强的文字标度对感官甜味
强度进行区分,每个标度对应0-100的分数值.
2.3 等温滴定微量量热(ITC)实验
基于富勒醇人工受体模型,19-21利用等温滴定微
量量热仪(VP-ITC,美国Microcal公司)对不同非离
子水溶胶中阿斯巴甜与受体模型相互作用的热力
学进行考察.样品池为1.43 mL,富勒醇溶液浓度为
0.1 mmol∙L-1, 滴定针中的阿斯巴甜溶液浓度为 5
mmol∙L-1,所有样品进样前需进行脱气,滴定时样
品池温度为25 °C,参比池功率为41.82 μJ∙s-1,总共
滴定 28滴,滴定第一滴为 1 µL,其余 27滴,每滴 10
µL,每两滴间隔时间为 360 s.每一滴持续时间为 2
s,转速为307 r∙min-1.即当瓜儿豆胶浓度高于C*后,
仅某些参数需要调整,在阿斯巴甜与富勒醇滴定过
程中,从第一滴滴定开始到第二滴滴定开始之间所
需时间增至600 s.对照实验是用阿斯巴甜溶液滴定
水溶胶,或者水溶胶滴定阿斯巴甜.
实验中, 以不同浓度的水溶胶溶液作为溶剂.
配制5 mmol∙L-1的阿斯巴甜和0.1 mmol∙L-1的富勒
醇溶液, 25 °C下脱气后备用.在本组实验中,所选取
的水溶胶浓度遵循两个原则:一是保证水溶胶所选
取的浓度范围介于临界交叠浓度C*值的两侧;二是
保证最大浓度下的水溶胶具有一定的流动性,可以
用来脱气和进样.
通过等温滴定微量热技术测试阿斯巴甜滴定
富勒醇过程的热效应,得到阿斯巴甜与富勒醇相互
作用的热量,阿斯巴甜的稀释热以及富勒醇的稀释
热.数据拟合采用MicroCal Origin 7.023软件完成,由
于5 mmol∙L-1阿斯巴甜和0.1 mmol∙L-1富勒醇的稀
释热几乎在 0 J 附近,从而可以忽略不计.因此,在
数据拟合的过程中,可直接选用阿斯巴甜滴定富勒
醇的数据,而不需要扣掉阿斯巴甜和富勒醇的稀释
热.由于第一个点的热量误差较大, 故在拟合过程
中常常去掉第一个点.实验结果采用顺序拟合模式
进行,并通过进一步计算得到阿斯巴甜与富勒醇相
互作用的焓变、熵变及平衡常数等.
2.4 粘度实验
在室温下,将瓜尔豆胶和刺槐豆胶分别按照一
定的浓度配制成溶液, 缓慢倒入圆柱形样品池中,
确保溶液在样品池中无气泡产生,在 25 °C下用旋
转流变仪(MCR302, 奥地利Anton Paar公司)测试,
选择对应型号的转子并设定剪切速率为 1.15-230
s-1,在 25 °C下测定不同浓度水溶胶加入阿斯巴甜
前后的粘度.
2.5 低场核磁实验
利用核磁共振成像仪(MicroMR,上海纽迈电子
科技有限公司),对不同浓度水溶胶溶液加入阿斯巴
甜前后的水分分布及赋存状态进行测定.实验过程
中准确移取 1.5 mL样品至口径为 15 mm的核磁管
内,并将装有样品的核磁管放置在磁体柜的样品槽
中,静置 15 min以达到热力学平衡.磁场强度为 0.5
T, 共振频率为 21-23 MHz, CPMG序列采样参数,
实验过程中选用加入 5 mmol∙L-1阿斯巴甜前后, 6
个不同浓度的瓜儿豆胶和6个不同浓度的刺槐豆胶
溶液进行测定.
2.6 电化学实验
本实验采用循环伏安法分别测定亚铁氰化钾
分子在加入 5 mmol∙L-1阿斯巴甜前后, 6个不同浓
度的瓜儿豆胶溶液和6个不同浓度的刺槐豆胶溶液
的扩散系数.电化学工作站(CHI 103,上海辰华仪器
有限公司),金电极(CHI 101)为工作电极,铂丝电极
(CHI 115)为辅助电极, 3.5 mol∙L-1饱和氯化钾电极
为参比电极. 测试前用高纯氮除去氧气, 实验前金
电极先后用不同规格的打磨膏打磨后于去离子水
中超声清洗.
3 结果与讨论
3.1 阿斯巴甜在GG和LBG体系中的感官甜度
变化
瓜儿豆胶和刺槐豆胶是食品中常用的增稠剂
和凝胶剂,在以往的研究中，有关阿斯巴甜在瓜儿
豆胶和刺槐豆胶两种非离子水溶胶中的感官甜度
变化鲜有报道. 因此, 我们需要首先评定这两种大
分子对阿斯巴甜感官甜度的影响.
在评价和比较不同物质味觉刺激强度的感官
评价中,标度测量法(LMS)的感官评定方法是一种
用来评价感官强度的文字标度法,它能更好地表达
品评员对某种感受的体验.24本实验采用LMS方法,
对阿斯巴甜在瓜儿豆胶和刺槐豆胶体系中的感官
甜度变化进行评价. 选用与质量分数为 3%, 6%,
12%的蔗糖溶液等甜度的阿斯巴甜溶液,25并利用六
1136
徐淑臻等:瓜儿豆胶和刺槐豆胶抑制阿斯巴甜甜感强度的机制探索No.6
个喜好标度对甜味强度进行区分,其中每个文字标
识与0-100的分数值相对应.实验结果见图1.图上
不同颜色交界线上的数值表示甜感强度的感官评
分值.从图1的二维等高线图来看,瓜儿豆胶和刺槐
豆胶对阿斯巴甜的甜感具有抑制作用,并且随这两
种水溶胶溶液浓度的增加,甜味抑制现象越来越明
显.曾有文献报道,瓜儿豆胶的C*为1.9 g∙L-1,25而刺
槐豆胶的C*为 3 g∙L-1.26在图 1中,当瓜儿豆胶和刺
槐豆胶的浓度高于C*时,瓜儿豆胶和刺槐豆胶对阿
斯巴甜溶液的甜感强度都有抑制作用,而且刺槐豆
胶的抑制较明显,而当瓜儿豆胶和刺槐豆胶的浓度
低于C*时,这种抑制作用相对不明显. 类似的结果
也曾出现在Mälkki等 27的研究中, 他们发现, 燕麦
胶、瓜儿豆胶和羧甲基纤维素均能对阿斯巴甜有一
定的甜味抑制效果,但这种甜味抑制现象在蔗糖和
果糖溶液中更加明显. 而在刺槐豆胶溶液中, 曾有
报道显示卡拉胶和刺槐豆胶复配形成的凝胶对阿
斯巴甜的甜味有一定的抑制作用,而这种抑制作用
对蔗糖的影响较阿斯巴甜更大.28 我们的感官研究
结果表明,两种大分子水溶胶对阿斯巴甜的感官甜
度具有抑制作用,并且刺槐豆胶的抑制作用较大.
3.2 瓜儿豆胶和刺槐豆胶对阿斯巴甜甜感抑制的
机制探索
3.2.1 瓜儿豆胶和刺槐豆胶对阿斯巴甜结合差异
性的影响
按照 Shallenberger和Acree 29甜味假说,甜度的
变化依赖于舌面味蕾上的甜味受体与甜味剂分子
相互作用的结合匹配度和结合强度, 结合越紧密,
甜感越强.而二者相互作用的程度则与甜味剂分子
的官能团、空间排列、极化程度、分子电荷分离的距
离、电子密度、分子间氢键作用以及疏水作用相关.
因此, 我们推测, 阿斯巴甜在水溶胶存在下甜感强
度的降低一定与大分子水溶胶影响甜味剂与受体
的结合过程有关. ITC是一种研究配受体结合过程
图1 阿斯巴甜在不同浓度的瓜儿豆胶(a)和刺槐豆胶(b)体系中的甜感变化
Fig.1 Sweetness intensity of aspartame in the presence of different concentrations of GG (a) and LBG (b)
Values in the figures denote the sensory score values of the sweetness intensities of aspartame.
图2 298 K下不同浓度瓜儿豆胶(a)和刺槐豆胶(b)存在下5 mmol∙L-1阿斯巴甜滴定0.1 mmol∙L-1富勒醇的等温
滴定量热曲线
Fig.2 Isothermal titration calorimetry for the interaction of 5 mmol∙L-1 aspartame with 0.1 mmol∙L-1 fullerenols with
different concentrations of GG (a) and LBG (b) at 298 K
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Acta Phys. -Chim. Sin. 2014 Vol.30
中热力学的有效工具,在生物、医学、材料化学、高
分子化学等领域都有广泛应用,30,31因此是研究大分
子存在下阿斯巴甜与受体结合热力学变化的有效
途径. 但是由于目前甜味受体的蛋白结构不得而
知,有关甜味受体与甜味剂的相互作用大都依赖于
计算机模拟, 这给实验研究带来一定的困难. 近年
来,我们尝试建立富勒醇模型化合物, 模拟甜味剂
与受体之间基本的化学相互作用,已经取得一定的
结果.19-21在此基础上,本研究借助模型化合物,利用
等温滴定微量热技术研究瓜儿豆胶和刺槐豆胶存
在下阿斯巴甜与受体模型结合过程的变化,以期从
热力学参数的变化理解甜感抑制的化学机制.
图2是瓜儿豆胶和刺槐豆胶存在下阿斯巴甜滴
定富勒醇的等温滴定曲线, 可以看出, 随着瓜尔豆
胶和刺槐豆胶浓度的增加,阿斯巴甜与富勒醇相互
作用过程中的热量变化逐渐减少.为进一步探讨此
过程中熵变、焓变及其贡献大小,我们对 ITC原始数
据进行顺序位点拟合,拟合过程中对不同浓度的瓜
儿豆胶和刺槐豆胶需采用一致的拟合模式,拟合得
到的热力学参数如表1所示.可以看出,在瓜儿豆胶
和刺槐豆胶存在下,阿斯巴甜与富勒醇结合的吉布
斯自由能∆G均为负值,表明该过程是自发进行的,
由于焓变∆H1为正值, 因此结合过程吸热反应. 而
且,随着两种大分子浓度的增加, 第一结合位点的
结合常数K1逐渐下降.从表中我们可以看到刺槐豆
胶中K1值比瓜儿豆胶中K1小,这与刺槐豆胶抑制作
用更强的感官品评结果一致. 值得一提的是, 虽然
我们采用模型化合物研究结合常数的变化,但由于
富勒醇具有氢键供体结构及疏水球笼,能够提供甜
味受配体结合过程中基本的化学作用. 并且, 在相
同受体模型及所有实验条件一致的情况下,测定结
合常数K1的降低能在一定程度上反映甜味剂与真
实受体结合的信息. 因此我们推测, 大分子水溶胶
的存在降低了甜味剂与受体主要结合步骤的结合
常数,从而抑制其甜感强度.
3.2.2 低场核磁共振技术研究GG和LBG体系中
水分的流动性
由表 1可见,随着非离子水溶胶瓜儿豆胶和刺
槐豆胶浓度的增加,阿斯巴甜与受体模型相互作用
的熵值逐渐减小,这说明结合的过程中体系自由度
也在逐渐变小.由于熵值的变化与体系的自由度相
关, 而水分子的重排与粒子运动状况等关联紧密.
因此我们通过低场核磁共振技术对阿斯巴甜加入
前后瓜儿豆胶和刺槐豆胶体系中水分子的弛豫性
质和水分流动性进行了考察.图 3分别为不同浓度
瓜儿豆胶和刺槐豆胶在纯水体系以及阿斯巴甜体
系中的横向弛豫时间(τ2)分布,从图中可以明显地看
出结合水弛豫时间(τ21)(1-10 ms)和自由水弛豫时间
(τ22)(大于1 s)的分布,其中结合水弛豫速率较快、相
对含量较少.自由水弛豫速率较慢、相对含量较多.
不管溶液环境如何,瓜儿豆胶和刺槐豆胶的浓度在
大于C*值后,体系的结合水含量明显增高,且变化
趋势一致.
为了更加直观地观察体系结合水的变化趋势,
并对比不同溶液环境中水溶胶体系的结合水的变
化,我们计算出横向弛豫时间小于100 ms的峰的积
分面积并进行作图,结果如图 4所示.
从图 4中可以看出瓜儿豆胶和刺槐豆胶在阿斯
GG
LBG
C/(g∙L-1)
0
0.48
0.95
1.43
1.90
2.38
2.85
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
K1/(L∙mol-1)
2.9×104±6×103
2.8×104±3×103
2.8×104±2×103
2.3×104±1×103
1.4×104±2×103
3.9×103±3×102
3.1×103±0×102
1.9×104±4×103
1.8×104±4×103
1.8×104±4×103
1.6×104±2×103
1.2×104±1×103
5.6×103±3×102
∆H1/(kJ∙mol-1)
16.75±1.00
15.83±0.20
15.03±0.50
14.24±0.70
13.61±1.60
12.75±1.60
11.81±1.60
18.05±1.60
17.29±1.50
16.58±1.40
13.02±0.80
14.78±0.90
15.16±0.50
T∆S1/(kJ∙mol-1)
42.19
40.20
38.20
36.58
36.08
34.45
31.71
42.57
41.57
40.82
36.95
38.07
36.58
∆G1/(kJ∙mol-1)
-25.46
-24.37
-23.15
-22.36
-22.48
-20.98
-19.89
-24.53
-24.28
-24.24
-23.95
-23.28
-21.44
K2/(L∙mol-1)
569±66
528±10
481±17
420±22
422±18
498±18
390±45
222±57
169±60
183±80
262±51
142±45
418±24
∆H2/(kJ∙mol-1)
60.8±2.5
52.0±0.4
48.7±1.7
44.2±0.8
41.7±1.3
25.5±1.9
20.7±0.9
128.0±36.8
133.0±40.2
140.0±40.6
99.0±14.2
158.0±41.4
44.0±14.7
T∆S2/(kJ∙mol-1)
76.52
67.28
62.66
58.05
53.30
49.06
39.70
142.31
146.05
153.50
113.20
171.00
59.30
∆G2/(kJ∙mol-1)
-15.74
-15.28
-13.86
-15.65
-11.56
-23.57
-18.97
-13.70
-12.60
-13.30
-13.80
-44.50
-15.00
表 1 用 ITC技术得到不同浓度瓜儿豆胶和刺槐豆胶体系中阿斯巴甜与富勒醇相互作用的热力学参数
Table 1 Thermodynamic parameters obtained by ITC for the binding of aspartame to fullerenol in the presence
of different concentrations of GG or LBG
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徐淑臻等:瓜儿豆胶和刺槐豆胶抑制阿斯巴甜甜感强度的机制探索No.6
巴甜存在下的结合水含量和在纯水中的结合水含
量变化相差不大.说明阿斯巴甜的加入对体系环境
中水分的流动性影响不大,但可以看到的是随着水
溶胶浓度的增大,当浓度在大于C*值后,结合水含
量明显增大, 也就是说自由水减少. 且刺槐豆胶中
的结合水含量高于瓜儿豆胶中的结合水含量,这也
在一定程度上解释了刺槐豆胶对阿斯巴甜的抑制
效果高于瓜儿豆胶的抑制.
3.2.3 GG和LBG体系中粘度的测定
我们选择了合适的水溶胶浓度,使瓜儿豆胶和
刺槐豆胶的粘度范围分布在各自C*值的两侧,如图
5所示.
图3 305 K下不同浓度瓜儿豆胶(a)和刺槐豆胶(b)在纯水体系(左侧)和阿斯巴甜体系(右侧)中的横向弛豫时间(τ2)分布
Fig.3 Distribution of transverse relaxation time (τ2) of GG (a) and LBG (b) with different concentrations in
water (left) or aspartame (right) at 305 K
图4 305 K下不同浓度瓜儿豆胶(a)和刺槐豆胶(b)在纯水及阿斯巴甜体系中的结合水质量分数(wBW)对比图
Fig.4 Mass fraction of the bound water (wBW) of GG (a) and LBG (b) with different concentrations in water or
aspartame at 305 K
Lines with hollow symbol stand for pure hydrocolloids, and those with solid symbols stand for hydrocolloids mixed with aspartame.
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Acta Phys. -Chim. Sin. 2014 Vol.30
从图 5看出,当瓜儿豆胶和刺槐豆胶的浓度值
大于C*以后,溶液自身的粘度值发生急剧变化. 但
阿斯巴甜的加入没有引起瓜儿豆胶和刺槐豆胶的
粘度发生明显变化. Samavati等 32的研究中也曾发
现阿斯巴甜、安赛蜜等对瓜儿豆胶的固有粘度没有
明显的影响.这说明大分子水溶胶引起阿斯巴甜的
甜味抑制与溶液粘度关系不大.
3.2.4 GG和LBG体系中扩散特性的研究
本实验中,我们选择亚铁氰化钾作为电化学探
针研究体系扩散性质的变化.实验前先确定电极的
表面积. 实验过程中, 循环电压的范围为-1 - 1 V,
扫描速率的范围为0.05-0.5 V∙s-1.通过测定不同扫
描速率时亚铁氰化钾溶液氧化还原反应的峰值电
流,得到峰值电流的标准方程.根据文献 33报道,亚
铁氰化钾的扩散系数D=6.3×10-10 m2∙s-1,因而由下
述公式计算出工作电极的表面积A=2.54×10-6 m2.
ip=(2.687×105)n3/2AD1/2Cv1/2
ip为峰电流, n为电子数, C为亚铁氰化钾的浓度, v
为扫描速率.将计算得到的不同浓度下非离子水溶
胶瓜儿豆胶和刺槐豆胶加入阿斯巴甜前后的扩散
系数进行汇总得到图 6.如图 6所示,溶液中不加入
阿斯巴甜时,亚铁氰化钾的扩散系数随溶液中水溶
胶瓜儿豆胶和刺槐豆胶浓度的增加而逐渐降低,这
说明水溶胶的粘度影响了亚铁氰化钾的扩散.前人
研究 34也发现,随蔗糖溶液粘度的增加,蔗糖的扩散
系数逐渐变小, 导致蔗糖的感官甜度受到抑制. 而
本研究中, 阿斯巴甜加入后, 亚铁氰化钾的扩散系
数同样随水溶胶浓度增大而减小,但与不加阿斯巴
甜时相比数值整体降低,这说明甜味分子在大分子
存在下扩散系数的减小可能是甜味抑制的原因之
一.
4 结 论
选用两种结构相似的瓜儿豆胶和刺槐豆胶两
种非离子水溶胶, 通过感官品评, 研究了其对阿斯
巴甜甜度的影响.随后分别从甜味剂与受体模型结
合的热力学、体系扩散特性、水分赋存状态等几个
方面分析了非离子水溶胶对阿斯巴甜感官甜度影
图5 不同浓度水溶胶GG (a)和LBG (b)的粘度随剪切
速率的变化曲线
Fig.5 Viscosities of hydrocolloids GG (a) and LBG (b) at
different concentrations as a function of shear rate
图6 水溶胶GG (a)和LBG (b)在阿斯巴甜加入前后
扩散系数(D)随浓度的变化
Fig.6 Changes of diffusion coefficients (D) with
concentrations of hydrocolloids GG (a) and LBG (b)
with or without aspartame
Lines with hollow symbol stand for pure hydrocolloids, and those
with solid symbols stand for hydrocolloids mixed with aspartame.
1140
徐淑臻等:瓜儿豆胶和刺槐豆胶抑制阿斯巴甜甜感强度的机制探索No.6
响机理. 感官评定实验发现, 随着水溶胶浓度的增
加,尤其是在水溶胶浓度大于C*值后,阿斯巴甜的感
官甜度有明显的下降现象,且刺槐豆胶的抑制作用
较瓜儿豆胶强.基于甜味受体模型,利用 ITC研究了
水溶胶对阿斯巴甜结合过程热力学的影响,发现瓜
儿豆胶和刺槐豆胶降低了阿斯巴甜与受体模型的结
合常数,并且当大分子浓度大于C*值后,结合常数急
剧减小.且该过程是由熵驱动的,说明阿斯巴甜与受
体模型的结合常数的降低是其甜感强度降低的因素
之一,同时发现,阿斯巴甜加入前后,瓜儿豆胶和刺
槐豆胶的粘度没有明显变化.然而,随着水溶胶浓度
的增加,体系中的结合水含量逐渐增多,且水溶胶浓
度达到C*后结合水含量增加更明显,刺槐豆胶体系
的结合水含量较瓜儿豆胶体系高.体系的扩散系数
也均随水溶胶浓度的增大而变小.所有实验结果表
明,随水溶胶浓度增加,阿斯巴甜与受体结合常数的
减小,体系结合水含量的增加,以及分子扩散系数的
减小都可能导致阿斯巴甜在非离子水溶胶瓜儿豆胶
和刺槐豆胶中的甜度下降.
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