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Effects of pH on gel properties and color of konjac glucomannan complex systems

pH对魔芋胶复配体系凝胶特性及色泽的影响



全 文 :第 12卷第 3期
2014年 5月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 12 No􀆰 3
May 2014
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2014􀆰 03􀆰 011
收稿日期:2013-01-04
基金项目:福建省教育厅 A类科技项目(JA12213);漳州市自然科学基金(ZZ2013J06);福建省教学质量与教学改革工程(闽教高[2011]69号)
作者简介:庄远红(1981—),女,福建惠安人,讲师,研究方向:食品加工与质量安全,E⁃mail:yuanhongzhuang@ qq􀆰 com
pH对魔芋胶复配体系凝胶特性及色泽的影响
庄远红1,2,刘静娜2,潘裕添2,黄家福2,庞  杰3
(1􀆰 闽南师范大学 生物科学与技术学院,漳州 363000;2􀆰 闽南师范大学 菌物产业工程技术中心,
漳州 363000;3􀆰 福建农林大学 食品科学学院, 福州 350002)
摘  要:考察 pH对魔芋多糖、κ 卡拉胶与大豆分离蛋白混合凝胶强度、弹性、咀嚼性、黏度及色泽等的影响。 结果
表明:在强酸性条件下(pH<4),凝胶特性较差,但此时色泽最好,较透明,易于上色;随着酸度的减小(pH<pI),凝
胶特性显著提高,此时凝胶特性较好,色泽呈乳白色;当到达蛋白质等电点时,表现出最高的凝胶强度和咀嚼性;当
pH中性时,黏度最大,凝胶强度、弹性、咀嚼性均较高,色泽较好,呈乳白色;在碱性条件下,凝胶强度和咀嚼性有所
提高,但是,当碱性超过一定值(pH>8),凝胶强度反而下降,凝胶偏黄,色泽较差且有浓碱味。
关键词:卡拉胶;凝胶特性;魔芋多糖;大豆蛋白;pH
中图分类号:TQ91;TS201􀆰 7        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2014)03-0058-04
Effects of pH on gel properties and color of konjac
glucomannan complex systems
ZHUANG Yuanhong1,2,LIU Jingna2,PAN Yutian2,HUANG Jiafu2,PANG Jie3
(1􀆰 College of Biology Science and Technology,Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China;
2􀆰 The Engineering Technological Center of Mushroom Industry,Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China;
3􀆰 College of Food Science,Fujian Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350002,China)
Abstract:The polysaccharide of konjac,κ⁃carrageenan and isolated soy protein were blended to explore
the effects of pH on the gel properties in strength,springiness,chewiness, viscosity, and color􀆰 The results
showed that under the strong acid conditions(pH<4),gel properties of the mixed gel were unsatisfactory,
but the color of the mixed gel was best,transparent and dyed easily􀆰 The gel properties of the mixed gel
enhanced significantly,gel properties were excellent and gel color was ivory with the decreasing of acidity
(pH<pI)􀆰 The maximum gel strength and chewiness could be obtained when the pH reached the protein
isoelectric point􀆰 Gel properties of gel strength,springiness and chewiness were good,gel color was ivory
and the maximum gel viscosity could be obtained after a neutral condition was set for the composite
system􀆰 An alkaline coagulant treatment for the composite system could improve the strength and the
chewiness of the gel. When alkali concentration was over a certain value(pH>8),the gel strength of the
mixed gel declined,color was poor with yellow and had strong alkali taste􀆰
Key words:carrageenan;gel properties;konjac polysaccharide;soy protein;pH
    多糖是一类重要的大分子物质,凝胶化性质是 多糖大分子生物功能的重要方面。 魔芋葡甘聚糖
(KGM)是由 D 葡萄糖和 D 甘露糖按 1 ∶1􀆰 6 的比
例以 β 1, 4 糖苷键聚合的大分子非凝胶多
糖[1-3],该多糖不具凝胶性,单一的魔芋葡甘聚糖也
存在着成胶能力弱、胶用量大、凝胶析水量大等不
足之处,但是多糖共混可以改变其凝胶性能。
κ 卡拉胶是由 D 半乳糖 4 硫酸酯和 3,6 脱
水 D 半乳糖交替连接而成的线型多糖[4-5],它具有
较强的阴离子活性[6],是一种凝胶多糖[5],但其单独
形成的凝胶存在脆性大、弹性小、易脱液收缩等问
题[2,5]。 在 κ 卡拉胶中添加一定量的魔芋胶所形成
的凝胶具有所需原料少、凝胶强度大、弹性好等特点。
卡拉胶螺旋结构可自交联或与甘露聚糖分子链交联,
因甘露聚糖分子电荷密度较小,甘露聚糖与卡拉胶的
交联要优于卡拉胶间的交联[7]。 魔芋葡苷聚糖分子
平滑,没有分支链,与卡拉胶分子的双螺旋结构以次
级键结合形成三维网状结构,从而产生协同增效作
用,但所形成的凝胶容易受 pH的影响,在 pH低的环
境中,多糖分子间氢键容易断开,在 pH高的环境中,
卡拉胶大分子间相互缠绕作用差[8]。 蛋白质和多糖
共存时,大分子上的部分基团可以相互连接,紧密缠
绕,最终形成稳定的交联结构,从而赋予聚合物一些
独特的性质,如增强其乳化性和凝胶性等[9]。 蛋白
质 多糖复合物形成过程较复杂,pH、多糖类型、电荷
密度、分子柔韧性和离子强度等因素对反应的进行和
最终产物功能性质都有一定影响。 蛋白质分子所带
净电荷及其参与库仑作用程度取决于溶液 pH 偏离
蛋白等电点 pI 程度。 当溶液 pH<pI 时,蛋白质显阳
性,此时蛋白质与阴性多糖产生静电作用形成不可溶
复合物;当 pH>pI时,蛋白质显阴性,多糖与蛋白质通
过疏水相互作用和氢键作用形成可溶性复合物[10]。
因此,通过调节 pH可以改变多糖―蛋白质表界面性
质、溶解性和稳定性等,从而影响凝胶品质特性。
笔者主要考察不同 pH 条件下魔芋多糖、κ 卡
拉胶与大豆分离蛋白形成的凝胶质构及色泽的变
化,以期为魔芋食品的开发利用奠定理论基础。
1  材料与方法
1􀆰 1  材料
魔芋精粉(含 KGM 85%)、κ 卡拉胶、大豆分离
蛋白(含蛋白质 90%),均由福州素天下食品有限公
司提供。
1􀆰 2  主要仪器设备
TA plus质构仪(Lloyd 公司),ColorFlexTM测色
仪(HunterLab公司),BS 124S 型电子天平(赛多利
斯科学仪器(北京)有限公司),HH 2型数显恒温
水浴锅(江苏省金坛市江南仪器厂),NDJ 9S 型数
显黏度计(上海精密科学仪器有限公司)。
1􀆰 3  实验设计
保持共混体系总质量分数为 1%,固定复合物
中多糖和大豆分离蛋白质量比为 8 ∶2,魔芋精粉和
κ 卡拉胶的质量比保持在 2 ∶8,即魔芋精粉质量分
数 0􀆰 16%、κ 卡拉胶 0􀆰 64%、大豆分离蛋白 0􀆰 2%,
先将大豆分离蛋白分散到温水中,搅拌让其溶解,
再将魔芋粉及 κ 卡拉胶在不断搅拌的条件下,缓慢
地分散到大豆分离蛋白液中,尽量避免结块,即得
到混合体系的混合分散液,分别调节 pH 至 3、4、5、
6、7、8和 9,在 80 ℃下溶胀 15 min,取出,在室温下
放置 12 h使之冷却形成凝胶体。
1􀆰 4  测定方法
1􀆰 4􀆰 1  凝胶强度、弹性、咀嚼性测定
采用 TPA模式,选用 12􀆰 7 mm柱形探头。 具体
参数设定:测前速率 1 mm / s,测试速率 1 mm / s,测
试后速率 1 mm / s,测试距离 20􀆰 0 mm。
1􀆰 4􀆰 2  黏度测定
将溶胀后的凝胶于室温下静置 15 min,用
NDJ 9S数显黏度计,选用 S1 号转头,速度 60
r / min,测量复配凝胶黏度值。
1􀆰 4􀆰 3  色度测定
使用 ColorFlexTM测色仪,以黑板为标样测定色
差值 ΔE∗,其值大小表示着色样品与标样的颜色差
别程度。
2  结果与讨论
2􀆰 1  pH对魔芋胶复配体系凝胶强度的影响
考察 pH 对魔芋胶复配体系的凝胶强度的影
响,结果见图 1。 由图 1可知:随着 pH的升高,凝胶
强度呈“S”型变化。 在 pH 3 ~ 5 之间,凝胶强度随
pH的升高而增大,Penroj 等[4]研究发现,当 pH<4
时,κ 卡拉胶容易发生酸水解作用,加热使水解加
快,大分子降解为小分子,黏度下降,失去凝固性,
不能形成有序的网状结构,因此凝胶强度较小。 当
pH= 5时,凝胶强度最大,可能是此时大豆分离蛋白
处于等电点附近,因不带静电荷发生聚沉作用,蛋
白质分子聚合度高,分子之间结合紧密,因而表现
出最高的凝胶强度。 随着 pH 的继续升高,蛋白质
所带静电荷数逐渐增加,蛋白质与水分之间的吸引
95  第 3期 庄远红等:pH对魔芋胶复配体系凝胶特性及色泽的影响
图 1  pH对复合物凝胶强度的影响
Fig􀆰 1  Effects of pH on gel strength of composite system
力加强,而蛋白质分子间的斥力增大,蛋白质分子
充分吸水伸展,持水性增强,凝胶强度下降[11]。 但
在 pH为 6~8时,共混胶的凝胶强度有所增加,可能
是在此时卡拉胶酸水解程度大大下降,在卡拉胶、
魔芋精粉和大豆分离蛋白的相互作用下,凝胶呈现
出较好的凝胶强度。 Penroj 等[4]通过 X 线衍射分
析发现在碱性条件下共混胶中魔芋胶的胶束有序
排列增多,结晶区增加,有利于提高共混胶的屈服
应力、强度和凝胶强度等,也可能是魔芋胶碱化后
其分子链上脱去部分乙酰基,而脱去乙酰基的魔芋
胶分子间能形成氢键,增强了分子间的作用力,提
高了凝胶强度。 当 pH>8 时,凝胶强度下降,这与
Huang等[12]研究结果一致,可能是魔芋粉在碱性环
境中受到水解,使凝胶强度降低[13]。
2􀆰 2  pH对魔芋胶复配体系弹性的影响
考察 pH对魔芋胶复配体系弹性的影响,结果见
图 2。 由图 2可知:在 pH为 3~9范围内,混合凝胶均
呈现出很好的弹性,数值均在 0􀆰 95以上,这与 Penroj
等[4]与杨玉玲等[14]的研究结果是一致的,可能是因
为此复配体系卡拉胶的含量较大,因此表现出的某些
凝胶特性与卡拉胶较为相似。 在 pH为 3时,出现最
小值,主要是因为此时 κ 卡拉胶发生酸水解作用,大
分子降解为小分子,不能形成有序的网状结构;同时,
浓度较高的 H+容易导致卡拉胶分子和 KGM 已形成
的氢键断裂,导致已经形成的网络结构降解,从而导
致凝胶弹性的下降。 受魔芋精粉和大豆分离蛋白的
影响,在 pH 为 4 ~ 5 时,凝胶弹性下降,主要是因为
KGM是阴离子多糖,而蛋白质是两性聚电解质,当
pH<5(蛋白质等电点)时,由于蛋白质所带净电荷为
正,阴离子多糖与带正电荷的蛋白质分子产生强的静
电作用,形成不溶复合物,因此弹性有所降低;当 pH>
5时,多糖与蛋白质通过疏水相互作用和氢键作用形
成可溶性复合物,对其加热形成具黏弹性的三维结
构,将水分子包围其中,从而得到了弹性、咀嚼性好,
但凝胶强度较小的凝胶[11]。
图 2  pH对复合物凝胶弹性的影响
Fig􀆰 2  Effects of pH on springiness of composite system
2􀆰 3  pH对魔芋胶复配体系咀嚼性的影响
咀嚼性=凝胶强度×内聚性×弹性;因此,有必要
考察 pH对魔芋胶复配体系咀嚼性的影响,结果见
图 3。 由图 3 可知,咀嚼性随 pH 的增大,大致呈上
升趋势,在 pH 为 5 时,咀嚼性突然上升,这个变化
可能凝胶强度的突然增大有关。
图 3  pH对复合物凝胶咀嚼性的影响
Fig􀆰 3  Effects of pH on chewiness of composite system
2􀆰 4  pH对魔芋胶复配体系黏度的影响
图 4为 pH对魔芋胶复配体系黏度的影响结果。
由图 4可知,随着 pH的升高,黏度呈先增大后减小的
趋势。 在 pH<4 时,凝胶黏度较小,主要是较高的酸
度降低了混合胶的 pH,pH的变化引起多糖分子间氢
键部分断开,分子舒展,致使黏度下降[15];也可能因
为卡拉胶是一种带负电荷的高分子多糖,具有半硫酸
酯基(—ROSO-3 )而表现出强烈的阴离子性,当它与
H+结合成卡拉胶酸时,稳定性最差,因此在酸性条件
下加热时,卡拉胶组成物容易发生水解,使卡拉胶黏
度显著降低[16]。 在 pH 4~9范围内,凝胶体系黏度变
化不大,均在 0􀆰 08到 0􀆰 1之间,但在 pH 为 7 时达到
最大值。 当 pH>7 时,凝胶黏度开始下降,主要是因
06 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
为碱性增强不利于卡拉胶大分子的相互缠绕,故强
酸、强碱环境下胶液黏度较小[8]。 这与杨永利等[17]
的研究结果是一致的。
图 4  pH对复合物凝胶黏度的影响
Fig􀆰 4  Effects of pH on viscosity of composite system
2􀆰 5  pH对魔芋胶复配体系色泽的影响
图 5为 pH对魔芋胶体复配体系色泽的影响结
果。 由图 5可知:当 pH<4 时,复配体系凝胶色差变
化较大;当 pH 4~9时,凝胶色差变化不大,ΔE∗均为
31左右。 当 pH=3时,复配凝胶色泽较透明,pH 4~7
时色泽为乳白色,pH>8时色泽偏黄。 可能原因是:在
pH<4时,由于卡拉胶的水解导致不能形成有序的网
络结构,因此凝胶色泽较透明。 在 pH 4~ 7 时,由于
蛋白酸沉凝乳,色泽呈现乳白色。 在 pH>8 时,颜色
变黄,可能是因为大豆分离蛋白在加碱后,其所含的
发色基团和助色基团相连接或发生共轭反应,使共轭
键或生色基团的吸收波移向长波方向导致凝胶
显色[18]。
图 5  pH对复合物凝胶色泽的影响
Fig􀆰 5  Effects of pH on color of composite system
3  结  论
在强酸性条件下(pH<4),魔芋胶复配体系凝胶
特性(强度、弹性、咀嚼性和黏度)较差,但此时色泽最
好,较透明,易于上色;随着 pH的升高并逐渐到达蛋
白质等电点(pH 5),凝胶特性显著提高,到达蛋白质
等电点时凝胶强度和咀嚼性最高;在 pH 4~8时凝胶
色泽较好,呈乳白色;但当 pH>8 时,凝胶强度、咀嚼
性和黏度开始下降,形成的凝胶偏黄色,色泽较差,且
有浓碱味,建议制取魔芋凝胶时 pH 控制在 4 ~ 8
之间。
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(责任编辑  荀志金)
16  第 3期 庄远红等:pH对魔芋胶复配体系凝胶特性及色泽的影响