黃遠(yuǎn)芬， 王 欣， 劉寶林

(上海理工大學(xué)食品質(zhì)量與安全研究所，上海200093)

明膠是膠原蛋白的變性產(chǎn)物，具有良好的膠凝性、熱可逆性和親水性，是一種重要的食品添加劑，可作為酒類的澄清劑、分散體系的穩(wěn)定劑、肉制品的增稠劑和膠凝劑等［1］。

作為增稠劑和膠凝劑，黏度和凝凍強(qiáng)度是反映明膠品質(zhì)的重要指標(biāo)［2］。此外，很多食品如果凍、糖果、水晶肉等對(duì)產(chǎn)品的透明度亦有一定的要求［3］，因此透射比也是一個(gè)不可忽視的指標(biāo)。食品體系中的電解質(zhì)、酸堿性、糖類物質(zhì)及明膠濃度等因素均會(huì)影響明膠的黏度、凝凍強(qiáng)度和透射比。如Choi［4］研究發(fā)現(xiàn)，魚明膠的凝凍強(qiáng)度隨蔗糖濃度的增加而增大，隨NaCl 濃度的增加而減小;當(dāng)pH 值小于4 或大于8 時(shí)，其凝凍強(qiáng)度則劇烈下降。Pang等［5］認(rèn)為，當(dāng)pH 值為3 時(shí)，明膠體系的凝膠結(jié)構(gòu)最為松散，凝膠硬度和強(qiáng)度最小。李光鵬等［6］的研究結(jié)果顯示明膠濃度的增加可使溶液黏度增大;而當(dāng)NaCl 和蔗糖的濃度小于5.0%時(shí)有利于增加溶液的黏度。齊海萍［3］等認(rèn)為NaCl 的添加對(duì)明膠/海藻酸鈉復(fù)合體系的透明度不利，而蔗糖濃度低于7.5%則有助于體系透明度的改善。

雖有不少的文獻(xiàn)就明膠凝膠特性的影響因素進(jìn)行了報(bào)道，但鮮有同時(shí)研究這些因素。因此本試驗(yàn)將著重研究明膠濃度、蔗糖、NaCl 和pH 值對(duì)明膠凝凍強(qiáng)度、黏度和透射比的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠(化學(xué)純，B 型豬骨膠)、蔗糖和NaCl(均為分析純)購于上海國藥試劑有限公司。TA. XT Plus 質(zhì)構(gòu)儀購于英國SMS 公司;NDJ-5S 數(shù)顯旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)購于上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司;UV 9100D 紫外可見分光光度計(jì)購于北京萊伯泰科儀器有限公司;PHS-25 型數(shù)顯pH 計(jì)購于上海儀電科學(xué)儀器有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 明膠溶液的配制

1.2.1.1 不同明膠濃度的明膠溶液配制 以去離子水為溶劑，稱取一定質(zhì)量的明膠至去離子水中，在室溫下放置1 ～2 h，充分溶脹后，60 ℃水浴攪拌，配置濃度(質(zhì)量體積比分別為5%、10%、15%、20%、25%的均勻明膠溶液。

1.2.1.2 不同蔗糖濃度的明膠溶液配制 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0 ～35%(以5%為間隔)的蔗糖溶液作為溶劑，稱取一定質(zhì)量的明膠至蔗糖溶液中，在室溫下放置1 ～2 h，充分溶脹后，60 ℃水浴攪拌，使之形成明膠濃度為10%(質(zhì)量體積比)的均勻溶液。

1.2.1.3 不同NaCl 濃度的明膠溶液配制 配制摩爾濃度分別為0 ～3.0 mol/L(以0.5 mol/L為間隔)的NaCl 溶液作為溶劑，稱取一定質(zhì)量的明膠至NaCl 溶液中，在室溫下放置1 ～2 h，充分溶脹后，60℃水浴攪拌，使之形成明膠濃度為10%(質(zhì)量體積比)的均勻溶液。

1.2.1.4 不同pH 值的明膠溶液配制 首先按照方法1.2.1.1 中所示方法配制10 份濃度均為10%(質(zhì)量體積比)的明膠溶液，再分別將各份明膠溶液的pH 值相對(duì)應(yīng)地調(diào)節(jié)為2 ～11。

1.2.2 檢測(cè)項(xiàng)目及方法 凝凍強(qiáng)度:將明膠溶液移入凍力瓶，置于4 ℃冰箱中存放12 h 后測(cè)量。測(cè)量參數(shù):探頭P/0.5，測(cè)試前速度1.00 mm/s，觸發(fā)力10 g，測(cè)試速度1.50 mm/s，測(cè)試距離20.00 mm，返回速度10.00 mm/s。

黏度:將明膠溶液置于35 ℃水浴，保持恒溫，用黏度計(jì)測(cè)量。

透射比:將明膠溶液置于45 ℃水浴，用紫外分光光度計(jì)測(cè)量溶液在波長450 nm 及620 nm 下的透光率，所得值即為透射比［7］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)中均設(shè)3 次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)測(cè)量2 次，運(yùn)用SPSS 17.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與分析

2.1 明膠濃度對(duì)其凝膠特性的影響

凝凍強(qiáng)度反映的是明膠由溶液或者溶膠形成有彈性的、可逆的凝膠的特性。明膠濃度對(duì)明膠體系凝凍強(qiáng)度的影響見圖1A。在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，明膠體系凝凍強(qiáng)度隨明膠濃度的增加呈良好的線性增加趨勢(shì)(R2=0.993)。這是由于，在明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成過程中，4 ℃時(shí)明膠單體通過內(nèi)部氫鍵形成單螺旋結(jié)構(gòu)，每3 條單螺旋肽鏈間以氫鍵相連形成3 股螺旋，3 股螺旋結(jié)構(gòu)通過重組形成一個(gè)巨大的大分子三維網(wǎng)絡(luò)［8］。氫鍵最重要的作用之一是形成和維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［9］。明膠濃度的增大有助于分子內(nèi)氫鍵的生成和分子間氫鍵的增加，氫鍵的增多促使更大、更為致密的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的生成，因此凝凍強(qiáng)度隨著明膠濃度增加而增大。

明膠體系黏度隨明膠濃度的增加呈良好的二項(xiàng)式升高趨勢(shì)(R2=0.975*)(圖1B)，這與Yang［10］的試驗(yàn)結(jié)果相符。這是因?yàn)樵诿髂z濃度較小時(shí)，明膠粒子之間相互獨(dú)立，溶液體系沒有固定的結(jié)構(gòu)，隨著濃度的增加，明膠粒子間的距離變小，形成的氫鍵使明膠肽鏈聚集形成松散的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［11］，增多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了明膠體系的流動(dòng)性，因此明膠體系的黏度也隨之增大。

圖1 凝凍強(qiáng)度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨明膠濃度的變化情況Fig.1 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittancy(C)of geltin with gel concentrations

2.2 蔗糖濃度對(duì)凝膠特性的影響

明膠體系凝凍強(qiáng)度隨蔗糖濃度的變化見圖2A。以蔗糖濃度25%為分界點(diǎn)，凝凍強(qiáng)度隨蔗糖濃度的增加呈先增大后減小的三項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系(R2=0.94*)。

蔗糖對(duì)明膠的凝凍過程存在正反兩方面的作用:一方面蔗糖分子含有較多的羥基(-OH)，具有很強(qiáng)的水合作用［13］，蔗糖的加入能夠促進(jìn)明膠肽鏈與溶劑之間的水合作用，使連接單螺旋鏈的連接點(diǎn)增多，從而促進(jìn)明膠的膠凝化，增加體系的剛性［14］，使凝凍強(qiáng)度增大。另一方面，隨著蔗糖濃度的遞增，蔗糖較強(qiáng)的水合能力可能與明膠“競(jìng)爭”水［15］，使明膠的膠凝時(shí)間滯后，不利于明膠的凝膠化，因此隨蔗糖濃度的增加，阻礙凝膠網(wǎng)絡(luò)形成的作用增大。由此可推斷在蔗糖濃度小于25%時(shí)，水合作用占主導(dǎo)，促進(jìn)明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成;而當(dāng)其濃度大于25%時(shí)，阻礙膠凝形成的作用占主導(dǎo)，故凝凍強(qiáng)度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖2 明膠凝凍強(qiáng)度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨蔗糖濃度的變化情況Fig.2 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)，and transmittancy(C)of gelatin with sucrose concentrations

明膠體系黏度隨蔗糖濃度的增加而呈良好的二項(xiàng)式增大趨勢(shì)(R2= 0.970)(圖2B)。這與Bryant［16］等的研究結(jié)論相符。Choi［15］等同樣發(fā)現(xiàn)糖類物質(zhì)，如蔗糖、木糖和葡萄糖會(huì)增大明膠體系的黏度。蔗糖濃度小于25%時(shí)，蔗糖濃度的增加有利于凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成，這削弱了體系的流動(dòng)性，使體系的黏度增大;同時(shí)，蔗糖溶液的黏度也隨蔗糖濃度的增加而增大［17］，因此明膠體系黏度隨蔗糖濃度的增加而增大。

明膠體系透射比隨蔗糖濃度的增加整體呈增大的趨勢(shì)(圖2C)。蔗糖濃度低于25%時(shí)，蔗糖能增強(qiáng)明膠的水合作用，使得明膠溶液中的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)變得較為均勻，因此透射比隨蔗糖濃度增加而增大［3］。而在蔗糖濃度大于25%時(shí)，可能由于蔗糖無膠凝作用使得溶液中原本就稀疏的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)變得更加松散，因此透射比增大。

2.3 NaCl 濃度對(duì)明膠凝膠特性的影響

明膠體系凝凍強(qiáng)度隨NaCl 濃度的變化見圖3A，凝凍強(qiáng)度隨NaCl 濃度的增加而線性減小(R2=0.984*)。

圖3 明膠凝凍強(qiáng)度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨NaCl 濃度的變化情況Fig.3 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittancy(C)of gelatin with NaCl concentrations

蛋白質(zhì)凝膠的形成是體系中各種吸引力與排斥力達(dá)到平衡的結(jié)果［18］。鹽離子具有極強(qiáng)的親水性，會(huì)抑制蛋白質(zhì)的水合作用;同時(shí)，鹽離子還會(huì)中和蛋白質(zhì)上的電荷，削弱明膠分子之間的靜電相互作用，打破凝膠體系中吸引力與排斥力之間的平衡［19］，不利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。因此NaCl 濃度的增加使得蛋白質(zhì)高分子鏈卷曲，形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)剛性減弱［20］，凝凍強(qiáng)度減小。

明膠體系黏度隨隨NaCl 濃度的變化見圖3B。當(dāng)NaCl 濃度小于2.0 mol/L時(shí)，NaCl 的添加不利于明膠的水合作用，體系中的無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)增多，黏度減小;NaCl 濃度為2.0 mol/L時(shí)，明膠體系的黏度與空白組相比顯著降低(P ＜0.05);當(dāng)NaCl 濃度大于2.0 mol/L時(shí)，由于明膠蛋白質(zhì)的鹽析［21］造成體系黏度增大。但總體明膠黏度隨NaCl 濃度的增加整體上呈先減小后增大的趨勢(shì)，這一結(jié)果與Cumper［22］等的研究結(jié)果相符。

明膠體系透射比隨NaCl 濃度的變化見圖3C，隨NaCl 濃度的增大，明膠體系的透射比整體呈先增大后減小的趨勢(shì)。在本試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，NaCl 不利于凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，凝膠的凝凍強(qiáng)度隨NaCl 濃度的增加而減小，這說明明膠無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)變得稀疏，光透過率增大，故透射比增大。當(dāng)NaCl 濃度繼續(xù)增加鹽析出的顆粒分散在體系中，影響了溶液的光透過率，因此透射比相對(duì)減小。

2.4 pH 值對(duì)明膠凝膠特性的影響

明膠體系凝凍強(qiáng)度隨pH 值的變化見圖4A，在pH 值為4 ～7 時(shí)，明膠體系凝凍強(qiáng)度相對(duì)較高，而當(dāng)pH 值小于4 或大于7 時(shí)，凝凍強(qiáng)度迅速減小。這與Choi［4］和Pang［5］等的研究結(jié)果相似。

圖4 明膠凝凍強(qiáng)度(A)、黏度(B)和透射比(C)隨pH 值的變化情況Fig.4 Changes in gel strength(A)，viscosity(B)and transmittance(C)of gelatin with pH values

引起這種變化的原因可能有以下兩個(gè)方面:(1)靜電斥力作用:當(dāng)pH 值偏離明膠等電點(diǎn)(約4.89)時(shí)，肽鏈之間會(huì)因帶上相同屬性的電荷而產(chǎn)生靜電斥力，偏離越大，斥力越大，而過大的斥力會(huì)打破維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用力之間的平衡，不利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。故溶液的酸性或堿性越強(qiáng)，凝凍強(qiáng)度越小。(2)組成肽鏈的氨基酸中含有-COOH、-NH2、-NH-等，它們可與-OH、-NH2、-NH-等基團(tuán)上的氫原子形成氫鍵，促進(jìn)凝膠的形成，但酸性條件下，加入的H+易與肽鏈上的N 或O 原子結(jié)合，將N 或O 原子質(zhì)子化，導(dǎo)致氫鍵被破壞［23］，使凝凍強(qiáng)度顯著降低。

明膠體系黏度隨pH 值的變化見圖4B。黏度在pH 值為2 ～6 時(shí)無顯著差異(P ＞0.05)，而pH 值為7 時(shí)體系黏度顯著增大，但pH 值大于7 時(shí)，則黏度顯著減小，這與Ward［24］的結(jié)論相符，即當(dāng)pH 值為3 ～5 時(shí)，明膠溶液的黏度要相對(duì)穩(wěn)定;而pH 值為7時(shí)雖偏離此范圍，但仍有利于凝膠的形成，其凝凍強(qiáng)度相對(duì)較大，使其黏度相對(duì)增大;但當(dāng)pH 值大于7時(shí)，由于明膠體系內(nèi)的氫鍵被破壞，不利于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，從而使體系黏度顯著降低。

明膠體系透射比隨pH 值的增大呈先減小后緩慢上升的趨勢(shì)，并且與pH 值呈良好的二項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系(圖4C)。原因可能是質(zhì)子化作用和過大的靜電斥力抑制了明膠體系的凝膠化，使溶液中原本就松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為疏松，因此溶液的酸性或堿性越強(qiáng)，其透射比越大。

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