朱建華，鄒秀容，丘秀珍，劉日斌，單 斌

（1.韶關(guān)學(xué)院英東食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005；2.韶關(guān)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

從材料科學(xué)視角而言，食品產(chǎn)品是將營(yíng)養(yǎng)、感官和控釋等功能賦予到由各種食用成分經(jīng)過(guò)相應(yīng)工藝處理（壓力、剪切及溫度場(chǎng)等）而獲得的具一定微結(jié)構(gòu)（如凝膠、乳液及泡沫等）的軟物質(zhì)，與其他軟物質(zhì)不同的是其能被攝食且可被感知到質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味[1-4]。食品工業(yè)所囊括的各式食品種類(lèi)中，半固體凝膠態(tài)食品占據(jù)極為廣泛的市場(chǎng)份額，對(duì)食品產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)推動(dòng)和滿(mǎn)足民眾消費(fèi)意義重大。果凍類(lèi)凝膠產(chǎn)品為由較低濃度的單一或多種食品高分子（多糖等親水膠體）、高濃度低分子共溶質(zhì)（蔗糖、淀粉糖漿等）及溶劑水構(gòu)成，為典型半固體軟物質(zhì)凝膠材料[5-7]。果凍類(lèi)凝膠產(chǎn)品工業(yè)制備成型在蔗糖等共溶質(zhì)場(chǎng)中完成溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程，此過(guò)程溶膠、調(diào)配、灌裝及殺菌工序都保持較高溫度，體系呈溶膠狀態(tài)，殺菌后的冷卻工序體系發(fā)生溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，由流動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)[8-10]。

共溶質(zhì)場(chǎng)指食品高分子材料溶膠-凝膠過(guò)程所處的環(huán)境并非理想狀態(tài)下的僅含高分子組分的水溶液環(huán)境，同時(shí)溶液中溶解有蔗糖、淀粉糖漿、聚葡萄糖、鹽分、乳化劑等單一或多元低分子共溶物（即共溶質(zhì)）[11-12]。此類(lèi)共溶物的分子質(zhì)量小于食品高分子分子質(zhì)量，共溶質(zhì)的存在可改變食品高分子在溶液中的折疊和纏結(jié)，并影響到溶膠-凝膠過(guò)程流變性質(zhì)演變規(guī)律，進(jìn)而影響到產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味及貯藏性能的體現(xiàn)[13-15]。果凍類(lèi)產(chǎn)品制備成型溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程的流變學(xué)性質(zhì)直接影響到原料泵送、產(chǎn)品成型及質(zhì)構(gòu)形成等重要性質(zhì)形成。目前食品學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界相關(guān)研究人員多從工藝及配方優(yōu)化角度來(lái)研究果凍類(lèi)凝膠體系[16-17]，關(guān)于共溶質(zhì)場(chǎng)中食品高分子共混體系的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程流變性質(zhì)及凝膠形成動(dòng)力學(xué)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本實(shí)驗(yàn)以瓊脂-魔芋膠為雙組分共混模擬工業(yè)生產(chǎn)果凍用二元復(fù)配體系，采用流變測(cè)試、質(zhì)構(gòu)分析、掃描電鏡及紅外分析等技術(shù)，研究蔗糖共溶質(zhì)濃度對(duì)瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程流變學(xué)性質(zhì)變化趨勢(shì)、凝膠化速度及動(dòng)力學(xué)的影響，以期為果凍類(lèi)凝膠產(chǎn)品的物性設(shè)計(jì)和規(guī)避產(chǎn)品質(zhì)量缺陷提供應(yīng)用理論基礎(chǔ)參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

LV-Q2瓊脂 福建省緑麟食品膠體有限公司；魔芋膠（型號(hào)KJ30） 湖北強(qiáng)森魔芋科技有限公司；蔗糖（一級(jí)，含量＞99.6%） 市售。試劑均為食品級(jí)。

MCR92旋轉(zhuǎn)流變儀 奧地利Anton Paar公司；FTIR-8400S傅里葉變換紅外光譜儀 日本島津公司；TMS-Pro型質(zhì)構(gòu)儀 美國(guó)FTC公司；TM3030型臺(tái)式掃描電子顯微鏡 日本Hitachi公司。

1.2 方法

1.2.1 瓊脂-魔芋膠共混體系相圖測(cè)定

按相應(yīng)比例混合蔗糖和魔芋膠粉，然后于60 ℃用純水溶脹15 min配制獲得魔芋膠儲(chǔ)備液。用純水及瓊脂粉按預(yù)先預(yù)設(shè)比例配制懸浮液，并于室溫預(yù)先進(jìn)行8 h溶脹得瓊脂儲(chǔ)備液。按一定比例共混瓊脂儲(chǔ)備液及魔芋膠儲(chǔ)備液得瓊脂-魔芋膠共混液，配制后用錫箔紙密封燒杯口并放入水浴鍋中于80 ℃恒溫30 min，恒溫階段結(jié)束后迅速取出自然冷卻至室溫，通過(guò)目測(cè)法觀察瓊脂-魔芋膠溶液共混體系相圖形態(tài)并繪制相圖。

1.2.2 流變學(xué)性質(zhì)測(cè)試

含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖的瓊脂-魔芋膠共混溶液于80 ℃水浴鍋中恒溫30 min后，轉(zhuǎn)移至保溫桶中進(jìn)行保溫，然后將1 mL樣品，快速轉(zhuǎn)移到預(yù)先加熱到70 ℃的流變儀平行板（上下板直徑45 mm，狹縫1 mm），除去過(guò)量樣品并在樣品外緣加一層輕質(zhì)硅油防止樣品中的水分蒸發(fā)。在線性黏彈區(qū)范圍內(nèi)（0.5%應(yīng)變），進(jìn)行小振幅應(yīng)變掃描考察體系黏彈性質(zhì)。測(cè)試程序如下：先從70 ℃以2 ℃/min降溫至10 ℃，然后在10 ℃保溫10 min，此過(guò)程頻率恒定為6.28 rad/s，記錄G’、G”及損耗系數(shù)（tanδ）；然后進(jìn)行頻率掃描，頻率范圍為0.1～100 rad/s。

1.2.3 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠結(jié)構(gòu)形成速度測(cè)定

非等溫或等溫過(guò)程特定時(shí)間階段共混凝膠形成相對(duì)快慢常用凝膠結(jié)構(gòu)平均形成速度（structure developing rate average，SDRa）及即時(shí)凝膠化速度進(jìn)行表征[18-20]，如公式（1）、（2）所示：

式中：G’ini為G’end特定時(shí)間階段對(duì)應(yīng)的起始及終點(diǎn)彈性模量值/Pa；tini、tend為對(duì)應(yīng)階段起始及終點(diǎn)測(cè)定時(shí)間/min。對(duì)G’-t曲線求一階導(dǎo)數(shù)得：

式中：vg為即時(shí)凝膠化速度/（Pa/min）。

SDRa及vg分別可用于表征時(shí)間段及時(shí)間點(diǎn)的凝膠化相對(duì)快慢，但尚難以定量表征vg改變的快慢，為此引入即時(shí)凝膠化加速度參數(shù)，如公式（3）所示：

式中：αg為對(duì)G’-t曲線求二階導(dǎo)數(shù)獲得即時(shí)凝膠化加速度/（Pa/min2）。

αg的正負(fù)性具有物理意義，正值表示凝膠化處于加速階段，而負(fù)值則反之視為凝膠化處于減速階段，正負(fù)性相同的αg可以其絕對(duì)值（加速率）進(jìn)行相對(duì)大小比較，其值越大，凝膠結(jié)構(gòu)化速度改變?cè)娇?。αg可用于輔助分析凝膠化加速過(guò)程特征。

1.2.4 瓊脂-魔芋膠共混凝膠質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定

質(zhì)構(gòu)測(cè)定用凝膠樣品制備過(guò)程采用內(nèi)空腔為圓臺(tái)體的模具，相應(yīng)圓臺(tái)體尺寸為：下底面Ф1為（23±1.0）mm，上底面Ф2為（20±1.0）mm，高度H為（7±0.5）mm。將瓊脂-魔芋膠共混溶液于80 ℃水浴恒溫30 min后注入模具中，室溫條件下2 h后脫模待測(cè)。測(cè)試條件及參數(shù)：P/36R探頭，測(cè)前速率為1.0 mm/s，測(cè)試速率為0.5 mm/s，返回速率為1.0 mm/s，壓縮變形程度為20%，觸發(fā)力為0.10 N。

1.2.5 瓊脂-魔芋膠共混凝膠析水性測(cè)定

瓊脂-魔芋膠共混凝膠制備程序同1.2.4節(jié)，于室溫條件放置2 h脫模后，移入20 ℃恒溫箱中并開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)定樣品保溫3、6、9、21、24 h及27 h后的析水率，按公式（4）計(jì)算：

式中：m0為初始凝膠質(zhì)量/g；mt為靜置t小時(shí)后凝膠的質(zhì)量/g。

1.2.6 掃描電鏡測(cè)試

瓊脂-魔芋膠共混凝膠樣品制備程序同1.2.4節(jié)，切成10 mm×10 mm×10 mm薄片狀，放入超低溫冰箱凍結(jié)，隨后置于凍干機(jī)凍干后轉(zhuǎn)移至干燥器中密封保存。掃描電鏡觀察前用薄刀片將樣品切片，并選擇低真空模式后在15 kV加速電壓下觀察橫切斷面微觀結(jié)構(gòu)。

1.2.7 傅里葉變換紅外光譜測(cè)試

測(cè)試前瓊脂-魔芋膠共混凝膠樣品烘干至恒質(zhì)量，采用常規(guī)溴化鉀壓片法制備紅外掃描用樣品，掃描波數(shù)范圍選取4 000～400 cm－1，分辨率為0.5 cm－1，記錄樣品的紅外光譜。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3 次，利用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行質(zhì)構(gòu)、析水性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)單因素方差分析（one-way ANOVA）比較組間數(shù)據(jù)，結(jié)果以 ±s表示，P＜0.05，差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 瓊脂-魔芋膠溶液共混體系相圖分析

圖1 瓊脂-魔芋膠共混體系相圖Fig. 1 Phase diagram of agar/konjac blends

未添加蔗糖條件下，圖1中瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和魔芋膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)網(wǎng)格線的交點(diǎn)為1 個(gè)樣品的瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)和魔芋膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的組合。瓊脂-魔芋膠共混體系的相圖形態(tài)共分為黏彈性流體態(tài)、水樣凝膠態(tài)、弱凝膠態(tài)及自支撐型凝膠態(tài)。盛放樣品的燒杯傾斜45°后，自杯緣可流出的樣品相態(tài)為黏彈性流體態(tài)、樣品上層可發(fā)生較大位移蠕動(dòng)且自杯緣不可流出的樣品相態(tài)為水樣凝膠態(tài)、樣品可輕微蠕動(dòng)但燒杯垂直倒置后可從燒杯中跌落的樣品相態(tài)為弱凝膠態(tài)；盛放樣品的燒杯垂直倒置后樣品發(fā)生輕微蠕動(dòng)但不會(huì)從燒杯中跌落的樣品相態(tài)為自支撐型凝膠態(tài)。由圖1可知，2 種多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低時(shí)，即瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.20%，且魔芋膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.30%，該區(qū)域內(nèi)共混體系尚未形成三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)，共混體系的相態(tài)為黏彈性流體態(tài)，該相態(tài)占據(jù)相圖的左下角區(qū)域。在較高瓊脂濃度或魔芋膠濃度區(qū)域（瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.30%或魔芋膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.40%），單獨(dú)增加魔芋膠或瓊脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可觀察到共混體系的相態(tài)均發(fā)生由黏彈性流體態(tài)逐漸向凝膠態(tài)轉(zhuǎn)變趨勢(shì)?；谙鄨D分析及實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)果凍體系多糖配料濃度范圍，后續(xù)流變、析水、質(zhì)構(gòu)、電鏡及紅外性質(zhì)分析選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合為0.60%瓊脂-0.60%魔芋膠的共混體系為研究對(duì)象進(jìn)行考察。

2.2 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程流變性質(zhì)分析

圖2 瓊脂-魔芋膠共混體系G’和G”隨t變化曲線Fig. 2 G’-t and G”-t cures of agar/konjac blends

含不同蔗糖共溶質(zhì)的瓊脂-魔芋膠共混體系降溫及恒溫過(guò)程黏彈性模量隨時(shí)間變化如圖2所示。降溫起始階段（約70～55 ℃），G’及G”值均低于10 Pa且G”＞G’，表明共混體系處于可流動(dòng)態(tài)。降溫過(guò)程隨溫度進(jìn)一步降低（約55～40 ℃），G’、G”逐漸增加，G’增幅顯著高于G”增幅，G’和G”相對(duì)大小仍呈G”＞G’，但兩者差值漸小，直至達(dá)到傳統(tǒng)意義上凝膠點(diǎn)（gel point temperature，GPT，G’=G”時(shí)，溫度值約40 ℃左右）。GPT的意義在于整個(gè)體系形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，共混溶液體系由溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，不能再流動(dòng)，但受外力作用時(shí)可以變形。GPT以下隨溫度降低直至降溫末溫度點(diǎn)，G’呈增加趨勢(shì)，黏彈性模量值相對(duì)大小保持G’＞G”，且二者差值呈“剪刀差”增加趨勢(shì)。最后恒溫階段G’呈緩慢增加趨勢(shì)，表明凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步鞏固。相同控溫程序條件下，預(yù)實(shí)驗(yàn)研究了純瓊脂和純魔芋膠黏彈模量隨時(shí)間變化趨勢(shì)（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)未示出），發(fā)現(xiàn)控溫過(guò)程瓊脂溶液發(fā)生了明顯的溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，而魔芋膠溶液G’、G”變化非常小且未出現(xiàn)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變，表明瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變主要由瓊脂組分引起。

瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠過(guò)程特征參數(shù)結(jié)果（表1）顯示，隨蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，凝膠點(diǎn)溫度、同溫度點(diǎn)G’、SDRa值均呈先增加而后降低趨勢(shì)，表明蔗糖共溶質(zhì)存在可以調(diào)節(jié)溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變進(jìn)程及改變凝膠的強(qiáng)度。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖存在時(shí)，蔗糖與多糖分子之間的相互作用主要通過(guò)蔗糖的平伏羥基與多糖分子間形成氫鍵，并促進(jìn)交聯(lián)點(diǎn)出現(xiàn)和凝膠化[21]。此種促進(jìn)凝膠形成的效應(yīng)可能主要與蔗糖在水溶液體系中具備強(qiáng)的水合作用相關(guān)，而水合作用可將水分子從瓊脂及魔芋膠高分子周?chē)懦獬鰜?lái)，降低了瓊脂分子周?chē)乃肿訑?shù)，削弱了瓊脂分子與水分子之間的相互作用，從而促進(jìn)瓊脂多糖分子形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。過(guò)量的蔗糖共溶質(zhì)存在卻因蔗糖與自由水分子間氫鍵分子作用加強(qiáng)阻礙了瓊脂多糖螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)生和弱化凝膠形成。研究人員在考察卡拉膠、結(jié)冷膠等單一多糖凝膠證實(shí)了蔗糖濃度低于臨界值時(shí)可以穩(wěn)定凝膠結(jié)構(gòu)，而高于臨界值時(shí)促使凝膠失穩(wěn)的現(xiàn)象[22-24]。

表1 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程流變學(xué)特征參數(shù)Table 1Rheological characteristic parameters of agar/konjac blends during sol-gel transition

圖3 瓊脂-魔芋膠共混體系tanδ-t關(guān)系曲線Fig. 3 tanδ-t cures of agar/konjac blends

tanδ-t作為G’-t，G”-t曲線的補(bǔ)充，表征瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變時(shí)具有參考意義，圖3顯示瓊脂-魔芋膠共混體系經(jīng)歷了從溶膠態(tài)過(guò)渡到凝膠態(tài)的過(guò)程，隨溫度降低，凝膠化開(kāi)始后，tanδ不斷減小，歷經(jīng)tanδ為1后，tanδ值最終介于0.25～0.31之間，為典型弱凝膠結(jié)構(gòu)[25]。隨蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，與對(duì)照相比，添加5%蔗糖樣品tanδ為1所在溫度值要高于對(duì)照樣，添加10%及15%蔗糖樣品對(duì)應(yīng)溫度值介于對(duì)照樣和添加5%蔗糖樣品之間，進(jìn)一步證實(shí)了蔗糖小分子共溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可影響到瓊脂-魔芋膠的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變歷程。

圖4 瓊脂-魔芋膠共混體系控溫程序末頻率掃描曲線Fig. 4 G’-ω and G”-ω cures of agar/konjac blends at the end of the constant temperature procedure

由圖4可知，頻率掃描范圍內(nèi)G’＞G”，表明樣品均能形成凝膠結(jié)構(gòu)。低頻范圍，隨頻率增加模量增加緩慢，但高頻區(qū)，隨頻率增加，彈性模量出現(xiàn)陡增或陡降，表明高頻區(qū)共混體系凝膠結(jié)構(gòu)容易被破壞。相同角頻率條件下，隨著蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，共混凝膠G’值呈先增加而后降低趨勢(shì)，進(jìn)一步說(shuō)明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖共溶質(zhì)的存在，強(qiáng)化了瓊脂-魔芋膠共混凝膠結(jié)構(gòu)，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖共存時(shí)又使共混凝膠結(jié)構(gòu)遭到破壞[26]。

2.3 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變速度分析

圖5 瓊脂-魔芋膠共混體系vg（a）及αg（b）隨時(shí)間變化曲線Fig. 5 vg-t (a) and αg-t (b) cures of agar/konjac blends

高分子體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變存在多種判定方法，其中一種方法認(rèn)為溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變時(shí)發(fā)生G’=G”，此種凝膠點(diǎn)的判定方法因簡(jiǎn)單直觀而被廣泛用于食品高分子體系凝膠研究[27-28]。但此種方法的局限性在于無(wú)法探知溶液體系中交聯(lián)點(diǎn)的首次出現(xiàn)點(diǎn)溫度及交聯(lián)點(diǎn)生成量最大時(shí)的溫度，也不能定量考察溶膠-凝膠化過(guò)程的速度及加速度情況，因此有研究人員提出對(duì)G’-t關(guān)系求導(dǎo)并提出vg概念對(duì)溶膠-凝膠化速度進(jìn)行分析[18]，本實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法進(jìn)行了小幅改進(jìn)，提出vg參數(shù)概念表征溶膠-凝膠化進(jìn)程。對(duì)G’-t關(guān)系曲線分別取一階及二階導(dǎo)數(shù)，相應(yīng)得到vg及αg。

表2 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠過(guò)程凝膠化節(jié)點(diǎn)溫度、速度及加速度參數(shù)Table 2 T, vg and αg of agar/konjac blends during sol-gel transition

由圖5a可知，隨溫度降低，vg均呈先自零線（縱坐標(biāo)為零的水平界限線）下方升高經(jīng)過(guò)零線而后升高達(dá)到峰值，繼而降低的趨勢(shì)。vg為0處對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)為凝膠化起始點(diǎn)溫度（initial structure formation temperature，IST），介于55～60 ℃之間，IST可視為儀器設(shè)備感知閾值內(nèi)首次感應(yīng)到共混體系中多糖的螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈形成，此后隨溫度降低瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈數(shù)量和長(zhǎng)度增加引起G’增加，直至vg達(dá)最大值時(shí)溫度點(diǎn)（critical structure formation temperature，CST），CST值約為30 ℃，此溫度點(diǎn)瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈生成量最大；溫度點(diǎn)低于CST后，G’進(jìn)一步增加，vg值從峰值回落，主要因?yàn)榄傊p螺旋結(jié)構(gòu)分子鏈增量逐漸降低所致，恒溫過(guò)程vg繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，但均因出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)而改變了降溫過(guò)程vg原有下降趨勢(shì)，原因在于相同時(shí)間內(nèi)恒溫過(guò)程形成的瓊脂雙螺旋分子鏈相比降溫而言增量更小，但凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步鞏固。從圖5a及表2特征參數(shù)可知，與對(duì)照相比，添加5%蔗糖后共混體系vg明顯增加，但添加10%與添加5%蔗糖共混體系樣品相比vg得到降低，但仍高于對(duì)照樣，添加15%蔗糖共混體系的vg與對(duì)照樣相比無(wú)顯著性差別。

圖5b顯示所有蔗糖添加范圍αg隨溫度降低呈逐漸降低趨勢(shì)。αg曲線分布在零線兩側(cè)，零線上側(cè)，為凝膠化正向加速階段，其值排序依次為αg0%蔗糖＜αg15%蔗糖＜αg10%蔗糖＜αg5%蔗糖，表明瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠化加速均在降溫起始階段，此階段vg增加，G’亦增加。零線下側(cè)凝膠加速度值為負(fù)值，表明凝膠化驅(qū)動(dòng)力變?yōu)榉聪嗔ΓS溫度降低凝膠形成速度遞減，G’仍增加。含不同蔗糖共溶質(zhì)共混體系凝膠加速率大小依次排序與零線上側(cè)相同，同溫度點(diǎn)含5%蔗糖共混體系凝膠結(jié)構(gòu)化加速率值最高。與對(duì)照樣相比，含5%蔗糖共混體系在零線兩側(cè)同溫度點(diǎn)凝膠化加速率值均增加，且溫度點(diǎn)距離CST越遠(yuǎn)，兩者加速率差值越大，表明添加5%蔗糖后共混體系凝膠化加速快、減速也快。當(dāng)蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10%時(shí)，共混體系零線兩側(cè)凝膠化加速率值均從峰值下降，添加15%蔗糖后，凝膠化加速率值進(jìn)一步回落，但仍高于對(duì)照樣。此結(jié)果可能主要因?yàn)檎崽窃谒芤涵h(huán)境中與瓊脂親水膠體分子競(jìng)爭(zhēng)鍵合水分子，較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖利于瓊脂分子鏈之間形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，從而對(duì)凝膠結(jié)構(gòu)起到穩(wěn)態(tài)化作用。較低共溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖使瓊脂多糖分子鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的速率更快，達(dá)到峰值后大部分瓊脂分子鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)并參與凝膠結(jié)構(gòu)，因而共混體系溶液中的瓊脂雙螺旋結(jié)構(gòu)形成速度減緩從而導(dǎo)致凝膠化速率降低也快。

2.4 凝膠化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

非等溫動(dòng)力學(xué)模型常用于降溫過(guò)程溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)分析[29]，此種方法主要結(jié)合經(jīng)典非等溫化學(xué)分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率方程、阿倫尼烏斯方程、時(shí)溫關(guān)系及凝膠與橡膠物理體系的近似處理四方面而獲得。經(jīng)典的非等溫化學(xué)分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可按方程（5）表征[30]：

式中：C為質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；C0為初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%；t為反應(yīng)時(shí)間/min；k0為指前因子；Ea為反應(yīng)活化能/（J/mol）；T為t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的絕對(duì)溫度值/K；R為氣體常數(shù)（8.314 J/（mol·K））。

變溫速率為線性速率的前提下的，基于實(shí)驗(yàn)實(shí)證和回歸分析進(jìn)行推導(dǎo)此表達(dá)式可獲得：

非等溫條件下的經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型能與流變測(cè)試黏彈性模量關(guān)聯(lián)起來(lái)，關(guān)鍵是借鑒橡膠彈性理論進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體就凝膠體系而言，因彈性模量值通常與高分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)數(shù)量或質(zhì)量分?jǐn)?shù)成比例，因此質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變效應(yīng)可通過(guò)同步改變的彈性模量值來(lái)研究，對(duì)方程（6）而言C與彈性模量G’的改變具有等效性，因此其質(zhì)量分?jǐn)?shù)C和質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化值（dC）可分別用模量值G’及模量變化值（dG’）予以替代[31]，并得到直接用流變學(xué)參數(shù)表征凝膠過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程：

與公式（6）相比，公式（7）中因?yàn)槟z形成過(guò)程彈性模量值增量為正，此公式中負(fù)號(hào)轉(zhuǎn)換為正號(hào)，此一點(diǎn)與分解反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增量為負(fù)正好相反。多糖非等溫動(dòng)力學(xué)分析過(guò)程常見(jiàn)現(xiàn)象是降溫階段實(shí)驗(yàn)結(jié)果通常會(huì)顯示溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程具備2 個(gè)特征區(qū)域，對(duì)應(yīng)2 個(gè)不同溫度范圍并分成2 個(gè)不同階段的反應(yīng)[32-33]。為研究蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)共混體系凝膠動(dòng)力學(xué)參數(shù)影響，因此進(jìn)行歸一化比較，利用方程（7）對(duì)瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠形成過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，參照已有親水膠體體系凝膠過(guò)程n值亦取值為2[34-35]。圖6為不同蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下瓊脂-魔芋膠共混體系的作圖結(jié)果，結(jié)果表明溫度大于50 ℃時(shí)，G’及G”值都很小，且黏彈性模量值存在上下波動(dòng)狀態(tài)，在擬合曲線上顯示為噪音信號(hào)，見(jiàn)圖6中橢圓虛線標(biāo)示出區(qū)域。選定第I階段溫度范圍為50～35 ℃，第II階段溫度范圍為35～10 ℃，以最小二乘法擬合后求得2 個(gè)階段的Ea值（表3），分段擬合直線的R2值均大于0.90，表明擬合過(guò)程具有較高置信度并具備可比性。

圖6 瓊脂-魔芋膠共混體系彈性模量隨溫度變化的Arrhenius擬合曲線Fig. 6 Arrhenius fitting of G’-T cures of agar/konjac blends

表3 瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程凝膠活化能及相關(guān)系數(shù)特征參數(shù)Table 3 Characteristic parameters of Ea and R2during sol-gel transition

高溫范圍內(nèi)所有樣品的Ea介于250～430 kJ/mol，均顯著高于低溫區(qū)相應(yīng)值（介于50～60 kJ/mol），高溫范圍內(nèi)活化能相對(duì)比較高，表明瓊脂-魔芋膠共混體系溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠三維網(wǎng)絡(luò)需要克服能壘越高，而低溫范圍，瓊脂分子形成雙螺旋結(jié)構(gòu)相對(duì)容易，能壘顯著降低，凝膠形成速度大大加速。當(dāng)添加蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，高溫區(qū)能壘被顯著降低，進(jìn)一步增加蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)到10%或15%時(shí)，能壘重新得到提高，尤其添加15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖時(shí)，能壘甚至超過(guò)對(duì)照樣，弱化了形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此結(jié)果與G’-t、G”-t曲線表現(xiàn)出的蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變效應(yīng)趨勢(shì)是一致的，主要因?yàn)榈唾|(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖有助于高分子間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成，降低了形成凝膠網(wǎng)絡(luò)所需要的能量，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖因?yàn)檎崽亲陨硎`水能力的增強(qiáng)弱化了多糖分子水化溶脹，最終導(dǎo)致形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要消耗更多的能量。與高溫區(qū)域蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)活化能具備顯著影響效應(yīng)相比，改變蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)低溫區(qū)域的Ea沒(méi)有顯著性差別影響，原因可能在于第II階段發(fā)生在凝膠化增強(qiáng)過(guò)程，瓊脂雙螺旋分子鏈結(jié)構(gòu)形成相對(duì)容易。研究人員考察低甲氧基果膠、低?；Y(jié)冷膠/酪蛋白酸鈉及刺槐豆膠/黃原膠共混體系單一或共混親水膠體體系凝膠活化能隨溫度變化時(shí)發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似結(jié)果[27,29,31]。

2.5 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠析水性質(zhì)分析

由圖7可知，添加5%蔗糖瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠在27 h后的析水率是1.45%，未添加共溶質(zhì)對(duì)照樣相應(yīng)值是1.50%，略有降低，進(jìn)一步增加蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)至10%，析水率顯著降低到1.17%，表明添加蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，瓊脂-魔芋膠共混凝膠的析水率越低，蔗糖加入后，能明顯提高共混凝膠的持水能力。蔗糖分子中的平伏羥基基團(tuán)能夠與鄰近水分子相互作用，形成分子間氫鍵，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，此類(lèi)氫鍵數(shù)也相應(yīng)增加，導(dǎo)致持水能力增加，文獻(xiàn)報(bào)道蔗糖共溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瓊脂及黃原膠共混凝膠彈性模量及持水性質(zhì)具類(lèi)似影響趨勢(shì)，并歸因于蔗糖因富含羥基比親水膠體分子具更強(qiáng)的水合能力所致[35-36]。

圖7 蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠析水性影響Fig. 7 Effects of sucrose concentration on the syneresis of agar/konjac blend gels

2.6 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)性質(zhì)分析

圖8 蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)的影響Fig. 8 Effects of sucrose concentration on textural properties of agar/konjac blend gels

由圖8可知，隨蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，與對(duì)照相比共混凝膠彈性值呈先增加后降低趨勢(shì)，說(shuō)明添加蔗糖量較少時(shí)，利于多糖分子形成雙螺旋結(jié)構(gòu)并促進(jìn)凝膠形成，與蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響共混凝膠G’趨勢(shì)結(jié)果一致。黏附性則呈先降低后增加趨勢(shì)，表明較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖存在時(shí)，小分子共溶質(zhì)蔗糖與水分子形成水合作用后利于對(duì)多糖分子鏈塑化作用，使分子鏈展延，不利于多糖分子鏈聚集并產(chǎn)生較強(qiáng)黏附作用。

2.7 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠微觀結(jié)構(gòu)分析

如圖9所示，與對(duì)照樣相比，隨蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加共混凝膠基質(zhì)愈發(fā)細(xì)密化，斷面區(qū)域更加平整，共混凝膠孔隙呈降低趨勢(shì)，此現(xiàn)象可能是由于蔗糖存在因氫鍵作用更多的水分是以毛細(xì)水分存在，導(dǎo)致凍干過(guò)程，從凝膠表面逸散出去的凹洞明細(xì)減小，此與析水率的結(jié)果相一致。添加10%及15%蔗糖的共混凝膠斷面微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不規(guī)則點(diǎn)狀白色斑點(diǎn)，主要是凍干過(guò)程因局部區(qū)域小分子共溶質(zhì)蔗糖溶質(zhì)過(guò)飽和后形成結(jié)晶所致。Maurer等[36]在考察瓊脂及黃原膠體系時(shí)發(fā)現(xiàn)了較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖與水分子親水膠體競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合時(shí)出現(xiàn)了類(lèi)似蔗糖結(jié)晶析出現(xiàn)象。

圖9 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠掃描電鏡圖Fig. 9 SEM images of agar/konjac blend gels

2.8 瓊脂-魔芋膠共混凝膠體系紅外光譜分析

圖10 瓊脂-魔芋膠共混體系凝膠傅里葉紅外光譜圖Fig. 10 FTIR spectra of agar/konjac blend gels

FTIR是解析分子結(jié)構(gòu)的有效方法，小分子共溶質(zhì)與高分子體系相互作用的強(qiáng)弱亦可以通過(guò)振動(dòng)譜帶峰位置、寬度及強(qiáng)度的改變來(lái)確定[37]。如圖10所示，4 種樣品的峰形比較相似，共混凝膠在3 400 cm－1附近存在羥基伸縮振動(dòng)。與對(duì)照相比，添加5%、10%及15%蔗糖后，伴隨羥基振動(dòng)峰的位置依次為3 445.68、3 439.71、3 427.58、3 419.08 cm－1，隨蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加羥基伸縮振動(dòng)峰增強(qiáng)并向低波數(shù)方向偏移，表明共混體系中形成氫鍵數(shù)更多，主要因?yàn)檎崽桥c水分子結(jié)合形成了更多的氫鍵所致。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖的添加增強(qiáng)了瓊脂-魔芋膠共混體系中瓊脂分子間作用力，利于瓊脂分子間形成螺旋結(jié)構(gòu)并纏結(jié)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用主要由氫鍵作用維系。但高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（10%～15%）蔗糖條件下，蔗糖分子除與水分子形成氫鍵外，與多糖分子亦能形成氫鍵作用，蔗糖分子束縛水能力增強(qiáng)，一定程度限制了水分子運(yùn)動(dòng)，給多糖分子鏈運(yùn)動(dòng)提供了障礙，從而不利于瓊脂雙螺旋分子鏈結(jié)構(gòu)的形成并導(dǎo)致凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弱化。

3 結(jié) 論

與對(duì)照相比，添加5%蔗糖后共混體系凝膠點(diǎn)溫度值升高，vg明顯增大，但蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%后，SDRa、vg均降低，但仍高于對(duì)照樣，表明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖存在時(shí)可促進(jìn)凝膠化，高于臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)值后，弱化了凝膠形成。蔗糖共溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠加速率的影響在零線兩側(cè)均呈先增加后降低趨勢(shì)，并在添加5%蔗糖時(shí)達(dá)到最高值，表明較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)蔗糖共溶質(zhì)在凝膠化起始階段可促進(jìn)瓊脂-魔芋膠共混體系形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)體系凝膠。蔗糖共溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅對(duì)高溫區(qū)Ea產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），與對(duì)照相比，添加5%蔗糖后，Ea值由377.12 kJ/mol降低為255.49 kJ/mol，蔗糖添加量超過(guò)5%后，Ea值被升高。隨蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，共混凝膠的析水率越低，質(zhì)構(gòu)彈性值呈先增加后降低趨勢(shì)，但黏附性則呈相反趨勢(shì)，凝膠微觀結(jié)構(gòu)愈發(fā)細(xì)密化，斷面區(qū)域更加平整，F(xiàn)TIR結(jié)果表明添加蔗糖可改變瓊脂-魔芋膠共混體系中蔗糖分子與水分子及多糖分子間的氫鍵作用力，從而改變凝膠化行為。綜合上述在果凍類(lèi)凝膠產(chǎn)品實(shí)際溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變制備過(guò)程，通過(guò)選擇合適共溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)調(diào)適凝膠工序速度及優(yōu)化最終制品質(zhì)構(gòu)、保水性等品質(zhì)特性是一種潛在可用的有效方法。