物理作用力对κ2卡拉胶凝胶体质构特性影响的研究
胡 坤 赵谋明 徐建祥 杨晓泉 彭志英
(华南理工大学食品与生物工程学院,广州,510640)
摘 要 研究了不同的盐类和有机试剂对κ2卡拉胶凝胶体质构特性的影响。结果表明,NaCl和NaSCN对凝胶特性的影响显著不同,随着NaCl浓度的增加,卡拉胶的硬度和破裂强度逐渐增加但凝胶体的其他特性即下降;NaSCN在低浓度时(≤011 mol/ L)显著增加了凝胶体的硬度和破裂强度,而其他特性也下降。随着NaSCN浓度的增加( > 011 mol/ L) ,凝胶体的所有特性都下降;添加011 mol/ L的KCl和KSCN极大的提高了凝胶体的质构特性。KCl和KSCN对凝胶体质构特性的影响趋势相似,但KCl的影响更大。氢键也是κ2卡拉胶形成凝胶的主要作用力。
关键词 κ2卡拉胶,凝胶,质构特性,氢键
卡拉胶是线性硫酸化的多糖。提取自红藻门的不同种类。卡拉胶的骨架是β2D2吡喃型半乳糖残基通过1和3位糖苷键联结
(A残基)和α2D2吡喃型半乳糖残基通过1和4位糖苷键联结(B残基)的二糖重复序列,其中B单位在不同程度上转化为3 ,62脱水半乳糖的形式。根据A和B二糖单位上硫酸基连接位置和含量的差异可以将卡拉胶分为λ、ι、κ、β型。其中λ型卡拉胶的硫酸基含量最高,这种卡拉胶不形成规则的螺旋结构,因而不形成凝胶。β、κ、ι型卡拉胶都能形成螺旋结构,这些卡拉胶的B二糖单位都是含有3 ,62脱水的形式[1 ,2 ]。食品工业中应用得最多的凝胶型卡拉胶是κ、ι型。关于卡拉胶的分子结构、物化特性、流变特性、凝胶动力学和机理的研究国内外已经做了大量的工作。一般认为卡拉胶分子形成螺旋结构是形成凝胶的必要条件。但是关于卡拉胶螺旋构象目前有单螺旋结构[3 ]、平行双螺旋结构和反平行双螺旋结构等不同的模式[4 ]。卡拉胶的凝胶过程和凝胶特性具有盐依赖性,一般情况下添加盐类
能增加规则构象的稳定性和促进胶凝作用。阳离子对κ2卡拉胶构象的转变可以根据促进形成螺旋的效率划分为3类:非专一性的单价阳离子(Li+、Na+、(CH3)4N+) ,二价阳离子(Mg2 +、Ca2 +、Sr2 +、Ba2 +、Co2 +和Zn2 +)和特殊单价阳离子(NH+4、K+、Cs+和Rb+)。在非专一性单价阳离子和二价阳离子中螺旋稳定效率间的差异是很小的。这表明所有这
些离子主要通过长距离的库仑力相互作用影响构象的转[4 ]。特殊单价阳离子甚至是比二价阳离子更为有效的螺旋构象稳定剂。这些特殊阳离子也促进卡拉胶的聚集和胶凝。有文献表明,阴离子特定地影响κ2卡拉胶的构象转变,它们稳定卡拉胶分子规则构象的能力依次为F-< Cl-< NO-3< SCN-<I-,这种序列与所谓的Hofmeister序列相同但顺序相反[5 ]。目前对于ι2卡拉胶的双螺旋的结构已经清楚,每个二糖单位形成二个分子氢键。但对于κ2卡拉胶的螺旋结构却存在不同的模式,这些模式中氢键的有无和对规则构象的作用也各有不同[6 ]。本文从卡拉胶凝胶形成的物理作用力方
面研究了不同的盐类的静电相互作用和氢键
作用对卡拉胶凝胶的质构特性的影响,以探讨卡拉胶凝胶的物理作用本质。
1 材料与方法
111 材料、试剂和仪器
κ2卡拉胶,海南文吕卡拉胶有限公司出
品;NaCl ,NaSCN ,KCl ,KSCN ,尿素和丙二醇
均为分析纯;NaOH(110 mol/ L)和HCl溶液。
pHS23C精密pH计,上海雷磁仪器厂;
电热三用恒温水浴锅,北京市医疗设备厂;医
用铝盒; TA2XT2i Texture Analyser ,英国。
112 凝胶体的制备
一定量的κ2卡拉胶分散于双蒸馏水或添
加了NaCl ,NaSCN , KCl , KSCN ,尿素或丙二
醇等试剂的溶液中,45℃充分搅拌调节pH
710。注入铝盒,于水浴锅中升温到80℃,保
温20 min ,然后冷却到室温。凝胶体室温存
放24 h后测定TPA特性和凝胶特性。
113 凝胶TPA和特性测定
TPA测定条件:
测定模式和选项: T1P1A1 ;
测定前探头速度:1100 mm/ s ;
测定时探头速度:1100 mm/ s ;
测定距离:凝胶厚度的30 %;
探头2次测定间隔时间:3100 s ;
触发类型:自动;
触发力:110 g ;
探头型号:P20a ;
数据搜取速率:200100 pps。
凝胶破裂强度的测定条件:
测定模式和选项:测定压缩力;
测定前探头速度:1100 mm/ s ;
测定时探头速度:015 mm/ s ;
测定后探头速度:10100 mm/ s ;
测定距离:10100 mm ;
触发类型:自动;
触发力:510 g ;
探头型号:015 R ;
数据搜取速率:400100 pps。
2 结果与分析
211 典型凝胶体的质构曲线分析
凝胶TPA的测定过程是模仿人口腔咀
嚼食物的运动过程。装在测量杆上的探头以
一定的速率挤压凝胶直到刺入凝胶,然后以
一定的速率缩回,停留几秒钟后再进行第2
次的压缩和收缩过程。探头运动的力-时间
图谱如图1所示。图1是典型的凝胶体质构
曲线(texture profile analysis , TPA) ,t1∶2为第
一次压缩的时间, t4∶5为第2次压缩时间。凝
胶体的质构特性包括硬度( hardness ,在图1
中为力F2)、弹性(springingness ,图1中定义
为t4∶5∶t1∶2)、内聚性( cohesiveness ,图中
A4∶6∶A1∶3)、胶粘性( gumminess ,图1中为
F2 C cohesiveness)、咀嚼性(chewiness) ,回弹
性(resilience ,图1中的A2∶3∶A1∶2)、粘性(ad2
hesive force)和脆性(f racturability ,图1中的
F3)。具体分析由Texture Expert软件处理。
F=力, A=两固定锚间的面积,如A1∶2为锚1
和2间的面积, t=两固定锚间的时间,如t1∶2
为锚1和2间的时间
图1 典型的凝胶体质构图谱
212 静电相互作用对凝胶体质构特性的影
响
21211 阳离子的影响
电解质与卡拉胶分子间的静电相互作用
非常复杂。对阳离子而言,除一般的静电相
互作用外(如Na+和卡拉胶分子的硫酸基的
静电相互作用) ,还有K+与卡拉胶分子的所
谓特异性相互作用,虽然一般认为这种相互
作用的本质仍然是静电作用,但却与Na+对
卡拉胶凝胶特性的影响截然不同。另外电解
质的阴离子类型也显著影响卡拉胶分子的构
象及其转变过程和宏观的溶胶2凝胶转变过
程。
Na+和K+离子对凝胶体质构特性的影
响如图2所示。由图2看出,钾盐对卡拉胶
凝胶体的硬度影响最大。在011 mol/ L的
KCl和KSCN浓度时凝胶体的硬度都达最大
值,随着浓度的增加硬度急剧下降(低于空白
(pH 710 ,卡拉胶质量分数115 %)
图2 不同阳离子和阴离子对卡拉
胶凝胶体硬度的影响
组) ,当浓度达到015 mol/ L不形成凝胶。钠
盐对卡拉胶凝胶硬度的影响随阴离子的不同
而有差异:在试验浓度范围内,卡拉胶硬度随
NaCl浓度的增加而增加,但在浓度高于
0125 mol/ L硬度趋于恒定;NaSCN对凝胶硬
度的影响在011 mol/ L时达到最大值,然后
逐渐下降。不同阳离子对卡拉胶凝胶体
