不同类型多糖对羊皮明胶凝胶性质及结构的影响

明胶是由18种氨基酸组成的线性高分子结构,其中脯氨酸和羟脯氨酸的含量较高,其氨基酸种类及组成与胶原类似,既含羧基又含氨基,属于两性离子电解质[1-2]。近年来,受疯牛病、禽流感、猪瘟等传染病爆发的影响及宗教信仰的限制,人们一直在寻找牛皮和猪皮明胶的替代品,而与水生或海洋动物的明胶相比,陆生动物的明胶更稳定,具有更好的流变特性。人们对羊皮的研究主要集中于从羊皮中提取明胶作为牛皮、驴皮及鱼皮明胶的潜在代替物。羊皮富含胶原蛋白等蛋白质化合物,与钙矿物紧密结合,具有加工成明胶的潜力。因此可利用羊皮作为牛、猪、鱼等常见的明胶替代原料。

明胶凝胶也存在缺陷,如凝胶结构稳定性不足、热稳定性差、凝胶特性受原料影响较大等,限制了其在实际生产中的应用[3]。明胶与多糖类亲水胶体可作为胶凝剂、增稠剂、稳定剂使用,各具物化特性,而利用复配将2种或2种以上的胶体共混[4],可以避免由单一胶体带来的缺陷。李俊宏[5]研究表明在卡拉胶22.6%、魔芋胶60%、结冷胶17.4%条件下可优化水晶皮冻的凝胶强度、持水力、熔点和感官评分。陈哲敏等[6]研究表明将卡拉胶与魔芋胶进行复配后,加入到肉丸中,可提高肉丸的质构和口感。而王元兰等[7]将其复配后增强了样品网状结构的稳定性和胶凝弹性。银耳多糖作为银耳的重要活性成分,具有抗氧化、抗肿瘤及免疫调节等多种作用,但因为其提取工艺复杂产量低,对其研究利用较少[8]。银耳多糖溶液具有良好的流变特性,在加工过程中可保持较稳定的状态,因此,可作为凝胶剂使用。杨嘉丹[8]发现添加银耳多糖可以改善结冷胶的触变性、弹性、黏性和持水性能,且银耳多糖的含量对复配体系的动态流变性质起到决定性的作用。因此,为减小亲水胶体的用量,可利用银耳多糖对明胶进行改性研究。

复合体系中蛋白质与多糖均能独自形成连续的网络结构,其混合凝胶即为穿插网络凝胶;当蛋白质与多糖分子间存在协同作用时,即起到凝胶增效作用,形成偶联网络凝胶;而当体系中蛋白质与多糖不相容、相互排斥或亲水力不同时,往往形成相分离凝胶[9]。多糖和明胶分子之间的静电和氢键相互作用有助于改善复杂体系的凝胶化和流变性能。蛋白质对多糖复合物和凝聚物主要来源于电荷相反的大分子之间的静电相互作用[10]。

胶冻食品具有低熔点的特点,限制了其在食品中的应用。因此本文利用2种亲水胶体卡拉胶、魔芋胶和银耳多糖等安全性改性剂,对羊皮明胶的质构、凝胶强度和流变学等凝胶特性进行研究。同时,利用傅里叶变换红外光谱和X射线衍射光谱对复合凝胶的改性的机理进行初步探究,同时解决明胶凝胶产品在贮藏和运输中因温度变化而产生的生产损耗,更好地满足食品工业的要求。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

新鲜羊皮,武威市甘肃中天羊业股份有限公司,经检疫合格的1～2岁绵羊。

食品级添加剂:卡拉胶、魔芋胶,肇庆海星生物科技有限公司;银耳多糖(纯度为50%),陕西常青藤生物工程有限公司;食用碱、食盐,兰州海关北京华联超市。

1.2 仪器与设备

UW220D电子天平,岛津仪器(苏州)有限公司;TA.XT Plus质构仪,英国Stable Micro Systems公司;TGL-16M型高速台式冷冻离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;Spectrun 100红外光谱仪,美国PerkinElmer公司;Konica CR-10色差计,柯尼卡美能达光电股份有限公司;DHR-3流变仪,美国TA公司。

1.3 实验方法

1.3.1 羊皮明胶凝胶的制备

将生鲜羊皮用清水清洗至带毛羊皮表面无残留血液及污物,经脱毛、去脂、去杂蛋白等预处理后,与水按照料液比为1∶5(g∶mL)混合、高温高压(121 ℃、0.1 MPa)40 min,结束后80 ℃水浴提取5 h。提取结束后,过滤掉皮渣。所得滤液在8 000 r/min,4 ℃条件下离心20 min。将制得的羊皮明胶溶液设为对照组(CK)。

1.3.2 复配凝胶剂比例的筛选

将不同质量比的复配胶[卡拉胶∶魔芋胶=3∶1、2∶1、1∶1、1∶2、1∶3,分别记为X0、X1、X2、X3、X4]完全溶解后,按1∶100(质量比)加入到羊皮明胶溶液中,后于4 ℃冷藏14～16 h待测。

明胶-银耳多糖凝胶制备:将不同质量浓度(100、200、300 g/L,分别记为T1、T2、T3)的银耳多糖溶液按1 g/100 g加入到羊皮明胶溶液中,后于4 ℃冷藏14～16 h待测。评分标准如表1所示。

1.3.4 凝胶强度测定

参考HUANG等[10]使用质构仪测量明胶凝胶的凝胶强度,该分析仪配备铝柱探头(P 0.5R),将明胶溶液倒入10 mL玻璃烧杯中,在10 ℃条件下等待16～18 h成熟。当以1 mm/s的速度穿透距离达到4 mm 时,记录凝胶强度(g)。每个样本在(25±0.5) ℃下进行3份。

将制备好的样品放置于25 mL烧杯中,室温下平衡15～20 min后测定。测定条件:选择P/0.5圆柱形探头,测前速度为2.00 mm/s,测试速度1.00 mm/s,测试探针上升速率为5.00 mm/s,下压距离为5 mm,触发力5.0 g。每组样品平行测定3次[11]。

参照李鸣等[12]用分光测色仪对样品进行测定。

1.3.7 熔化温度测定

流变性质通过DHR-3流变仪测量。平行板直径为20 mm,间隙为1 000 μm。凝胶样品在测试前于室温下平衡15 min[13]。温度扫描:应变0.5%,频率1 Hz,按照1 ℃/min,从10～50 ℃。

1.3.8 红外光谱测定

参考何龙[14]的方法并略作修改。

1.3.9 X射线衍射光谱测定

将2 mL凝胶冻干样置于铜Ka上。在40 kV,35 mV条件下,用X射线衍射仪测定5°～50°的2θ范围内各样品的衍射强度,步幅4°/min。

1.3.10 扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)测定

参考何龙[14]报道,将明胶样品切成长宽高为0.5 cm×0.5 cm×0.3 cm的柱体,并置于真空干燥室中。然后,在明胶的表面上溅射金属膜(10 nm),并在15.0 kV的电压下将结构放大200倍。

1.4 数据处理与分析

所有实验均至少3次重复,所有数据采用Microsoft Office Excel 2019 和SPSS 20.0软件进行处理和显著性分析,用Origin 2021软件进行绘图,所有数据以

表示。

2 结果与分析

2.1 不同比例胶凝剂的筛选

如表2所示,卡拉胶与魔芋胶质量比为2∶1、1∶1、1∶2时,羊皮明胶凝胶结构较紧密,质地较好,色泽较均匀,无异味。随着卡拉胶含量的增加,凝胶结构逐渐紧密且质地变硬、粘连性变差、弹性也变小。而魔芋胶不易溶于水,且亲水胶体大分子会在水中运动聚集,因此会产生轻微沉淀,由表2所知,魔芋胶主要影响明胶凝胶的粘连性,对质构特性贡献较小,且魔芋胶本身具有轻微豆腥味。最终选择卡拉胶与魔芋胶质量比为2∶1、1∶1、1∶2进行后续凝胶特性的测定。

2.2 不同多糖对羊皮明胶凝胶强度和质构的影响

质构是与食品的质地及状态有关的机械和流变学物理性质,客观测定结果用力、形变和时间的函数表示,运用质构评价术语更确切地描述食品质地,解释食品的组织结构特性,为生产功能性好的食品提供理论依据[15]。不同类型多糖对羊皮明胶凝胶强度和质构的影响如表3所示。与对照组相比,加入不同比例复配亲水胶体后,明胶凝胶的凝胶强度和硬度、咀嚼性显著提高。且随着复配体系中卡拉胶含量的增加,凝胶的凝胶强度和硬度也随之增高。SOW等[16]也发现明胶与卡拉胶可以形成较大的复合物凝聚体,这有助于增强明胶的网络强度。当复配胶质量比为2∶1时,凝胶强度和硬度最大;内聚力、胶连性、回弹力略有提高。这可能是因为加入亲水胶体,增加了复合凝胶中形成双螺旋结构的机会。双螺旋含量的增加使得体系的内部结构的分子间排列更加紧密,形成更稳定的三维网状结构。从而使明胶凝胶的凝胶特性得到改善。如表3所示,加入银耳多糖后,复合凝胶的凝胶强度、硬度、咀嚼性和弹性虽然降低。但随着银耳多糖浓度的升高,其复合凝胶的凝胶强度、硬度和弹性也略有提高。因此,加入银耳多糖后,在整体上,可以明显增强复合凝胶的内聚力和回弹力。这可能是因为银耳多糖含有羧基和氨基,在中性条件下,能够形成弱凝胶结构的多糖水溶液,能与蛋白质交联,使蛋白质间的氢键更强,从而增加溶液黏度[17],因此随着复合凝胶体系中银耳多糖含量的增加,复合凝胶的粘连性和回弹力都略有改善。2种多糖加入后,对羊皮明胶凝胶的质构特性和熔化温度产生了不同方面有利的影响,这可能与多糖所带基团的种类有关。

2.3 不同多糖对羊皮明胶色泽的影响

由表4可知,羊皮明胶原溶液本身具有较高的L*值和b*值。这是因为在明胶生产过程中,由于长时间热萃取,产生更高纯度的胶原蛋白时,明胶溶液就会呈现出浅黄或者亮黄色[14]。与对照组相比,加入复配胶后复合凝胶L*值和b*值降低,a*值略有升高。这是因为亲水胶体和明胶都为天然高分子混合体系,它们之间存在互相作用,如静电作用、氢键作用、疏水作用等[18]。加入复配胶后,胶体表面的基团相互吸引产生轻微沉淀,同时卡拉胶由于在加热条件下不易水解,使明胶溶液的L*值下降a*值上升。而加入复配胶溶液后,降低了明胶溶液的浓度,从而使复合凝胶的b*值降低。银耳多糖多呈浅黄到亮黄色,加入银耳多糖后,复合凝胶的L*值没有显著变化,而a*值和b*值显著提高。良好的色泽会直接影响人们的食欲,加入银耳多糖后,使羊皮明胶的色泽变得透亮、明黄,羊皮明胶产品就会具有更好的感官品质。

2.4 不同多糖对羊皮明胶熔化温度的影响

明胶本质是一类热蛋白质凝胶。当室温高于其熔点或受到外力作用时,明胶凝胶会出现熔化现象,热稳定性变差,影响后续运输及加工,甚至会影响食用口感。因此有必要利用流变仪测定改性后明胶羊皮明胶凝胶热稳定性。由图1所示,每种配比的复配胶储能模量(G′)都大于损耗模量(G″),且随温度的升高,G′和G″都逐渐降低,说明凝胶网络结构逐渐被破坏[19]。当温度未超过熔化温度时,明胶凝胶的G′均大于G″,弹性在体系中占主导;而当温度超过熔化温度后体系的G′不再高于G″,这表明相变(凝胶-溶胶)的发生[12]。如图1所示,未改性后的明胶凝胶熔化温度为26.01 ℃,经复配胶改性后的温度分别为37.06、36.7、36.06 ℃。由此可知,加入不同比例的胶类多糖时,羊皮明胶凝胶的熔点显著提高,这说胶体表面的多种基团与明胶凝胶结构发生作用,形成了更稳定的三螺旋结构,使羊皮明胶凝胶有更高的热稳定性。多糖类胶体常用于修饰明胶以提升其凝胶特性,多糖和明胶分子间的氢键和静电相互作用有助于明胶-多糖体系的凝胶化和流变性的改善,例如明胶和κ-卡拉胶可以相互结合形成大的复杂凝聚体,这有助于凝胶网络强度的提升[20]。当卡拉胶含量逐渐降低时,明胶凝胶的熔点也略有下降。加入银耳多糖改性后明胶凝胶熔化温度都显著减小,分别为20.99、21.03、22.10 ℃,这可能是因为银耳多糖溶液加入后,稀释了明胶溶液的浓度,从而使熔化温度减小。因此,加入复配胶后会显著改善羊皮明胶的熔化温度。

2.5 红外光谱分析

明胶具有典型的的红外光谱图,由酰胺A带、酰胺B带、酰胺Ⅰ带,酰胺Ⅱ带和酰胺Ⅲ带组成。酰胺A带的吸收峰普遍在3 400～3 440 cm-1。酰胺A带与N—H的振动频率有关,当有N—H参与氢键形成时,该吸收峰将会移动到较低频率,通常接近3 300 cm-1。酰胺B带是由C—H和N—H发生不对称拉伸振动引起得到,该吸收峰一般出现在3 080 cm-1处。若存在更多的N—H参与化学链间氨键的合成,会导致酰胺键对应的吸收峰发生位移[21]。此外,酰胺Ⅰ带的吸收峰为1 600～1 700 cm-1,酰胺Ⅱ带的吸收峰为1 550～1 600 cm-1,酰胺Ⅲ带的特征吸收峰为1 200～1 350 cm-1(表5)。

为研究不同多糖对羊皮明胶结构的影响,进行红外光谱测定。如图2所示,羊皮明胶凝胶的峰值与典型的峰值相似。而改性后的明胶凝胶的酰胺A、酰胺B带峰值减小,说明添加胶体多糖减少了明胶凝胶分子内氢键的形成,使更多的N—H、C—H释放出来[22]。而随着卡拉胶和银耳多糖含量的增加,其峰值变化不明显,可能是因为游离的N—H与其他基团形成结构,不能形成氢键。酰胺Ⅰ、酰胺Ⅱ、酰胺Ⅲ带为羰基、氰基的伸缩振动。由图所知,加入不同比例的胶体多糖后,其明胶凝胶的峰值无明显变化,说明羰基并未与亲水胶体发生反应。银耳多糖是一种杂多糖,主要包括中性和酸性多糖。具有羧基和氨基,加入银耳多糖后,羧基与明胶、亲水胶体之间发生静电作用,使羰基向高波数移动[23]。结果表明,加入复配胶和银耳多糖都会影响羊皮明胶的二级结构,进而对复合凝胶的凝胶特性产生有利的影响。

2.6 X射线衍射光谱分析

明胶溶液温度在凝胶点以上时,明胶分子呈现无规卷曲构象,当温度降低到凝固点以下时,分子中的一些链段复旋为左手螺旋,3条相邻的左手螺旋链段由氢键交联复性为与胶原相类似的右手螺旋,成为一个交联点。其他交联点在此附近形成,由此形成一个聚肽分子三维网状体。水分子被截留在链间空隙中,与主链上羰基和氨基以氢键结合,当交联达到一定程度时,体系即凝固成凝胶。由于这些交联点由氢键维持,所以在加热的时候可以使凝胶熔化[24]。明胶具有2个衍射峰值,分别与三股螺旋和左螺旋相关。明胶表现出2个峰值分别为7°～9°和17°～20°,明胶表现出2个峰值分别为7°～9°和17°～20°[25]

由图3可知,羊皮明胶的衍射峰值为20.27°。加入不同类型的多糖后衍射峰逐渐变得平坦,表明加入多糖阻碍了三股螺旋和左螺旋的生成[26]。加入不同质量比的复配胶后,凝胶的衍射峰值分布在20.87°、20.8°、20.78°,且衍射峰逐渐变得平坦,且随着卡拉胶含量的减小,凝胶的衍射峰值逐渐变小。加入不同质量浓度的银耳多糖后,凝胶的衍射峰值分布在20.3°、20.36°、20.44°。随着其质量浓度的增加,其衍射峰值逐渐增加。以上结果表明,加入不同类型的多糖后,都可以通过破坏羊皮明胶中三股螺旋和左螺旋的生成,进一步影响其二级结构,最终使羊皮明胶的凝胶性能得到改善。

2.7 SEM分析

添加不同类型多糖对羊皮明胶微观结构如图4所示,明胶基质中蛋白质分子的排列和缔合对明胶的凝胶强度有直接的影响[27]。所有明胶的微观结构都呈多孔海绵状结构。如图4所示,未添加多糖的羊皮明胶的表面呈多孔、疏松的海绵状结构。添加复配胶后,羊皮明胶的多孔结构变得细小,均匀,且卡拉胶在其中起主导作用。这与李晓艺等[28]研究发现一致。添加银耳多糖后,随着银耳多糖质量浓度的增加,凝胶的结构由稀疏的网状结构变成致密的结构,这可能是因为银耳多糖与明胶发生交联,与二级结构结果一致。综上所述,添加适量多糖后,分子间发生交联改变羊皮明胶的微观结构,进而使羊皮明胶的凝胶强度和质构特性得到改善。

3 结论

本研究为改善羊皮明胶凝胶特性、熔化温度及色泽,加入了不同类型的2种多糖,对凝胶强度、熔化温度等凝胶性质进行了研究,并初步探究其对明胶凝胶凝胶特性改善机理。结果表明,当复配胶质量比为2∶1时,可显著改善羊皮明胶的强度和硬度(P<0.05),提高熔化温度;当银耳多糖的添加量为20%时,能明显改善明胶的粘连性、回弹力和色泽。二级结构和微观结构分析表明,亲水胶体影响明胶分子内氢键的形成,银耳多糖使羰基向高波数移动。衍射谱图表明,加入适量多糖后,影响了三螺旋结构,从而很好地改善羊皮明胶的凝胶性能。SEM表明多糖会使明胶的网络结构更加致密。综上所述,添加多糖后,多糖通过影响明胶的微观结构,从而起到对明胶凝胶性质的改善作用。因此,在生产胶冻类产品时,可通过将亲水胶体和银耳多糖综合利用,改善产品的凝胶特性和色泽,进而为产品开发和运输提供依据。

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