低浓度乙醇对魔芋葡甘聚糖理化特性及其结构影响的研究

胡艳1,2,李悦1,2,吴玉萍1,2,吴春华3,张甫生1*

1(西南大学 食品科学学院,重庆,400715)2(食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学),重庆,400715) 3(福建农林大学 食品科学学院,福建 福州,350002)

摘 要 为探究在低浓度乙醇下魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)的性能和结构变化,拓宽其在食品领域的应用,以粗制魔芋葡甘聚糖为对象,研究其在低浓度乙醇纯化下的凝胶强度、黏度和结构的变化。结果表明,随着乙醇浓度增加和洗脱时间的延长,凝胶强度和黏度都呈现先上升后降低的趋势;随着洗脱次数的增加,凝胶强度和黏度呈现上升趋势。乙醇浓度33%(体积分数)纯化粗制魔芋葡甘聚糖30 min,洗脱2次后,与未经纯化处理KGM相比,凝胶强度和黏度分别显著提升了28.6%和34.7%。根据结构表征可知,粗制魔芋葡甘聚糖经过低浓度乙醇处理后,分子间氢键作用力增强,相对结晶度增高,局部形成有序的短程结构;同时平均粒径变化幅度不大,大小约为270.4 μm;且KGM表面所含杂质减少,呈现规则的层状和褶皱分布。因此,通过调控低浓度乙醇纯化条件,可制得适应不同加工需求的KGM。

关键词 魔芋葡甘聚糖;纯化;凝胶强度;黏度;结构

魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)是由魔芋产生的中性多糖,其分子链是由主链D-甘露糖与D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键链接而成,甘露糖与葡萄糖分子摩尔比为1.6∶1[1-3]。KGM独特的分子结构赋予了KGM优良的持水性、成膜性、凝胶性、增稠性、乳化性,从而被广泛应用于食品工业[2]。利用KGM良好的凝胶性能制备凝胶类食品,如制成魔芋豆腐、魔芋蛋糕、魔芋粉丝、果冻、果酱、软糖等,可以赋予凝胶类食品很好的黏弹性、咀嚼性等[4];利用KGM良好的黏性与增稠性,可以用来提高面团结构的稳定性,也可以作为增稠剂,常被用于饮料、酸奶、罐头、粥、果汁、啤酒、冰淇淋等食品中,以此提高产品稳定性、口感和外观质量、延长保质期、改善质地等[3,5]

粗制魔芋葡甘聚糖一般呈浅色,有鱼腥味,以及存在黏度低、透明度差等缺点,不能满足高质量魔芋食品以及各种食品添加剂的需求[6]。企业与学者探究了许多的KGM提纯方法,主要包括乙醇沉淀法、酸水解法、生物酶法、Pb(Ac)2法等,但是并不是所有的提纯方法都适用于实际生产。如酸水解法因酸的作用降低了KGM的分子质量、黏性、成膜性能等;生物酶法产品缺乏选择性,无法定向酶解;Pb(Ac)2法会引入有毒的Pb2+,造成污染,并且KGM的提取率低[7-8]。上述3种方法提取工艺复杂,问题较多,不适用于实际食品工业生产。乙醇沉淀法是目前规模化生产使用得最多的方法,主要有高浓度乙醇沉淀法[9]、超声波-微波联合辅助乙醇沉淀法[8]等方法;但也存在着操作较为复杂、乙醇浓度高、容易造成浪费等问题;也有通过控制温度达到共沸点的乙醇沉淀法来纯化得到高质量的KGM[6],但是共沸点温度过高、时间过长,导致生产成本过高。因此探究一种低成本、低耗能的乙醇沉淀法对KGM的纯化意义重大。

粗制魔芋葡甘聚糖分子上有淀粉、灰分等杂质,较低浓度乙醇沉淀法有利于KGM分子表面上杂质溶解清除。目前,对于低浓度乙醇纯化魔芋葡甘聚糖的研究较少,关于低浓度乙醇对KGM性能和结构的研究鲜有报道,特别是洗脱时间和洗脱次数对KGM性能和结构的研究尚未见报道。基于此,本文研究不同乙醇浓度、不同洗脱时间和不同洗脱次数对KGM黏度和凝胶强度的宏观特性的影响,并通过傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FT-IR)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、粒径分析等对纯化后KGM结构进行表征,探究低浓度乙醇对KGM的理化特性和结构影响,解析低浓度乙醇纯化KGM的机理,为实际生产生活的需要提供数据支撑和理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

特级普通魔芋粉,重庆鑫来农产品开发有限公司;无水碳酸钠(分析纯),成都市科龙化工试剂厂;无水乙醇(分析纯),重庆川东化工有限公司。

1.2 仪器与设备

LE104E分析天平,梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司;台式常温离心机,基因有限公司;NDJ-5S 数字式黏度计,上海舜宇恒平科学仪器有限公司;DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱,上海齐欣科学仪器有限公司;JJ-1B恒速电动搅拌器,金坛区西城新瑞仪器厂;HZ-ZK8型数显恒温水浴锅,巩义市予华仪器有限责任公司;TA.XT Plus质构仪,英国Stable Micro System公司;Mastersizer 3000激光粒度仪,英国马尔文公司;Spectrun100傅里叶变换红外光谱仪,美国Perkin Elmer公司;Phenom Pro扫描电子显微镜,荷兰Phenom World公司;X'Pert3 Powder X射线衍射仪,荷兰帕纳特有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 纯化工艺

特级普通魔芋粉和乙醇的料液比为1∶4(g∶mL),在200 r/min的转速下洗脱,随后配平之后放入离心机中,以5 000 r/min的速度离心10 min;离心之后去除上层清液,将其按照料液比1∶4(g∶mL),在50%(体积分数)乙醇中洗涤5 min,接着进行离心;最后将离心后的魔芋粉放进50 ℃的烘箱中干燥6 h,干燥后研磨过60目筛制得样品[7]

1.3.2 不同工艺处理对魔芋粉纯化的作用

a)称取粗制魔芋葡甘聚糖后,分别用体积分数为27%、30%、33%、36%、39%、42%的乙醇洗脱魔芋粉1次,洗脱时间为30 min,其他操作同1.3.1节。

b)称取粗制魔芋葡甘聚糖后,用33%(体积分数)的乙醇分别洗脱魔芋粉10、20、30、40、50、60 min,洗脱次数为1次,其他操作同1.3.1节。

c)称取粗制魔芋葡甘聚糖后,用33%(体积分数)的乙醇洗脱魔芋粉30 min,分别洗脱魔芋粉1、2、3次,其他操作同1.3.1节。

1.4 指标测定

1.4.1 黏度测定

参照CHEN等[10]方法,稍加改进。配制质量分数0.5%的KGM溶液,为了让KGM充分溶胀,设定转速为500 r/min,在25 ℃搅拌2 h。搅拌后立即使用黏度计的4号转子,在12 r/min下测定黏度,所有样品的黏度测量重复进行3次。

1.4.2 凝胶制备及凝胶强度测定

凝胶制备:参照SU等[11]方法,稍加改进。将1.8 g KGM加入含有碳酸钠溶液(Na2CO3/KGM的质量分数之比为8%)的烧杯中,KGM在搅拌下膨胀,搅拌10 min后,在25 ℃下静置2 h之后,放置在90 ℃水浴锅中加热1 h形成凝胶,冷却至室温备用。

测定方法:凝胶样品切成15 mm厚的薄片,质构分析为TPA模式,探头采用P/0.5,测前速率为2 mm/s,测试速率为1 mm/s,测后速率为l mm/s,形变量为80%,触发力为5 g,触发时间为5 s[12]

1.4.3 FT-IR测定

将干燥的样品进行扫描,扫描范围为4 000~600 cm-1,光谱分辨率为4 cm-1,连续扫描64次自动平均,测试前需要扣除背景[12]

1.4.4 XRD测定

将适量不同的KGM放入载玻片上压片后放入X射线衍射仪测试。管压40 kV,电流40 mA,扫描范围4~40°,速率2 °/min[13]

1.4.5 颗粒粒径测定

采用Mastersizer3000型激光粒度分析仪测定KGM的粒径分布,以无水乙醇为分散系,折射率为1.52,折光度范围:8%~20%[14]

1.4.6 SEM测定

使用扫描电子显微镜对各样品的微观结构进行观察,将样品固定在铜台上,在真空度1.0×10-3 Pa,溅射电压1.2 kV条件下镀金5 min,镀金后的样品送入电镜观察,选择有代表性的区域进行拍摄,拍摄倍数为1 000×[15]

1.5 数据统计与分析

采用Excel处理数据,每组试验最少重复3次,结果以“平均值±标准差”来表示,采用SPSS 26.0软件对试验数据进行统计分析,不同字母表示样品间存在显著性(P<0.05),采用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 乙醇浓度对KGM纯化的影响

乙醇浓度对KGM的凝胶强度和黏度影响如图1所示。KGM在未发生溶解的情况下(乙醇体积分数为27%),随着乙醇浓度的增加,凝胶强度和黏度同时呈现先上升再下降的趋势。当用浓度为33%(体积分数)的乙醇洗脱KGM时,洗脱后KGM的凝胶强度(347 g)和黏度(7 000 mPa·s)最高,且显著高于未纯化的KGM(凝胶强度279 g,P<0.05;黏度5 817 mPa·s,P<0.05)。这是因为魔芋葡甘聚糖是高分子多糖类物质,易在水中溶解而不溶于乙醇;适宜的乙醇浓度可促进KGM膨胀和淀粉等杂质的溶出[8-9]。乙醇体积分数为27%~33%时KGM的黏度和凝胶强度升高,可能是因为KGM吸水膨胀,淀粉等一些亲水性杂质溶解于水中而导致[9];而乙醇体积分数为33%~42%时KGM的黏度和凝胶强度又下降,或是由于KGM在此浓度下分子呈卷缩的状态,杂质未洗出导致[8]

图1 乙醇浓度对KGM凝胶强度和黏度的影响
Fig.1 Effects of different ethanol concentrations on gel strength and viscosity of KGM

注:同种柱形图上方的不同字母表示组间差异显著(P<0.05)(下同)。

2.2 洗脱时间对KGM纯化的影响

洗脱时间对KGM的凝胶强度和黏度影响如图2所示。随着洗脱时间的延长,纯化后的KGM凝胶强度和黏度同时呈现先上升再下降的趋势。当洗脱时间为30 min时,洗脱后的KGM凝胶强度(347 g)和黏度(7 000 mPa·s)最高,且显著高于未纯化KGM的凝胶强度(279 g,P<0.05)和黏度(5 817 mPa·s,P<0.05)。洗脱时间在0~30 min内,KGM的黏度和凝胶强度逐渐增大,这可能是因为随着洗脱时间的延长,KGM吸水膨胀,表面杂质逐渐洗出致其性能改善[8];而洗脱时间在30~60 min内,KGM的黏度和凝胶强度减小,或是由于洗脱时间的延长,KGM部分降解导致[9]

图2 洗脱时间对KGM凝胶强度和黏度的影响
Fig.2 Effect of different elution time on gel strength and viscosity of KGM

2.3 洗脱次数对KGM纯化的影响

洗脱次数对KGM的凝胶强度和黏度影响如图3所示。KGM随着洗脱次数的增加,凝胶强度和黏度都呈现一直上升的趋势,这是因为KGM凝胶强度和黏度皆与KGM含量呈正相关,KGM越洗越纯,杂质越来越少[16-17]。当洗脱KGM的次数为2时,凝胶强度为358.147 g,黏度是7 833 mPa·s;当洗脱KGM的次数为3时,凝胶强度为365.613 g,黏度是8 167 mPa·s。在洗脱次数超过2后,凝胶强度和黏度的增幅减小,考虑到成本和纯化效果等多方面,洗脱2次的效果适合实际生产需要,与汪佳文等[18]实验结果一致。

图3 洗脱次数对KGM凝胶强度和黏度的影响
Fig.3 Effect of different elution times on gel strength and viscosity of KGM

2.4 FT-IR结果分析

不同纯化处理的KGM 傅里叶变换红外光谱如图4所示,纯化后KGM的特征峰没有产生新的基团或键,其特征基团与其他文献结果一致[19],特别是—OH的伸缩振动峰均位于3 321 cm-1附近;且此振动吸收峰带较对照组变窄,表明去除杂质后KGM链更加有序[20]。氢键作用力是KGM凝胶过程中的主要作用力,可促进KGM凝胶的形成[21],同时也会使KGM更具有亲水性,利于吸水和增稠,使KGM黏度增强[16,22]

a-乙醇浓度不同;b-洗脱时间不同;c-洗脱次数不同

图4 不同纯化处理的KGM傅里叶变换红外光谱图
Fig.4 Fourier transform infrared spectra of KGM with different purification treatments

注:图中百分数均为乙醇的体积分数(下同)。

根据对照组和纯化后的KGM红外图可知,对照和体积分数为27%、33%、39%乙醇洗脱的KGM在3 321 cm-1附近的吸收波长分别为3 319、3 318、3 307、3 311 cm-1;对照和10、30、50 min乙醇洗脱的KGM在3 321 cm-1附近的吸收波长分别为3 319、3 320、3 307、3 320 cm-1;对照和洗脱1次、2次、3次的KGM在3 321 cm-1附近的吸收波长分别为3 319、3 307、3 300、3 305 cm-1。上述结果表明不同浓度、不同时间和不同次数的乙醇处理,对KGM的—OH振动有显著影响。一般来说峰值波数越低,其氢键作用力越强[23];乙醇体积分数33%、30 min且处理2次的峰值波长相比其他处理而言波数降低得最多,因而氢键作用最强,其凝胶强度与黏度最好,这与前述不同纯化处理对KGM的凝胶强度和黏度影响的研究结果一致。

2.5 XRD分析

不同纯化处理KGM的X-射线衍射图谱如图5所示,当2θ处于5~30°时,KGM均呈现出较为明显的弥散峰,且未出现明显的结晶峰,但在20°左右均有一个较大的无定形态非结晶峰。在改变乙醇浓度的情况下,2θ≈20°衍射峰高度几乎没有变化;在乙醇体积分数为27%~33%时,随着浓度的增加,KGM衍射峰强度随之加强;而当乙醇体积分数从33%升至39%时,其衍射峰强度又随之减弱。上述KGM分子链的衍射峰先提高再下降的变化,进一步说明33%(体积分数)的乙醇浓度可促进KGM分子内聚收缩,增强KGM分子之间氢键相互作用,进而诱导局部形成有序的短程结构[24]。同理,30 min的洗脱时间可促进KGM分子发生聚集而致使局部有序结构增加。在改变洗脱次数的情况下,2θ≈20°的衍射峰高度发生了较为明显的改变,随着洗脱次数的增强,弥散峰强度增强,相对结晶度增强,氢键作用力增强,局部有序结构增加,与前述红外结果一致。

a-乙醇浓度不同;b-洗脱时间不同;c-洗脱次数不同

图5 不同纯化处理的KGM X-射线衍射图谱
Fig.5 X-ray diffraction of KGM with different purification treatments

2.6 粒径分析

对照组和不同纯化处理后的KGM粒径如图6所示,KGM粒径主要分布在70~700 μm,且存在较大粒径的颗粒。经过乙醇处理后的KGM粒径分布与对照组差异不大,这与酶降解魔芋葡甘聚糖的研究结论一致[25]。乙醇体积分数从27%升至39%时,粒径参数Dx(10)、Dx(50)、Dx(90)、D[4,3]呈现出先降低再增加趋势,乙醇浓度对KGM的粒径影响显著。由表1可以看出,33%(体积分数)乙醇使KGM适度的膨胀,杂质溶出,粒径变小;而在乙醇浓度较低时,KGM膨胀过大,粒径偏大;乙醇浓度较高时,KGM膨胀较小,但水溶性杂质溶解较少或者KGM分子呈现较卷缩态,杂质未洗出,粒径仍较大,与前文研究结果一致。洗脱时间为30 min时,KGM充分洗出杂质,粒径减小;洗脱时间短时,因杂质未完全洗出,KGM略吸水后分子粒径较大;洗脱时间长时,虽KGM表面部分略降解,但分子粒径仍稍有增大,可能是随着时间的延长,KGM与水分子充分接触,KGM膨胀的体积增加较多导致的[14]。洗脱次数对KGM粒径的影响也较大,洗脱次数增加,KGM粒径增加,这可能是因为洗脱次数增加,KGM分子表面杂质充分洗脱,KGM分子略膨胀,粒径增加,这与前文凝胶强度和黏度结果一致。总之,在低浓度乙醇中KGM分子会发生适度微膨胀,使其表面杂质暴露洗落出来,进而改变粒径大小。

表1 不同纯化处理的KGM粒径参数 单位:μm

Table 1 Particle size parameters of KGM with different purification treatments

样品Dx(10)Dx(50)Dx(90)D[4,3]对照163.0±0.7c259.8±1.3c395.0±1.7c270.4±0.9c27%-30 min-1次163.4±0.5c259.0±1.2c393.6±2.1c269.8±0.8c33%-30 min-1次150.8±0.4e239.8±1.1e366.2±2.9e250.0±1.4e39%-30 min-1次161.8±1.9d254.2±4.2d383.2±8.2d264.0±4.9d33%-10 min-1次166.6±0.5b266.2±2.0b405.0±4.3b277.0±2.3b33%-50 min-1次167.6±0.5b256.6±2.4b401.4±5.3b276.0±2.1b33%-30 min-2次163.2±1.1c254.0±3.1d380.6±6.4d263.2±3.5d33%-30 min-3次173.6±0.5a276.2±1.6a419.4±3.3a287.2±1.6a

a-乙醇浓度不同;b-洗脱时间不同;c-洗脱次数不同

图6 不同纯化处理的KGM 粒径分布图
Fig.6 Particle size distribution diagram of KGM with different purification treatments

2.7 SEM分析

由图7可以看出,对照组KGM颗粒表面杂质颗粒较大、较明显、呈圆形、没有明显的褶皱,与王瑶等[9]KGM优化制备研究结果一致。杂质如灰分、蛋白质、淀粉等,留在表面或嵌入粗制KGM颗粒内,通过不同浓度的乙醇洗脱,可将粗制KGM的表面和内部的微细杂质去除,使纯化后KGM颗粒的表面和内部形成了较高的粗糙度和规则褶皱结构[6]。乙醇体积分数为27%~33%时,随着乙醇浓度的升高,纯化KGM的效果越明显,表面杂质越少,形成的褶皱越多且规则,这可能是因为较低乙醇体积分数能促使KGM部分膨胀并有效浸出其表层附着的小分子杂质,形成局部塌陷[24];而当乙醇体积分数从33%升至39%时,形成的褶皱呈不规则形状,且存在的淀粉杂质较多;因此乙醇体积分数为33%时,KGM显微效果最佳。经过一定时间低浓度乙醇洗脱后,KGM的表面和内部的杂质去除,粗糙度和规则褶皱结构增加,KGM理化特性增强;综合比较洗脱时间为30 min时,KGM显微效果较好。同理,随着洗脱次数的增加,KGM颗粒表面的层状和规则褶皱越来越多,形状多异,含有的淀粉等杂质越来越少,KGM的凝胶强度和黏度得以提高;综合分析洗脱2次显微效果优。

a-对照;b-27%乙醇;c-33%乙醇;d-39%乙醇;e-对照; f-10 min;g-30 min;h-50 min;i-对照;j-1次;k-2次;l-3次

图7 不同纯化处理的KGM微观结构(×1 000)
Fig.7 Microstructure of KGM with different purification treatments(×1 000)

3 结论

使用低浓度乙醇对粗制魔芋葡甘聚糖进行纯化,可有效改善粗制魔芋葡甘聚糖的理化特性,如KGM的凝胶强度、表观黏度等均得到显著改善。由红外光谱、X-射线衍射、扫描电镜等结构分析可知,低浓度乙醇处理对KGM的重复结构单元和功能基团并不会造成影响,主要是通过增强氢键作用力、增加衍射峰强度、去除表面的杂质等来改变KGM的凝胶强度和黏度。使用低浓度乙醇纯化KGM能获得溶剂用量小、成本低的生产方式;且通过不同的低浓度乙醇纯化工艺,可制得不同性能的KGM,从而应用于不同生产。如凝胶性能良好的KGM适合于生产魔芋豆腐等凝胶性能良好的产品,高黏度的KGM适合于生产冰淇淋等黏性和增稠性良好的产品。后续还可以通过拉曼光谱、低场核磁共振等先进手段进一步研究低浓度乙醇纯化KGM的结构变化,从而能够更加深入地解析低浓度乙醇纯化魔芋葡甘聚糖的机制,扩大其在新型魔芋食品开发的应用范围。

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Effects of low-concentration ethanol on physicochemical properties and structure of konjac glucomannan

HU Yan1,2, LI Yue1,2, WU Yuping1,2, WU Chunhua3, ZHANG Fusheng1*

1(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China) 2(National Demonstration Center for Experimental Food Science and Technology Education (Southwest University), Chongqing 400715, China) 3(College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

ABSTRACT To expand the application of konjac glucomannan (KGM) in the food industry, this study investigated the properties and structural changes of KGM under low-concentration ethanol.The changes in gel strength, viscosity, and structure of crude konjac glucomannan purified using low-concentration ethanol were investigated.The findings indicated that the gel strength and viscosity exhibited an initial increase followed by a subsequent decrease in response to the increase in ethanol concentration and elution time.Moreover, the gel strength and viscosity exhibited an upward trend as the elution times increased.The gel strength and viscosity of crude konjac glucomannan were significantly enhanced by 28.6% and 34.7%, respectively, after being purified using 33% (volume fraction)ethanol concentration for 30 min and elution twice.The structural characterization indicated that the intermolecular hydrogen bond force was enhanced after the crude konjac glucomannan was treated with low-concentration ethanol.With the increase of relative crystallinity, ordered short-range structures could be induced locally.The mean particle size bravely changed, and the size was about 270.4 μm. Additionally, the impurities on the surface of KGM were reduced, appearing regular layered and fold distribution.As a result, KGM that is suitable for various processing requirements can be prepared by regulating purification conditions of low-concentration ethanol.

Key words konjac glucomannan; purification; gel strength; viscosity; structure

DOI:10.13995/j.cnki.11-1802/ts.036368

引用格式:胡艳,李悦,吴玉萍,等.低浓度乙醇对魔芋葡甘聚糖理化特性及其结构影响的研究[J].食品与发酵工业,2024,50(14):233-239.HU Yan,LI Yue,WU Yuping, et al.Effects of low-concentration ethanol on physicochemical properties and structure of konjac glucomannan[J].Food and Fermentation Industries,2024,50(14):233-239.

第一作者:本科生(张甫生副教授为通信作者,E-mail:zfsswu@163.com)

基金项目:西南大学大学生创新创业训练计划项目(S202310635297);重庆市自然科学基金(cstc2018jcyjAX0002)

收稿日期:2023-06-05,改回日期:2023-08-07