刘 贺，刘昊东，郭晓飞，朱丹实
大豆皮低酯-高酯复合果胶凝胶的持水能力及力学、光学特性
刘 贺，刘昊东，郭晓飞，朱丹实
(渤海大学生物与食品科学学院，辽宁 锦州 121000)
研究蔗糖质量分数及大豆皮低酯与高酯果胶复配比例对复合凝胶体系的持水能力及力学、光学特性的影响。结果表明：蔗糖质量分数对复合凝胶的持水性、力学特性及光学特性均有较大影响，蔗糖质量分数越大，其持水性越高，破坏应力越大，凝胶的弹性和透明度均有提高。低酯与高酯果胶的配比同样对上述性质有较大影响，二者合适的配比可以诱导两种果胶分子之间的协同作用，使产品具有更好的持水能力和力学性质。
大豆皮果胶；复合凝胶；持水能力；力学特性；光学特性
在食品行业中，果胶因其具有凝胶特性主要作为稳定剂和质构改良剂。利用果胶的胶凝性质可以赋予乳制品良好的稳定性，为糖果加工业提供新原料，果胶是制备优质果酱的关键配料。果胶分子是由D-半乳糖醛酸经α-(1→4)糖苷键相连聚合而成，有些半乳糖醛酸C6上的羧基被甲酯化，在半乳糖醛酸C2或C3的位置上常带有乙酰基或其他中性糖支链，如L-鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等[1]。果胶因其分子所含甲氧基数量的多少而分为低酯果胶和高酯果胶。对于高酯果胶来说，凝胶网络的形成主要依靠甲酯基之间的氢键以及疏水相互作用引起的主链之间的交联，要求蔗糖的质量体积分数不低于60%，体系的pH值为3.5以下[2]。出于健康的考虑，目前市场上低糖食品的需求逐渐增多，因此高酯果胶的应用有一定限制[3]，而低酯果胶凝胶形成主要通过自由羧基与钙离子进行桥联而形成缔合区[4]，没有蔗糖添加量方面的苛刻要求。因此有学者考察低酯和高酯果胶复合使用以开发新的凝胶产品，Lofgren等[3]研究了高酯与低酯果胶复合凝胶的流变学性质，以期获得低糖果胶凝胶且具有高酯果胶凝胶的流变学特性，但凝胶宏观的力学性质及凝胶的持水能力则未进行探讨。凝胶网络结构内部束缚了大量的水分子，凝胶保持水分子的能力是其重要的一个特性[5-6]，持水能力影响产品的质构特性和产品的加工损失[7]。
目前国内关于果胶提取方面的研究很多，提取原料包括香蕉皮[8-9]、南瓜[10]和菠萝蜜果皮[11]，但大豆皮果胶提取方面的研究国内外均较少[12-15]，而对其凝胶特性方面的研究则尚未见相关报道。本实验利用实验室制备的大豆皮果胶研究蔗糖质量分数对低酯果胶/高酯果胶混合凝胶的持水能力及力学和光学特性的影响，从而为工业化应用大豆皮果胶生产低糖产品用凝胶提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
大豆皮果胶为实验室制备，产品符合我国轻工行业标准QB 2484—2000《食品添加剂 果胶》。制备方法：将大豆皮粉碎后过60目筛，然后按料液质量比为1:35添加溶剂水，调节体系pH值为5.50，温度50℃，加复合纤维素酶进行预处理，然后调节体系pH值为2.50，迅速升温至95℃，提取时间为2h，提取后进行抽滤并离心以除去大豆皮渣，取滤液，减压浓缩后进行乙醇沉淀，真空干燥后得高酯果胶(HMP)，酯化度为60%。低酯大豆皮果胶的获得是通过果胶甲酯酶脱除高酯果胶的甲氧基，具体酶解条件为pH3.50、温度45℃、酶解30min，获得酯化度为37.2%的低酯果胶(LMP)。
Celluclast 1.5L复合纤维素酶(10000U/g) 诺维信公司；果胶甲酯酶(5000U/g) 帝斯曼公司；CaCl2、蔗糖(均为分析纯) 上海医药集团总公司。
1.2 仪器与设备
JJ-1型电动搅拌器、85-2型数显恒温磁力搅拌器 金坛荣华仪器制造有限公司；LFRA 1000物性分析仪 美国Brookfield公司；80-2B型低速离心机 上海安亭科学仪器厂；721可见光分光光度计 上海精密仪器仪表有限公司。
1.3 方法
1.3.1 凝胶的制备
低酯和高酯果胶分别用pH3.5的0.1mol/L柠檬酸缓冲液配制成质量浓度为4g/100mL的果胶贮备液。然后按一定质量配比(0:100、10:90、20:80、30:70、40:60、50:50、60:40、70:30、80:20、90:10、100:0)配制成质量浓度为1.2g/100mL的混合胶体溶液，在95℃条件下滴加含CaCl2的柠檬酸缓冲液(pH3.5)，使体系CaCl2终质量浓度为0.1g/100mL，进行磁力搅拌1min，加入蔗糖使其质量分数分别达到30%、45%、60%，继续加热搅拌以使蔗糖充分溶解形成均匀的溶液。最后将蒸发掉的水分用95℃的去离子水进行补充。然后将胶体溶液倒入长为21cm、直径为21mm的圆柱形不锈钢材料制成的模具内室温放置24h待测。
1.3.2 持水性测定
将制备的凝胶体系1mL左右加入到1.5mL塑料离心管中，待其凝胶后，于4000r/min离心30min，吸去上层水，测量质量差，计算持水能力[4,16]，持水能力(WHC)计算公式如式(1)。
式中：m0为空离心管质量；m1为离心前装有凝胶的离心管质量；m2为吸去水分后离心管质量。重复测定5次。
1.3.3 力学特性检测
将凝胶从模具中取出并切成21mm长的小圆柱体。然后置于直径为50mm的铝制探头下用LFRA 1000进行压缩测试，测试速度为1mm/s，压缩距离为20mm，获得力学曲线，重复测定5次。从力学曲线中可以读取凝胶破裂时所受力及压缩距离，然后根据如下各式计算破坏应变(failure strain)、破坏应力(failure stress)。
1.3.4 凝胶的光学分析
将每个制备的凝胶体系注入3个4.5mL 1cm×1cm的聚苯乙烯比色皿中，室温静置24h后在波长490nm处测定吸光度[17]，取平均值。
2 结果与分析
2.1 凝胶的持水能力(WHC)分析
图1 不同蔗糖质量分数及LMP与HMP值对复合凝胶持水能力的影响Fig.1 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the water-holding capacity of the complex pectin gel studied at different sugar contents
高酯果胶单独胶体溶液在低的蔗糖质量分数情况下未形成凝胶。图1所示为单独高酯果胶在蔗糖质量分数为60%、低酯/高酯复合凝胶以及单独的低酯果胶在不同蔗糖质量分数条件下的持水能力曲线。在离心力的作用下，高酯果胶凝胶表现出较强的持水能力，离心后凝胶表面未见有水析出，说明氢键及疏水相互作用构成的网状结构限制水分子迁移的能力是极强的。而其他凝胶体系在离心力的作用下则不同程度地失去部分水分。在相同的低酯与高酯果胶配比的情况下，蔗糖质量分数对凝胶WHC影响显着，其值越大，则相应的WHC值越高，此规律同样适用于单独的低酯果胶凝胶，蔗糖质量分数由30%增加至60%，其WHC值从低于84%增加至近95%，其原因一方面可能是蔗糖的多羟基结构对水产生了较好的吸附力，另外，在蔗糖的存在情况下，果胶分子之间形成更多的氢键[18]，从而增强凝胶的持水能力。在相同的蔗糖质量分数的情况下，LMP与HMP的配比对凝胶体系的持水能力同样有较大影响。随着体系中LMP量的增加，凝胶的WHC值先下降后上升至最大值后又有下降的趋势，当LMP所占比例从10%升高至40%时，WHC值下降近5～8个百分点，原因在于，LMP的量未达到胶凝临界点，与钙离子的结合位点较少，而此时HMP的量较低也未能较好形成较稳定的凝胶，因此对水分子的束缚能力较弱。随着LMP比例的进一步提高，一方面LMP与钙离子的桥联位点增多，形成更多的缔合区，另一方面LMP与HMP之间产生协同作用[3]，形成更多的氢键，进而提高体系的持水能力，但研究表明，此协同作用与二者的比例关系甚大，其依据是当LMP的比例高于60%时，持水能力又下降，可能原因是形成的凝胶网状结构较松散所造成的[2]。综合来看，蔗糖分子的存在可以增强凝胶的持水能力，当LMP:HMP为60:40时，凝胶体系的持水能力达到95%以上，在此配比条件下，当蔗糖质量分数为60%时，凝胶体系在离心力的作用下，未见有水析出，表现出极强的持水能力。
2.2 凝胶的力学特性
图2 不同蔗糖质量分数及LMP与HMP质量配比对复合凝胶破坏应力的影响Fig.2 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the failure stress of the complex pectin gel studied at different sugar contents
食品的质构特性对消费者的感官接受性有较大影响，因此本研究探讨蔗糖质量分数和不同LMP和HMP配比对所形成凝胶力学性质的影响，主要考察了两个力学指标：破坏应力和破坏应变，其中凝胶的破坏应力表征体系的强度，破坏应变表征凝胶的弹性。从图2可以看出，在不同的胶体配比体系中，蔗糖对其破坏应力的影响是不同的，当LMP低于40%或高于80%时，蔗糖质量分数对凝胶的强度影响不大；当LMP比例在50%～70%时，即使蔗糖质量分数为30%，其破坏应力也高于HMP单独凝胶；而当LMP比例为60%，蔗糖质量分数达到60%时，体系的破坏应力值为HMP单独凝胶近7倍。再一次表明LMP与HMP之间存在较强的协同作用[19]，蔗糖分子对二者协同作用具有重要影响。
图3 不同蔗糖质量分数及LMP与HMP质量配比对复合凝胶破坏应变的影响Fig.3 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the failure strain of the complex pectin gel studied at different sugar contents
从凝胶的破坏应变来看，破坏应变越大，说明凝胶的弹性越好。从图3可知，弹性较好的凝胶为HMP单独凝胶，破坏应变值接近0.85，而LMP单独凝胶的破坏应变值相对而言较低，表现出的是较强的脆性，HMP的加入提高了凝胶的弹性，其分子链包裹了LMP与钙离子形成的网状结构，使凝胶结构不容易被破坏[3]。蔗糖质量分数的增加，同样提高了凝胶的弹性，可能是由于蔗糖分子降低了水分子的流动性，有利于—CH3之间相互作用而产生更强的疏水网状结构[17]。
图4 不同蔗糖质量分数及LMP与HMP质量配比对复合凝胶吸光度的影响Fig.4 Effect of the ratio between low-meathoxyl and high-methoxyl pectins on the absorbance at 490 nm of the complex pectin gel studied at different sugar contents
2.3 凝胶的光学特性从凝胶体系在食品行业中的应用来看，其澄清度是非常重要的一个指标。从图4可知，凝胶体系中蔗糖质量分数的增加可明显降低凝胶的吸光度，提高凝胶的澄清度。而研究表明，蔗糖本身不会对溶液的吸光度有太大影响[17]，蔗糖降低吸光度的原因可能是由于蔗糖分子与胶体分子相互作用降低了胶体体系的光对比度从而降低了体系的折光系数。凝胶体系内部存在的缔合区由于具有较高密度及折光系数从而使吸光度增加，缔合区类似于一个个的粒子分散在凝胶体系的内部，大的缔合区导致凝胶更混浊，而大的缔合区也促使凝胶体系的强度更大。当LMP比例为50%～60%时，凝胶体系吸光度较高，澄清度较差，而由前文可知，此时的凝胶体系强度较好，进一步验证了LMP和HMP之间存在明显的协同作用而形成了更大的缔合区，使凝胶网状结构更紧密，持水性和凝胶的强度均增加。
3 结 论
3.1 大豆皮低酯果胶与高酯果胶的协同作用赋予复合凝胶体系较好的凝胶强度和持水能力，将体系的蔗糖质量分数由60%降低至30%，可获得单独高酯果胶在高糖存在情况下的力学特性和持水能力，但凝胶的透明度有所下降，这个缺陷并不会对其在低糖果酱类产品中的应用造成太大影响。
3.2 结合复合凝胶体系及单独大豆皮低酯和高酯果胶的凝胶的结合水分子的能力、力学特性及光学特性来看，研究表明低酯果胶与高酯果胶分子在共存的情况下会发生显着的协同作用，凝胶的微观结构有待于进一步通过扫描电镜或激光共聚焦扫描电镜考察。
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Water-holding Capacity and Mechanical and Optical Characteristics of Soy Hull Low and High Methoxyl Pectin Complex Gel
LIU He，LIU Hao-dong，GUO Xiao-fei，ZHU Dan-shi
(College of Biology and Food Science, Bohai University, Jinzhou 121000, China)
The effects of sucrose content and the ratio of soy hull low to high methooxyl pectins on the water-holding capacity and mechanical and optical characteristics of soy hull low and high methooxyl pectin complex gel were examined in this work. Sucrose content had large effects on all the water-holding capacity and mechanical and optical characteristics of the complex gel and increasing sucrose content resulted in higher water-holding capacity, failure stress, elasticity and clarity. The ratio of soy hull low to high methooxyl pectins also had obvious effects on the above properties, and an appropriate ratio could induce the synergistic effect between molecules of the two pectins and the resultant product had better water-holding capacity and mechanical properties.
soy hull pectin；complex gel；water-holding capacity (WHC)；mechanical characteristics；optical characteristics
TS214.9；TS201.2
A
1002-6630(2010)19-0111-04
2010-01-19
辽宁省教育厅高校重点实验室项目(2009S001)
刘贺(1979—)，男，副教授，博士，研究方向为多糖结构与功能及其修饰。E-mail：cranelau2049@yahoo.com.cn
