魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是继淀粉和纤维素后，又一可再生的天然高分子多糖，具有水溶、持水增稠、胶凝、成膜及生物可降解等多种特性[1-4]，可用于开发各类食品相关产品[5-6]，如果冻、软糖、仿生食品等，市场前景广阔。在众多优良特性中，胶凝性最为显著，乙酰基作为KGM分子链上的特征基团，在碱性条件下加热后，会发生脱乙酰化反应，形成热不可逆凝胶[5]，该热不可逆凝胶在食品领域用途广泛[7]。但KGM凝胶在形成阶段易表现出凝胶析水多、不易赋色、机械性能较弱等一系列弊端[4，8]，在一定程度上制约了其在食品领域的多元化发展与应用。现阶段，将KGM与不同物质进行复配，使凝胶体系的性能得到提升是当前食品领域研究的一个热点，如α-纤维素与KGM复配后，凝胶的热稳定性和凝胶强度显著提高。刺云实胶与KGM复配后，凝胶黏度适中，综合性能优异，稳定性好。
合成色素通过化学方式获取，具有产量高、着色力强，价格低廉等优点[9]。但是研究发现，合成色素中往往含有一定量的氯、汞、铅、砷等成分，其具有毒性，长期或过量食用会对人体造成一定的危害，如致畸、致癌等[9]。较之合成色素，于植物中提取的天然色素毒副作用小、性质稳定且较为安全，不存在致癌因素，且兼具优异的生物相容性，具有极高的应用价值[10]。甘蓝提取物富含花青素，其作为一种天然色素，除安全性高，色泽鲜艳自然外，还可以赋予食物良好色泽并改善感官体验[11]。花青素除了具有着色剂的特性外，还具有一定的保健功效，如增强血管弹性、软化血管、提高视力、抗癌、抗氧化等[12]。近年来，基于天然色素与多糖共混体系的研究较热，因此拓展天然色素在凝胶食品中的应用以及研究天然色素对凝胶性能的影响具有重要意义。故本文选择天然甘蓝提取物（red cabbage extract，RCE）与KGM作为研究对象，通过向KGM中添加不同浓度的RCE，研究复合体系的流变特性及结构，旨在为KGM与RCE复配体系的应用及品质控制提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
魔芋葡甘聚糖（食品级，纯度≥95%，分子量为760 kDa～800 kDa，黏度为 38 000 Pa·s）：云南昭通三艾有机魔芋发展有限责任公司；天然甘蓝提取物：福建农林大学食品科学基础实验室。
1.2 仪器与设备
DV Ⅲ+型MCR301流变仪：奥地利Anton Paar有限公司；AVATAR360型傅里叶变换红外光谱仪：美国Nicolet尼高力公司；HH-1型数显恒温水浴锅：国华电器有限公司；JB200-S型数字显示转速电动搅拌机：上海标本模型厂；TDL-50型电子分析天平：万丰仪器制造有限公司；JSM-7500F型扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）：日本电子株式会社。
1.3 方法
1.3.1 KGM/甘蓝提取物凝胶制备
准确称取5份质量为1 g的KGM粉末，室温条件下，将其放入盛有99 g去离子水的烧杯中。而后将烧杯置于恒温水浴锅中，通过机械搅拌加速粉末的分散，使其在水中混合均匀，搅拌装置条件设置为温度60℃、转速360 r/min、时间2 h，制得均匀混合溶胶备用。
准确称取质量为 0、30、60、90 mg 和 120 mg 的甘蓝提取物，用5 mL去离子水依次溶解并振荡。将其分别加入到上述制备所得的1%KGM溶胶中，在60℃的恒温水浴锅中，采用机械搅拌器以360 r/min的转速搅拌30 min，形成均匀的溶胶。冷却至室温，以60 W的超声功率超声5 min，备用。将KGM/RCE复合溶胶样品依次编号为 KR0、KR30、KR60、KR90 及 KR120。
1.3.2 流变特性测试
测试过程选用DV Ⅲ+型MCR301流变仪进行流变特性测试，探头型号为PP50，平行板直径50 mm，平行板间距1 mm。
1.3.2.1 剪切速率-黏度扫描
在0.01 s-1～600 s-1的剪切速率范围内，依次测量25、35、45、55℃时不同 RCE 添加量的 KGM/RCE 复合凝胶体系的剪切黏度与剪切速率之间的关系。对各复合凝胶体系的流变特性进行Cross I模型拟合，计算公式如下。
式中：η 为表观黏度，Pa·s；η0为零剪切黏度，Pa·s；η∞ 为无穷剪切黏度，Pa·s；γ 为剪切速率，s-1；λc为弛豫时间，s；n为流体指数。
1.3.2.2 振幅-黏弹性扫描
在（25±1）℃，频率为 1 Hz的条件下，测得 KGM/RCE复合凝胶在0.1%～100%的振幅范围内，储能模量G′和损耗模量G″随应变的变化情况并确定线性黏弹区。
1.3.2.3 角频率-黏弹性扫描
（25±1）℃条件下，在 0.1 rad/s～100 rad/s的角频率范围内进行扫描，测得各KGM/RCE复合凝胶体系的G′和G″随频率变化的曲线。1.3.2.4 时间-黏弹性扫描
在25℃～85℃范围内，测定各KGM/RCE复合凝胶的G′和G″随温度的变化情况，并进一步确定凝胶向溶胶转化的临界温度。
1.3.3 傅里叶变换红外光谱分析
将KGM/RCE复合凝胶冷冻干燥48h后，取约1mg冻干样品，将其剪碎，并与KBr粉末按1∶100的质量比混合，在玛瑙研钵中充分研细并压片，得到透明状或均匀半透明的薄片。置于傅里叶变换红外光谱仪中，在4 000 cm-1～400 cm-1波长范围内进行扫描。
1.3.4 扫描电镜分析
取少量制备的KGM/RCE凝胶冻干样品，喷洒金粉，静置20 min后，放大倍数500、20 kV的最大加速电压条件下进行电镜扫描，观察样品表面的微观结构。
1.4 数据分析
每组试验均重复进行3次，采用Origin9.1、SPSS 22.0对各试验数据进行处理与分析。
2 结果与分析
2.1 流变特性分析
2.1.1 剪切速率-黏度扫描
采用Cross I模型对各KGM/RCE复合凝胶的流动曲线进行拟合，拟合后的流变特性参数如表1所示。
从表1数据可知，Cross I模型方程拟合后的R2均大于0.99，表明该模型拟合良好，较为准确。各复配体系的流体指数n均小于1[14]，n表明测定的流体为假塑性非牛顿流体。Hosseini-Parvar等[15]研究表明，假塑性流体不仅能够让液体食品的被吸收过程更加快捷轻松，还可以带来较好的口感。复配体系的弛豫时间随着RCE的增加而缩短，弛豫时间越长表明剪切稀化现象越明显[16]。零剪切黏度反映体系屈服应力的程度，与分子间作用力及分子内作用力息息相关[17]。纯KGM零剪切黏度最大，达到83.903 Pa·s，但随着RCE添加量的增加，零剪切黏度不断下降，说明体系的分子内作用力增强，分子之间相互缠结减少，分子间作用力减弱，导致黏度降低，体系凝胶强度减弱[4]。
纯KGM与KGM/RCE复合凝胶的剪切速率-黏度扫描如图1所示。
图1 KGM与KGM/RCE复合凝胶的黏度-剪切速率关系曲线
Fig.1 The viscosity-shear rate curves of KGM and KGM/RCE composite gels
由图1a～图1d可知，随着剪切速率的增加，各KGM/ERC复合体系的黏度出现下降，出现了剪切稀化现象，是典型的假塑性流体特征[4]。剪切稀释行为是一种导向作用的结果，随着剪切速率的不断增加，剪切力增大，对KGM与RCE分子链间的相互作用破坏加重，使其分子间相互作用力被削弱，复配体系内的自由大分子链从杂乱无序的自由流动态转变为沿剪切方向且流向一致的流动态，这使得分子链间的间隙增大，氢键等相互作用力弱化，最终导致复合凝胶的黏度下降，出现“剪切稀化”的现象[4]。随着RCE添加量的增加，体系黏度逐渐降低，这可能是因为随着RCE添加量的增加，花青素的增塑作用增强，使得KGM分子链间缠绕减弱，凝胶分子间的交联程度下降，导致黏度减小[4，8]。随着剪切速率的逐步上升，各复配体系的表观黏度明显降低，且体系之间存在的黏度差异化减弱，差距缩小直至重合，这可能由于不同浓度的复合凝胶体系中所形成的氢键在高剪切力条件下发生断裂，导致其对复合体系黏度的增强作用被弱化，使得各体系间黏度差异性降低直至趋于一致[17]。
由图1e知，在剪切速率为0.1 s-1～10 s-1时，体系黏度随着温度的升高而下降，这是因为温度升高致使分子内能增加，热运动加剧[8]，分子相互之间的作用力不足以限制其运动，因而分子间间距增大，分子间的吸引力减小，分子摆脱氢键的束缚，从而呈现出黏度下降的趋势。在低剪切速率范围内，随着温度的升高，体系黏度的下降速率依次减缓，表明温度对KR60体系黏度的影响逐渐减弱。
2.1.2 振幅-黏弹性扫描
振幅-黏弹性扫描曲线用以确定溶胶体系在相应振幅下的G′和G″，进而确定体系的线性黏弹区，纯KGM与KGM/RCE复配溶胶的振幅-黏弹性关系曲线如图2所示。
图2 纯KGM与KGM/RCE复配溶胶的振幅-黏弹性关系曲线
Fig.2 The strain-viscoelasticity curves of KGM and KGM/RCE composite gels
G′和G″是表征凝胶流变性能的两个重要指标。G′衡量体系弹性大小，代表存储在复合体系内的能量；G″为损耗模量，衡量体系的黏性大小，代表复合体系耗散变形的能量[17]。
线性黏弹性区为G′和G″恒定不变时所对应的应变区域，如图2所示，纯KGM与KGM/RCE复配溶胶的G′和G″在0.1%～20%的应变范围内，一直保持稳定不变，为体系的线性黏弹区[15]。在该区域内，溶胶体系的G′均大于G″，说明此时体系的弹性占主导地位，表现出“类固体”的行为[16]。当应变值大于20%后，G′开始下降，说明KGM/RCE水凝胶的结构在应变为20%处开始被破坏，同时表明，在一定的应力范围内，凝胶结构具有保持其完整性、抵抗应变的能力[8]，G′值下降临界点对应的应变值即为复配溶胶结构破坏前能够承受的最大应力。
由图2可知，KGM/RCE复配溶胶体系随着RCE添加量的增加，体系的G′与G″均降低，说明体系的弹性和黏性随着RCE浓度的增加而降低，这可能是因为甘蓝提取物添加量增多，花青素的增塑作用加强，抑制KGM分子链交联，从而降低了复合凝胶体系的弹性和黏性，以及体系的稳定性。
2.1.3 角频率-黏弹性扫描
在25℃下，纯KGM与KGM/RCE复合凝胶的G′和G″，随角频率变化的曲线如图3所示。
图3 纯KGM与KGM/RCE复合凝胶的频率-黏弹性关系曲线
Fig.3 The frequency-viscoelasticity curves of KGM and KGM/RCE composite gels
由图3可知，各KGM/RCE复合凝胶的频率扫描图中的G′与G″均随角频率的提高而逐渐上升。在较低频率下，各曲线均表现出G′＜G″的现象，此时复配体系表现出黏性凝胶流体[17]。当角频率在较高范围内，各曲线G′＞G″，说明此时复合凝胶体系的弹性远高于黏性，体系表现出弹性特征[8]。在角频率的增加过程中，各KGM/RCE 复配体系由黏性流体（G′＜G″）转为弹性流体（G′＞G″），同时出现由溶胶变为凝胶的转变点[17-18]。KGM/RCE复合凝胶与纯KGM相比，转化温度较高，这说明，RCE添加后破坏了凝胶体系中氢键。但RCE添加后，随添加量的增加，相交点逐步向低频方向偏移，溶胶体系表现出弹性特征，这说明RCE的添加对分子间氢键的破坏作用逐步弱化，KGM分子链在移动过程中所受阻力增加，松弛时间延长[4]，从而呈现出G′与G″的交点沿低频方向偏移的现象。
2.1.4 时间-黏弹性扫描
纯KGM与KGM/RCE复合凝胶体系在25℃～90℃测量温度范围内G′和G″的变化情况如图4所示。
图4 KGM与KGM/RCE复合凝胶的温度-黏弹性关系曲线
Fig.4 The temperature-viscoelasticity curves of KGM and KGM/RCE composite gels
由图4a～图4e可知，25℃时，纯KGM凝胶的G′高于KGM/RCE复合凝胶，这表明RCE能够阻碍凝胶体系中分子的缠绕。且KGM/RCE复配体系G′与G″均随温度的升高逐渐降低，说明升温加剧了水分子的热运动[3]，破坏了复配体系网络结构的氢键，致使体系分子交联程度降低，凝胶性质下降。在整个测试温度内，随着温度的升高，各复配体系的G′与G″均出现交叉点，这表明在交叉点左侧，温度较低，G′＞G″，体系表现出弹性特征，随着温度的升高，复配体系的弹性成分减少，升高至交叉点温度时，体系开始由凝胶向溶胶转化。KGM/RCE复配体系与纯KGM相比，交叉点所对应的温度更低，即KGM/RCE体系更易在较低温度下转化为溶胶，这表明KGM和RCE之间存在物理键，物理键作用力对温度敏感[19]，当温度相对升高，物理交联更易被破坏。温度扫描试验再次证明KGM/RCE复配体系存在氢键相互作用，且RCE对复配体系的凝胶性能存在消极作用。
2.2 傅里叶变换红外光谱分析
对经过冷冻与干燥处理的各KGM/RCE复合凝胶的红外光谱图进行分析，以确定各凝胶分子的结构特征以及分子作用力情况[20]，结果如图5所示。
图5 纯KGM与KGM/RCE复合凝胶的傅里叶变换红外光谱图
Fig.5 FTIR spectra of KGM and KGM/RCE composite gels
由图5可知，纯KGM曲线在1731、3414cm-1处均出现吸收峰，该峰分别由C=O与O-H伸缩振动引起，是KGM的主要特征峰[4]，这说明KGM中存在大量羟基和乙酰基等特征基团。在1 064 cm-1处的吸收峰属于KGM中C-O单键的不对称伸缩振动，在2 888 cm-1处的特征峰属于KGM中C-H的伸缩振动[15]。添加RCE后，O-H特征峰有所偏移，表明RCE与KGM之间形成了分子间氢键，两者间发生了物理交联[19]。KGM/RCE复合凝胶的傅里叶红外光谱图与纯KGM相比，整体趋势相似且没有新峰出现，说明RCE与KGM之间未发生化学作用，没有化学键的形成，仅为物理交联。
2.3 扫描电镜分析
将纯KGM与KGM/RCE复合凝胶进行冻干处理，得到冻干样品，其扫描电镜图如图6所示。
图6 KGM与KGM/RCE凝胶冻干样品的SEM图
Fig.6 SEM images of KGM and KGM/RCE composite gels
由图6可知，纯KGM凝胶、KR60复合凝胶、KR120内部形貌有着明显差异。纯KGM凝胶的微观结构总体上呈现出松散多孔状，大量孔径各异的孔隙以纤维丝状物相连，在施加外力的条件下易出现变形[4]。当RCE添加量逐步增加并达到120 mg时，KR120复合凝胶的网状孔隙被填充，网状结构消失，形成表面褶皱的堆积块状结构。这可能是因为RCE添加量过多，未与KGM形成交联结构的RCE以团状的形式大量堆积并填充网孔，阻碍KGM凝胶网络结构的形成。
3 结论
本文通过物理方法将KGM和RCE共混制成复合凝胶，采用傅里叶变换红外光谱扫描、扫描电镜等方法对不同浓度的KGM/RCE复合凝胶的流变行为做出了探讨与论述。基于以上结果可知，KGM/RCE复合凝胶属于假塑性流体；RCE加入后，复合凝胶的黏性与应力值与纯KGM相比出现不同程度的下降，说明RCE不利于分子凝胶网络结构的形成，主要是因为随着RCE添加量的增加，花青素的增塑作用加强，抑制KGM分子链交联，从而降低了复合凝胶的稳定性；对傅里叶红外光谱图分析可知，KGM与RCE之间存在氢键等相对较弱的分子间作用力；添加一定量的RCE后，复合凝胶的微观结构呈破碎状，凝胶体系微观结构的稳定性下降。RCE与KGM复合凝胶可为食品工业、生物医药等行业的应用与发展提供参考。
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