不同食品加工条件对卡拉胶结构特性的影响

郝俊宇,孙玉姣*,姚佳轩,高润凝,罗东,葛蔚

(陕西科技大学食品科学与工程学院,陕西 西安 710021)

摘 要:为探究食品加工中卡拉胶的结构和功能变化,该文利用苯酚硫酸法、氯化钡-明胶比色法、旋转黏度计、高效凝胶渗透色谱和扫描电子显微镜,研究和对比κ-卡拉胶、ι-卡拉胶和λ-卡拉胶3 种常见的商品化卡拉胶在17 种不同食品加工条件下的变化,考察总糖含量、硫酸基含量、黏度、分子量以及微观结构等结构特性。研究结果表明,高温和酸性的环境会促使卡拉胶发生降解,其中pH 值与卡拉胶黏度变化具有显著相关性,说明低pH 值有利于卡拉胶的降解。

关键词:卡拉胶;食品加工;黏度;结构特性;相关性分析

卡拉胶是一种线性硫酸化多糖,主要从红藻中获得,由D-半乳糖通过α-1,3 和β-1,4 糖苷键交替连接形成[1]。根据卡拉胶分子上硫酸基团的数量和位置,以及α-1,4 糖苷键连接半乳糖残基中3,6-内醚-α-D-吡喃半乳糖(3,6-anhydro-α-D-galactopyranosyl,3,6-AG)的存在情况,其主要分为κ-卡拉胶、ι-卡拉胶和λ-卡拉胶3 种类型[2]。卡拉胶在食品工业中的应用潜力主要在于其独特的结构,硫酸盐含量是卡拉胶在食品工业中重要的理化指标之一,因为硫酸化程度可区分卡拉胶的成胶能力和凝胶性能[3]。分子量影响着卡拉胶的溶解度、黏度和凝胶性能,决定其在食品工业中的应用潜力[4]。由于其独特的结构和较高的分子量,κ-卡拉胶表现出卓越的凝胶性、保水性和增稠稳定性,已作为食品添加剂广泛应用于食品加工领域[5],例如乳制品、面包和加工肉制品等食品中均含有κ-卡拉胶。ι-卡拉胶由于良好的稳定性被广泛应用于冰淇淋生产中,可以减少冰晶的生长[6]λ-卡拉胶凝胶强度较低,但具有优良的乳化性和稳定性,加入食品中可以减小脂肪球大小,增加喷雾干燥奶粉的黏度[7],或作为半固体乳制品甜点中的脂肪替代品。这些不同类型的食品中卡拉胶添加量差异很大,并且加工条件也存在明显差异[6-9]。但在这些加工过程中卡拉胶的结构是否发生变化以及变化机理尚不清楚。

此外,当前针对卡拉胶的食用安全性问题,仍存在争议。但越来越多的研究结果表明低分子量卡拉胶具有较强的促炎作用[10-11]。虽然用于食品加工的多是高分子量卡拉胶,但是食品加工条件可能会促使卡拉胶发生降解,产生低分子量的卡拉胶,影响卡拉胶的安全性。因此考察不同食品加工条件下卡拉胶的结构特性变化对其合理使用和安全性再评价具有重要意义。

本研究通过模拟卡拉胶加工过程中常见的17 种加工条件,从卡拉胶添加量、加工温度、加工时间和体系pH 值等多个方面,对卡拉胶的分子量与结构变化进行比较。通过测定分子量、黏度、总糖含量和硫酸基含量变化,结合扫描电子显微镜观察卡拉胶微观结构状态的变化,研究常见食品加工方式对卡拉胶结构特性的影响,以期为卡拉胶食品安全研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶、半乳糖标准品、葡聚糖标准品:上海阿拉丁生化科技股份有限公司;盐酸、硫酸:国药集团化学试剂有限公司;苯酚、明胶、氯化钡、三氯乙酸、硫酸钾、乙酸铵:天津市天力化学试剂有限公司。以上化学试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

HWCL-3 集热式恒温磁力搅拌浴:郑州长城科工贸有限公司;NDJ-1 型旋转黏度计:上海舜宇恒平科学仪器有限公司;T2600 紫外可见分光光度计:上海佑科仪表有限公司;LGJ-12A 真空冷冻干燥机:北京四环起航科技有限公司;NX-2R 高速台式离心机:鼎昊源生物科技有限公司;LC-16 高效液相色谱仪:日本岛津公司;FEI Q45 环境扫描电子显微镜:美国FEI 公司;101-2DB 电热鼓风干燥箱:天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 17 种常见添加卡拉胶食品加工条件

根据GB 2760—2014《食品安全国家标准食品添加剂使用标准》,选定17 种较为常见的添加卡拉胶的食品类别,并依据相关文献确定其加工条件。从卡拉胶添加量、加热条件(加工温度、加工时间)、体系pH 值3 个方面进行模拟试验。17 种常见添加卡拉胶食品加工条件见表1。

表1 17 种常见添加卡拉胶食品加工条件
Table 1 Processing conditions of 17 common food products with the addition of carrageenan

组别1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17食品类别糖类(软糖)酱料(番茄酱)乳制品(酸奶)饮料干酪面制品(面条)酒类(啤酒)食用菌及藻类焙烤食品(面包)豆制品方便面(脱水蔬菜)肉制品(火腿肠)乳制品(牛奶)冰淇淋果脯水产品(鱼丸)布丁果冻卡拉胶添加量/%2.50 1.00 0.05 0.10 0.03 0.80 2.00 0.40 0.10 0.10 0.40 1.40 0.08 0.40 1.00 0.30 0.50加热条件85 ℃、30 min 100 ℃、5 min 85 ℃、5 min 121 ℃、20 mim 63 ℃、30 min 45 ℃、140 min 100 ℃、50 min 100 ℃、3 min 150 ℃、20 min 90 ℃、15 min 110 ℃、3 min 95 ℃、25 min 85 ℃、20 min 75 ℃、15 min 100 ℃、1 h 90 ℃、20 min 121 ℃、20 min体系pH 值3.5 4.0 4.4 3.0 5.0 5.5 5.7 5.0 5.0 5.2 5.0 6.6 6.3 6.0 6.0 7.2 8.0添加目的凝固剂凝固剂稳定剂、增稠剂稳定剂增稠剂增稠剂、乳化剂麦芽汁澄清剂、改善口感、增加持泡性改善弹性、内聚性、保水性降低硬度、咀嚼性、增加保水性、延缓老化增稠剂、促进蛋白悬浮稳定提高硬度、咀嚼性、弹性韧性、增加稳定性增加凝胶性、乳化性、保水性、弹性稳定蛋白、改善乳化性稳定剂、增稠剂、使组织细腻、口感好增稠剂、改善饱满度、脆度、硬度增加保水性、弹性、硬度、咀嚼性、内聚性增稠剂、改善硬度、弹性、口感参考文献[12][13][14][15][16][17][18][19][9][20][21][10][8][22][23][24][25]

1.3.2 总糖含量测定

采用苯酚硫酸法检测总糖含量[26]。称取半乳糖标准品10 mg,定容至100 mL 容量瓶中,得到浓度为0.1 mg/mL的标准品溶液。依次吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mL,补水至2.0 mL,加苯酚溶液50 μL、浓硫酸2.5 mL,充分振摇,室温放置20 min。于490 nm波长处测定吸光度。取0.1 mL 浓度为2 mg/mL 的待测样品重复上述操作,测定其吸光度,计算样品的总糖含量。

1.3.3 硫酸基含量测定

采用氯化钡-明胶比色法测定硫酸基含量[27]。称取K2SO4 标品10 mg,定容至100 mL 容量瓶中,得浓度为0.1 mg/mL 的标准品溶液。依次吸取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mL,补水到1.0 mL,加1 mL三氯乙酸和1 mL 氯化钡-明胶溶液,充分振摇,室温放置20 min。于360 nm 波长处测定吸光度,记为A1。保持反应体系相同,用1 mL 明胶溶液代替氯化钡-明胶溶液,于360 nm 波长处测定吸光度,记为A2。取待测样品5 mg,加1 mL 盐酸溶液(1 mol/L),密封试管,于电热鼓风干燥箱中100 ℃水解6 h。冷却后,经6 000 r/min离心处理10 min 去除沉淀,吸取0.1 mL 上清液,测定方法同K2SO4 标准品溶液,根据硫酸钾标准曲线和两次反应体系的吸光度之差(A1-A2)计算硫酸基含量。

1.3.4 黏度测定

在模拟食品加工条件反应完成后,待反应体系降温至45 ℃后,使用旋转黏度计进行黏度测定,为最终黏度。未反应前测定的黏度为初始黏度。

1.3.5 分子量测定

将17 组卡拉胶配制为2 mg/L 的水溶液,过0.22 μm滤膜后,采用高效凝胶渗透色谱(high-performance gelpermeation chromatography,HPGPC)[28]测定相对分子质量。流动相为0.1 mg/mL 的乙酸铵溶液,流速为0.4 mL/min,进样量20 μL,使用示差检测器进行检测。

1.3.6 扫描电子显微镜测定

分别将3 种卡拉胶的空白组、黏度降低最高组和黏度降低最低组进行冷冻干燥,表面喷金处理后用扫描电子显微镜在加速电压为2 kV 条件下检测,其放大倍数分别为1 000、3 000 倍,观测其表面形态。

1.4 数据分析

每组试验数据平行测定3 次以上取平均值,结果以平均值±标准差的形式表示。使用SPSS Staistics 26.0 处理数据,进行相关性和显著性检验,p<0.05 表示差异显著,使用Origin 9.8 作图。

2 结果与分析

2.1 卡拉胶总糖含量的变化

3 种卡拉胶总糖含量变化见表2。

表2 3 种卡拉胶总糖含量变化
Table 2 Total sugar content in three types of carrageenan

注:同列不同字母表示在p<0.05 水平差异显著。

组别空白1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17总糖含量/mg κ-卡拉胶0.80±0.03a 0.64±0.01def 0.67±0.03cde 0.69±0.01bcd 0.74±0.03abc 0.58±0.07fg 0.58±0.05fg 0.66±0.03de 0.43±0.04i 0.46±0.05h 0.48±0.06h 0.56±0.02g 0.44±0.02h 0.73±0.06bc 0.71±0.07bcd 0.75±0.03ab 0.71±0.04bcd 0.60±0.07ef ι-卡拉胶0.89±0.04a 0.41±0.03g 0.71±0.02b 0.44±0.03fg 0.39±0.03h 0.40±0.03g 0.52±0.04def 0.56±0.04cd 0.58±0.07cd 0.48±0.05efg 0.52±0.03def 0.61±0.03c 0.71±0.05b 0.55±0.05cde 0.56±0.03cd 0.55±0.03cde 0.49±0.06ef 0.46±0.03fg λ-卡拉胶1.05±0.03a 0.37±0.02i 0.35±0.04j 0.43±0.01h 0.49±0.03fg 0.36±0.04i 0.67±0.05de 0.52±0.05f 0.41±0.03hi 0.50±0.02fg 0.41±0.05hi 0.61±0.05e 0.78±0.02cd 0.70±0.02d 0.80±0.03c 0.88±0.03b 0.54±0.07f 0.71±0.03d

如表2 所示,在模拟食品加工方式后,与空白比较可知,总体上3 种卡拉胶总糖含量降低程度的趋势是κ-卡拉胶<ι-卡拉胶<λ-卡拉胶,推测可能是硫酸基含量导致总糖含量降低程度具有差异性。其中κ-卡拉胶总糖含量变化最大的是第8 组食用菌及藻类,ι-卡拉胶总糖含量变化最大的是第4 组饮料,λ-卡拉胶总糖含量变化最大的是第2 组酱料。这3 组卡拉胶添加量分别为0.40%(食用菌及藻类)、0.10%(饮料)、1.00%(酱料),体系pH 值分别为5.0(食用菌及藻类)、3.0(饮料)、4.0(酱料),加工温度分别为100 ℃(食用菌及藻类)、121 ℃(饮料)、100 ℃(酱料)。说明酸性条件和高温作用下,卡拉胶易被降解。

2.2 卡拉胶硫酸基含量的变化

3 种卡拉胶硫酸基含量变化见表3。

表3 3 种卡拉胶硫酸基含量变化
Table 3 Sulfate content in three types of carrageenan

注:同列不同字母表示在p<0.05 水平差异显著。

组别空白1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17硫酸基含量/mg κ-卡拉胶0.26±0.02a 0.25±0.00abc 0.21±0.01g 0.25±0.01abcd 0.24±0.00de 0.23±0.00ef 0.23±0.01ef 0.26±0.00ab 0.25±0.00abc 0.25±0.00abc 0.24±0.03cd 0.24±0.00de 0.24±0.01bcd 0.22±0.00f 0.24±0.01bcd 0.25±0.00abc 0.25±0.00abc 0.26±0.00ab ι-卡拉胶0.29±0.01a 0.28±0.00b 0.26±0.00c 0.13±0.00i 0.19±0.01fg 0.18±0.00h 0.19±0.00fg 0.20±0.00f 0.26±0.00c 0.19±0.00fg 0.26±0.00c 0.17±0.01h 0.19±0.01fg 0.24±0.01e 0.25±0.00cd 0.28±0.01b 0.19±0.00fg 0.25±0.00cd λ-卡拉胶0.32±0.01a 0.28±0.00bc 0.29±0.01b 0.24±0.01hi 0.27±0.01cde 0.21±0.00j 0.22±0.00i 0.27±0.00de 0.25±0.00gh 0.27±0.00de 0.22±0.00i 0.25±0.00gh 0.28±0.01bcd 0.28±0.00bc 0.31±0.01a 0.26±0.00fg 0.25±0.00gh 0.28±0.00bc

如表3 所示,经不同加工处理,硫酸基含量发生变化。其中κ-卡拉胶硫酸基含量变化最大的是第2 组酱料,ι-卡拉胶硫酸基含量变化最大的是第3 组乳制品,λ-卡拉胶硫酸基含量变化最大的是第5 组干酪。这3 组卡拉胶添加量分别为1.00%(酱料)、0.05%(乳制品)、0.03%(干酪),加工温度分别为100 ℃(酱料)、85 ℃(乳制品)、63 ℃(干酪),pH 值分别为4.0(酱料)、4.4(乳制品)、5.0(干酪),说明酸性条件易导致卡拉胶降解。

2.3 卡拉胶黏度的变化

不同加工方式对卡拉胶黏度的影响见表4。

表4 不同加工方式对卡拉胶黏度的影响
Table 4 Effects of different processing conditions on the viscosity of carrageenan

注:不同字母表示同一样品初始黏度和最终黏度具有显著性差异(p<0.05)。

组别1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17食品类别糖类(软糖)酱料(番茄酱)乳制品(酸奶)饮料干酪面制品(面条)酒类(啤酒)食用菌及藻类焙烤食品(面包)豆制品方便面(脱水蔬菜)肉制品(火腿肠)乳制品(牛奶)冰淇淋果脯水产品(鱼丸)布丁果冻卡拉胶类型κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ κ ι λ初始黏度/(mPa·s)4 050.00±265.62a 1 053.30±115.08a 196.11±11.55a 94.89±5.19a 36.50±2.17a 24.45±2.81a 9.67±0.67a 7.28±0.53a 5.72±0.53a 13.50±1.75a 7.83±1.08a 6.44±1.23a 9.67±094a 8.45±1.14a 5.83±0.78a 84.33±4.08a 28.72±1.92a 23.50±2.20a 478.33±26.35a 354.17±12.64a 88.83±12.55a 34.28±1.83a 16.78±2.08a 11.11±1.02a 10.89±0.77a 7.56±0.68a 6.50±1.08a 12.89±1.45a 7.33±1.25a 5.39±0.73a 27.06±1.75a 16.50±1.27a 11.50±1.33a 365.56±12.57a 144.17±9.35a 44.83±1.43a 10.39±1.07a 6.83±0.62a 5.72±0.67a 31.89±2.37a 18.72±2.08a 10.94±1.23a 95.83±9.35a 35.44±3.13a 26.83±3.08a 19.11±1.43a 10.50±0.53a 7.50±0.53a 51.56±4.25a 15.56±0.53a 10.61±0.77a最终黏度/(mPa·s)825.56±49.18b 323.89±11.37b 20.33±3.64b 11.17±2.12b 12.95±1.96b 10.45±1.86b 7.06±0.60b 5.50±0.41b 4.44±4.50b 7.11±1.20b 5.17±0.67b 4.11±0.70b 5.33±0.67b 4.78±0.67b 4.11±0.57b 16.89±1.68b 14.83±1.22b 13.56±1.17b 360.28±34.45b 103.56±7.27b 6.28±1.00b 11.06±2.40b 11.78±1.06b 7.78±0.95b 4.67±0.33b 3.94±0.55b 3.44±0.44b 7.61±0.97b 5.67±0.67b 4.56±0.37b 9.89±1.22b 8.22±1.08b 6.17±0.66b 164.00±8.58b 83.33±8.18b 38.00±1.83b 8.22±0.95b 5.78±0.63b 4.78±0.67b 16.44±2.98b 10.06±2.59b 7.06±0.90b 77.06±3.57b 24.44±2.51b 15.72±0.95b 17.78±1.03a 10.22±0.55a 7.33±0.57a 30.06±2.51b 15.22±1.07a 10.00±0.58a降低比例/%79.54±1.65 68.92±3.14 89.66±1.64 88.17±2.39 64.66±3.86 56.74±9.29 26.86±5.97 21.71±6.28 22.13±7.53 47.35±5.47 33.46±7.94 35.85±5.42 44.81±4.35 43.21±5.05 29.25±7.20 79.89±2.49 48.09±5.88 41.88±6.98 24.57±7.32 70.76±1.77 92.90±0.89 67.99±5.54 29.38±4.75 30.04±5.23 57.11±1.86 47.82±5.83 46.10±7.28 40.80±5.58 21.55±8.97 14.80±5.25 63.39±5.09 51.05±7.42 45.68±8.71 55.10±2.56 42.21±4.21 15.12±5.33 20.88±3.40 15.39±5.97 16.50±6.54 48.54±8.26 47.03±8.96 35.57±3.64 19.09±5.68 31.01±4.13 40.66±7.89 9.46±5.70 7.71±2.95 7.95±2.80 41.66±2.38 6.21±2.35 6.19±1.80

如表4 所示,除了第16 组水产品的3 种卡拉胶和第17 组布丁果冻的ι-卡拉胶和λ-卡拉胶,其余类型模拟前后黏度差异显著(p<0.05)。通过组间比较可知,3 种卡拉胶的黏度整体呈现κ-型>ι-型>λ-型的趋势。通过组内比较可知,分析加工温度、加工时间、pH 值对黏度的影响:在同样卡拉胶添加量、pH 值、加工时间的条件下,第11 组方便面比第8 组食用菌及藻类加工温度高10 ℃,结果ι-型与λ-型黏度降低比例明显增大,说明温度升高导致黏度降低。在同样卡拉胶添加量、加工温度条件下,第2 组酱料比第15 组果脯的反应时间更短,pH 值更低,结果对于3 种卡拉胶,第2 组酱料黏度降低比例大于50%,第15 组果脯黏度降低比例小于50%,且第16 组水产品未调pH 值,黏度无显著性变化,说明pH 值导致黏度的降低,且对黏度的影响比温度更大。而在同样卡拉胶添加量条件下,第17 组布丁果冻加工温度比第14 组冰淇淋加工温度更高,加工时间更长,前者ι-卡拉胶和λ-卡拉胶黏度无显著性变化,后者3 种卡拉胶黏度均产生显著性变化。说明随着pH 值的升高,pH 值对黏度降低的影响不断降低,直至无影响。

2.4 卡拉胶分子量的变化

不同加工方式对卡拉胶分子量的影响见表5。

表5 不同加工方式对卡拉胶分子量的影响
Table 5 Effects of different processing methods on the molecular weight of carrageenan

注:/代表黏度过高,无法用仪器检测。

组别空白1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17分子量范围/kDa κ-卡拉胶1 015.12~271.03/758.08~255.35 927.18~321.24 716.23~141.38 848.91~255.45 1 123.09~69.51/1 064.09~131.23 1 005.35~320.08 918.63~253.50 874.59~193.16/899.59~240.19 864.08~214.31 1 034.10~225.38 906.14~240.48 1 138.12~173.47 ι-卡拉胶984.92~229.32 1 078.33~63.10 979.38~98.04 870.02~309.06 735.52~210.72 893.82~329.89 991.68~187.42/855.43~182.94 953.69~276.99 841.42~243.01 883.08~220.00/889.86~293.76 873.88~166.16 1 074.86~22.81 1 017.16~149.40 1 077.03~134.49 λ-卡拉胶997.29~162.65 939.96~27.04 769.77~163.30 788.91~281.15 630.14~177.00 778.18~276.99 1 079.63~57.13 782.90~32.18 946.04~105.37 885.57~280.02 829.64~240.57 813.76~109.92 932.05~32.18 838.38~180.60 870.37~137.17 923.08~66.18 1 023.74~190.69 1 045.82~88.65

由表5 可知,在模拟各类食品加工中,不同类型卡拉胶的分子量发生明显变化,产生不同分子量的卡拉胶。其中有部分类型分子量变化较大,与空白相比,κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶均有部分类型的分子量降低至100 kDa 以下,其中包括第6 组的κ-卡拉胶,对应的食品类别为面制品;第1、2、15 组为ι-卡拉胶,对应的食品类别分别为糖类、酱料、果脯;第1、6、7、12、15、17 组为λ-卡拉胶,对应的食品类别分别为糖类、面制品、酒类、肉制品、果脯、布丁果冻。结果表明卡拉胶在经过加热和盐酸的作用后被降解。其中分子量降至100 kDa 以下的类型数量依次为λ-卡拉胶>ι-卡拉胶>κ-卡拉胶,这可能是因为三者结构不同,λ-卡拉胶硫酸基含量最高,黏度最低,更容易发生降解。除此之外也有部分卡拉胶黏度较高,仪器无法检出,这可能是因为卡拉胶添加量过大(该类型在室温下呈凝胶状,黏度极大,无法检出)。

2.5 卡拉胶扫描电子显微镜观察结果

κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶扫描电子显微镜结果见图1。

图1 κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶扫描电子显微镜图像
Fig.1 Scanning electron microscopy images of κ-,ι-,and λcarrageenans

扫描电子显微镜可以直观地看出样品的内部结构和表面特征,通过观测3 种卡拉胶中黏度变化最大和黏度变化最小类型的微观结构,同空白比较,可知黏度变化对卡拉胶微观结构的影响。由图1 可知,模拟食品加工后卡拉胶结构形态具有差异性。未处理的κ-卡拉胶空白组以片状结构组成,表面粗糙,存在堆叠现象,存在孔洞。模拟食品加工后黏度降低比例最低的是第16 组水产品,表面光滑,几乎无颗粒,孔洞撕裂。黏度降低比例最高的是第2 组酱料,表面光滑,仍有颗粒,孔洞撕裂;未处理的ι-卡拉胶空白组表面粗糙,颗粒状结构较多,存在堆叠现象,有较粗的丝状纤维结构。模拟食品加工后黏度降低比例最低的是第17 组布丁果冻,表面粗糙,表面凸起结构较大,无丝状纤维结构。黏度降低比例最高的第7 组酒类,表面光滑,表面颗粒较少,无丝状纤维结构;未处理的λ-卡拉胶空白组以片状结构和丝状纤维结构组成,表面光滑,网络结构疏松多孔。模拟食品加工后黏度降低比例最低的第17 组布丁果冻表面光滑,疏松多孔,表面颗粒减少,丝状纤维无序缠绕。黏度降低比例最高的第7 组酒类,孔洞变多,丝状纤维断裂。李培源等[30]的研究发现凝胶网络结构越致密,凝胶强度越大。由结果可推测κ-卡拉胶凝胶强度>ι-卡拉胶凝胶强度>λ-卡拉胶凝胶强度,与黏度试验结果一致。

2.6 黏度、总糖含量、硫酸基含量相关性分析

为探讨不同加工方式对3 种卡拉胶黏度、总糖含量、硫酸基含量的影响,对pH 值、加工温度、加工时间与黏度、总糖含量、硫酸基含量进行相关性分析,3 种卡拉胶黏度、总糖含量、硫酸基含量的相关性分析结果见图2。

图2 3 种卡拉胶黏度、总糖含量、硫酸基含量的相关性分析
Fig.2 Correlations of viscosity,total sugar content,and sulfate content in three types of carrageenan

由图2 可知,pH 值与黏度变化具有相关关系,其中pH 值与κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶黏度变化呈显著负相关性,相关系数分别为0.49、0.53、0.52(p<0.05)。说明在不同食品加工方式中,pH 值的降低对3 种卡拉胶的黏度变化产生正面影响,pH 值的降低导致卡拉胶黏度降低,从而影响食品的黏度。而pH 值与λ-卡拉胶的总糖含量具有较强相关关系,呈显著正相关性,相关系数为0.62(p<0.01),说明在不同食品加工方式中,pH 值的降低对λ-卡拉胶的总糖含量有负面影响,pH 值的降低导致总糖含量降低,卡拉胶被降解。除此之外pH 值与κ-卡拉胶的总糖含量呈负相关性,pH 值与ι-卡拉胶的总糖含量呈正相关性,其相关性均不显著。而pH 值与κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶的硫酸基含量呈正相关性且相关性不显著。

3 结论

本研究分别对κ-卡拉胶、ι-卡拉胶、λ-卡拉胶进行研究,发现模拟17 种不同的加工方式后,卡拉胶因为高温和酸度条件被降解,且降解程度具有明显差异性。通过对卡拉胶进行分子量、扫描电子显微镜、黏度、硫酸基含量和总糖含量检测,发现卡拉胶在食品加工过程中分子量、黏度、总糖含量、硫酸基含量均降低,说明卡拉胶被降解,产生了更低分子量的卡拉胶,其结构完整性被破坏,功能特性发生变化。该变化受加工温度、加工时间、pH 值的影响,其中pH 值与卡拉胶黏度变化具有显著相关性。以上研究结果表明,添加卡拉胶的食品在食品加工中应当避免高温和高酸性环境的影响,降低卡拉胶被降解的程度,维持卡拉胶结构的完整性,该结果将为卡拉胶食品加工和食用安全提供科学参考。

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Effects of Food Processing Conditions on the Structural Characteristics of Carrageenan

HAO Junyu,SUN Yujiao*,YAO Jiaxuan,GAO Running,LUO Dong,GE Wei
(School of Food Science and Engineering,Shaanxi University of Science&Technology,Xi′an 710021,Shaanxi,China)

Abstract:The structural and functional changes of carrageenan in food processing were studied. The phenolsulfuric acid method,barium chloride-gelatin colorimetry,rotary viscometer,high-performance gel permeation chromatography,and scanning electron microscopy were employed to characterize three common types of commercial carrageenan(κ-carrageenan,ι-carrageenan,and λ-carrageenan)under 17 different food processing conditions.The total sugar content,sulfate group content,viscosity,molecular weight,and microstructure were determined and observed.The results showed that high temperature and acidic environment promoted the degradation of carrageenan,and pH had a significant correlation with viscosity,indicating that low pH value was conducive to the degradation of carrageenan.

Key words:carrageenan;food processing;viscosity;structural characteristics;correlation analysis

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2024.23.001

基金项目:国家自然科学基金项目(32272428、31801491);陕西省科协青年人才托举计划项目(20220216)

作者简介:郝俊宇(2000—),男(汉),硕士研究生,研究方向:糖化学与糖生物学。

*通信作者:孙玉姣(1988—),女(汉),副教授,博士,研究方向:糖化学与糖生物学。

引文格式:

郝俊宇,孙玉姣,姚佳轩,等.不同食品加工条件对卡拉胶结构特性的影响[J].食品研究与开发,2024,45(23):1-8.

HAO Junyu,SUN Yujiao,YAO Jiaxuan,et al. Effects of Food Processing Conditions on the Structural Characteristics of Carrageenan[J].Food Research and Development,2024,45(23):1-8.

责任编辑:王艳

收稿日期:2024-04-14