Effect of Potassium Ions on the Properties and Mechanism Analysis of Tamarind Gum/Kappa-Carrageenan Composite Gel
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摘要: 为探究K+对罗望子胶/κ-卡拉胶复合凝胶的特性及机理的影响，本文采用流变学、质构分析、微观结构和红外光谱四种方法，对不同K+添加量的复合凝胶的性能和结构进行研究。流变学结果显示，K+的添加使凝胶体系的模量升高，柔量和总形变量降低，K+添加量增至15 mmol/L时，表观粘度达到最高值2690 Pa·s；质构分析结果显示随K+添加量的增大，凝胶体系强度和硬度增大，但弹性和内聚性相对减少；而红外光谱和微观结构证明了K+可以促进两种凝胶体系之间的相互作用，使凝胶孔隙趋于致密均匀，在K+添加量15 mmol/L时孔径间壁最为规则结实。结果表明，K+的添加能够使凝胶体系表现较好的粘弹性和抗变形性，使网状结构更加紧密，为罗望子胶和κ-卡拉胶的复配应用提供了理论参考。Abstract: To investigate the effect of K+ on the properties and mechanism of the composite gel system consisting of tamarind gum and κ-carrageenan, four methods including rheology, texture analysis, microstructure, and infrared spectroscopy were used to investigate the properties and structure of the composite gel with different K+ additions. The rheological results showed that the addition of K+ increased the modulus of the gel system and decreased the compliance and total deformation. When the addition of K+ increased to 15 mmol/L, the apparent viscosity reached its highest value of 2690 Pa·s. The results of texture analysis revealed that the strength and hardness of the gel system increased with the addition of K+, but its elasticity and cohesiveness decreased relatively. Infrared spectroscopy and microstructure demonstrated that K+ could promote the interaction between tamarind gum and κ-carrageenan, the gel pores tend to be dense and uniform, and the inter-pore walls were most regular and strong at the K+ addition of 15 mmol/L. The results showed that the addition of K+ could make the gel system exhibit better viscoelasticity and anti-deformation, and make the network structure more compact, which would provide a theoretical reference for the application of tamarind gum and κ-carrageenan in compounding.
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Keywords:
- tamarind gum /
- κ-carrageenan /
- gel properties /
- microstructure /
- gelation mechanism
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罗望子多糖胶（Tamarind seed polysaccharide，TSP）也称罗望子胶，是从豆科植物罗望子种子胚乳中提取出的一类天然植物胶。TSP是由D-葡萄糖、D-木糖和D-半乳糖（4:3:1）组成的中性聚多糖，不易溶解但易分散于冷水中，加热后可溶解形成均一的胶体溶液，具有良好的乳化性、耐热性、保水性和冻融稳定性等，常用作乳化剂、稳定剂、质地改良剂等[1-2]。TSP不能单独形成水凝胶，但在糖或酒精参与的条件下可形成一定强度的半透明凝胶，成胶能力约为果胶的2倍，形成的凝胶具有广泛的pH耐受性且不受盐类的影响，粘稠性强、析水少且富有弹性[3-4]，此外，TSP的无毒性、生物相容性及良好的凝结、成膜和保水等性质，使其常用于药物的包埋和缓释[5]。
卡拉胶（Carrageenan，CG）又名石花菜胶、鹿角菜胶，是一类从红藻类海草中提取出的亲水线性多糖化合物，是由α-（1,3）-D-4-硫酸-半乳糖和β-（1-4）-3,6-内醚-D-半乳糖双糖重复单元作为基本骨架交替连接组成的硫酸化聚阴离子半乳糖[6-7]，其硫酸盐基团的数量和位点的差异使卡拉胶的类型多样，最常见的三种类型是κ-卡拉胶、ι-卡拉胶和λ-卡拉胶，其中κ-卡拉胶（KC）是一种温敏和钾敏型凝胶，具有易溶于冷水、透明度高和热可逆凝胶化的特点，常用于食品加工生产中[8]。
目前国内外多对多糖进行复配研究，例如Sittichoke等[9]研究发现将琼脂和κ-卡拉胶分别与鲈鱼明胶相互作用后可改善鱼明胶质量，促进鲈鱼明胶的实际应用。Wei等[10]研究发现魔芋多糖和κ-卡拉胶的复配凝胶体系的粘度和凝胶强度均比个体更好，凝胶特性得到了改善。TSP不仅原料丰富，价格经济，而且具有良好的热稳定性和营养价值，是一类具有极大开发潜力的生物聚合物，但其难独立成胶的缺陷性限制了它的综合利用[11]。κ-卡拉胶单独成胶时，其凝胶体系脆性大、弹性小且水分易析出，而TSP具有较好的保水性和稳定性，但目前对于二者的复配研究几乎没有。将TSP与KC进行复配成胶，以达到弥补二者的缺陷性，改善凝胶性能，减少TSP的资源浪费的目的，扩大TSP复合凝胶作为功能性物质、包埋壁材等在食品、医药和化工等领域的应用。因此，本文基于预实验结果，选取TSP和KC不能单独成胶的临界浓度点，将1.5% TSP和0.7% KC配制成总多糖浓度为2.2%（w/v）的TSP-KC复合凝胶，然后对不同K+添加量的TSP-KC复合凝胶的作用机理进行初步探索，研究K+对TSP-KC复合凝胶性能的影响，以期为TSP-KC复合凝胶性质和作用机理的深入研究提供基础性参考，提高TSP和KC的综合利用率，为TSP在凝胶方面的实际应用提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
罗望子胶 食品级，河南豫中生物工程有限公司；κ-卡拉胶 食品级，河南旗诺食品配料有限公司；氯化钾 分析纯，国药集团化学试剂有限公司。
MCR92安东帕流变仪 澳大利亚Anton Paar GmbH公司；TA.XT plus质构分析仪 英国Stable Micro Systems有限公司；JSM-5610LV型扫描电子显微镜 日本Hitachi公司；Nicolet 6700傅里叶红外光谱仪 美国Thermo Nicolet公司。
1.2 实验方法
1.2.1 TSP-KC复合凝胶的制备
参考Zhang等[12]方法并作修改，称取KCl固体溶解配制成1 mol/L KCl溶液。将固定量的TSP和KC配制成K+浓度分别为0、3、6、9、12、15、20 mmol/L的TSP-KC复合凝胶，最终总多糖浓度为2.2%（w/v）。搅拌均匀后充分水合，85 ℃水浴加热30 min后，置于4 ℃冰箱中备用。测试样品前恢复至室温。
1.2.2 流变特性测定
1.2.2.1 稳态剪切测定
参考Lin等[13]的方法，在室温下测定TSP-KC复合凝胶在0.01~1000 s−1范围内表观粘度的变化曲线。配置参数：平行板直径40 mm，间隙0.5 mm。
1.2.2.2 动态粘弹性测定
将复合凝胶平衡至室温后，对样品进行频率扫描实验，测定TSP-KC复合凝胶的模量随频率的变化情况。具体参数为：应变：1%，频率：0.1~25 Hz。
1.2.2.3 蠕变恢复测定
参考Sharma等[14]的方法并稍作修改。在10 Pa的恒定剪切应力作用下，测定应变和柔量（J）随时间的变化曲线。在应力消除后，再记录2 min恢复阶段的应变变化曲线。
1.2.3 质构特性测定
称取适量的复合凝胶放入样品皿中，选用P/0.5圆柱型探针对样品凝胶的内聚性、硬度和弹性进行测定。具体参数：测前、测中和测后速度均为1.0 mm/s，测试距离16 cm，压缩形变量为30%，触发力为5 g。
1.2.4 微观结构测定
使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察TSP-KC复合凝胶体系的微观结构。将凝胶样品切片处理后冷冻干燥，冻干样品进行喷金处理，于30 kV电压和500×放大倍数下观察。
1.2.5 傅里叶红外光谱的测定
参考Xie等[11]的方法对细节稍作改动，使用傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）对TSP-KC凝胶结构进行分析。将KBr粉末干燥后与凝胶冻干样品混合研磨成粉后压片处理，在4000~500 cm−1波数范围内测定。
1.3 数据处理
每组样品不少于三个平行样，重复测定三次。使用SPSS 25.0和Origin 2018对实验数据进行分析和图表绘制，采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和Tukey's post-hoc检验评估正态分布数据。*P<0.05为统计学差异显著。
2. 结果分析
2.1 流变特性分析
2.1.1 稳态剪切
图1表示不同K+添加量的TSP-KC复合凝胶的稳态剪切测试变化曲线，结果显示，随着剪切速率的增大，复合凝胶体系的表观粘度整体呈下降趋势，表现出假塑性和剪切稀化行为，这可能是因为剪切速率的增大使多糖结构遭到破坏，导致流阻降低，从而降低了粘度[15]。当K+的添加量达到15 mmol/L时，TSP-KC复合凝胶表观粘度最高，约为2690 Pa·s，而未添加K+时复合凝胶最高表观粘度为1480 Pa·s，说明K+的添加会影响TSP-KC复合凝胶的假塑性行为。这可能是由于加入的K+部分中和或屏蔽了KC的负电荷，削弱了静电排斥作用，促进凝胶化的形成，从而增加了该复合凝胶的表观粘度[16]。杜徐楠等[17]研究发现K+与κ-卡拉胶/刺槐豆胶相互作用，K+的添加增加了KC螺旋含量，使κ-卡拉胶/刺槐豆胶结合位点增加，两者相互作用增强，从而增加了复合凝胶的表观粘度，这与上述结果相似。
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图 1 不同K+添加量TSP-KC复合凝胶的表观粘度Figure 1. Apparent viscosity of TSP-KC gels with different K+ additions2.1.2 动态粘弹性测定
图2分别是不同K+添加量的TSP-KC复合凝胶的模量（图2a）和tanδ（图2b）随频率变化的曲线。图2a显示，在0~14 HZ的低频区域内，该凝胶体系的储能模量（G'）明显高于损耗模量（G''），G'和G''的变化基本稳定，随着K+添加量增加G'不断增大，但在该频率范围内相对平行，这说明该凝胶体系网络结构基本不受频率影响，表现出典型的固体凝胶行为[18]；图2b中凝胶体系的tanδ整体随着K+添加量和频率的增加不断减少，并保持tanδ<1，表现出显著的固态弹性行为，说明K+可以有效地降低该凝胶体系的损耗正切角，增强其凝胶性[19]。可能是K+的添加促使复合凝胶体系中KC的螺旋-螺旋构象转变和聚集，使KC形成更加规则的网络结构，从而使TSP能够更好的嵌入到KC的网络结构中，进一步加强二者分子间的相互作用，具体表现为凝胶模量增强[20]。这一结果与任艳艳[21]对κ-卡拉胶/魔芋葡甘聚糖复合水凝胶的研究结果相似，说明K+能够改善复合凝胶的凝胶性能，增强其粘弹性。
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图 2 不同K+添加量TSP-KC复合凝胶的模量（a）和tanδ（b）变化曲线Figure 2. Modulus (a) and tanδ (b) variation curves of TSP-KC gels with different K+ additions2.1.3 蠕变和恢复
图3是不同K+添加量的TSP-KC复合凝胶的柔量（图3a）和应变（图3b）变化曲线，结果表明K+的添加能够增强复合凝胶体系的抗变形性和凝胶强度。柔量是应变与应力之比，反映了凝胶抗变形性的强弱，J值越大，表示凝胶抗变形性越弱，说明凝胶体系结构越弱。图3a中，TSP-KC复合凝胶的J值整体随蠕变时间的增加而不断增大，但随着K+添加量的增加，J值不断降低，表明K+的存在使该凝胶抗变形性增加，结构不断增强。总应变值是凝胶样品刚度的指标之一。如图3b所示，在蠕变时间范围内，TSP-KC复合凝胶的应变迅速增加到最大，而后缓慢降低，随着K+添加量增加，凝胶体系的总应变整体呈下降趋势，这表明在K+添加量一定范围内，TSP-KC复合凝胶是典型的粘弹性凝胶材料，K+可以增强复合凝胶体系的网络结构，提高复合凝胶的强度。此外，K+添加量在20 mmol/L时复合凝胶的总变形量大于15 mmol/L时的总变形量，这可能是因为K+与多糖竞相吸水，导致多糖过度凝聚，使得凝胶网络结构变弱，因而受到恒定应力时产生更大的形变量[22]。由流变学结果可知，K+添加量在15 mmol/L时，TSP-KC复合凝胶的凝胶性能最优。
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图 3 不同K+添加量TSP-KC复合凝胶的柔量（a）和应变（b）变化曲线Figure 3. Compliance (a) and strain (b) variation curves of TSP-KC gels with different K+ additions2.2 质构特性分析
质地剖面分析（TPA）是评估凝胶体系质构特性的重要手段。表1是TSP-KC复合凝胶体系在不同K+添加量下的TPA分析结果，随着K+添加量的不断增大，凝胶体系的硬度明显升高，在K+添加量为12 mmol/L时，凝胶硬度达到最高值2715.792 g，而后开始下降，同时，加入K+后复合凝胶体系的弹性显著下降，但在K+添加量15 mmol/L时有逐渐回升的趋势。这可能是由于加入的K+与KC上的硫酸盐基团结合，使相邻的双螺旋结构聚集产生交联，诱导KC凝胶化，从而使复配凝胶的网络结构更加紧密有序，凝胶硬度增强，而弹性减弱[23]。同样，K+的添加使凝胶体系的内聚性显著降低后处于相对稳定状态，可能是由于K+的添加使凝胶体系内部分子间的结合相对减弱。结果表明K+对复合凝胶体系的质构特性具有显著影响，且K+添加量在12 mmol/L时，该凝胶体系显示出更高的硬度和较少的弹性。Wang等[24]研究得出K+能够提高KC的硬度，但对其内聚性和弹性具有负面影响的结论，与上述结果相似。
表 1 不同K+添加量条件下TSP-KC复合凝胶的质构参数Table 1. Texture parameters of TSP-KC gels in different K+ additionsK+浓度（mmol/L） 硬度（g） 弹性（mm） 内聚性 0 572.764±69.336a 0.745±0.010c 0.705±0.010b 3 1382.874±178.506b 0.111±0.111a 0.090±0.090a 6 1771.706±141.133b 0.157±0.008ab 0.040±0.022a 9 2456.925±162.043b 0.156±0.047ab 0.100±0.018a 12 2715.792±154.235b 0.152±0.030ab 0.128±0.069a 15 2044.255±165.826b 0.182±0.040ab 0.074±0.044a 20 1734.214±199.230b 0.328±0.156b 0.099±0.064a 注：表中数据为平均值±标准误差，n=3；abc表示组内显著性差异（P<0.05）。 2.3 微观结构分析
图4表示不同K+添加量的TSP-KC复合凝胶微观结构的SEM图像。结果表明一定范围内K+添加量可以改善凝胶体系的网络结构，提高其凝胶性能和保水性。未添加K+时，凝胶体系的网络结构孔径较大且不规则，但随着K+添加量的增大，结构空隙逐渐减小，间壁变得完整结实，这可能由于K+平衡了复合凝胶内部部分电荷，在分子间形成盐桥，增强了多糖分子间相互作用，使其构象转变更加稳定，结合更紧密[24]。在K+添加量为15 mmol/L时，TSP-KC复合凝胶的孔洞最为致密规则，表现出典型的固体弹性特征，而当K+添加量增加到20 mmol/L时，凝胶体系的网络结构变差，间壁干燥塌缩，孔隙结构失真。与流变学结果一致，K+添加量为15 mmol/L时凝胶体系的网络结构最好。
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图 4 不同K+添加量TSP/KC复配凝胶的微观结构Figure 4. Microstructures of TSP-KC gels with different K+ additions2.4 红外光谱分析
FTIR可用于糖类化合物分子间结构和相互作用的研究，进一步判断分子间氢键的强弱。图5表示TSP和KC以及TSP-KC复合凝胶在4000~500 cm−1范围内的傅里叶红外光谱图。图5a中TSP在1021和1649 cm−1附近分别出现了半乳糖环C-O键的伸缩振动峰和C=O的伸缩振动峰，这可能是TSP的线性结构包含葡萄糖、半乳糖和木糖残基，导致其出现了羰基吸收峰[14]。而在1376 cm−1附近出现了表现为木葡聚糖特征峰的CH2的弯曲振动，表明TSP中存在木葡聚糖[25-26]。κ-卡拉胶在840和924 cm−1附近分别出现了D-半乳糖硫酸盐基团的弯曲振动和3,6-脱水-D-半乳糖特征峰，在1226和1034 cm−1附近出现硫酸酯的S=O的伸缩振动峰，说明KC为硫酸酯化多糖[27-28]。此外，TSP和KC分别在3392.61和3423.17 cm−1处出现了典型的-OH伸缩振动吸收峰，表明在TSP和KC中均存在氢键。图5b所示，TSP-KC复合凝胶体系的峰型与TSP基本相似，只在指纹区具有差异性，说明该复配凝胶体系以TSP网络结构为主体，且随着钾离子添加量的增加，TSP-KC复合凝胶的透过率逐渐降低，吸收强度增大，说明复合凝胶形成的主要作用力是氢键。同时，随着K+添加量的增加，复合凝胶的-OH伸缩振动吸收峰向低波数移动，而硫酸酯S=O伸缩振动的特征峰轻微向高波数方向移动，这可能是由于K+的存在使硫酸基团数量减少，增强了二者氢键相互作用，结构更加致密，促进了凝胶的成胶性和结构稳定性[20,29]。这与Makshakova等[30]研究结果相似，K+能够有效地屏蔽KC的硫酸根负电荷，特异性结合KC的螺旋-螺旋结构，增强二者的相互作用。
3. 结论
本文对TSP-KC复合凝胶在不同K+添加量条件下的凝胶特性和微观结构进行了研究，并对其凝胶形成机制进行了探索。实验结果表明，TSP能帮助KC形成凝胶，二者间的协同增效作用弥补了各自的缺陷性。且K+的添加能够诱导KC凝胶化，促进了TSP和KC分子间的氢键相互作用，促使该凝胶体系的网络结构增强，趋于致密均匀，提高了凝胶体系的稳定性和持水性，改善了凝胶性能，使其硬度、黏度以及抗变形性得到增强，此外，在K+添加量15 mmol/L时该凝胶体系具有较好的凝胶性能。但本研究仍有不足之处，希望后续能够深入研究TSP和KC的具体结构变化以及结合位点情况，对该复合凝胶机理进一步探索；研究该复合凝胶体系的生物活性，如抑菌性、抗氧化等，探索其在产品中的效果，扩大TSP-KC复合凝胶在功能性食品和生物医学方面的开发与应用；另外，研究TSP复合材料作为壁材包载敏感性生物活性物质的控释和缓释载体作用，为探索开发封装、保护或者递送敏感性生物活性物质的产品提供新思路。
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图 1 不同K+添加量TSP-KC复合凝胶的表观粘度
Figure 1. Apparent viscosity of TSP-KC gels with different K+ additions
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图 2 不同K+添加量TSP-KC复合凝胶的模量（a）和tanδ（b）变化曲线
Figure 2. Modulus (a) and tanδ (b) variation curves of TSP-KC gels with different K+ additions
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图 3 不同K+添加量TSP-KC复合凝胶的柔量（a）和应变（b）变化曲线
Figure 3. Compliance (a) and strain (b) variation curves of TSP-KC gels with different K+ additions
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图 4 不同K+添加量TSP/KC复配凝胶的微观结构
Figure 4. Microstructures of TSP-KC gels with different K+ additions
表 1 不同K+添加量条件下TSP-KC复合凝胶的质构参数
Table 1 Texture parameters of TSP-KC gels in different K+ additions
K+浓度（mmol/L） 硬度（g） 弹性（mm） 内聚性 0 572.764±69.336a 0.745±0.010c 0.705±0.010b 3 1382.874±178.506b 0.111±0.111a 0.090±0.090a 6 1771.706±141.133b 0.157±0.008ab 0.040±0.022a 9 2456.925±162.043b 0.156±0.047ab 0.100±0.018a 12 2715.792±154.235b 0.152±0.030ab 0.128±0.069a 15 2044.255±165.826b 0.182±0.040ab 0.074±0.044a 20 1734.214±199.230b 0.328±0.156b 0.099±0.064a 注：表中数据为平均值±标准误差，n=3；abc表示组内显著性差异（P<0.05）。 
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