酰基化差异对高酰基结冷胶分子结构及溶胶-凝胶转化行为的影响研究

Gellan gum is widely used in food industry as a new type of microbial extracellular polysaccharide. At present, how to improve the properties of suspension, water holding capacity and gelation for domestic high acyl gellan gum is urgently to be solved in the practical application. The process of deacylation could induce the changes in the quality of high acyl gellan gum. However, the effect of different acylation degree/acyl proportion on the molecular structure and sol-gel transformation behavior of high acyl gellan gum is still not clear. The samples of high acyl gellan gum with differences in acyl will be prepared and the microstructures of them will be identified in the study. The main molecular force and spiral interaction attributed to stable high acyl gellan gum will be determined from molecular level. The characteristics of rheological properties, network structure, gel swelling, water holding capacity and textural properties at different environmental conditions will be studied using the methods of rheology, spectroscopy, texture theory, thermal analysis and wave spectroscopy. It will establish the structure-activity relationship between different acylation degree/acyl proportion of high acyl gellan gum and sol-gel transition behavior. The project has the important practical significance for the quality, promotion and modification, which could provide theoretical guidance to the technical breakthrough and the widen field for the application of high acyl gellan gum.

结冷胶作为一种新型的微生物胞外多糖在食品工业中广泛应用，如何改善国产高酰基结冷胶的悬浮性能、持水性及凝胶特性是结冷胶实际应用中亟待解决的问题。脱酰基处理会引起高酰基结冷胶的应用品质发生变化，然而目前有关酰基化程度和酰基比例对高酰基结冷胶分子结构及溶胶-凝胶转化行为的影响尚不清楚。本项目针对具有酰基化差异的高酰基结冷胶进行分子制备和微结构表征与鉴定，并从分子水平明确稳定高酰基结冷胶的关键分子作用力和稳定螺旋的空间效应。结合流变学、光谱学、质构学、热分析学、波谱学等研究手段，研究在不同环境条件下，具有酰基化差异的高酰基结冷胶的流变特性、凝胶网络结构、凝胶溶胀、持水性与质构特性，建立不同酰基化程度/酰基比例对高酰基结冷胶溶胶-凝胶转变行为的构效关系。本项目对高酰基结冷胶制品的品质提升、应用推广及产品的改性等方面具有重要现实意义，可为高酰基结冷胶在生产技术领域的突破和应用领域的拓宽提供理论指导。

本研究采用非均相弱碱体系制备得到一系列不同酰基化程度/酰基比例的结冷胶样品，发现酰基化差异主要通过表观黏度、弹性模量、相转变温度等方面影响胶体的溶胶-凝胶性能，并拓展了其在乳液、饮料稳定性等方面的应用。主要研究结果如下: 建立了2种高酰基结冷胶酰基含量的测定方法：非均相酸碱滴定法和电位滴定结合数学算法，解决了高酰基结冷胶亲水性不好而无法准确定量的问题，实现了乙酰基和甘油酰基的同时测定。通过控制碱种类及浓度、乙醇浓度、反应时间与温度等，制备得到一系列不同酰基化程度/酰基比例的结冷胶样品并进行表征。利用流变技术重点分析了酰基化程度/酰基比例对结冷胶溶胶-凝胶特性的影响，并考察了浓度、温度和促凝阳离子的作用。发现酰基的存在主要通过氢键和空间位阻作用影响结冷胶的双螺旋结构稳定性，随着酰基含量的降低，结冷胶体系的相变温度、体系假塑性及凝胶性均下降。酰基尤其是甘油酰基的减少导致结冷胶双螺旋间氢键的减少，从而降低分子间缠绕度，表现为黏度的降低。原子力显微镜观察显示，酰基的存在主要通过生成氢键和降低静电排斥的方式促进结冷胶分子间的局部并排联结。将不同酰基化程度/酰基比例的结冷胶应用于蓝莓悬浮体系以验证酰基化程度/酰基比例对于凝胶结构稳定性的影响。发现添加相同浓度条件下，酰基含量越低，其浊汁体系的表观黏度越小，稳定性系数越大，红色越深（P＜0.05），即体系的悬浮稳定性越差。酰基的存在有利于双螺旋结构氢键的生成，从而有利于悬浮体系的稳定性。此外，本项目进一步探究了酰基化程度/酰基比例对乳液稳定性、花色苷稳定性等方面的作用。结果显示，与低酰基结冷胶不同，高酰基结冷胶具有较好的乳化性能，并有望实现包埋物质在肠道内的定向缓释。结冷胶的添加有利于提高饮料中花色苷的稳定性，相关的分子动力学模拟结果显示酰基的存在有利于产生更多的分子间氢键从而提升花色苷的热稳定性。