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高酰結冷膠的性質(zhì)、應用及發(fā)展前景

來源:   2013年04月02日 16:28   21651
  Foodjx導讀:結冷膠是繼黃原膠之后于20世紀80年代通過微生物發(fā)酵的方法得到的生物多糖,其凝膠性能*。1982年Kang等報道了實驗室規(guī)模通過假單孢菌成功生產(chǎn)結冷膠。結冷膠及結冷膠多糖的商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)是Kelco公司成功篩選微生物的結果。1988年日本成功地完成了結冷膠的毒理實驗,并準許結冷膠在食品中應用。
  
  1992年美國食品與藥品管理局(FDA)批準結冷膠作為穩(wěn)定劑和粘結劑在食品中使用,從此成結冷膠為第三種在食品中使用的微生物胞外多糖。歐共體1994年正式將結冷膠列入食品安全代碼(E-418)。1996年我國也批準其作為食品增稠劑、穩(wěn)定劑,可在各類食品中按正常生產(chǎn)需要適量使用(GB2760-2011)。
  
  一、高酰結冷膠的凝膠特性
  
  結冷膠是一種陰離子線性多糖,其相對分子質(zhì)量高達2—3×105道爾頓,具有平行的雙螺旋結構,兩條螺旋通過氫鍵相互作用來穩(wěn)定。通過顯微鏡觀察結冷膠,發(fā)現(xiàn)它是由多股鏈形成的小圈狀結構。高酰結冷膠與低酰結冷膠在結構上的主要區(qū)別在于:高酰結冷膠的每個重復單元均有1個?;B接在葡萄糖分子上,其?;譃閮深悾阂活愂且?beta;—l,3鍵連接在葡萄糖分子的第6個碳原子上的乙酰基;另一類是以β—1,3連接在葡萄糖分子的第2個碳原子上的甘油基,其中甘油基的平均比例是乙酰基的2倍。正是由于分子中乙?;透视突拇嬖冢沟酶啧=Y冷膠呈現(xiàn)出與低酰結冷膠不同的性質(zhì)。
  
  結冷膠溶于水后,分子之間會以右旋的方式自動聚集形成雙螺旋結構,再進一步聚集形成三維網(wǎng)狀結構。而陽離子的加入以及對結冷膠溶液加熱后冷卻,能促進分子間的交聯(lián)作用,加速雙螺旋形成三維網(wǎng)狀結構。高酰結冷膠的凝膠機理有兩種情況:一種認為,雙螺旋聚合物連接形成顯著的接頭區(qū)域,在這種模型中,分子間雙螺旋結構交聯(lián)形成規(guī)則的晶狀接頭區(qū)域,離子鍵可以穩(wěn)定這種接頭區(qū)域;另一種認為,天然多糖由于本身的非均質(zhì)性、鏈長及程度不同的分支,使得子結構較為復雜,認為該種凝膠機制是通過延伸或分叉形成纖維狀、絞線性的網(wǎng)絡結構。高結冷膠溶于水后,甘油?;鸵阴;煺归_,在結冷膠分子與分子間連接的時候形成一定的空間位阻,對凝膠的形成有一定的影響。因此,高酰結冷膠與低酰結冷膠的凝膠相比,凝膠更柔軟;在高溫下,比低酰結冷膠在構象上更有次序。
  
  結冷膠的凝膠過程是結冷膠分子由無規(guī)則的卷曲轉變?yōu)橛行虻碾p螺旋結構,并形成一個連續(xù)的三維網(wǎng)絡結構的過程。隨溫度的上升,結冷膠的黏度迅速下降,冷卻后又恢復到原來的黏度。當溫度降到凝膠溫度后迅速形成凝膠;當高于凝膠溫度時,在水中出現(xiàn)無序的卷曲。當高酰結冷膠溶液冷卻到72℃時形成柔軟、彈性的凝膠,且無溫度滯后性。熱熔膠的冷卻溫度對成膠的性質(zhì)也有影響,較低的溫度會形成彈性較好的凝膠,而自然冷卻會形成彈性較小的凝膠。
  
  在諸多影響結冷膠凝膠形成和質(zhì)構的因素中,陽離子是zui為重要的因素,因為陽離子是結冷膠成膠的必要條件。二價陽離子對成膠的影響要遠遠地強于一價陽離子,一價陽離子(M+)和二價陽離子(M2+)影響成膠的機理是不同。一價陽離子成膠機理為,雙螺旋結冷膠-M+-水-M+-雙螺旋;二價陽離子的成膠機理為,雙螺旋-M2+-雙螺旋。陽離子對凝膠強度的影響都是隨離子濃度的增大而增強,達到一定臨界濃度后,離子的增多反而會弱化膠體的強度。結冷膠分子的羧基由于靜電的相互排斥,阻礙了螺旋的緊密聚集,而二價陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用。因此隨著陽離子質(zhì)量分數(shù)的提高,凝膠強度也隨之提高。一個陽離子連接一對羧基,對一價陽離子,因為鉀離子連接羧基的能力比較強,所以鉀離子形成的凝膠強度要遠遠地高于鈉離子。一價陽離子形成的凝膠是熱可逆型的,而二價陽離子所形成的凝膠是根據(jù)陽離子濃度而定的。研究表明,當添加的鈣離子濃度低于1.8mmol/L時,結冷膠凝膠是熱可逆的;高于1.8mmol/L時,凝膠是不可逆的。如果溶液中共同存在一價、二價離子時,少量的一價離子不能使結冷膠形成足夠的鏈接,同時又減弱了二價離子的作用,當一價離子濃度大到一定的程度時,又以一價離子的影響為主。所以一價離子和二價離子不能同時作用于結冷膠的凝膠。
  
  高酰結冷膠分子中存在的甘油?;淖兞私Y冷膠凝膠的三維網(wǎng)狀結構。甘油?;隰然膬?nèi)部或附近使二聚體結構顯得松散,但是由于羥基的存在,它又能形成氫鍵。因此成膠后,高酰結冷膠要比低酰結冷膠分散更加均勻,保水性更好。將高酰結冷膠與低酰結冷膠以不同的比例混合,發(fā)現(xiàn)高酰結冷膠含量越高的凝膠持水率越好。高酰結冷膠在無陽離子存在的溶液中,以游離的?;I相互作用形成稀疏的分子間交聯(lián)。甘油?;挥陔p螺旋結構的內(nèi)部,由于氫鍵的鏈接,使得高酰結冷膠出現(xiàn)弱凝膠的特性。
  
  二、高酰結冷膠在食品中的應用
  
  結冷膠是一種性能優(yōu)良的微生物代謝膠,具有*的理化性質(zhì)和全面的功能,其逐漸成為繼卡拉膠、瓊脂和黃原膠之后的的添加劑,主要作增稠劑、凝結劑、懸浮劑和成膜劑,在糖果、果凍、果醬、面包餡料、冰淇淋等食品制造中廣泛使用。但是,由于目前人們對結冷膠生物合成機理缺乏完整的認識,以及在發(fā)酵生產(chǎn)中存在生物濃度低、轉化率低及提取費用昂貴等問題,因此嚴重限制了結冷膠的應用。市售結冷膠有高酰結冷膠和低酰結冷膠,它們的?;坎煌瑢е滤麄儾煌牧髯兗澳z性質(zhì)。國內(nèi)外對低酰結冷膠的研究相對較多,但是對高酰結冷膠的研究較少。
  
  高酰結冷膠溶解后比較黏稠、內(nèi)聚性高,使得它適合做增稠劑。高酰結冷膠比低酰結冷膠膠體柔軟,且保水性和彈性都很好。高、低酰結冷膠混合成膠,其可形變能力可達到低酰結冷膠的四倍。這些特點又使得高酰結冷膠有更多的應用價值。
  
  在食品工業(yè)中,高酰結冷膠能夠賦予食品一種令人愉悅的質(zhì)地和口感,它所形成的凝膠透明度高,爽脆適度,并能表現(xiàn)出良好的風味釋放特性。高酰結冷膠通??梢耘c其他食品膠復合使用,使得食品能夠獲得*的感官、質(zhì)構和穩(wěn)定性要求,結冷膠和其他食品膠有較好的相容性,針對不同的食品品質(zhì)要求,通過調(diào)節(jié)結冷膠與其他食品膠的混合比例就可以達到非常令人滿意的效果。凝膠型食品膠如卡拉膠、瓊脂等雖然與結冷膠的凝膠特性相似,但是結冷膠在風味釋放、酸穩(wěn)定性、熱可逆性、使用量等方面均明顯的優(yōu)于卡拉膠和瓊脂。結冷膠具有抗老化的作用,對玉米淀粉糊在儲藏過程中的老化及黏度升高有抑制作用。結冷膠不易導致酶解,為食品加工提供了很好的靈活性。
  
  目前高酰結冷膠在食品中的應用:(1)高酰結冷膠*的彈性和膠凝性,使得它可以應用于果凍、果醬、甜食中。(2)高酰結冷膠具有增稠和穩(wěn)定的作用,可用于飲料、乳制品、冰淇淋、餡料等。(3)高酰結冷膠具有黏著性,可用于糖霜和糖衣。(4)高酰結冷膠具有較強的持水性,可用于蛋糕、奶酪中,可以達到保濕、保鮮、保型的效果。
  
  三、高酰結冷膠的發(fā)展前景

  
  近年來,利用生物技術開發(fā)的新產(chǎn)品—微生物多糖,以其安全、無毒、理化性質(zhì)*等優(yōu)良特性,越來越受到人們特別是食品學家們的關注,世界上微生物多糖的年產(chǎn)量增長量均在10%以上。結冷膠是我國新型生物技術產(chǎn)業(yè)中一種極有發(fā)展?jié)摿Φ氖称诽砑觿?。國?nèi)目前有多家企業(yè)在生產(chǎn)銷售結冷膠。由于結冷膠可以在極低的使用量下產(chǎn)生凝膠透明度高,有其應用優(yōu)勢,但這些年其發(fā)展徘徊不前,應用的食品范圍還是相對較小,主要原因在于其凝膠的脆性有余,彈性不足。盡管這樣,結冷膠凝膠的*性及在部分食品中應用的難以替代性,在市場一直會有需求而很難被淘汰,盡管需求不大,增長也較緩慢,它已經(jīng)歷了二十多年這樣的發(fā)展態(tài)勢。
  
  結冷膠是世界上*個用生物發(fā)酵方法生產(chǎn)的多糖膠質(zhì)膠凝劑,有著用量低、透明度高、香氣釋放能力強、耐酸、耐酶等優(yōu)點。2005年之前,國內(nèi)的市場幾乎*被美國公司壟斷,2005年之后國產(chǎn)結冷膠開始在市場上占的份額越來越大。國內(nèi)市場的需求量增長很快,而國內(nèi)公司結冷膠生產(chǎn)規(guī)模小,能耗成本高。國外公司能夠生產(chǎn)較多規(guī)格的結冷膠,國內(nèi)廠家能生產(chǎn)的結冷膠規(guī)格較少,而高酰結冷膠基本上不能生產(chǎn),且生產(chǎn)過程中存在能耗高、產(chǎn)物提取繁雜、產(chǎn)品澄清困難、產(chǎn)品的純化困難等難題。近年來,國產(chǎn)高?;暗王;Y冷膠生產(chǎn)技術已趨于成熟,一些技術難題已經(jīng)解決,產(chǎn)品性價比也已高于國外產(chǎn)品,如河北鑫合生物化工有限公司。
  
  目前國內(nèi)對結冷膠的基礎研究及應用研究都做得很不夠,而很多結冷膠應用技術僅掌握在少部分專業(yè)復配廠家的手中。目前國內(nèi)對結冷膠尤其是高?;Y冷膠的應用研究還不夠,國外對結冷膠尤其是高?;Y冷膠的研究主要是結合西方飲食特點的食品等產(chǎn)品展開研究,如很多國外消費者喜歡攝食脆性果凍,而我國消費者就很不喜歡食用脆性果凍,喜歡彈性果凍。如何將國產(chǎn)結冷膠尤其是高酰基結冷膠結合我國特色食品或傳統(tǒng)食品進行應用研究是擺在我國膠體行業(yè)科技人員面前的一個重要課題。在加強理論研究的同時,加大有關應用的研究,相信高酰結冷膠會有較好的發(fā)展前景。
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