結(jié)冷膠的成膠特性及應(yīng)用研究進展
孟岳成 洪倫波 陳波 王偉潮
浙江工商大學(xué)食品生物與環(huán)境工程
浙江天偉生化工程有限公司
摘要：本文綜述了結(jié)冷膠的凝膠特性，凝膠機制和流變學(xué)特性，對結(jié)冷膠的凝膠原理、顯微結(jié)構(gòu)也進行了闡述，并介紹了結(jié)冷膠復(fù)配體系的特點及其應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：結(jié)冷膠；凝膠性質(zhì)；流變性；微觀結(jié)構(gòu)；應(yīng)用
Gelation Properties and Application of the Gellan Gum
Abstract: This paper reviewed the gelatin characteristics, gelation mechanism and rheological properties of gellan gum, it also expatiate the principle and microstructure network of the gelation, the property of complex gellan gum and prospect of application were also introduced .
Key words: gellan gum; gelation ;rheological property; microstructure; application
1.前言
結(jié)冷膠(gellan gum)是一種微生物多糖，是伊樂藻假單胞桿菌(Pudomonas elodea)，后確認(rèn)為少動鞘脂單胞菌(Sphingomonas paucimobilis)所產(chǎn)生的胞外多糖。它于1987年由美國Kelco公司生產(chǎn)制造，1992年獲得FDA認(rèn)證，是可應(yīng)用于食品的微生物胞外多糖。結(jié)冷膠為相對分子質(zhì)量高達100萬左右的陰離子型線形多糖，具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，結(jié)冷膠的單糖分子組成是葡萄糖、鼠李糖和葡萄糖醛酸，分子組成大約為2：1：1[1]。
結(jié)冷膠具有凝膠形成能力強、透明度高、耐酸耐熱性能好,在室溫下，結(jié)冷膠有很強的保水能力，在4℃儲存4個月水分損失率僅是1?2%。在食品領(lǐng)域主要用作增稠劑、穩(wěn)定劑、凝結(jié)劑、懸浮劑和成膜劑，它能夠賦予食品一種令人愉悅的質(zhì)地和口感。
2、凝膠性質(zhì)
2.1離子
結(jié)冷膠能溶于冷水，在90℃以上更易溶解，添加一定量鹽離子，溶液冷卻至大約30-35℃轉(zhuǎn)變成凝膠
[2]。結(jié)冷膠凝膠強度對離子的類型、原子價和濃度都很敏感，隨著離子和膠濃度的增加，凝膠強度增加；但離子濃度超過一定的范圍，凝膠強度又開始下降，即根據(jù)膠濃度的不同，存在一個最適鈣離子的用量。結(jié)冷膠對鈣、鎂離子敏感，鈉鹽和鉀鹽也能形成凝膠但是用量比較大，大約0.5mmol/L濃度的鈣離子和鎂離子就相當(dāng)于約150mmol/L的鉀離子和鈉離子能在0.5%凝膠中產(chǎn)生最大的模量。鉀離子和鈣離子在促進結(jié)冷膠凝膠上無協(xié)同作用，因為少量的Ｋ＋不能使結(jié)冷膠鏈形成足夠量的氫鍵連接，同時又減弱了Ca2＋的作用，而當(dāng)Ｋ＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定程度時，反過來溶液中就主要以Ｋ＋為主體，但由于Ca2＋的存在，二者互相競爭不能形成有序的雙螺旋，影響凝膠的強度［3］。
2.2溫度
結(jié)冷膠對溫度、酸、酶都有很強的抗性，溫度上升時結(jié)冷膠粘度迅速下降，但冷卻后粘度又能完全恢復(fù)，當(dāng)溫度降低到凝膠溫度后迅速形成凝膠，高于凝膠溫度時，結(jié)冷膠溶解在水溶液中是無序的卷曲，冷卻到某一特定的溫度時，轉(zhuǎn)變成大致協(xié)調(diào)的雙螺旋構(gòu)象。結(jié)冷膠的凝膠溫度和融化溫度相差很大，凝膠溫度在30-40℃左右，而融化溫度高達120℃，這對于結(jié)冷膠的應(yīng)用非常有利。冷卻速度對凝膠也有影響，較低保溫溫度(0℃～4℃)形成彈性
凝膠，成膠速度快，而較高保溫溫度(10℃)形成的凝膠彈性較小，而且凝膠的延遲期很長，一般形成凝膠后放置幾小時才會達到最大的強度[4]。
3、結(jié)冷膠凝膠機制
結(jié)冷膠溶于水后，分子之間會自動聚集形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，兩條分子鏈以右旋方式形成并行的螺旋，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的作用力主要是分子間氫鍵，雙螺旋進一步聚集可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［5］。結(jié)冷膠的凝膠機制認(rèn)為是陽離子引發(fā)的雙螺旋間的聚合交連，陽離子促進分子內(nèi)的交聯(lián)作用、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)和加速雙螺旋形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)冷膠分子的羧基側(cè)鏈由于靜電相互作用而互相排斥,這阻礙了螺旋的緊密聚集，而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?jǐn)?shù)的提高，凝膠強度也隨之提高；但過多的陽離子又會阻礙結(jié)冷膠雙螺旋結(jié)構(gòu)的有序聚集，減弱凝膠，所以當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過一定限度，又會使凝膠強度下降。
3.1鉀離子的凝膠模型
Y.Yuguchi等(2002)研究了鉀鹽對結(jié)冷膠結(jié)構(gòu)特征的作用，通過加入金屬鹽，結(jié)冷膠水溶液
漸漸形成凝膠，表明凝膠特性依賴于鹽的種類和濃度，在低濃度的鹽離子存在下，凝膠產(chǎn)生了單層平坦的粒子聚合結(jié)構(gòu)，然后進一步添加鹽離子就會形成并排的雙螺旋聚合，組成了多層聚合結(jié)構(gòu)[6]，如圖1所示：
4.流變學(xué)性質(zhì)
結(jié)冷膠水溶液粘度隨濃度的升高增大，溫度升高而減小，pH值影響很小。結(jié)冷膠在0.01%～0.04%的范圍呈假塑性流體特性，當(dāng)結(jié)冷膠含量大于0.05%時，則基本上呈凝膠狀液體[7]。低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)冷膠的流變學(xué)類型接近Cross模型，該體系具有剪切稀化性、觸變性及屈服應(yīng)力，三者均隨結(jié)冷膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大。結(jié)冷膠流變學(xué)特性依賴于膠體濃度，溶液溫度，45℃，1.5%的體系中觀呈現(xiàn)牛頓特性； 5-20℃，0.5%的溶液呈非牛頓特性[8]。不添加鹽離子的結(jié)冷膠溶液表現(xiàn)出牛頓特性，添加單價和二價鹽離子，有很強的
非牛頓特性，如表現(xiàn)出屈服應(yīng)力、觸變性和高度的剪切稀釋特征，這些是典型的“流體凝膠”特征。
5.微觀的結(jié)冷膠觀察
5.1激光共聚焦顯微鏡觀察
用激光共聚焦顯微鏡觀察結(jié)冷膠時，要用熒光素共價標(biāo)記結(jié)冷膠，研究結(jié)冷膠與其他多糖混合物的微觀結(jié)構(gòu)時，可以用FITC標(biāo)記結(jié)冷膠，羅單明B標(biāo)記多糖聚合物。
激光共聚焦顯微鏡觀察證明了低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的結(jié)冷膠是由離子誘導(dǎo)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其密度取決于結(jié)冷膠的濃度，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的加強隨著結(jié)冷膠濃度增加。結(jié)冷膠在很低的濃度(0.005%)，含CaCl2濃度10mmol/dm3時，體系已經(jīng)形成了初始纖細(xì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著結(jié)冷膠濃度的升高，體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更連續(xù)、更密集。結(jié)冷膠濃度達0.5%時，形成結(jié)實的、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[9]。
5.2電鏡觀察[10]
結(jié)冷膠的微觀結(jié)構(gòu)反應(yīng)了它在較長時間范圍的穩(wěn)定性，如在長時間儲存后的保水性、質(zhì)構(gòu)穩(wěn)定性，氯化鈣濃度不同，結(jié)冷膠的微觀結(jié)構(gòu)存在差別，因此保水性、穩(wěn)定性也不同。用電鏡觀察不同鈣離子濃度的結(jié)冷膠凝膠結(jié)構(gòu)，可觀察出不連續(xù)的孔分布在膠體中。較大的孔是由粗實的凝膠網(wǎng)絡(luò)形成，較小的孔是由細(xì)薄的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的。當(dāng)鈣離子濃度達到特定值，形成尺寸最小的孔，然而此時也是凝膠強度由彈性轉(zhuǎn)向脆性的點。在臨界鈣濃度之外，減少鈣濃度，孔的尺寸增大；增加鈣離子濃度，孔的尺寸也增大，網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)變厚，大孔的粗實的連結(jié)鏈結(jié)構(gòu)能承受更大得外力，而小孔結(jié)構(gòu)有更好的保水性能，如圖2所示：
( a ) ( b )
( c ) ( d )
圖2：電鏡圖片，1%的結(jié)冷膠和(a)4,(b)6,(c)20,(d)60mM Ca2+
6.結(jié)冷膠復(fù)配的混合體系的研究
6.1高?；?/span>(HA)和低酰基(LA) 混合結(jié)冷膠的特點
結(jié)冷膠有3種典型的基本類型，即天然結(jié)冷膠、低酰基結(jié)冷膠、低酰基純化結(jié)冷膠［11］。天然結(jié)冷膠的主鏈上因為連接有?；?，使得它所形成的凝膠柔軟，富有彈性而且粘著力強。脫酰基結(jié)冷膠由于主鏈上的?；糠只蛉勘怀?，使得分子間空間阻礙作用明顯減弱，形成凝膠能力增強，具有強度大、易脆裂的特點。
雖然高?；Y(jié)冷膠體比低?；Y(jié)冷膠膠體柔軟，但是在高溫下高酰基結(jié)冷膠比低?；Y(jié)冷膠在構(gòu)象上更有次序，因此高酰基結(jié)冷膠的結(jié)構(gòu)本質(zhì)卻更穩(wěn)定。兩者混合時，高?；Y(jié)冷膠含量越多保水性、彈性越好，混合膠可形變能力可達到低?；Y(jié)冷膠的四倍，凝膠溫度也高于低酰基結(jié)冷膠，從而可見高?；?低?；谋壤龑δz體性質(zhì)的影響比較大［12］［13］。
6.2 蔗糖對結(jié)冷膠的影響[14][15]
6.2.1 對凝膠溫度的影響
凝膠溫度通常因添加蔗糖而增加，每增加10%的蔗糖，凝膠溫度增加1.5?3℃，但是如果蔗糖和陽離子濃度都很高，則凝膠溫度減小。
6.2.2 對凝膠透明度的影響
結(jié)冷膠在水溶液中雙螺旋鏈延伸、交錯形成“連結(jié)區(qū)域”，在凝膠點時，連結(jié)區(qū)域的長度是5.63nm，隨著凝膠過程的發(fā)生，不斷形成連結(jié)區(qū)域，并且結(jié)冷膠雙螺旋會有序地填充到已
形成的連結(jié)區(qū)域，因此當(dāng)完全凝膠時，連結(jié)區(qū)域可達到70nm。向結(jié)冷膠水溶液中加入蔗糖，可以增加溶液的粘度，從而阻止結(jié)冷膠雙螺旋進入“連結(jié)區(qū)域”，從而減小連結(jié)區(qū)域，連接區(qū)域越小透明度越好，因此添加蔗糖可顯著增加凝膠的透明度。
6.2.3 對凝膠質(zhì)構(gòu)的影響
蔗糖是甜點和糖果中主要的原料，能夠影響凝膠質(zhì)構(gòu)。低陽離子濃度下，添加蔗糖可增加膠體強度，但是高陽離子濃度下，添加蔗糖會減弱膠體強度。鈣離子和蔗糖在穩(wěn)定膠體網(wǎng)絡(luò)的有序結(jié)構(gòu)中起到相互補充的作用，當(dāng)凝膠強度所需的鈣離子達到飽和時，添加少量的蔗糖會使結(jié)冷膠分子過度凝聚，導(dǎo)致屈服特征強度降低。
6.3木糖葡聚糖和結(jié)冷膠混合物的凝膠化
6.3.1 協(xié)同作用
結(jié)冷膠和木糖葡聚糖（xyloglucan）分別在0.5%w/w和0.75%w/w時不能形成凝膠體，但是0.05%w/w的結(jié)冷膠和0.7%w/w的木糖葡聚糖混合物能形成凝膠，這說明了結(jié)冷膠和木糖葡聚糖有協(xié)同作用［16］。
6.3.2二者關(guān)系結(jié)構(gòu)
二元多糖凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為四種：性質(zhì)相反的兩種多糖形成相分離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；兩種多糖纏在一起形成的連結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；不存在分子間連接、非相分離的，形成的一種多糖在另一種多糖形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中間的膨脹網(wǎng)絡(luò)。因為在混合物中只有結(jié)冷膠能形成類似纖維結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，Cairns（1987）認(rèn)為 木糖葡聚糖/結(jié)冷膠體系屬于膨脹的網(wǎng)絡(luò)體系，木糖葡聚糖居住在結(jié)冷膠所形成的網(wǎng)絡(luò)的空隙內(nèi)，并且使網(wǎng)絡(luò)膨脹開[17]。
7.結(jié)冷膠的應(yīng)用
由于結(jié)冷膠優(yōu)越的凝膠性能，目前已逐步取代瓊脂、卡拉膠的使用。結(jié)冷膠廣泛的應(yīng)用在食品中，如布丁，果凍，白糖，飲料，奶制品，果醬制品，面包填料，表面光滑劑，糖果，糖衣，調(diào)味料等。也用在非食品產(chǎn)業(yè)中，如微生物培養(yǎng)基，藥物的緩慢釋放，牙膏等。
結(jié)冷膠可以增強面制品面條的硬度、彈性、粘度，業(yè)有改善口感、抑制熱水溶脹，減少斷面和減輕湯汁渾濁等作用，加入到制作餅干的面團中，也可以起到改良餅干的層次，使餅
干具有良好的疏松度的作用；結(jié)冷膠作為穩(wěn)定劑應(yīng)用于冰淇淋可提高保型性；用于蛋糕、奶酪餅中，具有保濕、保鮮和保形的效果；結(jié)冷膠應(yīng)用于糖果，可以給產(chǎn)品提供優(yōu)越的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，并縮短淀粉軟糖膠體形成的時間； 也可用于替代果膠制備果醬和果凍，也能用于糕點和水果餡餅填料中；在肉制品和蔬菜類制品的加工過程中，添加結(jié)冷膠會使其具有清爽的品味，起到彌補產(chǎn)品口味不足的良好作用。
