徐思思,胡炎華,黃金鑫

(廊坊梅花生物技術(shù)開發(fā)有限公司,河北 廊坊 065001)

黃原膠特性及其在食品和復(fù)配膠中的應(yīng)用

徐思思,胡炎華,黃金鑫

(廊坊梅花生物技術(shù)開發(fā)有限公司,河北 廊坊 065001)

黃原膠具有剪切稀釋、懸浮乳化、增稠、耐鹽、耐酸堿、耐高溫等獨(dú)特性能,被廣泛應(yīng)用于石油開采、化工、醫(yī)藥、食品等多種行業(yè).簡要介紹了黃原膠的基本結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝流程、性質(zhì)和在食品及復(fù)配膠中的應(yīng)用,重點(diǎn)論述了黃原膠在肉制品、面制品、飲料中的應(yīng)用及與卡拉膠、刺槐豆膠和魔芋膠的配伍性.

黃原膠;性質(zhì);食品;復(fù)配膠;應(yīng)用

黃原膠又稱漢生膠、黃膠,是由野油菜黃單胞菌(Xanthomonascampestris)以碳水化合物為主要底物,經(jīng)好氧發(fā)酵產(chǎn)生的一種酸性胞外雜多糖.黃原膠于1952年由美國農(nóng)業(yè)部伊利諾斯洲皮奧里爾北部地區(qū)研究所發(fā)現(xiàn)并命名[1].1969年,FDA批準(zhǔn)黃原膠為食品添加劑.1987年我國將黃原膠列為食品添加劑使用,由于其成本低廉、性能卓越,很快被食品工業(yè)廣泛接受,并逐漸應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域.黃原膠是一種天然的懸浮劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、增稠劑、膜成型劑,是目前國際上生產(chǎn)規(guī)模最大且用途最廣泛的微生物多糖.

1 黃原膠特性

1.1 黃原膠結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝流程

黃原膠一般為白色或者淺黃色粉末,無味、無臭、無毒、食用安全、易溶于水.黃原膠由五糖重復(fù)單元組成,主鏈為兩分子D-葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵連接,側(cè)鏈為D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、D-甘露糖三糖單元[2].其中連接主鏈的甘露糖在C-6被乙?；?側(cè)鏈末端的甘露糖4,6位C上連接一個丙酮酸基團(tuán).它的一級結(jié)構(gòu)是由β-1,4糖苷鍵連接的葡萄糖基主鏈與三糖單位的側(cè)鏈組成,側(cè)鏈含羧酸帶負(fù)電荷,反向纏繞主鏈,構(gòu)成纖維素骨架的線性結(jié)構(gòu),呈鋸齒狀.二級結(jié)構(gòu)是側(cè)鏈繞主鏈骨架反向纏繞,通過氫鍵維系形成棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu).三級結(jié)構(gòu)是棒狀雙螺旋結(jié)構(gòu)間靠微弱的非共價鍵形成的螺旋復(fù)合體[3].黃原膠結(jié)構(gòu)式為

黃原膠的生產(chǎn)工藝經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展,現(xiàn)已較為成熟,其生產(chǎn)工藝流程主要分為菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)、發(fā)酵和提取三部分.菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)是黃原膠生產(chǎn)的第一道工序,常用的生產(chǎn)菌株為黃單胞菌屬幾個種,目前工業(yè)化生產(chǎn)用的菌株主要是野油菜黃單胞菌(X.campestris),直桿狀、有單個鞭毛、可移動、革蘭氏陰性、好氧.常用的培養(yǎng)基是YM培養(yǎng)基以及YM-T培養(yǎng)基[4].黃原膠的發(fā)酵主要是以玉米淀粉為碳源,以魚粉、豆餅粉為氮源,以CaCO3作為pH調(diào)節(jié)劑,并在一定量的消泡劑存在下,經(jīng)野油菜黃單胞菌好氧深層發(fā)酵得到發(fā)酵液[5].工業(yè)級黃原膠由發(fā)酵液粗提即可實(shí)現(xiàn),食品級、藥用級黃原膠在發(fā)酵液預(yù)處理基礎(chǔ)上還要經(jīng)過固液分離、沉淀和干燥等步驟,分離黃原膠的方法有醇沉法、鹽醇沉法和膜分離等.其中,醇沉法是分離提純黃原膠最簡捷的方法,常用的沉淀劑有甲醇、乙醇和異丙醇等低級醇[6].黃原膠的提取還涉及菌體的去除,一般通過化學(xué)方法(如堿、次氯酸鹽、酶等)、機(jī)械方法或熱處理[7].

黃原膠的生產(chǎn)要注意很多因素,培養(yǎng)基(碳源、氮源、生長因子的不同選擇)、培養(yǎng)條件(溫度、pH、溶氧量、攪拌速度等)、反應(yīng)器類型和操作方法(連續(xù)發(fā)酵或間歇發(fā)酵)等均會對黃原膠的生產(chǎn)造成影響[8].目前工業(yè)上常用的發(fā)酵培養(yǎng)基應(yīng)包含大量元素(碳源、氮源)和小量元素(鉀、鐵、鈣鹽等).其中最常用碳源是葡萄糖和蔗糖,常用培養(yǎng)溫度為28～30 ℃,常用的生物反應(yīng)器為攪拌型發(fā)酵罐,采用“一鍋法”進(jìn)行黃原膠發(fā)酵生產(chǎn)[9].

1.2 黃原膠性質(zhì)

1.2.1 水溶性和增稠性

黃原膠是親水膠體,不需要加熱就可以在水中有很好的溶解性,水合速度較快.但如果黃原膠加入過程中攪拌不充分,外層分子吸水膨脹,水分子不能完全進(jìn)入,就會形成結(jié)塊,因此黃原膠一般建議跟干料混勻后使用,或者在預(yù)混過程中保持低水合速率,緩慢均勻加入.

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的黃原膠水溶液的黏度是明膠的100倍[10],當(dāng)黃原膠作為增稠劑加入體系中時,其所帶的負(fù)電荷會與原膠束體表面活性劑產(chǎn)生電荷作用,降低同性電荷間的排斥力,從而改變膠束形狀,增加運(yùn)動阻力,進(jìn)而增大體系黏稠度.胡建國等[11]研究發(fā)現(xiàn)黃原膠水溶液的線性黏彈區(qū)范圍幾乎與質(zhì)量濃度無關(guān),應(yīng)變小于20%的區(qū)域都是其線性黏彈區(qū).

1.2.2 懸浮性和乳化性

黃原膠分子的三級結(jié)構(gòu)是超結(jié)合帶狀的螺旋共聚體,可通過微弱的共價鍵構(gòu)成類似膠體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而增大物質(zhì)的運(yùn)動阻力,可以起到支撐體系的作用,使得固體顆粒、液滴和氣泡等懸浮起來,凸顯出很強(qiáng)的乳化穩(wěn)定性和懸浮性[12].

1.2.3 假塑性

黃原膠是典型的非牛頓流體,具有良好的觸變性、流動性,在低剪切速率下,黃原膠水溶液弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不被破壞,保持較高黏度,隨著剪切速率增加黃原膠的弱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞,剪切變稀,表現(xiàn)出很強(qiáng)的假塑性,這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不是真正的凝膠而是剪切可逆的[13].黃原膠的這種獨(dú)特性質(zhì)可使產(chǎn)品易于混合、傾倒,另外還能改善食物的口感.

1.2.4 穩(wěn)定性

黃原膠在10～80 ℃時其黏度基本不變,有著很好的熱穩(wěn)定性,并且在一定的溫度范圍內(nèi)(-4～93 ℃)進(jìn)行反復(fù)加熱冷凍,其黏度幾乎不受影響[14].黃原膠同樣有著突出的耐酸、耐堿、耐鹽穩(wěn)定性,在pH 2～12時,黏度幾乎不受影響,可與許多鹽相溶,耐受質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% KCl,10% CaCl2溶液[15],可用于高酸、高堿和高鹽體系.另外,黃原膠聚合物骨架周圍纏繞的側(cè)鏈可使它免受攻擊,故許多種酶類(如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和果膠酶等)均不能降解黃原膠,表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性.

1.2.5 配伍性

黃原膠可與大多數(shù)合成或天然的增稠劑進(jìn)行配伍,如和刺槐豆膠、瓜爾豆膠、卡拉膠及魔芋膠等都能互溶,混溶后可使混合膠黏度顯著提高,與刺槐豆膠配伍后還可以形成凝膠,下文將會詳細(xì)介紹黃原膠與卡拉膠、刺槐豆膠、魔芋膠的配伍性.黃原膠與刺槐豆膠復(fù)配凝膠結(jié)構(gòu)為

2 黃原膠的應(yīng)用

2.1 黃原膠在食品中的應(yīng)用

按照我國食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn),黃原膠最大使用量為0.5～1.0 g/kg.由于黃原膠的熱穩(wěn)定性、耐酸堿耐鹽、增黏度、剪切稀釋性等特性,可應(yīng)用于食品中作為食品黏合劑、熱穩(wěn)定劑、乳化劑、填充劑等.在調(diào)味料中加入黃原膠有利于保持液體的流動性;在冷凍食品中添加黃原膠可以使產(chǎn)品具有良好的抗熱收縮性和口感;在焙烤食品中添加黃原膠可以使焙烤食品保持一定的濕度,改善其口感,延緩淀粉老化,延長焙烤食品的儲藏期和貨架期.此外,黃原膠還可廣泛用于罐頭食品、雞肉、火腿、通心粉、餅干和點(diǎn)心等制品中.下面將簡單介紹黃原膠在肉制品、面制品、飲料中的應(yīng)用.

2.1.1 黃原膠在肉制品中的應(yīng)用

在肉制品中添加食用膠可以顯著改善肉制品的持水性、增加蛋白分子間的黏合作用,并賦予肉制品更好的口感,提高產(chǎn)量.因此,食用膠已經(jīng)成為肉制品中不可缺少的添加劑,其中要數(shù)黃原膠的應(yīng)用最為廣泛.這主要是由于黃原膠本身并非一種膠凝性多糖,它最大的用途是可顯著增加體系黏度即形成弱凝膠結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以提高食品或其他產(chǎn)品水包油型乳狀液的穩(wěn)定性[16].方紅美等[17]對比了黃原膠與卡拉膠對牛肉品質(zhì)的影響,結(jié)果表明:使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的黃原膠浸泡牛肉,可使牛肉肉質(zhì)變嫩,pH值增加,之后將牛肉冷藏處理,產(chǎn)品保水性效果顯著,蒸煮損失減少,且綜合各項(xiàng)檢測指標(biāo)得出添加黃原膠要優(yōu)于卡拉膠.趙百忠等[18]將黃原膠用于火腿腸的加工中,通過感官評價和冷藏處理,發(fā)現(xiàn)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的黃原膠感官評價分?jǐn)?shù)最高,冷藏后產(chǎn)品失水性最小,這說明黃原膠可充分乳化產(chǎn)品中的水和油,可顯著抑制淀粉回生現(xiàn)象,防止一般產(chǎn)品凍藏后發(fā)散、發(fā)渣、淀粉返生等問題.張科等[19]以豬肉和鴨肉為原料制作重組肉,利用質(zhì)構(gòu)儀擠壓測定持水力,結(jié)果也證實(shí)了通過冷水分散添加后,黃原膠可與肉中蛋白質(zhì)形成高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠,從而顯著提升肉的持水力及水分活度,使更多的自由水存留于蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)間隙中.

2.1.2 黃原膠在面制品中的應(yīng)用

任英杰[20]綜述了黃原膠在食品中的應(yīng)用,提到黃原膠在面制品中可改善面筋的持水率,弱化粉質(zhì)拉伸特性,降低面粉起始糊化溫度,增大面條的硬度、黏合性和咀嚼性,改善其蒸煮特性各項(xiàng)指標(biāo).范鵬輝[21]將黃原膠添加到冷凍面團(tuán)中,通過電鏡掃描圖觀察到當(dāng)黃原膠添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.375%時,面筋蛋白-黃原膠復(fù)合體系網(wǎng)孔孔徑較未添加黃原膠時明顯縮小,且分布較為均勻,可均勻分散面筋蛋白體系中的水分,這也是黃原膠的添加可以增強(qiáng)面筋蛋白-黃原膠復(fù)合體系持水性的主要原因.李紹虹[22]通過電鏡掃描圖,也證實(shí)了添加0.33%黃原膠(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的復(fù)合食品膠添加劑確實(shí)可以使冷凍面團(tuán)與沒有添加劑、沒有冷凍的新鮮面團(tuán)更為接近,裂紋比較少,結(jié)構(gòu)均勻,同時可使淀粉均勻地分散在蛋白質(zhì)之間,有利于蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的形成,進(jìn)而增大面團(tuán)的筋力.牛猛[23]在研究全麥面粉品質(zhì)改良時,提到通過電鏡掃描圖可以在微觀結(jié)構(gòu)中看到添加黃原膠后面條結(jié)構(gòu)的連續(xù)性明顯改善,面筋結(jié)構(gòu)緊密性增加,未被包裹的淀粉顆粒明顯減少.而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的黃原膠后通過質(zhì)構(gòu)分析顯示,黃原膠對面條質(zhì)構(gòu)的改善是因?yàn)樗陨淼挠H水作用以及與淀粉分子的交聯(lián),使淀粉分子間聚合作用增加,蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與淀粉顆粒連接更加緊密,從而提高了面條結(jié)構(gòu)的牢固性.裴旭東[24]也通過感官評價的方法,發(fā)現(xiàn)面條中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的黃原膠,可以很大程度改善面條的適口性、韌性、表觀、黏性和光滑性等.

2.1.3 黃原膠在飲料品中的應(yīng)用

黃原膠用于飲料可有效地延長果肉飲料的懸浮時間,提高水果和巧克力飲料的穩(wěn)定時間[25],方修貴等[26]在綜述懸浮型果粒飲料的原理及研究時,提到加入0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以黃原膠為主的復(fù)合膠體可以使懸浮果粒果汁飲料的穩(wěn)定性最好,且黏度適中,無明顯凝膠現(xiàn)象.谷俊華等[27]在綜述黃原膠在軟飲料中的應(yīng)用中提到,黃原膠可以解決杏仁露在生產(chǎn)和貯藏中經(jīng)常出現(xiàn)的沉淀和分層問題,且黃原膠融變性好,使用量少,不會影響果汁的風(fēng)味和口感.在碳酸飲料中還可以穩(wěn)定氣體,防止二氧化碳溢出.曹衛(wèi)春等[28]在酸性乳飲料中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%的羧甲基纖維素鈉(CMC),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的不同來源的黃原膠,結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加少量黃原膠可以使酸性乳飲料變得更穩(wěn)定或更不穩(wěn)定,這主要依賴于黃原膠的來源.邵金良等[29]在植物蛋白飲料中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%的黃原膠,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)定性良好,在口感上有很大優(yōu)勢.

2.2 黃原膠在復(fù)配膠中的應(yīng)用

黃原膠是一種應(yīng)用非常廣的增稠劑,與其他膠體配伍后有很強(qiáng)的協(xié)同增效作用,這主要是由于黃原膠分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)極易和含有β-1,4糖苷鍵的膠體分子發(fā)生嵌合作用,從而在溶液中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使體系的表觀黏度明顯提高,也可產(chǎn)生凝膠效應(yīng),因此黃原膠在復(fù)配膠中應(yīng)用廣泛,下面簡單介紹黃原膠與卡拉膠、刺槐豆膠、魔芋膠復(fù)配后的應(yīng)用.

2.2.1 黃原膠與卡拉膠復(fù)配

蔡為榮等[30]研究了黃原膠與卡拉膠進(jìn)行復(fù)配后應(yīng)用于蒸煮火腿,認(rèn)為當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的復(fù)配膠后其凝膠強(qiáng)度得到提升,口感更加滑潤,蒸煮火腿的口感得到改善,并且復(fù)合磷酸鹽的用量降低,從而使得蒸煮火腿更加健康.李龍偉等[31]將黃原膠和卡拉膠復(fù)配后應(yīng)用在果凍中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)黃原膠與卡拉膠復(fù)配質(zhì)量比為1∶10,總膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.1%時果凍的感官評分最高,此時果凍的成型性、彈性、脆性均較好,且色澤均勻、半透明、組織狀態(tài)良好、口感細(xì)膩、酸甜適宜.陳哲敏等[32]研究了魔芋膠、κ-卡拉膠與黃原膠復(fù)配膠在肉丸中的應(yīng)用效果,得出當(dāng)魔芋膠、κ-卡拉膠與黃原膠的最佳質(zhì)量配比為1.3∶1.0∶0.3,總膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時,肉丸的質(zhì)感、析水性和口感得到了一定改善.

2.2.2 黃原膠與刺槐豆膠復(fù)配

黃原膠與刺槐豆膠都是非凝膠的親水膠體,但將兩者在總濃度很低的情況下進(jìn)行混合,會發(fā)生協(xié)同作用,此時可以凝膠,且凝膠冷凍-解凍穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性是較強(qiáng)的[33].Sandolo等[34]研究了黃原膠與刺槐豆膠的協(xié)同作用,表明混合膠所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)類型取決于兩者的比例及熱處理?xiàng)l件,刺槐豆膠與黃原膠的質(zhì)量比為1∶1時,混合膠可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);質(zhì)量比為1∶3時,較低溫度下可以檢測到凝膠點(diǎn),在較高溫度下只能觀測到弱凝膠;而質(zhì)量比為1∶9時,在較高溫度下就可檢測到凝膠點(diǎn).侯團(tuán)偉[35]指出:黃原膠與刺槐豆膠的側(cè)鏈發(fā)生相互作用形成凝膠結(jié)構(gòu),凝膠能力的大小取決于其側(cè)鏈的數(shù)量及分布,具有較少的半乳糖側(cè)鏈及較多光滑區(qū)域的刺槐豆膠與黃原膠的相互作用會更加強(qiáng)烈.郭守軍等[36]也證實(shí)了黃原膠和槐豆膠有著強(qiáng)烈的協(xié)效增稠性,復(fù)配膠的黏度隨著濃度的升高而升高,復(fù)配膠溶液的最佳加熱溫度和加熱時間分別為60 ℃和60 min.魏燕霞等[37]同樣研究了黃原膠與刺槐豆膠復(fù)配后體系的流變性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)刺槐豆膠與黃原膠的復(fù)配質(zhì)量比為2∶3時,復(fù)配體系的黏度最大,pH值為6.0～10.0時,其黏度變化較小,保持相對穩(wěn)定,這使得其復(fù)配膠在果凍等凝膠食品中應(yīng)用最為廣泛.

2.2.3 黃原膠與魔芋膠復(fù)配

王元蘭等[38]將黃原膠與魔芋膠進(jìn)行復(fù)配,研究復(fù)配體系的流變特性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)黃原膠與魔芋膠質(zhì)量配比為7∶3,總膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時,協(xié)同效應(yīng)達(dá)到最大值.在升高溫度后由于無序分子也不斷增多,復(fù)配膠黏度會隨著制備溫度的升高而下降,但流變特性變好,因此在制備時應(yīng)注意溫度的控制.陳志行等[39]的研究也證實(shí)溫度對黃原膠與魔芋膠復(fù)配的影響較大,當(dāng)黃原膠與魔芋膠質(zhì)量比為1∶1,溫度由20 ℃升至40 ℃時復(fù)配膠的黏度下降較快,在40～80 ℃時復(fù)配膠黏度下降緩慢.當(dāng)改變復(fù)配膠的混合比例,黏度隨溫度的變化趨勢也不同.而將黃原膠與魔芋膠復(fù)配應(yīng)用于食品也較為普遍.王琳等[40]通過粒度分布儀測定乳濁液中粒子大小分布來確定黃原膠與魔芋膠復(fù)配后對花生乳穩(wěn)定性的影響,研究表明:黃原膠與魔芋膠復(fù)配使用,可顯著提高花生乳的表觀黏度,能較好地解決花生蛋白不穩(wěn)定、沉降速度快的問題;當(dāng)黃原膠與魔芋膠質(zhì)量比為3∶2,總膠質(zhì)量濃度為0.36 g/L時,花生乳的穩(wěn)定效果最好.

3 結(jié) 論

本文綜述了黃原膠的特性、性能及其應(yīng)用,黃原膠的發(fā)現(xiàn)較早,各方學(xué)者對黃原膠的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生產(chǎn)工藝等研究已經(jīng)日趨完善,現(xiàn)今研究焦點(diǎn)主要聚集在黃原膠的應(yīng)用方面.在國內(nèi)外市場,黃原膠不僅應(yīng)用在食品工業(yè)中,在石油鉆探、紡織印染、陶瓷加工、醫(yī)藥和日用化妝品等行業(yè)中也有著廣泛的應(yīng)用.通過綜述黃原膠在食品及復(fù)配膠中的應(yīng)用,發(fā)現(xiàn)添加黃原膠能改善肉制品、面制品及飲料的品質(zhì),且黃原膠可與多種親水性膠體進(jìn)行復(fù)配,復(fù)配后其應(yīng)用性能顯著提升,且復(fù)配膠能夠降低用量和成本,這都是單一膠體無法比擬的優(yōu)勢.因此,筆者認(rèn)為黃原膠復(fù)配后有更好的發(fā)展前景.

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(責(zé)任編輯：朱小惠)

Characteristics of xanthan gum and its application in food and compound gums

XU Sisi, HU Yanhua, HUANG Jinxin

(MeiHua Biotech (Langfang) Co., Ltd., Langfang 065001, China)

Xanthan gum has the properties of shear dilution, suspension emulsification, thickening, resistance to salt, acid, alkali and high temperature, which is widely used in petroleum exploitation, chemical, pharmaceutical, food and many other industries. This review briefly describes the basic structure, process, properties of xanthan and its application in food and compound gums, especially the application of xanthan gum in meat products, flour products and beverages, as well as its compatibility with carrageenan, locust bean gum and konjac gum.

xanthan gum; properties; food; compound gums; application

2016-11-28

徐思思(1992—),女,河北保定人,碩士,研究方向?yàn)槭称饭こ?E-mail:18744021336@163.com.

TS202.3

A

1674-2214(2017)01-0045-05