结冷胶(Gellan Gum)是通过微生物发酵方法生产得到的多糖胶原凝胶剂, 过去称为杂多糖PS- 60, 于20世纪70年代末发现, 但直到1982年才出现有关结冷胶实验室规模发酵生产成功的报道。美国Kelco 公司利用伊乐假单胞菌(Pseudomonas elodea)为生产菌把结冷胶作为一项产品, 继黄原胶之后开发的食品微生物多糖之一, 其某些特性优于黄原胶, 美国FAD和欧洲等国家都批准了结冷胶在食品中的应用。中国1996年也批准了结冷胶作为食品添加剂在食品中的应用。由于结冷胶可以在极低的用量下产生凝胶,0.25%的用量就可以达到琼脂1.5%的用量和卡拉胶1%的用量的凝胶强度, 现己逐步代替琼脂和卡拉胶在食品工业上的应用。
1 结冷胶的结构与特性
1.1 结冷胶的结构组成:结冷胶是在有氧条件下由伊乐假单胞菌(Pseudomonas elodea)产生的, 后确认为少动鞘脂单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)。结冷胶多糖的主链上具有四糖重复单元, 依次为D- 葡萄糖, D- 葡萄糖醛酸、D- 葡萄糖及L- 鼠李糖(或甘露聚糖)。其中结冷胶产品有两种存在形式: 一种是天然的结冷胶(也称高酰基结冷胶), 另一种是低酰基结冷胶(也称脱酰基结冷胶)。它们的主体分子结构是相同的, 都是上述四糖重复单元构成的高分子糖类化合物。天然结冷胶与脱酰基结冷胶在结构上的区别主要在于: 天然结冷胶的每个重复单元平均有一个酰基连接在葡萄糖分子上, 其酰基分为两类:一类是以β- 1,3键连接在葡萄糖分子的第6个碳原子上的乙酰基, 另一类是以β- 1,3键连接在葡萄糖分子的第2个碳原子上的甘油基, 其中甘油基平均比例是乙酰基的2倍。天然结冷胶的主链上因为连接有酰基, 使它形成的凝胶柔软, 富有弹性而且黏着力强, 与黄原胶和刺槐豆胶的性能相似, 低酰基结冷胶(天然结冷胶在pH10或更高情况下加热处理获得的产品)分子结构中的酰基全部或部分被去除, 使得分子间空间阻碍作用明显减弱, 形成凝胶的能力增强, 因此具有强度大、易脆裂的特点, 与卡拉胶、琼胶的凝胶特性相似, 在工业上一般采用低酰基结冷胶。K Nakajina等人通过显微镜观察, 确定结冷胶多糖链平行排列成半交错的互相缠绕的双螺旋结构,每个多糖链形成一个左手三叠螺旋, 两条螺旋通过氢键相互作用来稳定。结冷胶的水溶液与黄原胶比较, 表现出明显的低剪切率和良好的热稳定性。
1.2 结冷胶的特性结冷胶干粉呈朱黄色, 无特殊的滋味和气味,约150℃时不经熔化而分解。结冷胶的结构和性质非常稳定。
R Mao[5]等对结冷胶的稳定性进行了研究,发现经过4个月于4℃保藏的结冷胶其显微结构和水的含量几乎没有变化(水的含量大约减少1%～2%)。结冷胶的某些特性优于黄原胶, 在0.01%～0.04%的范围内呈假塑性流体特性, 当使用量>0.05%, 即可形成澄清透明的凝胶, 0.25%的使用量就可以达到琼脂1.5%的使用量和卡拉胶1%的使用量所产生的凝胶强度, 通常用量为0.1%～0.3%, 只有卡拉胶用量和琼脂用量的1/5～1/2。结冷胶当有电解质存在时可形成凝胶, 在结冷胶的热溶液中加入一定量的电解质(通常为钙、镁盐)冷却后得到凝胶。与琼脂凝胶类似, 结冷胶也有凝胶温度与融化温度之差, 融化温度值也与体系中的离子浓度及种类有关, 其范围在70～130℃之间, 使用含钙离子0.03%的0.2%结冷胶溶液, 凝胶的融化温度就可高达120℃以上。研究者将各种酶(包括果胶酶、淀粉酶、纤维素酶、木瓜蛋白酶、脂肪酶等)添加到结冷胶溶液中,发现酶对结冷胶溶液的黏度及凝胶强度无影响, 而且结冷胶的胶体具有非常良好的透明性及牢固性,可代替琼脂作为微生物培养基的胶凝剂。结冷胶也适合与其他胶体联合使用于食品加工, 赋予产品有独特的口感和风味, 其使用前景非常广阔。
2 结冷胶的发酵生产
结冷胶的产生菌少动鞘脂单胞菌, 是从植物体中分离获得的一种好氧的革兰阴性菌。能在以葡萄糖、蔗糖、麦芽糖等糖类作碳源, 含无机或有机氮源及磷酸盐和微量元素的培养基中生长, 其最适培养温度为30℃国内外众多学者对结冷胶的产生菌种、生产培养基、发酵条件等做了大量的研究。West等分离出了Spaucimobilis一个抗氨苄的突变株, 通过与原菌株比较, 生产结冷胶的水平要比原菌株高大约1.4倍以上。彭志英等分离获得一株少动鞘脂单胞菌S1, 并优化了该菌产胞外多糖的工艺条件。Fialho等, 比较了葡萄糖、乳糖和新鲜的干酪乳清等碳源对Spaucimobilis发酵生产结冷胶的影响, 发现最佳的碳源为葡萄糖。Jin等[12]研究发现, NH4NO3会抑止结冷胶的合成, 用廉价的豆油代替昂贵的蛋白胨为氮源时, 在没有NHNO3存在下的产量提高了3倍。温度是影响微生物生长和产物合成的一个重要因素。West研究了温度对Spaucimobilis发酵生产结冷胶的影响, 结果表明, 结冷胶发酵的最适温度为30～31℃, 若温度下降到28℃或升高到33℃时, 结冷胶的产量与最适温度下的产量相比大约下降50%, 而菌体生长的最适温度为31℃。培养基初始pH值也是微生物发酵生产的一个重要的控制条件。West等研究发现Spaucimobilis发酵生产结冷胶最佳的pH值在6.8～7.4之间。K Madhavan等也进行了该项研究(初始pH为4、5、6、7、8、9),食品添加剂得出最适初始pH为7.0。结冷胶是高黏性的代谢产物, 发酵液中胞外多糖以黏性聚合物形式构成网状结构, 微生物细胞被包裹其中, 这给后提取工艺中菌体、色素及杂质的去除带来很大的难度。传统的提取方法是将发酵液适当稀释以降低其黏度, 然后通过反复离心分离和冲洗去除菌体和杂质, 取上清液用异丙醇或乙醇沉淀多糖。有效方法还有: 在发酵液中不加搅拌地摘加一定量的表面活性剂进行相分离, 然后回收包含较纯多糖的上清液。比较适宜的表面活性剂有十二烷基磺酸钠(SDS), 以15g/L的浓度添加到多糖的溶液中。
3 结冷胶在食品工业中的应用
结冷胶是用生物发酵方法得到的多糖胶质凝胶剂, 具有很多优点, 如用量低, 透明度高, 香气释放能力强, 耐酸, 耐酶等优点。在食品工业中, 结冷胶除作为一种胶凝剂外, 更重要的是它可以提供优良的质地和口感, 可以保证胶体非常澄清。结冷胶可用于改进食品组织结构、液体营养品的物理稳定性及食品贮藏和烹调过程中的持水能力。
3.1 在果冻、果酱中的应用通常果冻、果酱的制造是使用果胶、卡拉胶和海藻酸钠, 用结冷胶替代作为胶凝剂, 不仅可以降低使用量, 而且可获得更佳的质构和口感。果酱中固形物含量为38%, 结冷胶用量0.2%即可制得完美的低固形果酱, 若使用低甲氧基果胶或卡拉胶, 用量分别为0.8%和1.0%。
3.2 在糕点、乳制品中的应用
结冷胶在乳制品中主要用于提供优质的凝胶和稠度, 如酸乳制品中加入结冷胶可消除絮凝及改进品感的作用, 冰淇淋中添加0.1%～0.2%的结冷胶可提高其保型性; 在软性蛋糕中具有保湿、保鲜和保形效果, 还可防止冷藏时发生老化现象, 添加量为0.1%～0.2%。油脂是饼干生产的主要原料, 它可以使饼干具有良好的层次, 调节产品风味, 使产品具有良好的疏松度。一般用于饼干生产的油脂多为饱和脂肪酸, 如氢化猪油、人造奶油、氢化棉籽油等。但是这些油脂摄入过多对人体不利, 可以用结冷胶来减少饱和脂肪酸的用量。用3%的结冷胶加上0.2%柠檬酸钠盐溶解于去离子水中, 加热混合液到90℃, 然后将热的结冷胶溶液加入到制作饼干的面团中, 也可以起到改良饼干的层次, 使饼干具有良好的疏松度的作用。
3.3 肉制品
在肉制品的加工过程中添加结冷胶后会使产品具有清爽的口味, 起到弥补产品品味不足的良好作用, 经常食用香肠等脂肪含量多的食品容易引起冠心病、高血脂等疾病, 但是脱脂对香肠的组织结构、风味和货架期都会产生不利影响, Kuo-Wei Lin等人在脱脂法兰克富香肠中加入一定量的魔芋胶和结冷胶的复配物, 以此复配物代替被脱去的脂肪, 发现香肠的组织结构、风味和货架期都得到改善, 接近未脱脂的香肠。以这个方法不仅得到“健康食品”,而且还不影响香肠的品质。
4 前景展望
展望结冷胶是目前国际上性能最为优越的生物胶之一, 具有独特的理化性质, 集增稠、悬浮及乳化稳定性等功能于一体, 已广泛用于食品、饮料、化妆品、洗涤剂、陶瓷、等20多个行业。结冷胶的生产成本比黄原胶略高一些, 而销售价格却是黄原胶的2倍, 高达34美元/kg, 这说明结冷胶具有极高的商业价值和广阔的市场前景。目前只有美国Kelco公司在生产。琼脂和卡拉胶在食品工业中的世界用量约为50000～80000t, 中国约15000～25000t。如果20%用结冷胶代替琼脂和卡拉胶, 则全世界用量约为10000t。目前美国销到日本的结冷胶每年约2000t, 预测中国近年需求量能达到2000t以上。结冷胶的独特性质,在食品工业中应用前景看好。（来源：互联网）