[科普中國(guó)]-凝結(jié)多糖

簡(jiǎn)介

它是由日本大阪大學(xué)原田教授等人在1964年從土壤中分離出來(lái)的一種名為Alcaligenesfacealis var．myxogenes(10C3)的細(xì)菌產(chǎn)生的(后來(lái)發(fā)現(xiàn)Agrobacte—rium屬的許多保存菌株都可以產(chǎn)生該多糖)。凝結(jié)多糖有許多特殊性質(zhì)，該糖可形成熱不可逆凝膠，具有食用和多種工業(yè)用途。1989年，日韓開(kāi)始用它作食品膠。美國(guó)FDA于1996年準(zhǔn)許將其作為食品的穩(wěn)定劑、增稠劑用于食品配料中。凝結(jié)多糖因此成為繼黃原膠、結(jié)冷膠之后第三個(gè)經(jīng)FDA批準(zhǔn)的發(fā)酵生產(chǎn)的食品用多糖，這為凝結(jié)多糖的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了更為廣闊的空問(wèn)。凝結(jié)多糖的應(yīng)用與食品開(kāi)發(fā)也達(dá)到了一個(gè)新的水平。日本、加拿大等國(guó)已有生產(chǎn)，在日本和中國(guó)臺(tái)灣已被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于許多食品中。中國(guó)江蘇省食品發(fā)酵研究所采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)凝結(jié)多糖的工藝已基本完成工業(yè)性的試驗(yàn)，致力于實(shí)際工業(yè)化生產(chǎn)的前期準(zhǔn)備工作。

分子結(jié)構(gòu)凝結(jié)多糖是由400-500 個(gè) D-葡萄糖殘基通過(guò)β-1，3-D-葡萄糖苷鍵構(gòu)成的線性葡聚糖，2完全分子式為(C6H10O5)。n通常為250以上，其分子量約44000～100000，無(wú)支鏈結(jié)構(gòu)。它的一級(jí)結(jié)構(gòu)(圖1)

是個(gè)長(zhǎng)鏈。凝結(jié)多糖由于分子內(nèi)部的相互作用與分子間氫鍵的結(jié)合可形成更為復(fù)雜的三級(jí)結(jié)構(gòu)。X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)，凝結(jié)多糖具有β一三股螺旋結(jié)構(gòu)。凝結(jié)多糖在加熱成高強(qiáng)度膠時(shí)，是右手6疊3股螺旋體，能形成穩(wěn)定的硬棒結(jié)構(gòu)。

凝結(jié)多糖不溶于水及許多有機(jī)溶劑，但可溶解于堿液、蟻酸、二甲基亞砜，通常易溶于能破壞氫鍵的物質(zhì)的水溶液中。其紅外吸收光譜顯示出β一鍵的特征，在波數(shù)890cm -1處有吸收峰。凝結(jié)多糖易于被剛果紅和苯胺藍(lán)染色而不被甲苯胺藍(lán)和次甲基藍(lán)染色，染色性穩(wěn)定，其染色性與凝結(jié)多糖濃度和聚合度成比例。凝結(jié)多糖具有觸變體性質(zhì)，將其水懸濁液緩慢加熱，其黏度在54℃附近急劇上升，62℃附近達(dá)到一定，在78℃前后再一次升高，且黏度隨溫度上升而升高。凝結(jié)多糖是一種不被人體消化、不產(chǎn)生熱量的一種極其安全的多糖類(lèi)添加劑，毒性實(shí)驗(yàn)經(jīng)口投入10g/kg的凝結(jié)多糖未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。3

性質(zhì)凝結(jié)多糖的懸浮液經(jīng)加熱可形成無(wú)色、無(wú)味道、無(wú)氣味的凝膠，它不同于一般的膠凝劑，除加熱外，還需要其他條件使之形成凝膠(如加熱后冷卻，ca計(jì)的存在，或特定的pH和蔗糖濃度)。凝結(jié)多糖這種獨(dú)特的凝膠特性，使它在食品工業(yè)中具有特殊用途。3

凝膠的形成凝結(jié)多糖根據(jù)加熱的溫度不同可形成兩種不同性質(zhì)的凝膠。將其水分散液(2%以上)加熱到54～80℃，然后降溫到40℃，可形成一種熱可逆的低強(qiáng)度凝膠，重新加熱到70℃，膠會(huì)再溶解，這一性質(zhì)類(lèi)似瓊脂。如果將凝結(jié)多糖加熱到80℃以上(80～130℃)幾分鐘，即形成一種熱不可逆的高強(qiáng)度凝膠，冷卻到室溫后重新加熱也不會(huì)溶解。形成的熱不可逆凝膠室溫下質(zhì)感較脆硬，加熱蒸煮時(shí)硬度下降，彈性不會(huì)下降，久煮不會(huì)溶解或軟爛。3

影響凝膠強(qiáng)度因素a．濃度對(duì)凝結(jié)多糖凝膠強(qiáng)度有一定影響

隨著凝結(jié)多糖濃度的增加，其強(qiáng)度升高，從大約3%時(shí)開(kāi)始，凝膠強(qiáng)度急劇上升，高于同濃度下瓊脂的強(qiáng)度，其凝膠性質(zhì)介于瓊脂的脆性和明膠的延展性之問(wèn)。

b．酸堿度對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響

凝結(jié)多糖對(duì)酸堿度的適應(yīng)性很強(qiáng)，在pH2～10范圍內(nèi)都具有良好的凝膠形成性。

c．無(wú)機(jī)鹽對(duì)凝膠強(qiáng)度的影響 各種無(wú)機(jī)鹽類(lèi)對(duì)凝結(jié)多糖的凝膠強(qiáng)度幾乎無(wú)影響，但Na2B407可顯著增強(qiáng)凝膠強(qiáng)度。3

凝膠的性質(zhì)凝結(jié)多糖凝膠在冷凍和解凍下均能保持穩(wěn)定，這一特性使它在眾多的膠凝劑中脫穎而出。Yukihiro Nakao等人研究表明，將多糖凝膠置于4℃下保藏20h對(duì)凝膠強(qiáng)度無(wú)影響，將凝結(jié)多糖、瓊脂、卡拉膠經(jīng)冷凍(一40℃)解

凍處理后，凝結(jié)多糖的凝膠強(qiáng)度變化甚微，而瓊脂、卡拉膠的凝膠強(qiáng)度分別為1/10和1/5左右，且凝膠塊變成海綿狀質(zhì)構(gòu)，解凍后失水。

凝結(jié)多糖凝膠具有極強(qiáng)的包油性，將3%凝結(jié)多糖和各種濃度的玉米油混合液均質(zhì)后，在95℃、10min加熱時(shí)，隨著含油量的增加，其凝膠強(qiáng)度和脫水率均減少。當(dāng)含油量達(dá)到24%時(shí)，凝膠在生成過(guò)程和生成后仍不發(fā)生油分離。將含油凝膠夾在兩板間壓榨，僅能除去部分水分，油仍殘留在干燥物中，含量可達(dá)85%，并且此干燥物質(zhì)吸水而恢復(fù)凝膠狀態(tài)。另外，β一蒎烯、沉香醇等樟腦類(lèi)物質(zhì)和脂溶性維生素都可以包含于凝結(jié)多糖凝膠，都可以得到去除水后的干燥物，而這些疏水性物質(zhì)并不受到損失。

將凝結(jié)多糖的非加熱凝膠進(jìn)行壓榨去除水分，可以得到干燥薄片，這種薄片易吸水膨脹形成再生凝膠，利用此性質(zhì)可以制得各種可食性薄片和速食果凍。將含有15%凝結(jié)多糖的NaOH水溶液，用制膜設(shè)備擠出到酸性溶劑中可以制得凝膠狀薄膜，并可對(duì)其進(jìn)行干燥調(diào)制等。這種薄膜呈透明狀，在熱水中易膨脹但不溶，其強(qiáng)度是纖維素薄膜的1/3～1/4。因此適宜于作為各種食品用薄膜。3

制備菌種1965年大阪產(chǎn)業(yè)大學(xué)的原田教授等從土壤中分離出10C3，并發(fā)現(xiàn)此菌株產(chǎn)一種胞外琥珀酸葡聚糖，這種葡聚糖的發(fā)酵液的黏度很大，且這種多糖加熱到100℃時(shí)形成凝膠，并確定了它普遍適用的培養(yǎng)基成分。1966年，原田教授 等人又發(fā)現(xiàn)了10C3的自發(fā)突變株(10C3K)，它不同于親株產(chǎn)琥珀酸

葡聚糖，而是產(chǎn)生一種不溶的胞外多糖，這種多糖完全由D一葡萄糖殘基經(jīng)β一葡萄糖苷鍵在C一1和C一3連接形成線性的β一(1—3)葡聚糖，此后，發(fā)現(xiàn)此多糖能被靛藍(lán)專一性染色。1983年加拿大多倫多大學(xué)的勞福德和菲利普斯等人在對(duì)ATCC21680限氮連續(xù)培養(yǎng)中得到一株高產(chǎn)的自發(fā)突變菌株ATCC31749。

生產(chǎn)凝結(jié)多糖的菌株的典型世系如圖2

國(guó)內(nèi)，何國(guó)慶等從稻田土壤中分離篩選出數(shù)株產(chǎn)堿桿菌菌株，并對(duì)其進(jìn)行了γ射線輻照與硝基胍誘變處理，獲取了一株多糖產(chǎn)量高、性能好的凝結(jié)多糖生產(chǎn)菌株C125。他們又利用60上標(biāo) Coγ射線對(duì)產(chǎn)生凝結(jié)多出發(fā)菌株GM24的菌體細(xì)胞與原生質(zhì)體分別進(jìn)行輻照處理，發(fā)現(xiàn)60 C07射線對(duì)GM24原生質(zhì)體的誘變效應(yīng)明顯優(yōu)于對(duì)其菌體細(xì)胞的作用。3

凝結(jié)多糖發(fā)酵培養(yǎng)基葡萄糖是制備凝結(jié)多糖的最佳碳源。蔗糖和玉米淀粉是凝結(jié)多糖工業(yè)化生產(chǎn)中的最佳選擇材料。凝結(jié)多糖是一種次級(jí)代謝產(chǎn)物，在菌體生長(zhǎng)的穩(wěn)定期合成，氮源的相對(duì)不足有利于它的大量合成。在某種簡(jiǎn)單的特定培養(yǎng)基中，維持pH中性，高濃度的碳源可轉(zhuǎn)化為高產(chǎn)量(50%)的凝結(jié)多糖；在僅含D一葡萄糖和碳酸鈣，無(wú)氮源的培養(yǎng)基中，細(xì)胞懸浮液也可合成凝結(jié)多糖。產(chǎn)生的凝結(jié)多糖可利用它的水不溶性加以分離。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，較為理想的成分配比為：葡萄糖50.0g，酵母粉8.0g，K2HP04 0.1g，(NH4)2HPO4 0.8g，MgS04 0．3g，檸檬酸鉀0.3g，F(xiàn)eCl3O 0.25g，pH自然。3

制備工藝由胞外多糖(EPS)圍繞細(xì)胞以黏性聚合物形式形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此在凝結(jié)多糖的生產(chǎn)過(guò)程中，難以將胞外多糖與細(xì)胞分離，即使大量稀釋也很難分離。3提取過(guò)程如圖三

應(yīng)用在食品行業(yè)應(yīng)用凝膠多糖由于其良好的加工適應(yīng)性如保水性、耐冷凍性、耐熱性、粘結(jié)性和成膜性等功能而被廣泛地應(yīng)用于食品工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。各種適用于不同食品的特殊制劑已得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用 。凝膠多糖既可以作為食品添加劑又可作為食品主成分應(yīng)用到食品中。4

1.1在肉制品中的應(yīng)用

凝膠多糖在50～60℃的水分吸收率最大，這一性質(zhì)使它適于應(yīng)用在肉制品中。在肉類(lèi)加工中，凝膠多糖能改善香腸和火腿的持水性，在漢堡包中加入0.2～1%的凝膠多糖，烹調(diào)后形成松軟、多汁和高產(chǎn)量的漢堡包。另外，利用其薄膜形成性，在漢堡包、炸雞等表面覆膜，使燒烤過(guò)程中產(chǎn)品的重量損失降低，肉汁多而且口感香滑柔軟。其覆膜方法是將5%凝膠多糖、0.5%淀粉、94.5%水混合分散均勻，將被覆食品在其中浸漬5～15s，取出后在125～130℃油浴中加熱30～40s，去油冷卻，然后急速冷凍或冷藏，調(diào)理時(shí)可再行加熱烘烤或油炸。

1.2在面制品中的應(yīng)用

凝膠多糖應(yīng)用于中華面、蕎麥面、切面時(shí)，可以增強(qiáng)面制品面條的硬度、彈性、粘度等，改善口感、抑制熱水溶脹、減少煮爛、減輕湯汁混蝕。使用量為小麥粉的0.3～1%，常用量0.4%。調(diào)制時(shí)先將凝膠多糖與小麥粉混合均勻，再與其它原料混合均勻制面。豆腐是日本和中國(guó)的傳統(tǒng)食品，它具有柔軟的質(zhì)構(gòu)，將4%的凝膠多糖與豆腐凝固劑混合使用于豆乳中，擠壓加熱可制得豆腐面，賦予它不同的質(zhì)構(gòu)，并且還可將豆腐進(jìn)行高溫消毒，也可冷藏。

1.3在水產(chǎn)制品中的應(yīng)用

凝膠多糖用于水產(chǎn)制品，如魚(yú)肉糕、油炸魚(yú)肉糕、魚(yú)肉圓、冷凍魚(yú)肉糜等，可以增強(qiáng)制品彈性、有咬頭，同時(shí)使其硬度增加便于成型操作。使用量一般為魚(yú)肉糜量0.7%。使用時(shí)先將凝膠多糖調(diào)制成低強(qiáng)度凝膠，再加入魚(yú)肉糜中。

1.4在烘烤制品中的應(yīng)用

利用凝膠多糖的保濕保鮮和保型特點(diǎn)，也可將其添加到糕點(diǎn)如蛋糕、奶酪餅等中。加工時(shí)外觀不凹陷，加工后保濕性良好，即使進(jìn)行冷藏也不會(huì)產(chǎn)生老化發(fā)沙現(xiàn)象，使用量一般0.1～0.4%。凝膠多糖用于面包、餡餅的流動(dòng)性餡心，由于膠凝作用可使其保持適當(dāng)?shù)男螤?，便于操作。改變其添加量可?duì)其硬度和保型性進(jìn)行調(diào)節(jié)。如蜂蜜、奶油、沙司類(lèi)風(fēng)味餡心，使用量一般為2～5%。

1.5在冷凍制品中的應(yīng)用

凝膠多糖作為穩(wěn)定劑應(yīng)用于冰淇淋可提高其保型性。將凝膠多糖與其它穩(wěn)定劑合用效果最好。使用量一般為0.2～0.3%。一種冰淇淋的配方和操作要點(diǎn)如下：全脂煉乳12、脫脂乳粉8.0、無(wú)鹽奶油15.5、砂糖3.0、飴糖5.0、蛋黃1.0、乳化劑（OM）0.2、香料（香蘭素）0.1、水55、凝膠多糖0.2。先將其混合后熱處理達(dá)85℃，均質(zhì)（100MPa）

1.6在其它制品中的應(yīng)用

凝膠多糖用于草莓醬、蜂蜜和蛋黃醬等粘稠而不易操作的風(fēng)味物，可以制作草莓片、蜂蜜片和蛋黃醬片等，這些薄片可以直接作為風(fēng)味小食品食用，也可以用于夾心、夾餡、卷壽司芯等。蔬菜、水果、肉類(lèi)制品都可以用凝膠多糖制成薄片狀食品。這些食品可進(jìn)行冷凍保存，并且在使用時(shí)加熱也不溶化。凝膠多糖作為生產(chǎn)素食香腸的關(guān)鍵組分，使這種香腸具有全脂香腸的質(zhì)構(gòu)味道和口感。它還可代替干酪制品中的脂肪防止酸乳酪和低脂酸性稀奶油的脫水收縮。大多數(shù)乳加工的巴氏殺菌溫度對(duì)凝膠多糖的凝膠是合適的。還可將凝膠多糖用于制作綠茶風(fēng)味的果凍，這種果凍可冷凍保藏，食用前以微波加熱。凝膠多糖含膳食纖維98.6%，可用作低熱、減肥、防止便秘等的功能性食品配料，生產(chǎn)保健食品。

在化工工業(yè)應(yīng)用化工中所用的凝膠柱的填充料一般為葡聚糖。已經(jīng)有科學(xué)家研究了用凝結(jié)多糖代替葡聚糖作為柱中的填料，并取得了較好的分離效果。國(guó)外已開(kāi)始生產(chǎn)用于此用途的凝結(jié)多糖。凝結(jié)多糖和活性炭制備的混合料可以有效地去除中草藥中的重金屬元素，對(duì)于傳統(tǒng)中藥開(kāi)發(fā)尤為有利；而在化妝品工業(yè)中作為增稠劑、懸浮劑、穩(wěn)定劑、保濕劑以及流變性改進(jìn)劑也很有效，因而可應(yīng)用于各種類(lèi)型的化妝品中。3

凝膠多糖發(fā)展凝膠多糖是一種新的微生物多糖，具有很多獨(dú)特的功能。自1997年美國(guó)的衛(wèi)生組織批準(zhǔn)凝膠多糖作為食品添加劑以來(lái)，凝膠多糖的功能性質(zhì)在食品工業(yè)得到淋漓盡致的體現(xiàn)，而且應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大。除應(yīng)用于食品工業(yè)外，最近有科學(xué)家研究了用凝膠多糖代替葡聚糖作為柱中的填料應(yīng)用于化工行業(yè)，取得了較好的分離效果。

目前國(guó)外已開(kāi)始生產(chǎn)用于此用途的凝膠多糖。在化妝品工業(yè)中凝膠多糖作為增稠劑、懸浮劑、穩(wěn)定劑、保濕劑以及流變性改進(jìn)劑也很有效，因而可應(yīng)用于各種類(lèi)型的化妝品中。據(jù)專家分析，凝膠多糖的需求將以30%的速度增長(zhǎng)，世界形勢(shì)處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。而中國(guó)對(duì)凝膠多糖的研究還處在認(rèn)識(shí)階段，離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的一段距離，因此加快對(duì)凝膠多糖的開(kāi)發(fā)對(duì)調(diào)整中國(guó)的農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值、增加農(nóng)民收入有重要作用。4