鞘氨醇胶S s胶凝条件及质构特性的研究

黄海东，李晓雁，段娜，靳然

（天津农学院农学系，天津300384）

食品胶是一种能够增加食品黏度或形成凝胶的添加剂，按来源可分为植物胶、动物胶、微生物胶、海藻胶和化学改性胶。与其它来源的食品胶相比，微生物胶性能优越、用途广泛、资源取之不竭，而且生产周期短、不受气候、地理环境和自然灾害的影响[1－2]。在食品工业被广泛使用的微生物胶包括黄原胶、结冷胶等，其中由少动鞘氨醇单胞菌（Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461）合成的结冷胶具有胶凝用量少，凝胶性能优越，透明度高，风味释放能力强，食用时提供优良的质地和口感等优点，目前已逐步替代琼脂、卡拉胶，在饮料、面包、乳制品、果酱、果冻等产品中广泛使用，是极具发展前景的一类微生物源食品胶[3－4]。

近年来，研究者发现鞘氨醇单胞菌属的很多菌株都能合成微生物胶，它们的多糖主链结构相似，但侧链基团种类多样，被统称为鞘氨醇胶（Sphingans）[5]，包括结冷胶、温轮胶、鼠李胶、迪特胶、S－88等。Ss是鞘氨醇胶的一个新品种，具有增稠和剪切稀释性，并且能形成凝胶，其合成菌株TP－3是鞘氨醇单胞菌属的一个新种 Sphingomonas sanxanigenens sp.nov.[6－7]。本文对鞘氨醇胶Ss的胶凝条件和凝胶质构特性进行研究，为这种新型微生物胶的深入开发和在食品领域的应用提供理论参考和技术手段。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

菌种：Sphingomonas sanxanigenens sp.nov.TP－3。

斜面培养基（g/L）：葡萄糖 10.0，蛋白胨 5.0，牛肉粉 3.0，酵母粉 3.0，琼脂粉 15.0，pH7.0～7.5。

种子培养基（g/L）：葡萄糖 12.0，蛋白胨 2.5，酵母粉 1.5，pH7.0。

初始发酵培养基（g/L）：葡萄糖40.0，蛋白胨2.5，硫酸镁0.5，磷酸二氢钾1.5，碳酸钙1.5，pH7.0。

化学试剂：NaCl、KCl、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O、FeSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、MnSO4·7H2O等均为分析纯。

1.1.2 主要仪器

Biofuge高速冷冻离心机：Heraeus公司；BCM－1 000 A生物洁净工作台：苏州安泰；LRH－150B生化培养箱：广东医疗器械厂；HYG－III回旋式摇床：上海新蕊公司；HH－Z4恒温水浴：郑州长城科工贸公司；TA.XT2i质构仪：英国 Stable microsys公司；PHS－3C 型数字酸度计：上海鹏顺公司；光学数码显微镜：日本Nikon公司；LGJ－18S真空冷冻干燥器：北京松源华兴公司。

1.2 方法

1.2.1 发酵流程

1.2.1.1 菌种活化

取－70℃保藏菌种划线接种到平板上，30℃恒温静置培养72 h；挑取单菌落在试管斜面培养基上划线，30℃恒温培养72 h。

1.2.1.2 种子培养

用移液器取5 mL无菌水将菌苔从斜面培养基上冲洗下来，并转移到装有100 mL种子培养基的250 mL锥形瓶中，30℃，180 r/min振荡培养24 h。

1.2.1.3 摇瓶发酵

以5%接种量将种子培养物接入装有100 mL发酵培养基的250 mL锥形瓶中，30℃，180 r/min振荡培养72 h。

1.2.2 产物提取

将发酵液稀释10倍，10 000 r/min离心30 min，去除不溶物；上清液中加入0.8 mol/L的盐酸，调节pH至3.0左右，用玻璃棒搅拌并充分振荡，鞘氨醇胶Ss即凝集沉淀下来。将沉淀的Ss放入透析袋中，流水透析至中性，60℃烘干至恒重，粉碎，得到鞘氨醇胶Ss产物。

1.2.3 Ss溶液的制备

称取一定量的Ss粉末，溶解于适量的去离子水中，搅拌使之分散均匀，4℃溶胀过夜，恢复至室温待测。

1.2.4 Ss凝胶的制备

将预先制备的Ss溶液置于80℃水浴，保温15min，期间摇动容器使溶液受热均匀，室温静置12 h待测。

1.2.5 Ss凝胶质构特性的测定

采用0.5英寸柱形探头（P/0.5R）[8]；数据采集频率250 pps；测试程序设置为：

测试前速度：2.0 mm/s；测试速度：5.0 mm/s；测试后速度：5.0 mm/s；距离：10.0 mm；触发力：4.0 g。

2 结果与分析

2.1 鞘氨醇胶Ss的胶凝条件

按照1.2.2方法提取的Ss胶，浓度大于0.5%加热到80℃以上，冷却至室温后可以形成一种热可逆凝胶。将这种天然Ss胶溶液按照文献[9]的方法脱酰基后，0.4%的Ss胶即可形成凝胶。阳离子的加入有利于Ss凝胶的形成，例如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+，但 Fe3+和Al3+会影响Ss的溶解。实验表明，用2 mol/L NaOH将Ss溶液的pH调节到10，在80℃恒温震荡60 min，可以得到低酰基Ss样品，加入25 mol/L Ca2+后，这种低酰基Ss样品的最低胶凝浓度为0.15%，最低加热温度为70℃。

2.2 胶浓度对鞘氨醇胶Ss质构的影响

胶浓度对鞘氨醇胶Ss质构的影响见图1。

鞘氨醇胶Ss凝胶的形成与其浓度密切相关，在0.2%～0.5%的浓度之间，Ss水溶液形成一种预凝胶状态，有良好的悬浮性能。在0.5%～1%范围内，Ss凝胶强度和弹性随着胶浓度的增加而增加，黏附性的增加则相对比较缓慢；当Ss浓度达到1.2%时凝胶质构参数都有不同程度的下降，这可能与高浓度Ss在水中难以溶解均匀有关。

2.3 pH对鞘氨醇胶Ss质构的影响

pH对鞘氨醇胶Ss质构的影响见图2。

Ss与报道过的其它鞘氨醇胶在化学组成上有所不同，其分子由糖、脂、肽结合组成，加入乙醇或异丙醇无法使其沉淀，而Ss肽组分中高比例的酸性氨基酸使其对低pH不稳定，可以采用低成本的酸沉法提取。这种特殊的化学组成使Ss凝胶对低pH敏感，在pH 4和5的条件下，凝胶致密因而硬度和弹性显著增加；随着pH升高，特别是pH＞10后，Ss化学结构中的酯键断裂，凝胶的硬度、弹性和黏附性开始逐渐降低。

2.4 放置条件对鞘氨醇胶Ss质构的影响

为检测Ss凝胶的稳定性，将0.5%的Ss溶液80℃保温15 min后，放置在4、20、30℃条件下，定时检查凝胶的质构参数。结果表明，温度对凝胶的黏附性影响不大；对凝胶硬度有较大影响，在4℃下Ss凝胶的硬度是20℃条件下的1.36倍和30℃条件下的1.45倍；20℃和30℃条件下的凝胶弹性相近，4℃条件下放置弹性提高35%。在不同条件下放置7 d，Ss凝胶的质构指标基本保持不变。

2.5 阳离子对鞘氨醇胶Ss质构特性的影响

阳离子对鞘氨醇胶Ss质构特性的影响见图3。

阳离子是影响Ss凝胶形成和质构特性的重要因素，阳离子的加入能减少Ss用量并改善凝胶的质构特性。为保证Ss样品的充分分散和溶解，在冷的去离子水中加入阳离子母液，进而溶解提取后的样品，使Ss的终浓度为 0.6%，Na+、K+、Zn2+、Mg2+、Ca2+的终浓度为0.5 mmol/L。制备胶凝样品后，质构测定表明：与对照相比，凝胶硬度、弹性和黏附性均有所提高，增效的顺序为 Ca2+＞Zn2+＞Na+＞Mg2+＞K+，其中 Ca2+和 Zn2+加入后，凝胶硬度分别为对照的2.40和2.32倍，弹性为对照的2.42和2.34倍，黏附性为对照的1.16和3.17倍。

进一步研究了增效最明显的阳离子Zn2+和Ca2+的最佳使用量，结果如图4、图5所示，加入5mmol/L的Zn2+对Ss凝胶的硬度和弹性指标增效最显著，分别达到19.48 g和22.35 g·s，是对照的3.05和2.88倍，加入2 mmol/L的Zn2+对Ss凝胶的黏附性增效最显著，达到6.84 g·s，是对照的 4.02 倍；加入 10 mmol/L 的 Ca2+对Ss凝胶的硬度和弹性指标增效最显著，分别达到17.73 g和 20.24 g·s，是对照的 2.78和 2.61倍，加入2 mmol/L的Ca2+对Ss凝胶的黏附性增效最显著，达到2.20 g·s，是对照的1.30倍。考虑到在食品中添加的安全性问题，Ca2+是鞘氨醇胶类溶液使用过程中常见的阳离子种类。

图4 钙离子加入量对凝胶质构特性的影响Fig.4 Textural properties with different calcium ion concentration

图5 锌离子加入量对凝胶质构特性的影响Fig.5 Textural properties with different zinc ion concentration

3 结论与讨论

鞘氨醇胶Ss是由鞘氨醇单胞菌属新种合成的一种新型微生物代谢胶，其发酵的产量转化率达到52%[10]，可以用酸沉的方法提取，与其他微生物胶用有机溶剂提取相比，具有显著的成本优势，已经用于石油开采的稠化水驱油及钻井泥浆的配制。本研究确定了Ss胶凝的临界浓度和临界温度，以硬度、弹性和黏附性为指标，研究了Ss浓度、pH、放置条件和添加阳离子对凝胶质构特性的影响，得到增效最明显的阳离子种类和添加量，为这种新型微生物胶用作食品添加剂提供了重要的数据支持。而一种新型微生物胶在食品领域的应用需要大量实验，例如该产物与其他食品胶的共混协效作用，以及低酰基产物的应用条件等仍有待进一步的深入研究。

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