黄原胶特性及其在食品和复配胶中的应用

徐思思,胡炎华,黄金鑫

(廊坊梅花生物技术开发有限公司,河北 廊坊 065001)

黄原胶特性及其在食品和复配胶中的应用

徐思思,胡炎华,黄金鑫

(廊坊梅花生物技术开发有限公司,河北 廊坊 065001)

黄原胶具有剪切稀释、悬浮乳化、增稠、耐盐、耐酸碱、耐高温等独特性能,被广泛应用于石油开采、化工、医药、食品等多种行业.简要介绍了黄原胶的基本结构、生产工艺流程、性质和在食品及复配胶中的应用,重点论述了黄原胶在肉制品、面制品、饮料中的应用及与卡拉胶、刺槐豆胶和魔芋胶的配伍性.

黄原胶;性质;食品;复配胶;应用

黄原胶又称汉生胶、黄胶,是由野油菜黄单胞菌(Xanthomonascampestris)以碳水化合物为主要底物,经好氧发酵产生的一种酸性胞外杂多糖.黄原胶于1952年由美国农业部伊利诺斯洲皮奥里尔北部地区研究所发现并命名[1].1969年,FDA批准黄原胶为食品添加剂.1987年我国将黄原胶列为食品添加剂使用,由于其成本低廉、性能卓越,很快被食品工业广泛接受,并逐渐应用到国民经济的各领域.黄原胶是一种天然的悬浮剂、乳化剂、稳定剂、增稠剂、膜成型剂,是目前国际上生产规模最大且用途最广泛的微生物多糖.

1 黄原胶特性

1.1 黄原胶结构及生产工艺流程

黄原胶一般为白色或者浅黄色粉末,无味、无臭、无毒、食用安全、易溶于水.黄原胶由五糖重复单元组成,主链为两分子D-葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接,侧链为D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、D-甘露糖三糖单元[2].其中连接主链的甘露糖在C-6被乙酰化,侧链末端的甘露糖4,6位C上连接一个丙酮酸基团.它的一级结构是由β-1,4糖苷键连接的葡萄糖基主链与三糖单位的侧链组成,侧链含羧酸带负电荷,反向缠绕主链,构成纤维素骨架的线性结构,呈锯齿状.二级结构是侧链绕主链骨架反向缠绕,通过氢键维系形成棒状双螺旋结构.三级结构是棒状双螺旋结构间靠微弱的非共价键形成的螺旋复合体[3].黄原胶结构式为

黄原胶的生产工艺经过半个世纪的发展,现已较为成熟,其生产工艺流程主要分为菌种的扩大培养、发酵和提取三部分.菌种的扩大培养是黄原胶生产的第一道工序,常用的生产菌株为黄单胞菌属几个种,目前工业化生产用的菌株主要是野油菜黄单胞菌(X.campestris),直杆状、有单个鞭毛、可移动、革兰氏阴性、好氧.常用的培养基是YM培养基以及YM-T培养基[4].黄原胶的发酵主要是以玉米淀粉为碳源,以鱼粉、豆饼粉为氮源,以CaCO3作为pH调节剂,并在一定量的消泡剂存在下,经野油菜黄单胞菌好氧深层发酵得到发酵液[5].工业级黄原胶由发酵液粗提即可实现,食品级、药用级黄原胶在发酵液预处理基础上还要经过固液分离、沉淀和干燥等步骤,分离黄原胶的方法有醇沉法、盐醇沉法和膜分离等.其中,醇沉法是分离提纯黄原胶最简捷的方法,常用的沉淀剂有甲醇、乙醇和异丙醇等低级醇[6].黄原胶的提取还涉及菌体的去除,一般通过化学方法(如碱、次氯酸盐、酶等)、机械方法或热处理[7].

黄原胶的生产要注意很多因素,培养基(碳源、氮源、生长因子的不同选择)、培养条件(温度、pH、溶氧量、搅拌速度等)、反应器类型和操作方法(连续发酵或间歇发酵)等均会对黄原胶的生产造成影响[8].目前工业上常用的发酵培养基应包含大量元素(碳源、氮源)和小量元素(钾、铁、钙盐等).其中最常用碳源是葡萄糖和蔗糖,常用培养温度为28～30 ℃,常用的生物反应器为搅拌型发酵罐,采用“一锅法”进行黄原胶发酵生产[9].

1.2 黄原胶性质

1.2.1 水溶性和增稠性

黄原胶是亲水胶体,不需要加热就可以在水中有很好的溶解性,水合速度较快.但如果黄原胶加入过程中搅拌不充分,外层分子吸水膨胀,水分子不能完全进入,就会形成结块,因此黄原胶一般建议跟干料混匀后使用,或者在预混过程中保持低水合速率,缓慢均匀加入.

质量分数为1%的黄原胶水溶液的黏度是明胶的100倍[10],当黄原胶作为增稠剂加入体系中时,其所带的负电荷会与原胶束体表面活性剂产生电荷作用,降低同性电荷间的排斥力,从而改变胶束形状,增加运动阻力,进而增大体系黏稠度.胡建国等[11]研究发现黄原胶水溶液的线性黏弹区范围几乎与质量浓度无关,应变小于20%的区域都是其线性黏弹区.

1.2.2 悬浮性和乳化性

黄原胶分子的三级结构是超结合带状的螺旋共聚体,可通过微弱的共价键构成类似胶体的网状结构,从而增大物质的运动阻力,可以起到支撑体系的作用,使得固体颗粒、液滴和气泡等悬浮起来,凸显出很强的乳化稳定性和悬浮性[12].

1.2.3 假塑性

黄原胶是典型的非牛顿流体,具有良好的触变性、流动性,在低剪切速率下,黄原胶水溶液弱网络结构不被破坏,保持较高黏度,随着剪切速率增加黄原胶的弱网络结构被破坏,剪切变稀,表现出很强的假塑性,这种网络结构不是真正的凝胶而是剪切可逆的[13].黄原胶的这种独特性质可使产品易于混合、倾倒,另外还能改善食物的口感.

1.2.4 稳定性

黄原胶在10～80 ℃时其黏度基本不变,有着很好的热稳定性,并且在一定的温度范围内(-4～93 ℃)进行反复加热冷冻,其黏度几乎不受影响[14].黄原胶同样有着突出的耐酸、耐碱、耐盐稳定性,在pH 2～12时,黏度几乎不受影响,可与许多盐相溶,耐受质量分数10% KCl,10% CaCl2溶液[15],可用于高酸、高碱和高盐体系.另外,黄原胶聚合物骨架周围缠绕的侧链可使它免受攻击,故许多种酶类(如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶和果胶酶等)均不能降解黄原胶,表现出了极高的稳定性.

1.2.5 配伍性

黄原胶可与大多数合成或天然的增稠剂进行配伍,如和刺槐豆胶、瓜尔豆胶、卡拉胶及魔芋胶等都能互溶,混溶后可使混合胶黏度显著提高,与刺槐豆胶配伍后还可以形成凝胶,下文将会详细介绍黄原胶与卡拉胶、刺槐豆胶、魔芋胶的配伍性.黄原胶与刺槐豆胶复配凝胶结构为

2 黄原胶的应用

2.1 黄原胶在食品中的应用

按照我国食品添加剂使用卫生标准,黄原胶最大使用量为0.5～1.0 g/kg.由于黄原胶的热稳定性、耐酸碱耐盐、增黏度、剪切稀释性等特性,可应用于食品中作为食品黏合剂、热稳定剂、乳化剂、填充剂等.在调味料中加入黄原胶有利于保持液体的流动性;在冷冻食品中添加黄原胶可以使产品具有良好的抗热收缩性和口感;在焙烤食品中添加黄原胶可以使焙烤食品保持一定的湿度,改善其口感,延缓淀粉老化,延长焙烤食品的储藏期和货架期.此外,黄原胶还可广泛用于罐头食品、鸡肉、火腿、通心粉、饼干和点心等制品中.下面将简单介绍黄原胶在肉制品、面制品、饮料中的应用.

2.1.1 黄原胶在肉制品中的应用

在肉制品中添加食用胶可以显著改善肉制品的持水性、增加蛋白分子间的黏合作用,并赋予肉制品更好的口感,提高产量.因此,食用胶已经成为肉制品中不可缺少的添加剂,其中要数黄原胶的应用最为广泛.这主要是由于黄原胶本身并非一种胶凝性多糖,它最大的用途是可显著增加体系黏度即形成弱凝胶结构的特点以提高食品或其他产品水包油型乳状液的稳定性[16].方红美等[17]对比了黄原胶与卡拉胶对牛肉品质的影响,结果表明:使用质量分数为0.5%的黄原胶浸泡牛肉,可使牛肉肉质变嫩,pH值增加,之后将牛肉冷藏处理,产品保水性效果显著,蒸煮损失减少,且综合各项检测指标得出添加黄原胶要优于卡拉胶.赵百忠等[18]将黄原胶用于火腿肠的加工中,通过感官评价和冷藏处理,发现添加质量分数为0.4%的黄原胶感官评价分数最高,冷藏后产品失水性最小,这说明黄原胶可充分乳化产品中的水和油,可显著抑制淀粉回生现象,防止一般产品冻藏后发散、发渣、淀粉返生等问题.张科等[19]以猪肉和鸭肉为原料制作重组肉,利用质构仪挤压测定持水力,结果也证实了通过冷水分散添加后,黄原胶可与肉中蛋白质形成高分子网络凝胶,从而显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质网络间隙中.

2.1.2 黄原胶在面制品中的应用

任英杰[20]综述了黄原胶在食品中的应用,提到黄原胶在面制品中可改善面筋的持水率,弱化粉质拉伸特性,降低面粉起始糊化温度,增大面条的硬度、黏合性和咀嚼性,改善其蒸煮特性各项指标.范鹏辉[21]将黄原胶添加到冷冻面团中,通过电镜扫描图观察到当黄原胶添加质量分数为0.375%时,面筋蛋白-黄原胶复合体系网孔孔径较未添加黄原胶时明显缩小,且分布较为均匀,可均匀分散面筋蛋白体系中的水分,这也是黄原胶的添加可以增强面筋蛋白-黄原胶复合体系持水性的主要原因.李绍虹[22]通过电镜扫描图,也证实了添加0.33%黄原胶(质量分数)的复合食品胶添加剂确实可以使冷冻面团与没有添加剂、没有冷冻的新鲜面团更为接近,裂纹比较少,结构均匀,同时可使淀粉均匀地分散在蛋白质之间,有利于蛋白质网络的形成,进而增大面团的筋力.牛猛[23]在研究全麦面粉品质改良时,提到通过电镜扫描图可以在微观结构中看到添加黄原胶后面条结构的连续性明显改善,面筋结构紧密性增加,未被包裹的淀粉颗粒明显减少.而添加质量分数为1%的黄原胶后通过质构分析显示,黄原胶对面条质构的改善是因为它自身的亲水作用以及与淀粉分子的交联,使淀粉分子间聚合作用增加,蛋白质网络结构与淀粉颗粒连接更加紧密,从而提高了面条结构的牢固性.裴旭东[24]也通过感官评价的方法,发现面条中添加质量分数为0.2%的黄原胶,可以很大程度改善面条的适口性、韧性、表观、黏性和光滑性等.

2.1.3 黄原胶在饮料品中的应用

黄原胶用于饮料可有效地延长果肉饮料的悬浮时间,提高水果和巧克力饮料的稳定时间[25],方修贵等[26]在综述悬浮型果粒饮料的原理及研究时,提到加入0.06%(质量分数)以黄原胶为主的复合胶体可以使悬浮果粒果汁饮料的稳定性最好,且黏度适中,无明显凝胶现象.谷俊华等[27]在综述黄原胶在软饮料中的应用中提到,黄原胶可以解决杏仁露在生产和贮藏中经常出现的沉淀和分层问题,且黄原胶融变性好,使用量少,不会影响果汁的风味和口感.在碳酸饮料中还可以稳定气体,防止二氧化碳溢出.曹卫春等[28]在酸性乳饮料中加入了质量分数0.4%的羧甲基纤维素钠(CMC),质量分数为0.05%的不同来源的黄原胶,结果发现添加少量黄原胶可以使酸性乳饮料变得更稳定或更不稳定,这主要依赖于黄原胶的来源.邵金良等[29]在植物蛋白饮料中加入了质量分数为0.12%的黄原胶,发现产品稳定性良好,在口感上有很大优势.

2.2 黄原胶在复配胶中的应用

黄原胶是一种应用非常广的增稠剂,与其他胶体配伍后有很强的协同增效作用,这主要是由于黄原胶分子的双螺旋结构极易和含有β-1,4糖苷键的胶体分子发生嵌合作用,从而在溶液中形成网络结构,使体系的表观黏度明显提高,也可产生凝胶效应,因此黄原胶在复配胶中应用广泛,下面简单介绍黄原胶与卡拉胶、刺槐豆胶、魔芋胶复配后的应用.

2.2.1 黄原胶与卡拉胶复配

蔡为荣等[30]研究了黄原胶与卡拉胶进行复配后应用于蒸煮火腿,认为当添加质量分数0.6%的复配胶后其凝胶强度得到提升,口感更加滑润,蒸煮火腿的口感得到改善,并且复合磷酸盐的用量降低,从而使得蒸煮火腿更加健康.李龙伟等[31]将黄原胶和卡拉胶复配后应用在果冻中,结果发现当黄原胶与卡拉胶复配质量比为1∶10,总胶质量分数为1.1%时果冻的感官评分最高,此时果冻的成型性、弹性、脆性均较好,且色泽均匀、半透明、组织状态良好、口感细腻、酸甜适宜.陈哲敏等[32]研究了魔芋胶、κ-卡拉胶与黄原胶复配胶在肉丸中的应用效果,得出当魔芋胶、κ-卡拉胶与黄原胶的最佳质量配比为1.3∶1.0∶0.3,总胶质量分数为0.6%时,肉丸的质感、析水性和口感得到了一定改善.

2.2.2 黄原胶与刺槐豆胶复配

黄原胶与刺槐豆胶都是非凝胶的亲水胶体,但将两者在总浓度很低的情况下进行混合,会发生协同作用,此时可以凝胶,且凝胶冷冻-解冻稳定性和热稳定性是较强的[33].Sandolo等[34]研究了黄原胶与刺槐豆胶的协同作用,表明混合胶所形成的网状结构类型取决于两者的比例及热处理条件,刺槐豆胶与黄原胶的质量比为1∶1时,混合胶可形成网状结构;质量比为1∶3时,较低温度下可以检测到凝胶点,在较高温度下只能观测到弱凝胶;而质量比为1∶9时,在较高温度下就可检测到凝胶点.侯团伟[35]指出:黄原胶与刺槐豆胶的侧链发生相互作用形成凝胶结构,凝胶能力的大小取决于其侧链的数量及分布,具有较少的半乳糖侧链及较多光滑区域的刺槐豆胶与黄原胶的相互作用会更加强烈.郭守军等[36]也证实了黄原胶和槐豆胶有着强烈的协效增稠性,复配胶的黏度随着浓度的升高而升高,复配胶溶液的最佳加热温度和加热时间分别为60 ℃和60 min.魏燕霞等[37]同样研究了黄原胶与刺槐豆胶复配后体系的流变性,发现当刺槐豆胶与黄原胶的复配质量比为2∶3时,复配体系的黏度最大,pH值为6.0～10.0时,其黏度变化较小,保持相对稳定,这使得其复配胶在果冻等凝胶食品中应用最为广泛.

2.2.3 黄原胶与魔芋胶复配

王元兰等[38]将黄原胶与魔芋胶进行复配,研究复配体系的流变特性,发现当黄原胶与魔芋胶质量配比为7∶3,总胶质量分数为1.0%时,协同效应达到最大值.在升高温度后由于无序分子也不断增多,复配胶黏度会随着制备温度的升高而下降,但流变特性变好,因此在制备时应注意温度的控制.陈志行等[39]的研究也证实温度对黄原胶与魔芋胶复配的影响较大,当黄原胶与魔芋胶质量比为1∶1,温度由20 ℃升至40 ℃时复配胶的黏度下降较快,在40～80 ℃时复配胶黏度下降缓慢.当改变复配胶的混合比例,黏度随温度的变化趋势也不同.而将黄原胶与魔芋胶复配应用于食品也较为普遍.王琳等[40]通过粒度分布仪测定乳浊液中粒子大小分布来确定黄原胶与魔芋胶复配后对花生乳稳定性的影响,研究表明:黄原胶与魔芋胶复配使用,可显著提高花生乳的表观黏度,能较好地解决花生蛋白不稳定、沉降速度快的问题;当黄原胶与魔芋胶质量比为3∶2,总胶质量浓度为0.36 g/L时,花生乳的稳定效果最好.

3 结 论

本文综述了黄原胶的特性、性能及其应用,黄原胶的发现较早,各方学者对黄原胶的结构、性质、生产工艺等研究已经日趋完善,现今研究焦点主要聚集在黄原胶的应用方面.在国内外市场,黄原胶不仅应用在食品工业中,在石油钻探、纺织印染、陶瓷加工、医药和日用化妆品等行业中也有着广泛的应用.通过综述黄原胶在食品及复配胶中的应用,发现添加黄原胶能改善肉制品、面制品及饮料的品质,且黄原胶可与多种亲水性胶体进行复配,复配后其应用性能显著提升,且复配胶能够降低用量和成本,这都是单一胶体无法比拟的优势.因此,笔者认为黄原胶复配后有更好的发展前景.

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(责任编辑：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,硕士,研究方向为食品工程,E-mail:18744021336@163.com.

TS202.3

A

1674-2214(2017)01-0045-05