增稠剂作用机制及其在食品加工中的应用

王淑梅，王佳新

（哈尔滨学院 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150086）

增稠剂有增稠、凝胶、乳化和稳定等作用，可改善食品品质和产品外观、提供食品丰富的口感。增稠剂的来源广泛，添加量较低，现已成为肉制品、乳制品和面制品等食品中重要的食品添加剂。

1 增稠剂的作用机制

增稠剂可改变食品系统流变学的能力，即流动特性粘度和机械固体特性质地。研究证实，食物系统的质地或粘度的改变有助于改变其感官特性[1]。一般来说，增稠剂在溶液中易形成网状结构或具有较多亲水基团的胶体，胶体是长链聚合物（多糖和蛋白质）的异质基团，因此可改善食品的粘度和质地。增稠剂的主要特性是增稠、胶凝、乳化、稳定和控制冰和糖的晶体生长等作用。

1.1 增稠过程

增稠过程涉及构象无序链的非特异性缠结结构化胶凝。多糖分散体的粘度主要来自于构象无序的无规卷曲的物理缠结。在低浓度分散液中，增稠剂的各个分子可以自由移动，并且不会表现出增稠作用。在高浓度系统中，这些分子开始相互接触，因此，分子的运动受到限制[2]。增稠剂的种类不同，其增稠的程度也不同，如高浓度下给出低粘度，而浓度低于1%时给出高粘度[3]。常见的增稠剂有淀粉、黄原胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、卡拉胶、阿拉伯胶和纤维素衍生物等。

1.2 凝胶过程

1.2.1 凝胶的形成

凝胶是介于固体和液体之间的物质形式，并显示出机械刚度，使食品具有粘弹性，表现出液体和固体的特性。增稠剂的类型不同，其凝胶的质地特性（弹性或脆性、耐嚼或乳脂状）也不同，而食品的感官特性（不透明度、口感或味道）也会随之不同。掌握特定增稠剂分散体胶凝条件，产生凝胶的特性及其赋予的质地是设计特定食品配方非常重要的方面。凝胶的形成涉及分散体中无规则分散的聚合物链段的缔合，从而形成在空隙中包含溶剂的三维网络。被称为接合区的相关区域可以由两条或更多条聚合物链形成。胶凝过程本质上是这些连接区的形成。

网络中这些连接区的物理排列可能会受到各种参数的影响，例如温度、离子的存在以及增稠剂的固有结构。增稠剂的凝胶化有三种机制，即离子凝胶、冷集凝胶和热定形凝胶[4]。离子胶凝是通过增稠剂链与离子的交联发生的，通常是带负电荷的多糖阳离子介导的胶凝过程，如藻酸盐、卡拉胶和果胶，通过扩散定型或内部凝胶化进行离子型凝胶化。在冷定型凝胶中，将胶体粉末溶解在温水沸水中以形成分散体，该分散体在冷却时会导致焓稳定的链间螺旋形成单个链段，从而形成三维网络，如琼脂和明胶。热定型凝胶需要对凝胶进行加热，通常仅在食物需要热定型的地方。热定型机制通过天然淀粉蛋白质的展开及其随后的重排成网络而发生[5]。

1.2.2 联结区在凝胶中的作用

联结区在增稠剂的凝胶过程中发挥重要的作用，影响凝胶的特性和功能。在明胶中，联结区由三个分子通过氢键形成。在卡拉胶中，六至十个分子形成联结区，而在I型卡拉胶中仅涉及两个分子。联结区域中的分子数量越多，凝胶的刚性就越高。因此，K型卡拉胶的多分子联结区在受到剪切力干扰时表现出刚性并且更不容易重建；而I型卡拉胶凝胶具有更多的柔性结构并且对剪切不太敏感。卡拉胶和海藻酸盐的联结区由两个分子组成，但是与强度几乎相同的海藻酸盐相比，卡拉胶凝胶在破裂前可以承受更多的变形。凝胶的热行为也因联结区域而不同。明胶在较低的温度下熔化，因为联结区仅由弱氢键结合。溶剂质量也是另一个重要因素。高甲氧基果胶凝胶中的氢键在添加糖分，充分降低水活度的情况下才可形成[6]。

1.2.3 其他影响凝胶形成的因素

影响增稠剂形成凝胶的各种因素包括凝胶剂的浓度、介质的pH值、摩尔质量、聚合度、温度、离子组成和溶质等。除了明确影响增稠剂形成凝胶的因素外，还应表征由它们形成的凝胶，通常进行微观结构和流变学表征，这有助于将增稠剂作为凝胶剂添加[7]。例如，已经研究了添加蔗糖和阿斯巴甜对增稠剂凝胶即K型卡拉胶、结冷凝胶和K型卡拉胶刺槐豆胶的抗压性的影响；蔗糖的添加导致所有这些凝胶的真实断裂应力增加。然而，以低浓度添加阿斯巴甜不会影响质地压缩参数[8]。此外，决定凝胶甜度的主要因素与凝胶的机械性能（凝胶强度、断裂应力、断裂应变等）有关，尤其与破坏网络所需的变形量及其抗变形能力有关。此外，蔗糖、水解胶体的浓度、剪切速率和温度等共溶质也是影响凝胶流变状态的重要变量。

2 增稠剂在食品中的应用

2.1 在果冻生产中的应用

食品增稠剂在果冻生产加工中常采用两种或两种以上协同作用，从而达到果冻所需要的最佳效果[9]。结冷胶是一种由假单胞杆菌对碳水化合物进行纯种发酵的过程中，合成和分泌的一种胞外线性多糖。由于结冷胶良好的透明度和足够的热稳定性[10]，与黄原胶结合使用以生产即食甜点凝胶。去酰基化的结冷胶用于改善布丁的水分保留、风味释放和储存稳定性，并减少脱水收缩[11]。在结冷胶凝胶形成过程中，金属阳离子起到关键性作用。阳离子通过定点结合的方式，由于直接与多糖分子上的羧基相连，从而减弱了双螺旋链间的静电排斥力，对于“联结区”的形成是非常有利的[12]。

卡拉胶是天然海藻多糖，含硫酸酯基团的亲水线性非均一多糖，由1,4-β-D-吡喃半乳糖和1,3-α-D-吡喃半乳糖为基本骨架联结而成[13]，可从红藻细胞壁中提取。。卡拉胶在加热后慢慢冷却的过程中，分子的形状由最初的卷曲状逐渐变成螺旋状，最终由单螺旋体变成双螺旋体，此时就形成了立体网状结构[14]。当卡拉胶在较低浓度是可以形成热可逆性凝胶，此刻的卡拉胶有较好的透明性，可改善果冻的外观[15]。卡拉胶是果冻生产中最常见的增稠剂，与其他增稠剂协同作用已应用在食品配方中[16]。卡拉胶与刺槐豆胶、明胶、黄原胶和阿拉伯胶等复配时，凝胶强度和弹性均可得到显著提高[17]。

2.2 在酸奶中的应用

增稠剂可提高酸奶黏稠度，稳定酸奶性状，防止乳清析出，有效改善酸奶制品的质地和口感。海藻酸丙二醇酯和变性淀粉同时用作增稠剂时，可以起到很好的协同作用，两种增稠剂的最佳添加量为海藻酸丙二醇酯为0.15%（W/W），变性淀粉为1.20%[18]。在酸奶生产加工过程中，添加0.2%的海藻酸丙二醇酯时，可以使其产品的保水能力整体提高10.9%，有效的防止乳清析出。当0.2%的海藻酸丙二醇酯（W/W）、0.3%羧甲基纤维素钠，0.1%高酯果胶、0.015%（W/W）蔗糖酯经过复配添加当酸性乳饮料生产加工过程中，此时的产品稳定性和口感都是最佳的[19]。

聚葡萄糖是良好的益生元，在肠道发酵可使肠道pH值从7.24降至6.44，利于乳酸菌和双歧杆菌等益生菌的生长与增殖[20]。在酸奶生产加工过程中，因聚葡萄糖在低pH值条件下依然稳定，因此聚葡萄糖可以增强膳食纤维含量并增强产品的口感[21]。在低脂或无脂的产品中有效防止水分析出，提高其持水性，有效提升产品的质构和口感。

研究显示，当酸奶制品中的聚葡萄糖的添加量为1%（W/W），可达到增强产品黏度和甜度，使产品的口感更加丰富[22]。聚葡萄糖可提高酸奶中其他菌种的活力，有效延长酸奶的保质期[23]。当聚葡萄糖在酸奶制品中的添加量为3%（W/W）时，利于酸奶的发酵，提高了乳酸菌的活性，减少乳清的析出，对产品的组织形态起到关键性作用，此添加量达到了最好的凝乳效果，且酸度甜度皆适中[24]。当凝固型酸奶中添加4%（W/W）的聚葡萄糖时，产品的口感细腻，甜度适中，乳清析出量明显降低，稳定性良好，而且聚葡萄糖很好地保留产品的风味，延长了货架期[25]。

2.3 在软饮料中的应用

在酸性饮料中羧甲基纤维素钠是最常见的增稠剂，由于其易溶于水，可在水中形成高黏度溶液[26]。羧甲基纤维素钠由于其拥有耐酸的特性最常应用在牛乳中，羧甲基纤维素钠有效防止酪蛋白的沉淀，延长乳制品的货架期[27]。羧甲基纤维素钠还可提高果蔬饮料的悬浮稳定性，防止饮料出现沉淀现象，有效的维持产品稳定性及其外观。

黄原胶具有天然树胶的最高粘度及溶于冷水的特性，被广泛的应用在软饮料的生产中。黄原胶的水溶液具有当剪切力存在时黏度降低，而当剪切力消失时粘度恢复的典型假塑性流动[28]。大多数树胶在较大温度范围内黏度均不稳定，而黄原胶的黏度变化程度远小于其他树胶[29]。黄原胶还具有很好的耐盐性，加热时不会受食盐的影响而析出。黄原胶也适用于果肉型饮料和蛋白质饮料中，可增强酪蛋白等有效成分的悬浮性[30]。黄原胶的假塑性可增强饮料的黏稠度，使饮料口感更加浓厚，而没有粘膩感。此外，黄原胶还具有很好的兼容性，当与其他的增稠剂同时使用时会有增效作用。

3 结论

适量的添加增稠剂可改善食品内在质构和外观形态。随着食品科技的不断进步，越来越多的新兴食品添加剂应用在食品生产中。截至目前，我国增稠剂在食品中的应用还不够完善，生产技术环节较薄弱，对增稠剂的研究开发尚处于初级阶段。随着日益提高的生活水平，消费者对食品风味、口感、外型、等要求逐渐提高，未来增稠剂在食品加工中的应用有着广阔的发展空间和前景。