结冷胶生产技术及其在食品中应用

粮食与油脂

2010年第5期

结冷胶生产技术及其在食品中应用

秦　刚，王　庭

（西南大学食品科学学院，　重庆　400716）

摘　要：该文综述结冷胶组成、结构及特性，发酵法生产技术及其在食品中应用，并介绍结冷胶局限性。关键词：结冷胶；胶凝；多糖

Producingtechnologyofgellangumanditsapplicationinfoods

QINGang，WANGTing

（CollegeofFoodScience，SouthwestUniversity，Chongqing400716，China）

Abstract：The composition，structions，and good characteristics of gellan gum were summarized. Its related functions and extensive applications in foods and food additives were described. And the limitations were introduced. Keywords：gellan gum；gel；polysaccharide中图分类号：TS202.3

文献标识码：A

文章编号：1008―9578（2010）05―0044―04葡萄糖、β（1→4）–D–葡萄糖醛酸、α（1→4）–D–

α葡萄糖、（1→4）–L–鼠李糖。如将获得产品用碱处理（pH 10条件下）并经加热处理，可除去分子上乙酰基和甘油基团，就可得到用途更广脱乙酰基结冷胶（一般所称天然型结冷胶，是指乙酰基形式结冷胶，而普通所指结冷胶则是指脱乙酰基结冷胶。其结构式见图1〔3〕）。一般来说，天然型结冷胶主链上接有酰基，所形成凝胶柔软、富有弹性、且粘着力强，与黄原胶和刺槐豆胶性能相似；低酰基型凝胶具有强度大、易脆裂特性，与卡拉胶和琼脂

〔2〕

特性相似，工业上常用的是低酰基型结冷胶。2结冷胶特性2.1稳定性

结冷胶具有良好稳定性，耐酸、耐高温，热可逆性，还能抵抗微生物及酶作用。

结冷胶在pH为2~10范围稳定，比黄原胶pH值

〔4〕

稳定范围（4~8）要宽得多，且结冷胶凝胶强度在pH值为4~7时较强，这与大部分食物天然pH值范

〔5〕

围相对应。可推测，结冷胶较宽pH值稳定范围使其具有更新应用，例如可用于低pH值微生物培养基胶化。

结冷胶在高温时仍较稳定，90℃时能保持较高强

〔5〕

度，而黄原胶在此温度下已失去其原有粘度74%。Kang等将0.015 g/mL琼脂凝胶和0.008 g/mL结冷胶凝胶在121℃下处理15 min，实验结果表明，经6次反复处理后结冷胶强度下降50%，而琼脂强度下

〔6〕

降84%。另外，结冷胶熔点高低取决于凝胶形成条 〔4〕

件。结冷胶熔点可变性在食品中具有重要作用，这种特性为食品工业提供多种功能，且可在低浓度下能成功取代其它作为常规增稠剂和稳定剂等食品胶。

Kang等〔6〕曾将果胶酶、淀粉酶、纤维素酶、褐藻酸酶、木瓜蛋白酶、脂肪酶等添加到结冷胶溶液，结果发现，任何一种酶对结冷胶溶液粘度及凝胶强度均没有影响；由于具备这种性质，结冷胶可替代琼脂作为微生物培养基胶凝剂。2.2可分散性及兼容性

结冷胶使用方便，搅拌即可分散于水中，加热后溶解成透明溶液，冷却后形成透明坚实凝胶；且多糖质量浓度在0.15 g/mL时，溶液仍能呈高度透明胶

结冷胶（Gellan gum）是近年最有发展前景微生

物多糖之一。结冷胶过去称多糖PS–60，于1978年首次发现，1992年美国FDA批准许可应用于食品饮料，

1994年欧共体将其正式列入食用安全代码（E–418）

表中，我国1996年批准其可作为食品增稠剂、稳定剂使用（GB 20.00；INS418）。由于结冷胶可在极低用量下产生凝胶，0.25%使用量就可达到琼脂1.5%使用量和卡拉胶1%使用量凝胶强度，现已逐步代替琼脂

〔1〕

和卡拉胶在工业上应用。结冷胶凝胶性能比黄原胶更为优越，凝胶形成能力强、透明度高、耐酸耐热性好、稳定性强、具有良好热可逆性等。此外，结冷胶不仅是一种凝胶体，且也是一种具纤维性状、粘弹特性和良好风味释放性的多糖聚合体。目前除美国Kelco公司有年产5，000吨能力外，现我国河北、浙江也有两家企业生产结冷胶。由于结冷胶独特性质，在食品业中应用前景看好。1结冷胶组成和结构

结冷胶是一种从水百合上分离所得格兰氏阴性菌―伊乐藻假单孢菌（Pseudomonas elodea）所产生胞外多糖，经发酵、调pH、澄清、沉淀、压榨、干燥、碾磨等过程而成。结冷胶为分子量高达100万左右阴离子型线形多糖，具有平行双螺旋结构，胶体链由4个组成

〔2〕

的基本单元重复聚合组成，分别是：β（1→3）–D–

H3C

CO

CH2OH

O+

nCOOMOOOCH2

OHOCH3

OOOHOO

OHOHOHOH

HOOCHOH

CCH2OH

O

COOM+

CH2OH

OO

OOHOOHO

OH

OH

n

a

CH2OH

OOOOHCH3

OH

OHOH

n

b

图1　结冷胶结构式

（a：天然结冷胶；b：低酰基结冷胶）

收稿日期：2010–03–20

作者简介：秦刚（1985~ ），男，硕士研究生，研究方向：现代食品加工理论与技术。

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体〔7〕。结冷胶能与黄原胶、瓜尔胶、槐豆胶、明胶、角叉菜胶和海藻酸盐等交联产生具有优良特性增稠剂

和稳定剂〔7–8〕

。例如，明胶具有令人愉悦感官特性，但由于其熔点低，形成凝胶不稳定；加入结冷胶后，混合胶熔点升高，在形成稳定凝胶同时保留明胶良好感官特性〔9〕。当结冷胶、黄原胶、刺槐豆胶以2∶2∶1进行复配后制成凝胶体，其脆度由20%增至40%，而模量则由350 kPa降至80 kPa。2.3成胶浓度低

低质量分数结冷胶溶液（0.01%~0.05%）流变学类型接近Cross模型，该体系具有剪切稀化性、触变性和屈服应力性，且三者均随结冷胶质量分数增

大而增大〔10~11〕

。结冷胶质量浓度在0.4~0.5 g/L时即能形成凝胶，当加入二价阳离子时，该浓度则更低；当结冷胶质量浓度为0.2 g/L时，加入0.04 g/L Ca2+和0.05 g/L Mg2+形成凝胶达到最大强度〔4〕。结冷胶在低浓度下形成强度大的凝胶，在食品中应用非常经济，如所用水的天然硬度较高，就不必添加外源盐。

2.4温度滞后性

结冷胶具有显著温度滞后性，即胶凝温度远低于凝胶熔化温度。通常胶凝温度为20℃~50℃，而熔化温度则为65℃~120℃，胶凝温度和熔化温度高低取决于凝胶形成条件，如阳离子类型和浓度等〔7〕。结冷胶温度滞后性对于食品加工时要求制品在热处理过程中保持凝胶结构稳定具有重要意义。现将所述结冷胶特性和功效归纳如表1。

表1　结冷胶特性和功效

特

性

功

效

1.在低浓度（0.05%~0.25%）下结冷胶是一种非常有效胶凝剂可形成优质凝胶

2.加热和低PH条件下非常稳定加热杀菌对凝胶影响很小；酸

性凝胶货架期相当长

3.由钠或钾离子形成凝胶，加后可可分别制成热可逆和热不可逆复原，而镁或钙盐凝胶无法复原凝胶4.与其它胶类可顺利配伍，如淀组织结构可从脆到有弹性任意粉、黄原胶、刺槐豆胶混合物转变5.与其它配料有良好相容性可广泛适于各种配方6.结冷胶在pH3.5~7.0间均能形在酸性至中性食品配方，都能获成凝胶得优质凝胶和预期凝胶强度7.抗老化作用对玉米等淀粉糊贮藏过程老化

及粘度升高有抑制作用

8. 不易导致酶解为食品加工提供很好灵活性；

在微生物培养基和植物组织培养中也有优良特性

3结冷胶发酵生产技术3.1原料

在含有碳水化合物为碳源、磷酸盐、有机和无机氮源及适量微量元素的介质中，用Pseudomonas eloder ATCC 31461菌株有氧发酵生产结冷胶。

培养基：（1）种子培养基：蔗糖20 g，蛋白胨5 g，牛肉膏3 g，酵母浸出汁1 g，pH 7.0；（2）发酵培养基：蔗糖，豆粉，蛋白胨，磷酸二氢钾等。

发酵在消毒条件下严格控制通气量、搅拌、温度和pH，发酵完成后，回收前发酵液用巴斯德灭菌法杀死活菌体。

3.2工艺流程

试管菌种→茄瓶菌种→三角瓶振荡（28℃，18 h）→300L种子罐（28℃~30℃，18~20 h）→3000L发酵罐（28℃~30℃，72 h）→50t发酵罐（28℃~30℃，72 h）→脱乙酰→过滤→混合→酒精贮罐

贮藏←酒精回收塔←稀酒精←分离洗涤→半成品　

↓

成品←粉碎←真空干燥　

3.3发酵生产

结冷胶生产菌少动鞘脂单胞菌（Sphingomonas Paucimobilis ATCC 31461），过去曾称伊乐藻假单孢菌（Pseudomonas eloder ATCC 31461），是从植物体中分离获得一种好氧革兰氏阴性菌。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培养基中生长，其最适培养温度为30℃。国外众多学者对产生结冷胶菌种、生产培养基、发酵条件等进行大量研究，其目的是为了提高菌株生产结冷胶性能，降低生产成本，扩大结冷胶在工业上应用。

West等〔12〕

分离出S.paucimobilis ATCC 31461一个抗氨节突变株，通过与原菌株比较，生产结冷胶水平要比原菌株高约1.4倍以上。彭志英等〔13〕分离获得一株少动鞘脂单胞菌S1，并优化该菌产胞外多

糖工艺条件。Nampoothiri等〔14〕

发现S.paucimobilis在PYG培养基中生长良好。Fialho等〔15〕比较葡萄糖、乳糖和新鲜干酪乳清等碳源对S.paucimobilis ATCC31461发酵生产结冷胶影响，发现最佳碳源为葡萄糖，葡萄糖和乳糖合成聚合物乙酰化程度不同。Nampoothiri等〔14〕也研究不同碳源对该菌株影响，得出最佳碳源为2%可溶性淀粉，其结冷胶产量达

24.32g/L。Kanar等〔16〕

对生产结冷胶碳源也进行研究，发现该菌最易利用碳源为3%葡萄糖、4%蔗糖、3%可溶性淀粉，但葡萄糖浓度不能大于3%，否则会抑制结冷胶合成，若葡萄糖分2次添加时，结冷胶产量由原来6.0 g/L提高到8.12 g/L。

氮源也将影响微生物生长和结冷胶合成。S.paucimobilis ATCC 31461发酵生产结冷胶常用氮源为NH4NO3，而West等〔17〕，通过实验发现，用大豆油胨、玉米浆或玉米粉、蛋白胨等有机氮源代替培养基中NH4NO3；都能使结冷胶产量提高，其中以大豆油胨为最好。在此基础上，West等〔18〕发现以大豆油胨为氮源培养基增补0.1%酵母膏，能提高结冷胶产

量。Jin等〔19〕

研究发现，NH4NO3会抑止结冷胶合成，用廉价大豆油代替昂贵蛋白胨为氮源时，在没有NH4NO3存在下产量提高3倍。Nampoothiri等〔14〕研究酵母膏、蛋白胨和各种无机氮源对结冷胶生产影响，发现最佳氮源为蛋白胨，其产量为32.1g/L，同时还发现添加0.5%苏氨酸能提高结冷胶产量。

种龄和接种量对微生物发酵有很大影响，它不仅影响微生物生长量，且影响产物合成，因此，对种

龄和接种量控制非常重要。Nampoothiri等〔14〕

发现S.paucimobilis ATCC 31461最适种龄和接种量分别为20 h和10%；而Kanari等〔17〕发现，Pseudomonas eloder最适种龄和接种量分别为16 h和8%。

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温度是影响微生物生长和产物合成一个重要因素。West〔20〕研究温度对S.paucimobilis ATCC 31461发酵生产结冷胶影响，结果表明，结冷胶发酵最适温度为30℃~31℃，若温度降到28℃或升到33℃时，结冷胶产量与最适温度下产量相比约下降50%，而菌体生长最适温度为31℃。培养基初始pH值也是微生物发酵生产一个重要控制条件。West等〔21〕，研究发现，S.paucimobilis ATCC31461发酵生产结冷胶最佳pH值在6.8~7.4间。Nampoothiri等〔14〕研究也得出与此相似结果。

3.4结冷胶分离纯化和检测方法

结冷胶生产是高粘性代谢产物微生物发酵过程，胞外多糖围绕细胞以粘性聚合物形式形成网状结构，因此，难以将胞外多糖与细胞分离，即使经大量稀释

后也难以分离〔22〕

。

提取多糖一般方法是将发酵液稀释若干倍以降低其粘性，然后通过离心分离菌体和多糖，异丙醇和乙醇常用以沉淀多糖。大多数研究者通过冷冻干燥、超速离心和超滤浓缩结冷胶。据文献报道称，在80℃~90℃高温下加热发酵液，然后用异丙醇或乙醇

沉淀可增加多糖提取率〔22〕

。

常用醇沉淀得到粗脱乙酰结冷胶工艺为：将发酵液于沸水浴中保持15 min，冷却后用1 mol/L NaOH调节pH至10后80℃保持10 min，然后用1 mol/L HCI调节至中性，经以上处理发酵液于4℃，8，000 r/min离心30 min除去菌体，取上清液若干用2~3倍体积异丙醇（或乙醇）沉淀，4℃过夜后又于4℃，8，000 r/min 离心30 min，得沉淀，沉淀物于80℃烘干后称重。要提高结冷胶纯度，通常通过异丙醇、丙酮、四氢呋喃等溶剂多次沉淀和多次在水中溶解以纯化多糖〔22〕。

发酵过程中结冷胶定量检测方法不多，最常用方法是醇沉淀得到沉淀物烘干后称重，是最直观方法。

West等〔21〕

利用一种比色法对结冷胶进行定量检测，经实验发现，该法在结冷胶浓度为0~0.7g/L间呈现良好线性关系。食品中结冷胶检测方法采用一系列沉淀反应和比色反应，是以测定鼠李糖（结冷胶成分之一）方法作为基准；但这种方法要经一系列反应步骤，误差很大，且当食物中含有低浓度结冷胶时，该法就检测不到。据新的研究报道，可利用毛细管电泳一质谱仪（CE–MS）测定食品中结冷胶。根据结冷胶分子结构，可看出这种结构多聚物应具有统一质荷比。这种情况下，CE是将结冷胶从具有复杂结构食物中分离出来最好检测仪器，此法已成功用于检测一些含有微量结冷胶水果风味饮料〔2l〕。也有研究报道，利用气相色谱法检测食品中结冷胶成分，食品溶解及水解后将2–脱氧葡萄糖作为内标物，根据检测器所得色谱

图推测食品中是否含有结冷胶〔15〕

。4结冷胶在食品业中应用

在食品业，结冷胶不仅可作为优良胶凝剂，并能赋于食品一种令人愉悦质地和口感，所形成凝胶透明度高，爽脆适度，表现出良好风味释放特性。此外，结冷胶通常可与其它食品胶配合，使食品能获得最佳感官、质构和稳定性。结冷胶与其它食品胶有较好相容性，针对不同食品品质要求，通过调节结冷胶与其它食品胶混合比例就可达到非常令人满意效果。凝胶性

食品胶如卡拉胶、琼脂等虽与结冷胶凝胶特性相似，但结冷胶在风味释放、酸稳定性、热可逆性、透明度、使用量等方面均明显优于卡拉胶和琼脂。结冷胶在食品业中应用特性概括如表2所示。

表2　结冷胶在食品中应用

功　能用　途

功　能用　途凝胶性果冻、馅料、甜食、果酱等成膜性　　人造肠衣增稠性果酱、馅料、肉肠等微胶囊　　粉状调味料稳定性冰淇淋、色拉调料澄清剂　　酒类

粘着性糖霜、糖衣抗结晶剂　冷冻食品、糖浆涂膜性蜜饯、糖果泡沫稳定剂

啤酒

乳化性

色拉调料

由表2可见，在食品业，结冷胶主要作为增稠剂、稳定剂，可用于冰淇淋、色拉调料、果酱、肉肠、饮料、乳制品等食品。另外，结冷胶还可作为啤酒泡沫稳定剂，酒类澄清剂，人造肠衣成膜剂，还可用于冷冻饮品和糖浆，以防结晶。脱乙酰结冷胶也被用于微生物培养基以代替琼脂，透明度优于琼脂胶。现将结冷胶在食品中应用介绍如下。4.1面制品

结冷胶应用于中华面、燕麦面和切面等面制品时，具有增强面条硬度、弹性、粘度，改善口感，抑制热水溶胀、减少断条和减轻汤汁浑浊等作用。使用量为小麦粉0.1%~0.3%〔23〕。4.2饼干

油脂是饼干生产主要原料，可使饼干具有良好层次，调节风味，及良好酥松度。一般用于饼干的油脂饱和度高，如：氢化猪油，人造奶油，氢化大豆油等。这些油脂摄入过多，不利于人体健康，可用结冷胶替代以减少油脂用量。用3%结冷胶加0.2%柠檬酸钠盐溶解于去离子水中，混合液加热到90℃，然后将热的结冷胶液加入到制作饼干面团中，可起到改善饼干

层次，使饼干具有良好酥松性〔22〕

。4.3乳制品

结冷胶加热到75℃可直接水合于奶中。在乳制品中，结冷胶可取代卡拉胶、明胶、褐藻胶和果胶，并能提供更优质凝胶和稠度，且结冷胶使用量也比其它食品胶具有优越性。在酸性乳制品，如酸乳、发酵酸性稀奶油或直接酸化奶凝胶应用时，必须同时加入CMC或瓜尔豆胶等胶体，以防止乳蛋白沉淀〔13〕，冰淇淋添加0.1%~0.2%结冷胶可提高其保型性。4.4糖果

结冷胶应用于糖果，其主要作用是使产品拥有优良结构和质地，并缩短淀粉软糖胶体形成时间，如在淀粉软糖添加0.075%结冷胶，可使凝胶形成时间从24~80 h缩短到12 h左右。不过结冷胶在糖果中使用存在一个问题，就是糖浓度过高就会阻止结冷胶水合。为避免该问题，在制备高固体糖果时必须使结冷胶预先水合在低浓度糖中，然后通过煮沸浓缩达到最

终糖浓度〔22〕

。4.5饮料工业

在饮料工业，结冷胶可用于制备隐型饮料、胶化汽水、果味爽等饮料产品；还可用于制备珍珠胶粒，生产果粒悬浮饮料，与用海藻胶制成胶粒相比，不同的是其胶粒具有口感滑韧、品质稳定、色泽风格多样特

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点。胡国华等研究琼脂、低酯果胶、卡拉胶、结冷胶、海藻酸钠、黄原胶、魔芋粉和明胶这几种常用食用胶分别作为悬浮剂应用于悬浮饮料中效果，结果饮料悬浮性、透明度和流动性都以结冷胶作为悬浮剂最好〔14〕。4.6改善香肠品质

经常食用香肠等含脂肪量多的食品对健康不利，但脱脂对香肠组织结构、风味和货架期都会产生不利影响。Kuo–WeiLin等在脱脂法兰克富香肠中加入一定量魔芋胶和结冷胶复配物，代替被脱去脂肪，发现香肠组织结构、风味和货架期都大大得到改善，接近未脱脂香肠；此法不仅得到“健康食品”，且还不影响香肠品质。

4.7果冻、果酱

通常果冻、果酱制造使用果胶、卡拉胶和海藻酸钠，如用结冷胶替代作为胶凝剂，不仅可降低使用量，且可获得更佳质构和口感。果酱固形物含量为38%，结冷胶用量0.2%，即可制得完美低固形果酱，若使用低甲氧基果胶或卡拉胶，用量分别为0.8%和1.0%。4.8其它

结冷胶除在食品业广泛应用外，还可应用于其它领域。如在医药上可用作眼药水、软、硬胶囊、包衣剂及新型制剂用药水等;在化工上可用作涂膜、胶粘剂、牙膏等；农业上可用作叶肥、缓释肥料等；它还可作为琼脂替代品制备生物培养基，特别是可用于澄清度要求高培养基，如嗜温微生物培养基〔25〕；Shigeta等〔24〕通过实验研究发现，用结冷胶取代植物组织培养基中琼脂能取得更好效果。此外，结冷胶在其它方面应用，包括作为人体组织材料、感光薄膜、房间清香剂、包裹热敏感材料（如酶与细胞、脱氧核糖核酸电泳与分离可逆凝胶等）及用于胶片、胶卷、纤维、个人护理用品等。

结冷胶凝胶高度脆性，亚洲人喜食弹性胶，对以结冷胶为胶凝剂制成果冻不太欣赏，认为缺乏嚼劲。当然采用含有酰基天然结冷胶可制成弹性胶，但天然结冷胶不透明，由此带来应用上局限性；而且，现阶段结冷胶应用一个最大问题是其价格昂贵，常令应用者望而生畏。5结束语

结冷胶作为一种很有发展前景微生物多糖，近年来，年增长量均在30%以上。由于其生产原料（如蔗糖）价廉、易得，而自身价格现高达34美元/kg，有极高商业利润和市场发展前景。由于结冷胶的发酵，发酵液粘性是影响发酵最重要因素，因而需进行结冷胶发酵方面研究以解决因高粘性而引起传质方面障碍。同时，改进现有分离过程或寻找分离结冷胶新方法，也是很重要研究内容，且应考虑其分离、发酵同步进行工艺可行性和经济性。

由于分子生物学技术发展，应从生物技术角度，通过先进物理、化学诱变、细胞融合、基因克隆、PCR等技术和手段对产胶微生物代谢途径进行遗传改造，从而得到高产高性能菌株，也可将产胶基因转移到厌气性微生物中正常表达，在无氧或微氧条件下生产结冷胶，以降低成本，使结冷胶生产及应用具有更好前景。

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