糖醇对结冷胶凝胶质构的影响

张 晨1,谈 俊2,朱 莉3,詹晓北1,*,郑志永1

(1.江南大学生物工程学院,糖化学与生物技术教育部重点实验室,江苏 无锡 214122;

2.无锡市滨湖区农林技术推广站,江苏 无锡 214073;3.江苏瑞光生物科技有限公司,江苏 无锡 214125)

 

摘 要:利用物性分析仪研究赤藓糖醇、木糖醇、乳糖醇对结冷胶凝胶质构的影响。结果表明:3种糖醇都能使结冷胶凝胶强度和硬度降低,且都随糖醇质量浓度的增加而降低,3种糖醇的影响力为乳糖醇>木糖醇>赤藓糖醇,但对结冷胶凝胶脆性的影响不显著。其次,15 g/100 mL的复合糖醇对结冷胶凝胶质构的影响皆小于相同质量浓度的单一糖醇对质构的影响,复合糖醇间不存在正协同作用。最后,在以K+为成胶离子时(40~400 mmol/L),乳糖醇对结冷胶凝胶质构有影响;在以Ca2+为成胶离子时,只在低浓度时(2~10 mmol/L),乳糖醇对结冷胶凝胶质构影响明显,当Ca2+浓度升高时(10~50 mmol/L),乳糖醇对结冷胶凝胶质构几乎不产生影响。

关键词:结冷胶;糖醇;凝胶强度;硬度;脆性

 

Effects of Alditols on Gellan Gel Texture

 

ZHANG Chen1, TAN Jun2, ZHU Li3, ZHAN Xiao-bei1,*, ZHENG Zhi-yong1

(1. Key Laboratory of Carbohydrate Chemistry and Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology,
Jiangnan University, Wuxi 214122, China; 2. Agricultural and Forestal Technology Popularization Station of Binhu District,
Wuxi 214073, China; 3. Jiangsu Rayguang Biotechnology Co. Ltd., Wuxi 214125, China)

 

Abstract: The effects of erythritol, xylitol and lactitol on gellan gel texture were investigated by using a texture analyzer. Both gellan gel strength and hardness were reduced more markedly by the addition of three alditols in higher amounts. The impact of the alditols was observed in the decreasing order: lactitol > xylitol > erythritol. However, the brittleness of gellan gel was not significantly affected by these alditols. The effect of 15 g/100 mL mixed alditols on the texture of gellan gel was weaker than that of individual alditol at the same concentration, indicating no synergistic interaction between the individual alditols. Lactitol influenced the texture of gellan gel when the gelation cation was K+ (40 - 400 mmol/L). However, lactitol nearly had no effect on the texture of gellan gel at lower Ca2+ levels (2 - 10 mmol/L) rather than higher Ca2+ levels (10 - 50 mmol/L).

Key words: gellan; alditol; gel strength; hardness; brittleness

中图分类号:TS201.7 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2014)09-0048-05

doi:10.7506/spkx1002-6630-201409011

结冷胶是由Sphingomonas elodea产生的胞外多糖[1],1992年,获得美国FDA认证,可用作食品添加剂[2]。结冷胶是一种线性阴离子高分子多糖,由重复的四糖结构单元构成,每个结构单元都包含β-D-葡萄糖、β-D-葡萄糖醛酸、β-D-葡萄糖、α-L-鼠李糖,这4种糖的物质的量比为1111[3]。天然的结冷胶多糖的每个重复单元中大约含有0.5个乙酰基和1个甘油酰基,酰基在热的碱溶液中很容易被脱除,形成低酰基结冷胶。低酰基结冷胶能够形成透明的脆性凝胶[4]。在没有特别指明的情况下,本研究所指的结冷胶均指低酰基结冷胶。

金属离子在结冷胶凝胶的形成过程中发挥了重要的作用,常用的成胶离子有Ca2+、Mg2+、K+、Na+。以K+为代表的一价离子主要是以“COO--K+-H2O-K+- COO-”的方式连接多糖,而以Ca2+为代表的二价离子则以“COO--Ca2+-COO-”的方式与多糖结合[5-7]。要达到相同的凝胶效果,Ca2+所需的浓度要比K+少的多。

结冷胶在食品领域有广泛的应用,可应用于饮料、糖果、果酱、果冻和乳制品等[2]。糖等甜味剂是食品中的重要组成部分,结冷胶-糖体系的成胶性能是近年来的研究热点。利用流变学方法以及差示扫描量热法研究了单糖(葡萄糖、果糖、甘露糖)和二糖(蔗糖、海藻糖)对结冷胶凝胶形成的影响,结果表明,除果糖以外的单糖和二糖对结冷胶凝胶形成都有促进作用,并随糖浓度增加而作用增大;而果糖对结冷胶凝胶形成有抑制作用[9-10]。Evageliou等[11-12]研究了0~15%的葡萄糖、果糖、蔗糖对结冷胶质构极其透明度的影响,结果表明,葡萄糖对凝胶强度无影响,但能降低硬度;相反地,果糖和蔗糖能提高凝胶强度,但对硬度无影响;且这3种糖都能提高凝胶透明度。但也有研究表明,低质量分数(<15%)的蔗糖以及食品允许用量范围内的阿斯巴甜对结冷胶的质构几乎无影响[13-14]。这两种研究结果的差异,可能是由于实验过程中不同的降温方式造成的。更有学者对结冷胶-糖体系进行了较为全面的研究,结果表明,低质量分数的糖(<40%)使结冷胶凝胶强度增大,中质量分数的糖(40%~70%)能使凝胶强度迅速降低,而高质量分数的糖(>70%)会使体系发生玻璃化转变[15-16]。国内关于结冷胶-糖体系的研究报道较少,洪伦波等[17]研究了几种常用食品添加剂(蔗糖、柠檬酸、柠檬酸钠、山梨酸钾)对结冷胶质构的影响,结果表明蔗糖以及食品允许用量范围内的山梨酸钾对结冷胶凝胶质构几乎无影响,柠檬酸能降低凝胶硬度和弹性,柠檬酸钠能降低硬度并且提高凝胶弹性。

近年来,由于生活水平提高,饮食结构改变,一方面使得肥胖成为比饥饿更严重的全球性健康危机,并成为诱发糖尿病的主因[18]。另一方面,龋齿病也呈现出极其严重的事态。据我国2005年第3次口腔健康流行病调查显示:每1005岁儿童中就有超过66人患龋齿,35~44岁中年人群中,这一比例上升到88.1%,而65~74岁老年人的患龋齿率则高达98.4%[19]。世界卫生组织已将龋齿与肿瘤、心血管疾病并列为人类三大重点防治疾病。全球人群健康受到到各国的密切关注,无糖食品应运而生。我国国家标准《预包装特殊膳食食用食品标签通则》对无糖食品有明确规定,每100 g固体食品或每100 mL液体食品中的含糖量(指所有的单糖和双糖)不高于0.5 g的食品称为无糖食品[20]。为了增加甜味,引起人们的食欲,无糖食品中通常需要加入食糖替代品——糖醇。

糖醇是传统食糖的重要替代品,因其不被口腔微生物作用,具有预防龋齿的功能;代谢过程不依赖或很少依赖胰岛素,且热量低,是糖尿病人和肥胖人士首选的食糖替代品[21]。已有学者开始关注了结冷胶在无糖食品方面的应用,如Evageliou等[22]研究了结冷胶-菊粉体系的质构和透明度。但结冷胶-糖醇体系的质构特性未见相关的研究报道,开展这一领域的研究对无糖食品的开发以及结冷胶的拓展应用具有重要意义。本实验在上述研究的基础上,以3种食品中常用的安全性较高的糖醇[23]:赤藓糖醇、木糖醇、乳糖醇为研究对象,研究了不同质量浓度、不同混合比例以及在不同阳离子条件下对结冷胶凝胶质构的影响,以期为糖醇和结冷胶在食品中的应用提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

结冷胶由江南大学生化工程与生物反应器实验室提供,纯度为92.3%,重均分子质量4.5×105 D,酰基含量4%;乳糖醇、木糖醇、赤藓糖醇均为食品级,市售。原子吸收法测定结冷胶、赤藓糖醇、木糖醇、乳糖醇中K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量如表1所示。

表 1 实验材料中金属离子的含量

Table 1 Metal ion contents in experimental materials

mg/g

样品

K+

Na+

Ca2+

Mg2+

结冷胶

41.80

9.300

5.950

0.24

赤藓糖醇

7.61×10-3

0.239

0.040

6.55×10-3

木糖醇

5.20×10-3

0.065

0.036

7.48×10-3

乳糖醇

6.89×10-3

0.066

0.033

6.42×10-3

 

 

1.2 仪器与设备

TA-XT plus物性分析仪 英国Stable Micro System公司;DJ1C-300电动搅拌器 常州诺基仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 结冷胶凝胶制备

在已称质量的500 mL烧杯中加入90 ℃去离子水300 mL,缓慢加入已精确称质量的结冷胶粉末(0.9、1.8、2.7 g),缓慢搅拌,使结冷胶完全溶解,形成透明澄清的溶液,加入适量的糖醇(15~75 g),边搅拌边加入1 mol/L CaCl2或4 mol/L KCl溶液,搅拌均匀,用80 ℃的热水补充蒸发的水分,使K+或Ca2+的最终浓度在40~400 mmol/L或2~50 mmol/L。将结冷胶溶液趁热倒入预热至80 ℃,直径为145 mm的平皿中,液面高度为15 mm,冷却至室温,放置在4 ℃的冰箱中保藏24 h,待测。

1.3.2 结冷胶凝胶质构的测定

采用TA-XT plus物性分析仪进行测定,探头型号为P36R,测试模式为压缩模式,测试前探头下压速率为2 mm/s,测试时速率为1 mm/s,测试后探头离开速率为2 mm/s,下压距离为10 mm,触发力为5 g。每个样品平行测定3次。

结冷胶质构参数破坏应力(σF)、破坏应变(εF)和破坏模量(E)的测定[13],分别表征结冷胶的凝胶强度、脆性、硬度,即σFE越大,凝胶强度和硬度越大;εF越大,脆性越差,弹性越好。

621889.jpg (1)

621878.jpg (2)

621870.jpg (3)

式中:F为破裂力/N;h0为压缩前凝胶的高度/mm;Δh为凝胶破裂时探头下压的距离/mm;S0为探头与凝胶接触的面积,由探头型号决定,1017.36 mm2。

2 结果与分析

2.1 结冷胶浓度对凝胶破坏应力、破坏应变和破坏模量的影响

图1表示0.3、0.6、0.9 g/100 mL结冷胶在外加K+浓度为80 mmol/L时,σFεFE的变化。

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图 1 不同质量浓度结冷胶凝胶的σFεFE

Fig.1 σF, εF and E of gellan gel at various concentrations

由图1可知,随着结冷胶质量浓度的增加,σFE显著增加,而εF变化不显著。当结冷胶质量浓度增大,体系中结冷胶双螺旋链的数量增加,双螺旋链有序聚集形成联结点,联结点的数量也增加,因此凝胶强度和硬度显著增大。脆性是低酰基结冷胶凝胶的一大特点。洪伦波等[12]研究表明:当结冷胶质量浓度在0.2~0.5 g/100 mL时,脆性几乎不受质量浓度的影响。结冷胶质量浓度对凝胶脆性的影响较小,当质量浓度从0.3 g/100 mL增加到0.9 g/100 mL时,破坏应变εF从0.28下降到0.24。

2.2 3种糖醇对不同质量浓度结冷胶凝胶破坏应力、破坏应变和破坏模量的影响

图2外加K+ 80 mmol/L时,赤藓糖醇、木糖醇和乳糖醇对0.3、0.6、0.9 g/100 mL结冷胶凝胶质构的影响。

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图 2 3种糖醇对0.3 g/100 mL(A和B)、0.6 g/100 mL(C和D)、0.9 g/100 mL(E和F)结冷胶凝胶σFE值的影响

Fig.2 Effects of three alditols on σF and E of 0.3 g/100 mL (A and B), 0.6 g/100 mL (C and D) and 0.9 g/100 mL (E and F) gellan gels

糖醇对结冷胶凝胶质构的影响与其种类和质量浓度密切相关,但与结冷胶的质量浓度关系不大。在3种质量浓度(0.3、0.6、0.9 g/100 mL)的结冷胶体系中加入糖醇,都使σFE显著降低,σFE随着糖醇质量浓度的增加而降低,且3种糖醇对σFE的影响力为乳糖醇>木糖醇>赤藓糖醇。糖醇对结冷胶凝胶质构的影响,一方面可能与糖醇分子和H2O的结合有关。K+的成胶机理为“COO--K+-H2O-K+-COO-”,由于氢键作用,糖醇首先与H2O结合,在一定程度上破坏了K+与多糖链的结合,导致其凝胶强度和硬度降低。另一方面糖醇的加入,使得胶液黏度增大,不利于多糖分子链间的彼此聚集,使得形成的三维网络结构松散,体现在质构上为凝胶强度和硬度降低。糖醇的分子质量对凝胶质构也有影响。3种糖醇的分子质量大小为乳糖醇>木糖醇>赤藓糖醇,乳糖醇由于分子链最长,对多糖分子链聚集的阻碍作用最大。

所考察的3种糖醇对结冷胶的εF影响很小,在考察的糖醇质量浓度范围内,结冷胶的εF几乎不受影响(数据未示出)。以添加乳糖醇为例,添加15 g/100 mL乳糖醇分别使0.3、0.6、0.9 g/100 mL结冷胶的εF从0.276、0.273、0.240变化到0.283、0.283、0.277,分别增加了2%、4%、15%,可见乳糖醇对高质量浓度的结冷胶(0.9 g/100 mL)比对低质量浓度结冷胶(0.3、0.6 g/100 mL)脆性的影响要大的多。但在食品工业中,结冷胶的用量一般为0.05~0.5 g/100 mL,因此在实际应用中,可以忽略糖醇对凝胶脆性的影响。

2.3 复合糖醇对结冷胶凝胶破坏应力、破坏应变和破坏模量的影响

图3表示总质量浓度为15 g/100 mL的复合糖醇,以7种不同的质量比混合方式,分别研究对0.3 g/100 mL结冷胶凝胶σFεFE值的影响(外加K+ 80 mmol/L)。由前述可知,3种糖醇对结冷胶的σFE均有降低作用,对0.3 g/100 mL结冷胶的εF几乎没有影响。由图3可知,添加7种复合糖醇后,其σFE值比添加相同质量浓度的单一的糖醇的σFE大,说明复合糖醇对结冷胶凝胶强度和硬度的影响比相同质量浓度的单一糖醇小,而脆性几乎不受糖醇混合方式的影响。

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E.赤藓糖醇;X.木糖醇;L.乳糖醇。

图 3 复合糖醇对结冷胶凝胶σFεFE值的影响

Fig.3 Effects of mixed alditols on σF, εF and E of gellan gel

混合体系中,两种物质间的相互作用一般可分为正协同作用(聚集)和负协同作用(分离)。聚集往往是由于两种物质间的静电吸引,形成较长的分子链;而分离会导致两种物质分层,对于结冷胶凝胶体系而言,分层会导致凝胶透明度下降[14]。由前述可知,糖醇的分子链越长,对结冷胶的凝胶强度和硬度的减小作用越明显。而图3表明,复合糖醇对结冷胶凝胶强度和硬度的减小作用比相同质量浓度的单一糖醇弱,说明在此体系中,糖醇间没有聚集作用。至于不同糖醇间是否有分离作用,需通过透明度测定进行验证。

2.4 K+和Ca2+浓度对结冷胶-乳糖醇体系破坏应力、破坏应变和破坏模量的影响

结冷胶-菊粉体系的质构除了与结冷胶、菊粉的质量浓度有关外,还受成胶离子浓度的影响[22]。为了探究成胶离子浓度对结冷胶-糖醇体系质构的影响,以10 g/100 mL乳糖醇、0.3 g/100 mL结冷胶为例,研究了外加K+为40~400 mmol/L以及Ca2+ 2~50 mmol/L时,体系σFεFE的变化。

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A.结冷胶体系;B.结冷胶-乳糖醇体系。

图 4 K+浓度对结冷胶和结冷胶-乳糖醇体系σFεFE值的影响

Fig.4 Effect of K+ concentration on σF, εF and E of gellan gum and gellan-lactitol system

由图4可知,当外加K+浓度在40~160 mmol/L时,σFE迅速增大;当外加K+浓度在160~300 mmol/L时,σFE平稳变化;当外加K+浓度>300 mmol/L时,σFE迅速较小,而εF随K+浓度增大而减小。这一现象与Tang Juming等[24]报道的研究结果一致,当K+浓度过大时,结冷胶双螺旋双链间的结合从有序变为无序,联结点的数量减少,因此凝胶强度和硬度下降;当K+浓度增大,凝胶网络孔径变得更为致密,因此脆性增加。在结冷胶中添加10 g/100 mL的乳糖醇,σFE明显降低,εF却改变很小。

由图5可知,外加5 mmol/L Ca2+形成的结冷胶凝胶效果与外加140 mmol/L K+形成的凝胶效果类似,与文献报道的结果一致。K+带有苦味,人的味觉对苦味的阈值很低,即在很低的浓度下就能感受到,含有大量K+的食品一般不被人所接受。为了消除不良风味的影响,在食品工业中一般用Ca2+作为结冷胶的成胶离子。因此研究在不同Ca2+浓度下,糖醇对结冷胶质构的影响具有现实的意义。在低浓度Ca2+(外加Ca2+10 mmol/L)时,乳糖醇对σF、E明显降低,对εF显著增大;当外加Ca2+浓度在10~50 mmol/L时,乳糖醇对结冷胶的质构几乎不产生影响。这与以K+为成胶离子时,乳糖醇对结冷胶质构的影响差别很大。这种现象可能是由于两种离子不同的成胶机理造成的。Ca2+与结冷胶的连接方式为“COO--Ca2+-COO-”,在低浓度Ca2+时(10 mmol/L),溶液中结冷胶螺旋双链的数量较少,乳糖醇的加入,使体系的黏度增大,不利于结冷胶双螺旋链间的聚集,联结点数量较少,凝胶强度和硬度下降。当Ca2+浓度增大时,溶液中结冷胶双螺旋链的数量增加,受黏度的影响很小,此时对结冷胶质构起主导作用的是Ca2+的浓度。

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A.结冷胶体系;B.结冷胶-乳糖醇体系。

图 5 Ca2+浓度对结冷胶和结冷胶-乳糖醇体系σFεFE值的影响

Fig. 5 Effect of Ca2+ concentration on σF, εF and E of gellan gum and gellan-lactitol system

3 结 论

赤藓糖醇、木糖醇、乳糖醇对结冷胶的凝胶强度和硬度都有不同程度的降低作用,对高质量浓度结冷胶(0.9 g/100 mL)脆性的影响比低质量浓度结冷胶(0.3、0.6 g/100 mL)脆性的影响要明显,且3种糖醇的影响力为:乳糖醇>木糖醇>赤藓糖醇。通过对复合糖醇对结冷胶凝胶质构的影响研究表明,复合糖醇间不存在正协同作用。成胶离子对结冷胶-乳糖醇体系质构影响明显。当外加离子为K+时,乳糖醇对结冷胶凝胶质构有明显的影响;当外加离子为Ca2+时,乳糖醇只在低浓度Ca2+ (≤10 mmol/L)时,对结冷胶凝胶质构产生影响,在高浓度Ca2+(10~50 mmol/L)时,几乎对结冷胶质构不产生影响。

在实际应用中,结冷胶的用量一般为0.05~0.5 g/100 mL,并且Ca2+需要量较低(2~10 mmol/L),在此条件下,用糖醇作为甜味剂,必须考虑到糖醇对凝胶强度和硬度的影响,用复合糖醇代替单一糖醇,可以减小影响。

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收稿日期:2013-04-22

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2011BAD23B04);国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA021505);无锡市科技支撑计划项目(CLE01N1208);2012年无锡市农业产学研合作项目

作者简介:张晨(1988—),女,硕士研究生,研究方向为发酵食品生物技术。E-mail:yzhangchen@163.com

*通信作者:詹晓北(1962—),男,教授,博士,研究方向为工业发酵与生物化工、糖生物技术。E-mail:xbzhan@yahoo.com