[科普中国]-凝结多糖

简介

它是由日本大阪大学原田教授等人在1964年从土壤中分离出来的一种名为Alcaligenesfacealis var．myxogenes(10C3)的细菌产生的(后来发现Agrobacte—rium属的许多保存菌株都可以产生该多糖)。凝结多糖有许多特殊性质，该糖可形成热不可逆凝胶，具有食用和多种工业用途。1989年，日韩开始用它作食品胶。美国FDA于1996年准许将其作为食品的稳定剂、增稠剂用于食品配料中。凝结多糖因此成为继黄原胶、结冷胶之后第三个经FDA批准的发酵生产的食品用多糖，这为凝结多糖的进一步推广应用提供了更为广阔的空问。凝结多糖的应用与食品开发也达到了一个新的水平。日本、加拿大等国已有生产，在日本和中国台湾已被开发应用于许多食品中。中国江苏省食品发酵研究所采用微生物发酵法生产凝结多糖的工艺已基本完成工业性的试验，致力于实际工业化生产的前期准备工作。

分子结构凝结多糖是由400-500 个 D-葡萄糖残基通过β-1，3-D-葡萄糖苷键构成的线性葡聚糖，2完全分子式为(C6H10O5)。n通常为250以上，其分子量约44000～100000，无支链结构。它的一级结构(图1)

是个长链。凝结多糖由于分子内部的相互作用与分子间氢键的结合可形成更为复杂的三级结构。X射线衍射分析发现，凝结多糖具有β一三股螺旋结构。凝结多糖在加热成高强度胶时，是右手6叠3股螺旋体，能形成稳定的硬棒结构。

凝结多糖不溶于水及许多有机溶剂，但可溶解于碱液、蚁酸、二甲基亚砜，通常易溶于能破坏氢键的物质的水溶液中。其红外吸收光谱显示出β一键的特征，在波数890cm -1处有吸收峰。凝结多糖易于被刚果红和苯胺蓝染色而不被甲苯胺蓝和次甲基蓝染色，染色性稳定，其染色性与凝结多糖浓度和聚合度成比例。凝结多糖具有触变体性质，将其水悬浊液缓慢加热，其黏度在54℃附近急剧上升，62℃附近达到一定，在78℃前后再一次升高，且黏度随温度上升而升高。凝结多糖是一种不被人体消化、不产生热量的一种极其安全的多糖类添加剂，毒性实验经口投入10g/kg的凝结多糖未发现异常现象。3

性质凝结多糖的悬浮液经加热可形成无色、无味道、无气味的凝胶，它不同于一般的胶凝剂，除加热外，还需要其他条件使之形成凝胶(如加热后冷却，ca计的存在，或特定的pH和蔗糖浓度)。凝结多糖这种独特的凝胶特性，使它在食品工业中具有特殊用途。3

凝胶的形成凝结多糖根据加热的温度不同可形成两种不同性质的凝胶。将其水分散液(2%以上)加热到54～80℃，然后降温到40℃，可形成一种热可逆的低强度凝胶，重新加热到70℃，胶会再溶解，这一性质类似琼脂。如果将凝结多糖加热到80℃以上(80～130℃)几分钟，即形成一种热不可逆的高强度凝胶，冷却到室温后重新加热也不会溶解。形成的热不可逆凝胶室温下质感较脆硬，加热蒸煮时硬度下降，弹性不会下降，久煮不会溶解或软烂。3

影响凝胶强度因素a．浓度对凝结多糖凝胶强度有一定影响

随着凝结多糖浓度的增加，其强度升高，从大约3%时开始，凝胶强度急剧上升，高于同浓度下琼脂的强度，其凝胶性质介于琼脂的脆性和明胶的延展性之问。

b．酸碱度对凝胶强度的影响

凝结多糖对酸碱度的适应性很强，在pH2～10范围内都具有良好的凝胶形成性。

c．无机盐对凝胶强度的影响 各种无机盐类对凝结多糖的凝胶强度几乎无影响，但Na2B407可显著增强凝胶强度。3

凝胶的性质凝结多糖凝胶在冷冻和解冻下均能保持稳定，这一特性使它在众多的胶凝剂中脱颖而出。Yukihiro Nakao等人研究表明，将多糖凝胶置于4℃下保藏20h对凝胶强度无影响，将凝结多糖、琼脂、卡拉胶经冷冻(一40℃)解

冻处理后，凝结多糖的凝胶强度变化甚微，而琼脂、卡拉胶的凝胶强度分别为1/10和1/5左右，且凝胶块变成海绵状质构，解冻后失水。

凝结多糖凝胶具有极强的包油性，将3%凝结多糖和各种浓度的玉米油混合液均质后，在95℃、10min加热时，随着含油量的增加，其凝胶强度和脱水率均减少。当含油量达到24%时，凝胶在生成过程和生成后仍不发生油分离。将含油凝胶夹在两板间压榨，仅能除去部分水分，油仍残留在干燥物中，含量可达85%，并且此干燥物质吸水而恢复凝胶状态。另外，β一蒎烯、沉香醇等樟脑类物质和脂溶性维生素都可以包含于凝结多糖凝胶，都可以得到去除水后的干燥物，而这些疏水性物质并不受到损失。

将凝结多糖的非加热凝胶进行压榨去除水分，可以得到干燥薄片，这种薄片易吸水膨胀形成再生凝胶，利用此性质可以制得各种可食性薄片和速食果冻。将含有15%凝结多糖的NaOH水溶液，用制膜设备挤出到酸性溶剂中可以制得凝胶状薄膜，并可对其进行干燥调制等。这种薄膜呈透明状，在热水中易膨胀但不溶，其强度是纤维素薄膜的1/3～1/4。因此适宜于作为各种食品用薄膜。3

制备菌种1965年大阪产业大学的原田教授等从土壤中分离出10C3，并发现此菌株产一种胞外琥珀酸葡聚糖，这种葡聚糖的发酵液的黏度很大，且这种多糖加热到100℃时形成凝胶，并确定了它普遍适用的培养基成分。1966年，原田教授 等人又发现了10C3的自发突变株(10C3K)，它不同于亲株产琥珀酸

葡聚糖，而是产生一种不溶的胞外多糖，这种多糖完全由D一葡萄糖残基经β一葡萄糖苷键在C一1和C一3连接形成线性的β一(1—3)葡聚糖，此后，发现此多糖能被靛蓝专一性染色。1983年加拿大多伦多大学的劳福德和菲利普斯等人在对ATCC21680限氮连续培养中得到一株高产的自发突变菌株ATCC31749。

生产凝结多糖的菌株的典型世系如图2

国内，何国庆等从稻田土壤中分离筛选出数株产碱杆菌菌株，并对其进行了γ射线辐照与硝基胍诱变处理，获取了一株多糖产量高、性能好的凝结多糖生产菌株C125。他们又利用60上标 Coγ射线对产生凝结多出发菌株GM24的菌体细胞与原生质体分别进行辐照处理，发现60 C07射线对GM24原生质体的诱变效应明显优于对其菌体细胞的作用。3

凝结多糖发酵培养基葡萄糖是制备凝结多糖的最佳碳源。蔗糖和玉米淀粉是凝结多糖工业化生产中的最佳选择材料。凝结多糖是一种次级代谢产物，在菌体生长的稳定期合成，氮源的相对不足有利于它的大量合成。在某种简单的特定培养基中，维持pH中性，高浓度的碳源可转化为高产量(50%)的凝结多糖；在仅含D一葡萄糖和碳酸钙，无氮源的培养基中，细胞悬浮液也可合成凝结多糖。产生的凝结多糖可利用它的水不溶性加以分离。根据经验，较为理想的成分配比为：葡萄糖50.0g，酵母粉8.0g，K2HP04 0.1g，(NH4)2HPO4 0.8g，MgS04 0．3g，柠檬酸钾0.3g，FeCl3O 0.25g，pH自然。3

制备工艺由胞外多糖(EPS)围绕细胞以黏性聚合物形式形成网状结构。因此在凝结多糖的生产过程中，难以将胞外多糖与细胞分离，即使大量稀释也很难分离。3提取过程如图三

应用在食品行业应用凝胶多糖由于其良好的加工适应性如保水性、耐冷冻性、耐热性、粘结性和成膜性等功能而被广泛地应用于食品工业各个领域。各种适用于不同食品的特殊制剂已得到开发应用 。凝胶多糖既可以作为食品添加剂又可作为食品主成分应用到食品中。4

1.1在肉制品中的应用

凝胶多糖在50～60℃的水分吸收率最大，这一性质使它适于应用在肉制品中。在肉类加工中，凝胶多糖能改善香肠和火腿的持水性，在汉堡包中加入0.2～1%的凝胶多糖，烹调后形成松软、多汁和高产量的汉堡包。另外，利用其薄膜形成性，在汉堡包、炸鸡等表面覆膜，使烧烤过程中产品的重量损失降低，肉汁多而且口感香滑柔软。其覆膜方法是将5%凝胶多糖、0.5%淀粉、94.5%水混合分散均匀，将被覆食品在其中浸渍5～15s，取出后在125～130℃油浴中加热30～40s，去油冷却，然后急速冷冻或冷藏，调理时可再行加热烘烤或油炸。

1.2在面制品中的应用

凝胶多糖应用于中华面、荞麦面、切面时，可以增强面制品面条的硬度、弹性、粘度等，改善口感、抑制热水溶胀、减少煮烂、减轻汤汁混蚀。使用量为小麦粉的0.3～1%，常用量0.4%。调制时先将凝胶多糖与小麦粉混合均匀，再与其它原料混合均匀制面。豆腐是日本和中国的传统食品，它具有柔软的质构，将4%的凝胶多糖与豆腐凝固剂混合使用于豆乳中，挤压加热可制得豆腐面，赋予它不同的质构，并且还可将豆腐进行高温消毒，也可冷藏。

1.3在水产制品中的应用

凝胶多糖用于水产制品，如鱼肉糕、油炸鱼肉糕、鱼肉圆、冷冻鱼肉糜等，可以增强制品弹性、有咬头，同时使其硬度增加便于成型操作。使用量一般为鱼肉糜量0.7%。使用时先将凝胶多糖调制成低强度凝胶，再加入鱼肉糜中。

1.4在烘烤制品中的应用

利用凝胶多糖的保湿保鲜和保型特点，也可将其添加到糕点如蛋糕、奶酪饼等中。加工时外观不凹陷，加工后保湿性良好，即使进行冷藏也不会产生老化发沙现象，使用量一般0.1～0.4%。凝胶多糖用于面包、馅饼的流动性馅心，由于胶凝作用可使其保持适当的形状，便于操作。改变其添加量可对其硬度和保型性进行调节。如蜂蜜、奶油、沙司类风味馅心，使用量一般为2～5%。

1.5在冷冻制品中的应用

凝胶多糖作为稳定剂应用于冰淇淋可提高其保型性。将凝胶多糖与其它稳定剂合用效果最好。使用量一般为0.2～0.3%。一种冰淇淋的配方和操作要点如下：全脂炼乳12、脱脂乳粉8.0、无盐奶油15.5、砂糖3.0、饴糖5.0、蛋黄1.0、乳化剂（OM）0.2、香料（香兰素）0.1、水55、凝胶多糖0.2。先将其混合后热处理达85℃，均质（100MPa）

1.6在其它制品中的应用

凝胶多糖用于草莓酱、蜂蜜和蛋黄酱等粘稠而不易操作的风味物，可以制作草莓片、蜂蜜片和蛋黄酱片等，这些薄片可以直接作为风味小食品食用，也可以用于夹心、夹馅、卷寿司芯等。蔬菜、水果、肉类制品都可以用凝胶多糖制成薄片状食品。这些食品可进行冷冻保存，并且在使用时加热也不溶化。凝胶多糖作为生产素食香肠的关键组分，使这种香肠具有全脂香肠的质构味道和口感。它还可代替干酪制品中的脂肪防止酸乳酪和低脂酸性稀奶油的脱水收缩。大多数乳加工的巴氏杀菌温度对凝胶多糖的凝胶是合适的。还可将凝胶多糖用于制作绿茶风味的果冻，这种果冻可冷冻保藏，食用前以微波加热。凝胶多糖含膳食纤维98.6%，可用作低热、减肥、防止便秘等的功能性食品配料，生产保健食品。

在化工工业应用化工中所用的凝胶柱的填充料一般为葡聚糖。已经有科学家研究了用凝结多糖代替葡聚糖作为柱中的填料，并取得了较好的分离效果。国外已开始生产用于此用途的凝结多糖。凝结多糖和活性炭制备的混合料可以有效地去除中草药中的重金属元素，对于传统中药开发尤为有利；而在化妆品工业中作为增稠剂、悬浮剂、稳定剂、保湿剂以及流变性改进剂也很有效，因而可应用于各种类型的化妆品中。3

凝胶多糖发展凝胶多糖是一种新的微生物多糖，具有很多独特的功能。自1997年美国的卫生组织批准凝胶多糖作为食品添加剂以来，凝胶多糖的功能性质在食品工业得到淋漓尽致的体现，而且应用范围不断地扩大。除应用于食品工业外，最近有科学家研究了用凝胶多糖代替葡聚糖作为柱中的填料应用于化工行业，取得了较好的分离效果。

目前国外已开始生产用于此用途的凝胶多糖。在化妆品工业中凝胶多糖作为增稠剂、悬浮剂、稳定剂、保湿剂以及流变性改进剂也很有效，因而可应用于各种类型的化妆品中。据专家分析，凝胶多糖的需求将以30%的速度增长，世界形势处于供不应求的状态。而中国对凝胶多糖的研究还处在认识阶段，离工业化生产还有很长的一段距离，因此加快对凝胶多糖的开发对调整中国的农村产业结构、提高农产品的附加值、增加农民收入有重要作用。4