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黄原胶和CMC复配对酸性乳饮料稳定性的影响

发布日期:2015-06-09 16:55:19
黄原胶(Xanthan),又称黄胶、汉生胶,1952年由美国农业部伊利诺斯州皮^里 尔北部研究所分离得到甘蓝黑腐病黄单胞菌,并使甘蓝提取物转化为水溶性的酸性胞 外杂多糖而得到。黄原胶自从被发现以来广泛应用于包括食品行业在内的二十多个 行业,位居微生物发酵多糖商业利用的榜首(4-5]。目前,世界黄原胶年产量已达5-6万 吨.并保持7%的年増长率,其中将近一半的份额用于食品领域P71。黄原胶作为食品 添加剂安全无毒[8i,主要被用于调味酱料、饮料、焙烤、乳制品等各个方面,以改善产 品的质构、口感和稳定性,它是一种良好的食品增稠剂和稳定剂。
近年来,随着我国人民生活水平的不断提高、健康意识的不断加强,乳制品市场 日益壮大。酸奶以其独特的营养和风味风靡全世界,在国外占据乳制品行业80%的市 场份额,但因其价格比较贵在我国的市场占有率不到20%。酸性乳饮料酸甜适中,爽 滑可口,不仅保留了酸奶的特殊风味,还具备了酸奶的大部分营养和功能,且价格适 中,因而在我国深受广大消费者的青睐,特别是少年儿童,在我国液态乳市场上迅速 占据了相当的份额,并且每年保持20%左右的增长速率。酸性乳饮料是一种以鲜奶、 复原奶和豆奶为主要原料,添加其他甜味剂、稳定剂、香精和色素等辅助原料,利用 活性菌进行乳酸发酵或直接添加果汁、食品酸等(乳酸、苹果酸和柠檬酸等)辅助原 料调配获得的pH介于3.8到4.2 (低于酪蛋白的等电点4.6) ^蛋白含量大于1%的含乳饮 料[91。为了满足消费者对酸性乳饮料日益增长的需求,因此乳制品企业致力于生产和开 发形式多样的酸性乳饮料产品,但脂肪上浮和蛋白质沉淀却一直制约着酸性乳饮料产 品的生产和开发,本文着重讨论其蛋白沉淀的问题,它主要是因为蛋白酪在酸性乳饮 料生产过程中易变性引起的,而在产品中添加稳定剂可以有效解决产品中蛋白质的稳 定性问题。
在实际生产中,稳定酸性乳饮料最常用的稳定剂以CMC价格最为低廉,因而其在 我国酸性乳饮料工业中得到了广泛的应用。虽然CMC单独应用可以达到稳定产品的目 的,但是产品的口感和风味释放不好,所以,通常它和其它胶体复配使用*使产品具有 良好稳定性的同时,也具有良好的口感。CMC和其他任何胶体复配都没有协同增效作 用,但是可以和其它很多胶体在一个体系里相容[10-111。而黄原胶在酸性乳饮料中应用 可以给产品带来爽滑的口感,所以生产厂家通常将它和CMC复配用于酸性乳饮料产 品。通常,CMC添加量为0.4%~从6%,黄原胶的添加量为0,02°/卜0.10%[2~3]。但是,一 直困扰酸性乳饮料厂家的是采用该复配方法的产品稳定性波动很大,具体表现为在相 同酸性乳饮料配方和工艺条件下,在CMC基础上添加不同来源的黄原胶后,产品的稳 定性比单独添加CMC时变得更好或更差,也就是产品的蛋白质沉淀量增多或减少。这 个问题给生产厂家选择该复配配方带来麻烦,限制了该复配配方在酸性乳饮料产品中 的应用。目前还没有文献资料系统报道具有何种理化指标和功能特性的黄原胶和CMC 复配后稳定酸性乳饮料产品最为合适,迄今的文献资料也仅限于利用黄原胶和其它胶 体复配为稳定酸性乳饮料对产品配方和工艺的探讨。
1.1.1黄原胶的分子结构和在溶液中的构象
黄原胶的分子结构如图1-1所示[12],具有五糖重复结构单元,分子量为 2?5〇xlO_。主链呈纤维结构,由2分子D-葡萄糖通过p (1—4)糖苷键连接而成,每 隔一个葡萄糖残基,在其主链的C3位上连接有一个三糖侧链,侧链的首尾为甘露糖, 中间为葡萄糖醛酸,在靠近主链的甘露糖C6位上连接有乙酰基,在末端的甘露糖的C4 和(:6位与丙酮酸缩合(乙酰基和丙酮酸含量受发酵条件和生产工艺的影响)。侧链上 的葡萄糖醛酸和丙酮酸赋予了黄原胶负电荷,带负电荷的侧链之间以及侧链与聚合物骨 架之间的相互作用决定了黄原胶溶液的优良性质。
图1-1黄原胶分子结构示意图
黄原胶的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螺旋结 构,其三级结构是棒状螺旋结构间靠微弱的非极性共价键结合形成螺旋复合体。
黄原胶在水溶液中呈多聚阴离子且构象是多样的,依赖于被表征的条件(溶液的 离子强度、pH和电解质的性质),该分子可以处于有序的螺旋结构(helix)(此时侧 链呈折叠状态靠近主链)和无序的无规线团(random coil)(此时侧链离开主链,主 链变得柔软)[m71。其有序的构象可以是天姥的(native),也可以是变性 (denature) 了的,在溶点溫度以下的分子处于天然的构象,该温度依赖于黄原胶溶解 介质的离子强度。X-射线显示[18],天然有序的黄原胶构象呈5倍对称折叠的右手螺旋, 螺距为4.7nm,直径为1.9nm。该螺旋结构为单股、双股或多股螺旋的说法都有,不过 目前更多人支撑其为双股螺旋[191。分子的双螺旋结构己经被很多实验所证明,Capron 等人表明,当加热温度超过分子从有序到无序的转变温度时,天然有序的结构结构会 发生变性,同时分子量降低,而且分子量大约降低了一半,这证明了天然形式的双螺 旋结构。该螺旋通过非共价键(氢键、静电和空间效应)来稳定,可以用棒状来描述 它。在水溶液中,温度或离子强度的变化可以使分子发生构象的转变,但这依赖于分 子中羟基和乙酰基被离子化的程度。一般由温度导致的分子构象从有序到无序的变化 主要是由于双股螺旋部分或者全部被解幵。在适当的条件下(温度低于转变温度和高 离子强度),黄原胶分子会复性(renature)。从变性到复性的状态是可逆的,而从天 然的状态到变性的状态不可逆。冷却后复性时分子量不变,这表明复性是一个分子内 过程,黄原胶有序形式的恢复发生于单分子里。很有可能的是黄原胶复性形式的构象 是由一条链折叠成发卡环状(hairpin loop)的反平行、双股线结构。复性后黄原胶溶 液的粘度比天然的高,支撑了在复性过程中单股线缔合成超分子结构的理论。
在低离子强度或高温溶液中,由于带负电荷侧链间的彼此相互棑斥作用,黄原胶 链形成一种盘旋结构,然而即使电解质浓度的少量增加也会减少侧链间的静电排斥, 使得侧链盘绕在聚合物骨架上,聚合物链伸展成为相对僵硬的螺旋状杆。随着电解质 浓度的増加,这种杆状结构在高温和高浓度的状态下也能稳定存在^
U.2黄原胶溶液的功能特性及其在食品中的应用价值
黄原胶特殊的分子结构和构象决定了它具有特殊的功能性质,从而使黄原胶成为 应用领域广、发展速度快且极富发展潜力的微生物多糖[2<)_23]。
黄原胶分子量非常高,其螺旋结构使黄原胶在低浓度、低剪切力时具有高粘度的 特点;同时该粘度为黄原胶溶液提供了一定的屈服值,即要使黄原胶溶液发生流动需 要一个最小的力,这个力的存在使得产品在低应力的储存和运输过程中保持稳定。
黄原胶溶液还具有十分良好的假塑性,该流变特性对食品的加工和食用有重要价 值。在食品加工中,作为添加剂易于泵送和灌注等工艺,便于高固形物食品的混合搅 拌,提高工作效率。添加黄原胶的食品在食用时,因咀嚼及舌头转动时所形成的剪切 率,使食物粘度下降不粘口,口感细腻,利于风味释放。
黄原胶特殊的结构特征还使其对热、酸、碱和酶都具有十分良好的耐受能力,这 些性质都使得黄原胶成为十分良好的食品增稠剂和稳定剂。
 
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