食品膠的膠凝特性及其機制

對於食品膠的功能性來說，許多膠的凝膠特性與膠溶液粘度之間有一定的相關性，比如明膠，低濃度時能用作增稠劑，但在高濃度時，卻能用作膠凝劑。

食品膠的膠凝特性及其機制 首頁 最新專案食品膠的膠凝特性及其機制 食品膠的膠凝特性及其機制 wellwiz 2016-11-2916:44:41 30186 3 來源：向富實業股份有限公司標籤：明膠,洋菜膠,鹿角菜膠,刺槐豆膠,海藻酸鈉,阿拉伯膠,三仙膠 在食品體系組成中需要的食品膠體添加量很少，通常為千分之幾，但卻能有效地改善食品的品質品質。

當在食品體系中採用食品膠時，這些食品膠賦予或改善這些體系的流變學特性，例如粘度增加，流體的假塑性（剪切變稀）等性能從而使這些體系具有合適的質構。

由於這些食品體系的流變學特性的改善，固體能均勻地和長久地懸浮在水相中，乳化液得以穩定不至於油水分離分層，氣液體系也能以穩定的狀態存在。

可見，食品膠能在食品工業中發揮重要的作用，是與它的獨特功能特性分不開的。

食品膠的最重要的基本功能或是使水相增稠，或是使水相成膠，這些重要功能已在食品加工工業中得到了廣泛和充分的應用。

(一)食品膠的功能特性 目前，在眾多食品中特別是在西方的食品產品中幾乎找不到一種食品不含有親水膠體充當體系穩定劑。

食品膠廣泛應用於食品工業中、應用於食品中時，所加入的食品膠也往往不只起一種作用，即發揮了多種作用，食品膠往往具有多種功能。

食品膠作為一種親水膠體，是一種膠體物。

它具有所有膠體應具有的基本性質，包括擴散和布朗運動、沉降現象、滲透壓、光學性質、流變學性質、膠體質點周圍有雙電層、電動現象(電泳和電滲)、聚沉現象、穩定和絮凝作用等。

食品膠在食品中的廣泛應用主要原因在於它們都有著許多的功能特性。

對於大多數食品膠而言，這些功能特性最重要的是各種膠的粘度特性或其增稠性；其次是膠凝特性（當然它要能夠成膠），，並且它們所形成的膠的特性和質構往往各不相同，從而使其在食品工業中的應用範圍相當廣泛。

表1 列出了食品膠的一些功能特性。

表1  食品膠的功能特性 功能特性 應用食品舉例 穩定劑 霜淇淋、沙拉調味汁 增稠劑 果醬、調味汁 膠凝劑 布丁、軟糖 懸浮劑 懸浮飲料 起霧劑 果汁飲料 膨脹劑 肉製品 脫水收縮抑制劑 乳酪、冷凍食品 乳化劑 沙拉調味汁 微膠囊壁材 粉末香精 絮凝劑 酒 澄清劑 啤酒 冰晶抑制劑 霜淇淋、糖漿、冷凍食品 泡沫穩定劑 啤酒 膳食纖維 麵包、糧食製品 被膜劑 糖果 凝固劑 寵物食品 對於食品膠的功能性來說，許多膠的凝膠特性與膠溶液粘度之間有一定的相關性，比如明膠，低濃度時能用作增稠劑，但在高濃度時，卻能用作膠凝劑。

同時，溫度也有影響，對大多數食品膠而言，隨著溫度的升高，其粘度會下降，從而會明顯降低增稠的功能。

在一般情況下，溫度的升高對食品膠粘度的影響類似於食品膠濃度的下降。

食品膠溶液在擠壓、攪拌等切變力作用下發生切變稀化，粘度降低，食品膠凝膠在切變力作用下也會發生膠溶或者觸變現象。

只要外力一停止，膠溶或變稀的溶液又往往可以凍結成凝膠。

（二）膠凝性 有些食品膠如明膠、洋菜膠、果膠等溶液，在溫熱條件下為粘稠流體，當溫度降低時，溶液分子連接成網狀結構，溶劑和其他分散介質全部被包含在網狀結構之中，整個體系成了失去流動性的半固體，也就是凝膠。

前面提到，所有的食品膠都有粘度特性並具有增稠的功能，但只有其中一部分的食品膠具有膠凝的特性，並且它們的成膠特性往往各不相同，利用它們的膠凝性在食品中應用時，在大多數情況下也不能相互替代，也就是說一種能成凝膠的食用膠在某一種食品中的應用往往是特定的，很難用其他膠體來替代，原因在於各種食用膠的成膠模式、品質、穩定性、口感及可接受性等特性都不一樣，或至少不完全相同。

儘管在應用這些具有膠凝特性的食品膠進行某種食品開發時，研製者有多種選擇，但一般並不能獲得品質完全一樣的食品。

另外值得一提的是，不少食品膠儘管單獨存在時不能形成凝膠，但它們混合在一起複配使用時，卻能形成凝膠，即食品膠之間能呈現出增稠和凝膠的協同效應，如鹿角菜膠和刺槐豆膠；三仙膠和刺槐豆膠；黃蓍膠和海藻酸鈉等，這些增效效應的共同特點是：混合膠液經過一定的時間後能形成為高強度的凝膠或使得體系的粘度大於體系中各組分單獨存在時的粘度的總和，即產生1+1>2的效應。

這方面典型的例子如刺槐豆膠和三仙膠，刺槐豆膠和三仙膠本身都無法形成凝膠，但刺槐豆膠或三仙膠非常顯著的特性就是與三仙膠或刺槐豆膠的協效增稠性和協效凝膠性，刺槐豆膠可按一定比例同三仙膠複配成為複合食品膠，即能成為理想的增稠劑和膠凝劑。

有學者研究發現，當三仙膠與刺槐豆膠在總濃度為１％，共混比例為60/40時，它們之間可以達到協同相互作用的最佳效果。

同時還發現這種相互協同作用的強弱除了兩者的共混比例外，還與刺槐豆膠的Ｍ／Ｇ（甘露糖與半乳糖之比）比值有關，此外凝膠的製備溫度和鹽離子濃度等因素對共混凝膠化也有不同程度的影響。

這些內容將在往後的主題中再詳細談論。

食品膠形成凝膠的膠凝臨界濃度、膠凝臨界溫度隨體系的pH、電解質的存在、其他蛋白質和多糖的存在而變化。

有些食品膠體在濃度較高或在外界溫度、pH、離子、濃度等條件適宜情況下才可形成凝膠。

一般說來，具有較多親水基團的多糖易形成凝膠，支鏈較多的多糖因受酸、堿、鹽影響小，不易形成凝膠，但有可能與其他膠複配形成凝膠。

陰離子多糖在有電解質存在下易形成凝膠，通常可以添加電解質和螯合劑來調節凝膠形成速度和強度。

表2列出了一些食用膠的膠凝特性。

表2  食用膠膠凝特性 食品膠 溶解性 受電解質影響 受熱影響 膠凝機制 膠凝特別條件 凝膠性質 透明度 明膠 熱溶 不影響 室溫融化 熱凝膠 　 柔軟有彈性 透明 洋菜膠 熱溶 不影響 能經受高壓鍋殺菌 熱凝膠 　 堅固、脆 透明 κ-鹿角菜膠 熱溶 不影響 室溫不融化 熱凝膠 鉀離子 脆 透明 κ-鹿角菜膠與刺槐豆膠 熱溶 不影響 　 熱凝膠 鉀離子 彈性 渾濁 ι-鹿角菜膠 熱溶 不影響 　 熱凝膠 鈣離子 柔軟有彈性 透明 海藻酸鈉 冷溶 影響 非可逆性凝膠，不融化 化學凝膠 與Ca2+反應成膠 脆 透明 高酯果膠 熱溶 不影響 　 熱凝膠 需要糖、酸 伸展的 透明 低酯果膠 冷溶 影響 　 化學凝膠 與Ca2+反應成膠 　 透明 阿拉伯膠 冷溶 不影響 　 熱凝膠 　 軟，耐咀嚼 透明 三仙膠與刺槐豆膠 熱溶 不影響 　 熱凝膠 複合成膠 彈性，似橡膠 渾濁 對於食品膠的膠凝機制，國內外這方面的文獻報導不少，但還不是很清楚。

膠凝現象一般可以簡單描述為親水膠體的長鏈分子相互交聯而形成能將液體纏繞固定在內的三維連續式網路，並由此獲得堅固嚴密的結構以抵制外界壓力而最終能阻止體系的流動。

也就是說，食品多糖膠膠凝劑通過分子鏈的交互作用形成三維網路從而使水從流體轉變成能脫模的“固體”。

凝膠中能包含的水分可高達99%之多，常見的食品凝膠包括果凍、布丁、膠化汽水、膠化果汁、膠化果醬、膠化牛奶、凝膠糖等。

據認為，各種親水膠體的膠凝特性不同主要是因為三維網路的纏繞度、分子交聯的數量和屬性、形成網路各單元的相互吸引和排斥以及與不同溶劑作用的差異等原因引起的。

膠凝機制的不同可通過對幾種常見食品膠的不同膠凝特性說明來理解。

明膠的膠凝特性就比較特別，它能形成蛋白質類的頗具彈性的凝膠；如上表所示，鹿角菜膠需在有鉀離子條件下能形成碳水化合物類的螺旋式凝膠，這也是其他一些海藻膠和碳水化合物的成膠方式；還由上表可知，海藻酸鈉能通過與鈣離子發生化學反應同時形成交聯而獲得一種特殊的凝膠。

由此可見膠凝機制主要可分為三類： 1.蛋白質類膠凝（明膠）  明膠凝膠是膠體化學中的典型凝膠，從理論到應用對它的研究已有近二百年的歷史，但到現在，對它的膠凝機理還未完全清楚，一般認為明膠成膠時，蛋白質中的多肽鏈相互交聯使得每分子能形成約五或六個結晶性區域，這些交聯可能是由於氨基酸與側鏈羧基之間發生的鹽鍵作用力而產生的。

明膠在任何pH情況下和無需其他物質如Ca2+、糖的協助都能同水作用形成均一的凝膠，該凝膠為熱可逆性的，加熱可以融化，冷卻後又會再次成膠 。

2.熱膠凝  鹿角菜膠、洋菜膠等紅藻提取物膠體都是這種膠凝方式，它們的共同組分硫酸酯半乳聚糖在形成這種凝膠時往往要經歷三個明顯的階段：自由纏繞，雙重螺旋，聚集，其中所形成的雙重螺旋結構是形成這類凝膠網路的基礎。

3.化學膠凝  離子性的食品膠(如海藻酸)在有高價金屬離子存在下可以形成凝膠，而與溫度高低沒有關係。

由表2可知，海藻酸鈉和低酯果膠都是通過與鈣離子發生化學反應交聯而獲得一種特殊的凝膠。

直到現在，一般認為，這種交聯是由於鄰近聚合物鏈上的兩個羧基基團與鈣離子作用形成離子橋或通過每一對聚合物鏈上的羥基和羧基基團同鈣離子發生螯合作用而形成的。

4.其他膠凝機制  其他多糖凝膠的形成機制與上述幾種膠凝原理會有所不同，蛋白質之間、多糖之間以及蛋白質與多糖之間可以形成共混凝膠，共混凝膠的形成能降低單獨形成凝膠的膠凝臨界溫度、膠凝臨界濃度，甚至兩種單獨不能形成凝膠的高分子共混後能形成凝膠，這對於加工特色食品、生產新型的布丁、果凍、飲料和糖果等食品都很有益處。

如高酯果膠，它形成凝膠需要有一定的含糖量（60～65%）和pH（2.0～3.5）條件。

在果膠液中添加糖類，其目的在於脫水，促使果膠粒周圍的水化層發生變化，使原來膠粒表面吸附水減少，膠粒與膠粒易於結合而為鏈狀膠束。

高度失水能加快膠束的凝聚，並相互交織，無定向地組成一種連接鬆弛的三維網路結構，在網路交界處形成無數空隙，由於氫鍵和分子間引力的作用，緊緊吸附著糖-水的分子。

最終形成一種具有一定強度和結構類似海綿的凝膠體。

但果膠的膠束失水後形成結晶而沉澱，在果膠-糖溶液分散體系內需要添加一定數量的酸有利於形成凝膠，因為酸產生的氫離子能中和果膠所帶的負電荷，當pH達到一定值時，果膠接近電中性，於是其溶解度降至最小，從而加酸加速了果膠膠束的形成、結晶、沉澱和凝聚。

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