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結冷膠

微生物胞外多糖

結冷膠 > 結冷膠是什么

結冷膠是什么

結冷膠

結冷膠(Gellan Gum),又稱凱可膠、潔冷膠,于1978年美國首先發現,由伊樂假單胞菌(Pseudomonas elodea)對碳水化合物進行純種培養發酵后,經過發酵、調pH、澄清、沉淀、壓榨、干燥、碾磨制成。結冷膠呈類白色粉末,無特殊的滋味和氣味,在150℃時直接分解,具有良好的穩定性,耐酸、耐高溫、熱可逆性,還能抵抗微生物及酶的作用等特性。

結冷膠具有雙螺旋結構,結冷膠的單糖分子組成是葡萄糖、鼠李糖和葡萄糖醒酸,分子組成大約為2: 1: 1 。結冷膠產品有兩種存在形式,一種是高?;Y冷膠(也稱天然結冷膠),另一種是低?;Y冷膠(也稱脫?;Y冷膠)。 結冷膠是一種微生物胞外多糖,常作為多功能增稠劑、凝膠劑、穩定劑等,廣泛應用于食品、藥品(如軟、硬膠囊)、化妝品、化工等諸多行業。

結冷膠基本參數

中文名稱結冷膠中文別名凱可膠、潔冷膠
英文名稱Gellan Gum外觀類白色粉末
氣味無特殊氣味原料微生物發酵而來的多聚糖
相對分子質量100萬左右CAS71010-52-1
CNS號20.027質量規格標準GB 25535—2010食品安全國家標準 食品添加劑結冷膠

結冷膠來源

結冷膠的產生菌原來稱為伊樂藻假單胞桿菌(Pseudomonas elodea),后來基于r- RNA特征及含有鞘氨醇糖脂被進一步確認為一種革蘭氏陰性好氧桿狀菌少動鞘氨醇單胞菌(Sphingomona s paucimobilis)所產生的胞外多糖,經過發酵、調pH、澄清、沉淀、壓榨、干燥、碾磨制成。

結冷膠性狀

結冷膠呈類白色粉末,無特殊的滋味和氣味。

結冷膠性質

結冷膠在150℃時直接分解,具有良好的穩定性,耐酸、耐高溫、熱可逆性,還能抵抗微生物及酶的作用等特性。

結冷膠結構

結冷膠分子的基本結構是一條主鏈,由一分子葡萄糖醛酸、一分子鼠李糖和兩分子葡萄糖組成的基本單元重復聚合組成。

低?;Y冷膠結構圖 高?;Y冷膠結構圖

結冷膠相對分子質量

4×105~6×105(按2007年國際相對原子質量)。

結冷膠質量標準(技術指標)

a、感官要求:應符合表1的規定。

b、理化指標:應符合表2的規定。

c、微生物指標:應符合表3的規定。

表1感官要求

項目 要求 檢驗方法
色澤 類白色 取適量樣品置于清潔、干燥的白瓷盤中,在自然光線 下,觀察其色澤和組織狀態。
組織狀態 粉末

表2理化指標

項目 指標 檢驗方法
結冷膠,w/% 85.0~108.0 附錄A中 A.3
干燥減量,w/% ≤ 15.0 GB 5009.3-2010直接干燥法a
鉛(Pb)/(mg/kg)≤ 2 GB 5009.12
異丙醇b/(mg/kg)≤ 750 附錄B

a干燥溫度和時間分別為105℃和2.5h。

b僅限于非乙醇加工的結冷膠產品。

表3微生物指標

項目 指標 檢驗方法
菌落總數/(CFU/g) ≤ 10000 GB 4789.2
大腸菌群/(MPN/100g)≤ 30 GB 4789.3
沙門氏菌 0/25g GB 4789.4
霉菌和酵母/(CFU/g)≤ 400 GB 4789.15

結冷膠特性

凝膠性

結冷膠在水中略加攪拌即可分散,加熱后溶解成透明的溶液,冷卻后可形成透明、堅實的凝膠,因而它是食品添加劑中新型的全透明凝膠劑。結冷膠溶于熱的去離子水或螯合劑存在的低離子強度溶液中,水溶液呈中性,其凝膠效果理想。冷結膠的膠凝溫度于為20~50℃之間,而融化溫度則介于65~120℃,融化溫度顯著高于膠凝溫度,故結冷膠具有明顯的溫度滯后性。

安全性

結冷膠作為微生物有氧發酵產生的生物合成膠,具有安全無毒、無特殊氣味,無需規定ADI 等良好的特點,備受食品生物制藥、日化用品、造紙等行業青睞。

熱穩定性

冷結膠具有良好的熱穩定性,結冷膠和瓊脂分別在121℃下加熱15min,經過六個周期,比較兩者的凝膠強度,結冷膠的凝膠強度在50%左右,而瓊脂只有26%。

耐酸堿性

結冷膠可用于食品加工制作,雖然大多數食品的pH值在4-8之間,但是結冷膠在3.5-8.0這個pH范圍內穩定其凝膠強度不隨PH變化而變化,與同等食品添加劑相比表現出穩定的凝膠特性。

復配性能好

結冷膠與非凝膠性水溶膠復配使用,如黃原膠、羧甲基纖維素鈉(CMC)、刺槐豆膠、瓜爾豆膠等,賦予產品良好的口感,并對結冷膠產生的凝膠體無明顯影響。雖然卡拉膠、瓊脂等凝膠特性與結冷膠接近,但是結冷膠在風味釋放透明度、使用量等方面明顯優于前兩者。

結冷膠的特性和功效表

特性 功效
在低濃度(0.05%-0.25%)時可形成優質凝膠 結冷膠是一種非常有效的膠凝劑
加熱和低ph條件下非常穩定 加熱殺菌對凝膠強度的影響很小,酸性凝膠的貨架期相當長
與一價離子凝膠為熱可逆,二價離子凝膠熱不可逆 可分別制成熱可逆和熱不可逆的凝膠
與其他凝膠可順利配伍,如淀粉、明膠、海藻酸鈉、卡拉膠等 組織結構可從脆的到有彈性的任意調節
其它配料有良好的相容性 可適用于廣泛的各種配方
在ph3.5-7.0之間均能形成凝膠 在酸性至中性配方中都能獲得優質凝膠和預期的凝膠強度
不易導致酶解 為食品加工提供靈活性,在微生物培養基和植物組織培養中有優良特性
抗老化作用 對玉米等淀粉糊在貯藏過程中的老化及粘度升高有抑制作用

結冷膠生產

結冷膠是由假單胞桿菌在葡萄糖、玉米糖漿、磷酸鹽、蛋白質、硝酸鹽和微量元素組成的液體培養基中培養兩天,得到一種天然的、高乙?;Y冷膠。這時得到的結冷膠在其葡萄糖基上結有半個乙?;桶雮€甘油酸酯,由于乙?;拇嬖跁乐赜绊懫淠z特性,故需在所得的醪液中加入氫氧化鉀使呈堿性,以脫去乙?;透视突?,已取得低乙?;Y冷膠。然后加熱、過濾,用異丙醇醇析而得脫乙?;某吻褰Y冷膠。

結冷膠提取

結冷膠生產是高黏性代謝產物的微生物發酵過程,胞外多糖圍繞細胞以黏性聚合物形式形成網狀結構。因此用簡單方法難以將胞外多糖從細胞周圍分離、即使在大量稀釋后也難以分離出來。

提取多糖的一般方法是將發酵液稀釋若干倍以降低其黏性,然后通過離心分離作用分離多糖,幾次沖洗和離心分離步驟是必不可少的。

其他有效的提取胞外多糖的方法有:不加攪拌地滴加一定量的表面活性劑到發酵液中進行相分離,然后回收包含較純多糖的上清液。

結冷膠成分解析

復合鹽

純的結冷膠是一種復合鹽,不溶于冷水,但在攪拌下可直接分散于去離子水中,提高水中陽離子的濃度,如硬度中等的水(相當于含CaCO3,180mg/kg),有助于其在水中的分散。但Ca2+、Mg2+、Na+、K+等離子(如硬水)能阻止已分散的結冷膠加熱水化,陽離子的濃度越高,則即使加熱至沸也無法使之水化。

在已經分散的水中,加入少量整合劑(如檸檬酸鈉、六偏磷酸鈉),可使分散的結冷膠即使在硬度很高的水中也能水化,只要所加熬合劑的量與Ca2+等的含量適當,甚至可溶于冷水。熱的均勻水化的膠溶液冷卻后可直接成為凝膠,但需加入陽離子后方能凝結,并隨著陽離子濃度的提高可使凝膠的硬度和模量提高到最大值,但濃度超過一定限度,又會使凝膠體的硬度和模量下降,而且一價陽離子與兩價陽離子的最適濃度并不一樣。

酸堿效果

絕大多數食品的pH介于4.0一8.0之間,結冷膠凝膠在這個PH范圍內,其凝膠強度幾乎不隨pH變化而變化,而結冷膠應用于食品中時,可以不考慮pH的影響。美國一些專家研究指出:二價陽離子所形成的結冷膠凝膠。其強度在pH小于3.5或大于8.5時,凝膠強度迅速下降;一價陽離子所形成的凝膠,其強度在pH介于3.5—1L.5之間有微小的波動。但是,在相同膠濃度的條件下所形成的凝膠,二價陽離子的凝膠強度比一價陽離子的凝膠強度要大得多。

酶的作用

美國一些科技人員曾將各種酶(包括果膠酶、α—淀粉酶、β—淀粉酶、纖維素酶、褐藻酸酶、木瓜蛋白酶、脂肪酶等)添加于結冷膠溶液中,結果發現,任何一種酶對結冷膠溶液的粘度以及凝膠的強度均沒有影響,由于具備這種性質,結冷膠可以替代瓊脂作為微生物培養基的膠凝劑。

其他膠類

在復配時,刺槐豆膠、瓜爾膠、CMC、黃原膠等非凝膠性水溶膠,對結冷膠凝膠體的組織特性無明顯影響。但如加入明膠、黃原膠與刺槐豆膠的混合物、淀粉等凝膠性水溶膠時,可使組織結構發生明顯變化。

結冷膠產品分類

a、按結冷膠分子主鏈上?;康牟煌?/strong>

按照結冷膠分子主鏈上?;康牟煌瑒澐?,可分為高?;Y冷膠(HA)和低?;Y冷膠(LA),?;诤艽蟪潭壬嫌绊懫淠z凝特性,一般經微生物直接合成的結冷膠富含?;ㄒ阴;透视突?,成為高?;Y冷膠(也稱天然結冷膠)。

高?;Y冷膠(HA)

經少動鞘脂單胞菌發酵后未經脫?;幚硭玫募礊楦啧;Y冷膠。

低?;Y冷膠(LA)

將分子結構中的?;炕虿糠殖艨梢缘玫降王;Y冷膠。

?;鶊F對結冷膠的性質有非常顯著的影響。高?;Y冷膠可以產生柔軟、富有彈性和不具有脆性的凝膠, 而低?;Y冷膠可以產生堅實的,不具有彈性,但是很脆的凝膠。

高、低?;Y冷膠的性狀特點


高?;Y冷膠(HA) 低?;Y冷膠(LA)
分子量 1~2@106道爾頓 2~3@105道爾頓
溶解性 熱水中溶解 熱水或冷水(加螯合劑)中溶解
凝結條件 冷卻 陽離子,酸,可溶性固形物
凝膠溫度 70~80℃ ( 158~176℉ ) 30~50℃ ( 86~122℉ )
熱可逆性 熱可逆 熱穩定
對陽離子敏感性 不太敏感 很敏感,特別是二價陽離子

高?;Y冷膠提取方法

首先調節發酵液pH值至4~4.5,升溫至90℃ ,維持10~30min,滅酶殺死菌體,然后加入2%~3%發酵液體積的電解質溶液,反應30min,最后加入異丙醇固液分離,固態進行真空干燥。

低?;Y冷膠提取方法

首先將結冷膠發酵液堿處理,然后通過粗濾和微濾,最后對得到的結冷膠進行壓力氏噴霧干燥。

b、按產品用途

結冷膠按照產品用途的不同,可分成懸浮型結冷膠、凝膠型結冷膠、日化型結冷膠、培養基型結冷膠。

懸浮型結冷膠

懸浮型結冷膠一種低?;Y冷膠,主要用在酸性或中性高透型懸浮飲料中、用來懸浮果肉,不溶固體顆粒,起穩定飲料體系作用,也可以單獨使用形成堅實而富有脆性的凝膠或與其它膠體混用形成不同質構的產品,建議使用量0.012~0.03%。

凝膠型結冷膠

凝膠型結冷膠一種低?;Y冷膠,作為凝膠劑主要用在果凍、果醬、糖果等水基凝膠體系中,起到凝膠成型作用,建議使用量0.1~0.5%。

日化型結冷膠

日化型結冷膠一種低?;Y冷膠,主要用在空氣清香劑、化妝品中,形成堅實而富有良好透性的凝膠質構或良好持水性的乳狀液,建議使用量0.2~0.6%。

培養基型結冷膠

培養基結冷膠一種低?;Y冷膠,主要用在生物培養基中,形成堅實而富有良好透性的培養基,能夠更清晰地觀察生物生長情況,建議使用量0.2~0.8%。

結冷膠安全性評估

中國:1996年,我國批準結冷膠作為食品增稠劑、穩定劑,可在各類食品中按正常生產需要適量使用,目前實施標準為《GB 25535—2010 食品安全國家標準食品添加劑 結冷膠》。

歐洲:1994年,歐共體將結冷膠正式列入食用安全代碼(E-418)表中。

日本:1988 年,日本成功地完成了結冷膠的毒理實驗并準許結冷膠在食品中應用。

美國:1978年發現結冷膠,1992年就迅速得到美國FDA的許可應用于食品、飲料中,除美國外,還有十多個國家批準其用作食品添加劑。

結冷膠應用領域

由于結冷膠優越的凝膠性能,在食品、制藥、化工等領域廣泛的應用。中華人民共和國國家標準《食品添加劑使用標準》(GB 6783-2014)規定結冷膠可在各類食品中按生產需要適量使用。

食用結冷膠

在食品工業中,結冷膠可作為優良的凝膠劑,能賦予食品一種令人愉悅質地和口感。與卡拉膠、瓊脂等凝膠性多糖相比,在酸穩定性、熱可逆性、使用量等方面具有明顯的優越性。

結冷膠的凝膠是一種脆性膠,對剪切力非常敏感,食用時有入口即化的感覺。結冷膠具有良好的風味釋放性和在較寬pH范圍內穩定的特性。它可用于改進食品組織結構、液體營養品的物理穩定性、食品烹調和貯藏中的持水能力。結冷膠與其他食品膠有良好的配伍性,以增進其穩定性或改變其組織結構。此外,它還可以改良淀粉,使其獲得最佳的質構特征和穩定性。

結冷膠在食品中功能與用途

食品 功能 添加量(%)
糖霜、糖衣 黏著性
烘焙制品 控制水分含量 0. 3(糕點)
啤酒 泡沫穩定劑
蜜餞、糖果 涂膜性 0. 075(淀粉軟糖)
果凍、餡料、甜食、果醬等 凝膠性 0. 2(生產低固形物果醬)
冷凍飲品、糖漿 防結晶
色拉調料 乳化性
粉狀調味料 微膠囊
冰淇淋、色拉調料 穩定劑
人造腸衣 成膜劑 0.7(人造多香果塊)
果醬、肉腸、餡料等 增稠劑
酒類 澄清劑

藥用結冷膠

結冷膠安全無毒的特性是它在醫藥領域應用的前提,結冷膠作為一種生物材料用于醫學組織工程,主要是作為細胞移植的載體。結冷膠用于眼用制劑中,不僅增加了滴眼液在眼內的滯留時間提高了生物利用度,而且形成的凝膠使藥物很難流到鼻淚管中,減少了藥物流入鼻腔所致的不良反應。

日用結冷膠

日用結冷膠具有凝膠能力強、高透明性、穩定性好、溶解性好、持水性好、與其它親水膠體具有相容性并可以達到不同的質構特性要求等產品特征,廣泛應用于日用品中,如牙膏、化妝品、清香劑等。結冷膠用于牙膏是一種比較好的增稠劑,對于提高牙膏產品質量,改善其性能是一種好的增稠原料。用結冷膠制作的牙膏對香精釋放的性能好,可降低香精的用量。

結冷膠應用范圍

食品方面:布丁、飲料、甜食、果醬、果凍、啫喱、合成食品、寵物食品、糖衣、糖霜、牛奶及烘焙制品等。

醫藥方面:眼藥水、軟硬膠囊、包衣劑、組織工程、傷口敷料。

微生物方面:替代瓊脂制作培養基。

日化方面:化妝品、牙膏、香水、涂膜、膠黏劑、汽車香膏、空氣清新劑、個人護理用品。

農業方面:葉肥、緩釋肥料。

工業方面:人體組織材料、感光薄膜、包裹熱敏感材料(例如酶與細胞、脫氧核糖核酸電泳與分離的可逆凝膠)以及用于膠片、膠卷、纖維。

結冷膠凝膠在食品上的典型應用

主要的食品領域 典型食品
糖果 淀粉果凍、果膠果凍、餡料、果漿軟糖
果醬和果凍 低熱量果醬、仿真果醬、焙烤食品餡料、果凍
人造食品 人造水果、人造蔬菜、人造肉
水基凝膠 甜點凝膠、肉片
水果餡料和布丁 方便甜點、罐裝布丁、水果餡料、預煮布丁
飲料 各種果粒懸浮飲料、果汁懸浮飲料
乳品 凝膠乳品、低脂涂抹物
寵物食品 聽裝凝膠寵物食品

結冷膠質量規格標準

目前,結冷膠執行的質量規格標準為《GB 25535—2010食品食品安全國家標準 食品添加劑 結冷膠》,該標準定義結冷膠范圍、分子結構、相對分子質量、技術要求(感官要求、理化指標、微生物指標)及檢驗方法等,由中華人民共和國國家衛生和計劃生育委員會2010年12月21發布,2011年2月21日開始實施。

結冷膠市場前景

結冷膠作為一種發酵法生產的微生物多糖,相對于海藻膠或動物膠、植物膠,不受氣候和地理環境條件的限制,可以在人工控制條件下利用各種廢渣、廢液進行生產,品質更穩定,供應更有保證,同時再加上其安全無毒,理化性質獨特等優良特性,在食品工業中有著廣泛的應用前景。

結冷膠醫藥前景

結冷膠在組織工程、傷口修復、術后防粘連、藥物或基因傳遞方面均有應用,然而尚處于初步研究階段,還需要對其進行全面及長期的研究,以制備理想的產品,應用于臨床。目前結冷膠的微生物發酵產量和純化程度不高,成本較高,限制了其廣泛的研究和應用。相信隨著結冷膠的產量提高及在醫藥與美容領域研究的不斷深入,結冷膠在醫藥領域將會有更廣闊的應用。

結冷膠制約因素

雖然結冷膠生產取得了許多成果,但還存在一些問題,如產量低,用于通氣攪拌的能源高;提純用的有機溶劑耗量大,有機溶劑的回收較困難等。因而如果能利用基因工程手段將產膠基因轉移到嫌氣性微生物中正常表達,從而在無氧或微氧條件下生產則可降低成本??傊?,通過基因工程手段篩選優質多糖產生菌,并利用現代生物技術構建具有多種優異性能的基因工程菌與細胞工程菌來提高結冷膠產率與質量,將是未來結冷膠生產與研究的發展方向。

結冷膠運輸儲藏

結冷膠產品運輸必須輕卸輕放,防止日曬、雨淋,并遠離熱源不得與有害、有毒和易污染物品一起混運,產品需密封,置于干燥環境中。

參考資料
1.食品增稠劑第二版[2009]
2.功能性食品膠第二版[2014]
3.侯振建.食品添加劑及其應用技術:化學工業出版社[2004]
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