一种新型的微生物多糖食品添加剂——热凝胶

1、第7卷第1期2001年3月文章编号:1007-0818(2001)01-0027-05冷饮与速冻食品工业Beverage&FastFrozenFoodIndustryVol.7No.1Mar.,2001一种新型的微生物多糖食品添加剂詹晓北,韩杰,朱莉(无锡轻工大学生化工程与生物聚合物实验室,江苏无锡214036)热凝胶摘要介绍了一种新型的微生物多糖热凝胶(Curdlan)及其来源、结构、性质及生产,通过将它与其它一些水溶胶体比较,说明了它的溶液性质、凝胶性质及其独特之处,同时论及了热凝胶的商业可获性及安全性,展望了其在食品及其它领域广泛的应用前景。关键词热凝胶;微生物多糖;水溶胶体Ab

2、stractAnovelmicrobialhomo2exopolysaccharide2curdlananditssource、propertyareintroducedinthisassay.Bycomparingwithotherhydrocolloids,weillustrateofandgel.Alsohavewetalkedaboutthecommercialavailabilityandsafetyofitinfoodandotherappliedfield.Keyword0前言微生物多糖是近年来利用生物技术开发的新型产品,它安全、无毒且具有独特的理化性质,在很多领域都有广泛的应用

3、。与植物多糖相比,微生物多糖的生产受到地理环境、气候、自然灾害等因素的影响较小,产量及质量都很稳定,而且性价比较高,因此引起了人们的广泛关注,并被加以研究和应用。近年来,世界上微生物多糖的产量年增长率都在10%以上。目前,已经进行工业化生产的微生物多糖有黄原胶(xanthan)、结冷胶(gellan)、右旋葡聚糖(dextran)、普鲁兰(pullulan)、热凝胶(curdlan)等。作者介绍的热凝胶是一种由葡萄糖结构单元以-1,3-键连接而成的直链胞外同型多糖1,其分子式为(C6H10O5)n。与常见的其它凝固剂(如琼脂)在加热1热凝胶的研究历程及产生的菌种1964年,TokuyaHara

4、da等人在筛选可代谢各种石油组分的微生物时从土壤中分离出一株Alcaligenesfaecalisvarmyxogene(10C3)2。它可以在10%的乙二醇为唯一碳源的培养基中生长,并产生琥珀酰葡聚糖及其它多糖。在进一步研究的过程中又得到一株变异菌10C3k3,它与亲株不同,只产生一种不溶于水的胞外多糖,该多糖完全由D-葡萄糖残基经-葡萄糖苷键在C1,C3连接成线性的-1,3-葡聚糖。由于这种多糖具有独特的理化性质,可以在加热条件下形成凝胶,故Harada等将其命名为热凝胶。在对产热凝胶的菌株用N-甲基-N-硝基-N-亚硝基胍、乙基甲磺酸或紫外诱变时可获得另外一些形状优良的热凝胶产生菌,如N

5、TK-(ATCC21680)。ATCC21680是一株尿嘧啶缺陷型菌种,加拿大多伦多大学的Lawford和Philips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ATCC317494。ATCC31749是一个性状稳定的菌株,在斜面上经多次传代仍保持优良的产胶性能。后经冷却才凝固成胶有所不同,热凝胶可以在加热时便形成凝胶,即使在温度高于100时都不会融化,因此被称为热凝胶。收稿日期:2000-08-6;修订日期:2000-08-16.作者简介:詹晓北(1962年生),男,福建人,副教授,实验室主任,主攻生化工程、生物反应器及食品添加剂的微生物生产.27的改变发生在0.24

6、mol/L的碱溶液中。Saito8的C-2分子结构在热凝胶中,葡萄糖结构单元之间以-1,3-D-葡萄糖苷键连接而成,一般来讲,每个热凝胶分子是由400500个葡萄糖残基组成的,平均聚合度约为450,相对分子质量约为74000,具体见图1。NMR13研究证实了这个推断。Atkins9等对形成的凝胶用X-射线衍射研究,发现当加热形成高固定胶时,分子构造由单螺旋或3螺旋经脱水变为6叠的三带分子。3.3溶解性热凝胶不溶于水、醇和大多数有机溶剂,但它在水中会发生溶胀,可以溶解在一定浓度的NaOH、磷酸三钠等碱性溶液中,在甲酸、亚砜二甲基、水饱和尿素或硫脲及25%的碘化钾中也可溶。3.4凝胶的脱水性凝胶中

7、的水分子以不同的形式存在,有的水分子以图1热凝胶的分子结构图2是Sutherland等人推断的微生物胞外多糖的合成途径。根据这样的代谢机制,每个葡萄糖残基的聚合需要有2个ATP,见图2。结合水的形式与凝胶物质的分子形成较紧密的联系,水分子可以长时间地保持稳定;有的水分子以游离状态存,。等人研究了保藏温,发现在80的加热条件下形成的凝胶的脱水率比95下形成的凝胶的脱水率低得多,凝胶的脱水率受保藏温度的影响很大。保藏于40的凝胶比5下保藏的凝胶脱水率低得多,这可能是因为低温下氢键的形成强烈地加强了脱水作用。研究发现:热凝胶与琼脂不同,它经过冷冻和融化过程后性质仍保持稳定,凝胶强度甚至有所增加。热凝

8、胶与角叉菜胶、琼脂、konjac胶在冻融试验前后强度和脱水率的比较,见表1。表1冷冻和融化对各种胶的凝胶强度和脱水率的影响样品(质量分数)热凝胶(4.0%)角叉菜(3.5%)琼脂(3.0%)Konjac4,20h后图2微生物胞外多糖的合成途径凝胶强度/kPa214.6226.1236.1226.6脱水收缩/%10.3冷冻和融化后凝胶强度/脱水收缩/kPa244.649.918.4588.9%20.5-a-a21.03物理性质3.1外观干燥的热凝胶是一种流动性极好的无臭、无味的白色或灰白色粉末固体,加热时会凝固,在密封的聚乙烯袋中可长期稳定地保存,不会失去凝胶化特性6。3.2

9、构造Ogawa7等人研究发现,热凝胶碱溶液的比旋光度、注“:-a”表示水过多,未测。另外,HradaT等研究了各种果汁对热凝胶产品脱水收缩的影响,结果发现:苹果汁、葡萄汁和红茶可以减轻凝胶脱水,可能是这些物质中含有的单宁类物质对凝胶脱水产生影响。Nakabayashi报道,利用热凝胶可以与单宁形成复合物的性质,除去了某些制品中的单宁类成分12。IshidaK和TakeuchiT13研究发现,添加淀粉和蔗粘度和流动双衍射在0.24mol/L的NaOH溶液中都有很大的改变。这些变化经常是由于多糖构造发生了转变。他们推断这是由于在低pH时,热凝胶分子呈有序构造,在高pH时,分子以随意盘曲状态存在,分

10、子构造28糖可以有效地降低脱水,随着谷物淀粉加入量的增加,凝胶的脱水率下降,当淀粉质量分数达到10%时,热凝胶在4保存20h或经冷冻-融化处理后几乎不脱水。胶性质相似,是可逆的,因此可用作琼脂、卡拉胶的替代品。对低固定胶继续加热会发现:在6080内随着温度的增加,凝胶强度几乎保持稳定;但在80以后,随着温度的增加,悬浮液的透光度进一步降低,凝胶强度也不断增加,同时形成更具有弹性的高固定胶。这种凝胶有极好的热稳定性,是热不可逆的。它也相当有弹性,并且对冷冻、融化引起的降解有很高的抗性。尽管凝胶强度与温度有关,但有关实验表明:形成的凝胶的强度亦与70的保持时间有关,见表2。表2不同加热温度下不同质

11、量分数的热凝胶形成凝胶的强度比较热凝胶的质量分数/%123454成胶条件干燥的热凝胶为粉末状固体,可以通过以下几种途径得到符合需要的弹性凝胶。4.1加热热凝胶不溶于水,在使用前先要将其均匀分布于溶液中。将一定量的热凝胶粉末混溶于水中,经均质得到悬浊液。热凝胶的水悬浮液被加热时,随着温度的升高会形成凝胶。在不同的温度阶段形成的凝胶具有不同的性质。当热凝胶的水悬浮液被加热时,温度超过54,溶液会变得清澈透明;加热至60随后冷却会形成凝胶;如果不冷却继续加热,当温度升高到80后,溶液透光度降低,又可以逐渐形成凝胶。对两种凝胶进行比较发现:第一种胶是可逆的,加热后可以融化,其强度较低,称为低固定胶(l

12、ow-,它是不可逆的,120,被称为高固定胶(high-setgel)14。Kuge,Suetzugu15等人观察到高固定胶在140160会急剧地融化,确切的融化温度与热凝胶的浓度及聚合度有关:热凝胶的浓度越高,融化温度就越高;随着热凝胶聚合度的升高,融化温度升高。进一步研究观察到:将胶融化后得到的溶液重新冷却时,在136变得浑浊,并重新形成凝胶,该凝胶直到加热至180时才融化,而且这种胶比原来的胶有更高的强度。4.2碱透析热凝胶虽然不溶于水,但可以溶于碱液,当热凝胶的碱性液用水透析时,随着碱浓度的降低,溶液会逐渐形成凝胶。4.3添加离子60-12.724.536.346.10凝胶强度/kPa

13、85957.319.651.973.026.573.5117.6176.4215.6245.012018.647.078.4196.0245.0264.6。多糖浓度太低,则不能形成凝胶;只有达到一定浓度后凝胶才会形成,而且随着凝胶浓度的增加,凝胶强度会有所提高。5.3pH值热凝胶在39.5的pH范围内加热都能形成高固定胶,这一点与琼脂在pH<4.5的酸性环境下不能形成凝胶的性质有所不同,形成的凝胶在pH为3处强度最大18。随着pH的继续增加,凝胶强度几乎不变。当pH高于10时凝胶强度有所下降,pH超过12,其水悬浮液就不再形成凝胶12。5.4聚合度(DPn)Saito等人用化学分析法研究

14、表明:不同热凝胶样品的聚合度在135455之间不等。据分析这可能是由于发酵条件不同造成的。发酵过程中的供氧及营养状况都会影响产生的热凝胶的聚合度,从而影响热凝胶的质量。凝胶强度随着聚合度值的变化而变化,当聚合度小于50时,热凝胶在水中不能形成凝胶,当聚合度较低时,形成的凝胶强度较小;随着聚合度的增高,凝胶强度变大。5.5共存成分当热凝胶在0.20.63mol/L的硫砜二甲基或37mol/L的尿素水悬浮液中冷却时,或向弱碱性溶液中加入Ca2+,都会形成凝胶1617。5影响热凝胶凝胶强度的因素5.1温度热凝胶因其独特的热成胶特性而得名,将含2%热凝胶的水溶液加热至5560,然后冷却至40以下,即可

15、生成低凝固点的凝胶。此种凝胶与琼脂、卡拉29热凝胶可与众多成分共存于同一体系中,无机盐、多元醇、有机酸盐在低浓度下对热凝胶形成的凝胶几乎无影响,但添加0.02mol/L的Na2B4O7却可以极大地提高凝胶强度。5.6尿素当尿素浓度小于2mol/L时,凝胶强度随着尿素浓度的升高而增大;当尿素浓度大于2mol/L时,凝胶强度随着尿素浓度的升高而减小。成胶温度随着尿素的浓度升高而降低,当尿素浓度高于8mol/L时,不会形成凝胶,这可能是由于尿素破坏了凝胶的疏水键。乙烯基乙二醇是一种氢键促进剂,对成胶的作用可用同样的方法测得。研究发现:凝胶的起始温度也随其浓度的上升而下降,然而,在高浓度下不能形成凝胶

16、。这些结果表明:在凝胶起始温度,部分或全部氢键断裂,然后通过水合作用最终导致凝胶的形成。利用热凝胶的不消化性制作减肥食品和糖尿病患者的专用食品也很有效。Kimura等人报道了热凝胶对肉制品和沙司等产品的风味特性和持水性的影响,研究发现,肉制品中添加热凝胶,弹性及断裂应力与添加豆蛋白分离物和蛋白粉相比都有很大的增加。热凝胶独特的高温不化性创造了更多的新型食品,如豆腐面条、煮鱼糊、可食用纤维、可食用膜等。除了食品领域的应用外,热凝胶还被广泛用于化工、农业、烟草、医药等领域。它可以用作压制烟草薄片的黏合剂,热凝胶的衍生物可用作固定化酶和亲和色谱的载体,也可用作水稻幼苗培养土壤的替代品。还可添加至混凝

17、土中用以增强混凝土的机械强度等。另外,。,更多的应用将不,越来越多用热凝胶作为添,为人们的生活增添一道更加亮丽的色彩。参考文献1HaradaT,MasadaM,FujimoriK,etal.Productionofafirm,resilientgel-formingpolysaccharidebyamutant(10C3k)ofAlcaligenesfaecalisvarmyxo2genesJ.AgricBiolChem,1966,30(2):1961982HaradaT,YoshimuraT.ProductionofanewacidicpolysaccharideSuccinoglu2can

18、byAlcaligenesfaecalisvarmyxogenesJ.AgricBioChem,1965,29(8):7577623HaradaT,FujimoriK,HiroseS,etal.Growthand-Glucan(10C3k)produc2tionbyamutantofAlcaligenesfaecalisvarmyxogenes,indefinedmediumJ.AgricBiolChem,1966,30(8):7647694PhilipsKR,PikJ,LawfordHG.Productionofcurdlan-typepolysaccharidebyAlcaligenesf

19、aecalisinbatchandcontinuouscultureJ.CanJMicrobiol,1983(29):133113385SutherlandIW.MicrobialPolysaccharidesandPolysaccharasesM.Inedit2edbyBerkeleyRCW,GoodayGW,EllwoodDC.London:AcademicPress,1979.1346MasanoriMiwa,YukihiroNakao,KiyoshiNara.FoodHydrocolloids:StructuresPropertiesandFunctionsM.IneditedbyNi

20、shinariKDoiENewYork:PlenumPress,1994.1191247OgawaK,TsurugiJ,WatanabeT,etal.Thedependenceoftheconformationofa(13)-D-glucanonchain-lengthinalkalinesolutionJ.CarbohydRes,1973,29:3974038SaitoH.Conformation,DynamicsandGelationMechanismofGel-state(13)-D-GlucansRevealedbyC-13NMRM.InSolution6商业可获性大阪大学的Tokuy

21、aHarada教授及其合作者进行了许多开创性的工作,并有许多相关的论文发表1920。1968年,Takeda化学工业公司开始研究热凝胶的生产及在食品中的应用。1971年,业司(Takeda胶大规模生产试验化学试剂推向市场。TakedaUSA公司生产并以PureglucanTM为品牌加以推广。1989年后热凝胶在日本、韩国等国成为一种重要的食品添加剂而得到广泛的使用21。1996年12月,美国的FDA经过长期的安全性及食品毒理学检测,证明了热凝胶用于食品中是安全的,并且批准热凝胶作为一种直接的添加剂用于食品22。热凝胶因此被称为继黄原胶、结冷胶之后第3个经FDA批准的发酵生产的食品用多糖23。这

22、为热凝胶的推广应用提供了更为广阔的空间。热凝胶的应用及食品开发也达到了一个新的水平。7应用及展望近年来,热凝胶因其独特的理化性质受到越来越多人的重视,它可以作为天然植物胶的替代物用于食品中,作为增稠剂或凝胶剂。对热凝胶研究比较早的是日本,用含热凝胶的原料制成的豆腐、甜酱、鱼糊、面条、果酱、汉堡包、冰淇淋等食品早已进入人们的日常生活,并以其优良的口感受到广大消费者的喜爱。Nakao等人指出了热凝胶用于香肠、汉堡中能改善产品的风味品质。Funami,Yada等人指出热凝胶在无脂香肠中作为脂肪替代物非常有效。30(下转第32页)回提取罐,如此连续进行提取吸附,直至色素提取液的吸光值小于0.3。2.2

23、.4洗柱用净化水洗涤树脂至流出液呈中性。2.2.5解吸以食用酒精为洗脱剂,用柠檬酸(0.3%)酸化后洗脱色素,收集洗脱液。2.2.6浓缩将洗脱下的色素液用升膜真空浓缩器(自行设计制作)于60、真空度为-0.085MPa,浓缩至色价大于100。2.2.7喷雾干燥将色素用LPG-5型高速离心喷雾干燥机喷雾干燥。参考文献1江苏新医学院.中药大辞典(上册)M.上海:科学技术出版社,19862胡迎芬.紫叶小檗色素及其稳定性研究J.食品科学,1998,19(11):18213李清芬.虞美人红色素的提取及性质研究J.食品工业科技,1997(5):68(上接第30页)propertiesofPolysacch

24、arides.AmericanChemicalSociety,1981.125147.9KimuraH,SatoS,NakagawaT,etal.Newthermo-gelablepolysaccharide-containingfoodstuffsP.US.Patent:3754925,1973-08-283色素的基本性质紫叶小檗叶红色素易溶于水和乙醇溶液,不溶于乙醚、丙酮、石油醚、氯仿等溶剂。在酸性条件下呈紫红色,碱性条件下呈黄绿色。在酸性介质中,色素在可见光区的最大吸收峰为520nm。经层析分离初步检测,紫叶小檗叶红素为花青素,主要成分可能为紫菀苷类。色素水溶液在酸性条件下100,小于5

25、%。d20用食品添加剂蔗糖、有增色和护色作用。-1,3-glucanM.Ineditedby10HaradaT.Curdlan:agel-formingMitchellJR.Polysaccharideinfood.UniversityofNottingham:AcademicPress,1979.28330011IshidaakeuchiT.StarchsyneresisofcurdlangelJ.Agric,19816)K,Yimura.PropertiesofcurdlangelJ.(1):101104ugeT,SuetzuguN,NishiyamaK.Heat-Meltof-1,3-g

26、lucangelJ.AgricBiolChem,1977,41(7):1315131714MaedaI,saitoH,MasadaM,etal.Propertiesofgelsformedbyheattreat2mentofcurdlan,abacterial-GlucanJ.AgricBiolChem,1967,31(10):1184118815HaradaT.Studiesonbacterialgelforming-1,3-glucans(curdlantypepolysaccharides)inJapanM.IneditedbyGyozoTerui.ProceedingofIVIFS:F

27、erment,1972.60360716HaradaT,TerasakiM,HaradaA.CurdlanM.IneditedbyRoylWhistler,JamesN,Bermiller.IndustrialGum:PolysaccharidesandtheirDerivatives,1993,42744517DonaldpszczolaE.CurdlandiffersfromothergellingagentsJ.FoodTech2nology,1997,51(4):3018FDA.Foodadditivespermittedfordirectadditiontofoodforhumancon2sumption:Curdlan21CFR172-FederalRegisterJ.1996,61(242):659414结果与讨论1)由紫叶小檗叶子中提取的天然红色素,色泽鲜艳,热稳定性和光稳定性均较好,有一定的开发利用价值。2)在实验中为选择最佳浸提剂,分别取一定量的原料,加入