胶凝剂

低甲氧基果胶的胶凝机理及防止预凝胶形成的措施

徐 伟 马 力 袁永俊 熊 华 朱秀灵 焦云鹏

(西华大学生物工程系,成都,610039

)

摘 要 对低甲氧基果胶的胶凝机理及影响胶凝的主要因素———pH值、可溶性固形物含量、钙离

子浓度进行了探讨,并针对低甲氧基果胶应用中产生的降低产品质量的预凝胶问题进行了讨论,

为分析低甲氧基果胶应用中的问题提供了依据,并提出了一些防止预凝胶形成的措施。

关键词 低甲氧基果胶,胶凝机理,预凝胶,措施

第一作者:硕士,讲师。

收稿时间:2003-11-17,改回时间2004-02-17

果胶是由D2半乳糖醛酸残基经

α(

1→4

)糖

苷键相连接聚合而形成的酸性大分子多糖,并

且半乳糖醛酸C

6

上的羧基有许多甲酯化形式,

未甲酯化的残留羧基则以游离酸形式或以钾、

钠、铵或钙盐形式存在。在C

2

或C

3

的羧基位

置上常带有乙酰基和其他中性多糖支链,如L2

鼠李糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖等。果胶分子

质量大小、甲酯化程度和带有其他基团的多少

不但取决于来源,也与提取条件有关。果胶中

平均每100个半乳糖醛酸残基C

6

位上以甲酯

化形式(带有甲氧基)存在的百分数称为果胶的

酯化度DE值(

degreeofesterification

)或DM值

(

degreeofmethoxylation

)

;同样每100个半乳糖

醛酸残基C

6

位上以酰胺化形式存在的百分数

则称为酰胺化度(

degreeofamidation

)。FCC规

定:DE值高于50%的果胶称为高甲氧基果胶,

反之称为低甲氧基果胶,后者包括酰胺果胶。

自然界天然存在的果胶都是高甲氧基果胶,高

甲氧基果胶经酸法、碱法、酶法或氨2醇法处理

降低酯化度可获得低甲氧基果胶,酰胺果胶则

是在碱性条件下用氨2醇溶液处理使部分甲酯

转变为伯酰胺后的产物[1]。除酶法外,其他3

种方法生产的低甲氧基果胶都伴随一定分子质

量的降解。

果胶广泛应用于食品工业,主要用途是作

为酸性条件下的胶凝剂,但高氧甲基果胶和低

甲氧基果胶的胶凝条件完全不同,低甲氧基果

胶不易受糖、酸浓度的影响,但需与钙、镁等二

价金属离子交联才能形成凝胶,胶凝条件的pH

值为216～618,可溶性固形物含量可低至

10%[5],形成的凝胶经加热搅拌而可逆,并有良

好的弹性。由于低含糖果酱越来越受消费者欢

迎,低甲氧基果胶的需求量越来越大。目前,我

国已开始生产低甲氧基果胶[2],但是在低甲氧

基果胶的实际应用中还存在着酱体脱水收缩,

凝胶不均匀及易形成预凝胶的现象,直接影响

了产品的品质,限制了低甲氧基果胶的应用,并

且在国内有关预凝胶的研究还比较少,为此对

低甲氧基果胶的胶凝机制和预凝胶的形成进行

了深入的分析,提出了一些防止预凝胶形成的

措施。

1 低甲氧基果胶的胶凝机理及其影响

因素

111 胶凝机理

低甲氧基果胶的胶凝是2个分子链间的羧

基通过钙桥实现离子连接以及氢键的共同作用

的结果,果胶和钙体系通常一经冷却就发生这

种连接,但在冷藏条件下果胶介质中通过钙的

缓慢释放也可获得此种连接。低甲氧基果胶分

子上带的COO—比高甲氧基果胶相对多,分子

间难以自身形成结合区,很易与钙离子等形成

桥联作用[3](有些资料称为“蛋盒”模型[6])

,在

此种桥联作用中,配对果胶链间的主要反应可

能是钙离子形成的桥架作用,结合在他们的配

位层中,配位层中的2个具有多个阴离子的氧

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食品与发酵工业 FoodandFermentationIndustries

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原子来自于1个果胶分子,另2个多阴离子的

氧原子来自于另1个果胶链[4]。这种“桥联”模

型随着钙离子浓度的增加,能组建越来越多的

结合区,呈连续的立体分布,构成凝胶的三维空

间网状结构,网孔内充满液体,外观形似固体,

非常稳定,称为凝胶(见图1

)[3]。

图1 低甲氧基果胶凝胶网状结构图

112 低甲氧基果胶的主要胶凝条件及其对凝

胶的影响

11211 pH的影响

pH主要影响凝胶的质地,低甲氧基果胶

50%解离的pH值是315,在pH315以上,有一

种羧基解离的优势,导致更多的钙离子交联,形

成一种易于扩散的、可逆剪切的凝胶网状结构;

当pH低于315时,有一种非解离羧基的优势,

在胶的网状结构中形成更多的氢键,所形成凝

胶的硬度增加且有不可逆剪切特性,像“O”型

果冻,但有弹性。通常低甲氧基果胶胶凝的pH

在110～710或更高[6]。

11212 可溶性固形物含量

可溶性固形物含量主要影响形成凝胶所需

钙离子的浓度,对于特定的低甲氧基果胶,随着

可溶性固形物含量的增加,所需钙离子的浓度

降低,另外,随着可溶性固形物含量的增加,钙

离子的浓度范围变窄,使得在高固形物含量时,

钙离子反应能力的低甲氧基果胶的使用受到限

制,因为钙离子的浓度范围太窄,这样就不能保

证产品中的钙离子浓度在所要求的钙离子浓度

范围内,这时可以考虑使用低钙敏感型的低甲

氧基果胶。通常低甲氧基果胶胶凝的可溶性固

形物含量10%～85%[6]。

11213 钙离子浓度

低甲氧基果胶的胶凝过程中有一个最佳钙

离子浓度[3](有些资料称为胶凝钙离子饱和

度[6])

,在达到最佳钙离子浓度之前,增加钙离

子浓度能使凝胶强度增加,使得凝胶变得纯净

而富有弹性,如果钙离子浓度超过最佳比值,凝

胶的三维结构开始收缩,导致凝胶强度逐渐变

弱,凝胶的组织感变脆,出现发浑、出水现象,形

成预凝胶。果胶分子上带有的中性糖及甲氧基

都具有阻碍凝胶三维结构形成的作用。因此,

果胶的质量也影响钙离子的需要量,DE值高

的低甲氧基果胶需要较多的钙离子。同样不同

的DE值对形成凝胶的钙离子浓度范围也不

同,DE值高的范围宽,但是超出此范围只能增

加黏度而不能形成凝胶,高于此值则明显出现

预凝胶现象;由于甲氧基很难进入凝胶结合区,

普通低酯果胶对于钙离子浓度范围要求很严

格,而酰胺果胶中的氨基基团则很容易进入这

种结合区,因此酰胺果胶形成凝胶对钙离子浓

度范围要求较宽。因此选择不同的DE与DA

值的低酯果胶可满足不同体系中的钙离子含量

要求。但不同型号的酰胺果胶所形成的凝胶质

感不同,型号小的趋于脆性,型号大者趋于弹

性,凝胶形成温度也不同,DA值高者凝胶温度

也高,而在普通低酯果胶中,DE值高者凝胶温

度反而低[7]。通常低甲氧基果胶胶凝的钙离子

浓度≥15mg/g果胶[5]。

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综述与专题评论

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2 低甲氧基果胶预凝胶及预防措施

211 低甲氧基果胶预凝胶

低甲氧基果胶预凝胶是低甲氧基果胶和钙

离子之间发生快速反应时,导致三维结构收缩、

凝胶强度变弱、胶组织变脆、发浑、出水的情况

下形成的一种低强度、不均匀的凝胶,在质地上

类似于苹果酱,有颗粒感,通常将这种低强度、

不均匀、有颗粒感的胶体称为预凝胶[5,6]。预

凝胶严重影响着产品的质量,限制了低甲氧基

果胶的应用。预凝胶的形成与钙离子加入低甲

基果胶的方式有很大的关系,如果钙离子添加

得太快,加入的时间不适易,或者加入的钙离子

浓度太高而不能及时搅拌均匀,均会导致预凝

胶的形成[7]。

212 导致预凝胶形成的原因

21211 胶凝温度

使用过程中如果将钙离子溶液加入低于胶

凝温度的果胶溶液中,体系会立即形成预凝胶。

21212 低甲氧基果胶的DE及DA值

低甲氧基果胶的DA值升高,胶凝温度也

升高,如果DA值过高,致使胶凝温度高于体系

的沸点温度时,体系立即形成预凝胶。

21213 低甲氧基果胶的含量

低甲氧基果胶的含量增加,凝胶强度及胶

凝温度均上升,过高会导致预凝胶的形成。

21214 钙离子浓度

对一定DE及DA值的果胶,在达到最佳凝

胶强度之后,如果钙离子浓度继续增加,凝胶的

强度开始变脆、变弱,最后形成预凝胶。对这一

点还应考虑体系中能降低钙离子浓度的钙离子

螯合剂(如柠檬酸盐等)的影响。

21215 可溶性固形物种类及含量

体系中不同的固形物种类对于钙离子的敏

感度不同,产生预凝胶的可溶性固形物含量不

同;同时随着可溶性固形物含量增加,胶凝温度

上升,温度过高会导致预凝胶的形成。

213 预防预凝胶形成的措施

21311 采用合理的原料添加顺序

在处理温度80℃以上条件下,合理的添加

顺序是:将所有的含钙组分和缓冲物质加在一

起混和均匀,加热到80℃;同时将低甲氧基果

胶和水加入搅拌器,混匀也加热到80℃,当两

者都达到所需温度后,混和,轻轻搅拌均匀。这

种考虑的出发点是用尽可能多的其他组分稀释

钙离子,减慢反应速率。注意不能将浓度高的

钙离子溶液加入低于成胶温度的低甲氧基果胶

的溶液中,否则会造成体系立即形成预凝胶或

局部不成胶现象。

21312 选用合适的DE及DA值低甲氧基果胶

对于一定的胶凝体系,由于不同DE及DA

值的低甲氧基果胶的钙离子反应敏感性不同,

所需钙离子浓度不同,并且DE及DA值的升

高,成胶温度也升高,如果DE及DA值太高,以

致成胶温度高于体系的沸点温度,会使得体系

立即形成预凝胶。因此,对于不同钙离子浓度的

体系,应选用不同DE及DA值的低甲氧基果

胶。

21313 确定最佳的低甲氧基果胶用量

低甲氧基果胶含量增加,凝胶强度及成胶

温度均上升,但过高会导致预凝胶的形成,使凝

胶强度反而下降。因此对于特定的体系,应根

据低甲氧基果胶的推荐用量范围,作凝胶强度

与用量曲线,以确定最佳的用量。

21314 确定最佳钙离子浓度

对一定的DE及DA值的低甲氧基果胶,在

达到最佳凝胶强度所需的钙离子浓度之前,钙

离子浓度增加,凝胶强度开始变脆、变弱,最终

形成预凝胶[7]。并且对于特定的低甲氧基果胶

随着可溶性固形物含量的增加,所需的钙离子

量降低,同时钙离子的有效作用范围变窄。对

于一定的体系,还应考虑体系中添加或存在的

能螯合钙离子的多聚磷酸盐、柠檬酸盐等,它们

能降低钙离子有效浓度,从而减少预凝胶形成

的机率,特别在体系中固形物含量较高的情况

下比较明显。因此在使用某种低甲氧基果胶之

前,需要作相应的钙离子反应曲线,确定所需的

最佳钙离子浓度。

21315 可溶性固形物含量及种类

一般来讲,可溶性固形物含量增加,凝胶强

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度加大,成胶温度上升,但过高会导致预凝胶的

形成。为防止预凝胶的形成,建议在可溶性固

形物含量低时使用高钙反应能力的低甲氧基果

胶,在可溶性固形物含量高时使用低钙反应能

力的低甲氧基果胶,比如在可溶性固形物含量

45%～70%时,使用LM18CG的低甲氧基果胶;

在可溶性固形物含量0%～45%时,使用

LM12CG的低甲氧基果胶[6]。另外由于不同的

可溶性固形物对果胶与钙离子结合力的影响程

度不同及不同固形物种类对于产生预凝胶的钙

离子浓度的敏感度不同,比如2000型酰胺果

胶,在pH310,固形物含量31%,钙离子含量20

mg/g果胶的条件下,不同可溶性固形物形成凝

胶强度的大小是蔗糖>42D葡萄糖浆>高果糖

浆>山梨糖醇[5],因此对于不同体系的不同固

形物应分别考虑。

低甲氧基果胶的胶凝机理及预凝胶的形成

是非常复杂的,受多种因素的影响。本文利用

桥联作用理论阐述了低甲氧基果胶的胶凝机理

及其主要影响因素,同时对限制低甲氧基果胶

应用的预凝胶现象进行了分析,指出防止预凝

胶产生应从在体系80℃以上时采用合理的原

料添加顺序,对于不同的体系选用合适DE及

DA值的低甲氧基果胶,作钙离子反应曲线确定

最佳钙离子浓度,分析体系中的可溶性固形物

种类、含量及其对胶凝温度和钙离子敏感性的

影响等因素入手,可以有效防止低甲氧基果胶

应用中出现的预凝胶问题。

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TheGelatinizationMechanismofLMPectinandthe

MeasuresforPreventingPregelFormation

XuWei MaLi YuanYongjun XiongHua

ZhuXiuling JiaoYunpeng

(

Departmentofbiotechnology,XihuaUniversity,Chengdu,610039

)

ABSTRACT ThispaperdiscusdthegelatinizationmechanismofLMPectinandthemainaffectingfactors

includingpH,thecontentofsolubilitysolidsandtheconcentrationofCa2+.Pregelwasdiscusdinthecon2

tionthisalsoprovidessome

measuresforpreventingpregelformation.

Keywords lowmethoxylpectin,thegelatinizationmechanism,pregel,measures

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