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  • 食品胶的胶凝特性及其机制
  • 来源:食品添加剂和配料研究 -胡国华        2016-10-25         4616
【摘要】

在食品体系组成中需要的食品胶体添加量很少,通常为千分之几,但却能有效地改善食品的质量品质。当在食品体系中采用食品胶时,这些食品胶赋予或改善这些体系的流变学特性,例如粘度增加,流体的假塑性(剪切变稀)等性能从而使这些体系具有合适的质构。由于这些食品体系的流变学特性的改善,固体能均匀地和长久地悬浮在水相中,乳化液得以稳定不至于油水分离分层,气液体系也能以稳定的状态存在。可见,食品胶能在食品工业中发挥重要的作用,是与它的独特功能特性分不开的。食品胶的最重要的基本功能或是使水相增稠,或是使水相成胶,这些重要功能已

在食品体系组成中需要的食品胶体添加量很少,通常为千分之几,但却能有效地改善食品的质量品质。当在食品体系中采用食品胶时,这些食品胶赋予或改善这些体系的流变学特性,例如粘度增加,流体的假塑性(剪切变稀)等性能从而使这些体系具有合适的质构。由于这些食品体系的流变学特性的改善,固体能均匀地和长久地悬浮在水相中,乳化液得以稳定不至于油水分离分层,气液体系也能以稳定的状态存在。可见,食品胶能在食品工业中发挥重要的作用,是与它的独特功能特性分不开的。食品胶的最重要的基本功能或是使水相增稠,或是使水相成胶,这些重要功能已在食品加工工业中得到了广泛和充分的应用。

(一) 食品胶的功能特性

目前,在众多食品中特别是在西方的食品产品中几乎找不到一种食品不含有亲水胶体充当体系稳定剂。食品胶广泛应用于食品工业中、应用于食品中时,所加入的食品胶也往往不只起一种作用,即发挥了多种作用,食品胶往往具有多种功能。

食品胶作为一种亲水胶体,是一种胶体物。它具有所有胶体应具有的基本性质,包括扩散和布朗运动、沉降现象、渗透压、光学性质、流变学性质、胶体质点周围有双电层、电动现象(电泳和电渗)、聚沉现象、稳定和絮凝作用等。食品胶在食品中的广泛应用主要原因在于它们都有着许多的功能特性。对于大多数食品胶而言,这些功能特性最重要的是各种胶的粘度特性或其增稠性;其次是胶凝特性(当然它要能够成胶),,并且它们所形成的胶的特性和质构往往各不相同,从而使其在食品工业中的应用范围相当广泛。表1列出了食品胶的一些功能特性。

对于食品胶的功能性来说,许多胶的凝胶特性与胶溶液粘度之间有一定的相关性,比如明胶,低浓度时能用作增稠剂,但在高浓度时,却能用作胶凝剂。同时,温度也有影响,对大多数食品胶而言,随着温度的升高,其粘度会下降,从而会明显降低增稠的功能。在一般情况下,温度的升高对食品胶粘度的影响类似于食品胶浓度的下降。食品胶溶液在挤压、搅拌等切变力作用下发生切变稀化,粘度降低,食品胶凝胶在切变力作用下也会发生胶溶或者触变现象。只要外力一停止,胶溶或变稀的溶液又往往可以冻结成凝胶。


(二)胶凝性

有些食品胶如明胶、琼脂、果胶等溶液,在温热条件下为粘稠流体,当温度降低时,溶液分子连接成网状结构,溶剂和其他分散介质全部被包含在网状结构之中,整个体系成了失去流动性的半固体,也就是凝胶。前面提到,所有的食品胶都有粘度特性并具有增稠的功能,但只有其中一部分的食品胶具有胶凝的特性,并且它们的成胶特性往往各不相同,利用它们的胶凝性在食品中应用时,在大多数情况下也不能相互替代,也就是说一种能成凝胶的食用胶在某一种食品中的应用往往是特定的,很难用其它胶体来替代,原因在于各种食用胶的成胶模式、质量、稳定性、口感及可接受性等特性都不一样,或至少不完全相同。尽管在应用这些具有胶凝特性的食品胶进行某种食品开发时,研制者有多种选择,但一般并不能获得品质完全一样的食品。

另外值得一提的是,不少食品胶尽管单独存在时不能形成凝胶,但它们混合在一起复配使用时,却能形成凝胶,即食品胶之间能呈现出增稠和凝胶的协同效应,如卡拉胶和槐豆胶;;黄原胶和槐豆胶;黄蓍胶和海藻酸钠等,这些增效效应的共同特点是:混合胶液经过一定的时间后能形成为高强度的凝胶或使得体系的粘度大于体系中各组分单独存在时的粘度的总和,即产生1+1>2的效应。

这方面典型的例子如刺槐豆胶和黄原胶,槐豆胶和黄原胶本身都无法形成凝胶,但槐豆胶或黄原胶非常显著的特性就是与黄原胶或槐豆胶的协效增稠性和协效凝胶性,槐豆胶可按一定比例同黄原胶复配成为复合食品胶,即能成为理想的增稠剂和胶凝剂。有学者研究发现,当黄原胶与槐豆胶在总浓度为1%,共混比例为60/40时,它们之间可以达到协同相互作用的最佳效果。同时还发现这种相互协同作用的强弱除了两者的共混比例外,还与槐豆胶的M/G(甘露糖与半乳糖之比)比值有关,此外凝胶的制备温度和盐离子浓度等因素对共混凝胶化也有不同程度的影响。这些内容将在本书后面一些章节中详细提到。

食品胶形成凝胶的胶凝临界浓度、胶凝临界温度随体系的pH、电解质的存在、其他蛋白质和多糖的存在而变化。有些食品胶体在浓度较高或在外界温度、pH、离子、浓度等条件适宜情况下才可形成凝胶。一般说来,具有较多亲水基团的多糖易形成凝胶,支链较多的多糖因受酸、碱、盐影响小,不易形成凝胶,但有可能与其他胶复配形成凝胶。阴离子多糖在有电解质存在下易形成凝胶,通常可以添加电解质和螯合剂来调节凝胶形成速度和强度。表2列出了一些食用胶的胶凝特性。


对于食品胶的胶凝机制,国内外这方面的文献报道不少,但还不是很清楚。胶凝现象一般可以简单描述为亲水胶体的长链分子相互交联而形成能将液体缠绕固定在内的三维连续式网络,并由此获得坚固严密的结构以抵制外界压力而最终能阻止体系的流动。也就是说,食品多糖胶胶凝剂通过分子链的交互作用形成三维网络从而使水从流体转变成能脱模的“固体”。凝胶中能包含的水分可高达99%之多,常见的食品凝胶包括果冻、布丁、胶化汽水、胶化果汁、胶化果酱、胶化牛奶、凝胶糖等。

据认为,各种亲水胶体的胶凝特性不同主要是因为三维网络的缠绕度、分子交联的数量和属性、形成网络各单元的相互吸引和排斥以及与不同溶剂作用的差异等原因引起的。

胶凝机制的不同可通过对几种常见食品胶的不同胶凝特性说明来理解。明胶的胶凝特性就比较特别,它能形成蛋白质类的颇具弹性的凝胶;如上表所示,卡拉胶需在有钾离子条件下能形成碳水化合物类的螺旋式凝胶,这也是其它一些海藻胶和碳水化合物的成胶方式;还由上表可知,海藻酸钠能通过与钙离子发生化学反应同时形成交联而获得一种特殊的凝胶。由此可见胶凝机制主要可分为三类:

1.蛋白质类胶凝(明胶)明胶凝胶是胶体化学中的典型凝胶,从理论到应用对它的研究已有近二百年的历史,但到现在,对它的胶凝机理还未完全清楚,一般认为明胶成胶时,蛋白质中的多肽链相互交联使得每分子能形成约五或六个结晶性区域,这些交联可能是由于氨基酸与侧链羧基之间发生的盐键作用力而产生的。明胶在任何pH情况下和无需其它物质如Ca2+、糖的协助都能同水作用形成均一的凝胶,该凝胶为热可逆性的,加热可以融化,冷却后又会再次成胶.

2.热胶凝卡拉胶、琼脂等红藻提取物胶体都是这种胶凝方式,它们的共同组分硫酸酯半乳聚糖在形成这种凝胶时往往要经历三个明显的阶段(图):自由缠绕,双重螺旋,聚集,其中所形成的双重螺旋结构是形成这类凝胶网络的基础。

3.化学胶凝离子性的食品胶(如海藻酸)在有高价金属离子存在下可以形成凝胶,而与温度高低没有关系。由表1.5可知,海藻酸钠和低酯果胶都是通过与钙离子发生化学反应交联而获得一种特殊的凝胶。直到现在,一般认为,这种交联是由于邻近聚合物链上的两个羧基基团与钙离子作用形成离子桥或通过每一对聚合物链上的羟基和羧基基团同钙离子发生螯合作用而形成的。

4.其它胶凝机制其它多糖凝胶的形成机制与上述几种胶凝原理会有所不同,蛋白质之间、多糖之间以及蛋白质与多糖之间可以形成共混凝胶,共混凝胶的形成能降低单独形成凝胶的胶凝临界温度、胶凝临界浓度,甚至两种单独不能形成凝胶的高分子共混后能形成凝胶,这对于加工特色食品、生产新型的布丁、果冻、饮料和糖果等食品都很有益处。如高酯果胶,它形成凝胶需要有一定的含糖量(60~65%)和pH(2.0~3.5)条件。在果胶液中添加糖类,其目的在于脱水,促使果胶粒周围的水化层发生变化,使原来胶粒表面吸附水减少,胶粒与胶粒易于结合而为链状胶束。高度失水能加快胶束的凝聚,并相互交织,无定向地组成一种连接松弛的三维网络结构,在网络交界处形成无数空隙,由于氢键和分子间引力的作用,紧紧吸附着糖-水的分子。最终形成一种具有一定强度和结构类似海绵的凝胶体。但果胶的胶束失水后形成结晶而沉淀,在果胶-糖溶液分散体系内需要添加一定数量的酸有利于形成凝胶,因为酸产生的氢离子能中和果胶所带的负电荷,当pH达到一定值时,果胶接近电中性,于是其溶解度降至最小,从而加酸加速了果胶胶束的形成、结晶、沉淀和凝聚。


—摘自《功能性食品胶》(第2版,2014,化工出版社, 胡国华主编),有较多删节。




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