褐藻胶的凝胶特性及其在食品中的应用

孙义凡1,2,王智慧2,段蕊1,张俊杰1*,曹婕1,2,王睿2,赵丽3,丛威2

(1.江苏海洋大学食品科学与工程学院,江苏 连云港 222000;2.中国科学院过程工程研究所,北京 100089;3.山东洁晶集团股份有限公司,山东 日照 276800)

摘 要:褐藻胶是从褐藻中提取的一种阴离子多糖,褐藻胶与钙离子形成的凝胶安全无毒,将其添加在食品中能改善食品的质构特性和持水性。该文从褐藻胶分子结构、凝胶制备的工艺条件和复配体系3个方面,对褐藻胶凝胶的强度、硬度、弹性和持水性的影响规律进行归纳总结,并对其在食品中的应用进行简要综述,为褐藻胶应用于食品提供一定的指导作用。

关键词:褐藻胶;凝胶;特性;食品;应用

褐藻胶,一般指海藻酸钠,是一种从海带等褐藻中提取出的阴离子多糖,可与氢离子或除镁、汞离子之外的多价金属阳离子交联形成水凝胶。褐藻胶与钙离子形成的凝胶安全无毒,具有环境友好性,作为食品胶凝剂、质地改良剂和保水剂等被广泛应用于食品工业领域。

褐藻胶的凝胶特性对食品特别是凝胶状食品品质的影响至关重要[1]。例如,将具有较好凝胶强度的褐藻胶作为胶凝剂,可以使食品在一定的外力下保持完整的外形[2]。将褐藻胶作为质地改良剂用于凝胶食品中,可以改善食品的硬度和弹性[3]。利用褐藻胶凝胶的持水性,将其作为食品保水剂,可减少食品的水分流失,使食品保持较好的营养成分[4]。食品工业中关注的褐藻胶的凝胶特性主要包括质构特性和持水性。凝胶强度、硬度和弹性是质构特性的主要评价指标[5]。褐藻胶将水分截留在其与钙离子形成的三维网络结构中的特性即为持水性,一般用持水率表征。

研究者们从不同角度对褐藻胶的凝胶机制、凝胶特性及其在食品中的应用开展了广泛的研究,综合来看,褐藻胶应用于食品中所发挥的作用一般是利用其某一个或几个凝胶特性,褐藻胶凝胶特性的影响因素可以归结为褐藻胶的分子结构、凝胶制备的工艺条件以及复配胶体的相互作用三方面。本文对褐藻胶的凝胶特性的研究进展进行综述,从褐藻胶的分子结构、凝胶制备的工艺条件和复配技术3个方面分析褐藻胶的凝胶强度、硬度、弹性和持水性的变化规律,并对褐藻胶在食品中的应用进行简要介绍。

1 褐藻胶的凝胶特性

1.1 凝胶制备方法

褐藻胶能与钙离子发生结合反应生成褐藻酸钙凝胶,凝胶的形成可以通过两种机制发生,通常被称为钙离子扩散法和原位释放法。这两种机制在将钙离子引入褐藻胶溶液的方式上有所不同。一般来说,钙离子扩散法是将褐藻胶溶液滴入钙离子溶液中,钙离子从外部扩散到褐藻胶溶液的内部,该方法制备凝胶速度快、结构致密且强度较高。而原位释放法包括两个主要阶段:(1)混合非活性钙盐如碳酸钙、硫酸钙和钙螯合剂化合物与褐藻胶溶液;(2)用有机酸内部释放钙离子或使用内酯如D-葡萄糖-δ-内酯(gluconic acid δ-lactone,GDL)控制释放,该方法制备的凝胶结构均匀[6-9]

1.2 凝胶的质构特性

1.2.1 凝胶强度

凝胶强度是评价凝胶机械强度的指标,一般采用单位面积所屈服的力的大小来表征。凝胶强度可以通过凝胶强度测定仪或质构仪测量,由破断强度与凹陷度的乘积计算获得,凝胶的破断强度为探头刺穿凝胶时刻所对应的力,凝胶的凹陷度为此时所对应的位移[10]。目前对褐藻胶凝胶强度的研究主要包括褐藻胶的分子结构、凝胶制备条件和复配体系3个方面。

1.2.1.1 褐藻胶分子结构的影响

褐藻胶是由β-D-甘露糖醛酸(mannuronic acid,M)和 α-L-古罗糖醛酸(guluronic acid,G)两种单体以GG、MM和GM/MG 3种方式组合并按一定比例构成的线型聚合多糖。两种单体的构象不同,与钙离子的结合能力也不同,G和M在分子结构中的比例将导致褐藻胶凝胶特性的差异[11]。褐藻胶分子量也会影响褐藻胶的凝胶特性,分子量一般用黏度表征,是指质量浓度为10 g/L的褐藻胶水溶液在20℃时的黏度,褐藻胶的分子量越高,黏度越高。

褐藻胶的凝胶强度随M/G值的增大而降低,M/G值对低分子量褐藻胶的凝胶强度影响更显著。许加超等[12-13]测试了由原位释放法制备的褐藻胶水凝胶的凝胶强度,其结果表明高G型(M/G=0.846)褐藻胶的凝胶强度约为高M型(M/G=2.39)的3倍。罗阳等[14]采用原位释放法制备了褐藻胶凝胶,对比高G型和高M型褐藻胶的凝胶强度,发现高G型比高M型褐藻胶凝胶强度大,且二者凝胶强度的差值随褐藻胶黏度的提高而减小,由其结果可见,黏度为400 mPa·s的高G型褐藻胶比高M型褐藻胶的凝胶强度高约50%,而黏度为800 mPa·s的高G型褐藻胶仅提高20%。

褐藻胶分子量越高,凝胶强度越高,分子量对高M型褐藻胶的凝胶强度影响更显著。目前用于制备凝胶的褐藻胶黏度主要集中在800 mPa·s以下。罗阳等[14]发现在 400 mPa·s~800 mPa·s黏度范围内,褐藻胶的凝胶强度随分子量增加而提高,且分子量对高M型褐藻胶凝胶强度影响更显著。由其结果可见,高M型的黏度为800 mPa·s的褐藻胶制备的凝胶比黏度为400 mPa·s褐藻胶的凝胶强度提高约44%,而高G型仅提高约14%。研究者认为高分子量的褐藻胶具有更长的分子链,与钙离子结合更加紧密,所以凝胶强度更高。

1.2.1.2 制备条件的影响

文献报道的两种褐藻胶凝胶制备方法中,褐藻胶溶液浓度、钙离子浓度、溶液pH值和胶化反应的温度对褐藻胶的凝胶强度均有影响。

凝胶强度随褐藻胶浓度或钙离子浓度的增加而提高。王秀娟等[15]利用钙离子扩散法制备褐藻胶凝胶,当氯化钙浓度为3%时,在1%~3%的褐藻胶浓度范围内,凝胶强度随褐藻胶浓度的增加而提高,褐藻胶浓度为3%时的凝胶强度比浓度为1%时提高50%。许加超等[12]研究发现,当褐藻胶浓度一定时,在钙离子与钠离子摩尔比为0.5~3.0时,褐藻胶的凝胶强度随钙离子浓度增加而提高,对其研究结果分析可见,钙离子与钠离子摩尔比为3.0时,制备的凝胶强度约为摩尔比为1.0时凝胶强度的4倍。

在中性条件下制备的褐藻胶的凝胶强度最高。刘海燕等[16]将水溶液调节至不同pH值(2~12)后溶解褐藻胶,并加入成型剂(文中未给出成型剂的成分)制备凝胶,结果表明水溶液pH值调至6~8时制备的凝胶强度最大,其他pH值下凝胶强度基本为零。研究者认为,成型后的褐藻酸钙凝胶在酸性条件下会和酸发生置换形成海藻酸钙-海藻酸凝胶;在强碱条件下,钠离子置换凝胶中的钙离子。两种情况下,凝胶强度均会变低。Zhao等[17]提出在酸性条件下冻融诱导可提高褐藻胶的凝胶强度,并且可以通过增加冻融次数使凝胶强度进一步提高。

制备凝胶时的胶化温度会影响褐藻胶与钙离子的结合程度,从而影响凝胶强度。王秀娟等[15]采用钙离子扩散法制备褐藻胶凝胶,在20℃~80℃的温度范围内进行胶化反应,结果表明,60℃时制备的凝胶强度最高,比20℃时提高约24%,但进一步提高温度会导致凝胶强度下降。与齐海萍等[18]的研究结果一致。研究者们认为原因在于温度升高会使褐藻胶分子间链段更加舒展,利于与钙离子的结合。但过高的温度可能会造成褐藻胶分子中的G、M嵌段更易分开或导致褐藻胶降解,不易和钙离子形成网络结构,凝胶强度下降[15,18]

1.2.1.3 复配体系

将褐藻胶与其他胶体复配是提高凝胶强度的重要方法之一。Khong等[19]的研究表明,与高G型褐藻胶相比,高M型褐藻胶与壳聚糖复配可以制备出强度更高的凝胶。刘鑫[10]将褐藻胶分别与魔芋胶、黄原胶、瓜儿豆胶、卡拉胶和结冷胶复配,发现中性线型多糖能提高褐藻胶的凝胶强度。在添加魔芋胶、卡拉胶或瓜儿豆胶为溶液总质量的1%~6%时,复配体系形成的凝胶强度均随上述胶体添加量的增加而先提高后降低。当魔芋胶添加量为4%时复配体系形成的凝胶强度提高幅度最大,提高了330%;瓜尔豆胶添加量为4%时,达到该复配体系的最高值,提高了220%;在卡拉胶添加量为5%时,复配体系的凝胶强度最高,提高了约200%。

1.2.2 凝胶弹性

凝胶弹性表示凝胶在外力作用下发生形变,撤去外力作用时恢复原来状态的能力,会影响食品的可塑性和口感。目前关于褐藻胶分子结构对凝胶弹性影响的报道较少,主要集中于制备条件对凝胶弹性的影响,主要包括褐藻胶浓度、钙离子浓度、凝胶温度、钙盐种类和胶体复配体系。

1.2.2.1 褐藻胶分子结构的影响

刘海燕等[20]将不同M/G值和分子量的褐藻胶溶解后加入成型剂制成凝胶,发现M/G=1.34比M/G=0.75的褐藻胶的凝胶弹性提高约17%。当褐藻胶M/G值相近时(M/G=1.32~1.35),其黏度为 200 mPa·s~700 mPa·s,褐藻胶黏度对凝胶弹性的影响不显著。

1.2.2.2 制备条件的影响

褐藻胶的凝胶弹性随褐藻胶溶液浓度的提高而降低。过菲等[21]等研究了褐藻胶的凝胶弹性在1%~4%的褐藻胶浓度范围内的变化,结果表明凝胶弹性随褐藻胶浓度的增加而降低,褐藻胶浓度为4%时凝胶弹性较1%浓度时降低约23%。与刘海燕等[20]的研究结果一致。原因可能在于,随褐藻胶浓度的增加,分子间相互缠结形成的网状结构越致密,网络的结点增多,形成的凝胶刚性变大。

关于钙离子浓度对凝胶弹性的影响,近年来报道的研究结果表现出了不同的规律。在褐藻胶浓度为2%的条件下,王秀娟等[15]用钙离子扩散法制备凝胶,研究了氯化钙在1%~8%时对凝胶弹性的影响,结果表明褐藻胶的凝胶弹性随着氯化钙浓度的增加而提高。而过菲等[21]用原位释放法制备凝胶,发现在褐藻胶浓度为2%时,钙钠摩尔比为0.25~1.50时,凝胶弹性随着钙离子浓度的增加而降低,钙钠摩尔比为1.50时比钙钠摩尔比为0.25时制备的凝胶弹性低约14%。研究结果的差异可能是因为研究者试验时选用的褐藻胶分子结构不同,也有可能是因为凝胶制备方法不同。

在20℃~80℃温度范围内,用钙离子扩散法制备凝胶时,温度对褐藻胶凝胶弹性的影响不大[15],钙盐种类对凝胶弹性影响较大。陈明木等[22]选用氯化钙、乳酸钙、醋酸钙、磷酸氢钙、磷酸钙和碳酸钙6种钙盐作为交联剂进行对比,发现用氯化钙和乳酸钙制备的凝胶弹性更好。

1.2.2.3 复配体系

Belak-Cvitanovi[23]研究表明,褐藻胶与壳聚糖复配具有协同增效的作用,当壳聚糖添加量为总胶体的20%时,褐藻胶凝胶弹性略有提高,但影响不显著。陈明木等[22]研究了在添加量为0.5%时,黄原胶、明胶、瓜尔豆胶、魔芋精粉和卡拉胶5种胶体与褐藻胶之间的协同作用,得出除魔芋精粉外其他4种胶体均能提高褐藻胶的凝胶弹性,其中明胶对凝胶弹性的提高程度更大。

1.2.3 凝胶硬度

凝胶硬度是指使凝胶达到一定变形程度所需要的力,是表征凝胶保持形状的内部结合力,硬度的大小用于评价口感的坚硬或柔软。凝胶硬度一般选用质构仪全质构分析(texture profile analysis,TPA)测试方法中第一压缩周期内的最大压力值,通常与抗撕裂强度对应[1]。目前关于褐藻胶凝胶硬度的研究主要涉及褐藻胶分子结构、褐藻胶溶液浓度、钙离子浓度、钙盐种类、氯化钙溶液pH值、胶化反应的温度以及胶体复配对凝胶硬度的影响。

1.2.3.1 褐藻胶分子结构的影响

刘海燕等[20]研究发现M/G=0.75的褐藻胶比M/G=1.34的褐藻胶形成的凝胶硬度提高约55%。采用M/G值相近(M/G=1.32~1.35)但黏度不同的3种褐藻胶制备凝胶,发现凝胶硬度随着褐藻胶黏度的增加而增大,由其结果可见,黏度为700 mPa·s的褐藻胶凝胶硬度比200 mPa·s提高了26%。

1.2.3.2 制备条件的影响

随褐藻胶的浓度增加,凝胶硬度增大。刘海燕等[20]的研究表明,在1.0%~1.5%浓度范围内,褐藻胶的凝胶硬度随褐藻胶浓度增加而提高,褐藻胶浓度为1.5%时凝胶硬度约为浓度为1.0%时的1.5倍。与陈梦洁等[24]的研究结果一致。原因可能在于,随褐藻胶浓度增加,其与钙离子的结合位点增加,褐藻胶与钙离子的交联结构更加致密,抗撕裂强度增加,凝胶硬度增大。

陈梦洁等[24]用钙离子扩散法制备褐藻胶凝胶,在1%~3%的氯化钙浓度范围内,凝胶硬度随氯化钙浓度增加而增大;而当氯化钙浓度大于3%时,凝胶的硬度略有下降。李倩倩等[25]采用原位释放法选用乳酸钙、氯化钙、碳酸钙和硫酸钙4种钙盐制备凝胶,发现溶解度最小的碳酸钙作为交联剂时制备的凝胶结构均匀,凝胶硬度最大,约为乳酸钙的6.5倍。原因可能在于不同种类的钙盐在水中释放钙离子速度不同,影响其与褐藻胶分子间交联反应的速度,钙离子释放速度过快将无法获得结构良好的均匀凝胶,会对凝胶的硬度产生显著的影响。

胶化温度和氯化钙溶液的pH值均会影响褐藻胶与钙离子的结合,从而影响凝胶硬度。陈梦洁等[24]认为在20℃~80℃时,温度升高会导致凝胶硬度降低,原因可能是温度升高导致了褐藻胶分子中的G和M段分开,不易和钙离子形成网络结构;此外,在氯化钙溶液pH值<3时,凝胶硬度较低,可能是因为氢离子和钙离子争夺褐藻胶的羧基,导致了凝胶硬度的降低[26]

1.2.3.3 复配体系

目前,在褐藻胶与其他胶体的相互作用方面,关于壳聚糖、结冷胶、低酯果胶和卡拉胶与褐藻胶形成的复配体系对褐藻胶凝胶硬度的影响研究较多。黄正华等[26]用钙离子扩散法制备凝胶,通过单因素试验研究了氯化钙浓度(0.4 mol/L~0.6 mol/L)、褐藻胶与壳聚糖质量比(3∶1~19∶1)和 pH 值(6.0~7.0)对壳聚糖-褐藻胶凝胶硬度的影响,发现当氯化钙浓度为0.6 mol/L,褐藻胶与壳聚糖质量比为19∶1,pH值为7.0时制备的凝胶硬度达到最大。结冷胶与褐藻胶的凝胶机理相似,复配后具有一定的协同作用,能提高凝胶的硬度[27]。李倩倩等[25]发现当褐藻胶浓度为1%时,褐藻胶与结冷胶的复配比例为10∶1(质量比)即可提高凝胶硬度,与对照组相比提高约15%。Bel ak-Cvitanovi[23]的研究表明,当褐藻胶浓度为总胶体质量的80%时,卡拉胶、低酯果胶和壳聚糖与褐藻胶复配使用均能显著提高褐藻胶的凝胶硬度,其中壳聚糖对凝胶硬度提高效果最为显著,分别为对照的4.3倍、7.7倍和100倍。

1.3 凝胶的持水性

凝胶的持水性反映了凝胶对水分的保持能力,一般用持水率来表征,是凝胶性能的重要指标之一。在食品加工和储存过程中,食品内部水分含量和水分分布状态会影响食品的品质和食品的质构特性。关于褐藻胶凝胶持水性的研究主要集中在褐藻胶分子结构和凝胶制备条件对持水性的影响,而通过复配体系来提高褐藻胶凝胶的持水性的报道较少。

1.3.1 褐藻胶分子结构的影响

褐藻胶凝胶的持水率随分子量增加而增大。王伟[28]的研究表明高分子量的褐藻胶对凝胶持水性的改善效果更加明显,当褐藻胶添加量为0.75%时,高黏度的褐藻胶能将褐藻胶的凝胶持水性提高约15%。与姚静[29]的研究结果一致。

褐藻胶G嵌段在与钙离子交联时,形成一个“蛋壳”结构,水不易渗透到内部,因此褐藻胶G含量越高,持水能力越差。陈利梅等[30]研究表明褐藻胶M/G值越大,制备的凝胶持水力越强,M/G值为3.95比M/G值为2.26的褐藻胶凝胶的持水率高13%。

1.3.2 制备条件的影响

褐藻胶凝胶的持水率随褐藻胶浓度的增大而提高,随氯化钙浓度的增加而降低。王秀娟等[15]的研究表明,在1%~3%的褐藻胶浓度范围内,当褐藻胶浓度为3%时,凝胶持水率可达66.64%,约为1%浓度时的3倍。研究者认为原因在于,褐藻胶浓度增大时有充足的褐藻胶与钙离子发生离子交换,形成的凝胶空间网络结构致密,且褐藻胶分子间的相互作用加强,持水能力增强。反之,在1%~8%的氯化钙浓度范围内,当氯化钙浓度为8%时,凝胶持水率仅有29.08%,比1%浓度时降低了37%。

温度对褐藻胶凝胶的持水性影响不大[15],溶解用水溶液的pH值对褐藻胶凝胶的持水性影响显著。刘海燕等[16]将水溶液调节至不同pH值(2~12)溶解褐藻胶并制备凝胶,结果表明当溶液pH值为2时,形成的凝胶出水率较高,约16%;pH值为4~9时出水率在4%左右,pH值为11时没有出水,但是凝胶强度特别低,仅为在pH值为4~9时强度的20%。

1.3.3 复配体系

目前,关于通过复配体系来提高凝胶持水性的报道相对较少。张慧旻等[27]研究表明当褐藻胶浓度为0.5%时,添加0.25%~0.75%的黄原胶能提高褐藻胶凝胶的保水性,但提高效果不显著。此外,研究表明,添加甘油能够提高凝胶的持水性能,但过量添加会降低凝胶的强度和弹性[15,31]

2 褐藻胶在食品中的应用

利用褐藻胶的凝胶特性,将其作为胶凝剂、质地改良剂和保水剂等,在食品加工及保藏中得到广泛的应用。

2.1 胶凝剂

褐藻胶遇钙生成凝胶,当褐藻胶和钙离子浓度达到合适比例时可作为胶凝剂制得外观透明、有弹性、强度适中且口感较好的仿生食品[2],例如人造海蜇、仿生鱼翅、褐藻凉粉、人造水果等。臧汝瑛等[2]选用黏度为370 mPa·s的褐藻胶与明胶按2.5∶1的质量比复配,胶体浓度为1.5%,pH值为6,氯化钙溶液浓度为1.0%,固化时间为20 min时制出的仿生鱼翅透明、有弹性、且耐热性好。

2.2 质地改良剂

由于褐藻胶与钙离子能够生成凝胶,或与蛋白之间通过静电作用、氢键以及共价键连接形成致密的三维网状结构,在食品中单独添加褐藻胶或褐藻胶与钙共同使用可以有效改善食品的质构特性。范素琴等[32]认为褐藻胶与钙共同使用能够改变肉制品的弹性,但使用量并不是越多越好,添加时需要根据食品需求对用量进行优化。王伟[28]的研究表明,添加0.25%~0.50%低黏度或者中黏度的褐藻胶能将猪肉糜凝胶硬度提高约15%。在制作凝胶软糖中褐藻胶能改善软糖的硬度和弹性[3],此外褐藻胶还能够促进面筋网络的形成,增加面制品的弹性,防止冷冻面制品表皮开裂[33]

2.3 保水剂

褐藻胶含有丰富的亲水基团——羟基和羰基,可以通过氢键作用与水分子结合束缚大量的水分。此外,褐藻胶与钙离子形成的三维网络结构会将水分截留,常被制作成天然环保的可食性膜,将其用于水果保鲜或作为保水剂能够提高肉制品的持水率。江敏等[34]研究表明,褐藻胶能减弱芒果呼吸强度,降低水分蒸发,对芒果具有良好的保鲜作用。此外,张慧旻等[27]研究表明,当褐藻胶单独使用时,1%~2%的添加量能将低酯猪肉糜的持水性由96%提升至99%。耿建暖[4]通过正交试验发现,与卡拉胶、果胶、明胶和琼脂相比,添加褐藻胶的猪肉制品的持水效果最优,当褐藻胶添加量为0.2%时,猪肉的持水率达到最高,比对照组持水率提高约10%。

3 总结

褐藻胶作为胶凝剂用于仿生食品能赋予其良好的形态和口感、作为组织改良剂用于面粉制品和肉制品等方面可以改善产品的质构,作为保水剂用于果蔬、水产品和各种肉糜制品能使水果蔬菜保鲜或提高水产及肉制品的持水性。然而,目前关于褐藻胶分子量和分子量分布对褐藻胶凝胶特性的影响的研究还比较缺乏,需系统的深入研究。此外,在褐藻胶凝胶特性方面,还可以开展食品的质构特性和褐藻胶的凝胶特性间相关性的研究,不断完善褐藻胶应用于食品工业的规格划分和选型的评价体系,促进新型食品的开发,同时,推动褐藻胶工业的发展。

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Alginate:Gel Properties and Application in Food Products

SUN Yi-fan1,2,WANG Zhi-hui2,DUAN Rui1,ZHANG Jun-jie1*,CAO Jie1,2,WANG Rui2,ZHAO Li3,CONG Wei2
(1.School of Food Science and Engineering,Jiangsu Ocean University,Lianyungang 222000,Jiangsu,China;2.Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100089,China;3.Shandong Jiejing Group Co.,Ltd.,Rizhao 276800,Shandong,China)

Abstract:Alginate is a natural anionic polysaccharide extracted from brown algae.Because of the non-toxic and natural characteristics,the hydrogel of alginate gelled with calcium is widely used to improve the texture properties and water retention of food products.The effects of alginate molecular structure,gel preparation conditions,and compositional formulation on the strength,hardness,elasticity,and water retention of alginate gel were summarized,and the application of alginate gel in food industry was briefly reviewed.

Key words:alginate;gel;properties;food;application

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.04.031

基金项目:国家重点研发计划(2019YFD0902005);江苏省研究生科研创新计划项目(SJCX20_1309、SJCX20_1299、SJCX20_1306)

作者简介:孙义凡(1996—),女(汉),硕士在读,研究方向:食品加工与安全。

*通信作者:张俊杰(1970—),男(汉),教授,博士,研究方向:水产品加工及综合利用。

引文格式:

孙义凡,王智慧,段蕊,等.褐藻胶的凝胶特性及其在食品中的应用[J].食品研究与开发,2023,44(4):209-214.

SUN Yifan,WANG Zhihui,DUAN Rui,et al.Alginate:Gel Properties and Application in Food Products[J].Food Research and Development,2023,44(4):209-214.

加工编辑:王艳

收稿日期:2022-02-22