增稠劑作用機制及其在食品加工中的應用

王淑梅，王佳新

（哈爾濱學院 食品工程學院，黑龍江 哈爾濱 150086）

增稠劑有增稠、凝膠、乳化和穩(wěn)定等作用，可改善食品品質和產品外觀、提供食品豐富的口感。增稠劑的來源廣泛，添加量較低，現(xiàn)已成為肉制品、乳制品和面制品等食品中重要的食品添加劑。

1 增稠劑的作用機制

增稠劑可改變食品系統(tǒng)流變學的能力，即流動特性粘度和機械固體特性質地。研究證實，食物系統(tǒng)的質地或粘度的改變有助于改變其感官特性[1]。一般來說，增稠劑在溶液中易形成網狀結構或具有較多親水基團的膠體，膠體是長鏈聚合物（多糖和蛋白質）的異質基團，因此可改善食品的粘度和質地。增稠劑的主要特性是增稠、膠凝、乳化、穩(wěn)定和控制冰和糖的晶體生長等作用。

1.1 增稠過程

增稠過程涉及構象無序鏈的非特異性纏結結構化膠凝。多糖分散體的粘度主要來自于構象無序的無規(guī)卷曲的物理纏結。在低濃度分散液中，增稠劑的各個分子可以自由移動，并且不會表現(xiàn)出增稠作用。在高濃度系統(tǒng)中，這些分子開始相互接觸，因此，分子的運動受到限制[2]。增稠劑的種類不同，其增稠的程度也不同，如高濃度下給出低粘度，而濃度低于1%時給出高粘度[3]。常見的增稠劑有淀粉、黃原膠、瓜爾豆膠、刺槐豆膠、卡拉膠、阿拉伯膠和纖維素衍生物等。

1.2 凝膠過程

1.2.1 凝膠的形成

凝膠是介于固體和液體之間的物質形式，并顯示出機械剛度，使食品具有粘彈性，表現(xiàn)出液體和固體的特性。增稠劑的類型不同，其凝膠的質地特性（彈性或脆性、耐嚼或乳脂狀）也不同，而食品的感官特性（不透明度、口感或味道）也會隨之不同。掌握特定增稠劑分散體膠凝條件，產生凝膠的特性及其賦予的質地是設計特定食品配方非常重要的方面。凝膠的形成涉及分散體中無規(guī)則分散的聚合物鏈段的締合，從而形成在空隙中包含溶劑的三維網絡。被稱為接合區(qū)的相關區(qū)域可以由兩條或更多條聚合物鏈形成。膠凝過程本質上是這些連接區(qū)的形成。

網絡中這些連接區(qū)的物理排列可能會受到各種參數(shù)的影響，例如溫度、離子的存在以及增稠劑的固有結構。增稠劑的凝膠化有三種機制，即離子凝膠、冷集凝膠和熱定形凝膠[4]。離子膠凝是通過增稠劑鏈與離子的交聯(lián)發(fā)生的，通常是帶負電荷的多糖陽離子介導的膠凝過程，如藻酸鹽、卡拉膠和果膠，通過擴散定型或內部凝膠化進行離子型凝膠化。在冷定型凝膠中，將膠體粉末溶解在溫水沸水中以形成分散體，該分散體在冷卻時會導致焓穩(wěn)定的鏈間螺旋形成單個鏈段，從而形成三維網絡，如瓊脂和明膠。熱定型凝膠需要對凝膠進行加熱，通常僅在食物需要熱定型的地方。熱定型機制通過天然淀粉蛋白質的展開及其隨后的重排成網絡而發(fā)生[5]。

1.2.2 聯(lián)結區(qū)在凝膠中的作用

聯(lián)結區(qū)在增稠劑的凝膠過程中發(fā)揮重要的作用，影響凝膠的特性和功能。在明膠中，聯(lián)結區(qū)由三個分子通過氫鍵形成。在卡拉膠中，六至十個分子形成聯(lián)結區(qū)，而在I型卡拉膠中僅涉及兩個分子。聯(lián)結區(qū)域中的分子數(shù)量越多，凝膠的剛性就越高。因此，K型卡拉膠的多分子聯(lián)結區(qū)在受到剪切力干擾時表現(xiàn)出剛性并且更不容易重建；而I型卡拉膠凝膠具有更多的柔性結構并且對剪切不太敏感?？ɡz和海藻酸鹽的聯(lián)結區(qū)由兩個分子組成，但是與強度幾乎相同的海藻酸鹽相比，卡拉膠凝膠在破裂前可以承受更多的變形。凝膠的熱行為也因聯(lián)結區(qū)域而不同。明膠在較低的溫度下熔化，因為聯(lián)結區(qū)僅由弱氫鍵結合。溶劑質量也是另一個重要因素。高甲氧基果膠凝膠中的氫鍵在添加糖分，充分降低水活度的情況下才可形成[6]。

1.2.3 其他影響凝膠形成的因素

影響增稠劑形成凝膠的各種因素包括凝膠劑的濃度、介質的pH值、摩爾質量、聚合度、溫度、離子組成和溶質等。除了明確影響增稠劑形成凝膠的因素外，還應表征由它們形成的凝膠，通常進行微觀結構和流變學表征，這有助于將增稠劑作為凝膠劑添加[7]。例如，已經研究了添加蔗糖和阿斯巴甜對增稠劑凝膠即K型卡拉膠、結冷凝膠和K型卡拉膠刺槐豆膠的抗壓性的影響；蔗糖的添加導致所有這些凝膠的真實斷裂應力增加。然而，以低濃度添加阿斯巴甜不會影響質地壓縮參數(shù)[8]。此外，決定凝膠甜度的主要因素與凝膠的機械性能（凝膠強度、斷裂應力、斷裂應變等）有關，尤其與破壞網絡所需的變形量及其抗變形能力有關。此外，蔗糖、水解膠體的濃度、剪切速率和溫度等共溶質也是影響凝膠流變狀態(tài)的重要變量。

2 增稠劑在食品中的應用

2.1 在果凍生產中的應用

食品增稠劑在果凍生產加工中常采用兩種或兩種以上協(xié)同作用，從而達到果凍所需要的最佳效果[9]。結冷膠是一種由假單胞桿菌對碳水化合物進行純種發(fā)酵的過程中，合成和分泌的一種胞外線性多糖。由于結冷膠良好的透明度和足夠的熱穩(wěn)定性[10]，與黃原膠結合使用以生產即食甜點凝膠。去酰基化的結冷膠用于改善布丁的水分保留、風味釋放和儲存穩(wěn)定性，并減少脫水收縮[11]。在結冷膠凝膠形成過程中，金屬陽離子起到關鍵性作用。陽離子通過定點結合的方式，由于直接與多糖分子上的羧基相連，從而減弱了雙螺旋鏈間的靜電排斥力，對于“聯(lián)結區(qū)”的形成是非常有利的[12]。

卡拉膠是天然海藻多糖，含硫酸酯基團的親水線性非均一多糖，由1,4-β-D-吡喃半乳糖和1,3-α-D-吡喃半乳糖為基本骨架聯(lián)結而成[13]，可從紅藻細胞壁中提取。?？ɡz在加熱后慢慢冷卻的過程中，分子的形狀由最初的卷曲狀逐漸變成螺旋狀，最終由單螺旋體變成雙螺旋體，此時就形成了立體網狀結構[14]。當卡拉膠在較低濃度是可以形成熱可逆性凝膠，此刻的卡拉膠有較好的透明性，可改善果凍的外觀[15]?？ɡz是果凍生產中最常見的增稠劑，與其他增稠劑協(xié)同作用已應用在食品配方中[16]?？ɡz與刺槐豆膠、明膠、黃原膠和阿拉伯膠等復配時，凝膠強度和彈性均可得到顯著提高[17]。

2.2 在酸奶中的應用

增稠劑可提高酸奶黏稠度，穩(wěn)定酸奶性狀，防止乳清析出，有效改善酸奶制品的質地和口感。海藻酸丙二醇酯和變性淀粉同時用作增稠劑時，可以起到很好的協(xié)同作用，兩種增稠劑的最佳添加量為海藻酸丙二醇酯為0.15%（W/W），變性淀粉為1.20%[18]。在酸奶生產加工過程中，添加0.2%的海藻酸丙二醇酯時，可以使其產品的保水能力整體提高10.9%，有效的防止乳清析出。當0.2%的海藻酸丙二醇酯（W/W）、0.3%羧甲基纖維素鈉，0.1%高酯果膠、0.015%（W/W）蔗糖酯經過復配添加當酸性乳飲料生產加工過程中，此時的產品穩(wěn)定性和口感都是最佳的[19]。

聚葡萄糖是良好的益生元，在腸道發(fā)酵可使腸道pH值從7.24降至6.44，利于乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌的生長與增殖[20]。在酸奶生產加工過程中，因聚葡萄糖在低pH值條件下依然穩(wěn)定，因此聚葡萄糖可以增強膳食纖維含量并增強產品的口感[21]。在低脂或無脂的產品中有效防止水分析出，提高其持水性，有效提升產品的質構和口感。

研究顯示，當酸奶制品中的聚葡萄糖的添加量為1%（W/W），可達到增強產品黏度和甜度，使產品的口感更加豐富[22]。聚葡萄糖可提高酸奶中其他菌種的活力，有效延長酸奶的保質期[23]。當聚葡萄糖在酸奶制品中的添加量為3%（W/W）時，利于酸奶的發(fā)酵，提高了乳酸菌的活性，減少乳清的析出，對產品的組織形態(tài)起到關鍵性作用，此添加量達到了最好的凝乳效果，且酸度甜度皆適中[24]。當凝固型酸奶中添加4%（W/W）的聚葡萄糖時，產品的口感細膩，甜度適中，乳清析出量明顯降低，穩(wěn)定性良好，而且聚葡萄糖很好地保留產品的風味，延長了貨架期[25]。

2.3 在軟飲料中的應用

在酸性飲料中羧甲基纖維素鈉是最常見的增稠劑，由于其易溶于水，可在水中形成高黏度溶液[26]。羧甲基纖維素鈉由于其擁有耐酸的特性最常應用在牛乳中，羧甲基纖維素鈉有效防止酪蛋白的沉淀，延長乳制品的貨架期[27]。羧甲基纖維素鈉還可提高果蔬飲料的懸浮穩(wěn)定性，防止飲料出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，有效的維持產品穩(wěn)定性及其外觀。

黃原膠具有天然樹膠的最高粘度及溶于冷水的特性，被廣泛的應用在軟飲料的生產中。黃原膠的水溶液具有當剪切力存在時黏度降低，而當剪切力消失時粘度恢復的典型假塑性流動[28]。大多數(shù)樹膠在較大溫度范圍內黏度均不穩(wěn)定，而黃原膠的黏度變化程度遠小于其他樹膠[29]。黃原膠還具有很好的耐鹽性，加熱時不會受食鹽的影響而析出。黃原膠也適用于果肉型飲料和蛋白質飲料中，可增強酪蛋白等有效成分的懸浮性[30]。黃原膠的假塑性可增強飲料的黏稠度，使飲料口感更加濃厚，而沒有粘膩感。此外，黃原膠還具有很好的兼容性，當與其他的增稠劑同時使用時會有增效作用。

3 結論

適量的添加增稠劑可改善食品內在質構和外觀形態(tài)。隨著食品科技的不斷進步，越來越多的新興食品添加劑應用在食品生產中。截至目前，我國增稠劑在食品中的應用還不夠完善，生產技術環(huán)節(jié)較薄弱，對增稠劑的研究開發(fā)尚處于初級階段。隨著日益提高的生活水平，消費者對食品風味、口感、外型、等要求逐漸提高，未來增稠劑在食品加工中的應用有著廣闊的發(fā)展空間和前景。