褐藻膠的凝膠特性及其在食品中的應用

孫義凡，王智慧，段蕊，張俊杰*，曹婕，王睿，趙麗，叢威

（1.江蘇海洋大學食品科學與工程學院，江蘇 連云港 222000；2.中國科學院過程工程研究所，北京 100089；3.山東潔晶集團股份有限公司，山東 日照 276800）

褐藻膠，一般指海藻酸鈉，是一種從海帶等褐藻中提取出的陰離子多糖，可與氫離子或除鎂、汞離子之外的多價金屬陽離子交聯(lián)形成水凝膠。褐藻膠與鈣離子形成的凝膠安全無毒，具有環(huán)境友好性，作為食品膠凝劑、質地改良劑和保水劑等被廣泛應用于食品工業(yè)領域。

褐藻膠的凝膠特性對食品特別是凝膠狀食品品質的影響至關重要[1]。例如，將具有較好凝膠強度的褐藻膠作為膠凝劑，可以使食品在一定的外力下保持完整的外形[2]。將褐藻膠作為質地改良劑用于凝膠食品中，可以改善食品的硬度和彈性[3]。利用褐藻膠凝膠的持水性，將其作為食品保水劑，可減少食品的水分流失，使食品保持較好的營養(yǎng)成分[4]。食品工業(yè)中關注的褐藻膠的凝膠特性主要包括質構特性和持水性。凝膠強度、硬度和彈性是質構特性的主要評價指標[5]。褐藻膠將水分截留在其與鈣離子形成的三維網(wǎng)絡結構中的特性即為持水性，一般用持水率表征。

研究者們從不同角度對褐藻膠的凝膠機制、凝膠特性及其在食品中的應用開展了廣泛的研究，綜合來看，褐藻膠應用于食品中所發(fā)揮的作用一般是利用其某一個或幾個凝膠特性，褐藻膠凝膠特性的影響因素可以歸結為褐藻膠的分子結構、凝膠制備的工藝條件以及復配膠體的相互作用三方面。本文對褐藻膠的凝膠特性的研究進展進行綜述，從褐藻膠的分子結構、凝膠制備的工藝條件和復配技術3個方面分析褐藻膠的凝膠強度、硬度、彈性和持水性的變化規(guī)律，并對褐藻膠在食品中的應用進行簡要介紹。

1 褐藻膠的凝膠特性

1.1 凝膠制備方法

褐藻膠能與鈣離子發(fā)生結合反應生成褐藻酸鈣凝膠，凝膠的形成可以通過兩種機制發(fā)生，通常被稱為鈣離子擴散法和原位釋放法。這兩種機制在將鈣離子引入褐藻膠溶液的方式上有所不同。一般來說，鈣離子擴散法是將褐藻膠溶液滴入鈣離子溶液中，鈣離子從外部擴散到褐藻膠溶液的內部，該方法制備凝膠速度快、結構致密且強度較高。而原位釋放法包括兩個主要階段：（1）混合非活性鈣鹽如碳酸鈣、硫酸鈣和鈣螯合劑化合物與褐藻膠溶液；（2）用有機酸內部釋放鈣離子或使用內酯如D-葡萄糖-δ-內酯（gluconic acid δ-lactone，GDL）控制釋放，該方法制備的凝膠結構均勻[6-9]。

1.2 凝膠的質構特性

1.2.1 凝膠強度

凝膠強度是評價凝膠機械強度的指標，一般采用單位面積所屈服的力的大小來表征。凝膠強度可以通過凝膠強度測定儀或質構儀測量，由破斷強度與凹陷度的乘積計算獲得，凝膠的破斷強度為探頭刺穿凝膠時刻所對應的力，凝膠的凹陷度為此時所對應的位移[10]。目前對褐藻膠凝膠強度的研究主要包括褐藻膠的分子結構、凝膠制備條件和復配體系3個方面。

1.2.1.1 褐藻膠分子結構的影響

褐藻膠是由β-D-甘露糖醛酸（mannuronic acid，M）和 α-L-古羅糖醛酸（guluronic acid，G）兩種單體以GG、MM和GM/MG 3種方式組合并按一定比例構成的線型聚合多糖。兩種單體的構象不同，與鈣離子的結合能力也不同，G和M在分子結構中的比例將導致褐藻膠凝膠特性的差異[11]。褐藻膠分子量也會影響褐藻膠的凝膠特性，分子量一般用黏度表征，是指質量濃度為10 g/L的褐藻膠水溶液在20℃時的黏度，褐藻膠的分子量越高，黏度越高。

褐藻膠的凝膠強度隨M/G值的增大而降低，M/G值對低分子量褐藻膠的凝膠強度影響更顯著。許加超等[12-13]測試了由原位釋放法制備的褐藻膠水凝膠的凝膠強度，其結果表明高G型（M/G=0.846）褐藻膠的凝膠強度約為高M型（M/G=2.39）的3倍。羅陽等[14]采用原位釋放法制備了褐藻膠凝膠，對比高G型和高M型褐藻膠的凝膠強度，發(fā)現(xiàn)高G型比高M型褐藻膠凝膠強度大，且二者凝膠強度的差值隨褐藻膠黏度的提高而減小，由其結果可見，黏度為400 mPa·s的高G型褐藻膠比高M型褐藻膠的凝膠強度高約50%，而黏度為800 mPa·s的高G型褐藻膠僅提高20%。

褐藻膠分子量越高，凝膠強度越高，分子量對高M型褐藻膠的凝膠強度影響更顯著。目前用于制備凝膠的褐藻膠黏度主要集中在800 mPa·s以下。羅陽等[14]發(fā)現(xiàn)在 400 mPa·s～800 mPa·s黏度范圍內，褐藻膠的凝膠強度隨分子量增加而提高，且分子量對高M型褐藻膠凝膠強度影響更顯著。由其結果可見，高M型的黏度為800 mPa·s的褐藻膠制備的凝膠比黏度為400 mPa·s褐藻膠的凝膠強度提高約44%，而高G型僅提高約14%。研究者認為高分子量的褐藻膠具有更長的分子鏈，與鈣離子結合更加緊密，所以凝膠強度更高。

1.2.1.2 制備條件的影響

文獻報道的兩種褐藻膠凝膠制備方法中，褐藻膠溶液濃度、鈣離子濃度、溶液pH值和膠化反應的溫度對褐藻膠的凝膠強度均有影響。

凝膠強度隨褐藻膠濃度或鈣離子濃度的增加而提高。王秀娟等[15]利用鈣離子擴散法制備褐藻膠凝膠，當氯化鈣濃度為3%時，在1%～3%的褐藻膠濃度范圍內，凝膠強度隨褐藻膠濃度的增加而提高，褐藻膠濃度為3%時的凝膠強度比濃度為1%時提高50%。許加超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當褐藻膠濃度一定時，在鈣離子與鈉離子摩爾比為0.5～3.0時，褐藻膠的凝膠強度隨鈣離子濃度增加而提高，對其研究結果分析可見，鈣離子與鈉離子摩爾比為3.0時，制備的凝膠強度約為摩爾比為1.0時凝膠強度的4倍。

在中性條件下制備的褐藻膠的凝膠強度最高。劉海燕等[16]將水溶液調節(jié)至不同pH值（2～12）后溶解褐藻膠，并加入成型劑（文中未給出成型劑的成分）制備凝膠，結果表明水溶液pH值調至6～8時制備的凝膠強度最大，其他pH值下凝膠強度基本為零。研究者認為，成型后的褐藻酸鈣凝膠在酸性條件下會和酸發(fā)生置換形成海藻酸鈣-海藻酸凝膠；在強堿條件下，鈉離子置換凝膠中的鈣離子。兩種情況下，凝膠強度均會變低。Zhao等[17]提出在酸性條件下凍融誘導可提高褐藻膠的凝膠強度，并且可以通過增加凍融次數(shù)使凝膠強度進一步提高。

制備凝膠時的膠化溫度會影響褐藻膠與鈣離子的結合程度，從而影響凝膠強度。王秀娟等[15]采用鈣離子擴散法制備褐藻膠凝膠，在20℃～80℃的溫度范圍內進行膠化反應，結果表明，60℃時制備的凝膠強度最高，比20℃時提高約24%，但進一步提高溫度會導致凝膠強度下降。與齊海萍等[18]的研究結果一致。研究者們認為原因在于溫度升高會使褐藻膠分子間鏈段更加舒展，利于與鈣離子的結合。但過高的溫度可能會造成褐藻膠分子中的G、M嵌段更易分開或導致褐藻膠降解，不易和鈣離子形成網(wǎng)絡結構，凝膠強度下降[15，18]。

1.2.1.3 復配體系

將褐藻膠與其他膠體復配是提高凝膠強度的重要方法之一。Khong等[19]的研究表明，與高G型褐藻膠相比，高M型褐藻膠與殼聚糖復配可以制備出強度更高的凝膠。劉鑫[10]將褐藻膠分別與魔芋膠、黃原膠、瓜兒豆膠、卡拉膠和結冷膠復配，發(fā)現(xiàn)中性線型多糖能提高褐藻膠的凝膠強度。在添加魔芋膠、卡拉膠或瓜兒豆膠為溶液總質量的1%～6%時，復配體系形成的凝膠強度均隨上述膠體添加量的增加而先提高后降低。當魔芋膠添加量為4%時復配體系形成的凝膠強度提高幅度最大，提高了330%；瓜爾豆膠添加量為4%時，達到該復配體系的最高值，提高了220%；在卡拉膠添加量為5%時，復配體系的凝膠強度最高，提高了約200%。

1.2.2 凝膠彈性

凝膠彈性表示凝膠在外力作用下發(fā)生形變，撤去外力作用時恢復原來狀態(tài)的能力，會影響食品的可塑性和口感。目前關于褐藻膠分子結構對凝膠彈性影響的報道較少，主要集中于制備條件對凝膠彈性的影響，主要包括褐藻膠濃度、鈣離子濃度、凝膠溫度、鈣鹽種類和膠體復配體系。

1.2.2.1 褐藻膠分子結構的影響

劉海燕等[20]將不同M/G值和分子量的褐藻膠溶解后加入成型劑制成凝膠，發(fā)現(xiàn)M/G=1.34比M/G=0.75的褐藻膠的凝膠彈性提高約17%。當褐藻膠M/G值相近時（M/G=1.32～1.35），其黏度為 200 mPa·s～700 mPa·s，褐藻膠黏度對凝膠彈性的影響不顯著。

1.2.2.2 制備條件的影響

褐藻膠的凝膠彈性隨褐藻膠溶液濃度的提高而降低。過菲等[21]等研究了褐藻膠的凝膠彈性在1%～4%的褐藻膠濃度范圍內的變化，結果表明凝膠彈性隨褐藻膠濃度的增加而降低，褐藻膠濃度為4%時凝膠彈性較1%濃度時降低約23%。與劉海燕等[20]的研究結果一致。原因可能在于，隨褐藻膠濃度的增加，分子間相互纏結形成的網(wǎng)狀結構越致密，網(wǎng)絡的結點增多，形成的凝膠剛性變大。

關于鈣離子濃度對凝膠彈性的影響，近年來報道的研究結果表現(xiàn)出了不同的規(guī)律。在褐藻膠濃度為2%的條件下，王秀娟等[15]用鈣離子擴散法制備凝膠，研究了氯化鈣在1%～8%時對凝膠彈性的影響，結果表明褐藻膠的凝膠彈性隨著氯化鈣濃度的增加而提高。而過菲等[21]用原位釋放法制備凝膠，發(fā)現(xiàn)在褐藻膠濃度為2%時，鈣鈉摩爾比為0.25～1.50時，凝膠彈性隨著鈣離子濃度的增加而降低，鈣鈉摩爾比為1.50時比鈣鈉摩爾比為0.25時制備的凝膠彈性低約14%。研究結果的差異可能是因為研究者試驗時選用的褐藻膠分子結構不同，也有可能是因為凝膠制備方法不同。

在20℃～80℃溫度范圍內，用鈣離子擴散法制備凝膠時，溫度對褐藻膠凝膠彈性的影響不大[15]，鈣鹽種類對凝膠彈性影響較大。陳明木等[22]選用氯化鈣、乳酸鈣、醋酸鈣、磷酸氫鈣、磷酸鈣和碳酸鈣6種鈣鹽作為交聯(lián)劑進行對比，發(fā)現(xiàn)用氯化鈣和乳酸鈣制備的凝膠彈性更好。

1.2.2.3 復配體系

1.2.3 凝膠硬度

凝膠硬度是指使凝膠達到一定變形程度所需要的力，是表征凝膠保持形狀的內部結合力，硬度的大小用于評價口感的堅硬或柔軟。凝膠硬度一般選用質構儀全質構分析（texture profile analysis，TPA）測試方法中第一壓縮周期內的最大壓力值，通常與抗撕裂強度對應[1]。目前關于褐藻膠凝膠硬度的研究主要涉及褐藻膠分子結構、褐藻膠溶液濃度、鈣離子濃度、鈣鹽種類、氯化鈣溶液pH值、膠化反應的溫度以及膠體復配對凝膠硬度的影響。

1.2.3.1 褐藻膠分子結構的影響

劉海燕等[20]研究發(fā)現(xiàn)M/G=0.75的褐藻膠比M/G=1.34的褐藻膠形成的凝膠硬度提高約55%。采用M/G值相近（M/G=1.32～1.35）但黏度不同的3種褐藻膠制備凝膠，發(fā)現(xiàn)凝膠硬度隨著褐藻膠黏度的增加而增大，由其結果可見，黏度為700 mPa·s的褐藻膠凝膠硬度比200 mPa·s提高了26%。

1.2.3.2 制備條件的影響

隨褐藻膠的濃度增加，凝膠硬度增大。劉海燕等[20]的研究表明，在1.0%～1.5%濃度范圍內，褐藻膠的凝膠硬度隨褐藻膠濃度增加而提高，褐藻膠濃度為1.5%時凝膠硬度約為濃度為1.0%時的1.5倍。與陳夢潔等[24]的研究結果一致。原因可能在于，隨褐藻膠濃度增加，其與鈣離子的結合位點增加，褐藻膠與鈣離子的交聯(lián)結構更加致密，抗撕裂強度增加，凝膠硬度增大。

陳夢潔等[24]用鈣離子擴散法制備褐藻膠凝膠，在1%～3%的氯化鈣濃度范圍內，凝膠硬度隨氯化鈣濃度增加而增大；而當氯化鈣濃度大于3%時，凝膠的硬度略有下降。李倩倩等[25]采用原位釋放法選用乳酸鈣、氯化鈣、碳酸鈣和硫酸鈣4種鈣鹽制備凝膠，發(fā)現(xiàn)溶解度最小的碳酸鈣作為交聯(lián)劑時制備的凝膠結構均勻，凝膠硬度最大，約為乳酸鈣的6.5倍。原因可能在于不同種類的鈣鹽在水中釋放鈣離子速度不同，影響其與褐藻膠分子間交聯(lián)反應的速度，鈣離子釋放速度過快將無法獲得結構良好的均勻凝膠，會對凝膠的硬度產(chǎn)生顯著的影響。

膠化溫度和氯化鈣溶液的pH值均會影響褐藻膠與鈣離子的結合，從而影響凝膠硬度。陳夢潔等[24]認為在20℃～80℃時，溫度升高會導致凝膠硬度降低，原因可能是溫度升高導致了褐藻膠分子中的G和M段分開，不易和鈣離子形成網(wǎng)絡結構；此外，在氯化鈣溶液pH值＜3時，凝膠硬度較低，可能是因為氫離子和鈣離子爭奪褐藻膠的羧基，導致了凝膠硬度的降低[26]。

1.2.3.3 復配體系

目前，在褐藻膠與其他膠體的相互作用方面，關于殼聚糖、結冷膠、低酯果膠和卡拉膠與褐藻膠形成的復配體系對褐藻膠凝膠硬度的影響研究較多。黃正華等[26]用鈣離子擴散法制備凝膠，通過單因素試驗研究了氯化鈣濃度（0.4 mol/L～0.6 mol/L）、褐藻膠與殼聚糖質量比（3∶1～19∶1）和 pH 值（6.0～7.0）對殼聚糖-褐藻膠凝膠硬度的影響，發(fā)現(xiàn)當氯化鈣濃度為0.6 mol/L，褐藻膠與殼聚糖質量比為19∶1，pH值為7.0時制備的凝膠硬度達到最大。結冷膠與褐藻膠的凝膠機理相似，復配后具有一定的協(xié)同作用，能提高凝膠的硬度[27]。李倩倩等[25]發(fā)現(xiàn)當褐藻膠濃度為1%時，褐藻膠與結冷膠的復配比例為10∶1（質量比）即可提高凝膠硬度，與對照組相比提高約15%。Belak-Cvitanovi等[23]的研究表明，當褐藻膠濃度為總膠體質量的80%時，卡拉膠、低酯果膠和殼聚糖與褐藻膠復配使用均能顯著提高褐藻膠的凝膠硬度，其中殼聚糖對凝膠硬度提高效果最為顯著，分別為對照的4.3倍、7.7倍和100倍。

1.3 凝膠的持水性

凝膠的持水性反映了凝膠對水分的保持能力，一般用持水率來表征，是凝膠性能的重要指標之一。在食品加工和儲存過程中，食品內部水分含量和水分分布狀態(tài)會影響食品的品質和食品的質構特性。關于褐藻膠凝膠持水性的研究主要集中在褐藻膠分子結構和凝膠制備條件對持水性的影響，而通過復配體系來提高褐藻膠凝膠的持水性的報道較少。

1.3.1 褐藻膠分子結構的影響

褐藻膠凝膠的持水率隨分子量增加而增大。王偉[28]的研究表明高分子量的褐藻膠對凝膠持水性的改善效果更加明顯，當褐藻膠添加量為0.75%時，高黏度的褐藻膠能將褐藻膠的凝膠持水性提高約15%。與姚靜[29]的研究結果一致。

褐藻膠G嵌段在與鈣離子交聯(lián)時，形成一個“蛋殼”結構，水不易滲透到內部，因此褐藻膠G含量越高，持水能力越差。陳利梅等[30]研究表明褐藻膠M/G值越大，制備的凝膠持水力越強，M/G值為3.95比M/G值為2.26的褐藻膠凝膠的持水率高13%。

1.3.2 制備條件的影響

褐藻膠凝膠的持水率隨褐藻膠濃度的增大而提高，隨氯化鈣濃度的增加而降低。王秀娟等[15]的研究表明，在1%～3%的褐藻膠濃度范圍內，當褐藻膠濃度為3%時，凝膠持水率可達66.64%，約為1%濃度時的3倍。研究者認為原因在于，褐藻膠濃度增大時有充足的褐藻膠與鈣離子發(fā)生離子交換，形成的凝膠空間網(wǎng)絡結構致密，且褐藻膠分子間的相互作用加強，持水能力增強。反之，在1%～8%的氯化鈣濃度范圍內，當氯化鈣濃度為8%時，凝膠持水率僅有29.08%，比1%濃度時降低了37%。

溫度對褐藻膠凝膠的持水性影響不大[15]，溶解用水溶液的pH值對褐藻膠凝膠的持水性影響顯著。劉海燕等[16]將水溶液調節(jié)至不同pH值（2～12）溶解褐藻膠并制備凝膠，結果表明當溶液pH值為2時，形成的凝膠出水率較高，約16%；pH值為4～9時出水率在4%左右，pH值為11時沒有出水，但是凝膠強度特別低，僅為在pH值為4～9時強度的20%。

1.3.3 復配體系

目前，關于通過復配體系來提高凝膠持水性的報道相對較少。張慧旻等[27]研究表明當褐藻膠濃度為0.5%時，添加0.25%～0.75%的黃原膠能提高褐藻膠凝膠的保水性，但提高效果不顯著。此外，研究表明，添加甘油能夠提高凝膠的持水性能，但過量添加會降低凝膠的強度和彈性[15，31]。

2 褐藻膠在食品中的應用

利用褐藻膠的凝膠特性，將其作為膠凝劑、質地改良劑和保水劑等，在食品加工及保藏中得到廣泛的應用。

2.1 膠凝劑

褐藻膠遇鈣生成凝膠，當褐藻膠和鈣離子濃度達到合適比例時可作為膠凝劑制得外觀透明、有彈性、強度適中且口感較好的仿生食品[2]，例如人造海蜇、仿生魚翅、褐藻涼粉、人造水果等。臧汝瑛等[2]選用黏度為370 mPa·s的褐藻膠與明膠按2.5∶1的質量比復配，膠體濃度為1.5%，pH值為6，氯化鈣溶液濃度為1.0%，固化時間為20 min時制出的仿生魚翅透明、有彈性、且耐熱性好。

2.2 質地改良劑

由于褐藻膠與鈣離子能夠生成凝膠，或與蛋白之間通過靜電作用、氫鍵以及共價鍵連接形成致密的三維網(wǎng)狀結構，在食品中單獨添加褐藻膠或褐藻膠與鈣共同使用可以有效改善食品的質構特性。范素琴等[32]認為褐藻膠與鈣共同使用能夠改變肉制品的彈性，但使用量并不是越多越好，添加時需要根據(jù)食品需求對用量進行優(yōu)化。王偉[28]的研究表明，添加0.25%～0.50%低黏度或者中黏度的褐藻膠能將豬肉糜凝膠硬度提高約15%。在制作凝膠軟糖中褐藻膠能改善軟糖的硬度和彈性[3]，此外褐藻膠還能夠促進面筋網(wǎng)絡的形成，增加面制品的彈性，防止冷凍面制品表皮開裂[33]。

2.3 保水劑

褐藻膠含有豐富的親水基團——羥基和羰基，可以通過氫鍵作用與水分子結合束縛大量的水分。此外，褐藻膠與鈣離子形成的三維網(wǎng)絡結構會將水分截留，常被制作成天然環(huán)保的可食性膜，將其用于水果保鮮或作為保水劑能夠提高肉制品的持水率。江敏等[34]研究表明，褐藻膠能減弱芒果呼吸強度，降低水分蒸發(fā)，對芒果具有良好的保鮮作用。此外，張慧旻等[27]研究表明，當褐藻膠單獨使用時，1%～2%的添加量能將低酯豬肉糜的持水性由96%提升至99%。耿建暖[4]通過正交試驗發(fā)現(xiàn)，與卡拉膠、果膠、明膠和瓊脂相比，添加褐藻膠的豬肉制品的持水效果最優(yōu)，當褐藻膠添加量為0.2%時，豬肉的持水率達到最高，比對照組持水率提高約10%。

3 總結

褐藻膠作為膠凝劑用于仿生食品能賦予其良好的形態(tài)和口感、作為組織改良劑用于面粉制品和肉制品等方面可以改善產(chǎn)品的質構，作為保水劑用于果蔬、水產(chǎn)品和各種肉糜制品能使水果蔬菜保鮮或提高水產(chǎn)及肉制品的持水性。然而，目前關于褐藻膠分子量和分子量分布對褐藻膠凝膠特性的影響的研究還比較缺乏，需系統(tǒng)的深入研究。此外，在褐藻膠凝膠特性方面，還可以開展食品的質構特性和褐藻膠的凝膠特性間相關性的研究，不斷完善褐藻膠應用于食品工業(yè)的規(guī)格劃分和選型的評價體系，促進新型食品的開發(fā)，同時，推動褐藻膠工業(yè)的發(fā)展。