凝結多糖

凝結多糖(curdlan，多糖Fs一140)，又稱凝結膠、凝膠多糖、熱凝膠，是由微生物產生的，以β一(1→3)一糖苷鍵構成的水不溶性葡聚糖，是一類將其懸濁液加熱后，既能形成硬而有彈性的熱不可逆性凝膠，又能形成熱可逆性凝膠的多糖類的總稱。它是由日本大阪大學原田教授等人在1964年從土壤中分離出來的一種名為Alcaligenesfacealis var．myxogenes(10C3)的細菌產生的(後來發現Agrobacte―rium屬的許多保存菌株都可以產生該多糖)。凝結多糖有許多特殊性質，該糖可形成熱不可逆凝膠，具有食用和多種工業用途。1989年，日韓開始用它作食品膠。美國FDA於1996年准許將其作為食品的穩定劑、增稠劑用於食品配料中。凝結多糖因此成為繼黃原膠、結冷膠之後第三個經FDA批准的發酵生產的食品用多糖，這為凝結多糖的進一步推廣應用提供了更為廣闊的空問。凝結多糖的應用與食品開發也達到了一個新的水平。日本、加拿大等國已有生產，在日本和我國台灣已被開發應用於許多食品中。目前，我國江蘇省食品發酵研究所採用微生物發酵法生產凝結多糖的工藝已基本完成工業性的試驗，正致力於實際工業化生產的前期準備工作。

凝結多糖完全由D-葡萄糖殘基經β一葡萄糖苷鍵在(C-1和C-3連接形成線性的β-(1→3)-葡聚糖。分子式為(C6H10O5)。，n通常為250以上，其分子量約44000～100000，無支鏈結構。它的一級結構(圖1)是個長鏈。凝結多糖由於分子內部的相互作用與分子間氫鍵的結合可形成更為複雜的三級結構。X射線衍射分析發現，凝結多糖具有β一三股螺旋結構。凝結多糖在加熱成高強度膠時，是右手6疊3股螺旋體，能形成穩定的硬棒結構。

凝結多糖不溶於水及許多有機溶劑，但可溶解於鹼液、蟻酸、二甲基亞碸，通常易溶於能破壞氫鍵的物質的水溶液中。其紅外吸收光譜顯示出β一鍵的特徵，在波數890cm-1處有吸收峰。凝結多糖易於被剛果紅和苯胺藍染色而不被甲苯胺藍和次甲基藍染色，染色性穩定，其染色性與凝結多糖濃度和聚合度成比例。凝結多糖具有觸變體性質，將其水懸濁液緩慢加熱，其黏度在54℃附近急劇上升，62℃附近達到一定，在78℃前後再一次升高，且黏度隨溫度上升而升高。凝結多糖是一種不被人體消化、不產生熱量的一種極其安全的多糖類添加劑，毒性實驗經口投入109/kg的凝結多糖未發現異常現象。

凝結多糖的懸浮液經加熱可形成無色、無味道、無氣味的凝膠，它不同於一般的膠凝劑，除加熱外，還需要其他條件使之形成凝膠(如加熱后冷卻，ca計的存在，或特定的pH和蔗糖濃度)。凝結多糖這種獨特的凝膠特性，使它在食品工業中具有特殊用途。

凝膠的形成

凝結多糖根據加熱的溫度不同可形成兩種不同性質的凝膠。將其水分散液(2%以上)加熱到54～80℃，然後降溫到40℃，可形成一種熱可逆的低強度凝膠，重新加熱到70℃，膠會再溶解，這一性質類似瓊脂。如果將凝結多糖加熱到80℃以上(80～130℃)幾分鐘，即形成一種熱不可逆的高強度凝膠，冷卻到室溫后重新加熱也不會溶解。形成的熱不可逆凝膠室溫下質感較脆硬，加熱蒸煮時硬度下降，彈性不會下降，久煮不會溶解或軟爛。

影響凝膠強度因素

a．濃度對凝結多糖凝膠強度有一定影響

隨著凝結多糖濃度的增加，其強度升高，從大約3%時開始，凝膠強度急劇上升，高於同濃度下瓊脂的強度，其凝膠性質介於瓊脂的脆性和明膠的延展性之問。

b．酸鹼度對凝膠強度的影響

凝結多糖對酸鹼度的適應性很強，在pH2～10範圍內都具有良好的凝膠形成性。

c．無機鹽對凝膠強度的影響各種無機鹽類對凝結多糖的凝膠強度幾乎無影響，但Na2B407可顯著增強凝膠強度。

凝膠的性質

凝結多糖凝膠在冷凍和解凍下均能保持穩定，這一特性使它在眾多的膠凝劑中脫穎而出。yukihiro Nakao等人研究表明，將多糖凝膠置於4℃下保藏20h對凝膠強度無影響，將凝結多糖、瓊脂、卡拉膠經冷凍(一40℃)解

凍處理后，凝結多糖的凝膠強度變化甚微，而瓊脂、卡拉膠的凝膠強度分別為1/10和1/5左右，且凝膠塊變成海綿狀質構，解凍后失水。

凝結多糖凝膠具有極強的包油性，將3%凝結多糖和各種濃度的玉米油混合液均質后，在95℃、10min加熱時，隨著含油量的增加，其凝膠強度和脫水率均減少。當含油量達到24%時，凝膠在生成過程和生成后仍不發生油分離。將含油凝膠夾在兩板間壓榨，僅能除去部分水分，油仍殘留在乾燥物中，含量可達85%，並且此乾燥物質吸水而恢復凝膠狀態。另外，β一蒎烯、沉香醇等樟腦類物質和脂溶性維生素都可以包含於凝結多糖凝膠，都可以得到去除水后的乾燥物，而這些疏水性物質並不受到損失。

將凝結多糖的非加熱凝膠進行壓榨去除水分，可以得到乾燥薄片，這種薄片易吸水膨脹形成再生凝膠，利用此性質可以製得各種可食性薄片和速食果凍。將含有15%凝結多糖的NaOH水溶液，用制膜設備擠出到酸性溶劑中可以製得凝膠狀薄膜，並可對其進行乾燥調製等。這種薄膜呈透明狀，在熱水中易膨脹但不溶，其強度是纖維素薄膜的1/3～1/4。因此適宜於作為各種食品用薄膜。

菌種

1965年日本0saka大學的TokuyaHarad等從土壤中分離出10C3，並發現此菌株產一種胞外琥珀酸葡聚糖，這種葡聚糖的發酵液的黏度很大，且這種多糖加熱到100℃時形成凝膠，並確定了它普遍適用的培養基成分。1966年，TokuyaHarada等人又發現了10C3的自發突變株(10C3K)，它不同於親株產琥珀酸

葡聚糖，而是產生一種不溶的胞外多糖，這種多糖完全由D一葡萄糖殘基經β一葡萄糖苷鍵在C一1和C一3連接形成線性的β一(1―3)葡聚糖，此後，發現此多糖能被靛藍專一性染色。1983年加拿大多倫多大學的Lawford和Phillips等人在對ATCC21680限氮連續培養中得到一株高產的自發突變菌株ATCC31749。

生產凝結多糖的菌株的典型世系如圖2

國內，何國慶等從稻田土壤中分離篩選出數株產鹼桿菌菌株，並對其進行了γ射線輻照與硝基胍誘變處理，獲取了一株多糖產量高、性能好的凝結多糖生產菌株C125。他們又利用60上標Coγ射線對產生凝結多出發菌株GM24的菌體細胞與原生質體分別進行輻照處理，發現60C07射線對GM24原生質體的誘變效應明顯優於對其菌體細胞的作用。

凝結多糖發酵培養基

葡萄糖是製備凝結多糖的最佳碳源。蔗糖和玉米澱粉是凝結多糖工業化生產中的最佳選擇材料。凝結多糖是一種次級代謝產物，在菌體生長的穩定期合成，氮源的相對不足有利於它的大量合成。在某種簡單的特定培養基中，維持pH中性，高濃度的碳源可轉化為高產量(50%)的凝結多糖；在僅含D一葡萄糖和碳酸鈣，無氮源的培養基中，細胞懸浮液也可合成凝結多糖。產生的凝結多糖可利用它的水不溶性加以分離。根據經驗，較為理想的成分配比為：葡萄糖50.0g，酵母粉8.0g，K2HP04 0.1g，(NH4)2HPO4 0.8g，MgS04 0．3g，檸檬酸鉀0.3g，FeCl3O 0.25g，pH自然。

製備工藝

由胞外多糖(EPS)圍繞細胞以黏性聚合物形式形成網狀結構。因此在凝結多糖的生產過程中，難以將胞外多糖與細胞分離，即使大量稀釋也很難分離。提取過程如圖三

在食品行業應用

凝膠多糖由於其良好的加工適應性如保水性、耐冷凍性、耐熱性、粘結性和成膜性等功能而被廣泛地應用於食品工業各個領域。各種適用於不同食品的特殊製劑已得到開發應用。凝膠多糖既可以作為食品添加劑又可作為食品主成分應用到食品中。

1.1在肉製品中的應用

凝膠多糖在50～60℃的水分吸收率最大，這一性質使它適於應用在肉製品中。在肉類加工中，凝膠多糖能改善香腸和火腿的持水性，在漢堡包中加入0.2～1%的凝膠多糖，烹調后形成鬆軟、多汁和高產量的漢堡包。另外，利用其薄膜形成性，在漢堡包、炸雞等表面覆膜，使燒烤過程中產品的重量損失降低，肉汁多而且口感香滑柔軟。其覆膜方法是將5%凝膠多糖、0.5%澱粉、94.5%水混合分散均勻，將被覆食品在其中浸漬5～15s，取出后在125～130℃油浴中加熱30～40s，去油冷卻，然後急速冷凍或冷藏，調理時可再行加熱烘烤或油炸。

1.2在面製品中的應用

凝膠多糖應用於中華面、蕎麥麵、切面時，可以增強面製品麵條的硬度、彈性、粘度等，改善口感、抑制熱水溶脹、減少煮爛、減輕湯汁混蝕。使用量為小麥粉的0.3～1%，常用量0.4%。調製時先將凝膠多糖與小麥粉混合均勻，再與其它原料混合均勻制面。豆腐是日本和中國的傳統食品，它具有柔軟的質構，將4%的凝膠多糖與豆腐凝固劑混合使用於豆乳中，擠壓加熱可製得豆腐面，賦予它不同的質構，並且還可將豆腐進行高溫消毒，也可冷藏。

1.3在水產製品中的應用

凝膠多糖用於水產製品，如魚肉糕、油炸魚肉糕、魚肉圓、冷凍魚肉糜等，可以增強製品彈性、有咬頭，同時使其硬度增加便於成型操作。使用量一般為魚肉糜量0.7%。使用時先將凝膠多糖調製成低強度凝膠，再加入魚肉糜中。

1.4在烘烤製品中的應用

利用凝膠多糖的保濕保鮮和保型特點，也可將其添加到糕點如蛋糕、乳酪餅等中。加工時外觀不凹陷，加工后保濕性良好，即使進行冷藏也不會產生老化發沙現象，使用量一般0.1～0.4%。凝膠多糖用於麵包、餡餅的流動性餡心，由於膠凝作用可使其保持適當的形狀，便於操作。改變其添加量可對其硬度和保型性進行調節。如蜂蜜、奶油、沙司類風味餡心，使用量一般為2～5%。

1.5在冷凍製品中的應用

凝膠多糖作為穩定劑應用於冰淇淋可提高其保型性。將凝膠多糖與其它穩定劑合用效果最好。使用量一般為0.2～0.3%。一種冰淇淋的配方和操作要點如下：全脂煉乳12、脫脂乳粉8.0、無鹽奶油15.5、砂糖3.0、飴糖5.0、蛋黃1.0、乳化劑（OM）0.2、香料（香蘭素）0.1、水55、凝膠多糖0.2。先將其混合后熱處理達85℃，均質（100MPa）

1.6在其它製品中的應用

凝膠多糖用於草莓醬、蜂蜜和蛋黃醬等粘稠而不易操作的風味物，可以製作草莓片、蜂蜜片和蛋黃醬片等，這些薄片可以直接作為風味小食品食用，也可以用於夾心、夾餡、卷壽司芯等。蔬菜、水果、肉類製品都可以用凝膠多糖製成薄片狀食品。這些食品可進行冷凍保存，並且在使用時加熱也不溶化。凝膠多糖作為生產素食香腸的關鍵組分，使這種香腸具有全脂香腸的質構味道和口感。它還可代替乾酪製品中的脂肪防止酸乳酪和低脂酸性稀奶油的脫水收縮。大多數乳加工的巴氏殺菌溫度對凝膠多糖的凝膠是合適的。還可將凝膠多糖用於製作綠茶風味的果凍，這種果凍可冷凍保藏，食用前以微波加熱。凝膠多糖含膳食纖維98.6%，可用作低熱、減肥、防止便秘等的功能性食品配料，生產保健食品。

在化工工業應用

化工中所用的凝膠柱的填充料一般為葡聚糖。已經有科學家研究了用凝結多糖代替葡聚糖作為柱中的填料，並取得了較好的分離效果。目前，國外已開始生產用於此用途的凝結多糖。凝結多糖和活性炭製備的混合料可以有效地去除中草藥中的重金屬元素，對於傳統中藥開發尤為有利；而在化妝品工業中作為增稠劑、懸浮劑、穩定劑、保濕劑以及流變性改進劑也很有效，因而可應用於各種類型的化妝品中。

凝膠多糖是一種新的微生物多糖，具有很多獨特的功能。自1997年美國的衛生組織批准凝膠多糖作為食品添加劑以來，凝膠多糖的功能性質在食品工業得到淋漓盡致的體現，而且應用範圍不斷地擴大。除應用於食品工業外，最近有科學家研究了用凝膠多糖代替葡聚糖作為柱中的填料應用於化工行業，取得了較好的分離效果。

目前國外已開始生產用於此用途的凝膠多糖。在化妝品工業中凝膠多糖作為增稠劑、懸浮劑、穩定劑、保濕劑以及流變性改進劑也很有效，因而可應用於各種類型的化妝品中。據專家分析，凝膠多糖的需求將以30%的速度增長，世界形勢處於供不應求的狀態。而我國對凝膠多糖的研究還處在認識階段，離工業化生產還有很長的一段距離，因此加快對凝膠多糖的開發對調整我國的農村產業結構、提高農產品的附加值、增加農民收入有重要作用。