明膠的凝膠化及凝膠強(qiáng)度的影響因素研究

★　熊丹丹　易敏之　熊恩智　江東龍　林躍松　朱麗朋 　(江西中醫(yī)藥大學(xué)　南昌 330004)

明膠的凝膠化及凝膠強(qiáng)度的影響因素研究

★熊丹丹易敏之熊恩智江東龍林躍松朱麗朋 (江西中醫(yī)藥大學(xué)南昌 330004)

摘要：文章就明膠的凝膠化和凝凍強(qiáng)度的影響因素等方面進(jìn)行了綜述，為明膠凝膠化作用的研究和開發(fā)利用提供了文獻(xiàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：明膠；凝膠化；凝凍強(qiáng)度；影響因素

明膠是從生物體內(nèi)提取出來的膠原蛋白，再經(jīng)過酸或者堿，或酶的水解，提純而獲得的親水性膠原蛋白肽，分子量約為1.5～25萬D[1-2]。溫度高于熔點(diǎn)時(shí)，具有黏性；溫度低于熔點(diǎn)時(shí)，發(fā)生凝膠化作用，產(chǎn)生凝凍強(qiáng)度，并在0～30℃發(fā)生可逆性轉(zhuǎn)變。明膠及其凝膠化的特性在食品、醫(yī)藥和工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的用途。本文主要概述了明膠凝膠化的過程、機(jī)理及影響因素和凝凍強(qiáng)度的影響因素兩部分內(nèi)容。

1明膠凝膠化

1.1凝膠化過程及其機(jī)理明膠溶液在一定的濃度下，降低到凍點(diǎn)以下時(shí)，會(huì)形成凝膠，這是明膠大分子間作用力變化的結(jié)果。

明膠的凝膠化有三個(gè)階段[3]，第一階段是明膠分子鏈的復(fù)性，溫度的降低使分子鏈之間氫鍵、范德華力等形成，分子鏈上獨(dú)特的氨基酸序列(甘氨酸-脯氨酸-羥基脯氨酸)交聯(lián)產(chǎn)生類膠原螺旋體。此氨基酸序列在明膠凝膠化中起著重要作用[4-7]。

第二階段是類膠原螺旋體相互結(jié)合成聚集體，它也導(dǎo)致體系的粘度會(huì)增加。

第三階段聚集體之間聯(lián)接成尺寸相當(dāng)大的網(wǎng)絡(luò)，這一過程也叫做“成熟”，或者“老化”。穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使分子不能活動(dòng)，水分子的流動(dòng)性也下降，而分子鏈上的極性集團(tuán)又牢固的吸附大量水分子，水分子充滿在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間，成為堅(jiān)韌，富有彈性的膠凍，明膠溶液轉(zhuǎn)變成了凝膠。

1.2凝膠化過程的影響因素在明膠凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的形成與穩(wěn)定中, 由不同類型的鍵合參與其中: 氫鍵和極性基團(tuán)間的靜電相互作用力; 氨基酸殘基非極性側(cè)基團(tuán)間的疏水性相互作用力。在這里, 離子型基團(tuán)間的相互作用力不是主要的。在高濃度明膠(30%～50%) 中,疏水性相互作用力是很強(qiáng)烈的[3]。利用熒光法[8]可以知道凝膠化過程中，氫鍵數(shù)目是增多的。

劉小玲[9]在研究雞骨明膠的凝膠化時(shí)，利用差示掃描量熱儀測(cè)定出雞骨明膠的熔化溫度在 30～35℃之間，并隨濃度的增加而提高。雞骨明膠的膠凝溫度為22 ℃左右，比熔化溫度低，且基本不受濃度影響，并推測(cè)明膠形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在著類似膠原三股螺旋的交聯(lián)點(diǎn)和兩根鏈通過氫鍵形成的兩股螺旋交聯(lián)點(diǎn)。雞骨明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)點(diǎn)(區(qū))為三股螺旋結(jié)構(gòu)。

2凝膠強(qiáng)度及其影響因素

凝膠強(qiáng)度，也叫凍力，簡單的來說，就是明膠溶液經(jīng)過冷卻形成凝膠后能夠承受的壓力。它是明膠溶液內(nèi)部氨基酸序列，分子量大小及分布，分子鏈交聯(lián)鍵合方式等的表征，也是評(píng)價(jià)明膠質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。凝凍強(qiáng)度受到很多因素的影響，總結(jié)起來有以下幾點(diǎn)。

2.1原料絕大多數(shù)明膠工廠用的原料是動(dòng)物的皮和骨。汪宗瑩[10]在比較皮明膠和骨明膠凝凍性質(zhì)不同時(shí)發(fā)現(xiàn)，骨膠的凍力比驢、豬、牛皮膠要大。這可能是因?yàn)榘被嵝蛄械牟煌斐傻摹Ｉ唐肥袌?chǎng)上通常選用成年動(dòng)物為原料，是因?yàn)槌赡陝?dòng)物體內(nèi)膠原分子交聯(lián)鍵更多，利用分離分析技術(shù)，幼年動(dòng)物為原料生產(chǎn)出的明膠α組分較少[11]。

2.2提取工藝

2.2.1預(yù)處理明膠按照預(yù)處理工藝可以劃分為3類：酸法明膠，也叫 A 型明膠，是指膠原在酸性條件下預(yù)處理，在酸性條件下提膠；堿法明膠，也是B 型明膠，膠原在石灰乳中預(yù)處理，在中性條件下提膠；酶法明膠也就是E 型明膠，工藝是膠原在酶液中預(yù)處理，在中性條件下提膠。

通常，酸法適用于皮原料，堿法適于骨原料，酶法工藝對(duì)兩種原料均適用。三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：酸法反應(yīng)劇烈，效率高；堿法時(shí)間長，明膠質(zhì)量較好；酶法價(jià)格昂貴，但是明膠質(zhì)量在三者中是最好的，且環(huán)境污染少。

張兵[1]比較了三種明膠凝膠特性的差異，發(fā)現(xiàn)A 型明膠凝膠強(qiáng)度為223 bloom g，B型明膠235 bloom g，E型明膠347 bloom g。酶法制備的明膠質(zhì)量遠(yuǎn)高于其他兩種處理方法。通過聚丙烯酰胺凝膠電泳( SDS-PAGE)結(jié)果表明，A 型明膠各組分的分子量非常分散，沒有集中的分布。B 型明膠和E 型明膠均包含較強(qiáng)的α1、α2、β分峰及弱的γ組分峰，并推測(cè)酶法明膠分子量6.4×104g/moL組分對(duì)于明膠的凍力也具有貢獻(xiàn)。明膠的降解中α鏈被切斷，對(duì)凝凍強(qiáng)度的提高是不利的。史京京[2]也發(fā)現(xiàn)明膠的凝凍強(qiáng)度與α組分(α1，α2)存在著線性關(guān)系。

酶法制備明膠已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)展到了明膠制備工藝中來了。到目前為止, 雖然還沒有大規(guī)模應(yīng)用于明膠生產(chǎn)中, 但其潛在的生產(chǎn)周期短、設(shè)備易于控制及環(huán)境污染少等優(yōu)勢(shì)正逐漸顯現(xiàn)出來[12]。

2.2.2溫度凍力受提取溫度的影響非常顯著。張業(yè)聰[13]利用美國豬原皮廢邊料來研究各個(gè)因素對(duì)明膠凍力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，提取溫度相對(duì)于提取時(shí)間與溶劑pH影響是最大的。隨著溫度的升高，膠液的凍力是先升高后下降的，強(qiáng)度下降幅度隨著溫度的升高而增高[14]。開始時(shí)膠原蛋白三重螺旋體發(fā)生裂解轉(zhuǎn)變成游離伸展的肽鏈，但是隨著溫度達(dá)到明膠的變性溫度，分子鏈之間的結(jié)合力如氫鍵，肽鍵會(huì)斷裂，螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)消失，明膠分子降解成了多肽小分子。

朱欣星[15]的研究也證明了這一點(diǎn)：三股螺旋結(jié)構(gòu)因高溫處理受到破壞。在掃描電鏡觀察下，高溫制備的凝膠結(jié)構(gòu)排列無規(guī)則且具有大量孔洞[16]。

這是因?yàn)橛捎谔崛l件的不同，熱水提取法制備膠原蛋白會(huì)導(dǎo)致膠原蛋白分子在不同程度上的水解[17]。膠原蛋白分子中的一部分α鏈及低聚體會(huì)在適度的水解過程中釋放出來形成氫鍵，有利于分子的聚集和凝膠交聯(lián)的形成。但隨著提取溫度的升高和提取過程的繼續(xù)進(jìn)行，蛋白分子水解加劇。由于α鏈的過度降解，凝膠在陳化過程中無法形成有序交聯(lián)，從而導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度的下降。

2.2.3濃度明膠凝膠強(qiáng)度隨明膠濃度的增加而增強(qiáng)[18]；升高濃度時(shí)，同一體積的膠液中肽鏈分子增多，分子之間發(fā)生的碰撞相應(yīng)的增多。最后形成的凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也更完整，形成凝膠時(shí)間也會(huì)縮短。隨著提膠倒數(shù)的遞增，相同濃度膠凍得凝膠強(qiáng)度逐漸下降，濃度對(duì)凝凍強(qiáng)度的影響也依次減小[19]。

2.2.4pHpH值影響明膠的凝膠強(qiáng)度，隨著pH的升高，強(qiáng)度發(fā)生不同變化。在pH值1～14的區(qū)間中凝膠強(qiáng)度曲線成馬鞍狀。在pH值過酸[21]和pH值過堿時(shí)明膠溶液不能成膠。在pH值為2和10時(shí)凝膠強(qiáng)度達(dá)到最大，而在pH值3～9范圍內(nèi)曲線則較平穩(wěn)。這是因?yàn)槊髂z處于強(qiáng)酸性或者強(qiáng)堿性環(huán)境時(shí)，明膠會(huì)發(fā)生降解成小分子肽，凝凍時(shí)不能形成有序的交聯(lián)，因而不能成凍。而pH值為3～9范圍內(nèi)沒有最高點(diǎn)是因?yàn)槊髂z的等電點(diǎn)在4.5左右，越接近等電點(diǎn)，明膠中的靜電荷越少，分子間越不容易發(fā)生作用[18]。

2.2.5離子強(qiáng)度利用自來水提取出來的膠液凝膠強(qiáng)度低于用蒸餾水制備的[21]。加入氯化鈉后凝膠強(qiáng)度減小，可能是氯化鈉中和了明膠所帶的電荷，使明膠分子間的斥力減小，分子鏈不能完全展開，導(dǎo)致明膠的凝膠強(qiáng)度下降。明膠的凝膠強(qiáng)度隨隨氯化鈣濃度增大而增大，造成這種現(xiàn)象的主要原因是二價(jià)鈣離子可以使蛋白質(zhì)中相鄰的多肽鏈之間形成交聯(lián)的鈣橋從而增強(qiáng)其凝膠強(qiáng)度[18]。

2.2.6提取時(shí)間雖然蛋白質(zhì)總量在一定時(shí)間內(nèi)隨著提取時(shí)間的提高而有所增加，但是凝凍強(qiáng)度卻是一直下降，下降幅度并沒有溫度影響強(qiáng)度的幅度大[16]。

2.3測(cè)試方法使用凍力儀測(cè)定凝膠強(qiáng)度，它有3種測(cè)定方法：絕對(duì)干膠法，商品膠法和相對(duì)干膠法。《食用明膠與工業(yè)膠》QB581-81標(biāo)準(zhǔn)采用絕對(duì)干膠法,稱取的明膠重量是不把明膠中的含水量計(jì)算在內(nèi)的，是去除水分的純品膠量。《食用添加劑明膠》GB6783-86改為商品膠法，即直接稱取商品明膠,配成6.67%濃度測(cè)定凍力，不考慮明膠水分對(duì)凍力的影響。《食品添加劑明膠》GB6783-94標(biāo)準(zhǔn)凍力測(cè)定采用以明膠水分12%為基數(shù)，配成6.67%濃度測(cè)定凍力，這就是相對(duì)干膠法。

表1　3種不同方法的凍力值　g

如表1，不同的測(cè)試方法對(duì)凝凍強(qiáng)度測(cè)試值也有影響。絕對(duì)絕對(duì)干膠法不受水分的影響。商品膠法與相對(duì)干膠法測(cè)試凝膠強(qiáng)度時(shí)會(huì)受到水分的影響。當(dāng)樣品含水量約在11.5%～13.6%時(shí)，兩種方法的測(cè)定值是相接近的。而當(dāng)樣品的含水量較大或較小時(shí)，兩種方法的測(cè)定值都會(huì)有偏差[20]。

在實(shí)際應(yīng)用上，應(yīng)用商品膠法快速，但要控制水分在12%左右。但是在作為分析方法來說，要考慮科學(xué)性，必須要考慮到水分的影響，所以絕對(duì)干膠法和相對(duì)干膠法都是可行的。從上個(gè)世紀(jì)90年代初起，為了產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，如照相明膠，藥用明膠，食用明膠，工業(yè)明膠等標(biāo)準(zhǔn)上都統(tǒng)一為相對(duì)干膠法，并控制水分小于等于14%。

2.4多糖當(dāng)蔗糖濃度低于1%時(shí)，明膠的凝膠強(qiáng)度隨蔗糖濃度增加而增加，當(dāng)蔗糖濃度高于1%時(shí)，明膠的凝膠度隨濃度的增高而下降。蔗糖與明膠分子產(chǎn)生交聯(lián)鍵爭(zhēng)奪了明膠分子之間的交聯(lián)鍵。添加卡拉膠、CMC或海藻酸鈉等多糖能改善明膠的凝膠特性，提高其凝膠強(qiáng)度。果膠、瓜兒膠、魔芋膠、瓊脂、羅望子膠、黃原膠與明膠復(fù)配后都不能成膠。原因可能是這些多糖與明膠之間沒有發(fā)生相互作用，所以不能形成凝膠[18]。

3討論

不論采用哪種生產(chǎn)方法，欲想制得凍力理想的明膠，則在具體生產(chǎn)工藝操作中，要做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，控制好膠層的水解，使制得的明膠所含次級(jí)水解產(chǎn)物愈少愈好，明膠所含雜質(zhì)越少越好。明膠愈純，則凍力也相應(yīng)地高。在具體的工藝操作中，要控制好系統(tǒng)的值、溫度、濃度。把主要的工藝參數(shù)控制好，再加上技術(shù)措施，生產(chǎn)所得明膠的凍力就會(huì)在原有的基礎(chǔ)上得到提高。

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Gelation of Gelatin and Influencing Factors of Gel Strength

XIONG Dan-dan, YI Min-zhi, XIONG En-zhi, JIANG Dong-long, LIN Yue-song, ZHU Li-peng

JiangxiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Nanchang330004,China.

Abstract:This article summarizes gelation of gelatin and influencing factors of gel strength,which provides a literature basis for the further researches and the development of gelation of gelatin.

Key words:Gelatin;Gelation;gel strength;influencing factors.

收稿日期：(2014-05-13)編輯：曾文雪

中圖分類號(hào)：TS201.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A