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高酰基結冷膠
高酰基結冷膠

高酰基結冷膠(HA),又稱天然結冷膠或未堿處理結冷膠,經少動鞘脂單胞菌發酵后未經脫酰基處理所得,呈類白色的干燥可自由流動的粉末,在熱水中溶解,具有耐酸、持水性佳、對果漿和不溶性成分具有極佳的懸浮穩定性、與其它親水膠體配伍好等特性。高酰基結冷膠可產生柔軟、富有彈性和不具有脆性的凝膠,可按一定比例混合使用、或結合其他膠體復配使用,可生產出各種各樣食品。

高酰基結冷膠有良好的結構復原特性,在豆奶、牛奶酸乳、酸奶及巧克力奶制品有優良應用特性,用于焙烤奶制品食品餡可增香料作用及有固定作用,用于果醬中可使果醬直接用溫開水沖調而使體系保持懸浮穩定,用于面點中可增加面制品的彈性、韌性,減少斷條,改善口感,使口感更加爽口勁道,用于蛋糕、奶酪等甜食中可以達到保濕、保鮮、保型的效果,另外,高酰基結冷膠也可應用于冷飲、肉制品等食品中。

高酰基結冷膠基本參數

產品名稱高酰基結冷膠產品別名天然結冷膠、未堿處理結冷膠
英文名稱High Acyl Gellan Gum性狀類白色粉末
粒度(%)80目≥98溶解性熱水中溶解
凝結條件冷卻凝膠溫度70~80℃ (158~176℉)
熱可逆性熱可逆對陽離子敏感性不太敏感

高酰基結冷膠結構

高酰基結冷膠分子主鏈上重復單元由4種糖單位組成,依次為(1,3)β-D-葡萄糖、β(1,4)-D-葡萄糖醛酸、(1,4)β-D-葡萄糖、(1,4)α-L-鼠李糖,高酰基結冷膠的分子模式。如圖1所示。

高酰基結冷膠結構圖

高酰基結冷膠的每個重復單元上平均有1個酰基在(1,3)β-D-葡萄糖上,這種酰基分為乙酰基和甘油酰基兩類,分別接在葡萄糖殘基的第6個碳原子和第2個碳原子上,甘油酰基的平均比例是乙酰基的兩倍。由于分子中乙酰基和甘油酰基的存在使得高酰基結冷膠與低酰基結冷膠呈現不同的凝膠特性。

高酰基結冷膠質量指標

項目 要求
產品特性 類白色、無味、流動性粉末
含量 85~108%
溶解性 溶于水,形成黏稠液體,不溶于乙醇
鈣離子凝膠試驗 通過
粒度 ≥95%通過60目
干燥減量 ≤15.0%
灰分 ≤15.0%
pH值 5.5~7.5
乙醇殘留 ≤750mg/kg
凝膠強度(1.0%水溶液) 450~650g/cm2
氮含量 ≤3%
≤2mg/kg
≤2mg/kg
≤1mg/kg
≤1mg/kg
菌落總數 ≤10,000cfu/g
酵母和霉菌 ≤400cfu/g
大腸桿菌 ≤30MPN/100g
沙門氏菌 陰性

高酰基結冷膠提取方法

首先調節發酵液pH值至4~4.5,升溫至90℃,維持1O~30min,滅酶殺死菌體,然后加入2%~3%發酵液體積的電解質溶液,反應30min,最后加入異丙醇固液分離,固態進行真空干燥。

高酰基結冷膠特性

溶膠特性

結冷膠溶于水后,分子之間會自動聚集形成雙股螺旋結構,雙螺旋進一步聚集可形成三維網狀結構。但是有研究表明,高酰基結冷膠溶膠體系在較高溫度下不穩定,可能是因為在高溫下雙螺旋二聚體或其他的分子交聯只是暫時的,通過快速的解離再重新交聯導致了體系的不穩定。

離子對溶脹溫度有很大的影響,鈉離子會增加溶脹溫度,熱溶液的黏度比低酰基結冷膠高,在pH為7的中性條件下十分穩定,在酸性pH為3.5條件下高酰基結冷膠可被水解。

高酰基結冷膠分散在冷水中時能呈現極高的黏度,但對鹽溶液較為敏感,這就在一定程度上限制了高酰基結冷膠作為增稠劑的應用。同時高酰基結冷膠溶膠還具有很高的觸變性。

溶膠-凝膠轉變特性

溶膠凝膠轉變機制決定了高酰基結冷膠的凝膠性質,如結構穩定性以及流變特性。高酰基結冷膠酰基含量不同,溶膠凝膠轉變特性亦不同,酰基含量越低,溫度滯后現象越明顯,凝膠溫度越低。

凝膠特性

a、弱凝膠性

由于結構的不同,高、低酰基結冷膠呈現不同的凝膠特性。高酰基結冷膠在無陽離子存在下即可形成熱可逆凝膠,當有陽離子存在時,游離酰基鍵可相互作用形成稀疏的分子間交聯。低酰基結冷膠在25℃形成堅硬、脆性的凝膠,而高酰基結冷膠鏈于72℃形成柔軟、彈性的凝膠,且無溫度滯后性。

但在高溫下高酰基結冷膠比低酰基結冷膠在構象上更有次序,在雙螺旋結構形成和聚集比低酰基結冷膠更穩定。在高酰基結冷膠聚合物中,乙酰基位于雙螺旋結構的邊緣,對非結合的雙螺旋結構沒有空間位阻效應,但當雙螺旋結構聚集時,乙酰基有一定的影響。甘油酰基位于雙螺旋結構的內部,當羧基旋轉形成二聚體時,通過改變離子鍵特性以減小空間位阻,因此高酰基結冷膠凝膠呈現出弱凝膠特性。

b、流變學特性

高酰基結冷膠呈現出較高的屈服應變及屈服應力,而楊式模量較低,這也從另一方面說明了高酰基結冷膠形成的是柔軟、彈性凝膠,而低酰基結冷膠形成的是堅硬、脆性凝膠,表明了甘油酰基對高酰基結冷膠三維結構起著穩定性影響。

對高酰基結冷膠的特性黏度進行測定發現,高酰基結冷膠中的柔性鏈比非柔性鏈所占的流體動力學體積小。當結冷膠溶液稀釋濃度低于無規則線圈交聯濃度時,高酰基結冷膠為易變的無規則卷曲聚合物,若稀釋濃度高于此濃度則呈現強零剪切黏度濃度依賴性,可能是結冷膠分子間相互作用以及聚合物鏈的物理性交聯。隨著剪切速率的增加,高酰基結冷膠呈現出假塑性流體的特性。

c、持水性

凝膠持水性是凝膠特性的一個重要參數,凝膠持水能力的大小直接影響到其質構特性和產品成本。高酰基結冷膠在不同鈣離子濃度的條件下,經過60min離心處理仍能保持84%持水性能,高酰基結冷膠能呈現如此高的持水性能與其雙螺旋主鏈上存在較多的氫鍵有關,而對鈣離子不敏感可能是由于甘油酰基改變了離子鍵結合特性。

d、穩定性

在受到較小變化的外力剪切作用下高酰基結冷膠仍能具有良好的空間網狀凝膠體,仍能很好地起到懸浮、穩定作用,具有很好的抗剪切能力。同時,該結冷膠在低剪切速率及靜止時具有很高的黏度,因此具有很好的運輸性能及貨架穩定性。

高低酰結冷膠的性狀特點比較

酰基基團對結冷膠的性質有非常顯著的影響。高酰基型可以產生柔軟、富有彈性和不具有脆性的凝膠,而低酰基結冷膠可以產生堅實的,不具有彈性,但是很脆的凝膠。

高低酰結冷膠的性狀特點比較


高酰基結冷膠(HA) 低酰基結冷膠(LA)
分子量  [email protected]道爾頓
[email protected]道爾頓
溶解性 熱水中溶解 熱水或冷水(加螯合劑)中溶解
凝結條件 冷卻 陽離子,酸,可溶性固形物
凝膠溫度 70~80℃(158~176℉) 30~50℃ (86~122℉)
熱可逆性 熱可逆 熱穩定
對陽離子敏感性 不太敏感 很敏感,特別是二價陽離子

高酰基非澄清型結冷膠特性和功能

高酰基非澄清型結冷膠是多功能食用膠凝劑,有膠凝、固定及結膜作用。

高酰基非澄清型結冷膠特性

剪切可逆的凝膠

熱可逆的凝膠

極好的香料散發性能

可和其他水溶膠共用

和淀粉有協同作用

有極佳的賦形作用

彈性凝膠

增強口感

高酰基非澄清型結冷膠水溶液特性

溶脹在冷無離子水中,鈉離子會增加溶脹溫度

其凝膠結構促成高粘度

加熱會引起粘度大量降低

熱溶液的粘度比低酰基結冷膠高

在pH7中性條件下十分穩定

高酰基非澄清型結冷膠水合特性

離子對溶脹溫度有很大影響

離子對水合溫度有輕微影響

在100℃以下溶于水

高固體量增加水溶液所需溫度

pH能降低水溶液所需溫度

投料次序很重要:先以高速攪拌投入高酰基非澄清型結冷膠在熱水后再投入糖、酸及離子等。

高酰基結冷膠應用

高酰基結冷膠是目前市場上性能優異的增稠劑、穩定劑之一,并具有優良的凝膠特性,相較于其他食用膠體,高酰基結冷膠凝膠具有良好的風味釋放性、較高的熱穩定性、較好的持水性、懸浮性、熱可逆的柔韌性等,這些特性成就了高酰基結冷膠在應用上的廣泛性和優越性。

高酰基結冷膠的膠體溶解性對陽離子敏感性相對弱些,可與一價、二價可溶性鹽復配使用,膠體的懸浮、穩定性作用也需要陽離子的輔助作用,溶膠溫度85℃以上,適用PH范圍3.4-7.5。高酰基結冷膠常應用于非透明的飲料或食品中,如乳制品、粗糧飲料、植物蛋白飲料、鮮榨果汁或蔬菜汁飲品、保健飲料、肉制品等,也可與CMC、瓜爾膠、微晶纖維素、果膠、卡拉膠等膠體復配使用以拓寬其應用范圍。

高酰基結冷膠在乳制品中應用

中性乳制品

高酰基結冷膠可直接用于乳制品中,在中性乳制品中,可單獨使用0.025%~035%高酰基結冷膠這一膠體與一定量的鈉鹽或鈣鹽作為穩定劑,能達到懸浮固形物、消除絮凝現象等效果,并且具有增稠、爽口等特點。

酸性乳制品

在酸性乳制品中,可0.02%~03%高酰基結冷膠與0.2%~0.4%羥甲基纖維素鈉(CMC)復配,再與一定量的鈣鹽配伍使用作為穩定劑,其中CMC作為保護劑,高酰基結冷膠能起到懸浮固形物,增稠、穩定的作用。

發酵酸乳

在發酵酸乳中,則可以再復配一定量的瓜爾豆膠作為保護劑,以防止蛋白絮凝沉淀。高酰基結冷膠在乳制品中代替卡拉膠、明膠、海藻膠和果膠的使用,具有與酪蛋白相溶-低反應性,不會形成掛壁、低用量、良好的結構復原特性等優點。

高酰基結冷膠在果汁、懸浮飲料中應用

與黃原膠相比,高酰基結冷膠具有優越的耐酸、耐鹽性,穩定范圍廣,在酸性果汁、非透明懸浮飲料中應用更能體現出這一優點。

酸性果汁

在酸性果汁中應用,要達到同樣的穩定體系效果,高酰基結冷膠添加量僅有黃原膠的1/7~1/8,并且在飲料狀態、口感上比黃原膠都具有明顯的優點。

懸浮飲料

在懸浮有大顆粒果肉的飲料中,相比其它幾種有懸浮性能的膠體,高酰基結冷膠也具有很低的添加量,在不復配其它膠體的情況下僅有0.025%左右,并且相比卡拉膠、果膠、瓜爾膠等,高酰基結冷膠在懸浮飲料體系中的pH應用范圍在酸性、中性懸浮飲料中都能應用。

高酰基結冷膠在食品中的特性及用途

特性 用途
疑膠性 果凍、餡料、甜食、果醬等
穩定劑 飲料、乳制品、冰淇淋、色拉調料等
增稠劑 果醬、內腸、餡料等
粘彈性 面制品
黏著性 糖霜、糖衣
凃膜性 蜜餞、糖果
持水性 糕點(如蛋糕、奶酪餅等)

高酰基結冷膠在植物蛋白類飲料中應用

在植物蛋白類飲料中的應用。植物蛋白類飲料是近幾年國內發展最快的軟飲料行業,植物蛋白類飲料以植物果仁、果肉為主要原料,其蛋白質、維生素含量高,在飲料行業中也屬于高端產品,因此飲料體系對穩定劑的性能要求也高,目前國內生產植物蛋白飲料所用穩定劑基本都是幾種膠體復配而成,對配比參數、應用方法都較為嚴格,并且在高溫殺菌后一般膠體性能損失都比較大,高酰基結冷膠應用在植物蛋白飲料中不僅耐高溫性能好,本身也具有增稠、穩定蛋白的作用,單獨使用時用量在0.03%~0.04% 之間,也可與其他親水性膠體復配使用,如: 卡拉膠、瓜爾膠、刺槐豆膠等,其復配后的協同作用也能達到良好的穩定效果。

高酰基結冷膠在粗糧飲料中應用

粗糧飲料是近幾年來發展相當迅速的飲料行業,粗糧中含有豐富的不可溶性纖維素,對人體消化系統和血液系統等身體健康都有重要作用,因此近幾年來國內較多的飲料廠商都在開發粗糧類飲料,粗糧飲料的基本工藝路線為:粗糧浸泡-熟化-磨漿-穩定劑添加-均質-糊化-滅菌-灌裝,工藝比較簡單,但對穩定劑要求也是比較高,效果不好容易岀現絮凝沉淀、析水等現象,粗糧飲料體系中的淀粉含量較高,本身稠度比較大,添加膠體的量不宜過大,否則會影響口感,但也要起到穩定的作用,高酰基結冷膠的使用相比其它膠體而言,均具備上述要求,添加量低0.025%左右,穩定效果好,并且適合飲料的糊化和高溫滅菌程序。

高酰基結冷膠在肉制品中應用

傳統的肉制品如火腿腸、香腸、肉排等大部分都是使用黃原膠或明膠作為賦形劑,起穩定肉制品結構組織狀態的作用。近年來也有較多的生產商用高酰基結冷膠作為肉制品賦形劑,相比其它膠體而言,高酰基結冷膠在火腿腸中應用具有更好的耐溫性、持水性、彈性,使體系更飽滿,也具有更爽口的口感。在肉排中應用,高酰基結冷膠的高粘性能更好地起到粘合肉塊的作用,使肉排的食用效果更為豐富。

高酰基結冷膠在食品工業中應用前景

高酰基結冷膠是具有重要商業價值的微生物胞外多糖,其生產周期短,不受氣候和地理環境條件的限制,安全無毒、理化性質獨特等優勢而得到研究和開發,基于其優越的凝膠性能,在食品、制藥、化工等領域有著廣泛的應用前景。

目前,低酰基結冷膠在食品行業已經得到了相對廣泛的應用,而對高酰基結冷膠研究的匱乏限制了其應用。但是高酰基獨特的凝膠特性,可以提供優良的質地和口感、高持水性可以改進食品在貯藏中的持水能力、與其他食品膠的良好配伍性,可以增進食品穩定性及改善組織結構,獲得最佳的質構特征。

高酰基結冷膠在國內研究及制約因素

近年來,隨著國內對高酰基結冷膠的逐步研究,其在多種食品飲料中應用的優越性逐步被人們所認識到,但仍沒有被很好地推廣。目前制約高酰基結冷膠應用推廣的因素主要有:國內開發研究起步晚,相比低酰基結冷膠,高酰基結冷膠的工藝技術要求更高,國內生產高酰基結冷膠的廠家也較少,并且國內企業對高酰基結冷膠的特性及應用研究不夠深入,尤其是高難度的工藝技術造成生產成本高,市場價格也就高,雖然應用的優越性較多,但較高的成本也讓很多用戶望而卻步。這些因素都嚴重制約了高酰基結冷膠的應用推廣。

不過,高酰基結冷膠應用的優越性正在被越來越多的用戶所認知,而國內的生產開發也在不斷快速地發展,相信在不久的將來,高酰基結冷膠的生產工藝會更加成熟、應用研究更加廣泛。

參考資料
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