背景及概述^[1][2]

微生物代謝膠，又稱生物合成膠，它是由微生物在生長代謝過程中，在不同的外部條件下產(chǎn)生的一種多糖物質(zhì)，由于微生物代謝膠不象植物膠那樣受氣候及收成的影響，因此，具有廣泛的應(yīng)用前景。而且國內(nèi)外對其研究也十分熱門，開發(fā)并投入規(guī)模生產(chǎn)的具有商品價值的也較多，如黃原膠、結(jié)冷膠、凝膠多糖、葡聚糖、普魯蘭等。

它們具有安全、優(yōu)良的理化特性，被作為乳化劑、懸浮劑、膠凝劑、成膜劑、潤滑劑等廣泛應(yīng)用于食品、石油、化工、制藥中。結(jié)冷膠(Gellan Gum)就是其中一種，它于1978 年由美國Kelco 有限公司生產(chǎn)制造，在1992 年獲得FDA 權(quán)威性認(rèn)證，成為繼黃原膠之后又一種在食品中應(yīng)用的微生物胞外多糖。

雖然目前已開發(fā)的微生物多糖種類很多，但是目前食品立法機構(gòu)允許廣泛用做食品添加劑的微生物代謝膠迄今為止只有黃原膠和結(jié)冷膠?，F(xiàn)除美國外，還有其他十幾個國家批準(zhǔn)其用作食品添加劑。我國于1996年批準(zhǔn)其作為食品增稠劑、穩(wěn)定劑使用(GB20 .000 ，INS418)，可在各類食品中按正常生產(chǎn)需要量使用。

結(jié)構(gòu)^[1]

結(jié)冷膠是由β -1，3 -D 葡萄糖，β -1，4 -D -葡萄糖酸和α-1，4 -L -鼠李糖按摩爾比2∶1∶1組成，這些單體形成線形四糖聚體單位，分子量為5x 105 道爾頓。天然結(jié)冷膠中有兩種?；?，即乙酰基和甘油?；?，通常連接在葡萄糖殘基的C2 和C6 位上。溫度是影響結(jié)冷膠結(jié)構(gòu)的重要因素。在低溫下，聚合物以雙螺旋結(jié)構(gòu)存在，當(dāng)溫度升高時以單鏈形式存在；在水溶液中，結(jié)冷膠可形成分支或發(fā)生環(huán)化，形成多種分子量的聚合體。

當(dāng)雙鏈螺旋形成時，發(fā)生膠化，隨后螺旋聚合體就會形成。每一條鏈通過內(nèi)部次級鍵(如氫鍵)相連，形成兩個結(jié)合區(qū)域。每一個結(jié)合區(qū)域的結(jié)合片段數(shù)量隨溫度而變化，當(dāng)溫度上升時，片段會分離，當(dāng)溫度降低時，片段又會結(jié)合。1993 年發(fā)現(xiàn)在結(jié)合區(qū)域的鉀離子數(shù)日的增加可以增強結(jié)合區(qū)域?qū)囟鹊娜棠托浴?/p>

凝膠機理^[2]

結(jié)冷膠溶于水后，分子之間會自動聚集形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的作用力主要是分子間氫鍵，雙螺旋進(jìn)一步聚集可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，便于截留水分子而產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象。結(jié)冷膠的凝膠機制被認(rèn)為是陽離子引發(fā)的雙螺旋間的聚合交聯(lián)，陽離子可促進(jìn)分子內(nèi)的交聯(lián)作用、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)和加速雙螺旋形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)冷膠分子的羧基側(cè)鏈由于靜電相互作用而互相排斥，這阻礙了螺旋的緊密聚集，而陽離子的介入能屏蔽靜電排斥作用。凝膠機制示意圖見圖。

性質(zhì)^[2]

1. 高度的分散性和透明性

結(jié)冷膠使用方便，在冷水或去離子水中攪拌即可分散均勻，加熱至70-75℃（或加入少量檸檬酸鈉、六偏磷酸鈉之類的鰲合劑）時可水化、溶解成透明的溶液，冷卻至40-45℃后形成透明堅實的凝膠。高分子輔料分散液的透明性是在工業(yè)生產(chǎn)中需要考慮的實際因素。在這一點上結(jié)冷膠比黃原膠和明膠的優(yōu)勢明顯。即使在濃度高達(dá)15%時，結(jié)冷膠溶液仍能呈現(xiàn)高度透明性，如果體系中含有蔗糖，則更有助于進(jìn)一步提高結(jié)冷膠溶液的透明度。

2. 卓越的凝膠性能

作為新一代膠凝劑，結(jié)冷膠特有的優(yōu)點是用量少、成膠好。結(jié)冷膠在極低的用量時即可形成澄清透明的凝膠。若溶液中的金屬陽離子達(dá)到一定量時，這個濃度會更低。即使所用水的天然硬度較高，也不必添加外源鹽。和傳統(tǒng)膠凝劑（如卡拉膠、瓊脂等）相比，結(jié)冷膠僅需0.05%的用量，即可達(dá)到1.5%的瓊脂和1%的卡拉膠所能達(dá)到的凝膠強度。結(jié)冷膠的通常用量為0.1-0.3%，僅為卡拉膠或瓊脂用量的1/5-1/2。

目前，在工業(yè)上結(jié)冷膠已逐步代替了瓊脂和卡拉膠。結(jié)冷膠形成凝膠需要有鹽離子的參與，形成凝膠的強度與鹽離子的種類和濃度密切相關(guān)。無論是一價陽離子還是二價陽離子，均可使結(jié)冷膠成膠，但二價陽離子要有效得多。在相同膠濃度下形成凝膠，一價陽離子所需的離子濃度比鈣約高25倍。

3. 顯著的溫度滯后性和熔點可調(diào)性

結(jié)冷膠溶液的黏度隨溫度上升而迅速下降，冷卻后黏度又能完全恢復(fù)，當(dāng)溫度降低到體系的凝膠形成溫度后，即能迅速形成凝膠。凝膠再加熱后會復(fù)熔的被稱為熱可逆凝膠，反之不會熔化的被稱為熱不可逆凝膠。結(jié)冷膠具有顯著的溫度滯后性，即凝膠形成溫度遠(yuǎn)低于凝膠熔化溫度。通常結(jié)冷膠的膠凝溫度范圍為20-50℃，而熔化溫度范圍則為60-120℃。

使用含0.03%鈣離子的0.2%結(jié)冷膠溶液，凝膠的熔化溫度就可高達(dá)120℃以上。凝膠形成溫度和熔化溫度的具體大小取決于凝膠的形成條件，如體系中陽離子的類型、濃度及結(jié)冷膠自身濃度等。二價或一價陽離子參與的結(jié)冷膠凝膠分別稱為熱不可逆或熱可逆凝膠，且凝膠形成溫度隨著離子濃度的增加而上升。結(jié)冷膠的溫度滯后性在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的意義，如在食品加工時，有些制品要求在熱處理過程中凝膠結(jié)構(gòu)能保持相對穩(wěn)定。

4. 靈活的組織相容性和復(fù)配性

結(jié)冷膠廣泛適用于各種產(chǎn)品配方，具有良好的組織相容性，能與黃原膠、瓜兒豆膠、槐豆膠、明膠和海藻酸鹽等其他親水膠體進(jìn)行良好的復(fù)配兼容，交聯(lián)產(chǎn)生具有優(yōu)良特性的增稠劑和穩(wěn)定劑。所得的復(fù)配膠往往會產(chǎn)生各單體膠本身并不具有的新特性，能起到一種協(xié)同效應(yīng)。通過改變復(fù)配材料的種類和用量，可以得到滿足需要的各種復(fù)配產(chǎn)品，組織結(jié)構(gòu)可從脆性到黏彈性方面任意調(diào)節(jié)。

這些特性在實際應(yīng)用中有重大的意義。如傳統(tǒng)膠凝劑明膠具有良好的感官特性但熔點低，形成的凝膠不穩(wěn)定，給食品加工帶來困難，而加入結(jié)冷膠參與復(fù)配后，混合膠的熔點得以提升，可在形成穩(wěn)定凝膠的同時保留明膠良好的感官特性，這是單用明膠或結(jié)冷膠都無法實現(xiàn)的。目前，明膠-結(jié)冷膠復(fù)配的應(yīng)用前景非常廣闊。

5. 良好的穩(wěn)定性

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要對產(chǎn)品進(jìn)行高溫滅菌等一系列熱處理。因此熱不穩(wěn)定性成為困擾許多傳統(tǒng)膠凝劑的難題。相比之下，結(jié)冷膠在高溫條件下仍然能保持良好的物理狀態(tài)。有研究表明，在90℃高溫時，結(jié)冷膠仍較穩(wěn)定，而黃原膠已經(jīng)失去74% 的原有黏度。結(jié)冷膠熔點高、耐高溫的性質(zhì)使其更適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。

應(yīng)用^[3]

結(jié)冷膠的主要作用是作為凝膠劑、增稠劑、懸浮劑或在食品中形成薄膜。它可以與其它膠體聯(lián)合使用，如黃原膠、明膠和槐豆膠，結(jié)冷膠可使食品穩(wěn)定、增強食品結(jié)構(gòu)和增加風(fēng)味等。結(jié)冷膠與黃原膠的應(yīng)用相似。但是，結(jié)冷膠的優(yōu)點，是可以保證膠體非常澄清，因此在黃原膠不適合時便可以作為黃原膠的替代品。迄今為止，結(jié)冷膠已經(jīng)應(yīng)用于烘焙制品、乳制品、果汁、牛奶飲料、糖衣、糖霜、果醬、肉制品和各種甜點的加工中。

1. 奶制品：結(jié)冷膠可用于奶制品中，將結(jié)冷膠加熱到75 ℃可直接水合于奶中，在酸性奶制品中(如酸奶、發(fā)酵酸性稀奶油或直接酸化的奶凝膠)，加入此種水溶膠充當(dāng)膠體保護劑，可以消除奶制品中的蛋白質(zhì)絮凝及改進(jìn)口感的作用。

2. 糖果：結(jié)冷膠應(yīng)用于糖果，其主要作用是給產(chǎn)品提供優(yōu)越的結(jié)構(gòu)和質(zhì)地，并縮短淀粉軟糖膠體形成的時間。如在淀粉軟糖中添加0 .075 %的結(jié)冷膠，可使

凝膠形成時間從24 —80h 縮短到12h 左右。

3. 餅干：油脂是餅干生產(chǎn)的主要原料，它可以使餅干具有良好的層次，調(diào)節(jié)產(chǎn)品風(fēng)味，使產(chǎn)品具有良好的疏松度。一般用于餅干生產(chǎn)的油脂多為飽和脂肪酸，如：氫化豬油，人造奶油，氫化棉籽油等。這種不飽和油脂攝入過多，對人體不利?？梢杂媒Y(jié)冷膠來減少飽和脂肪酸的用量。

用3 %的結(jié)冷膠加上0 .2 %檸檬酸鈉鹽溶解于去離子水中，加熱混合液到90 ℃，然后將熱的結(jié)冷膠溶液加入到制作餅干的面團中，也可以起到改良餅干的層次，使餅干具有良好的疏松度的作用。它作為一種多糖，還可用作需進(jìn)一步加工(例如油炸)的面包等面食的涂裹物，可以降低食品對油的吸附而生產(chǎn)出低熱量的產(chǎn)品。包裹多糖的食品的風(fēng)味增強更能滿足消費者的需要。還可以用作冰激凌上作為穩(wěn)定增稠劑，而且它的用量非常低。

此外，還可用于醫(yī)藥、微生物、化工及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

制備^[1]

結(jié)冷膠的生產(chǎn)菌-多沼假單胞菌(ATCC31461)(Pseudomonas elodea)是從植物體中分離出來的，在含有糖類、磷酸鹽、有機和無機氮鹽的微量元素的介質(zhì)中seudomonas elodeajun 菌株發(fā)酵生產(chǎn)結(jié)冷膠。發(fā)酵在消毒條件下嚴(yán)格控制通氣量、攪拌強度、溫度和pH ，當(dāng)積累了大量的代謝產(chǎn)物時巴氏滅菌殺死活的菌體。結(jié)冷膠的生產(chǎn)基本用黃原膠生產(chǎn)設(shè)備，特別是發(fā)酵設(shè)備基本可以采用。后提取設(shè)備也是略加改進(jìn)就可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

在結(jié)冷膠的生長中，影響發(fā)酵的最重要的因素是發(fā)酵液的粘性，需要進(jìn)行結(jié)冷膠方面的研究來克服高粘性而引起的物質(zhì)傳輸方面的障礙。通過對生產(chǎn)結(jié)冷膠的菌種進(jìn)行不同碳源的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵完成后不同的碳源的發(fā)酵液粘度不同。這是由于碳源的不同而引起生成的冷膠的酰基化程度不同。

生產(chǎn)結(jié)冷膠的Pseudomonaselodea 菌種不僅能夠合成結(jié)冷膠，而且能生成結(jié)冷膠的裂解酶，將結(jié)冷膠的四糖片段結(jié)合位點裂解開，而酰基化程度高的結(jié)冷膠對裂解酶具有很強的抵抗力。所以我們可以利用這一點，用一種能生產(chǎn)?；潭炔桓叩慕Y(jié)冷膠的碳源進(jìn)行生產(chǎn)，以降低高粘性帶來的發(fā)酵時的障礙。在發(fā)酵完成后，加入一定量的結(jié)冷膠聚合酶，然后進(jìn)行提取和純化。

而目前工業(yè)化生產(chǎn)結(jié)冷膠所遇到的問題有：產(chǎn)量低，用于通氣攪拌的能源高，提純用有機溶劑的耗量大。如果能從生物技術(shù)的角度，通過先進(jìn)的物理、化學(xué)誘變、細(xì)胞融合、基因克隆、PCR 等技術(shù)、誘變得到高產(chǎn)菌株，將產(chǎn)菌基因轉(zhuǎn)移到嫌氣性微生物中正常表達(dá)，從而在無氧或微氧下生產(chǎn)結(jié)冷膠以降低成本。

提取純化^[3]

結(jié)冷膠發(fā)酵液粘度很高，胞外多糖圍繞細(xì)胞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此很難將多糖也菌體徹底分開。目前低?；Y(jié)冷膠的粗提取常用醇沉淀的方法。工藝過程如下： 將結(jié)冷膠發(fā)酵液于沸水浴中加熱15min，冷卻后調(diào)節(jié)pH 至10，然后80℃水浴保持10min，然后用HCL 調(diào)節(jié)至中性，4℃，8000r /min 離心30min 除去菌體，取上清液用2 倍體積乙醇沉淀，4℃ 過夜后再于4℃，8000r /min離心30min 得到沉淀，烘干后稱重得到粗的結(jié)冷膠。

主要參考資料

[1] 文一, 趙國華. 一種新型微生物胞外多糖——結(jié)冷膠[J]. 中國食品添加劑, 2003 (3): 49-52. [2] 李璠, 朱家壁. 新型高分子材料結(jié)冷膠的性質(zhì)和應(yīng)用[J]. 中國藥業(yè), 2007, 16(9): 1-3.

[3] 李海軍, 顏震, 朱希強, 等. 結(jié)冷膠的研究進(jìn)展[J]. 食品與藥品, 2005, 7(12A): 3-8.