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瓜爾豆膠是目前國際上最為廉價而又廣泛應(yīng)用的親水膠體之一,來源于印度和巴基斯坦等地干旱和半干旱地區(qū)廣泛栽培的一年生草本抗旱農(nóng)作物Cyamopsistetragonolobus,自1993年瓜爾豆膠打入中國市場以來,由于其優(yōu)良的特性和較低廉的價格,使得近年來瓜爾豆膠正逐漸地成為中國食品工業(yè)中用量最大的增稠劑之一。
1.瓜爾豆膠的結(jié)構(gòu)組成
瓜爾豆膠中有功能作用的多糖是瓜爾糖(Guaran),其主鍵為(1→4)-β-D-甘露糖單位,側(cè)鍵則由單個的α-D-半乳糖以(1→6)鍵與主鍵相連接。平均在主鍵上每兩個甘露糖單位中有一個半乳糖單位在C-6位與之相聯(lián),甘露糖對半乳糖之比為1.8∶1(約為2∶1),與其說在每兩個甘露糖單位中的第二個上有規(guī)律分布有一個半乳糖側(cè)鍵基團,倒不如說半乳糖的分布是隨意無規(guī)則的,因為在其主鍵的有一些區(qū)段上并沒有半乳糖,而在另一些部分則是高取代區(qū),尤其在離子強度很低的情況下,這種均勻無分支的區(qū)段被認(rèn)為能與黃原膠形成聚合物,結(jié)果產(chǎn)生弱的黏度增效作用。與大多數(shù)高分子量聚合物一樣,瓜爾豆膠及其衍生物呈假塑性的流變性。但是,它們的假塑度沒有像黃原膠那樣大,而這兩種聚合物結(jié)合起來,就會有助于乳制品之類產(chǎn)品的穩(wěn)定。
2.瓜爾豆膠的特性
瓜爾豆膠來源于廣泛栽培的一年生草本抗旱農(nóng)作物Cyamopsistetragonolobus,這種豆科植物主要生長在印度和巴基斯坦等地的干旱和半干旱地區(qū),瓜爾豆一般含14%~17%的豆殼,35%~42%的胚乳和43%~47%的胚芽。瓜爾豆膠系由瓜爾豆的種子去皮去胚芽后的胚乳部分經(jīng)清理、干燥粉碎后加水、再進行加壓水解后用20%乙醇沉淀,離心分離后干燥、粉碎而得。商品膠一般為白色至淺黃褐色自由流動的粉末,接近無嗅,也無其他任何異味,一般含75%~85%的多糖,5%~6%的蛋白質(zhì),2%~3%的纖維及1%的灰分。瓜爾豆膠是極為良好的增稠劑,根據(jù)其粒度和粘度可分為不同的等級。
瓜爾豆膠是中性多糖,分子量約20~30萬,在冷水中就能充分水化(一般需要兩小時),能分散在熱或冷的水中形成黏稠液,1%水溶液黏度在4~5Pa.s之間,具體黏度取決于粒度、制備條件及溫度,為天然膠中黏度最高者。分散于冷水中約2小時后呈現(xiàn)很強黏度,以后黏度逐漸增大,24小時達(dá)到最高點,黏稠力為淀粉糊的5~8倍。加熱則迅速達(dá)到最高黏度,膠溶液的黏度隨膠粉粒度直徑的減小而增加;水化速率則隨溫度的上升而加快,如果經(jīng)85℃制備,10分鐘即可充分水化達(dá)到最大黏度,但長時間高溫處理將導(dǎo)致瓜爾豆膠本身降解,使黏度下降。瓜爾豆膠溶液pH在8~9時可達(dá)最快水化速度,然而大于10或小于4則水化速度很慢。因此,在應(yīng)用時應(yīng)等瓜爾豆膠充分水化后再調(diào)節(jié)溶液pH值。同樣,溶液中有蔗糖等其他強需水劑存在時,也會導(dǎo)致瓜爾豆膠的水化速率下降,實際應(yīng)用中,也應(yīng)等瓜爾豆膠充分水化后再添加蔗糖。一般而言,0.5%以上的瓜爾豆膠溶液已呈非牛頓流體的假塑性流體特性,具有攪稀作用。瓜爾豆膠的水溶液為中性,pH變化在3.5~10范圍內(nèi)對膠溶液的性狀影響不很明顯,一般在pH6.0~3.5范圍內(nèi)隨pH降低,黏度也有所降低,pH3.5以下黏度又增大,在pH6~8范圍內(nèi),其溶液黏度可達(dá)到最大值,pH10以上則迅速降低。
瓜爾豆膠是一種溶脹高聚物,對它來說,水是惟一的通用溶劑,不過也能以有限的溶解度溶解于與水混溶的溶劑中,如乙醇液中,此外瓜爾豆膠具有良好的無機鹽類兼容性能,耐受一價金屬鹽,如食鹽等的濃度可高達(dá)60%;但高價金屬離子的存在可使溶解度下降。在控制溶液pH的條件下,瓜爾豆膠能與交聯(lián)劑,如硼酸鹽、金屬離子等反應(yīng)可生成稍帶彈性的黏質(zhì),瓜爾豆膠還能形成一定強度的水溶性薄膜。與其他多糖類物質(zhì)一樣,瓜爾豆膠及其衍生物在pH3或以下的酸性溶液中會導(dǎo)致降解,被水解的是糖苷鍵,結(jié)果黏度急速喪失。在輕度偏堿的pH下,鏈段還原末端β-位的切斷反應(yīng),使鏈緩慢縮短,這一過程比酸水解要慢。瓜爾豆膠加熱至很高溫度時可導(dǎo)致熱降解,瓜爾豆膠溶液加熱至80~95℃并持續(xù)一定時間,就可喪失黏度。
瓜爾豆膠是直鏈大分子,鏈上的羥基可與某些親水膠體及淀粉形成氫鍵,瓜爾豆膠與小麥淀粉共煮可達(dá)更高的黏度,瓜爾豆膠能與某些線型多糖,如黃原膠、瓊脂糖和κ-型卡拉膠相互作用而形成復(fù)合體,瓜爾豆膠與黃原膠有一定程度的協(xié)同作用,但與卡拉膠則無協(xié)同效應(yīng)。這種相互作用比之槐豆膠則相對較弱。在低離子強度下,與陰離子聚合物和陰離子表面活性劑配合后有增強黏度的協(xié)同作用。這些陰離子化合物被吸附在中性聚合物上,并因此而擴大了瓜爾豆膠的分子。這是在所吸附的帶陰離子的功能基團之間發(fā)生相互排斥作用的結(jié)果。如加入電解質(zhì),導(dǎo)入相反的離子從而中和了陰離子電荷,并因而破壞了協(xié)同作用。
3.瓜爾豆膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用
瓜爾豆膠與大量水的結(jié)合能力,使它在食品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。在食品工業(yè)上瓜爾豆膠主要用作增稠劑、持水劑,通常單獨或與其他食用膠復(fù)配使用;用于色拉醬、肉汁中起增稠作用,用于冰淇淋中使產(chǎn)品融化緩慢,面制品中增進口感,方便面里防止吸油過多,烘焙制品中延長老化時間,肉制品內(nèi)作粘合劑,也用于奶酪中增加涂布性等。在幾種常見食品中的具體應(yīng)用如下。
冰淇淋:少量瓜爾豆膠不能明顯地影響這種混合物物在制造時的黏度,但能賦予產(chǎn)品滑溜和糯性的口感。另外一個好處是使產(chǎn)品緩慢熔化,并提高產(chǎn)品抗驟熱的性能。用瓜爾豆膠穩(wěn)定的冰淇淋可以避免由于冰晶生成而引起顆粒的存在。
罐頭食品:這類產(chǎn)品的特征是盡可能不含流動態(tài)的水,瓜爾豆膠則可用于稠化產(chǎn)品中的水分,并使肉菜固體部分表面包一層稠厚的肉汁。特殊的、緩慢溶脹的瓜爾豆膠有時還可以用于限制裝罐時的黏度。
奶酪:在軟奶酪加工中瓜爾豆膠能控制產(chǎn)品的稠度和擴散性質(zhì)。由于膠能結(jié)合水的特性,使更滑膩和更均勻的涂敷奶酪有可能帶更多的水。
調(diào)味汁和色拉調(diào)味品:在調(diào)味汁和色拉調(diào)味品中,利用了瓜爾豆膠在低濃度下產(chǎn)生高黏度這一基本性質(zhì),使得這些產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和流變等感官品質(zhì)更加優(yōu)質(zhì)。
由于瓜爾豆膠來源穩(wěn)定,價格低廉,商品化的瓜爾豆膠衍生物也早已問世?;瘜W(xué)改性可使瓜爾豆膠改變在溶劑中的分散狀況,黏度、水化速率、溶液透明度等特性,產(chǎn)品有離子型的羧甲基瓜爾膠鈉(CMG)和非離子型的羥丙基瓜爾膠(HPG)等。
瓜爾豆膠在食品生產(chǎn)加工領(lǐng)域被廣泛使用,其市場相當(dāng)廣闊。目前,我國年需增稠劑4萬多噸,而實際國內(nèi)產(chǎn)量只有1萬多噸,天然植物膠的產(chǎn)量更少,這使得多年來我國每年只能從國外進口大量的瓜爾豆膠等天然植物膠來滿足國內(nèi)市場的需求,因此,我國每年都花大量的外匯從印度等國進口瓜爾豆膠,并且由于生產(chǎn)瓜爾豆膠的植物Cyamopsistetragonolobus主要種植在印度和巴基斯坦等地的干旱和半干旱地區(qū),有些“靠天吃飯”,自1993年瓜爾豆膠進入我國市場以來,其供應(yīng)量不很穩(wěn)定,由此導(dǎo)致市場價格的較大波動,另外瓜爾豆膠作為一種增稠劑,性能稍遜于黃原膠和結(jié)冷膠等微生物膠體,如耐熱性、耐酸性等性能不是十分理想,不溶性雜質(zhì)含量高,黏度和質(zhì)量不很穩(wěn)定等。這些問題使得瓜爾豆膠在食品生產(chǎn)應(yīng)用時有一定的局限性,但是瑕不掩瑜,目前瓜爾豆膠的價格卻只有結(jié)冷膠等膠體價格的約1/10,顯然在一般情況下,性價比要明顯高于它們,這也就是瓜爾豆膠目前已成為中國食品工業(yè)中用量最大的增稠劑之一的主要原因。此外我國有關(guān)部門從上世紀(jì)90年代起,就從國外引進瓜爾豆種子在我國部分地區(qū)試種,但因為氣候差異,管理不當(dāng)?shù)仍?,都沒有獲得成功,不過,前不久從我國的海南瓊山市傳來好消息:瓜爾豆在瓊山市靈山鎮(zhèn)試種喜獲成功,并且該省有關(guān)農(nóng)業(yè)專家樂觀地認(rèn)為,瓜爾豆今后可以在海南全年大面積種植,成本低、效益好,有很好的開發(fā)前景。無疑,這預(yù)示著瓜爾豆膠將在我國有著更為廣闊的發(fā)展前景。
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瓜爾豆膠是目前國際上最為廉價而又廣泛應(yīng)用的親水膠體之一,來源于印度和巴基斯坦等地干旱和半干旱地區(qū)廣泛栽培的一年生草本抗旱農(nóng)作物Cyamopsistetragonolobus,自1993年瓜爾豆膠打入中國市場以來,由于其優(yōu)良的特性和較低廉的價格,使得近年來瓜爾豆膠正逐漸地成為中國食品工業(yè)中用量最大的增稠劑之一。
1.瓜爾豆膠的結(jié)構(gòu)組成
瓜爾豆膠中有功能作用的多糖是瓜爾糖(Guaran),其主鍵為(1→4)-β-D-甘露糖單位,側(cè)鍵則由單個的α-D-半乳糖以(1→6)鍵與主鍵相連接。平均在主鍵上每兩個甘露糖單位中有一個半乳糖單位在C-6位與之相聯(lián),甘露糖對半乳糖之比為1.8∶1(約為2∶1),與其說在每兩個甘露糖單位中的第二個上有規(guī)律分布有一個半乳糖側(cè)鍵基團,倒不如說半乳糖的分布是隨意無規(guī)則的,因為在其主鍵的有一些區(qū)段上并沒有半乳糖,而在另一些部分則是高取代區(qū),尤其在離子強度很低的情況下,這種均勻無分支的區(qū)段被認(rèn)為能與黃原膠形成聚合物,結(jié)果產(chǎn)生弱的黏度增效作用。與大多數(shù)高分子量聚合物一樣,瓜爾豆膠及其衍生物呈假塑性的流變性。但是,它們的假塑度沒有像黃原膠那樣大,而這兩種聚合物結(jié)合起來,就會有助于乳制品之類產(chǎn)品的穩(wěn)定。
2.瓜爾豆膠的特性
瓜爾豆膠來源于廣泛栽培的一年生草本抗旱農(nóng)作物Cyamopsistetragonolobus,這種豆科植物主要生長在印度和巴基斯坦等地的干旱和半干旱地區(qū),瓜爾豆一般含14%~17%的豆殼,35%~42%的胚乳和43%~47%的胚芽。瓜爾豆膠系由瓜爾豆的種子去皮去胚芽后的胚乳部分經(jīng)清理、干燥粉碎后加水、再進行加壓水解后用20%乙醇沉淀,離心分離后干燥、粉碎而得。商品膠一般為白色至淺黃褐色自由流動的粉末,接近無嗅,也無其他任何異味,一般含75%~85%的多糖,5%~6%的蛋白質(zhì),2%~3%的纖維及1%的灰分。瓜爾豆膠是極為良好的增稠劑,根據(jù)其粒度和粘度可分為不同的等級。
瓜爾豆膠是中性多糖,分子量約20~30萬,在冷水中就能充分水化(一般需要兩小時),能分散在熱或冷的水中形成黏稠液,1%水溶液黏度在4~5Pa.s之間,具體黏度取決于粒度、制備條件及溫度,為天然膠中黏度最高者。分散于冷水中約2小時后呈現(xiàn)很強黏度,以后黏度逐漸增大,24小時達(dá)到最高點,黏稠力為淀粉糊的5~8倍。加熱則迅速達(dá)到最高黏度,膠溶液的黏度隨膠粉粒度直徑的減小而增加;水化速率則隨溫度的上升而加快,如果經(jīng)85℃制備,10分鐘即可充分水化達(dá)到最大黏度,但長時間高溫處理將導(dǎo)致瓜爾豆膠本身降解,使黏度下降。瓜爾豆膠溶液pH在8~9時可達(dá)最快水化速度,然而大于10或小于4則水化速度很慢。因此,在應(yīng)用時應(yīng)等瓜爾豆膠充分水化后再調(diào)節(jié)溶液pH值。同樣,溶液中有蔗糖等其他強需水劑存在時,也會導(dǎo)致瓜爾豆膠的水化速率下降,實際應(yīng)用中,也應(yīng)等瓜爾豆膠充分水化后再添加蔗糖。一般而言,0.5%以上的瓜爾豆膠溶液已呈非牛頓流體的假塑性流體特性,具有攪稀作用。瓜爾豆膠的水溶液為中性,pH變化在3.5~10范圍內(nèi)對膠溶液的性狀影響不很明顯,一般在pH6.0~3.5范圍內(nèi)隨pH降低,黏度也有所降低,pH3.5以下黏度又增大,在pH6~8范圍內(nèi),其溶液黏度可達(dá)到最大值,pH10以上則迅速降低。
瓜爾豆膠是一種溶脹高聚物,對它來說,水是惟一的通用溶劑,不過也能以有限的溶解度溶解于與水混溶的溶劑中,如乙醇液中,此外瓜爾豆膠具有良好的無機鹽類兼容性能,耐受一價金屬鹽,如食鹽等的濃度可高達(dá)60%;但高價金屬離子的存在可使溶解度下降。在控制溶液pH的條件下,瓜爾豆膠能與交聯(lián)劑,如硼酸鹽、金屬離子等反應(yīng)可生成稍帶彈性的黏質(zhì),瓜爾豆膠還能形成一定強度的水溶性薄膜。與其他多糖類物質(zhì)一樣,瓜爾豆膠及其衍生物在pH3或以下的酸性溶液中會導(dǎo)致降解,被水解的是糖苷鍵,結(jié)果黏度急速喪失。在輕度偏堿的pH下,鏈段還原末端β-位的切斷反應(yīng),使鏈緩慢縮短,這一過程比酸水解要慢。瓜爾豆膠加熱至很高溫度時可導(dǎo)致熱降解,瓜爾豆膠溶液加熱至80~95℃并持續(xù)一定時間,就可喪失黏度。
瓜爾豆膠是直鏈大分子,鏈上的羥基可與某些親水膠體及淀粉形成氫鍵,瓜爾豆膠與小麥淀粉共煮可達(dá)更高的黏度,瓜爾豆膠能與某些線型多糖,如黃原膠、瓊脂糖和κ-型卡拉膠相互作用而形成復(fù)合體,瓜爾豆膠與黃原膠有一定程度的協(xié)同作用,但與卡拉膠則無協(xié)同效應(yīng)。這種相互作用比之槐豆膠則相對較弱。在低離子強度下,與陰離子聚合物和陰離子表面活性劑配合后有增強黏度的協(xié)同作用。這些陰離子化合物被吸附在中性聚合物上,并因此而擴大了瓜爾豆膠的分子。這是在所吸附的帶陰離子的功能基團之間發(fā)生相互排斥作用的結(jié)果。如加入電解質(zhì),導(dǎo)入相反的離子從而中和了陰離子電荷,并因而破壞了協(xié)同作用。
3.瓜爾豆膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用
瓜爾豆膠與大量水的結(jié)合能力,使它在食品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。在食品工業(yè)上瓜爾豆膠主要用作增稠劑、持水劑,通常單獨或與其他食用膠復(fù)配使用;用于色拉醬、肉汁中起增稠作用,用于冰淇淋中使產(chǎn)品融化緩慢,面制品中增進口感,方便面里防止吸油過多,烘焙制品中延長老化時間,肉制品內(nèi)作粘合劑,也用于奶酪中增加涂布性等。在幾種常見食品中的具體應(yīng)用如下。
冰淇淋:少量瓜爾豆膠不能明顯地影響這種混合物物在制造時的黏度,但能賦予產(chǎn)品滑溜和糯性的口感。另外一個好處是使產(chǎn)品緩慢熔化,并提高產(chǎn)品抗驟熱的性能。用瓜爾豆膠穩(wěn)定的冰淇淋可以避免由于冰晶生成而引起顆粒的存在。
罐頭食品:這類產(chǎn)品的特征是盡可能不含流動態(tài)的水,瓜爾豆膠則可用于稠化產(chǎn)品中的水分,并使肉菜固體部分表面包一層稠厚的肉汁。特殊的、緩慢溶脹的瓜爾豆膠有時還可以用于限制裝罐時的黏度。
奶酪:在軟奶酪加工中瓜爾豆膠能控制產(chǎn)品的稠度和擴散性質(zhì)。由于膠能結(jié)合水的特性,使更滑膩和更均勻的涂敷奶酪有可能帶更多的水。
調(diào)味汁和色拉調(diào)味品:在調(diào)味汁和色拉調(diào)味品中,利用了瓜爾豆膠在低濃度下產(chǎn)生高黏度這一基本性質(zhì),使得這些產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和流變等感官品質(zhì)更加優(yōu)質(zhì)。
由于瓜爾豆膠來源穩(wěn)定,價格低廉,商品化的瓜爾豆膠衍生物也早已問世?;瘜W(xué)改性可使瓜爾豆膠改變在溶劑中的分散狀況,黏度、水化速率、溶液透明度等特性,產(chǎn)品有離子型的羧甲基瓜爾膠鈉(CMG)和非離子型的羥丙基瓜爾膠(HPG)等。
瓜爾豆膠在食品生產(chǎn)加工領(lǐng)域被廣泛使用,其市場相當(dāng)廣闊。目前,我國年需增稠劑4萬多噸,而實際國內(nèi)產(chǎn)量只有1萬多噸,天然植物膠的產(chǎn)量更少,這使得多年來我國每年只能從國外進口大量的瓜爾豆膠等天然植物膠來滿足國內(nèi)市場的需求,因此,我國每年都花大量的外匯從印度等國進口瓜爾豆膠,并且由于生產(chǎn)瓜爾豆膠的植物Cyamopsistetragonolobus主要種植在印度和巴基斯坦等地的干旱和半干旱地區(qū),有些“靠天吃飯”,自1993年瓜爾豆膠進入我國市場以來,其供應(yīng)量不很穩(wěn)定,由此導(dǎo)致市場價格的較大波動,另外瓜爾豆膠作為一種增稠劑,性能稍遜于黃原膠和結(jié)冷膠等微生物膠體,如耐熱性、耐酸性等性能不是十分理想,不溶性雜質(zhì)含量高,黏度和質(zhì)量不很穩(wěn)定等。這些問題使得瓜爾豆膠在食品生產(chǎn)應(yīng)用時有一定的局限性,但是瑕不掩瑜,目前瓜爾豆膠的價格卻只有結(jié)冷膠等膠體價格的約1/10,顯然在一般情況下,性價比要明顯高于它們,這也就是瓜爾豆膠目前已成為中國食品工業(yè)中用量最大的增稠劑之一的主要原因。此外我國有關(guān)部門從上世紀(jì)90年代起,就從國外引進瓜爾豆種子在我國部分地區(qū)試種,但因為氣候差異,管理不當(dāng)?shù)仍?,都沒有獲得成功,不過,前不久從我國的海南瓊山市傳來好消息:瓜爾豆在瓊山市靈山鎮(zhèn)試種喜獲成功,并且該省有關(guān)農(nóng)業(yè)專家樂觀地認(rèn)為,瓜爾豆今后可以在海南全年大面積種植,成本低、效益好,有很好的開發(fā)前景。無疑,這預(yù)示著瓜爾豆膠將在我國有著更為廣闊的發(fā)展前景。