食品中亲水胶体作为增稠剂和凝胶剂：一份批判性评论
食品中亲水胶体作为增稠剂和凝胶剂：一篇批判性评论
Dipjyoti Saha . Suvendu Bhattacharya
摘要：亲水胶体被广泛使用在许多食品配方中，来提高食品质量和保质期。两个主要的用途就是作为增稠剂和凝胶剂。作为增稠剂，发现它们用在汤类，肉汁，沙拉酱，酱汁和馅料等食品中，而作为凝胶剂，它们被广泛用于果酱，果冻，橘子酱，重组食品和低糖/卡路里凝胶等食品。本文针对在食品配方和产品开发中亲水胶体增厚和形成凝胶的特定应用的作用进行了评论。
关键词：亲水胶体；增厚；凝胶；流变性
引言
亲水胶体是一种长链聚合物异构组（多糖和蛋白质），其特点是当它们溶解在水中时会形成粘稠的乳液和/或凝胶。存在大量的羟基（-OH）组能显著提高它们结合水分子的亲和力，使其成为亲水性化合物。此外，它们产生的乳液，这是介于溶液和悬浮液之间的中间物，表现出了胶体的性质。考虑到这两个属性，它们恰如其分地被称为“亲水胶体或胶体”。
食品中大量使用胶体的背后最重要的原因是它们改变食品系统流变性的能力。这包括食品系统的两个基本属性，即流动性（粘度）和机械结构属性（质地）。食品系统的质地和/或粘度的改变，可以修改其感官特性，因此，胶体作为执行特定用途的重要的食品添加剂。很明显，几种胶体属于世界各地许多国家所允许的食品添加剂范畴。像汤类，肉汁，沙拉酱，酱汁和馅料等各种食品配方都使用胶体作为添加剂来达到所需的粘度和口感。它们还被用在许多食品中以达到所需的质地，像冰淇淋，果酱，果冻，凝胶甜点，蛋糕和糖果等。考虑到在调整食品配方的粘度和质地中的作用，在各种食品系统中采用单独或组合不同的胶体的一些研究已经被进行了。
食品中的亲水胶体有各种各样的功能特性。包括有增稠、凝胶、乳化、稳定、和控制冰块和糖的晶体生长，其中在胶体中发现被广泛使用的基本特性是增稠和凝胶。亲水胶体溶解在水中能对稠化和粘度产生影响。这种使水增稠的属性是所有胶体都共有的，这也是它们被广泛使用的主要原因。不同类型和性质的胶体增稠程度也不同，在相当高的浓度下，只有极少数粘度很低，但在浓度低于1％时，大多数粘度很高（Glicksman，1982年）。
虽然所有的胶体都能使水分散液增厚和产生粘性，一些生物大分子也有能形成凝胶的另一种主要特性。凝胶的形成是涉及聚合物链的关联或交联形成三维网络的现象，能使水分离或不动而形成一个刚性结构来抵抗流动。换句话说，它变得有粘弹性，既展示了液体又展示了固体的特点。凝胶的质地性能（例如，弹性或脆性，长期或可涂抹，耐嚼或黏稠）随使用的不同类型的胶体有很大的不同。其他感官性能，如混浊、口感和味道也取决于所采用的胶体。亲水胶体作为增稠剂的通常有淀粉、黄原胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、刺梧桐胶、胶黄蓍胶、阿拉伯胶和纤维素衍生物。凝胶型胶体有海藻酸钠、果胶、卡拉胶、明胶、结冷胶和琼脂。
增稠剂
亲水胶体在几种食物作为增稠剂是经常被使用的。增稠的过程，涉及到无序高分子链的非特异性构象反转交织；它本质上是一种聚合物-溶剂相互作用的结果（飞利浦等人1986年）。增稠的发生在临界浓度以上，称为重叠浓度（C*）。低于此浓度，聚合物乳液表现出牛顿流体行为，但显示出高于此浓度则表现非牛顿行为（飞利浦和威廉姆斯 2000年）。亲水胶体作为增稠剂（见表1）已使用于各种食品系统中，包括淀粉、变性淀粉、黄原胶、瓜尔豆胶、刺槐豆胶（LBG），阿拉伯树胶或阿拉伯胶、刺梧桐胶、胶黄蓍胶、羧甲基纤维素半乳甘露聚糖（CMC）。亲水胶体产生的增稠效果取决于使用的胶体类型、浓度、食品系统，也取决于食品体系的pH值和温度。
表1.用于食品中的重要胶体增稠剂
淀粉是最常用的胶体增稠剂，原因是它相对便宜、来源丰富并且如果在2％至5％的低浓度使用没有任何明显的味道。此外，由于淀粉是我们遇到的许多食品的一种常见成分，淀粉除了不提供任何外来味道，这是与树胶真正的不同之处。酸甜酱汁和各种多糖组合物的增稠，像马铃薯淀粉黄原胶和燕麦淀粉黄原胶已经被研究。增稠剂性能的评价，认为其是以感官性能和流变学的效果为基础。与马铃薯淀粉黄原胶组合物相比，燕麦淀粉黄原胶组合物具有较好的增稠性能，从他们的触变性能源进行评估。马铃薯淀粉黄原胶是阴离子多糖，因此高效分子间的相互作用所需的增稠在热力学上格格不入（Gibinski等人，2006年）。在甜点酱汁中发现有适合作为增稠剂，如草莓酱、淀粉、黄原胶的组合物。它给酱汁提供至少3个月稳定的感官特性和质地特性。虽然淀粉增稠剂使用的酱汁在存储时是最稳定的；马铃薯淀粉和0.12％的黄原胶是一个卓越的增稠剂（西科拉等人，2007年）。
除了淀粉和黄原胶，各种食品系统中用于增稠的其他亲水胶体列于表2。瓜尔胶和刺槐豆胶是半乳甘露聚糖，有不同的水溶解度，由于在半乳糖替代程度上存在差异（Kok等人，1999年）。虽然瓜尔豆胶半乳糖含量较高,膨胀和分散在冷水和热水里，刺槐豆胶（LBG）需要加热才能几乎完全溶解（王等人，2000年；邓斯坦等人，2001年）。瓜尔豆胶的粘度范围通常在6000到7500 mPas，LBG通常在3000到3500，分散在1％的固体中（亚历山大 1999a）。与LBG比较，瓜尔豆胶粘度要高的原因是瓜尔豆胶较高的分子量（卡萨斯等人，2000年）。
表2.主要的胶体凝胶剂及其特点
增稠过程
胶体的应用取决于对增稠过程中的知识和了解——这是任何胶体的重要作用。食品中亲水胶体的职能作用有（a）增稠，其中无序高分子链的非特异性构象反转交织，和（b）结构/凝胶，其中包括具体的高分子链的非特异性构象反转有序的交界地带（飞利浦等人 1986年）。
凝胶和凝胶剂
凝胶也可以被定义为介于固体和液体之间和显示一定机械强度的中间物质形式（阿奎莱拉 1992年）。他们组成的聚合物分子交联形成缠结的和相互关联的分子网络沉浸在液体介质中，这在食品系统中是水（Oakenfull 1987）。高水分的食物中使用“凝胶”的食品技术，当其从容器中取出时，能或多或少地保留它们的形状。然而，凝胶最常用的定义是从动态粘度获得流变。根据这个定义，凝胶是一种储能模量（G'）比损耗模量（G"）大的粘弹性系统（德弗里斯 2004年）。亲水胶体通过氢键、疏水缔合和离子介质交联形成凝胶高分子链的物理链，这不同于合成的高分子凝胶，通常包括共价交联的聚合物链。因此，胶体凝胶通常被称为“物理凝胶”（飞利浦和威廉姆斯 2000年）。
虽然所有的胶体能增稠水分散液，只有相对较少的树胶形成凝胶。由此形成的凝胶在凝胶的性质和质地上也是千差万别。因此，特别是胶体形成凝胶所需的条件知识和凝胶产生的特性，以及它赋予的质地是设计特定的食物配方中非常重要的方面。发现食品中作为重要的凝胶剂使用的树胶包括有海藻酸钠、果胶、卡拉胶、结冷胶、明胶、琼脂、变性淀粉、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素。一些重要凝胶剂的凝胶特性，总结在表2中（威廉姆斯，2006年）。
凝胶过程
凝胶的形成涉及以这样的方式随机分散在聚合物链的乳液中，从而形成一个立体的空隙中包含溶剂的网络。被称为“交界区”的相关区域可能是由两个或两个以上的高分子链形成的。凝胶的过程，实质上就是这些交界地带形成的过程（Oakenfull 1987年）。胶体凝胶可以涉及结构层次，其中最常见的是在“交界区”，聚合主链的基础上形成三个凝胶特性的三维网络。这些交界地带的物理排列能受到各种参数的影响，如温度、离子的存在和胶体内在结构。亲水胶体的凝胶，提出的三个主要机制是离子型凝胶，冷集型凝胶和热定型凝胶（Burey等人，2008年）。
离子型凝胶通过胶体离子链的交联发生，通常在带负电荷的多糖体阳离子介质的凝胶过程。这种系统的例子有海藻酸钠、卡拉胶、果胶（Draget，2000年；Imeson，2000年；2000年5月）。离子型凝胶通过扩散设置或内部凝胶进行。在冷集型凝胶中，胶体粉末溶解在温水/开水中形成分散液，冷却链间的螺旋稳定的结果，导致个别链段形成了三维网络。琼脂和明胶通过这一机制形成凝胶（Glicksman，1982年）。热集型凝胶需要应用热凝胶（例如可得然胶、魔芋胶、甲基纤维素、淀粉和球状蛋白质）。它通常只在热定型食品中有（例如，使用淀粉的酱料）。热定型机制的产生通过展开/扩大原淀粉/蛋白质，然后他们陆续重排成网络结构（Nishinari和Zhang ，2004年）。
凝胶中交界区的作用
在亲水胶体（德弗里斯2004）的凝胶过程中交界区发挥了非常重要的作用。他们也能明显影响特定凝胶的特性和功能。分子的数量是形成交界地带一个重要的凝胶特性决定因素。在凝胶过程中，交界区是由三个分子通过氢键形成的。在k-卡拉胶中，六到十个分子形成一个交界地带，而在i-卡拉胶中，只有两个分子参与。交界地带的分子数量越多，形成的凝胶越坚硬。因此，k-卡拉胶的多分子交界区更坚硬，当有剪切力影响时不太容易断裂，而i-卡拉胶凝胶具有更灵活的纹理和更容易剪切。交界区的数量和交界区的分子数量以及中断分部的灵活性对凝胶特性是很重要的。i-卡拉胶和海藻酸钠的交界区是由两个分子组成的，但与几乎相同的强度的海藻酸钠凝胶相比，i-卡拉胶凝胶在被破坏之前可以承受更多的变形。凝胶的热行为也因为交界区而有所不同。凝胶的融化温度要低得多，因为交界区仅由弱氢键约束。另一方面，，因为交界区钙桥梁的力量，它可以使海藻酸钠凝胶沸腾而不融化。影响交界区强度的主要因素之一是其长度。钙桥梁的合作，即粘结强度比结区长度的比例增加得多。溶剂的质量是令一个重要的因素。如果增加的糖充分的减少了水的活性，高甲氧基果胶凝胶中只能形成氢键。
亲水胶体作为凝胶剂的应用
要在一个特定的食品中选择使用特定的胶体取决于凝胶剂的特点。例如，海藻酸钠在加热前就可以形成凝胶，因为海藻酸钠溶于冷水，这些冷成型的凝胶有热稳定性。这使得海藻酸钠成为重组食品和冷准备的快餐面包店烘烤稳定的蛋奶的首选凝胶剂。在扩散集的重组食物中，海藻酸钠凝胶的快速设置行为也很重要（Draget 2000年）。海藻酸钠凝胶成型剂发现在重组的水果和蔬菜，重组的鱼和肉，糕点和甜点，冷准备的面包店药膏，水果制品和面包果酱中有应用（Onsoyen 1992年）。在糖衣和配料中，水果馅饼和表果冻酸盐的使用，但它们与牛奶是不相容的，除了在钙螯合剂存在的条件下。
卡拉胶在奶类甜品中发现应用最广，像布丁、奶昔、冰淇淋、巧克力牛奶，因为与其他任何凝胶剂相比，它在牛奶中形成凝胶的浓度都要低得多（Puvanenthiran等人，2003年；德弗里斯，2004年；Verbeken等人，2004年）。当在豆腐（豆腐）中使用卡拉胶、硫酸钙和醋酸钙，能显著降低豆腐的硬度。在低浓度（2克/升）时，卡拉胶能增加大豆蛋白凝胶的持水能力（Abd Karim 等人，1999年）。卡拉胶的另一个重要应用是在注水肉里，当火腿已经熟了的时候只有卡拉胶可以在没有过高粘度和形成凝胶的同时分散在盐水中（德弗里斯，2004年）。由于卡拉胶凝胶的清晰度和高的凝胶温度，所以它的价值在准备蛋糕釉和水甜点凝胶中。此外，公司和卡拉胶凝胶的快速设置行为是利用的加工奶酪系统（托马斯，1992年）。然而，在酸性条件下（pH值<4），卡拉胶的降解需要高温，而果胶在酸性条件下很稳定（德弗里斯，2004年）。
商业果胶发现在果酱和果冻中有最大应用。这是因为果胶，特别是高甲氧基果胶凝胶要求糖固形物> 55％。果胶是最受人们喜欢的酸性水果的凝胶剂，因为它酸稳定。为了克服高甲氧基果胶的限制，低甲氧基果胶（包括商业和酰胺类型）被用于制备低糖果酱和果冻。低甲氧基果胶也可以用于烘焙行业釉料的生产。果胶的其他应用包括有甜点、水凝胶和牛奶为主的凝胶。牛奶和奶制品可以很容易地用低甲氧基果胶凝胶，因为它们含有钙，牛奶甜点和凝胶或增稠的牛奶产品，如酸奶，也可以制备。
明胶具有广泛的功能特性。它可以用来作为果冻糖果中的凝胶剂（琼斯，1977年）。明胶凝胶可以在相对低的温度里融化（在嘴里融化），他们是缓慢的设置，所有的这些特点使得其在酸奶制品、低脂产品和糖果中作为凝胶剂的首选。
增稠剂和凝胶剂的流变
在增稠乳液和形成凝胶的研究中，通过各种胶体凝胶剂形成的凝胶的表征成为了研究的重要组成部分。表征可能涉及有流变特性，结构表征，微观表征和分子特性，采用不同的乐器，如粘度计，流变仪，纹理测量系统，差示扫描量热仪，扫描电子显微镜，原子力显微镜，核磁共振和近红外。其中，样品的流变特性是最重要和最普遍执行的做法，因为它与纹理属性的产品相关，这反过来，又可以确定其感官特性和消费者接受程度。
结论
作为一种重要的食品添加剂，发现亲水胶体作为增稠剂和凝胶剂在一些食品中的应用越来越多。增稠效应主要是由羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、瓜尔豆胶、刺槐豆胶、塔拉胶、魔芋胶、胶黄蓍胶、达瓦树胶和阿拉伯树胶。经常被使用的凝胶剂包括有改性淀粉、琼脂、卡拉胶、果胶、结冷胶、藻酸盐和甲基羟丙基纤维素。每种胶体在食品配方和产品开发中的作用已经随例子和表征方法讨论过了，表明了亲水胶体作为一种重要的食品添加剂的使用量在逐渐增加。
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