卡拉胶

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k-型卡拉胶
k-型卡拉胶

k-型(kappa)卡拉胶以麒麟菜属藻类植物为主要原料,经过晾晒、碱处理、水洗、酸化漂白、水洗、煮胶、过滤、冷却、压榨脱水、干燥、研磨等工序得到k-卡拉胶粉末。k-卡拉胶的凝固性是各种类型卡拉胶中最好的。因其独特的热可逆凝胶化、抗蛋白凝结、亲水无毒、可生物降解、低成本等特点,在食品、化工、包装、制药以及可食保鲜膜等方面备受关注。

k-型卡拉胶基本参数

产品名称k-型卡拉胶产品别名卡帕卡拉胶、卡拉胶类型III、Κ-角叉菜聚糖
英文名称kappa-Carrageenan原料麒麟菜
产地菲律宾结构D-半乳糖-4-硫酸酯和3,6-内醚-D-半乳糖
CAS11114-20-8类型k-型精致卡拉胶、k-型半精致卡拉胶
性质流变特性、胶凝性、稳定性用途食品/化工/包装/制药

k-型(kappa)卡拉胶原料

k–型卡拉胶原料主要产于菲律宾海域的耳突麒麟菜品种。

麒麟菜是提取k-型卡拉胶、i-型卡拉胶的原料。耳突麒麟菜原产于菲律宾,现在印度尼西亚、坦桑尼亚等国家均有养殖,藻体内含有相对较纯的k–型卡拉胶。

k-型卡拉胶类型

k-型卡拉胶有半精制卡拉胶、粗制品卡拉胶和精制卡拉胶等类型。

k-型半精致卡拉胶

k-型半精致卡拉胶以干燥的海藻为原料,经过切割、8.5%KOH处理、冲洗、自然晒干再进行碾磨即可。

k-型精致卡拉胶

k-型精致卡拉胶萃取工艺更为复杂,主要工艺为碱处理、酸化漂白、加水或助剂提胶、过滤、盐凝或醇沉淀、干燥、研磨得到成品。精制k-型卡拉胶得到的凝胶纯度较高,纤维含量相对较少且透明度较强。虽然半精制k-型卡拉胶提取工艺相对简单但纤维含量及黏度相对较高,透明性差,胶溶液较浑浊,但总的来说,精制胶和半精制胶都能符合FAO/WHO的黏度质量指标要求,即1.5%溶液在75℃时,黏度为5×10-3Pa·s以上。

k-型卡拉胶质量指标

项目 国家标准 企业标准
A级精胶 B级精胶
硫酸酯(SO42计) 15~40% 15~40% 15~40%
粘度75℃ ≥0.01Pa.s ≥0.01Pa.s ≥0.01Pa.s
干燥失重 ≤15% ≤12 ≤12
总灰分 ≤30% ≤30% ≤30%
酸不溶灰分 1% 1% 1%
0.001% 0.001% 0.001%
0.002% 0.002% 0.002%
细度 无规定 60-80目 60-80目
凝胶强度20℃ 无规定 1700 1500

k-型卡拉胶结构

k-型(kappa)卡拉胶由α(1→3)-D-半乳糖-4-硫酸盐和ξ(1→4)-3,6-脱水-D-半乳糖的部分硫酸酯基所组成。在k -型卡拉胶的海藻提取物中,有一部分D半乳糖上由6-硫酸酯基取代,而部分3,6-脱水-D-半乳糖上接有2-硫酸酯基团。6-硫酸酯基团能显著降低凝胶能力,但在生产过程中如用碱处理,有可能转移掉6-硫酸酯基团,结果形成3,6-脱水-D-半乳糖,这使它的分子成为高度规律的结构形式,并提高了胶凝能力(如图1所示)。

k-型卡拉胶结构

k-型拉胶的热可逆螺旋凝胶化机理

7种卡拉胶的重叠交替结构

卡拉胶类型
D-半乳糖-4-硫酸酯 D-半乳糖-6-硫酸酯 μ
D-半乳糖-2,6-硫酸酯 ν
3,6-内醚-D-半乳糖 k
3,6-内醚-D-半乳糖-2-硫酸酯 i
D-半乳糖-2-硫酸酯 D-半乳糖-6-硫酸酯 λ
3,6-内醚-D-半乳糖-2-硫酸酯 θ
D-半乳糖-6-硫酸酯 ξ

k-型卡拉胶类型鉴别

1、取卡拉胶样品4g,加入蒸馏水200mL,加热至80℃不断搅拌直至本品溶解。用蒸馏水补充蒸发损失的水分,使溶液冷至室温,变成半透明粘稠液体,并能产生凝胶状物。

2、取上述溶液5mL,加入2.5%化钾溶液200mL,重新加热并充分混匀、冷却,用玻璃棒测试,当出现脆性的胶体,说明是以κ-型为主的卡拉胶。

k-型卡拉胶的性质

流变特性

1、k-型卡拉胶溶液黏度随浓度的增大而呈现指数规律增加,此种趋势变化是因为溶液浓度增加,分子间的相互作用增强。无机盐可降低k-型卡拉胶溶液的黏度,这是因为盐能够降低半酯式硫酸根之间的静电引力。

2、k-型卡拉胶溶液的黏度随温度的升高而呈现指数规律下降,这是由于滞后现象引起的。在较小的温度变化内,在没有发生降解的平稳条件下,黏度和温度的关系具有可逆性。恒温条件下,维持时间的长短也会影响k-型卡拉胶溶液的黏度。延长恒温时间,胶体逐渐解离,分子间的缠结断开,黏度会出现下降趋势。

3、随着搅拌速率的增加,k-型卡拉胶溶液黏度缓慢下降,k-型卡拉胶溶液呈现假塑性,黏度与测定时的切变力大小有关,这时液体具有剪切稀化的特点。

4、此外,因为k-型卡拉胶是带负电荷的生物聚合物,所以其溶液的黏度随pH值的增大而增大,且在接近中性(pH=5.0~9.0)时基本稳定,随后又下降。强酸、强碱条件下,会因为电荷之间的引力或斥力,使得黏度下降。

与蛋白质的反应性

k-型卡拉胶独特的性质是与蛋白质的反应性。k-型卡拉胶是带负电荷生物聚合物,但蛋白质为两性物质,其可与蛋白质产生交互作用,根据浓度和pH的不同,分别发生凝聚沉淀、悬浮和凝胶作用,这种相互作用可以提髙蛋白质的构象稳定性、乳化特性、凝胶能力及抗氧化特性,如冷冻食品中k-型卡拉胶与清蛋白的交互作用,肉类蛋白与k-型卡拉胶的协同增效作用,使k-型卡拉胶作为牛奶稳定剂、酿酒澄清剂等广泛应用于食品加工中。

浓度较低的k-型卡拉胶溶液能跟食品中的蛋白质反应,尤其是与乳酪蛋白生成聚合物,使溶液稳定。据此,k-型卡拉胶可作为奶制饮料、奶制巧克力、奶制咖啡等的稳定剂,使用浓度为0.0075~0.002%中性巧克力奶饮料中k-型卡拉胶与奶蛋白形成弱凝胶以维持可可微粒的悬浮,避免可可粒迅速沉积。

胶凝性

k-型(kappa)卡拉胶是一种坚硬胶质固体。一种热可逆性的凝胶体。其硫酸盐化程度为25~30%。有吸湿性。Ph为9时最为稳定。其胶凝作用取决于温度、抗衡离子和其他多糖的浓度。溶于极性溶剂、热乳、热而浓的糖溶液、60℃以上的水中,不溶于浓的盐溶液、35%的乙醇,不溶于冷乳而溶胀。其钠盐溶于冷水中,钾盐和钙盐不溶于冷水中。

k-型拉胶凝胶特性

类别 k-型卡拉胶 λ-型卡拉胶 i-型卡拉胶
阳离子的影响 与钾离子可形成很强的凝胶 不凝胶 与钙离子可形成很强的凝胶
凝胶的类型 强而脆,会脱水收缩 不凝胶 有弹性和凝聚力,不会脱水收缩
与刺槐豆胶的协同效应
冻结/解冻的稳定性 稳定

稳定性

k-型拉胶干粉非常稳定,货架期较长,降解十分缓慢。k-型卡拉胶是负离子聚合物,其溶液在中性和碱性条件下,性质稳定,即使加热也不会发生水解作用;然而,在酸性条件下,极易发生水解作用,加热会促进水解作用,使得k-型卡拉胶溶液黏度下降且不能形成凝胶。室温下,凝胶状态卡拉胶抵抗酸水解的性能好于溶解状态,这是由于在凝胶状态时,k-型卡拉胶分子是比较规则紧密的三维网络结构,对糖苷键起到保护作用,降低了酸水解的程度。

k-型卡拉胶的生物活性和毒理学性质

k-型卡拉胶是一类特殊的海洋硫酸多糖,其具有独特的生物活性。美国食品与药物管理局(FDA)已将卡拉胶列为安全的产品,并对其添加量没有限制。

k-型卡拉胶与其他食品胶的复配性能

k-型卡拉胶与明胶、刺槐豆胶、魔芋胶等存在明显的协同增效作用。从质构角度分析,对混合胶的硬度、光滑度、咀嚼性、弹性、脆性、内聚性及黏性进行检测,都有明显提升。从感官角度来看,混合胶相比于单一k-型卡拉胶适口性更好,透明程度也有所提高,结构更接近于明胶。其复配胶可广泛应用于肉冻、调味料、果汁和糖果等食品加工中,具有很多的实用价值。

k-型卡拉胶与刺槐豆胶的复配

κ-型卡拉胶单体所形成的强而脆的凝胶,其收缩脱水性在许多应用中会带来不利。但当与其他胶结合后所引起的组织结构的变化,使之具有很多实用价值,尤其在食品方面,当κ-型卡拉胶加入刺槐豆胶后,卡拉胶的双螺旋结构与刺槐豆胶的无侧链区之间的强键合作用,使生成的凝胶具有更高的强度,不仅使该体系的弹性和刚性因之提高,并随着刺槐豆胶浓度的增加,其内聚力也相应增强。当两种胶的比例达1:1时,凝胶的破裂强度可相当高,因而产生相当好的可口性。从感官的角度来看,刺槐豆胶可使κ-型卡拉胶凝胶的脆度下降而弹性提高,使之接近于明胶凝胶体的组织结构,但如果刺槐豆胶的比例过高,凝胶体会愈益胶稠。

k-型卡拉胶与刺槐豆胶复配可用于制作弹性果冻,只要加热80℃以上使刺槐豆胶充分水化,形成凝胶仍为热可逆性凝胶,二者以2:1复配达最大凝胶强度,且用量仅为k-型卡拉胶单独用量的1/3。k-型卡拉胶与刺槐豆胶复配还可用于制造低脂福兰克红肠,具有良好的粘合作用。k-型卡拉胶与刺槐豆胶、CMC、瓜尔胶复配可作为冰淇淋的稳定剂,且用量为0.1~0.2%。

k-型卡拉胶与魔芋胶的复配

k-型卡拉胶与魔芋胶协同作用,可以增强凝胶的强度和弹性,降低析水率。有研究表明,两者存在着很强的协同胶凝作用,其复配形成的凝胶具有很强的韧性。随魔芋胶所占比例增大,凝胶的韧性增大,而随卡拉胶比例增大,凝胶脆性增大,当m(魔芋胶):m(卡拉胶)=6:4时,凝胶强度最大;与单独的卡拉胶凝胶相比,复配凝胶保水性明显增强,其凝胶体系结构发生明显变化;单独卡拉胶形成的凝胶,卡拉胶分子螺旋排列散乱,凝胶网络结构松散;而协同凝胶体系中,胶束紧密缠绕链接,凝胶网络结构致密。

k-型卡拉胶与魔芋精粉也有很好的凝胶增效作用,以1:2形成最大凝胶强度,用量仅1~1.2%就能制作低成本的优质果冻。

k-型卡拉胶与结冷胶的复配

k-型卡拉胶与结冷胶混合,当结冷胶浓度降低时,混合凝胶的模量值降低。当结冷胶的比例低于总量的50%时,凝胶缺乏坚硬度和脆性,但更具弹性。同时,卡拉胶也能降低结冷胶的脱水收缩程度。

k-型卡拉胶与刺云豆胶的复配

刺云豆胶对k-型卡拉胶也有一定程度的增效作用,效果稍次于刺槐豆胶。使用时添加蔗糖能使凝胶变得更透明些。

k-型卡拉胶在食品中的应用

目前k-型卡拉胶在食品中的应用十分广泛,通常在食品加工中作为填充剂、载体、乳化剂、胶凝剂、上光剂、湿润剂、悬浮稳定剂、增稠剂等食品辅助剂(添加剂),用于包括奶制品、肉制品、饮料、啤酒、人造肉及宠物食品中。

k-型卡拉胶在食品中的具体应用情况

食品 作用 添加量%
果冻 凝胶 0.5~1.0
调味汁酱 增稠、弱凝胶 02~0.5
火腿 凝胶 1~2
酸奶 稳定 0.2~0.5
巧克力奶 悬浮 0.01~0.035
奶酪 改进涂布性 0.01~0.05
发泡稀奶油 稳定膨胀度 0.05~0.15
冷冻浓缩物 成浆作用 0.10~0.20
糖浆(水) 悬浮、增稠 0.30~0.50
水果饮料 增稠 0.10~0.20

k-型卡拉胶在冷冻面团蒸制面食制品应用

冷冻面团蒸制面食制品是以小麦粉为基料以酵母、水为辅料,经面团调制、发酵、整形制成冷冻面团坯,经速冻后,低温储藏,再经解冻蒸制而成的即蒸即食的面制食品制作过程中,以k-型卡拉胶为食品添加剂,k-型卡拉胶的最适宜添加量在0.03~0.05%改善制品的一些不良情况。

k-型卡拉胶添加到冷冻面团蒸制面食制品中,可以与面筋蛋白相互作用增加面筋网络的厚度及发酵时的持气力,且在冷藏过程中可以防止冰晶由小冰晶逐渐长成大冰晶,从而防止面筋网络造成冰晶的破坏而造成解冻时冷冻面团塌陷,有裂口等质量问题。k-型卡拉胶不但有增筋的效果,还可以改善冷冻面团的口感,使口感爽滑、有筋力作为冷冻保护剂可防止蛋白质变性,延缓冷冻面团质量的劣变,延长冷冻面团的货架期。

k-型卡拉胶在饼干夹心果酱应用

饼干夹心果酱是把柠檬酸钾、k-型卡拉胶、羟丙基二淀粉磷酸酯和砂糖混合后加水、果葡糖浆以及山梨糖醇液搅拌至粉类溶解,再加热糊化后,冷却至常温即可。k-型卡拉胶一般使用量为1%~2%。

饼干夹心果酱的工艺特点和应用要求比较特别般需在常温下具有较强的凝固性,但在注酱工艺中需要果酱具有一定的流动性。利用k-型卡拉胶的热可逆性,即“溶胶-凝胶”加热到一定温度时果酱变软,易于注酱操作,冷却后凝固,保持了质地和口感,也起到了延长保质期的作用。

k-型卡拉胶在人造肉和蛋白纤维方面应用

k-型卡拉胶在人造肉和蛋白纤维方面也有一定的应用,即在配料过程中加入k-型卡拉胶和海藻酸钠,蛋白质不需要经过老化过程,浓度低的或者没经过纯化的蛋白质溶液一样可以用以纺丝,而且还能改进纺丝的强度和吸水性,用人造蛋白纤维进步制造人造肉时,还可以用k-型卡拉胶作粘合剂。

k-型卡拉胶在肉制品中起凝胶、保水、乳化、增强弹性等作用,可有效地增强肉的持水性,提高口感,改善切片性,提高产品质量。

k-型卡拉胶在其他食品应用

一方面,k-型卡拉胶在肉、酱、奶等制品中,可以起到锁水、增稠、稳定的作用,还能与蛋白质相互作用形成络合物,以形成触变性的摇溶结构,防止颗粒间聚集形成沉淀。另一方面,k-型卡拉胶在饮料、酿酒、软糖、果冻等休闲食品加工中也具有很多实用价值,如啤酒和葡萄酒中作为澄清剂,以有效缩短澄清时间;果肉饮料中作为悬浮剂和稳定剂,以减缓果粒沉降速度。

k-型卡拉胶在鲜切水果、蔬菜保鲜方面也有较好的应用前景。k-型卡拉胶膜具有较强的抗拉力及透光度,较低的水蒸气透过率,能够降低细胞的呼吸作用、抑制多酚氧化酶的活性,有效降低褐变程度;此外,k-型卡拉胶在医药方面也广泛应用。

k-型卡拉胶前景展望

κ-型卡拉胶是一种特殊的海洋硫酸多糖,具有特殊的生理功能和功能特性,及很高的研究价值。如果更广泛地应用于食品领域,会提高相关食品食用品质和经济价值,并有助于研发出各种新型食品。

参考资料
1.功能性食品胶第2版胡国华[2014]
2.食品增稠剂第二版黄来发[2009]
3.詹晓北,王卫平,朱莉.彩88彩票的生产、性能与应用[M].北京:中国轻工业出版社[2003]
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