鞘氨醇膠S s膠凝條件及質(zhì)構(gòu)特性的研究

黃海東，李曉雁，段娜，靳然

（天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)系，天津300384）

食品膠是一種能夠增加食品黏度或形成凝膠的添加劑，按來(lái)源可分為植物膠、動(dòng)物膠、微生物膠、海藻膠和化學(xué)改性膠。與其它來(lái)源的食品膠相比，微生物膠性能優(yōu)越、用途廣泛、資源取之不竭，而且生產(chǎn)周期短、不受氣候、地理環(huán)境和自然災(zāi)害的影響[1－2]。在食品工業(yè)被廣泛使用的微生物膠包括黃原膠、結(jié)冷膠等，其中由少動(dòng)鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas paucimobilis ATCC 31461）合成的結(jié)冷膠具有膠凝用量少，凝膠性能優(yōu)越，透明度高，風(fēng)味釋放能力強(qiáng)，食用時(shí)提供優(yōu)良的質(zhì)地和口感等優(yōu)點(diǎn)，目前已逐步替代瓊脂、卡拉膠，在飲料、面包、乳制品、果醬、果凍等產(chǎn)品中廣泛使用，是極具發(fā)展前景的一類微生物源食品膠[3－4]。

近年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)鞘氨醇單胞菌屬的很多菌株都能合成微生物膠，它們的多糖主鏈結(jié)構(gòu)相似，但側(cè)鏈基團(tuán)種類多樣，被統(tǒng)稱為鞘氨醇膠（Sphingans）[5]，包括結(jié)冷膠、溫輪膠、鼠李膠、迪特膠、S－88等。Ss是鞘氨醇膠的一個(gè)新品種，具有增稠和剪切稀釋性，并且能形成凝膠，其合成菌株TP－3是鞘氨醇單胞菌屬的一個(gè)新種 Sphingomonas sanxanigenens sp.nov.[6－7]。本文對(duì)鞘氨醇膠Ss的膠凝條件和凝膠質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行研究，為這種新型微生物膠的深入開發(fā)和在食品領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考和技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

菌種：Sphingomonas sanxanigenens sp.nov.TP－3。

斜面培養(yǎng)基（g/L）：葡萄糖 10.0，蛋白胨 5.0，牛肉粉 3.0，酵母粉 3.0，瓊脂粉 15.0，pH7.0～7.5。

種子培養(yǎng)基（g/L）：葡萄糖 12.0，蛋白胨 2.5，酵母粉 1.5，pH7.0。

初始發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L）：葡萄糖40.0，蛋白胨2.5，硫酸鎂0.5，磷酸二氫鉀1.5，碳酸鈣1.5，pH7.0。

化學(xué)試劑：NaCl、KCl、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、ZnSO4·7H2O、FeSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、MnSO4·7H2O等均為分析純。

1.1.2 主要儀器

Biofuge高速冷凍離心機(jī)：Heraeus公司；BCM－1 000 A生物潔凈工作臺(tái)：蘇州安泰；LRH－150B生化培養(yǎng)箱：廣東醫(yī)療器械廠；HYG－III回旋式搖床：上海新蕊公司；HH－Z4恒溫水?。亨嵵蓍L(zhǎng)城科工貿(mào)公司；TA.XT2i質(zhì)構(gòu)儀：英國(guó) Stable microsys公司；PHS－3C 型數(shù)字酸度計(jì)：上海鵬順公司；光學(xué)數(shù)碼顯微鏡：日本Nikon公司；LGJ－18S真空冷凍干燥器：北京松源華興公司。

1.2 方法

1.2.1 發(fā)酵流程

1.2.1.1 菌種活化

?。?0℃保藏菌種劃線接種到平板上，30℃恒溫靜置培養(yǎng)72 h；挑取單菌落在試管斜面培養(yǎng)基上劃線，30℃恒溫培養(yǎng)72 h。

1.2.1.2 種子培養(yǎng)

用移液器取5 mL無(wú)菌水將菌苔從斜面培養(yǎng)基上沖洗下來(lái)，并轉(zhuǎn)移到裝有100 mL種子培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中，30℃，180 r/min振蕩培養(yǎng)24 h。

1.2.1.3 搖瓶發(fā)酵

以5%接種量將種子培養(yǎng)物接入裝有100 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中，30℃，180 r/min振蕩培養(yǎng)72 h。

1.2.2 產(chǎn)物提取

將發(fā)酵液稀釋10倍，10 000 r/min離心30 min，去除不溶物；上清液中加入0.8 mol/L的鹽酸，調(diào)節(jié)pH至3.0左右，用玻璃棒攪拌并充分振蕩，鞘氨醇膠Ss即凝集沉淀下來(lái)。將沉淀的Ss放入透析袋中，流水透析至中性，60℃烘干至恒重，粉碎，得到鞘氨醇膠Ss產(chǎn)物。

1.2.3 Ss溶液的制備

稱取一定量的Ss粉末，溶解于適量的去離子水中，攪拌使之分散均勻，4℃溶脹過(guò)夜，恢復(fù)至室溫待測(cè)。

1.2.4 Ss凝膠的制備

將預(yù)先制備的Ss溶液置于80℃水浴，保溫15min，期間搖動(dòng)容器使溶液受熱均勻，室溫靜置12 h待測(cè)。

1.2.5 Ss凝膠質(zhì)構(gòu)特性的測(cè)定

采用0.5英寸柱形探頭（P/0.5R）[8]；數(shù)據(jù)采集頻率250 pps；測(cè)試程序設(shè)置為：

測(cè)試前速度：2.0 mm/s；測(cè)試速度：5.0 mm/s；測(cè)試后速度：5.0 mm/s；距離：10.0 mm；觸發(fā)力：4.0 g。

2 結(jié)果與分析

2.1 鞘氨醇膠Ss的膠凝條件

按照1.2.2方法提取的Ss膠，濃度大于0.5%加熱到80℃以上，冷卻至室溫后可以形成一種熱可逆凝膠。將這種天然Ss膠溶液按照文獻(xiàn)[9]的方法脫?；螅?.4%的Ss膠即可形成凝膠。陽(yáng)離子的加入有利于Ss凝膠的形成，例如 K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Zn2+，但 Fe3+和Al3+會(huì)影響Ss的溶解。實(shí)驗(yàn)表明，用2 mol/L NaOH將Ss溶液的pH調(diào)節(jié)到10，在80℃恒溫震蕩60 min，可以得到低?；鵖s樣品，加入25 mol/L Ca2+后，這種低?；鵖s樣品的最低膠凝濃度為0.15%，最低加熱溫度為70℃。

2.2 膠濃度對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)的影響

膠濃度對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)的影響見(jiàn)圖1。

鞘氨醇膠Ss凝膠的形成與其濃度密切相關(guān)，在0.2%～0.5%的濃度之間，Ss水溶液形成一種預(yù)凝膠狀態(tài)，有良好的懸浮性能。在0.5%～1%范圍內(nèi)，Ss凝膠強(qiáng)度和彈性隨著膠濃度的增加而增加，黏附性的增加則相對(duì)比較緩慢；當(dāng)Ss濃度達(dá)到1.2%時(shí)凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)都有不同程度的下降，這可能與高濃度Ss在水中難以溶解均勻有關(guān)。

2.3 pH對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)的影響

pH對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)的影響見(jiàn)圖2。

Ss與報(bào)道過(guò)的其它鞘氨醇膠在化學(xué)組成上有所不同，其分子由糖、脂、肽結(jié)合組成，加入乙醇或異丙醇無(wú)法使其沉淀，而Ss肽組分中高比例的酸性氨基酸使其對(duì)低pH不穩(wěn)定，可以采用低成本的酸沉法提取。這種特殊的化學(xué)組成使Ss凝膠對(duì)低pH敏感，在pH 4和5的條件下，凝膠致密因而硬度和彈性顯著增加；隨著pH升高，特別是pH＞10后，Ss化學(xué)結(jié)構(gòu)中的酯鍵斷裂，凝膠的硬度、彈性和黏附性開始逐漸降低。

2.4 放置條件對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)的影響

為檢測(cè)Ss凝膠的穩(wěn)定性，將0.5%的Ss溶液80℃保溫15 min后，放置在4、20、30℃條件下，定時(shí)檢查凝膠的質(zhì)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明，溫度對(duì)凝膠的黏附性影響不大；對(duì)凝膠硬度有較大影響，在4℃下Ss凝膠的硬度是20℃條件下的1.36倍和30℃條件下的1.45倍；20℃和30℃條件下的凝膠彈性相近，4℃條件下放置彈性提高35%。在不同條件下放置7 d，Ss凝膠的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)基本保持不變。

2.5 陽(yáng)離子對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)特性的影響

陽(yáng)離子對(duì)鞘氨醇膠Ss質(zhì)構(gòu)特性的影響見(jiàn)圖3。

陽(yáng)離子是影響Ss凝膠形成和質(zhì)構(gòu)特性的重要因素，陽(yáng)離子的加入能減少Ss用量并改善凝膠的質(zhì)構(gòu)特性。為保證Ss樣品的充分分散和溶解，在冷的去離子水中加入陽(yáng)離子母液，進(jìn)而溶解提取后的樣品，使Ss的終濃度為 0.6%，Na+、K+、Zn2+、Mg2+、Ca2+的終濃度為0.5 mmol/L。制備膠凝樣品后，質(zhì)構(gòu)測(cè)定表明：與對(duì)照相比，凝膠硬度、彈性和黏附性均有所提高，增效的順序?yàn)?Ca2+＞Zn2+＞Na+＞Mg2+＞K+，其中 Ca2+和 Zn2+加入后，凝膠硬度分別為對(duì)照的2.40和2.32倍，彈性為對(duì)照的2.42和2.34倍，黏附性為對(duì)照的1.16和3.17倍。

進(jìn)一步研究了增效最明顯的陽(yáng)離子Zn2+和Ca2+的最佳使用量，結(jié)果如圖4、圖5所示，加入5mmol/L的Zn2+對(duì)Ss凝膠的硬度和彈性指標(biāo)增效最顯著，分別達(dá)到19.48 g和22.35 g·s，是對(duì)照的3.05和2.88倍，加入2 mmol/L的Zn2+對(duì)Ss凝膠的黏附性增效最顯著，達(dá)到6.84 g·s，是對(duì)照的 4.02 倍；加入 10 mmol/L 的 Ca2+對(duì)Ss凝膠的硬度和彈性指標(biāo)增效最顯著，分別達(dá)到17.73 g和 20.24 g·s，是對(duì)照的 2.78和 2.61倍，加入2 mmol/L的Ca2+對(duì)Ss凝膠的黏附性增效最顯著，達(dá)到2.20 g·s，是對(duì)照的1.30倍?？紤]到在食品中添加的安全性問(wèn)題，Ca2+是鞘氨醇膠類溶液使用過(guò)程中常見(jiàn)的陽(yáng)離子種類。

圖4 鈣離子加入量對(duì)凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.4 Textural properties with different calcium ion concentration

圖5 鋅離子加入量對(duì)凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響Fig.5 Textural properties with different zinc ion concentration

3 結(jié)論與討論

鞘氨醇膠Ss是由鞘氨醇單胞菌屬新種合成的一種新型微生物代謝膠，其發(fā)酵的產(chǎn)量轉(zhuǎn)化率達(dá)到52%[10]，可以用酸沉的方法提取，與其他微生物膠用有機(jī)溶劑提取相比，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)用于石油開采的稠化水驅(qū)油及鉆井泥漿的配制。本研究確定了Ss膠凝的臨界濃度和臨界溫度，以硬度、彈性和黏附性為指標(biāo)，研究了Ss濃度、pH、放置條件和添加陽(yáng)離子對(duì)凝膠質(zhì)構(gòu)特性的影響，得到增效最明顯的陽(yáng)離子種類和添加量，為這種新型微生物膠用作食品添加劑提供了重要的數(shù)據(jù)支持。而一種新型微生物膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用需要大量實(shí)驗(yàn)，例如該產(chǎn)物與其他食品膠的共混協(xié)效作用，以及低?；a(chǎn)物的應(yīng)用條件等仍有待進(jìn)一步的深入研究。

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