可得然膠功能性質(zhì)及其在食品中的應用研究進展

俞 珊，段孟霞，童彩玲，孫繼帥，姜海鑫，李丹潔，趙建波，龐 杰，吳春華,*

（1.福建農(nóng)林大學食品科學學院，福建 福州 350002；2.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京市植物資源功能食品重點實驗室，北京 100083）

可得然膠是一種新型的微生物胞外多糖，其水懸浮液在低溫和高溫下可形成兩種結(jié)構(gòu)不同的凝膠，分別稱為低凝固熱可逆凝膠和高凝固熱不可逆凝膠?？傻萌荒z的多功能性使其在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中具有潛在應用價值。然而可得然膠不溶于水、醇和大多數(shù)有機溶劑，但易溶于對氫鍵具有破壞作用的水溶液，例如氫氧化鈉、二甲基亞砜、碘化鉀、尿素。

自原田篤也（Tokuya Harada）教授于1964年通過發(fā)酵獲得可得然膠并進行一系列相關(guān)研究后，1968年，Takeda化學工業(yè)公司開始研究可得然膠并將其在食品工業(yè)中投入應用；1989年，可得然膠在日本、韓國等國家被作為食品添加劑應用于大規(guī)模生產(chǎn)中；1996年，美國食品藥品監(jiān)督管理局經(jīng)過長期的安全性和毒理學檢測研究，證明可得然膠能夠安全地應用于食品加工中，并批準將其列入食品添加劑中；我國從1999年開始將可得然膠作為食品添加劑進行研究，在2006年5月批準將可得然膠作為食品添加劑使用，并要求在生或干面制品、魚糜制品、凝膠制品、熟肉制品、西式火腿、肉灌腸等食品中按生產(chǎn)需要適量使用。GB 2760—2014《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》指出，可得然膠作為增稠劑、穩(wěn)定劑和品質(zhì)改良劑能明顯改善食品質(zhì)構(gòu)特性和穩(wěn)定性，賦予食品良好的口感。在過去的幾年，可得然膠作為食品添加劑一直是研究熱點。針對當前研究熱點，本文對近年來可得然膠在食品生產(chǎn)領(lǐng)域上的應用研究進行歸納總結(jié)，以期為以后的深入研究提供一定的參考。

1 可得然膠的來源及化學結(jié)構(gòu)

1.1 可得然膠的來源

可得然膠于1964年由日本大阪大學原田篤也教授在分離糞產(chǎn)堿桿菌10C3（var.10C3）時首次發(fā)現(xiàn)，隨后研究證明，可得然膠為酸性的琥珀酰葡聚糖10C3，多糖部分由大部分的-1,3-、-1,4-和-1,6-連接葡聚糖殘基和一小部分的-1,3-連接半乳糖殘基組成。1977年，Amemura等在研究var10C3產(chǎn)生琥珀葡聚糖的過程中，發(fā)現(xiàn)了一個自發(fā)突變株10C3K能產(chǎn)生不溶于水的可得然膠代替琥珀酰葡聚糖，這種多糖能通過加熱形成凝膠。目前，已知能生產(chǎn)可得然膠的菌株有spp.、spp.、spp.、、spp.?？傻萌荒z的生物合成可分為3 個步驟：1）葡萄糖脫氫酶將葡萄糖氧化并將產(chǎn)物轉(zhuǎn)運到細菌細胞質(zhì)中；2）氧化產(chǎn)物通過葡萄糖酸激酶轉(zhuǎn)化成葡萄糖-6-磷酸，葡萄糖-6-磷酸進一步被氧化成葡萄糖-6-磷酸鹽，在尿苷二磷酸（uridine diphosphate，UDP）-葡萄糖焦磷酸化酶誘導下，葡萄糖-1-磷酸生成可得然膠的合成前體物質(zhì)，在轉(zhuǎn)移酶作用下UDP-葡萄糖形成脂磷酸葡萄糖；3）聚合酶將脂磷酸葡萄糖通過-1,3-糖苷鍵連接形成長鏈狀的可得然膠多糖并分泌出細胞。由此可見，可得然膠生物合成過程中涉及多種酶的參與，例如葡萄糖激酶、葡聚糖合成酶、葡萄糖磷酸脫氫酶等。胞內(nèi)核苷除了可為可得然膠的合成提供能量，還具有參與糖代謝的功能，最終使UDP-葡萄糖焦磷酸化酶合成可得然膠并分泌到胞外基質(zhì)中。圖1展示了可得然膠得生物合成途徑。Yang Ming等對土壤中分離的能夠生產(chǎn)可得然膠的sp. QL212進行優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，碳源、氮源、初始pH值以及培養(yǎng)條件均能影響可得然膠的產(chǎn)率。表1匯總了用于可得然膠生物合成的微生物種類及產(chǎn)率。

圖1 可得然膠生物合成途徑[14]Fig. 1 Biosynthetic pathway of curdlan[14]

表1 可得然膠生物合成的不同微生物種類及產(chǎn)量Table 1 Microbial producers and yield of curdlan

1.2 可得然膠的化學結(jié)構(gòu)

可得然膠為中性多糖，是完全由葡萄糖在C1和C3位置以-1,3-糖苷鍵組成的線性聚合物（(1→3)---葡萄糖），化學式為(CHO)，大約由300～500 個葡萄糖殘基組成，平均聚合度為450，不同菌屬合成可得然膠的分子質(zhì)量有所差異，細菌和真菌物種產(chǎn)生的可得然膠，平均分子質(zhì)量介于2.06×10～5.0×10Da之間。可得然膠的紅外光譜吸收峰在890 cm（-構(gòu)型）和840 cm（-構(gòu)型）處，并且-構(gòu)型和吡喃糖環(huán)結(jié)構(gòu)具有低比旋光度?？傻萌荒z主要以長鏈結(jié)構(gòu)存在，但由于分子內(nèi)和分子間氫鍵結(jié)合可以形成更復雜的三維結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，可得然膠在不同堿性環(huán)境下存在單螺旋、三維螺旋和無規(guī)卷曲3 種不同的結(jié)構(gòu)形式（圖2），在低NaOH濃度下具有螺旋（有序）構(gòu)象。有研究者通過原子力顯微鏡觀察到隨著堿濃度升高，可得然膠構(gòu)象從螺旋結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)，例如，市售的可得然膠在制備過程中使用強堿溶解，經(jīng)干燥、退火后其六邊形晶胞結(jié)晶為螺旋狀，以不完全結(jié)晶的顆粒形式出現(xiàn)，有研究報道了其基面尺寸為1.44 nm。目前一般使用電子顯微鏡研究可得然膠超分子組裝中的結(jié)構(gòu)。

圖2 可得然膠3 種螺旋結(jié)構(gòu)式[10]Fig. 2 Three spiral structures of curdlan[10]

2 可得然膠的功能特性

2.1 凝膠性

可得然膠具有容易加熱成凝膠的能力，根據(jù)加熱溫度可以形成兩種類型的熱誘導凝膠——低熱可逆凝膠和高熱不可逆凝膠。將其加熱到55～80 ℃，形成的可得然膠懸浮液冷卻至40 ℃以下會形成低熱可逆凝膠，這種形式的凝膠不穩(wěn)定，經(jīng)過加熱后會發(fā)生液化；當加熱到80 ℃或更高時，可得然膠分散體懸浮液進一步形成高熱不可逆凝膠，其凝膠自主裝過程如圖3所示。在凝膠形成機制中，從低熱可逆凝膠變?yōu)楦邿岵豢赡婺z時存在結(jié)合水向非結(jié)合水的轉(zhuǎn)變，該現(xiàn)象表明可得然膠分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。高熱不可逆凝膠形成的分子機制不同于低熱可逆凝膠。在高熱不可逆凝膠中，凝膠多糖膠束通過氫鍵與單螺旋分子交聯(lián)以及疏水相互作用與三螺旋交聯(lián)。而在低熱可逆凝膠中，由單螺旋分子占據(jù)的可得然膠膠束之間通過氫鍵交聯(lián)。Stipanovic等通過C核磁共振波譜分析可得然膠凝膠，發(fā)現(xiàn)在60 ℃下形成的可得然膠構(gòu)象是七倍螺旋形式，而95 ℃下形成的凝膠是六倍三螺旋。Yan Jingkun等使用X射線衍射和差示掃描量熱分析研究了可得然膠的多晶型物，提出在低熱可逆凝膠中存在單鏈螺旋結(jié)構(gòu)，在高熱不可逆凝膠中存在三鏈螺旋結(jié)構(gòu)。Xiao Man等使用原子力顯微鏡研究了溶解在NaOH水溶液中未加熱和熱處理凝膠的分子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)熱誘導的凝膠單鏈似乎從纏結(jié)的微纖維中部分解離，然后在這些部分解離的單鏈之間發(fā)生交聯(lián)。

圖3 可得然膠凝膠自主裝過程Fig. 3 Self-assembly process of curdlan

2.2 增稠性

可得然膠作為一種重要的流變助劑，常被用于調(diào)控體系的黏度和流變性能?？傻萌荒z不溶于水，但通過高剪切力分散形成的可得然膠懸浮液具有獨特的流變學行為。可得然膠增稠作用涉及構(gòu)象無序鏈的非特異性纏結(jié)，黏度主要來自于構(gòu)象的無規(guī)卷曲。在低濃度分散液中，可得然膠的各個分子可以自由移動，增稠作用不強烈；但在高濃度系統(tǒng)中，這些分子出現(xiàn)相互纏結(jié)，導致分子運動受到限制，體現(xiàn)出增稠作用。

2.3 乳化性

食品乳液形成穩(wěn)定體系條件要求較高，且在運輸和貯藏期內(nèi)往往會發(fā)生物理變化而失穩(wěn)（如絮凝和聚結(jié)）。可然膠作為一種優(yōu)良的乳化劑，能很好地促進油脂吸收或與油脂結(jié)合，使其形成穩(wěn)定性良好的體系。可得然膠在乳化過程中，油滴表面會形成彈性層，以提供有效的空間位陰，同時可通過靜電效應有效地防止油滴聚結(jié)。盡管可得然膠在穩(wěn)定油-水界面中發(fā)揮著重要作用，但在制備食品乳液時通常不作為唯一的功能成分。近年來可得然膠穩(wěn)定乳液的應用實例見表2。

表2 可得然膠穩(wěn)定乳液的應用實例Table 2 Examples of the application of curdlan-stabilized emulsion

2.4 成膜性

可得然膠具有良好的水不溶性和熱特性，形成的薄膜呈透明狀且氧透過率低。同時可得然膠具有可再生性和生物降解性，適合應用于單層或多層食品包裝膜，提高膜的陰水能力和熱穩(wěn)定性；但單一的可得然膠可食膜力學性能較差，因此其多與其他物質(zhì)相結(jié)合以提高膜的力學性能和耐水性。從流變學的角度來看，聚合物薄膜的干燥可分為3 個階段：第一階段，溶劑以恒定速率蒸發(fā)；第二階段，溶劑蒸發(fā)率急劇升高，成膜樣品成為彈性固體；第三階段，溶劑從固化膜中緩慢擴散?？傊赡悠吩诘谝缓偷诙稍镫A段表現(xiàn)出液體的彈性行為，但在最后階段形成完整薄膜。Xiao Qian等通過使用流變儀和傅里葉變換紅外光譜測定干燥過程中膜溶液流體力學特性和膜溶液中分子與水分子間的氫鍵作用，發(fā)現(xiàn)單一的多糖成膜溶液在干燥過程中隨著水分的蒸發(fā)，多糖分子鏈間相互纏繞，最終形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在整個干燥過程中，最先蒸發(fā)的是自由水和結(jié)合水，然后蒸發(fā)的是與多糖形成氫鍵的水。常見可得然膠食品膜的制備條件及拉伸強度如表3所示。

表3 常見可得然膠食品膜的制備條件及拉伸強度Table 3 Preparation conditions and tensile strength of common natural edible films containing curdlan

2.5 抗凍融性

凝膠制品網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中水分子在冷凍時緩慢結(jié)晶，在隨后的解凍過程中冰晶融化，聚合物結(jié)構(gòu)組織發(fā)生改變，導致其凝膠強度下降和脫水收縮現(xiàn)象加劇，從而降低產(chǎn)品品質(zhì)。可得然膠在低溫下穩(wěn)定性高，適用于冷凍食品。曲卓婷等研究發(fā)現(xiàn)，在冷凍熟面中加入可得然膠可抑制冷凍過程中冰晶的形成，增加冷凍熟面的凍融穩(wěn)定性，從而抑制冷凍熟面在凍融循環(huán)過程中質(zhì)構(gòu)特性的下降。王培森等研究發(fā)現(xiàn)，添加1%可得然膠可通過增強肌球蛋白內(nèi)部的氫鍵作用使蛋白凝膠形成致密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低肌球蛋白凝膠中不同組分水的流動性，同時降低不易流動水向自由水的轉(zhuǎn)化，從而減緩魚糜制品凍融過程中凝膠強度和持水率的降低。

2.6 營養(yǎng)特性

2.6.1 益生元

目前，通過攝入益生元的途徑來改善胃腸道健康已受到越來越多的關(guān)注。益生元需能耐受胃環(huán)境的低pH值并對小腸中的消化酶具有抵抗力，從而在結(jié)腸中被胃腸道微生物群發(fā)酵利用以促進雙歧桿菌和乳酸桿菌的生長。Shimizu等使用可得然膠飼喂大鼠4 周后，在盲腸中觀察到短鏈脂肪酸和乳酸的含量以及雙歧桿菌數(shù)量顯著增加。Rahman等采用可得然膠飼喂小鼠14 d后，通過i-Screen法評估可得然膠對小鼠腸道微生物群的影響，發(fā)現(xiàn)可得然膠可誘導腸道微生物群發(fā)生變化，從而減輕腸道炎癥。

2.6.2 預防認知障礙

腸道微生物群通過腸-腦軸在大腦功能和行為中發(fā)揮重要作用，而微生物群的失調(diào)與神經(jīng)炎癥和認知障礙密切相關(guān)。Sharon等對無菌和抗生素處理的嚙齒動物研究也表明，腸道微生物群失調(diào)會通過激活小膠質(zhì)細胞對海馬神經(jīng)和大腦發(fā)育產(chǎn)生負面影響。研究發(fā)現(xiàn)，可得然膠可觸發(fā)神經(jīng)元軸突再生，并對神經(jīng)具有保護作用，Yang Xiaoying等采用高脂肪飲食誘導建立小鼠認知障礙模型，隨后通過分析神經(jīng)炎癥、突觸蛋白水平以及前額葉皮層和海馬體的超微結(jié)構(gòu)評估可得然膠在該模型中的促認知功效，結(jié)果證明攝取可得然膠補充劑可以通過腸-腦軸改善腸道生態(tài)失調(diào)并防止飲食引起的認知障礙。

2.6.3 抗腫瘤

可得然膠能被樹突狀細胞、巨噬細胞等免疫細胞識別，通過Dectin-1和Toll樣受體4信號激活樹突狀細胞，促進p50和RelB核易位以及上調(diào)隨后的腫瘤壞死因子配體超家族成員15（tumor necrosis factor ligand superfamily member 15，TNFSF 15）和OX40 L表達，促進CD4T細胞分化為Th9細胞，并增強體內(nèi)Th9細胞依賴性抗腫瘤反應。Haas等報道了可得然膠激活Dectin-1信號傳導并誘導啟動抗腫瘤免疫反應。

3 可得然膠在食品中的應用

可得然膠在食品中應用范圍廣泛，如可作為膠凝劑、結(jié)構(gòu)改性劑、持水劑、成膜劑、增稠劑等用于凝膠食品、面制品、魚糜制品、可食用包裝膜、冷凍食品、烘烤食品和低卡食品等中，可得然膠在不同食品中的應用見圖4。作為一種食品添加劑它可以改善產(chǎn)品的持水性、黏彈性、穩(wěn)定性，并具有增稠作用。

圖4 可得然膠在食品中的應用Fig. 4 Application of curdlan in food

3.1 肉類食品

可得然膠在肉類中通常作為持水劑和穩(wěn)定劑使用，利用其凝膠特性，將其添加在火腿腸、雞肉腸等肉類食品中，或者利用其成膜特性制備可食用包裝膜用于冷鮮肉保鮮。適量添加可得然膠可以使產(chǎn)品的口感、外觀以及質(zhì)地得到很大的提升，從而提高銷售量以及盡可能地減少生產(chǎn)成本?？傻萌荒z分子填充到蛋白質(zhì)基質(zhì)孔隙中，可以通過氫鍵作用形成更致密的均勻網(wǎng)絡(luò)，從而產(chǎn)生高凝膠強度和持水性。Lee等發(fā)現(xiàn)添加量為1.0%的可得然膠改善低脂模型香腸理化特性的效果最佳，此外還注意到，添加可得然膠有助于形成光滑、緊密、連續(xù)和均勻的凝膠基質(zhì)以及提高低脂模型香腸的蒸煮產(chǎn)量。

3.2 魚糜制品

由于冷藏、運輸和銷售過程中不可避免的環(huán)境因素，魚糜制品的持水能力、凝膠強度和其他一些理化特性總是難以保持，這會嚴重影響魚糜制品的品質(zhì)，然而通過添加親水膠體可以提高魚糜凝膠產(chǎn)品在流通過程中的穩(wěn)定性。將可得然膠作為食品添加劑加入到魚糜中，其與魚糜蛋白加熱形成凝膠，能共同增強凝膠體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使凝膠強度顯著提高。同時，由于可得然膠還具有凝膠性，可替代部分魚糜，從而降低生產(chǎn)成本；加入可得然膠還能改善魚糜因內(nèi)源酶降解、蛋白質(zhì)結(jié)合水能力下降的問題，維持凝膠水分，保持凝膠組織質(zhì)地緊實；添加可得然膠的產(chǎn)品長時間冷凍保存后不會發(fā)生黃變現(xiàn)象，其能夠有效延長貨架期。此外，Hu Yaqin等還發(fā)現(xiàn)添加可得然膠可以增加魚糜凝膠強度、持水能力，證明可得然膠可以改善帶魚肌肉蛋白的膠凝特性。

3.3 面類食品

由于可得然膠在高溫和冷凍條件下可以保持穩(wěn)定的形狀，在面類食品加工中，可以將其作為結(jié)構(gòu)改良劑和穩(wěn)定劑使用，可得然膠分子結(jié)構(gòu)中含有的親水基團能夠與水、蛋白質(zhì)、淀粉等分子發(fā)生作用，使其交叉貫穿面筋網(wǎng)絡(luò)，改善面團的流變學特性和面條品質(zhì)。通常加入可得然膠制備的面條具有表面光滑、復水性好等優(yōu)點。Liang Ying等研究可得然膠對凍熟面條冷凍貯藏品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，可得然膠的添加增強了面筋網(wǎng)絡(luò)強度，改變了淀粉形態(tài)，有效降低了蒸煮損失率，提高了吸水率，降低了面制品水煮后的黏性和渾湯的概率，提高了面條的拉伸性和柔韌性。此外，Liang Ying等還發(fā)現(xiàn)0.5%的可得然膠可以最大限度地降低冷凍蒸煮面條可凍結(jié)水含量，并抑制水分遷移；可得然膠的加入抑制了冰晶的生長并增加了其均勻性。

3.4 脂肪替代食品

脂肪以各種形式存在于食物中，對食品的結(jié)構(gòu)和整體品質(zhì)有重要影響。但脂肪熱量高，為了滿足消費者降脂的要求，常選擇脂肪類似物替代脂肪。脂肪模擬分為蛋白質(zhì)模擬和碳水化合物模擬，碳水化合物替代品中常用的有卡拉膠、可得然膠和淀粉等?？傻萌荒z在合適的溫度范圍內(nèi)具有很高的吸濕率，且本身具有低熱量和無毒性等特點，在模擬脂肪食品方面具有廣闊的應用前景及商業(yè)價值?？傻萌荒z脂肪模擬機理主要是，在一定條件下，其能夠與水分子作用形成具有三維網(wǎng)絡(luò)的凝膠，水分子被凝膠網(wǎng)絡(luò)截留，使食物在咀嚼過程中具有流動性，能夠模擬脂肪潤滑的口感。Funami等利用可得然膠替代脂肪制備了無脂肪香腸，并通過靜態(tài)黏彈性測定對其進行評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以可得然膠為基礎(chǔ)的脂肪模擬體系制備的無脂肪香腸其黏彈性與含20%脂肪香腸的黏彈性非常接近，表明可得然膠是一種有效的脂肪替代品。

3.5 凝膠食品

可得然膠具有良好的凝膠性能并具有冷凍和熱穩(wěn)定性，將可得然膠作為膠凝劑添加到果凍中，不僅能夠使果凍呈透明的膠體狀，還能使果凍具有抗加熱和抗冷凍性能，劉貽添研究了魔芋膠與可得然膠復配生產(chǎn)果凍的工藝，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，魔芋膠與可得然膠質(zhì)量比為7∶3、復配膠粉添加量為1.0%條件下生產(chǎn)的果凍品質(zhì)優(yōu)良，組織結(jié)構(gòu)均勻透明，富有彈性和咀嚼性。

3.6 烘烤食品

在烘烤食品中，可得然膠具有獨特的保水和組織結(jié)構(gòu)改善性能，在低濃度可得然膠、高烘烤溫度等的協(xié)同作用下，產(chǎn)品的質(zhì)地結(jié)構(gòu)、體積和水分含量得到充分提高，并且可得然膠在加熱成膠后可以使產(chǎn)品香脆可口。

3.7 冷凍食品

可得然膠的膠體構(gòu)造不會因冷凍-解凍而發(fā)生變化，添加在冷凍食品中能很好地保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及口感的穩(wěn)定性，所以在食品加工過程中常將可得然膠作為持水劑和組織結(jié)構(gòu)改良劑使用。Liang Ying等將可得然膠添加到面條中研究冷凍貯藏過程中其對面條品質(zhì)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可得然膠可以抑制冷凍面條中冰晶的生長和重結(jié)晶，提高冰晶的均勻性，從而增強冷凍面條的凍融穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

可得然膠自身具有豐富的功能特性，使其在食品加工領(lǐng)域應用范圍廣泛，如可作為食品包裝、增稠劑、抗凍劑、持水劑和結(jié)構(gòu)改良劑等。然而可得然膠提取率低且過程繁瑣，不能滿足目前的研究和應用需求。所以，今后應在以下幾方面加強研究：1）提高產(chǎn)率：可得然膠的生產(chǎn)目前集中于實驗室發(fā)酵階段，基于可得然膠的多功能和營養(yǎng)特性，為滿足其在食品工業(yè)上的研究與應用，提高可得然膠產(chǎn)率是亟待解決的問題；2）開發(fā)新型功能食品：可得然膠具有調(diào)節(jié)腸道微生物群和其他有益的營養(yǎng)特性，因此是一類優(yōu)質(zhì)的膳食纖維，可將其開發(fā)成新型功能食品；3）改善水溶性：可得然膠具有眾多優(yōu)良特性，但溶解性差成為制約其發(fā)展的瓶頸，隨著可得然膠研究的深入和產(chǎn)能的擴大，改善其溶解性將使其應用范圍更加廣泛。