決明膠功能性質及其在食品中的應用

丁雅婷,肖瓊,2,3,翁惠芬,2,3,楊秋明,2,3,陳福泉,2,3*,肖安風,2,3*

1(集美大學 海洋食品與生物工程學院,福建 廈門,361021)

2(國家紅藻加工技術研發專業中心,福建 廈門,361021)

3(福建省海洋功能食品工程技術研究中心,福建 廈門,361021)

決明膠(cassia gum,CG)即決明子多糖,又名肉桂膠,是從豆科植物決明屬鈍葉決明或小決明的成熟種子胚乳中提取、分離得到的一種水溶性多糖[1]。其主體結構為半乳甘露聚糖,是一種以甘露糖為線性主鏈和半乳糖為側鏈的聚合物。溶于水中經煮沸后可以形成高黏度的水膠體,當與卡拉膠或黃原膠結合使用時可形成水凝膠[2]。

決明膠于20世紀80年代在國外初現,早期由于大多數國家都不確定其安全性,決明膠并未作為食品添加劑廣泛使用,經過相關毒理學實驗證明后人們意識到在各種食品中使用決明膠是安全且有益的,歐洲食品安全局于2006年指明決明膠可作為食品添加劑用于食品生產加工[3],食品添加劑聯合專家委員會也在2008年頒布決明膠的CTA(Chemical and Technical Assessment)[4],我國于2011年出臺的GB/T 2760—2011用以規定決明膠作為增稠劑在食品中的適用范圍和最大使用量。因此,可以看出決明膠作為非傳統的植物種子膠受到了世界各國的廣泛關注,尤其是食品加工領域。

由于對于決明膠的研究不夠深入,基礎薄弱,導致其在食品行業的應用還受到一定的限制。近年來根據實際生產需求對決明膠進行修飾改性的研究增多,使其應用領域得到拓展,但仍未出現對決明膠進行系統性研究的報道。因此本文就決明膠來源、功能特性、性能改善與在食品加工領域的應用研究進行系統總結分析,為決明膠在食品領域應用的深入研究提供重要理論和技術參考,以期為拓展食品膠體行業發展提供更多研究思路。

1 決明膠來源

決明膠屬于植物種子膠。目前我國關于決明膠的標準GB 31619—2014 《食品安全國家標準 食品添加劑 決明膠》主要針對以決明(Cassiaobtusifolia)或小決明(C.tora)植物的種子胚乳為原料經萃取加工而成的產品,而在研究中常常還以爪哇決明(C.javanica)[5]、臘腸樹(C.fistula)[6]、望江南(Sennaoccidentalis)[7]等作為決明膠的非傳統來源。決明屬植物主要分布于熱帶和亞熱帶地區,在印度、斯里蘭卡、中國西部等地區均有生長。我國對于決明屬植物的傳統利用主要是將其干燥成熟種子作為一種中藥材使用,因其經炒制后具有類似咖啡的特殊風味,民間也常將其泡茶飲用。我國原產決明植物有10余種,多分布在長江以南各省地區[8],目前還有23個省市有大規模種植,因此其可利用資源十分豐富[1]。

決明膠中半乳甘露聚糖含量≥75%,屬于半乳甘露聚糖型食用膠。半乳甘露聚糖被發現于種子黏液中,在植物體中的作用為營養貯存和保持種子水分,于植物細胞的高爾基體內腔中合成,并通過分泌囊泡送到細胞表面以細胞壁加厚形式不斷累積于胚乳細胞,沉積于原生質膜外側[9],具體合成途徑如圖1所示[10]。其生物合成由轉化酶、變位酶、糖基轉移酶等類型酶組成的多酶系統完成,同種植物的半乳糖和甘露糖比值保持不變,而不同的植物種子有各自固定的比值[11]。

圖1 半乳甘露聚糖的生物合成及其控制示意圖

2 決明膠化學結構和理化性質

2.1 決明膠的化學結構

決明膠由至少75%的高分子質量中性多糖組成,是以β-1,4-D-甘露糖為主鏈,D-半乳糖通過α-1,6糖苷鍵連接于主鏈上形成側鏈而構成的多分支聚糖,從決明子種子中獲得的半乳甘露聚糖的甘露糖與半乳糖之比(mannose/galactose,M/G)和分子質量因物種而異,如表1所示[10]。目前市面上存在的食品用決明膠分子質量為200～300 kDa,單糖占比分別為甘露糖(77.2%～78.9%)、半乳糖(15.7%～14.7%)和葡萄糖(7.1%～6.3%),甘露糖與半乳糖的比例約為5∶1[4],分子結構示意圖如圖2所示[12]。決明膠與其他半乳甘露聚糖的不同之處在于其具有較少的側鏈,而大量的半乳糖側鏈會阻礙與陰離子聚合物的協同凝膠效應,因此對于決明膠與其他陰離子食品膠的協同作用有更顯著影響[4]。

表1 不同植物來源的決明膠甘露糖與半乳糖比例Table 1 The mannose/galactose ratio of cassia gum from different plant sources

圖2 決明膠分子結構式[12]

2.2 決明膠的化學結構

優質決明膠外觀為無結塊的淡黃色粉末,有特定果香氣味,食品級決明膠為米白色精細粉末,無臭無味,粉體密度為0.6 kg/L,在冷水中有較好溶脹性并形成膠塊狀,不溶于乙醇,其1%溶液pH值為5.5～8.0,決明膠溶于熱水成半透明的膠體溶液,為假塑性流體(非牛頓型液體),在1%濃度下,其黏度≥260 MPa,且溶液黏度隨切變速度增加而降低[4]。半乳甘露聚糖型食用膠的特性黏度與多糖重均分子質量、M/G有關,多糖重均分子質量越大,多糖M/G越高,特性黏度越大[16]。與其他膠一樣,決明膠的黏度還取決于濃度、溫度、加熱時間、pH等,在冷水和熱水中溶解后流變性有較大差異,決明膠經加熱發生可逆稀化,當升高的溫度保持時膠體會隨時間發生不可逆降解[11]。相同濃度下熱水溶部分的黏度高于冷水溶部分,隨著溫度升高冷水溶部分黏度逐漸增大,而熱水溶部分在80 ℃黏度達到最大,冷水溶和熱水溶部分在酸性和堿性溶液中都較不穩定,當加熱時間達到120 min時決明膠的黏度達到最大值,而進行冷凍融處理會使得決明膠溶液黏度稍有下降[17],因此在實際生產中可根據決明膠熱水溶和冷水溶部分流變性的差異靈活運用。另外,研究證明決明膠具有吸附性,可在處理酸性廢水用作凝結劑或絮凝劑,如棕櫚油加工廢水等[18]。

決明膠平均每個單糖有3個羥基,可發生各種酯化、醚化反應以制成酯、醚衍生物,其自由羥基可部分被某些親水基團取代,或通過酶分解、熱裂解等技術切斷分子長鏈,連接其他目標基團,即通過化學改性獲得更好的功能用途[19]。通常醚鍵在堿性介質中易發生裂變,因此在氫氧化鈉存在條件下,決明膠可與丙烯酰胺、一氯乙酸、3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨等發生反應達到改性目的[20-22]。

3 決明膠提取純化

決明膠最終產品的性狀易受加工工藝的影響。粗品決明膠通用制備方法較簡單,基礎操作流程包括采用熱機械將決明膠種子胚與殼法分離后研磨粉碎,再利用有機溶劑對多糖進行提取后干燥,結合實際情況考慮是否需要對決明種子原料進行分級處理[4]。商品決明膠溶于水后通常為渾濁液,主要是由于其加工過程較為粗糙,配入不溶物引起。在實驗室中采用非工業方法提純得到的膠,通?？傻玫角逦扰c水相近的溶液[11],其一般制備流程如圖3所示[1]。目前針對決明膠生產過程中的工藝改進多在提取和粗品純化環節。決明膠提取多采用水提醇沉法,通過調整優化料液比、提取溫度和提取多糖等可改善提取得率[23]。為進一步提高多糖的提取效率和得率,部分提取時利用輔助提取手段,如超聲、微波、高壓和酶法等[24]。決明膠粗法純化去除的雜質包括大分子蛋白質和小分子色素等物質,在脫蛋白的純化方法中,酶解法結合Sevage法能夠高效去除多糖中的蛋白質雜質并降低多糖損失[25]。采用H2O2氧化脫色法精制相較于活性炭吸附法對于粗決明膠改善脫色效果更有效[26]。

圖3 非工業法提取決明膠路線圖[1]

4 決明膠功能特性

由于決明膠的聚多糖分子結構包含大量羥基且所含支鏈較少,其分子在溶液中與水分子由氫鍵結合,以無規則線團形式存在,該種類型分子在溶液中旋轉需要大量空間,導致分子間彼此碰撞幾率提高,分子間摩擦變大導致其具備較高的黏性特征[27]。若將羥基與水分子的作用特性應用到食品中,即可達到增稠、凍融穩定、協同膠凝和成膜等功效。另外決明膠主要含半乳甘露聚糖,即包含甘露糖線性主鏈和半乳糖側鏈的聚合物,生物學上將其認定為膳食纖維,因此決明膠還具備一定生物功能特性[28]。

4.1 增稠性

食品增稠劑在食品工業生產中用途廣泛,通過提高食品的黏稠度或形成凝膠從而改變食品的物理性狀,賦予食品黏潤、適宜口感[29]。從宏觀角度增稠劑可使產品黏度升高、沉降率降低,從微觀角度增稠劑使產品粒徑減小、水分流動性減弱[30]。決明膠屬于天然膠類增稠劑,通過聚多糖中糖單元中含有的羥基與水分子相互作用形成三位水化網絡結構達到增稠效果[17]。增稠劑混合復配使用時相互之間會產生一種黏度疊加效應,該種疊加具有增效作用[31]。決明膠與卡拉膠和黃原膠均有一定的協同增效作用,這主要與決明膠的半乳甘露聚糖結構有關。目前關于半乳甘露聚糖與其他膠的交互協同作用機理仍存在爭議,目前較為普遍接受的理論是由于半乳甘露聚糖骨架的未取代區域與多糖通過多氫相互作用導致協同增稠甚至膠凝。半乳糖側鏈在主鏈上分布不均致使其可區分為毛發區(分布密集區域)和光滑區(沒有半乳糖側鏈區域),且兩者相間存在,因此存在機理推測如黃原膠的雙股螺旋與半乳甘露聚糖分子的光滑區相互嵌合形成三維空間網狀結構,網眼中結合大量水分子使其溶液黏度增加[32],其作用模型如圖4-a所示[33]。另外一種被廣泛接受的理論為黃原膠鏈的無序片段與半乳甘露聚糖光滑區之間發生相互作用產生協同效果,其作用模型如圖4-b所示[34]。

a-黃原膠雙螺旋與半乳甘露聚糖分子光滑區嵌合模型;b-黃原膠鏈無序片段與半乳甘露聚糖光滑區相互作用模型

4.2 凍融穩定性

決明膠為親水性的高分子物質,溶于水中后使得溶液黏度增加,體系中的分散相不易凝聚,使得分散體系穩定。良好的親水持水特性可以減少食品中的游離態水,從而達到抑制冷凍食品中冰結晶生長速率和大小效果,提高冷凍食品的凍融穩定性[35]。在產品冷凍貯存期間,半乳甘露聚糖可調節冰晶的形成和再結晶,并防止乳糖結晶[34]。將決明膠加入冰淇淋中可抑制冰淇淋中的冰晶出現或在加工過程中生成的冰晶細微化,包含大量微小氣泡,使得冰淇淋結構細膩均勻、口感光滑、外觀整潔[36]。決明膠的冷凍凝膠特性大大提高了其在凍融條件下的穩定性,研究表明半乳甘露聚糖的主鏈和側鏈排列對其冷凍凝膠形成能力具有一定影響[37],其冷凍結構協同作用歸因于氫鍵的形成和反聚合聚集體簇之間的疏水超分子相互作用[38]。但同時,其低溫凝膠化特性對產品的感官特性存在潛在的不利影響[39]。

4.3 協同膠凝性

馮蕾等[16]通過對商品化決明膠進行動態流變學測試,結果顯示決明膠儲能模量(G′)和損耗模量(G″)隨頻率的增加而增大,但G′與G″差別不大,可知決明膠為非凝膠型多糖。決明膠單獨存在時不具備膠凝性,但當與其他膠復配時會呈現協同凝膠效應,使其彈性、強度和穩定性有明顯提高[40]。有研究通過黏彈性測量和壓縮試驗證明決明膠表現出與刺槐豆膠相似的同κ-卡拉膠協同效應[41],因此可參考同為半乳甘露聚糖的刺槐豆膠與κ-卡拉膠的復配機理:三維網狀結構中復配膠體的微晶區域相連,過量刺槐豆膠分子鏈自相結合而不形成新的彈性連接點,使得凝膠破裂強度極大增加[33]。LUNDIN等[42]發現在刺槐豆膠和卡拉膠混合體系中存在卡拉膠分子自身交聯以及刺槐豆膠甘露聚糖主鏈與卡拉膠分子螺旋體的交聯。研究證明瓜爾膠、刺槐豆膠雖與決明膠同為半乳甘露聚糖,但與黃原膠復配時,決明膠表現出膠凝協同作用而瓜爾膠未出現協同作用[43],此外,決明膠與卡拉膠形成的凝膠斷裂強度大約是相同濃度刺槐豆膠與卡拉膠形成凝膠的2倍,單獨的卡拉膠凝膠性能僅為其1/3,如圖5所示[4]。這與決明膠獨特的支鏈多糖半乳糖/甘露糖結構有關,較少的側鏈使得決明膠在與其他食品膠復配使用形成凝膠時效果相較于其他半乳甘露聚糖更佳,從而在成品配方中顯著降低總水膠體水平。

圖5 卡拉膠與不同半乳甘露聚糖復配凝膠強度對比[4]

決明膠雖為非膠凝多糖,但經過特定的熱刺激組織交聯點后也可形成凝膠。IIJIMA等[12]認為決明膠可能與刺槐豆膠一樣具有凍融成膠的能力,通過實驗發現在凍融過程中0.1%～1.5%濃度內的決明膠水溶液可以形成水凝膠,且其凝膠體系的結構與冷卻的速率有關,該凝膠在高溫下處理會發生交聯網絡分解。對此可能的解釋是在形成冰的過程中多糖分子鏈會隨著水的擠壓而相互接觸,分子間的氫鍵逐漸連接生成凝膠,且該凝膠為熱可逆型,而瓜爾膠和葫蘆巴膠無此特性,也體現了多糖側鏈分子頻率對分子排列的影響[44]。

4.4 成膜性

決明膠溶于水中形成均相溶液,通過干燥成膜這一過程中,溶劑蒸發使得水溶性膠的鏈段接觸愈發緊密,導致分子間和分子內氫鍵或疏水鍵形成,當膠樣處于干燥成膜臨界濃度時鏈段形成一定三維網狀結構,繼續蒸發后最終形成致密薄膜態[45]。多糖膜依靠多糖特殊的長鏈分子結構、分子內氫鍵和分子間氫鍵使其化學性質穩定,但由于多糖屬于親水性聚合物,使得多糖膜阻水性、熱封性和機械性能一般較差,導致其應用受限[46]。CAO等[47]經過實驗證明由單一決明膠制成的薄膜太脆而不能從板上剝離,而將甘油或山梨糖醇作為增塑劑和交聯劑加入時,增塑劑通過降低分子間作用力和增加聚合物鏈的流動性來提高膜的韌性使決明膠薄膜的機械性能和阻隔性能得到顯著提高。

4.5 生物活性

決明膠的半乳甘露聚糖結構決定了其具備的生物功能性,在生物學研究中半乳甘露聚糖通常被認為是一種膳食纖維成分,在用合成胃液進行測試時可保持穩定。目前針對決明膠存在的活性生物功能研究多為體外抗氧化、免疫調節和改善胃腸道等方向[24]。

由決明膠中得到的功能性寡糖可通過炎癥調節和改善葡萄糖代謝從而表現出抗糖尿病效果。WU等[48]將來自決明膠中的甘露寡糖益生元(mannose oligosaccharides,CMOS)摻入鏈脲佐菌素和高脂肪、高糖誘導的大鼠(2型糖尿病大鼠)飲食中,經喂養8周后發現大鼠空腹血糖水平相較模型組減少,CMOS降低了胰高血糖素/胰島素面積比,有效防止了胰島組織的損傷并減少了代謝性內毒素血癥。通過進一步研究其分子機制可知CMOS降低了Tlr2和Tlr4在2型糖尿病大鼠腸道中的mRNA表達且對與lrp3相關的腸道和肝臟中與葡萄糖代謝紊亂相關的炎性小體激活有抑制效果。

使用GH134家族β-甘露聚糖酶RmMan134A通過酶水解從決明膠中可生產半乳甘露聚糖低聚糖,研究表明來自決明膠的半乳甘露聚糖可通過促進吞噬作用和刺激NO和細胞因子的產生而顯示出免疫調節作用[49]。LIU等[23]通過實驗發現決明子多糖對羥基、超氧化物自由基的清除率高達43.32%和64.97%,且對DPPH自由基也有較好清除能力。通過降脂效應及調控大鼠腎臟蛋白表達,決明子多糖可用于改善糖尿病及其并發癥。另外,研究發現決明子多糖可通過減少結腸黏膜AQP3的表達增加腸道水分從而起到改善胃腸道、治療便秘的效果[50]。

5 決明膠性能改善

作為種子膠,天然決明膠在應用中的一個不利條件是其易被快速生物降解[51],因此在部分領域很少以天然形式使用,為改善性能擴大其應用范圍需要對決明膠進行修飾,主要包括與多糖的復配和化學改性兩方面,根據實際應用改變其穩定性、溶解度和黏度等以豐富其應用范圍。

5.1 與多糖復配

決明膠雖然具備良好的成膜性能,但其在食品包裝中的應用因機械性能、熱密封性和阻隔性相對較差仍受到一定限制,通過化學改性或以其他材料復合則可有效改善包裝膜性能。CAO等[52]通過實驗證明羧化纖維素納米晶須復合決明膠可改變決明膠鏈之間的相互作用,有效提升包裝膜的油滲透性、機械性能和熱封性能,在油包裝中具有廣泛應用前景。而將甘油(glycerol,G)和山梨醇(sorbitol,S)加入以決明膠制成的可食用膜時,根據傅里葉變換紅外光譜分析可知G或S可與決明膠分子之間形成氫鍵,CG-G薄膜比CG-S薄膜具有更高的斷裂伸長率,但CG-G薄膜透水汽性和透氧性較低[53]。

CAO等[54]將溴百里酚藍固定在陽離子纖維素纖維上制備pH敏感纖維,再將其作為智能指示劑加入決明子膠作為弱酸性基質即可制備視覺-嗅覺膜,通過研究發現該膜對氨敏感,隨著淡水蝦從新鮮變為腐敗,該薄膜顏色由淺黃色變為藍綠色,可有效用于檢驗富含動物蛋白食品的新鮮度,防止食用輕微變質的食品。

5.2 決明膠衍生物

決明膠或其改性衍生物在造紙、紡織、制藥和食品等行業應用日益擴大促使了對決明膠及其改性產品新來源的研究。

半乳糖的性質通常通過醚化、酯化和氧化等化學方式在其天然鏈結構中引入特定的官能團來改變。在半乳甘露聚糖的各種天然結構變化策略中,羥丙基化是通過半乳甘露聚糖的聚合物鏈摻入取代基束實現性質改變的典型方法,通過正交設計試驗確定羥丙基化決明膠的最佳參數條件,經羥丙基化后決明膠熱穩定性下降,在場發射掃描電鏡結構圖中表面較原決明膠更光滑[55]。采用乙酸和3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨對決明膠進行羧甲基季銨化改性合成決明膠兩性衍生物以吸附陽離子和陰離子染料且可作為絮凝劑用于廢水處理[56]。羥甲基化決明膠具有比天然決明膠更高的黏度特性和水溶性,是一種潛在的傷口敷料材料用于涂層紗布制作[57]。WU等[21]利用決明膠與一氯乙酸在氫氧化鈉存在條件下得到的羧甲基決明膠可替換活性染料印花中使用最廣泛的理想材料海藻酸鈉。在各種化學修飾中,決明子膠的季銨化由于其良好的工業應用而脫穎而出,SHARMA等[22]以正交試驗研究優化季銨化決明膠制備,得到其季銨化的最佳條件為反應溫度30 ℃,反應時間2 h,氫氧化鈉量0.012 5 mol,3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨量0.003 19 mol,膠液比1∶15,實現了高效、簡便和綠色季銨化決明膠方法。

DEORE等[58]發現經硫醇化后的決明膠具有較高的陰離子zeta電位,陰離子聚合物比陽離子或非離子聚合物具有更有效的生物黏附性能,因此可用于開發新的藥物遞送系統,同時使用氫氧化鈉和一氯乙酸對決明膠進行羧甲基化后,基于該改性決明膠制成的片劑比原決明膠表現出更快的崩解性能。

由于決明膠存在冷水中的溶解度較低、溶液顏色暗淡且生物降解性快的特點,導致其在一些特殊的用途性能方面存在不足。RAJPUT等[59]利用決明膠在水介質中堿催化條件下與丙烯酰胺反應成功實現決明膠的氨甲?；?通過流變學研究發現其具備良好的糊狀質量且溶液呈現非牛頓假塑性行為。SHARMA等[20]通過實驗確定了在氫氧化鈉條件下制備氨甲酰乙基決明膠的最佳條件,并證明其產品顯示出良好的冷水溶解性、溶液穩定性和較高的黏度。

針對決明膠在不同應用中的功能特性存在若干不同的改性方式,常見改性決明膠總結如表2所示。

表2 常見決明膠衍生物Table 2 Common cassia gum derivatives

6 決明膠應用

由于決明膠相較于同類型其他半乳甘露聚糖具有較好的價格優勢,特別是對于膠黏劑和密封劑的制造、貯存和使用等方面具有良好作用,使產品黏度得到改進和調節以獲得穩定、防沉、減滲和觸變等性能[5],近年來決明膠被越來越多用作食品添加劑、飼料添加劑、肥料添加劑、和化妝品等原料,常常用于各類食品、保健品、農業、工業和生化領域當中。

6.1 決明膠在食品中的應用

食品級決明膠是一種適應性強且高效的天然成分食品添加劑,在食品工業中具有多種用途,是其他食品添加劑的低成本替代品。由于其豐富的功能特性被應用到不同的食品加工領域如圖6所示,GB 31619—2014 《食品安全國家標準 食品添加劑 決明膠》指出決明膠可作為增稠劑用于提升風味發酵乳、稀奶油、冰淇淋、雪糕類、小麥粉制品、烘烤食品、肉灌腸類食品,根據不同食品具體添加量不同,最大使用量為1.5～3.0 g/kg。隨著研究深入,根據實際需求將決明膠與其他物料復配以及對決明膠進行化學改性生成的衍生物也被逐漸應用于食品行業。

圖6 決明膠功能特性及其應用

6.1.1 米面制品

適當添加親水膠體可以克服天然淀粉的一些缺點,例如保持水分,保護淀粉顆粒在烹飪過程中免受剪切,改善產品質地,提供冷藏和冷凍凍融穩定性等[63]。在淀粉漿冷卻過程中,淀粉漿的貯存模量和損耗模量會隨著溫度降低而不斷降低,即反映了淀粉漿的老化,而在添加決明膠后,淀粉的最終黏度有所增加,且其淀粉糊中可觀察到顆粒殘留物形成蜂窩狀結構,在低溫下具有更大的穩定性,具備一定抗老化能力[64]。決明膠與天然淀粉之間可發生相互作用,可增強直鏈淀粉鏈的聚集并形成三維網絡并導致部分淀粉的糊化和凝膠流變特性發生改變,對增加所得糊狀物的終黏度有積極影響,但該影響會因淀粉種類不同存在差異[65]。

決明膠能明顯改善混合粉面團的粉質特性和拉伸特性,實驗表明當面條中決明膠的添加比例為0.4%時其感官品質達到最佳[1]。熟斷條率是反映面條品質的重要指標,蒸煮損失率越低,面條品質越好,當決明膠添加量達到一定量后,已形成的凝膠結構能夠保證面條經過一定時間的烹煮后不斷裂。這是因為決明膠在面條組織中形成網狀結構,與面筋蛋白和淀粉相結合,使面條組織結構更加致密,韌性提高,從而不易斷裂。將決明膠與焦磷酸鹽、可溶性大豆多糖復配使用作為米粉餌塊的品質改良劑時可有效改善米粉的感官評分、吐漿值、斷條率等[66]。與阿拉伯膠相比,決明膠的水結合能力較強,將決明膠添加至無麩質面條中對于其烹飪質量的改善效果更佳[67]。

6.1.2 乳制品

在乳制品的生產中添加食品增稠劑可使產品增稠、穩定、均質及乳化膠凝,特別是在酸性乳制品生產中效果更加顯著。決明膠由于其易擴散的特性,其黏度隨溫度上升增加,且隨溶液濃度增加呈指數級增加而被廣泛用于冰淇淋、奶酪和果醬等食品的加工中[29]。在乳制品常用高溫短時工藝中往往需要添加能在短時間內完全水合的親水膠體[68],而決明膠是一種較理想的選擇。由于其半乳甘露聚糖結構,添加決明膠有助于保持奶油產品的均勻性和質地,使冰淇淋中混合的成分變稠,抑制乳糖結晶保持光滑的質地,而不會轉化為液體形式[10]。決明膠還可用于制備奶酪醬,避免脫水以改善醬面和質地[34]。在酸奶的制備中,半乳甘露聚糖通過與蛋白質相互作用減少脂肪含量并改善產品質地[69]。

6.1.3 脂肪替代品

研究發現從決明膠中提取的半乳甘露聚糖在蛋糕配方中可以很好地替代植物脂肪,通過使用1%的半乳甘露聚糖能夠減少初始脂肪量的75%,在烘焙行業應用可有效減少蛋糕中的卡路里含量[70]。菊粉可以很好地模仿某些食品配方的脂肪特征,與決明膠組合時即可作為脂肪替代物以實現經濟制備減脂或無脂食品,在不影響最終產品黏度的同時保證其潤滑性和飽滿度以維持產品入口的“滿口感”(食品與口腔的物理相互作用)[71]。

6.1.4 肉制品

食品加工時常將決明膠可作為增稠劑加入肉制食品中,使得肉質的水結合能力增強,抑制熱處理過程中的相分離,穩定其結構[10]。決明膠在肉制品中還具有潤滑功能,通過向肉醬中添加非常低量(最終產品為4 g/kg及以下)的決明膠可以經濟地獲得具有良好奶油度和鋪展性肉糊組合物,同時此法有效降低脂肪含量,兼具理想的營養功效[72]。

6.1.5 食品包裝

食品增稠劑可以在食品表面形成一層光滑的保護性薄膜,可用于蔬菜水果的保鮮或防止食品因表面吸濕導致的質量下降。摻入羧化纖維素納米晶須后的決明膠薄膜表現出良好的力學性能和密封強度,在作為蘆丁或槲皮素等天然抗氧化劑的載體并用于保存脂質方面具有一定潛力[73]。MENG等[74]通過向決明膠成膜溶液中添加槐米(FlosSophoraeImmaturus, FSIE)制備了一種新型抗氧化膜,FSIE的加入提高了薄膜的力學性能和紫外線阻隔能力,將其用于豬油包裝可有效延緩豬油變質。LI等[75]在決明膠中添加乙基纖維素制成快速溶解的食用薄膜,在其成膜過程中,由于決明膠的親水性,—OH基團使決明膠分子鏈不規則移動并與乙基纖維素纏接形成更緊密的互穿網絡以促進膜拉伸強度,研究表明兩者的復合在提高水蒸氣透過率的同時保持了在熱水中的較高溶解度,在方便食品的調味料包裝中有較大應用潛力。

6.2 決明膠在其他行業的應用

決明膠作為一種工藝添加劑、功能性膠凝劑、增稠劑、乳化劑和穩定劑常被用于貓狗飼料中,全飼料決明膠最高含量為17 600 mg/kg,根據歐洲食品安全局食品添加劑和產品專家組發布的意見總結,只有符合決明膠作為食品添加劑規格(蒽醌<0.5 mg/kg)的純化半精制決明膠添加于貓狗飼料中才被認為安全[76]。

決明膠作為混凝劑常被研究用于廢水處理與染料脫色,以決明膠代替傳統明礬和聚合氯化鋁等化學合成混凝劑用于紡織廢料的廢水處理,特別是當決明膠經過丙烯酰胺改性后對于染料的脫色率有明顯提升效果[77]。采用明礬與決明膠的組合在自然pH條件下處理棕櫚油廠廢水獲得了良好的總懸浮固體和化學需氧量去除率,也證明了決明膠有效的廢水處理效果[18]。決明膠可作為一種新型植物基可與明礬混合作為助凝劑用于處理工業廢水[78]。目前已有研究將決明膠用于廢水處理的中試規模試驗,結果表明其作為廢水的初級凝固-絮凝處理方法,污染物去除率達到93.83%[79]。同時絮凝劑還可用于紙漿制造行業,通過在紙漿中添加改性決明膠可以獲得更高的干強度性能紙張[80],其紙張斷裂長度增加了23%～29%且折疊強度提高60%～146%[62]。

在醫藥應用方面,決明膠有望被作為藥物控釋劑使用。利用直接壓縮法將決明膠與纈沙坦制備超級崩解劑可有效替代商業上可用的合成超級崩解劑,所制成的片劑在穩定性、起效快、生物利用度和穩定性方面具有一定優勢[81]。LOHANI等[82]以決明膠、羧甲基纖維素鈉和三價離子為原料制備pH敏感互穿聚合物水凝膠珠可用于雙氯芬酸鈉控釋。以決明膠制備生物降解薄膜是另外一種藥物控釋形式,制成的雙氯芬酸負載膜由于溶脹和擴散而表現出持續的藥物釋放[83]。經過羧甲基化的決明膠由于羥基轉化為羧基,其親水性黏度有效增加[84],在類似的賦形劑和片劑制造條件下,羧甲基化決明膠比羥丙基甲基纖維素更好延緩藥物釋放,是潛在的天然藥用輔料[61]。在輕工業層面,由于羥丙基決明膠在甘油中具有良好的增稠性和成膠性能,徐春生等[85]以其制作無水牙膏,并通過流變學研究確定羥丙基決明膠在無水牙膏中的最佳用量為1.5%～1.6%。

7 總結與展望

決明膠作為在食品加工行業應用廣泛的一種增稠劑,由于其半乳甘露聚糖成分及較少的半乳糖側鏈結構,與其他食品膠具有良好的協同增稠效果,在食品中提供增稠、穩定、抗凍、保水等功能。且決明膠來源植物資源豐富,具備良好的經濟優勢,因此在食品、農業、工業和生化研究等領域廣受歡迎。隨著科研工作者對決明膠研究日益深入,關于決明膠的分離、結構解析和功能活性等方面已經取得一定成果,但仍存在許多問題亟須解決:

a)決明膠來源植物種類豐富,且不同提取純化方法得到的決明膠產品得率與品質不一,多糖的結構易受植物種類和制備方法影響,為滿足決明膠在食品工業中的有效應用,需繼續探索不同來源植物及制備工藝得到的決明膠的質量差異。

b)目前針對決明膠的基礎理化性質方面的研究內容仍不全面,難以結合決明膠的具體結構分析其作用機制。因此需深入決明膠的結構解析,例如決明膠的一級結構、空間構象和與其他多糖復配的協同增效等,奠定構效關系,完善作用機制。

c)決明膠的生物活性雖已被證實,但依據其具體功能特性開發符合實際需求的相關產品方面還有待深入研究,針對膳食纖維方面的生物功能價值研究還需挖掘對應的菌群靶點實現功能活性的解析,詮釋相關活性成分體內作用機制。

d)近期關于決明膠的研究多見于紡織印花、制藥、日用等輕工業方向,作為食品添加劑應用于食品生產中的具體研究較少,決明膠相比于其他種子膠類食品添加劑具有較低的生產成本。通過優化分子修飾后的膠體在食品工業中得到創新利用,因此探索決明膠在食品行業對其他添加膠體的可替換性還有較大潛力。