食用膠凝膠特性的研究及果凍的制作

1、食用膠凝膠特性的研究及果凍的制作摘要 本實驗主要研究5種常用食用膠瓊脂、卡拉膠、黃原膠、羧甲基纖維素（CMC）、海藻酸鈉的溶解性；瓊脂、卡拉膠的凝膠強度以及與其他食用膠或者鹽溶液復配后的凝膠強度變化；海藻酸鈉與鈣鹽溶液以及檸檬酸混合后的凝膠效果。得出瓊脂、卡拉膠屬于熱溶膠，黃原膠、羧甲基纖維素、海藻酸鈉屬于冷溶膠；瓊脂和卡拉膠的最低凝膠濃度分別是0.3%和0.6%，瓊脂與一定濃度的卡拉膠、黃原膠、CMC復配后呈現(xiàn)出凝膠協(xié)同效應，與海藻酸鈉復配后為拮抗作用；卡拉膠中加入鉀離子或鈣離子后凝膠強度明顯增強；海藻酸鈉與CaCO3、CaCl2、CaSO4、CaH2PO4溶液混合后，形成凝膠的效果不同，其

2、中與CaCl2形成的凝膠效果最好，加入檸檬酸后，對凝膠的形成造成一定影響。關鍵詞 瓊脂 卡拉膠 黃原膠 CMC 海藻酸鈉 凝膠性能前 言食品膠即增稠劑,是一種能改善食品的物理性質(zhì)、增加食品的粘稠性、賦予食品以柔滑適口感、且具有穩(wěn)定乳化狀態(tài)和懸濁狀態(tài)作用的親水性高分子化合物。瓊脂又稱瓊膠,是由紅海藻綱中提取的親水性膠體,它是由瓊脂糖和瓊脂果膠兩部分組成,由于具有膠凝性和凝膠的穩(wěn)定性,廣泛用于食品行業(yè)的增稠劑?？ɡz又名角藻膠,是從海藻中提取的一種食品添加劑。由于卡拉膠具有黏性、凝固性,帶有負電荷與一些物質(zhì)形成絡合物等物理化學特性,廣泛用于食品行業(yè)的增稠劑、凝固劑、懸浮劑、乳化劑和穩(wěn)定劑。海藻酸鈉

3、是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取的一種多糖碳水化合物，是一種持水能力強、凝膠強度好、有彈性、韌性的凝膠,再配以別的物質(zhì)構成復合涂膜劑來涂膜畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品等,可以大大提高其品質(zhì)及貨架期。黃原膠是由糖類經(jīng)黃單胞桿菌發(fā)醉，產(chǎn)生的胞外微生物多塘，由于它的大分子特殊結構和膠體特性，而具有多種功能，可作為乳化劑、穩(wěn)定劑、凝膠增稠劑、浸潤劑、膜成型劑等，廣泛應用于國民經(jīng)濟各領域。纖維素經(jīng)羧甲基化后得到羧甲基纖維素(CMC)，其水溶液具有增稠、成膜、黏接、水分保持、膠體保護、乳化及懸浮等作用，廣泛應用于石油、食品、醫(yī)藥、紡織和造紙等行業(yè)。1 實驗儀器與試劑1.1材料瓊脂、卡拉膠、海藻酸鈉、羧甲基纖維素（CMC）

4、、黃原膠；CaCO3、CaCl2、CaSO4、CaH2PO4、KCl、檸檬酸、蔗糖、色素（紅、黃、藍） 1.2儀器100mL小燒杯、錐形瓶、直徑0.3、0.5cm的玻璃棒、量筒、天平、溫度計、鐵架臺、水浴鍋、電爐、電子天平2 實驗方法2.1 凝膠強度測定方法用自制簡易凝膠強度儀測定，具體方法如下：膠體溶液在電爐上煮沸，冷卻形成凝膠后。取一鐵架臺、一支截面光滑平整的玻璃棒（直徑依凝膠強度選定）、一臺天平、一個錐形瓶。將玻璃棒固定在鐵架臺上，將凝膠體放在天平的一端，錐形瓶放在天平的另一端，在錐形瓶中加入水平衡天平（設此時錐形瓶和水總重為W1），調(diào)整玻璃棒的截面使其與凝膠體的表面輕輕接觸，然后往錐形

5、瓶中緩慢的加水，注意觀察，當玻璃棒穿透凝膠體表面時，立即停止加水，稱錐形瓶和水總重，設為W2。則凝膠強度的計算公式為 W2-W1凝膠強度（g / cm2）= （式中S為玻璃棒的截面積）S2.2 凝膠體凝固點的測定取50mL膠體溶液，倒入大試管中，插入溫度計，然后使溫度緩慢下降，至燒杯傾斜45-50。角時液面凝固不動，此時的溫度即為該凝膠體的凝固點。2.3 凝膠體融點的測定待上一步驟中的溶液凝固完全，于冰箱中放置 5min，放入一粒玻璃珠（直徑=5mm）于凝膠表面。把試管在90的水浴中加熱，使凝膠溫度慢慢上升，觀察玻璃珠落下的溫度即為凝膠的融點。3 實驗內(nèi)容3.1食用膠溶解情況比較比較瓊脂、卡拉

6、膠、海藻酸鈉、CMC、黃原膠等食用膠(0.2%)在冷水、熱水中的溶解情況。（將稱好的食用膠慢慢加入冷熱水中，邊加入邊攪拌，最后靜置一段時間后在觀察其溶解情況。）3.2瓊脂凝膠性能的研究（1） 找出瓊脂的最低凝膠濃度；（提示可以由0.2%開始試，上下梯度為0.1%）（2）在上述瓊脂最低凝膠濃度的基礎之上變換瓊脂濃度（至少變換5個），測定其凝膠強度、凝固點、熔點如何變化；（3）固定瓊脂濃度（瓊脂的最低凝膠濃度），在其溶液中加入一定相同濃度（0.2%）的卡拉膠、海藻酸鈉、CMC、黃原膠，其凝膠強度如何變化。（做一組空白）3.3卡拉膠凝膠性能研究（1）找出卡拉膠的最低凝膠濃度；（提示可以由0.7%開始

7、試，上下梯度為0.1%）（2）在相同濃度（卡拉膠的最低凝膠濃度）的卡拉膠溶液中分別加入一定濃度（0.2%）的KCl、CaCl2 時（將KCl、CaCl2配成溶液后再加入），研究其凝膠強度與不加離子有何不同；（做一組空白）3.4 海藻酸鈉凝膠性能研究（1）在一定濃度（0.5%）的海藻酸鈉溶液中加入一定相同濃度（0.3%）的（將CaCO3、CaCl2、CaSO4、CaH2PO4配成溶液后再加入），觀察其是否形成凝膠，凝膠狀態(tài)如何；（觀察的凝膠狀態(tài)包括能否形成凝膠、形成凝膠快慢、凝膠形態(tài)等，不用測凝膠強度）（2）在上述兩種基礎上再加入一定的檸檬酸酸（配成溶液后再加入），其凝膠狀況又怎樣（只觀察凝膠狀

8、態(tài)，不用測凝膠強度）；3.5 果凍的研制根據(jù)以上實驗情況，找出一種合適的食用膠（提示，可能復配效果好）來加工果凍，探討出制作果凍的一種配方，要求所制的果凍具有較好的彈性、韌性、甜酸比及合適的顏色。4 實驗結果4.1 食用膠溶解情況比較食用膠溶解情況冷水熱水瓊脂微溶，且水溶液不粘稠溶解性好，且有一定凝膠產(chǎn)生卡拉膠微溶，水溶液不粘稠溶解性好，溶液渾濁海藻酸鈉溶解性較好，水溶液有點粘稠溶解性增強，溶液澄清透明CMC溶解性好，水溶液澄清，粘稠度不明顯溶解性好，但暫無凝膠產(chǎn)生黃原膠溶解，較多氣泡，溶液渾濁溶解性增強，但氣泡豐富，溶液渾濁，凝膠不明顯表1 食用膠在冷水、熱水中的溶解現(xiàn)象4.2瓊脂凝膠性能的

9、研究4.2.1 瓊脂的最低凝膠濃度0.2%0.3%0.4%0.5%0.6%凝固，但凝膠效果是不好，質(zhì)地很軟凝固，且傾斜45°不搖動，質(zhì)地適中凝固，質(zhì)地適中凝固，質(zhì)地稍顯堅固凝固，凝膠較堅固表2 不同濃度瓊脂的凝固現(xiàn)象因此，瓊脂的最低凝膠濃度為0.3%4.2.2 測定不同瓊脂濃度下的凝膠強度、凝固點、熔點（1）凝膠強度瓊脂濃度0.3%0.4%0.5%0.6%0.7%W1（g）107.84108.68107.82106.21106.55W2（g）113.94128.84118.88121.18124.37玻棒直徑（cm）0.50.50.30.30.3凝膠強度(g/cm2)31.07102

10、.67156.47211.78252.10表3 不同濃度瓊脂的凝膠強度（2）凝固點和熔點瓊脂濃度0.3%0.4%0.5%0.6%凝固點2929.227.828.1熔點63858985表4 不同濃度瓊脂的熔點、凝固點4.2.3 加入其它食用膠后瓊脂凝膠強度變化 固定的瓊脂凝膠濃度為0.3%加入的食用膠卡拉膠海藻酸鈉CMC黃原膠空白W1（g）109.02105.75110.36108.58107.84W2（g）111.78106.88117.90111.04113.94玻棒直徑（cm）0.50.50.50.50.5凝膠強度(g/cm2)14.065.7638.4112.5331.07表5 瓊脂中加

11、入其它食用膠的凝膠強度4.3卡拉膠凝膠性能研究4.3.1 卡拉膠的最低凝膠濃度0.5%0.6%0.7%0.8%0.9%-+（“+”表示凝固，“-”表示不凝固）表6 不同濃度卡拉膠的凝膠現(xiàn)象因此，卡拉膠的最低凝固濃度為0.6%。4.3.2 卡拉膠凝膠強度研究食用膠卡拉膠+CaCl2卡拉膠+KCl卡拉膠（空白）W1（g）113.92112.17112.16W2（g）116.19114.20112.23玻棒直徑（cm）0.50.50.5凝膠強度（g/cm2）11.5610.340.36表7 卡拉膠的凝膠強度4.4 海藻酸鈉凝膠性能研究0.5%海藻酸鈉加入的鈣鹽CaCO3CaCl2CaSO4CaH2P

12、O4凝膠狀態(tài)凝固，但是凝膠強度不高，隨著燒杯傾斜會搖動凝固，凝膠強度強于加入碳酸鈣的海藻酸鈉，隨著燒杯傾斜凝膠會搖動基本不凝固基本不凝固，溶液澄清，有一定的粘稠度再加入0.3%檸檬酸后的凝膠狀態(tài)凝固性增強，但十分不均勻，凝固性增強，凝膠效果較好微微凝固，但凝膠強度依舊不高，有白色絮狀物微微凝固，粘稠度增加表8 海藻酸鈉與鈣鹽、檸檬酸混合后的凝膠狀態(tài)4.5 果凍的研制經(jīng)過查閱資料與果凍的配方，我們最終所采用的復配食用膠為0.8%卡拉膠，0.2%CMC，0.1%檸檬酸鈉5 實驗結果分析5.1 食用膠溶解情況比較 實驗結果表明，瓊脂在冷水中難溶，在熱水中才能較好的溶解，說明瓊脂是熱溶膠。瓊脂的熱溶液

13、冷卻時能形成堅固的熱可逆凝膠，凝膠強度高，凝膠速度快，但凝膠脆性大，組織粗糙，透明性差，冷凍后發(fā)生脫水收縮；卡拉膠在冷水中難溶，水溶液不粘稠，在熱水中才能較好的溶解，說明卡拉膠屬于熱溶膠。無論是-卡拉膠還是-型卡拉膠，都屬于熱溶性凝膠，對于-卡拉膠，形成的凝膠較脆，易脫水收縮，對于-型卡拉膠，形成的凝膠柔軟富有彈性；海藻酸鈉在冷水中就可以溶解，屬于冷溶膠，形成的凝膠較脆、易脫水收縮；CMC在冷水中可溶，屬于冷溶膠，能產(chǎn)生有一定粘稠度的溶液，且溶液無色無味，清澈透明；黃原膠低濃度能產(chǎn)生高粘度，在冷水中雖然能溶解，但是十分不均勻，形成較多氣泡，溶液比較渾濁。5.2瓊脂凝膠性能的研究5.2.1 瓊脂

14、的最低凝膠濃度 根據(jù)實驗現(xiàn)象判斷，瓊脂的最低凝膠濃度為0.3%。瓊脂懸浮液在較高溫度下轉(zhuǎn)變成均勻的瓊脂溶液,瓊脂在溶液中以無規(guī)線團形式存在,在溶液冷卻后,瓊脂分子間相互作用形成雙螺旋結構、并進而有序排列而形成三維網(wǎng)狀的凝膠結構。1 5.2.2 測定不同瓊脂濃度下的凝膠強度、凝固點、熔點根據(jù)不同瓊脂濃度下凝膠強度的實驗結果，可以得到結論：隨著瓊脂濃度的不斷提高，瓊脂的凝膠強度不斷增大。結果如圖1所示。圖1 不同濃度的瓊脂凝膠強度變化根據(jù)馬云等人1的研究，隨著瓊脂濃度增加,瓊脂分子間相互纏結形成的網(wǎng)絡的節(jié)點也隨之增加,這導致凝膠的硬度、彈性和粘聚性都明顯增加。（如圖2所示）圖2 瓊脂濃度對凝膠硬度

15、、強度、粘聚性的影響根據(jù)劉汶甲等人2的研究，隨著濃度的增加，單位體積內(nèi)的瓊脂分子數(shù)增多，由于氫鍵作用，使其分子間的交聯(lián)增強，導致凝膠強度明顯增加; 而瓊脂凝膠強度在其濃度大于2%時增加變緩，是由于瓊脂濃度增加，單位體積內(nèi)的分子數(shù)過多，從而增大其分子鏈側(cè)基間空間位阻所導致的。結果如圖3所示。圖3 瓊脂濃度對凝膠強度的影響根據(jù)實驗結果（如圖4所示），除了0.3%的瓊脂，不同濃度下瓊脂的熔點和凝固點相差不大。圖4 瓊脂的熔點、凝固點而事實上，瓊脂的熔點和凝固點都應該隨著瓊脂濃度的增大而增大。瓊脂溶液的凝固點通常在3243之間，瓊脂凝膠的熔點一般在7590之間。熔點遠高于凝固點是瓊脂的特有現(xiàn)象，稱為“

16、滯后現(xiàn)象”。瓊脂的很多應用就依賴于這種顯著的溫度滯后現(xiàn)象。另外，甲氧基被公認為使影響凝固溫度的一個重要因素。不同原料制成的瓊脂和類瓊脂的同濃度溶膠卻具有不同的膠凝溫度，而且?guī)缀醺髯员３忠欢ǖ臏囟确秶?5.2.3 加入其它食用膠后瓊脂凝膠強度變化根據(jù)實驗結果（如圖5所示），瓊脂與CMC復配的效果最好，屬于凝膠協(xié)同效應，與卡拉膠、海藻酸鈉、黃原膠的復配效果不佳，屬于凝膠拮抗作用。圖5 瓊脂中加入其它食用膠后的凝膠強度根據(jù)黃民3等人對瓊脂-羧甲基纖維素粘性的研究，瓊脂與CMC復配而成的復配增稠劑懸浮性能良好,在溶液中可長期保持穩(wěn)定。加入 CMC會對瓊脂的凝膠強度和流動性產(chǎn)生較大影響，以瓊脂-CMC

17、為懸浮劑主劑的飲料，溶液的流動性、穩(wěn)定性相對較好，透明且不易析出凝膠，表現(xiàn)出較好的組合協(xié)同性。眾多研究也證明了瓊脂-CMC是一個優(yōu)良的懸浮劑組合，制得產(chǎn)品清亮透明，穩(wěn)定性較佳。表9 卡拉膠與瓊脂復配后對涼粉質(zhì)量的影響 根據(jù)肖紅曉4等人的研究，在復配后總膠濃度不變時,卡拉膠與瓊脂產(chǎn)生協(xié)同增效作用,形成穩(wěn)定的凝膠體,這是由于瓊脂具有卡拉膠類似的雙螺旋結構,它們之間的分子共同形成三維網(wǎng)狀結構,使凝膠強度提高。根據(jù)商飛飛5等人的研究，黃原膠和瓊脂有類似的雙螺旋結構，少量的黃原膠分子可與瓊脂分子共同形成三維網(wǎng)狀結構，用量過大會阻止瓊脂分子之間的交聯(lián)，使得凝膠強度降低。根據(jù)趙謀明等人6的研究，海藻酸鈉為直

18、鏈狀的高分子化合物,無明顯的側(cè)鏈基團,故無法與瓊膠分子交聯(lián),反而會阻礙瓊膠分子形成凝膠。因此,與瓊膠之間產(chǎn)生拮抗作用。而實驗中得到的結果與參考文獻中的有些不符合，可能的原因有：用于測定凝膠強度的儀器不太精準，是自制的簡易裝置；因個人判斷凝膠是否被玻璃棒戳穿的標準不一樣，無法十分準確判定凝膠是否已經(jīng)被戳穿，導致測定的W2有誤差；所用的天平生銹，不太靈敏；加入的食用膠濃度不正確，并不能夠使體系產(chǎn)生協(xié)同作用等。5.3卡拉膠凝膠性能研究5.3.1 卡拉膠的最低凝膠濃度 根據(jù)實驗結果，卡拉膠的最低凝膠濃度為0.6%。卡拉膠有卡帕()、愛俄塔()、蘭布達()等三種基本類型。加熱到約90時,可使母體的6位上

19、硫酸根催化反式消除,而成為3,6-脫水半乳糖。這種3,6-脫水半乳糖由于閉環(huán)作用使原來無規(guī)則結構變?yōu)樾涂ɡz的雙螺旋結構,這種雙螺旋結構緊固著鏈分子,成為三維網(wǎng)狀結構而形成凝膠。在高于凝膠熔點時,由于熱運動,阻止分子形成螺旋型,呈無規(guī)則線圈存在于溶液中.隨著膠液的冷卻,三維結構高聚物的網(wǎng)狀結構形成,其中兩個螺旋分子形成高分子鏈的聯(lián)結點。再進一步冷卻,兩個螺旋分子的鏈的集結,形成最后的凝膠?？ɡz的凝膠作用,除受其三種結構影響外,還受介質(zhì)體系中各離子因素的影響。三種基本型卡拉膠在不同的條件和介質(zhì)下,有不同的溶解性和性質(zhì),也可以利用一種或幾種卡拉膠混合型,配制成膠凝或增稠的穩(wěn)定劑。5.3.2 卡拉

20、膠凝膠強度研究根據(jù)實驗結果（如圖6所示），加入CaCl2和KCl后，卡拉膠的凝膠強度明顯增強。圖6 卡拉膠的凝膠強度根據(jù)王志輝等人7的研究，-卡拉膠是鉀敏膠,隨著鉀離子濃度增大,凝膠強度增大,凝膠彈性減小,最后達到最大值形成堅硬的凝膠體,且泌水性增強,這是因為鉀離子的架橋作用利于卡拉膠分子雙螺旋結構形成超分子網(wǎng)絡聚集體;對黏度的影響:鉀離子濃度的增加使溶液黏度降低,并且低濃度的鉀離子使溶液黏度降低較緩,高濃度時減低較快。這是因為鉀離子可降低卡拉膠分子中硫酸酯基之間的作用力,同時降低卡拉膠分子的親水性,并且濃度越大降低膠液中的滯流水含量的能力越強,從而使得粘度迅速下降。根據(jù)徐愛珍等人8的研究，型

21、卡拉膠與Ca+形成彈性凝膠,部分有限的聚集有助于彈性,但不縮水,是一種透明軟膠,凍/融穩(wěn)定。約含32%硫酸酯,30%的3,6-脫水半乳糖。根據(jù)楊玉玲等人9的研究，如圖7所示卡拉膠的凝膠強度隨著其濃度的增加而明顯增強,在其濃度小于5時形成的凝膠很弱,幾乎感覺不到硬度。Mangione等也認為卡拉膠的成膠特性與卡拉膠濃度和溫度有關。凝膠的彈性在濃度小于5時也很小,卡拉膠濃度在510mg/mL范圍內(nèi)隨濃度增加而顯著增大;在1020mg/mL范圍內(nèi)隨濃度增加而略有增加;在濃度為20mg/mL時彈性為0.99,幾乎達到最大值1。因此,可以預見:當卡拉膠濃度在20mg/mL的基礎上再增加時,僅改變凝膠的硬

22、度,而對凝膠的彈性幾乎沒有影響。圖7 卡拉膠濃度對凝膠硬度、彈性的影響4.4 海藻酸鈉凝膠性能研究根據(jù)實驗結果（如表8所示），我們可以得出，海藻酸鈉在與氯化鈣復配使用時的效果是最好的，CaCl2在中性溶液即可完全解離成鈣離子，可迅速制成凝膠。CaSO4在中性溶液中只有少量解離成鈣離子，但在酸性pH則能全部解離。 Ca(H2PO4)2略溶于水(30溶解度為1.8%)，溫度升至93-107才能釋出鈣，可延遲凝膠時間。根據(jù)李波10在對魔芋果凍的研究，發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉能與游離的鈣離子迅速形成凝膠,此為果凍成型的基礎,這就要求加人適當?shù)拟}鹽,以控制形成凝膠的速度,便于均勻成凍。如表10所示，氯化鈣和乳酸鈣在

23、中性條件下就很容易釋放出鈣離子,在鈣離子還沒來得及均勻分布的情況下就與海藻酸鈉立即形成凝膠,致使凝膠很不均勻。碳酸鈣加酸后才會緩慢釋放鈣離子,但同時也產(chǎn)生氣體,使凝膠中充滿小氣泡,外觀欠佳。硫酸鈣在中性條件下有少量解離,致使凝膠略有不均勻。磷酸氫鈣和磷酸鈣在中性條件下溶解度為零,加酸后釋放出鈣離子,并隨pH降低,游離的鈣離子逐漸增多,通過添加適當?shù)膒H緩沖劑,就能控制形成凝膠的速度,得到十分均勻、強度適中、彈性良好的凝膠。表10 凝固劑的種類對果凍品質(zhì)的影響根據(jù)王秀娟等人11的研究，如圖8所示，海藻酸鈉濃度一定時,隨著氯化鈣濃度增大,凝膠體的外觀特性漸好,凝膠強度和彈性也隨著增強,但凝膠經(jīng)凍結和解凍后的脫水率卻增加,即持水能力下降。由于脫水率增大,其解凍后的外觀特征也較差,甚至出現(xiàn)了分層現(xiàn)象。氯化鈣濃度為1%時,解凍后的凝膠體太脆硬度不夠易破裂;隨著氯化鈣濃度的增大,凝膠體厚度、強度及彈韌性逐漸增大,但脫水率也增大。氯化鈣濃度為8.0%時,脫水率高達70.92%。所以說鈣鈉達到一定比率才能形成好的凝膠體,當鈣的比率增大時,其持水能力下降,但鈣的比率也不能太小,否則形成的凝膠強度不夠。因此得出3%的海藻酸鈉溶液與5%的氯化鈣在60下膠化成形,所形成的凝膠性能最好。圖8 氯化鈣濃度對海藻酸鈉凝膠強度和彈性的影響檸