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CNS_20.006_果胶

食品添加剂

  • 林怡灵

    目录

    第1章 果胶的概述 3

    1.1果胶的简介 3

    1.1.1果胶 4

    1.1.2果胶的性状 4

    1.1.3果胶的发现 4

    1.1.4果胶的用途 4

    1.1.5果胶的分子结构特征 4

    第2章 果胶的食品化学性质及用途 5

    2.1 果胶的性质 5

    2.1.1 果胶的性质 5

    2.1.2果胶的性质及用途[6]见图2 5

    第三章 与果胶质量有关的内在因素 7

    3.1原料种类 7

    3.2果胶酶 7

    第四章 果胶的提取技术 8

    4.1 酸提取法 8

    4.1.1 酸解提取法 8

    4.1.2 离子交换树脂提取法 9

    4 . 1.3 草酸铵提取法 9

    4.1.4 微波助提法 9

    4.1.5 高频电磁场提取法 10

    4.1.6 超声浸提法 10

    4.2 生物酶(微生物发酵)提取法 11

    第五章 果胶作为食品添加剂的使用标准与风险评估 11

    5.1使用标准 11

    5.2风险评估 11

    第六章 果胶的应用 12

    参考文献 15

    第1章 果胶的概述



    1.1果胶的简介

    1.1.1果胶

    果胶是一类广泛存在于植物细胞壁的初生壁和细胞中间片层的杂多糖,1824年法国药剂师Bracennot首次从胡萝卜提取得到,并将其命名为pectin 果胶主要是一类以D-半乳糖醛酸(D-Galacturonic Acids,D-Gal-A)由 α-1,4-糖苷键连接组成的酸性杂多糖,除D-Gal-A外,还含有L-鼠李糖、D-半乳糖、D-阿拉伯糖等中性糖,此外还含有D-甘露糖、L-岩藻糖等多达12种的单糖,不过这些单糖在果胶中的含量很少。[1]

    1.1.2果胶的性状

    果胶为白色或带黄色或浅灰色、浅棕色的粗粉至细粉,几无臭,口感黏滑。溶于20倍水,形成乳白色粘稠状胶态溶液,呈弱酸性。耐热性强,几乎不溶于乙醇及其他有机溶剂。用乙醇、甘油、砂糖糖浆湿润,或与3倍以上的砂糖混合可提高溶解性。在酸性溶液中比在碱性溶液中稳定[2]

    1.1.3果胶的发现

    1824年法国药剂师Bracennot首次从胡萝卜提取得到

    1.1.4果胶的用途

    果胶在食品中用做凝胶剂、增稠剂、组织成型剂、乳化剂和稳定剂。由于果胶分子的构成使果胶具有多种功能性质,因此果胶能够用于不同的食品中,比如制造果酱、果冻、果脯、凝胶软糖、蜜饯、面包、乳制品、罐头、果汁饮料等。果胶无毒,食用安全,FAO/WHO食品添加剂联合委员会推荐果胶为不受添加量限制的安全食品添加剂。果胶用处很大,可以说是无处不在、无处不用[3]。

    1.1.5果胶的分子结构特征

    果胶分子的结构特征[4]见图1



    第2章 果胶的食品化学性质及用途



    2.1 果胶的性质

    2.1.1 果胶的性质

    果胶是分子量在5万~15万之间的大分子物质[5],可溶于水而不溶于与有机溶剂,其溶解速率与温度、干燥技术、粉粒大小等有关。果胶的色泽随原料、生产工艺的不同而各不相同,从乳白色到淡黄褐色。果胶带负电荷,其分子中部分羧基被甲醇酯化,根据酯化度(DE)的不同,将DE大于50%称为高酯果胶,小于50%的称为低酯果胶,且酯化度对果胶的特性有很大的影响,尤其是凝胶强度和溶解度。

    果胶性质的一大特点是凝胶化,在一定的条件下,果胶分子间可以交链成一种网状结构,水和可溶性固状物被封入其网目之中,从而完成凝胶作用。果胶的化学构造、pH值、温度、糖、钙离子等许多因素,影响着果胶的凝胶作用与凝胶程度。果胶根据酯化度的不同有高脂果胶与低脂果胶之分。甲酯化程度是影响果胶流变学性质的重要因素,同时也决定着果胶的应用途径。

    同时凝胶程度也是衡量成品果胶质量优劣的指标之一,温度对果胶凝胶强度没有多大影响。在脱水剂的含量和pH适当的情况下,在0~50℃范围内,温度对果胶凝胶的刚性模数只有极小的变化。果胶凝胶强度的主要影响因素是果胶的分子量及酯化度。

    2.1.2果胶的性质及用途[6]见图2



    果胶的构造与其凝胶性质的关系[4]见图3

    由图三可知,P41凝胶脆而易碎, 而F43具有良好的塑性。

    增黏与稳定化作用也是果胶重要的食品学性质。其中作为酸性乳饮料的稳定剂是果胶在食品工业中的主要用途之一。乳蛋白的主要成分酪蛋白在pH值4.0的酸性领域易发生凝集而产生沉淀。酸性乳饮料中加入果胶后, 由于果胶分子与酪蛋白之间的静电作用, 使得果胶分子吸附在酪蛋白胶束上而起到稳定酸性乳的作用。这一稳定化作用的效果也与果胶的种类、分子的甲酯化程度及甲氧基的分布状态有关。



    第三章 与果胶质量有关的内在因素



    3.1原料种类

    研究表明,果胶在植物中蕴藏丰富,但不同原料来源的果胶质量(如含量、酯化度、胶凝力等)不同,柑橘类果皮(干基)中果胶含量为25%,苹果渣(干基)中果胶含量为15%~18%,用其制得的果胶酯化度为50%~75%,属高酯果胶[7];向日葵盘(干基)中果胶含量为25%[8],用其制得的果胶酯化度为11%,属低酯果胶[9];甜菜渣(干基)中果胶含量为25%,用其制得的则是部分乙酰化的果胶,Rombouts[10]报道了甜菜根果胶的分子量和酯化度低,尽管可以作为增稠剂,但其不适合作胶凝剂。虽然几乎每种植物都含有果胶,但目前真正具有工业化生产价值的原料主要是柑橘皮和苹果渣2种[11],大规模商业化生产果胶始于20世纪40年代。

    3.2果胶酶

    在果实成熟衰老过程中,果胶甲酯酶(Pectinesterase,PE)、多聚半乳糖醛酸酶(Poly-galacturonase,PG)和果胶裂解酶(Pectatelyase,PL)是参与果胶降解的3种主要酶。然而,在不同的原料中,果胶酶的种类与活性不同。在果实成熟衰老过程中,通常是PE活性增加,脱除甲氧基,随后PG活性增强,分解聚半乳糖醛酸链,最后PL将果胶酸分解成不饱和三聚体。大多数研究证实,在苹果、桃、番茄等果实成熟软化中,主要是PG[12]起作用,PG的活性与水溶性果胶含量的提高及果胶分子量的下降存在着显著的正相关[13]。而PE的活性与作用在不同种类、不同品种 的果实中表现不同,在樱桃、梨的软化中发现PE的活性是增加的[14 15],而在鳄梨和芒果的软化过程中活性却是下降的[16 17]。在香蕉的软化中起主要作用的是PLAnurag Paysai[18]研究发现,香蕉在达到呼吸高峰时,PL活性最大,PG活性滞后。

    第四章 果胶的提取技术



    在植物体中,果胶有3种形态,即原果胶、果胶、果胶酸。果胶一般以不溶于水的原果胶形式存在,它提取的基本原理是将不溶性果胶转变为可溶性果胶,并使可溶性果胶向液相转移从而分离出来。目前,果胶的提取技术大致分为酸提取及生物酶提取法2种。

    4.1酸提取法
    4.1.1酸解提取法

    酸解提取技术是根据果胶在稀酸中加热可转变为水溶性果胶的原理,将原料粉碎、漂洗后加入适量的水,用酸将溶液pH调至1.5~3.0,温度在50~100°C范围内,时间1~4h,加热抽提段时间,将大部分果胶提取出来。所用的酸多是硫酸、盐酸、磷酸等无机酸,为了改善果胶成品的色泽,也可用亚硫酸。酸解醇沉提取果胶的技术早在1925年就有报道。目前,国外在柑橘、苹果果胶的生产中普遍采用酸解提取技术。我国在酸解提取果胶的技术研究方面也做了大量的工作,如张鸿发等[19]用盐酸提取、乙醇沉淀的方法从柑橘皮中提取果胶,结果表明,在pH1.5,温度80°C,时间2h条件下果.胶获得率为13.88%;徐金瑞[20]比较了HCl,H2SO,HNO3, HPO4, H2SO3及各种酸与H2SO3的混合酸作萃取剂提取苹果果胶,结果表明,使用H3PO4与H2SO3混合酸作萃取剂的粗果胶获得率最高为14.5%,而且所得果胶色泽浅;陈雪峰等[21]研究了不同pH对苹果果胶获得率的影响,发现在pH0.5时,无产品,pH3.5时,果胶获得率为6.5%,在pH2.0时,果胶获得率最高,为11.1%。

    酸法提取果胶的过程受很多因素影响,如物料特性、温度、pH、时间、酸的种类、固液比等,在应用中,应予以重视并加以控制,否则易发生局部水解,致使果胶分子量降低,从而影响果胶的产率和质量。该法操作简单、生产成本低、适用性强,是目前工业生产上普遍采用的技术。

    4.1.2离子交换树脂提取法

    离子交换树脂提取法就是将经预处理的原料,与离子交换剂和水在pH1.3~1.6条件下制成浓浆液,在65~95°C下加热2~3h,过滤,分离出不溶性的离子交换剂和废渣,即得到含有果胶的滤液。离子交换树脂的用量为原料皮重的10%~50%,尤以30%~40%为宜。Mg2+,Ca2+等对果胶有封闭作用,影响果胶转化为水溶性果胶。因此,用离子交换法,可使提取液中离子交换到树脂上,而不影响果胶提取,使果胶获得率上升为7.2%~8.56%。J M GHuang等采用离子交换树脂的方法,使果胶获得率比用无机酸提取法高10%~35% ,胶凝度可达135~ 200度;张燕等[22]用离子交换树脂法提取橘皮中果胶,在单因素的基础上选定树脂类型、用量、pH、温度4个主要因素进行正交实验,确定了树脂使用型号为0.03*7,用量为干橘皮重的10%,提取剂pH1.5,温度90C,时间1.5h,果胶获得率为15.32%,好于常规不加离子交换树脂的工艺,并且酯化度为74.6%,比常规法提高了7.5%[23].。但由于此法生产成本高,在我国的果胶生产中尚无使用。

    4.1.3草酸铵提取法

    果胶质通常是以部分甲基化的多聚半乳糖醛酸的钙盐或镁盐的形式存在,用草酸铵作萃取剂提取果胶,可将不溶的果胶酸钙转变为水溶性果胶,从而增加果胶的产率。陈改荣[23]叫用草酸铵作为萃取剂提取胡萝卜中的果胶,将胡萝卜渣置于15倍的0.5%的草酸铵溶液中,加热至90°C ,并恒温搅拌1.5h,果胶产率为13.0%,酯化度为65.1%。而酸法提取的产率为10.0%, 酯化度为66.3% 草酸铵提取法可使不溶性果胶酸钙转化为可溶性铵盐,Ca2+以草酸钙沉淀的形式除去。

    4.1.4微波助提法

    微波是一种频率为300MHz~300GHz的电磁波。微波辅助提取是利用微波加热与样品相接触的溶剂,将所需化合物从样品基体中分离,进入溶剂中的一个过程。微波加热主要是根据被加热物质中的极性分子(如H20在微波电磁场中做定向排列,从而产生相互摩擦而发热,产生的热能使其内部压力超过细胞空间膨胀的能力,从而导致细胞破裂,细胞内物质自由流出,传递到周围被溶解。微波法用于天然成分的提取,选择性高操作时间短、溶剂耗量小、目标组分获得率高,并且能极大限度地保留分离组分的天然活性[24]。龚冉等[25]利用甜菜废粕为原料,得出提取果胶的最佳工艺为微波功率900W,萃取次数4次,每次萃取75s,pH2.0的盐酸溶液与废粕比为14:1,果胶获得率为97.63% ,胶凝度为63;侯春友[26]以柑橘皮为原料,用盐酸萃取硫酸铝沉淀提取果胶,探讨了影响果胶获得的因素,确定了最佳工艺为pH2.0,微波辐射时间5min,辐射温度85C,料液比为1:13,提取率为26%;郑志花等[27]用微波法提取向日葵盘果胶,并分别比较了微波加热技术和传统加热技术,结果表明,传统加热果胶获得率为7.3%,凝胶强度为113度,微波加热的获得率为9.5%,凝胶强度为133度,二者均比传统法高,主要是由于微波加热时间短,物料受热均匀,不易使果胶的苷键断裂而发生分解。

    4.1.5高频电磁场提取法

    在高频电磁场作用下,生物材料可吸收电磁场辐射能量而转化为热量,增强热量和质量传递过程。肖凯军等[28]认为,高频电磁场能提高果胶与水等极性物质温度,促进植物细胞变性,降低固液扩散阻力,增加平均扩散系数,提高浸取效率,获得高凝胶强度的果胶产品。研究结果表明,在高频电磁场辐射(恒定功率460W和频率2450Hz,料液比为1:3,pH2.0)下浸取15min的果胶量为32.819mg/ml,与传统加热法40 min的提取效果相当,浸取效率提高了2~3倍,所制得的果胶产品的凝胶强度(197)大于传统方法。

    4.1.6超声波浸提法

    超声波是频率高于20kHz的机械波,它在媒质中传播时可产生空化现象,空化中产生的极大压力造成被破碎物在瞬间破碎,同时,超声波产生的振动作用加强了被破碎物的扩散及溶解。林曼斌等[29]主要研究了用超声波辅助盐析法从仙人掌中提取果胶,用JY96-超声波细胞粉碎机提取果胶,其最佳提取条件为提取功率60W,料液比为1:2.5,提取时间15min果胶获得率为9.15%。

    4.2生物酶(微生物发酵)提取法
    微生物法提取果胶是将原料放入发酵罐中,接种,经过静止、搅拌、低温(30°C左右)振荡培养15~20h,利用微生物产生的酶将果胶从植物组织中游离出来,这种酶能选择性分解植物组织中的复合多糖体,从而可有效地提取出植物组织中的果胶。日本的TakuoSakai等人研究出利用微生物发酵从中国蜜橘皮中萃取果胶的方法,不用对原料进行处理,避免了过滤时的麻烦

    第五章 果胶作为食品添加剂的使用标准与风险评估



    5.1使用标准



    5.2风险评估

    欧盟对果胶的安全风险评估

    1. 果胶不太可能被完整吸收, 而是被肠道微生物群发酵形成与果胶衍生物酸性寡糖 (p AOS) 相似的物质;

    2. 果胶没有遗传毒性的迹象;

    3. 在人体内6周的剂量为36 g/d (相当于515 mg/kgbw/d) 没有不利影响, 对于95%幼儿来说暴露量每天可达442mg/kg bw/d。

    我国《食品添加剂使用卫生标准》(GB 2760-2014)中规定:果胶可作为乳化剂、稳定剂、增稠剂,按生产需要适量用于除果蔬外的各类食品,在果蔬中最大使用量为3.0g/kg固体饮料按稀释倍数增加使用量。果胶可用于果酱、果冻的制造;防止糕点硬化;改进干酪质量;制造果汁粉等。高酯果胶主要用于酸性的果酱、果冻、凝胶软糖、糖果馅心以及乳酸菌饮料等。低酯果胶主要用于一般的或低酸味的果酱、果冻、凝胶软糖以及冷冻甜点,色拉调味酱,冰淇淋、酸奶等。

    第六章 果胶的应用



    6.1食品
    6.1.1烘焙
    在面制品加工工艺中,水溶性亲水性聚合物胶体可用作面条食品改良剂和各种面包保水剂。果胶是高度亲水性胶体,可以溶解在冷水中并快速水合形成高黏度的分散体,因此在蛋糕中加入果胶可以改善其吸水性[30,31]。并且果胶能改变淀粉老化的进程,进而改善蛋糕的口感。在蛋糕的生产中发现,面粉中加入适量的果胶可以增加蛋糕的比体积,提高蛋糕糊的稳定性,并防止蛋糕老化、保持口感松软。果胶蛋糕可以长时间保持松软[32],因此果胶能够有效延长面包架售间。

    冷冻影响面包的质量,酵母的活性降低并且面团的强度降低。添加果胶可以改变面包的质量,通过比较新鲜面包和冷冻面包,添加果胶的面团在最大拉伸强度方面有显著改善,因此可以判断,果胶的添加对酵母具有良好的保护作用[33]。
    6.1.2食品添加剂
    果胶可用作饮料的增稠剂和稳定剂。通过向果汁饮料中添加适量的果胶溶液,可以悬浮果肉而不分层,使之保持较好的外观,并且改善口感[34]。果胶可增加鲜奶的黏度,防止牛奶变酸,果胶的保护性胶体特性在含酪蛋白的儿童食品或儿童乳中的生产中具有特殊价值[35]。将适量果胶加入儿童饮用的牛奶中,可以使沉淀的酪蛋白变成细小的胶粒,易被儿童消化吸收[36]。

    不同类型的果胶具有不同的作用。例如,在酸奶的生产中, 加入高酯果胶能稳定酸奶的结构,加入低甲氧基果胶则能防止乳清的析出[37]。与淀粉和其他植物胶对比,以果胶为稳定剂的水果酸奶具有极好的风味和质地。如果生产果酱时原料中的果胶含量较低,可以加入果胶作为增稠剂。
    6.2医药
    果胶具有止泻、抗癌、降低胆固醇,抑菌、解毒、预防胆结石形成等作用,可单独使用或与其他药物联合用于治疗某些疾病,延长药物在体表的停留时间。果胶和其他膳食纤维一样, 不能在胃肠道内被消化,所以进入消化道后依然能够保持其胶体活性。在口服常规制剂后,药物在到达结肠之前就会被吸收,无法对病变部位起作用。因此,可以以果胶为载体,单独或与其他赋形剂组合配制成软膏、薄膜、栓剂、微胶囊等药物。
    研究表明,酸性和钙化果胶在药物靶向系统中应用较广。果胶可以应用到结肠靶向给药系统中,它们仅能被结肠菌群所产生的果胶酶降解,这一特性可以很好地保护药物通过胃和小肠,从而在结肠部位释放,发挥药物作用[38]。果胶铋是一-种由果胶与铋生成的复合物,可以用来治疗慢性胃炎,阿莫西林联合果胶治疗慢性萎缩性胃炎可以提高疗效,减少副作用的发生[39]。柑橘果胶是一种水溶性聚合物,具有良好的生物降解性,可用于制造薄膜。该薄膜在食品和药品的涂层、包封和增稠方面具有潜在的应用价值[40]

    6.3果胶在动物营养中的作用

    动物的肠道中存在分解和发酵果胶的酶,在果胶分解后,形成挥发性脂肪酸(主要是乙酸),其在被动物体吸收后可以转化为能量[41]。饲料通常含有非淀粉多糖,其不能被单胃动物降解。果胶是一种非淀粉多糖,直接影响单胃动物对植物性食物的营养利用,是单胃动物的抗营养因子[42]。但添加果胶可降低猪(单胃动物)从消化道向淋巴吸收胆固醇和甘油三酯的速度。这表明果胶可以结合食物中的胆固醇和脂肪在消化道中,通过这种方式,可以减少进入淋巴的胆固醇量[43]。与单胃动物相比,果胶对反刍动物瘤胃环境的稳定性具有调节作用。果胶可以在瘤胃中快速分解,形成半乳糖醛酸,抑制酸性乳酸菌的发酵,使瘤胃液的pH值升高[44]。
    6.4其他应用
    果胶可提高土壤中养分的含量,提高养分利用率,增加土壤中有效态的重金属含量,减少重金属从植物根部到,上部的转运,促进植物生长[45]。根据果胶的结构特征,在甘蔗汁的絮凝和沉淀过程中添加少量混合果汁(果胶含0.10% ~0.13%)會代替聚丙烯酰胺,沉淀和过滤的速度显著加快,随着混合汁量的增加,澄清果汁的纯度增加,表明混合果计中的果胶有絮凝作用[45],试验发现,通过水解天然柑橘果胶获得的低分子量柑橘果胶可以在胃肠道中形成保护膜并渗透到血液中以促进酒精峰解[47].果胶可用于制作食品的可食性包装膜,该薄膜可被生物降解,且易于回收利用[48]采用胶凝技术,在海藻酸钠中入罗望子果胶,合成食用水球,其对DPPH的清除率为40%,超过维C对DPPH的清除率[49]

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