CN1331702A - 降低分子量的天然吉兰胶 - Google Patents

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Abstract

本发明提供降低分子量的吉兰胶。本发明的降低分子量的吉兰胶通常具有的重均分子量低于约1.7×106,并且一般为约1.2×106至约9.3×105。本发明还提供组合物,例如溶液和凝胶,其中包括降低分子量的吉兰胶。本发明的降低分子量的吉兰胶可通过降低聚合物分子量的任何方法制备。这些方法包括均化、声波处理、照射、氧化和水解。

Description

降低分子量的天然吉兰胶
发明背景
发明领域
本发明涉及降低分子量的天然吉兰胶(gellan gum)。
相关技术的描述
吉兰胶是通过发酵生产的高分子量多糖。吉兰胶的构成糖为葡萄糖、葡糖醛酸和鼠李糖，其摩尔比为2∶1∶1。这些糖连接在一起得到由如下所示的线性四糖重复单元构成的主结构：
在吉兰胶的天然或高酰基形式中，存在两个酰基：乙酸酯和甘油酸酯。两个取代基位于同一个葡萄糖残基上，平均而言，每个重复单元具有一个甘油酸酯和每两个重复单元具有一个乙酸酯。
树胶主要用于使水增稠或成凝胶状，且通常分为两类：增稠剂和胶凝剂。典型的增稠剂包括淀粉、瓜尔胶、羧甲基纤维素、藻酸盐、甲基纤维素、刺梧桐胶和黄蓍胶。常规胶凝剂包括明胶、淀粉、藻酸盐、果胶、角叉菜胶、琼脂和甲基纤维素。
在食品工业中胶凝剂用于各种领域，包括糖食果冻、果酱和果冻、甜点凝胶(dessert gel)、糖衣和乳制品。胶凝剂的不同之处是它们可使用的条件和它们形成的凝胶的结构不同。凝胶的这些突出性能已导致在很多产品中排它性使用某些胶凝剂(例如淀粉用于糖食果冻中；明胶用于胶囊中；琼脂用于糖衣中；和藻酸盐用于甘椒(pimento)条中)。
凝胶可以多种方式形成。将通过冷却胶凝剂的热溶液形成的凝胶分类为热凝固凝胶。典型的热凝固凝胶包括明胶、黄原胶与槐树豆胶的共混物、及琼脂。将需要在胶凝剂溶液中加入离子而使其凝固的凝胶分类为离子凝固凝胶。常规的离子凝固凝胶包括藻酸盐、卡巴角叉菜胶(kappa carrageenan)、低甲氧基果胶和吉兰胶。
通常，离子凝固凝胶为离子选择性的。例如，藻酸盐和低甲氧基果胶要求存在Ca2+离子以使其胶凝，而卡巴角叉菜胶仅在K+离子存在下胶凝。在离子凝固胶凝剂中，吉兰胶是独特的，因为它可在包括氢离子的几乎所有离子存在下形成凝胶。
最熟悉的胶凝剂可能是明胶，除了用于制备别的产品之外，它用于制备在世界很多地方流行的甜点凝胶。与多糖胶凝剂不同，明胶为衍生自动物原料的蛋白质。明胶具有很多理想的特性，包括熔化温度低于体温。因此，由明胶制成的凝胶可在口腔中熔化；这一特性提供增强的感官性。
然而，目前很多消费者对无来源于动物原料的成分的食品感兴趣。因此，需要提供一种衍生自非动物原料的胶凝剂，该胶凝剂可用于在选取的食品中取代明胶。
通过细菌发酵生产的天然吉兰胶，形成具有类似于明胶凝胶的结构的凝胶。但用天然吉兰胶制备的溶液甚至在升高的温度下也是高粘性的。此外，这些溶液在高温下胶凝。
本发明概述
本发明提供一种下式的降低分子量的吉兰胶：
Figure A9981488400081
通过SEC/MALLS(尺寸排阻色谱/多角激光散射)测量，该吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.7×106。
本发明还提供包括降低分子量的吉兰胶的组合物和制备该组合物的方法。
附图的简要描述
图1为说明降低吉兰胶的分子量对0.5％吉兰胶溶液的凝胶凝固温度的影响图。
图2为说明在95℃下降低吉兰胶的分子量对吉兰胶溶液的粘度的影响图。
本发明详细描述
这里使用的术语“降低分子量的吉兰胶”是指其分子量低于天然吉兰胶的吉兰胶。术语“天然吉兰胶”是指通过细菌发酵生产的未进行物理或化学改性的吉兰胶。术语“胶凝盐”是指诱导吉兰胶溶液形成凝胶的任何盐。本发明的降低分子量的吉兰胶具有的重均分子量低于约1.7×106，通常为约1.4×106至约4.0×105。
本发明的降低分子量的吉兰胶提供优于天然吉兰胶的多种优点。与天然吉兰胶溶液相比，降低分子量的吉兰胶溶液在高温时提供降低的粘度。该特性对于其中加工期间存在高粘度问题的具有高糖浓度的溶液是特别有利的。
本发明的组合物包括降低分子量的吉兰胶和水。降低分子量的吉兰胶在水中的浓度通常为约0.05wt％至约1.0wt％。组合物优选为凝胶或其中降低分子量的吉兰胶完全水化的溶液。
本发明还提供包括降低分子量的吉兰胶、水、胶凝盐和螯合剂的组合物。凝胶盐在组合物中的浓度将根据使用的特定胶凝盐而变化。例如，钠和钾胶凝盐通常以浓度约0.020M至约0.200M使用，而钙和镁胶凝盐通常以浓度约0.002M至约0.015M使用。螯合剂在组合物中的用量通常为约0.05至约0.25wt％。
当充分水化时，本发明的降低分子量的吉兰胶将通过多种不同的离子形成凝胶。胶凝盐优选为钙盐、钠盐或钾盐。胶凝盐最优选为CaCl2。柠檬酸钠是优选的螯合剂。
降低分子量的吉兰胶溶液较之于天然吉兰胶溶液在更低的温度下胶凝。因此，天然吉兰胶溶液通常在约80℃至95℃胶凝，而降低分子量的吉兰胶溶液通常在约60℃至约85℃胶凝。通过降低凝胶凝固温度，本发明的降低分子量的吉兰胶可使制造方法容易。
本发明的降低分子量的吉兰胶的另一优点是：与由天然吉兰胶制备的凝胶相比，它们提供具有改进感官性能的凝胶，由降低分子量的吉兰胶制备的凝胶显示低粘结性、弹性和坚实度。因此，与由天然吉兰胶制备的凝胶相比这些凝胶具有更好的口感。
本发明的降低分子量的吉兰胶可通过降低聚合物分子量的任何方法制备。这些方法包括均化、声波处理、照射、氧化和水解。本发明的降低分子量的吉兰胶优选通过均化制备。天然吉兰胶以KelcogelLT-100购自NutraSweet Kelco Company(San Diego，CA)。
在均化中，将含聚合物的样品在高压(例如大于500psi)下强制通过小孔。该方法导致聚合物断裂为较小的片断。可重复此均化以达到进一步降低聚合物的分子量。
声波处理也可用于降低水溶性聚合物的分子量。该方法涉及将聚合物样品暴露于高频波下。
使用来自钴或电子束源的γ照射也可降低水溶性聚合物的分子量。当聚合物为水化而非干燥形式时，分子量降低最容易发生。对于液体样品，照射量0.25至5Mrad提供明显的分子量降低。
包括吉兰胶的某些聚合物的分子量可通过将该聚合物暴露于氧化剂如过氧化氢下降低。该氧化降解通过过渡金属阳离子如铁强化。它被氧或自由基清除剂如抗坏血酸酯或没食子酸丙酯抑制。
酸水解是降低聚合物分子量的公知技术。通常用于多糖化学分析中，将多糖分解为其构成糖。尽管可使用很多不同的酸，但弱酸通常比强酸更容易操作。
本发明的降低分子量的吉兰胶可在各种流体食品中用作胶凝剂，所述流体食品包括糖食果冻，果酱和果冻，甜点凝胶，糖衣和乳制品如冰淇淋、冷冻酸乳酪、农家干酪(cottage cheese)、酸性稀奶油、非乳制品冷冻顶端配料(non-dairy frozen toppings)和焙烤食品的填充物。
下面的实施例用于说明本发明的一些优选实施方案，而非限制本发明。
                 实施例1
(制备降低分子量的吉兰胶-1x均化作用)
将4g天然吉兰胶加入400ml去离子水中，同时在电加热金属烧杯中用2英寸、3叶片螺旋桨搅拌器以800rpm搅拌。将样品搅拌10分钟后加热至95℃。在95℃下搅拌样品，直到吉兰胶完全水化。
然后在80-90℃下用APV Gaulin均化器装置在8500psi的压力下以单一步骤均化水化样品。当在60℃以上放置均化的吉兰胶溶液时，用异丙醇沉淀降低分子量的吉兰胶。通过将3体积的异丙醇加入1体积的降低分子量的胶溶液中来进行沉淀步骤。
将沉淀的降低分子量的吉兰胶纤维在温和加热(约45℃)下干燥12-24小时，然后用机械磨研磨至约60-80目。
              实施例2
(制备降低分子量的吉兰胶-4x均化作用)
所用方法如实施例1所述，不同的是将吉兰胶样品通过均化器四次。另外的均化作用使吉兰胶的分子量进一步降低。
               实施例3
(制备降低分子量的吉兰胶凝胶-1x均化作用)
将如上面实施例1所述制备的分子量充分降低的吉兰胶加入去离子水中，同时用螺旋桨混合器以800rpm混合以得到胶浓度为0.5％的凝胶，搅拌10分钟后，将样品加热至95℃。胶完全水化后，加入0.5MCaCl2溶液，加入量应使最终凝胶的Ca2+浓度为6mM。然后将该溶液倒入圆片模具中，冷却后得到厚约7mm和直径25mm的凝胶。
                  实施例4
(制备降低分子量的吉兰胶凝胶-4x均化作用)
所用方法如实施例3所述，不同的是按实施例2所述(即均化四次)制备降低分子量的吉兰胶，在凝胶中的最终胶浓度为0.5％。
                  比较例1
            (制备天然吉兰胶凝胶)
所用方法如实施例3所述，不同的是用天然吉兰胶而不用降低分子量的吉兰胶制备凝胶，在凝胶中的最终胶浓度为0.5％。
                 凝胶分析
结构决定凝胶如何在外力下变形。通过对凝胶样品施加不断增加的力并测量导致的变形可获得凝胶的结构轮廓(texture profile)。用Szczesniak，A.S.，结构特征分类(Classification of TexturalCharacteristics)，食品科学杂质(J.Food Sci.)J.Food Sci.，28(1963)390中的所述方法(其引入本文作为参考)评估如实施例3，4和比较例1中所述制备的样品，进行结构轮廓分析。用Instron测试机以每分钟2英寸的速率压缩圆凝胶样品，压缩至80％的应变值。计算样品的模量、硬度、脆性、弹性和粘结性。这些计算结果列于表1A和1B中。
模量，通常称作坚实度，表示当轻轻挤压时凝胶表现出的坚固性。硬度是使凝胶破裂所需的力的测量值。脆性是凝胶破裂之前可挤压的程度的测量值。弹性是凝胶第一次压缩循环后弹回多少的测量值。粘结性表示在口腔中凝胶破碎的难易性。
如表1A和1B所示，由降低分子量的吉兰胶制备的凝胶比由天然吉兰胶制备的凝胶的粘结性、弹性和坚实度低。
表1A：用天然和降低分子量的吉兰胶制备的凝胶的结构参数
实施例            样品    模量    硬度    脆性
比较例1       0.5％天然吉兰胶    2040    23.7   ＞85％
实施例3     均化一次的0.5％天然吉兰胶(降低的分子量)    2180    9.85   ＞85％
实施例4     均化四次的0.5％天然吉兰胶(进一步降低的分子量)    2220    2.6   71.8％
表1B：用天然和降低分子量的吉兰胶制备的凝胶的结构参数
实施例        样品    弹性   粘结性
比较例1    0.5％天然吉兰胶     63.1     48.5
实施例3   均化一次的0.5％天然吉兰胶(降低的分子量)     60.2     35.0
实施例4   均化四次的0.5％天然吉兰胶(进一步降低的分子量)     28.9     13.8
                    实施例5
                  (制备甜点凝胶)
用未处理的吉兰胶、均化一次的降低分子量的吉兰胶、均化四次的降低分子量的吉兰胶分别以0.5％、0.75％和1.0％的胶浓度制备甜点凝胶。
如实施例3、4和比较例1制备凝胶，不同的是在加入0.5M CaCl2之前向溶液中加入糖、己二酸、柠檬酸钠、磷酸二钠、富马酸、调味剂和着色剂。以重量百分数计在最终溶液中每一种加入的组分的存在量为：糖(13.48％)、己二酸(0.40％)、柠檬酸钠(0.13％)、磷酸二钠(0.13％)、富马酸(0.11％)、调味剂(0.02％)和着色剂(0.01％)。
                   分析甜点凝胶
如凝胶分析所述评估如实施例5所述制备的甜点凝胶的结构轮廓。计算样品的模量、硬度、脆性、弹性和粘结性。这些计算结果列于表2A和2B中。
如表2A和2B证明，由仅均化一次的降低分子量的吉兰胶制备的甜点凝胶的粘结性、弹性和坚实度与由天然吉兰胶制备的甜点凝胶的大约相同。然而，由均化四次的降低分子量的吉兰胶制备的甜点凝胶比由天然吉兰胶制备的凝胶的粘结性、弹性和坚实度低
表2A：用天然和降低分子量的吉兰胶制备
      的甜点凝胶的结构参数
实施例        样品    模量    硬度    脆性
比较例5   0.5％天然吉兰胶    2288     7.2    77.1
实施例5 均化一次的0.75％天然吉兰胶(降低的分子量)    3145     8.1    75.2
实施例5 均化四次的1.0％天然吉兰胶(降低的分子量)    3238     5.1    79.6
表2B：用天然和降低分子量的吉兰胶制备
      的甜点凝胶的结构参数
   实施例            样品     弹性    粘结性
  比较例5      0.5％天然吉兰胶     65.4     71.3
  实施例5    均化一次的0.75％天然吉兰胶(降低的分子量)     69.1     66.1
  实施例5    均化四次的1.0％天然吉兰胶(降低的分子量)     46.4     40.3
                   实施例6
                凝胶凝固温度
用流变科学SR-200受控应力流变仪(Piscataway，N.J.)测量天然吉兰胶和两种降低分子量的吉兰胶的凝胶凝固温度。将该仪器设置为具有50mm顶板和Peltier温度控制底板的平行板模式。将样品放在已预热至95℃的底板上，降低顶板以提供1mm的缝隙。由提供的溶剂蒸发附件控制蒸发。当在施加2-5％的应变下以每秒10弧度的频率测量时，将样品由95℃冷却至50℃，并测量其粘弹性。测量弹性模量G′以确定其凝固温度。当G′值超过10达因/cm2时，认为样品开始凝固。此温度称作凝固温度。”
如实施例1所述制备降低分子量的吉兰胶。一种降低分子量的吉兰胶溶液由均化一次的吉兰胶制备，另一种降低分子量的吉兰胶溶液由均化四次的吉兰胶制备。
按如下方法制备降低分子量的吉兰胶溶液：在去离子水中充分水合降低分子量的吉兰胶，得到0.5％降低分子量的吉兰胶溶液，接着加入足够的0.5M CaCl2，得到Ca2+离子浓度为6mM的溶液。
按如下方法制备天然吉兰胶溶液：在去离子水中充分水合吉兰胶，得到0.5％吉兰胶溶液，接着加入足够的0.5MCaCl2，得到Ca2+离子浓度6mM的溶液。
这些测试结果示于图1中。如图1所示，由降低分子量的吉兰胶制备的溶液比由未处理的天然吉兰胶制备的溶液具有更低的凝胶凝固温度。
                    实施例7
                 (测定热粘度)
用流变科学SR-200受控应力流变仪测量天然吉兰胶溶液和两种降低分子量的吉兰胶溶液的粘度。仪器设置如实施例6中所述。所用的试验程序是稳定的应力扫描试验。选择应力值使得剪切速率的最大范围为10-1000s-1。
按如下方法制备天然吉兰胶溶液：在去离子水中充分水合吉兰胶，得到0.5％吉兰胶溶液。按如下方法制备降低分子量的吉兰胶溶液：在去离子水中充分水合降低分子量的吉兰胶，得到0.5％降低分子量的吉兰胶溶液。一种降低分子量的吉兰胶溶液由均化一次的吉兰胶制备，另一种降低分子量的吉兰胶溶液由均化四次的吉兰胶制备。
这些测试结果示于图2中。
如图2所示，在升高的温度下由降低分子量的吉兰胶制备的溶液比用天然的吉兰胶制备的溶液具有更低的粘度。
                    实施例8
            (天然吉兰胶的分子量测定)
按如下方法澄清天然吉兰胶肉汤发酵液：向约4升1.5％吉兰胶肉汤溶液中加入足够的次氯酸钠，得到次氯酸钠浓度为1000ppm的溶液。将溶液在40℃下搅拌2小时，接着加入足够量的溶菌酶(Genencor，Palo Alto，California)，得到溶菌酶浓度为50ppm的溶液。将所得溶液在40℃下搅拌2小时，接着加入足够的HT蛋白酶(Miles Enzymes，Elkhart，Indiana)，得到HT蛋白酶浓度为500ppm的溶液。将所得溶液在40℃下搅拌2小时，接着加入足够的乙二胺四乙酸盐(EDTA)和十二烷基磺酸钠(SDS)，得到EDTA和SDS浓度分别为1000ppm和500ppm的溶液。将所得溶液在40℃下搅拌2小时。
然后将所得的澄清天然吉兰胶肉汤用两体积份异丙醇沉淀。接着将沉淀的胶纤维在平纹细布(muslin cloth)之间挤压至33％的固含量，然后在60℃下干燥12小时。接着将纤维用Brinkmann刀磨(Westbury，New York)磨碎至约250μm粒径。然后将干燥的胶粉末在90℃下在去离子水中再水化至1％聚合物浓度。
然后将该1％天然吉兰胶溶液加入分子多孔渗析管中(Spectra/PorMembrane MWCO 6-800)。将该溶液向去离子水渗析72小时。将已渗析的吉兰胶用异丙醇沉淀，然后干燥并研磨。接着将聚合物在90℃下在去离子水中再水化至0.05％聚合物浓度。加入氯化四甲基铵，得到10mM溶液。重复此纯化操作。将得到的溶液冷却至室温。
将聚合物溶液通过0.45μm和0.50μm Acrodisc过滤器过滤。用SEC/MALLS(尺寸排阻色谱法/多角激光散射)装置测量天然吉兰胶聚合物的分子量。SEC/MALLS装置装有一个Water 410示差折光仪、一个Wyatt Technology-Dawn DSP激光光度计和两个Waters水凝胶柱(2000，线性串联)。用Astra 21程序分析数据。表3给出天然吉兰胶的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)分别为2.5×106和2.2×106。
                         实施例9
       (测量1X均化的降低分子量的吉兰胶的分子量)
所用的方法如实施例8所述，不同的是在渗析步骤前将1％天然吉兰胶溶液在8500psi下通过APV Gaulin压力降均化器一次。
如表3所示，均化一次的吉兰胶的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)分别为1.7×106和1.6×106。
                      实施例10
      (测量2X均化的降低分子量的吉兰胶的分子量)
所用的方法如实施例9所述，不同的是将吉兰胶样品通过均化器两次。另外的均化使吉兰胶的分子量进一步降低。如表3所示，均化二次的吉兰胶的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)分别为1.2×106和1.1×106。
                     实施例11
      (测量4X均化的降低分子量的吉兰胶的分子量)
所用的方法如实施例9所述，不同的是将吉兰胶样品通过均化器四次。另外的均化使吉兰胶的分子量进一步降低。如表3所示，均化四次的吉兰胶的重均分子量(Mw)和数均分子量(Mn)分别为9.3×105和7.6×105。
              表3：吉兰胶的分子量
        样品 重均分子量(MW) 数均分子量(MN)
    天然吉兰胶     2.5×106     2.2×106
均化一次的吉兰胶     1.7×106     1.6×106
均化二次的吉兰胶     1.2×106     1.1×106
均化四次的吉兰胶     9.3×105     7.6×105
本发明的其它各种变化和改性对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。本发明并不限制于此，而应由权利要求书进行限定。

Claims (27)

1.下式所示的降低分子量的吉兰胶：
通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，该吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.7×106。
2.权利要求1的吉兰胶，其中通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，所述吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.2×106。
3.权利要求1的吉兰胶，其中通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，所述吉兰胶的重均分子为约1.2×106至约9.3×105。
4.一种组合物，包括：
(a)下式所示的降低分子量的吉兰胶：
Figure A9981488400022
通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，该吉兰胶重均分子量低于或等于约1.7×106；和
(b)水。
5.权利要求4的组合物，其中通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，所述吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.2×106。
6.权利要求4的组合物，还包括胶凝盐。
7.权利要求6的组合物，其中所述胶凝盐选自钙盐、钾盐和钠盐。
8.权利要求7的组合物，还包括螯合剂。
9.权利要求8的组合物，其中所述螯合剂为柠檬酸钠。
10.权利要求7的组合物，其中所述胶凝盐为钙盐。
11.权利要求7的组合物，还包括流体食品产品。
12.权利要求11的组合物，其中所述流体食品产品选自糖食果冻、果酱、果冻、甜点凝胶、糖衣、非乳制品冷冻顶端配料、焙烤食品的填充物和乳制品。
13.一种制备下式所示的降低分子量的吉兰胶的方法：
通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，该吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.7×106，所述方法包括：
(a)在水中水化天然吉兰胶；和
(b)降低所述天然吉兰胶的分子量，由此生产降低分子量的吉兰胶。
14.权利要求13的方法，其中通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，所述吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.2×106。
15.权利要求13的方法，其中所述天然吉兰胶的分子量通过选自均化、声波处理、照射、氧化和水解的处理降低。
16.权利要求15的方法，其中所述处理为均化。
17.权利要求13的方法，进一步包括降低所述降低了分子量的吉兰胶的分子量的步骤。
18.权利要求17的方法，其中所述所述降低了分子量的吉兰胶的分子量通过选自均化、声波处理、照射、氧化和水解的处理降低。
19.权利要求18的方法，其中所述处理为均化。
20.一种组合物，包括：
(a)下式所示的降低分子量的吉兰胶：
Figure A9981488400041
通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，该吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.7×106，；
(b)水；
(c)胶凝盐；和
(d)螯合剂，其中所述组合物为凝胶。
21.权利要求20的组合物，其中通过尺寸排阻色谱/多角激光散射测量，所述降低分子量的吉兰胶的重均分子量低于或等于约1.2×106。
22.权利要求21的组合物，其中所述胶凝盐选自钙盐、钾盐和钠盐。
23.权利要求22的组合物，其中所述胶凝盐为钙盐。
24.权利要求23的组合物，其中所述螯合剂为柠檬酸钠。
25.一种产品，通过包括如下所述的方法获得：
(a)在水中水化天然吉兰胶；和
(b)降低所述天然吉兰胶的分子量。
26.权利要求25的产品，其中所述天然吉兰胶的分子量通过选自均化、声波处理、照射、氧化和水解的处理降低。
27.权利要求26的产品，其中所述处理为均化。
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