加工条件对细菌纤维素凝胶理化性质的影响

杨　颖，唐伟敏，陆胜民

(浙江省农业科学院 食品科学研究所，浙江 杭州 310021)

细菌纤维素(bacterial cellulose，BC)是由β-D-葡萄糖通过β-1，4-葡萄糖葡苷键结合形成的平行葡聚糖链[1]，一般由微生物在细胞内合成，分泌到胞外时聚合成微纤丝，并结合大量水分子，从而在培养液表面形成一层半透明凝胶，又称为纳塔[2]。BC凝胶具有高含水性、高持水性、低热量等特点，口感脆嫩柔滑，食用后具有饱腹感，且不易被消化吸收，具有较好的减肥功效，因而受到业内人士的关注[3-4]。BC凝胶作为功能性配料广泛应用于食品工业，尤其是在果冻、罐头、冰激凌、香肠等产品研发中[5-8]。pH值、盐度和温度等加工条件对BC凝胶稳定性的影响越小，其在食品中的应用范围就越广[9]。

目前，关于加工条件对BC凝胶理化性能影响的研究报道很少，人们对其缺乏系统认识。本课题组前期从腐败的柑橘果实中获得一株BC凝胶高产菌——中间葡糖酸醋杆菌GluconacetobacterintermediusCIs26[10]，建立以柑橘果渣为基质、静置与间歇振荡培养BC凝胶的营养与培养条件，BC干重产量达10 g·L-1以上，具有较好的产业化应用前景。本文研究食品加工过程中常见的pH、盐度、加热和冷冻处理等加工条件对自产BC凝胶的持水性、硬度、色泽等理化性能的影响，为后续改进发酵工艺、提高产品品质和工业化应用提供依据。

1　材料与方法

1.1　主要材料与试剂

发酵菌株：中间葡糖酸醋杆菌G.intermediusCIs26，由本实验室自行筛选于酸败柑橘果实表面[10]。

发酵培养基：柑橘果渣与水1∶5(质量比)混合，打浆制备成果渣浆，以800目滤布过滤，滤液中添加酵母粉0.5%(质量分数，下同)、蔗糖4%、(NH4)2SO40.3%、乳酸0.1%、磷酸氢二钠0.2%，自然pH，121 ℃灭菌15 min。

BC凝胶制备：菌株活化后接种于发酵培养基，30 ℃培养7 d后采收，将静置培养所得凝胶膜用清水冲洗干净，浸泡于0.5 mol·L-1的NaOH溶液中，80 ℃水浴60 min以去除残留菌体和培养基，去离子水清洗至中性备用。

芦丁，Fluka公司，色谱纯；氢氧化钠、盐酸、氯化钠和蔗糖等化学试剂均为分析纯，华东医药有限公司。

1.2　主要仪器与设备

TA. XT. plus物性仪(P6探头)，英国Stable Microsystens；ColorQuest XE色差仪，美国Hunter Associates Laboratory；101-3型电热鼓风恒温干燥箱，杭州蓝天化验仪器厂；UV-1800型紫外可见分光光度计，岛津公司；LXJ-IIB高容量低转速离心机，上海安亭(飞鸽牌)科学仪器厂；PB-10精密pH计，赛多利斯科学仪器(北京)有限公司；DS-1高速组织捣碎机，上海标本模型厂。

1.3　试验设计

1.3.1pH和盐度对BC凝胶的影响

在相同NaCl浓度下，pH值分别设定为2.0、7.0、10，NaCl浓度分别设定为0、1%、3%、5%，综合考查pH和NaCl浓度对BC凝胶含水量、持水力、硬度、色泽、黄酮含量的影响。

1.3.2加热和冷冻对BC凝胶的影响

将BC凝胶分别置于25 ℃(3 h)、100 ℃(10 min、1 h)、-18 ℃(1、24 h)条件下，处理后取出室温放置1 h，测定相关指标，综合考查加热和冷冻对BC凝胶的影响。

1.4　试验方法

样品处理。将样品切成1 cm×1 cm×1 cm丁状，分别浸于氯化钠、稀酸、稀碱溶液中，4 ℃放置120 h，每12 h搅动一次，室温放置1 h后进行分析测试。

水分含量测定。将BC凝胶打浆，以吸水纸去除部分水分后，置于105 ℃烘箱至恒重，测定失水率即获得样品水分含量[11]。

持水力(F)[11]测定。将BC凝胶切成丁状，用5层滤纸包裹，5 000 r·min-1离心10 min。离心后称量凝胶膜的质量(m1)，然后置于105 ℃烘箱烘干至质量恒定，称量(m2)。

(1)

总黄酮测定。参考任延远[12]的方法并略有改动：样品打成浆后，用体积分数为80%的乙醇微波辅助萃取总黄酮，真空浓缩至一定的浓度用于含量分析测定。准确称取芦丁0.021 g，用体积分数为30%的乙醇溶解后定容至100 mL备用。取7支具塞试管，分别加入0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mL芦丁标液，加入质量分数为5%的NaNO2溶液0.3 mL，摇匀，放置6 min后加入质量分数为10%的Al(NO3)3溶液0.3 mL，摇匀，放置6 min，加入质量分数为4%的NaOH溶液4.0 mL，再加入体积分数为30%的乙醇，使总体积为10 mL。摇匀，10 min后于510 nm处测定吸光度(x)，制作标准曲线y=988.44x-0.0016(R2=0.999 6)。用体积分数为30%的乙醇将样品中的黄酮萃取物稀释若干倍数，取1.0 mL于10 mL具塞试管中，同制作标准曲线的步骤，测定其在510 nm处的吸光度值。

硬度。采用物性仪测定BC凝胶硬度。

色差。采用色差仪测定BC凝胶的L*、a*和b*值。

1.5　数据处理与分析

每次试验进行3次平行，计算平均值与标准差。以SPSS 17.0进行方差分析，对有显著(P<0.01)差异的，采用LSD法进行多重比较。

2　结果与分析

2.1　pH和盐度对BC凝胶性质的影响

2.1.1对BC凝胶含水量的影响

由表1可知，不同pH处理的样品水分含量差异不显著，说明pH变化对其水分含量的影响不大。在相同pH条件下，随着NaCl浓度的升高，BC凝胶膜的水分含量显著(P<0.01)降低，最大降幅达4%。这可能是因为随着NaCl浓度升高，渗透压增加，从而导致凝胶内部水分流失。本试验范围内，各处理条件下样品的最低含水量在95%以上，能满足食品工业应用的要求。

2.1.2对BC凝胶持水力的影响

由表2可知，在相同的NaCl浓度下，随着pH值由酸性到碱性变化，试验样品的持水力显著(P<0.01)增加，且该趋势不受NaCl浓度的影响。在相同的pH条件下，随着NaCl浓度的升高，样品的持水力显著(P<0.01)降低，该趋势也不受pH值的影响。本试验范围内，各处理条件下持水力最低仍保持在9 g·g-1以上。

2.1.3对BC凝胶硬度的影响

由表3可见，相同NaCl浓度下，酸性条件下BC凝胶膜的硬度最高，显著(P<0.01)高于其他处理，而碱性与中性条件下区别不大。相同pH条件下，随着盐浓度的增加，中性与酸性环境中样品硬度呈现先上升后下降的趋势，而碱性条件下样品硬度随NaCl浓度的升高而增大。

2.1.4对BC凝胶膜色泽的影响

由表4可知，溶液的pH值、NaCl浓度对BC凝胶膜的色泽无显著影响，说明BC凝胶膜的色泽稳定性较好，实际应用时色泽劣变的概率较小，应用范围较广。

2.1.5对BC凝胶黄酮含量的影响

柑橘渣中含有多种黄酮成分，具有抗氧化、清除自由基、降低血脂、平衡血糖和防癌抗癌等功效。培养液中的柑橘黄酮能够随水分子进入凝胶膜中，使得样品中含有一定的黄酮。从表5可知，样品黄酮含量在13～19 mg·kg-1之间。相同NaCl浓度下，碱性环境样品中黄酮含量最低，而中性环境样品中含量较高。相同pH条件下，随着NaCl浓度增加，黄酮含量呈下降趋势，这可能与其水分含量及持水力降低具有一定的关联。

表1pH值和NaCl浓度对BC凝胶水分含量的影响

Table1Effects of pH and NaCl concentration on water content of BC gel

%

同行(列)数据后不同大(小)写字母的表示差异显著(P<0.01)。下同。

Data followed by different uppercase (lowercase) letters indicated significant difference atP<0.01. The same as below.

表2pH值和NaCl浓度对BC凝胶持水力的影响

Table2Effects of pH and NaCl concentration on water holding capacity of BC gel

g·g-1

表3pH值和NaCl浓度对凝胶膜硬度的影响

Table3Effects of pH and NaCl concentration on hardness of BC gel

N

表4pH值和NaCl浓度对凝胶膜色泽的影响

Table4Effects of pH and NaCl concentration on color of BC gel

NaCl浓度NaClconcentration/%pH2.0L*a*b*7.0L*a*b*10L*a*b*096.04±0.04Aa-0.36±0.02Aa1.32±0.12Aa95.94±0.11Aa-0.30±0.05Aa1.37±0.19Aa96.07±0.24Aa-0.32±0.03Aa1.27±0.08Aa196.04±0.15Aa-0.35±0.03Aa1.37±0.16Aa96.02±0.09Aa-0.35±0.03Aa1.29±0.12Aa95.87±0.29Aa-0.36±0.04Aa1.35±0.09Aa396.07±0.09Aa-0.35±0.02Aa1.41±0.14Aa95.76±0.24Aa-0.33±0.03Aa1.43±0.17Aa95.92±0.14Aa-0.38±0.05Aa1.42±0.05Aa595.87±0.15Aa-0.32±0.02Aa1.27±0.09Aa95.83±0.18Aa-0.36±0.03Aa1.38±0.11Aa96.03±0.12Aa-0.38±0.03Aa1.27±0.02Aa

2.2　加热和冷冻对BC凝胶性质的影响

由表6可见，本试验范围内，各处理样品的水分含量均保持在97%左右，比新鲜样品降低约2个百分点。这主要是由于BC凝胶含水量较高，且主要为自由水，易发生水分流失现象。100 ℃加热后样品持水力与黄酮含量较常温(25 ℃)处理有所下降，但仍保持了较高的水平，硬度则较常温增加。冷冻(-18 ℃)处理24 h后样品的持水力显著高于其他处理，硬度与亮度(L*)也显著(P<0.01)高于其他处理。

表5pH值和NaCl浓度对凝胶黄酮含量的影响

Table5Effects of pH and NaCl concentration on flavone content of BC gel

表6温度对BC凝胶品质的影响

Table6Effects of temperature on BC gel characteristics

处理Treatment水分含量Watercontent/%持水力Waterholdingcapacity/(g·g-1)黄酮含量Flavonecon-tent/(mg·kg-1)硬度Hardness/N色泽ColorL*a*b*25℃,3h97.99±0.05a12.51±0.07b18.82±0.12a3.60±0.18d94.00±0.24b-0.17±0.02c8.38±0.24c100℃,10min97.95±0.15a10.91±0.04c17.81±0.08b4.21±0.13c94.07±0.34b-0.10±0.01d8.27±0.19c100℃,1h97.65±0.21ab9.91±0.03d17.85±0.12b5.16±0.11a93.12±0.17c-0.12±0.01d11.11±0.34a-18℃,1h97.87±0.09a8.09±0.04e18.82±0.13a3.51±0.13d93.84±0.15b-0.28±0.02a9.08±0.09b-18℃,24h97.43±0.13b15.51±0.09a18.78±0.06a5.72±0.12a94.85±0.17a-0.22±0.01b6.20±0.10d

3　结论与讨论

因具有高含水性、高持水性、低热量，食后具有饱腹感、减肥等功效，BC凝胶在食品工业的应用受到广泛关注。目前主要是以块状形式与其他配料混合，添加于果冻、罐头、冰激凌、香肠等产品中，消费者食用时不仅可以品尝其味道，还可以观察凝胶的形态、颜色；因此，含水量、持水力、硬度、色泽等与口感、质构、感官密切相关的性能指标，都会影响BC凝胶在食品中的推广应用。pH值、NaCl浓度等是食品溶液配制过程中常被调节的工艺参数，而加热与冷冻处理则是食品加工过程中的常见处理步骤，有关上述因素对BC凝胶理化性能影响的研究及报道目前还非常少。

本文考查加工条件对自产BC凝胶含水量、持水力、硬度等特性的影响，因以柑橘果渣为主要原料生产，故对柑橘功效成分黄酮含量也一并进行检测。在本试验范围内，样品具有较好的色泽稳定性，水分含量保持在95%以上。碱性条件下样品持水力增加，最高达15.62 g·g-1。随着NaCl浓度的升高，样品的持水力显著下降，但仍保持在9 g·g-1以上，黄酮含量呈下降趋势，在13～19 mg·kg-1之间波动。经长时间冷冻处理(-18 ℃，24 h)后，样品持水力、硬度与亮度较室温处理(25 ℃，3 h)明显增加。总体而言，自产BC凝胶在不同加工条件下能够保持较好的理化性能，具有推广应用前景。

参考文献(References)：

[1]ROSS P， MAYER R， BENZIMAN M. Cellulose biosynthesis and function in bacteria[J].MicrobiologicalReviews， 1991, 55(1): 35-58.

[2]SHODA M， SUGANO Y. Recent advances in bacterial cellulose production[J].BiotechnologyandBioprocessEngineering， 2005:10(1): 1-8.

[3]汪丽粉，李政，贾士儒，等. 细菌纤维素性质及应用的研究进展[J]. 微生物学通报， 2014， 41(8): 1675-1683.

WANG L F， LI Z， JIA S R， et al. The research progress in characteristics and applications of bacterial cellulose[J].Microbiology， 2014， 41(8): 1675-1683. (in Chinese with English abstract)

[4]张基亮，何欣，李元敬，等. 细菌纤维素减肥功能测定及其酸奶的制作[J]. 食品科学，2013， 34(12): 61-66.

ZHANG J L， HE X， LI Y J， et al. Weight-reducing effect of bacterial cellulose and its application in bacterial cellulose yogurt[J].FoodScience， 2013， 34(12): 61-66. (in Chinese with English abstract)

[5]邵伟，唐明，黎姝华，等. 细菌纤维素在发酵植物蛋白冰淇淋中的应用[J]. 食品科学， 2002， 23(8): 167-169.

SHAO W， TANG M， LI S H， et al. Study on application of bacterial cellulose in fermented soymilk ice cream[J].FoodScience， 2002， 23(8): 167-169. (in Chinese with English abstract)

[6]陈中，杨晓泉，吴永辉，等. 椰果酸奶的研究[J]. 食品科学， 2005， 26(2): 270-272.

CHEN Z， YANG X Q， WU Y H， et al. Study on noix de coco yoghourt formula[J].FoodScience， 2005， 26(2): 270-272. (in Chinese with English abstract)

[7]邵伟，黄斌，胡潘. 细菌纤维素在发酵香肠生产中的应用[J]. 肉类工业， 2002 (6): 10-12.

SHAO W， HUANG B， HU P. Application of bacterial cellulose in fermented sausage production[J].MeatIndustry， 2002 (6): 10-12. (in Chinese)

[8]张海悦，闫小娟，赵伟. 细菌纤维素发酵果冻的研制[J]. 中国酿造， 2010 (5): 176-179.

ZHANG H Y， YAN X J， ZHAO W. Development of bacterial cellulose fermented jelly[J].ChinaBrewing， 2010 (5): 176-179. (in Chinese with English abstract)

[9]SHEU F， WANG C L， SHYU Y T. Fermentation ofMonascuspurpureuson bacterial cellulose-nata and the color stability ofMonascus-nata complex[J].JournalofFoodScience， 2000， 65(2): 342-345.

[10]YANG Y， JIA J J， XING J R， et al. Isolation and characteristics analysis of a novel high bacterial cellulose producing strainGluconacetobacterintermediusCIs26[J].CarbonhydratePolemers， 2013， 92(2): 2012-2017.

[11]周伶俐. 细菌纤维素生产菌的筛选、发酵及应用的研究[D]. 南京：南京理工大学，2008.

ZHOU L L. Isolation of a cellulose-producing strain， fermentation and application of bacterial cellulose[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology， 2008. (in Chinese with English abstract)

[12]任廷远. 柑橘皮渣发酵液总黄酮分离纯化及其功能性研究[D]. 重庆：西南大学，2011.

REN T Y. Research on the separation， purification and function of total flavone from fermentation fluid of citrus hidetrimmings[D]. Chongqing: Southwest University， 2011. (in Chinese with English abstract)