可得然胶功能性质及其在食品中的应用研究进展

俞 珊，段孟霞，童彩玲，孙继帅，姜海鑫，李丹洁，赵建波，庞 杰，吴春华,*

（1.福建农林大学食品科学学院，福建 福州 350002；2.中国农业大学食品科学与营养工程学院，北京市植物资源功能食品重点实验室，北京 100083）

可得然胶是一种新型的微生物胞外多糖，其水悬浮液在低温和高温下可形成两种结构不同的凝胶，分别称为低凝固热可逆凝胶和高凝固热不可逆凝胶。可得然胶的多功能性使其在产品创新设计中具有潜在应用价值。然而可得然胶不溶于水、醇和大多数有机溶剂，但易溶于对氢键具有破坏作用的水溶液，例如氢氧化钠、二甲基亚砜、碘化钾、尿素。

自原田笃也（Tokuya Harada）教授于1964年通过发酵获得可得然胶并进行一系列相关研究后，1968年，Takeda化学工业公司开始研究可得然胶并将其在食品工业中投入应用；1989年，可得然胶在日本、韩国等国家被作为食品添加剂应用于大规模生产中；1996年，美国食品药品监督管理局经过长期的安全性和毒理学检测研究，证明可得然胶能够安全地应用于食品加工中，并批准将其列入食品添加剂中；我国从1999年开始将可得然胶作为食品添加剂进行研究，在2006年5月批准将可得然胶作为食品添加剂使用，并要求在生或干面制品、鱼糜制品、凝胶制品、熟肉制品、西式火腿、肉灌肠等食品中按生产需要适量使用。GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》指出，可得然胶作为增稠剂、稳定剂和品质改良剂能明显改善食品质构特性和稳定性，赋予食品良好的口感。在过去的几年，可得然胶作为食品添加剂一直是研究热点。针对当前研究热点，本文对近年来可得然胶在食品生产领域上的应用研究进行归纳总结，以期为以后的深入研究提供一定的参考。

1 可得然胶的来源及化学结构

1.1 可得然胶的来源

可得然胶于1964年由日本大阪大学原田笃也教授在分离粪产碱杆菌10C3（var.10C3）时首次发现，随后研究证明，可得然胶为酸性的琥珀酰葡聚糖10C3，多糖部分由大部分的-1,3-、-1,4-和-1,6-连接葡聚糖残基和一小部分的-1,3-连接半乳糖残基组成。1977年，Amemura等在研究var10C3产生琥珀葡聚糖的过程中，发现了一个自发突变株10C3K能产生不溶于水的可得然胶代替琥珀酰葡聚糖，这种多糖能通过加热形成凝胶。目前，已知能生产可得然胶的菌株有spp.、spp.、spp.、、spp.。可得然胶的生物合成可分为3 个步骤：1）葡萄糖脱氢酶将葡萄糖氧化并将产物转运到细菌细胞质中；2）氧化产物通过葡萄糖酸激酶转化成葡萄糖-6-磷酸，葡萄糖-6-磷酸进一步被氧化成葡萄糖-6-磷酸盐，在尿苷二磷酸（uridine diphosphate，UDP）-葡萄糖焦磷酸化酶诱导下，葡萄糖-1-磷酸生成可得然胶的合成前体物质，在转移酶作用下UDP-葡萄糖形成脂磷酸葡萄糖；3）聚合酶将脂磷酸葡萄糖通过-1,3-糖苷键连接形成长链状的可得然胶多糖并分泌出细胞。由此可见，可得然胶生物合成过程中涉及多种酶的参与，例如葡萄糖激酶、葡聚糖合成酶、葡萄糖磷酸脱氢酶等。胞内核苷除了可为可得然胶的合成提供能量，还具有参与糖代谢的功能，最终使UDP-葡萄糖焦磷酸化酶合成可得然胶并分泌到胞外基质中。图1展示了可得然胶得生物合成途径。Yang Ming等对土壤中分离的能够生产可得然胶的sp. QL212进行优化研究发现，碳源、氮源、初始pH值以及培养条件均能影响可得然胶的产率。表1汇总了用于可得然胶生物合成的微生物种类及产率。

图1 可得然胶生物合成途径[14]Fig. 1 Biosynthetic pathway of curdlan[14]

表1 可得然胶生物合成的不同微生物种类及产量Table 1 Microbial producers and yield of curdlan

1.2 可得然胶的化学结构

可得然胶为中性多糖，是完全由葡萄糖在C1和C3位置以-1,3-糖苷键组成的线性聚合物（(1→3)---葡萄糖），化学式为(CHO)，大约由300～500 个葡萄糖残基组成，平均聚合度为450，不同菌属合成可得然胶的分子质量有所差异，细菌和真菌物种产生的可得然胶，平均分子质量介于2.06×10～5.0×10Da之间。可得然胶的红外光谱吸收峰在890 cm（-构型）和840 cm（-构型）处，并且-构型和吡喃糖环结构具有低比旋光度。可得然胶主要以长链结构存在，但由于分子内和分子间氢键结合可以形成更复杂的三维结构。研究发现，可得然胶在不同碱性环境下存在单螺旋、三维螺旋和无规卷曲3 种不同的结构形式（图2），在低NaOH浓度下具有螺旋（有序）构象。有研究者通过原子力显微镜观察到随着碱浓度升高，可得然胶构象从螺旋结构变为无规卷曲结构，例如，市售的可得然胶在制备过程中使用强碱溶解，经干燥、退火后其六边形晶胞结晶为螺旋状，以不完全结晶的颗粒形式出现，有研究报道了其基面尺寸为1.44 nm。目前一般使用电子显微镜研究可得然胶超分子组装中的结构。

图2 可得然胶3 种螺旋结构式[10]Fig. 2 Three spiral structures of curdlan[10]

2 可得然胶的功能特性

2.1 凝胶性

可得然胶具有容易加热成凝胶的能力，根据加热温度可以形成两种类型的热诱导凝胶——低热可逆凝胶和高热不可逆凝胶。将其加热到55～80 ℃，形成的可得然胶悬浮液冷却至40 ℃以下会形成低热可逆凝胶，这种形式的凝胶不稳定，经过加热后会发生液化；当加热到80 ℃或更高时，可得然胶分散体悬浮液进一步形成高热不可逆凝胶，其凝胶自主装过程如图3所示。在凝胶形成机制中，从低热可逆凝胶变为高热不可逆凝胶时存在结合水向非结合水的转变，该现象表明可得然胶分子结构发生了变化。高热不可逆凝胶形成的分子机制不同于低热可逆凝胶。在高热不可逆凝胶中，凝胶多糖胶束通过氢键与单螺旋分子交联以及疏水相互作用与三螺旋交联。而在低热可逆凝胶中，由单螺旋分子占据的可得然胶胶束之间通过氢键交联。Stipanovic等通过C核磁共振波谱分析可得然胶凝胶，发现在60 ℃下形成的可得然胶构象是七倍螺旋形式，而95 ℃下形成的凝胶是六倍三螺旋。Yan Jingkun等使用X射线衍射和差示扫描量热分析研究了可得然胶的多晶型物，提出在低热可逆凝胶中存在单链螺旋结构，在高热不可逆凝胶中存在三链螺旋结构。Xiao Man等使用原子力显微镜研究了溶解在NaOH水溶液中未加热和热处理凝胶的分子结构，发现热诱导的凝胶单链似乎从缠结的微纤维中部分解离，然后在这些部分解离的单链之间发生交联。

图3 可得然胶凝胶自主装过程Fig. 3 Self-assembly process of curdlan

2.2 增稠性

可得然胶作为一种重要的流变助剂，常被用于调控体系的黏度和流变性能。可得然胶不溶于水，但通过高剪切力分散形成的可得然胶悬浮液具有独特的流变学行为。可得然胶增稠作用涉及构象无序链的非特异性缠结，黏度主要来自于构象的无规卷曲。在低浓度分散液中，可得然胶的各个分子可以自由移动，增稠作用不强烈；但在高浓度系统中，这些分子出现相互缠结，导致分子运动受到限制，体现出增稠作用。

2.3 乳化性

食品乳液形成稳定体系条件要求较高，且在运输和贮藏期内往往会发生物理变化而失稳（如絮凝和聚结）。可然胶作为一种优良的乳化剂，能很好地促进油脂吸收或与油脂结合，使其形成稳定性良好的体系。可得然胶在乳化过程中，油滴表面会形成弹性层，以提供有效的空间位阴，同时可通过静电效应有效地防止油滴聚结。尽管可得然胶在稳定油-水界面中发挥着重要作用，但在制备食品乳液时通常不作为唯一的功能成分。近年来可得然胶稳定乳液的应用实例见表2。

表2 可得然胶稳定乳液的应用实例Table 2 Examples of the application of curdlan-stabilized emulsion

2.4 成膜性

可得然胶具有良好的水不溶性和热特性，形成的薄膜呈透明状且氧透过率低。同时可得然胶具有可再生性和生物降解性，适合应用于单层或多层食品包装膜，提高膜的阴水能力和热稳定性；但单一的可得然胶可食膜力学性能较差，因此其多与其他物质相结合以提高膜的力学性能和耐水性。从流变学的角度来看，聚合物薄膜的干燥可分为3 个阶段：第一阶段，溶剂以恒定速率蒸发；第二阶段，溶剂蒸发率急剧升高，成膜样品成为弹性固体；第三阶段，溶剂从固化膜中缓慢扩散。总之，成膜样品在第一和第二干燥阶段表现出液体的弹性行为，但在最后阶段形成完整薄膜。Xiao Qian等通过使用流变仪和傅里叶变换红外光谱测定干燥过程中膜溶液流体力学特性和膜溶液中分子与水分子间的氢键作用，发现单一的多糖成膜溶液在干燥过程中随着水分的蒸发，多糖分子链间相互缠绕，最终形成三维网络结构。在整个干燥过程中，最先蒸发的是自由水和结合水，然后蒸发的是与多糖形成氢键的水。常见可得然胶食品膜的制备条件及拉伸强度如表3所示。

表3 常见可得然胶食品膜的制备条件及拉伸强度Table 3 Preparation conditions and tensile strength of common natural edible films containing curdlan

2.5 抗冻融性

凝胶制品网络结构中水分子在冷冻时缓慢结晶，在随后的解冻过程中冰晶融化，聚合物结构组织发生改变，导致其凝胶强度下降和脱水收缩现象加剧，从而降低产品品质。可得然胶在低温下稳定性高，适用于冷冻食品。曲卓婷等研究发现，在冷冻熟面中加入可得然胶可抑制冷冻过程中冰晶的形成，增加冷冻熟面的冻融稳定性，从而抑制冷冻熟面在冻融循环过程中质构特性的下降。王培森等研究发现，添加1%可得然胶可通过增强肌球蛋白内部的氢键作用使蛋白凝胶形成致密的三维网络结构，降低肌球蛋白凝胶中不同组分水的流动性，同时降低不易流动水向自由水的转化，从而减缓鱼糜制品冻融过程中凝胶强度和持水率的降低。

2.6 营养特性

2.6.1 益生元

目前，通过摄入益生元的途径来改善胃肠道健康已受到越来越多的关注。益生元需能耐受胃环境的低pH值并对小肠中的消化酶具有抵抗力，从而在结肠中被胃肠道微生物群发酵利用以促进双歧杆菌和乳酸杆菌的生长。Shimizu等使用可得然胶饲喂大鼠4 周后，在盲肠中观察到短链脂肪酸和乳酸的含量以及双歧杆菌数量显著增加。Rahman等采用可得然胶饲喂小鼠14 d后，通过i-Screen法评估可得然胶对小鼠肠道微生物群的影响，发现可得然胶可诱导肠道微生物群发生变化，从而减轻肠道炎症。

2.6.2 预防认知障碍

肠道微生物群通过肠-脑轴在大脑功能和行为中发挥重要作用，而微生物群的失调与神经炎症和认知障碍密切相关。Sharon等对无菌和抗生素处理的啮齿动物研究也表明，肠道微生物群失调会通过激活小胶质细胞对海马神经和大脑发育产生负面影响。研究发现，可得然胶可触发神经元轴突再生，并对神经具有保护作用，Yang Xiaoying等采用高脂肪饮食诱导建立小鼠认知障碍模型，随后通过分析神经炎症、突触蛋白水平以及前额叶皮层和海马体的超微结构评估可得然胶在该模型中的促认知功效，结果证明摄取可得然胶补充剂可以通过肠-脑轴改善肠道生态失调并防止饮食引起的认知障碍。

2.6.3 抗肿瘤

可得然胶能被树突状细胞、巨噬细胞等免疫细胞识别，通过Dectin-1和Toll样受体4信号激活树突状细胞，促进p50和RelB核易位以及上调随后的肿瘤坏死因子配体超家族成员15（tumor necrosis factor ligand superfamily member 15，TNFSF 15）和OX40 L表达，促进CD4T细胞分化为Th9细胞，并增强体内Th9细胞依赖性抗肿瘤反应。Haas等报道了可得然胶激活Dectin-1信号传导并诱导启动抗肿瘤免疫反应。

3 可得然胶在食品中的应用

可得然胶在食品中应用范围广泛，如可作为胶凝剂、结构改性剂、持水剂、成膜剂、增稠剂等用于凝胶食品、面制品、鱼糜制品、可食用包装膜、冷冻食品、烘烤食品和低卡食品等中，可得然胶在不同食品中的应用见图4。作为一种食品添加剂它可以改善产品的持水性、黏弹性、稳定性，并具有增稠作用。

图4 可得然胶在食品中的应用Fig. 4 Application of curdlan in food

3.1 肉类食品

可得然胶在肉类中通常作为持水剂和稳定剂使用，利用其凝胶特性，将其添加在火腿肠、鸡肉肠等肉类食品中，或者利用其成膜特性制备可食用包装膜用于冷鲜肉保鲜。适量添加可得然胶可以使产品的口感、外观以及质地得到很大的提升，从而提高销售量以及尽可能地减少生产成本。可得然胶分子填充到蛋白质基质孔隙中，可以通过氢键作用形成更致密的均匀网络，从而产生高凝胶强度和持水性。Lee等发现添加量为1.0%的可得然胶改善低脂模型香肠理化特性的效果最佳，此外还注意到，添加可得然胶有助于形成光滑、紧密、连续和均匀的凝胶基质以及提高低脂模型香肠的蒸煮产量。

3.2 鱼糜制品

由于冷藏、运输和销售过程中不可避免的环境因素，鱼糜制品的持水能力、凝胶强度和其他一些理化特性总是难以保持，这会严重影响鱼糜制品的品质，然而通过添加亲水胶体可以提高鱼糜凝胶产品在流通过程中的稳定性。将可得然胶作为食品添加剂加入到鱼糜中，其与鱼糜蛋白加热形成凝胶，能共同增强凝胶体系的网络结构，使凝胶强度显著提高。同时，由于可得然胶还具有凝胶性，可替代部分鱼糜，从而降低生产成本；加入可得然胶还能改善鱼糜因内源酶降解、蛋白质结合水能力下降的问题，维持凝胶水分，保持凝胶组织质地紧实；添加可得然胶的产品长时间冷冻保存后不会发生黄变现象，其能够有效延长货架期。此外，Hu Yaqin等还发现添加可得然胶可以增加鱼糜凝胶强度、持水能力，证明可得然胶可以改善带鱼肌肉蛋白的胶凝特性。

3.3 面类食品

由于可得然胶在高温和冷冻条件下可以保持稳定的形状，在面类食品加工中，可以将其作为结构改良剂和稳定剂使用，可得然胶分子结构中含有的亲水基团能够与水、蛋白质、淀粉等分子发生作用，使其交叉贯穿面筋网络，改善面团的流变学特性和面条品质。通常加入可得然胶制备的面条具有表面光滑、复水性好等优点。Liang Ying等研究可得然胶对冻熟面条冷冻贮藏品质的影响时发现，可得然胶的添加增强了面筋网络强度，改变了淀粉形态，有效降低了蒸煮损失率，提高了吸水率，降低了面制品水煮后的黏性和浑汤的概率，提高了面条的拉伸性和柔韧性。此外，Liang Ying等还发现0.5%的可得然胶可以最大限度地降低冷冻蒸煮面条可冻结水含量，并抑制水分迁移；可得然胶的加入抑制了冰晶的生长并增加了其均匀性。

3.4 脂肪替代食品

脂肪以各种形式存在于食物中，对食品的结构和整体品质有重要影响。但脂肪热量高，为了满足消费者降脂的要求，常选择脂肪类似物替代脂肪。脂肪模拟分为蛋白质模拟和碳水化合物模拟，碳水化合物替代品中常用的有卡拉胶、可得然胶和淀粉等。可得然胶在合适的温度范围内具有很高的吸湿率，且本身具有低热量和无毒性等特点，在模拟脂肪食品方面具有广阔的应用前景及商业价值。可得然胶脂肪模拟机理主要是，在一定条件下，其能够与水分子作用形成具有三维网络的凝胶，水分子被凝胶网络截留，使食物在咀嚼过程中具有流动性，能够模拟脂肪润滑的口感。Funami等利用可得然胶替代脂肪制备了无脂肪香肠，并通过静态黏弹性测定对其进行评价，结果发现以可得然胶为基础的脂肪模拟体系制备的无脂肪香肠其黏弹性与含20%脂肪香肠的黏弹性非常接近，表明可得然胶是一种有效的脂肪替代品。

3.5 凝胶食品

可得然胶具有良好的凝胶性能并具有冷冻和热稳定性，将可得然胶作为胶凝剂添加到果冻中，不仅能够使果冻呈透明的胶体状，还能使果冻具有抗加热和抗冷冻性能，刘贻添研究了魔芋胶与可得然胶复配生产果冻的工艺，结果发现，魔芋胶与可得然胶质量比为7∶3、复配胶粉添加量为1.0%条件下生产的果冻品质优良，组织结构均匀透明，富有弹性和咀嚼性。

3.6 烘烤食品

在烘烤食品中，可得然胶具有独特的保水和组织结构改善性能，在低浓度可得然胶、高烘烤温度等的协同作用下，产品的质地结构、体积和水分含量得到充分提高，并且可得然胶在加热成胶后可以使产品香脆可口。

3.7 冷冻食品

可得然胶的胶体构造不会因冷冻-解冻而发生变化，添加在冷冻食品中能很好地保持产品结构及口感的稳定性，所以在食品加工过程中常将可得然胶作为持水剂和组织结构改良剂使用。Liang Ying等将可得然胶添加到面条中研究冷冻贮藏过程中其对面条品质的影响，结果发现可得然胶可以抑制冷冻面条中冰晶的生长和重结晶，提高冰晶的均匀性，从而增强冷冻面条的冻融稳定性。

4 结 语

可得然胶自身具有丰富的功能特性，使其在食品加工领域应用范围广泛，如可作为食品包装、增稠剂、抗冻剂、持水剂和结构改良剂等。然而可得然胶提取率低且过程繁琐，不能满足目前的研究和应用需求。所以，今后应在以下几方面加强研究：1）提高产率：可得然胶的生产目前集中于实验室发酵阶段，基于可得然胶的多功能和营养特性，为满足其在食品工业上的研究与应用，提高可得然胶产率是亟待解决的问题；2）开发新型功能食品：可得然胶具有调节肠道微生物群和其他有益的营养特性，因此是一类优质的膳食纤维，可将其开发成新型功能食品；3）改善水溶性：可得然胶具有众多优良特性，但溶解性差成为制约其发展的瓶颈，随着可得然胶研究的深入和产能的扩大，改善其溶解性将使其应用范围更加广泛。