李安琪，李曉飛，李前進(jìn)，楊曦，郭玉蓉*

1(陜西師范大學(xué) 食品工程與營(yíng)養(yǎng)科學(xué)學(xué)院，陜西 西安，710119) 2(洛川縣蘋果產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心，陜西 延安，727400)

多糖通常是指由10個(gè)以上單糖分子通過(guò)糖苷鍵連接而形成的天然聚合物。多糖廣泛存在于動(dòng)植物體內(nèi)，具有無(wú)毒無(wú)害、種類繁多、結(jié)構(gòu)各異等性質(zhì)，在食品工業(yè)中常作為添加劑達(dá)到改善食品質(zhì)構(gòu)等目的[1]。由于人體缺乏相應(yīng)的多糖水解酶，因此，除淀粉外，大多數(shù)多糖難以被人體消化利用[2]，而是作為膳食纖維起到降血糖、調(diào)節(jié)腸道菌群、抗癌以及免疫調(diào)節(jié)等作用，是一類重要的營(yíng)養(yǎng)素[3]。

多糖是天然高分子物質(zhì)，具有增稠、膠凝、乳液穩(wěn)定等功能性質(zhì)。其中，膠凝化是多糖主要的功能性質(zhì)之一，是指多糖溶液在適當(dāng)?shù)耐饨缫蛩卮碳は?，逐漸發(fā)生固化，從溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟z狀態(tài)的過(guò)程[4]。依賴于多糖種類和凝膠形成條件，多糖凝膠具有不同的理化性質(zhì)和質(zhì)構(gòu)特點(diǎn)。例如，瓊脂糖和低?；Y(jié)冷膠形成的凝膠質(zhì)地硬而脆，而與高酰基結(jié)冷膠形成的凝膠柔軟且富有彈性。一般地，多糖凝膠化可通過(guò)多種途徑誘導(dǎo)，包括調(diào)節(jié)溫度、添加陽(yáng)離子、改變pH環(huán)境等[4]。近年來(lái)，有文獻(xiàn)報(bào)道指出多糖凝膠也可以通過(guò)凍融法制備，稱為晶膠介質(zhì)、低溫凝膠或冷凍凝膠[5]。冷凍凝膠的概念最早出現(xiàn)于材料學(xué)領(lǐng)域，主要用于制備多孔材料。其中，膠體分散液、小分子聚合單體溶液、高分子溶液和自凝膠聚合物溶液等不同的前體物質(zhì)均可用來(lái)制備冷凍凝膠[6]。所獲得的凝膠材料不僅具有多孔的海綿狀結(jié)構(gòu)，還具有良好的生物兼容性，因此這種凝膠材料在生物、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[7-8]。

近年來(lái)，多糖的冷凍凝膠化現(xiàn)象在食品領(lǐng)域逐漸引起了關(guān)注。食品在冷凍過(guò)程中，游離水逐漸結(jié)冰，以冰晶體的方式存在，隨冷凍過(guò)程持續(xù)，冰晶體逐漸增大，從而破壞食品原有的結(jié)構(gòu)。解凍后，冰晶體以液態(tài)水的方式從食品中滲出，導(dǎo)致食品出現(xiàn)失水、質(zhì)地軟化等現(xiàn)象[9]。由于多糖具有高度親水的特性，因此添加多糖后，食品在冷凍過(guò)程中一方面水分活度降低，冰晶體生成和增長(zhǎng)被抑制，另一方面多糖在冷凍過(guò)程中自身可能發(fā)生分子聚集，引起食品質(zhì)構(gòu)加強(qiáng)[10]。這兩方面均可有效緩解冷凍對(duì)食品質(zhì)構(gòu)的破壞。還有報(bào)道指出[11]，多糖發(fā)生冷凍凝膠化后，可顯著提升乳液體系的凍融穩(wěn)定性，有利于乳液食品的凍藏。再者，由于多糖冷凍凝膠也具有多孔的結(jié)構(gòu)特征，因此還可應(yīng)用于構(gòu)建功能性成分的運(yùn)輸載體[12]。盡管多糖的冷凍凝膠化現(xiàn)象在食品領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，然而，當(dāng)前有關(guān)多糖冷凍凝膠的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少，一定程度上限制了多糖冷凍凝膠在食品工業(yè)中的應(yīng)用[10]?；谶@一現(xiàn)狀，本文總結(jié)了多糖冷凍凝膠的形成機(jī)制、主要影響因素以及冷凍凝膠的物理特性，并概括了多糖在冷凍食品中的應(yīng)用現(xiàn)狀，旨在為多糖在食品工業(yè)中進(jìn)一步應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 多糖冷凍凝膠的形成機(jī)理及制備步驟

制備多糖冷凍凝膠需要經(jīng)過(guò)以下3個(gè)步驟：制備適宜的前體溶液；冷凍前體溶液，并在冷凍狀態(tài)下保持一段時(shí)間；解凍冷凍體系，獲得凝膠。由于商業(yè)化的食品多糖幾乎都以粉末的形式進(jìn)行運(yùn)輸及貯藏，因此使用前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)乃?，水化完成后，初步獲得前體溶液[13]。對(duì)前體溶液進(jìn)行冷凍時(shí)，水分子形成冰晶體，降低了多糖溶液中游離水的含量，使得溶液中多糖濃度局部升高，稱為低溫濃縮效應(yīng)[5, 14-16]。對(duì)多糖冷凍凝膠而言，產(chǎn)生低溫濃縮效應(yīng)是增強(qiáng)多糖分子間相互作用的主要因素[5]。在低溫濃縮效應(yīng)的作用下，多糖分子互相靠近，能夠形成規(guī)整有序的結(jié)合區(qū)，形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)位點(diǎn)。然而，冷凍多糖溶液時(shí)，需要避免前體溶液發(fā)生凝膠化。如果前體溶液冷凍前就發(fā)生凝膠化，則冷凍過(guò)程中冰晶體的形成會(huì)擾亂原有三維凝膠網(wǎng)絡(luò)，從而降低凝膠強(qiáng)度，甚至不能形成冷凍凝膠。通常，可采用2種策略避免前體溶液發(fā)生凝膠化：在前體溶液發(fā)生凝膠化之前凍結(jié)溶液，如可采用液氮猝冷技術(shù)冷凍多糖溶液；適當(dāng)降低前體溶液中多糖濃度，延緩凝膠化速率。這2種途徑中，采用猝冷策略可能誘導(dǎo)前體溶液發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，降低水分子結(jié)晶的數(shù)目和尺寸，抑制低溫濃縮效應(yīng)[5]。因此，相對(duì)而言，延緩凝膠化速率具有更好的操控性。最后，處于凍結(jié)狀態(tài)的多糖溶液解凍時(shí)，冰晶體逐漸融化，以液態(tài)水的方式存在，但凍結(jié)過(guò)程中形成的分子間交聯(lián)不會(huì)解聚集，增加了解凍后多糖體系的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。多糖冷凍凝膠化的過(guò)程可由圖1[5]簡(jiǎn)單描述。

1-水;2-多糖分子;3-冰晶體;4-交聯(lián)的多糖分子;5-多糖分子網(wǎng)絡(luò)圖1 多糖冷凍凝膠的形成機(jī)理示意圖Fig.1 The formation mechanism of polysaccharide cryogels

2 多糖冷凍凝膠研究進(jìn)展

多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可將多糖劃分為不同的類別。依據(jù)來(lái)源不同，可將多糖劃分為植物多糖(包括海藻多糖)、動(dòng)物多糖、微生物多糖(包括真菌多糖)等[17-18]；從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，多糖可分為線性結(jié)構(gòu)和分支化結(jié)構(gòu)[19]，也可以分為離子型多糖和中性電荷多糖[20]。此外，有些多糖分子鏈段上同時(shí)含有親水和疏水基團(tuán)，使得這類多糖表現(xiàn)出兩親性聚合物的特點(diǎn)，稱為兩親性多糖[18,21]。從冷凍凝膠的制備原則來(lái)看，分子間相互作用力是引起多糖冷凍過(guò)程中分子聚集的主要因素，本文主要依據(jù)多糖所帶電荷屬性的特點(diǎn)將多糖分為陰離子多糖、陽(yáng)離子多糖和中性電荷多糖，并分別闡述了這3類多糖的冷凍凝膠化現(xiàn)象。

2.1 陰離子多糖的冷凍凝膠化

陰離子多糖是指包含羧基、糖醛酸、硫酸半酯和琥珀酸半酯等基團(tuán)的多糖，這些基團(tuán)在水溶液中易解離從而使多糖分子攜帶負(fù)電荷。食品中常見的陰離子多糖包括海藻酸鈉、角叉菜膠、結(jié)冷膠、阿拉伯膠、黃蓍膠、黃秋葵膠、果膠、黃原膠、木聚糖、羧甲基纖維素等[22]。陰離子多糖的共同特點(diǎn)在于分子結(jié)構(gòu)中攜帶明顯的負(fù)電荷，使分子間靜電斥力較高，不利于冷凍過(guò)程中多糖分子相互聚集。因此在誘導(dǎo)陰離子多糖冷凍凝膠化時(shí)，首先可以降低多糖分子間的靜電斥力，通常采用調(diào)節(jié)溶液pH值和添加陽(yáng)離子等策略[5, 23-24]。目前，有關(guān)陰離子多糖形成冷凍凝膠的報(bào)道主要集中在海藻酸鈉、透明質(zhì)酸和黃原膠3種多糖方面，本節(jié)主要介紹這3種多糖的冷凍凝膠化現(xiàn)象。

海藻酸鈉是一種典型的陰離子多糖，由β-(1-4)-D-甘露糖醛和α-L-古羅糖醛單元組成[25]。海藻酸鈉對(duì)二價(jià)陽(yáng)離子表現(xiàn)出特異性結(jié)合能力，在添加二價(jià)陽(yáng)離子如Ca2+的條件下可以形成凝膠[18]。然而，在一價(jià)陽(yáng)離子存在的情況下，海藻酸鈉溶液呈黏稠的流體狀，即使在較高濃度的情況下也無(wú)法形成凝膠[26]。ZHAO等[24]指出，在pH值為4.0或3.5的條件下，采用凍融處理可誘導(dǎo)質(zhì)量濃度為10 g/L的海藻酸鈉溶液形成冷凍凝膠，冷凍后體系的彈性模量可升高100倍以上。此外，研究還發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)次數(shù)、海藻酸鈉濃度等因素也對(duì)海藻酸鈉冷凍凝膠的物理性質(zhì)有明顯影響，海藻酸鈉濃度越高、凍融循環(huán)次數(shù)越高，冷凍凝膠彈性模量越大。

透明質(zhì)酸是動(dòng)物體內(nèi)普遍存在的糖胺聚糖之一，是理想的天然保濕劑[27]。透明質(zhì)酸分子結(jié)構(gòu)是由(1→4)-α-D-葡萄糖醛酸和(1→3)-α-D-N-乙酰氨基葡糖的重復(fù)二糖單元的直鏈分子鏈組成[28]。通常，透明質(zhì)酸不能形成結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的凝膠，其膠凝能力較差。但近年來(lái)有報(bào)道指出[23,29]，透明質(zhì)酸可以形成明顯的冷凍凝膠。CAI等[23]系統(tǒng)研究了透明質(zhì)酸的冷凍凝膠化過(guò)程中各參數(shù)，如冷凍時(shí)間、凍融循環(huán)次數(shù)、多糖分子量、添加小分子溶質(zhì)(二羧酸和多元醇)對(duì)透明質(zhì)酸冷凍凝膠的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，pH=1.5時(shí)，透明質(zhì)酸可形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為致密的冷凍凝膠。但將該冷凍凝膠中和后，力學(xué)性能極大降低，體系呈現(xiàn)弱凝膠的特征。原因可能是，較低的pH值有利于透明質(zhì)酸中羧基的質(zhì)子化，促進(jìn)分子間形成更多的氫鍵，但中和酸性冷凍凝膠后，破壞了原有羧基間的氫鍵相互作用，降低了凝膠網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度[23]。此外，透明質(zhì)酸冷凍凝膠的強(qiáng)度隨冷凍時(shí)間、凍融循環(huán)次數(shù)、分子質(zhì)量的增加而增加，加入二元羧酸(琥珀酸或戊二酸)后，可顯著增強(qiáng)冷凍凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，但添加多元醇(乙二醇、丁二醇和甘油)則抑制了透明質(zhì)酸的冷凍凝膠化[23]。

黃原膠是一種細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的陰離子多糖，其溶液具有流動(dòng)性，膠凝能力較差，屬于非凝膠多糖[30-31]。由于黃原膠本身具有形成微弱分子間聚集的能力，因此GIANNOULI等[32]并未改變黃原膠溶液的pH值，也成功制得結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較強(qiáng)、具有明顯自我支撐特點(diǎn)的冷凍凝膠。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黃原膠溶液中存在少量Ca2+時(shí)，不能形成冷凍凝膠，原因可能是Ca2+屏蔽了黃原膠分子的負(fù)電荷，促進(jìn)了黃原膠分子螺旋聚集體的形成，在冷凍過(guò)程中降低了黃原膠分子彼此間的交聯(lián)。

2.2 陽(yáng)離子多糖的冷凍凝膠化

殼聚糖是食品中最為常見的天然陽(yáng)離子多糖，是廣泛存在于真菌細(xì)胞壁和節(jié)肢動(dòng)物外骨骼中的一種氨基多糖[33-35]。制備殼聚糖凝膠時(shí)，常需要引入一些化學(xué)物質(zhì)，如交聯(lián)劑、聚合引發(fā)劑和鹽等[33]，因此難以在食品領(lǐng)域中應(yīng)用。然而，采用凍融法制備殼聚糖凝膠可以消除這些局限。目前尚未有直接以殼聚糖水溶液為前體溶液制備冷凍凝膠的相關(guān)報(bào)道，但FIGUEROA-PIZANO等[34]采用聚乙烯醇與殼聚糖結(jié)合的體系成功制備了冷凍凝膠。研究表明，聚乙烯醇的羥基與殼聚糖分子的氨基可以形成氫鍵，由此可通過(guò)物理交聯(lián)的方式形成冷凍凝膠，且凍融循環(huán)次數(shù)、冷凍時(shí)間、冷凍溫度以及殼聚糖比例都會(huì)影響凝膠的最終性質(zhì)。例如，聚乙烯醇和殼聚糖冷凍凝膠具有良好的溶脹性，殼聚糖比例越高，溶脹程度越高，孔隙率也越高。殼聚糖含有的氨基是與水形成氫鍵的關(guān)鍵因素，殼聚糖比例越高，與氨基作用的水越多，因此促使了大孔隙的形成，有利于溶脹過(guò)程中水在孔隙中的擴(kuò)散，從而使凝膠具有更高的溶脹程度。此外，較低的凍結(jié)溫度有助于減小孔隙尺寸、增加孔隙率，同時(shí)增加凍結(jié)循環(huán)次數(shù)會(huì)導(dǎo)致凝膠溶脹程度降低，并產(chǎn)生更多的孔隙[34]。

2.3 非離子型多糖的冷凍凝膠化

非離子型多糖也稱為中性電荷多糖，主要包括瓊脂糖、淀粉、阿拉伯半乳聚糖、葡甘露聚糖、半乳甘露聚糖、菊粉、纖維素等[36]。對(duì)于非離子型多糖，pH和陽(yáng)離子對(duì)多糖冷凍凝膠化的影響不大，一般通過(guò)調(diào)節(jié)多糖自身分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、冷凍參數(shù)、解凍條件的方式來(lái)調(diào)控多糖的冷凍凝膠化。

玉米支鏈淀粉是當(dāng)前非離子型多糖冷凍凝膠化研究中的典型多糖[37]。LOZINSKY等[37]研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉的冷凍凝膠化現(xiàn)象和質(zhì)量濃度密切相關(guān)，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度不同時(shí)，凍融處理后淀粉分子聚集的形態(tài)也不同。在質(zhì)量濃度0.1～2.5 g/L時(shí)，凍融處理后玉米支鏈淀粉發(fā)生沉淀，但當(dāng)玉米支鏈淀粉的質(zhì)量濃度為5或10 g/L時(shí)，凍融后體系形成非常微弱的凝膠，且有少許水分析出。原因可能是，當(dāng)溶液質(zhì)量濃度較低時(shí)，雖然體系也可以發(fā)生冷凍凝膠化，但由于淀粉分子數(shù)目較少，不足以形成貫穿整個(gè)體系的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此外觀表現(xiàn)為沉淀。增加淀粉質(zhì)量濃度后，分子彼此間距降低，有利于增強(qiáng)了分子間相互作用，使得凍融凝膠化現(xiàn)象更為顯著，同時(shí)也利于形成貫穿整個(gè)體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，解凍速率對(duì)玉米支鏈淀粉的冷凍凝膠化也有影響，當(dāng)以較低的解凍速率融化冷凍體系時(shí)，冷凍凝膠的得率增加，冷凍凝膠的融化溫度和融化焓也相對(duì)較高。其原因在于降低解凍速率有利于增加分子間的非共價(jià)鍵連接，解凍過(guò)程越慢，體系在低溫范圍內(nèi)停留的時(shí)間越長(zhǎng)，淀粉分子彼此間發(fā)生相互作用的可能性就越大[37]。需要注意的是，鹽的添加也會(huì)對(duì)非離子型多糖的冷凍凝膠化產(chǎn)生影響。LOZINSKY等[38]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，添加NaCl不利于誘導(dǎo)淀粉溶液發(fā)生冷凍凝膠化。原因在于，雖然添加NaCl不會(huì)影響中性多糖的電荷攜帶情況，但鹽含量的增加提高了體系中未凍結(jié)液體的微相區(qū)域的體積，導(dǎo)致未凍結(jié)液體微相中的多糖濃度下降，從而削弱了多糖分子間的相互作用。

3 影響多糖冷凍凝膠化的因素

從陰離子多糖、陽(yáng)離子多糖和中性電荷多糖冷凍凝膠化的相關(guān)研究中不難看出，多糖的冷凍凝膠化現(xiàn)象受較多因素的影響，不同的多糖體系對(duì)外界環(huán)境因素(pH、離子強(qiáng)度等)的響應(yīng)不同，因此當(dāng)前尚無(wú)統(tǒng)一的冷凍凝膠誘導(dǎo)方法。以多糖為原料制備冷凍凝膠時(shí)，需要根據(jù)具體的體系確定合適的凝膠形成條件。圍繞前體溶液、冷凍參數(shù)以及解凍條件3個(gè)步驟，對(duì)影響多糖冷凍凝膠化形成的主要因素進(jìn)行了總結(jié)。

3.1 前體溶液的影響

前體溶液主要是指多糖水化后形成的溶液體系，良好的前體溶液應(yīng)包括合適的多糖類型、pH、離子濃度等因素。不同的多糖具有不同的分子結(jié)構(gòu)，因此分子間相互作用也不同[39]。一般地，多糖自身分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是影響冷凍凝膠形成的首要因素，即使分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輕微差異，也能明顯影響其形成冷凍凝膠的能力。例如，瓜爾豆膠與刺槐豆膠同屬于半乳甘露聚糖，經(jīng)冷凍循環(huán)處理后，刺槐豆膠可形成弱凝膠結(jié)構(gòu)，但瓜爾豆膠未出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，原因可能是刺槐豆膠含有更少的半乳糖殘基，有利于刺槐豆膠在冷凍條件下發(fā)生分子聚集形成弱凝膠結(jié)構(gòu)[10]。DOYLE等[40]通過(guò)采用半乳糖苷酶脫去瓜爾豆膠分子結(jié)構(gòu)上的部分半乳糖支鏈，得到了甘露糖與半乳糖不同物質(zhì)的量比的衍生物，凍融后發(fā)現(xiàn)脫半乳糖支鏈的瓜爾豆膠能夠形成明顯的弱凝膠結(jié)構(gòu)，且凝膠強(qiáng)度隨甘露糖與半乳糖摩爾比增大而增大，這一結(jié)果證實(shí)了半乳糖殘基是影響瓜爾豆膠冷凍凝膠化的主要結(jié)構(gòu)因素。

濃度也是影響多糖冷凍凝膠化的重要因素。通常，前體溶液中多糖濃度越高，越有利于強(qiáng)化冷凍過(guò)程中多糖的低溫濃縮效應(yīng)，也越有利于多糖發(fā)生冷凍凝膠化[37, 41]。但也有報(bào)道顯示，多糖冷凍凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不呈現(xiàn)明顯的濃度依賴關(guān)系[32]。GIANNOULI 等[32]研究了黃原膠質(zhì)量濃度對(duì)冷凍凝膠模量的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黃原膠質(zhì)量濃度低于6 g/L時(shí)，冷凍凝膠彈性模量隨黃原膠質(zhì)量濃度增加而增加，但當(dāng)黃原膠濃度高于6 g/L時(shí)，彈性模量反而隨黃原膠濃度增加而降低。當(dāng)黃原膠濃度較高時(shí)，黃原膠分子間形成了明顯的弱凝膠結(jié)構(gòu)，限制了凍融過(guò)程中黃原膠分子的定向排列，減少了分子間結(jié)合區(qū)的形成，弱化了黃原膠的冷凍凝膠化現(xiàn)象。

前體溶液中鹽離子類型、濃度以及pH等因素也對(duì)多糖冷凍凝膠化有一定影響。例如，鹽離子濃度升高能夠降低前體溶液的冰點(diǎn)溫度，抑制冰晶體形成，對(duì)冷凍濃縮效應(yīng)產(chǎn)生不利影響，最終影響冷凍凝膠的性質(zhì)[42]。對(duì)于陰離子多糖，鹽離子能夠屏蔽多糖分子攜帶的負(fù)電荷，降低分子間靜電斥力，有利于冷凍過(guò)程中多糖分子發(fā)生聚集[5]。此外，如上所述，降低前體溶液的pH值能夠降低陰離子多糖的電荷密度，減弱多糖的分子間靜電斥力，對(duì)于含有一定羧基數(shù)目的多糖，降低pH有利于羧基質(zhì)子化，減小分子間靜電斥力，從而促進(jìn)分子間氫鍵形成和多糖鏈締合，有利于冷凍凝膠化發(fā)生[24, 32]。需要注意的是，當(dāng)多糖前體溶液pH值過(guò)低時(shí)，多糖可能會(huì)發(fā)生酸誘導(dǎo)的聚集沉淀而無(wú)法形成凝膠[24]。

此外，當(dāng)前體溶液中含有小分子糖或其他溶質(zhì)時(shí)，多糖的冷凍凝膠化也受到一定影響。GIANNOULI等[32]研究發(fā)現(xiàn)，在黃原膠體系中添加小分子糖(蔗糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖)會(huì)限制液態(tài)水向冰晶體的轉(zhuǎn)化，從而減少甚至消除了凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成。當(dāng)糖的質(zhì)量濃度低于100 g/L時(shí)，對(duì)黃原膠的冷凍凝膠化沒有明顯影響;當(dāng)糖質(zhì)量濃度為200 g/L以上時(shí)，則不發(fā)生冷凍凝膠化。然而，隨蔗糖、葡萄糖、果糖、山梨醇的添加，刺槐豆膠冷凍凝膠的強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)[40]，原因可能是隨糖濃度的增加，體系中游離水的含量降低，有利于促進(jìn)刺槐豆膠分子聚集，但當(dāng)糖濃度過(guò)高時(shí)，糖分子會(huì)結(jié)合到多糖鏈上，而抑制了多糖分子間的締合。

3.2 冷凍參數(shù)的影響

冷凍溫度和冷凍速率是影響多糖冷凍凝膠化的2個(gè)關(guān)鍵因素，主要影響冰晶體的形成速率和冰晶體大小。當(dāng)冷凍溫度較低時(shí)，冷凍過(guò)程中更多的水分子以冰晶體的形式存在，從而增加多糖分子在冷凍狀態(tài)下的有序排列程度，形成更多的交聯(lián)位點(diǎn)[32]；較高的冷凍溫度則不利于多糖分子間交聯(lián)位點(diǎn)的生成。當(dāng)冷凍速率較低時(shí)，水分子在冷凍過(guò)程中形成尺寸較大的冰晶體，有利于增加冷凍濃縮效應(yīng)，較快的冷凍速率則會(huì)誘導(dǎo)形成數(shù)量多但尺寸小的冰晶體。GENEVRO等[43]研究了冷凍速率對(duì)魔芋葡甘露聚糖冷凍凝膠的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷凍溫度較高時(shí)，冰晶生長(zhǎng)速度慢、冷凍所需時(shí)間長(zhǎng)，最終得到的冷凍凝膠孔隙相互連通、尺寸大且呈現(xiàn)各向同性。而當(dāng)冷凍溫度較低時(shí)，體系中冰晶體的生長(zhǎng)呈現(xiàn)各向異性，最終形成的凝膠結(jié)構(gòu)孔隙尺寸小，且沿著溫度梯度方向呈片狀結(jié)構(gòu)。此外，冷凍時(shí)間也影響多糖分子的結(jié)合，一般而言，較長(zhǎng)的冷凍時(shí)間利于多糖分子排列締合、增強(qiáng)冷凍凝膠的破裂強(qiáng)度[29, 39]。

3.3 解凍條件的影響

由于維系多糖冷凍凝膠三維網(wǎng)絡(luò)的主要作用力是氫鍵，因此多糖冷凍凝膠還受到解凍條件(解凍溫度和解凍速率)的影響[44]。通常，較低的解凍溫度使得凝膠內(nèi)部的能量或焓相對(duì)較低，多糖分子無(wú)法自由運(yùn)動(dòng)，在冷凍階段形成的分子間結(jié)合區(qū)能夠較好地保留。較低的解凍溫度還使得多糖分子的布朗運(yùn)動(dòng)減小，因此水分子在體系中不會(huì)重新分布，使得多糖冷凍凝膠的脫水收縮現(xiàn)象得到改善[45]。降低解凍速率能夠使多糖冷凍體系在較低的溫度下維持更長(zhǎng)時(shí)間，利于形成更多的分子間結(jié)合區(qū)，使多糖冷凍凝膠網(wǎng)絡(luò)更為規(guī)整。LOZINSKY等[37]研究了解凍速率對(duì)刺槐豆膠冷凍凝膠的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，解凍速率越慢，刺槐豆膠形成的冷凍凝膠彈性模量越大，且凝膠融化溫度越高，表明更緩慢的解凍速率有利于維持冷凍凝膠的強(qiáng)度。

3.4 其他參數(shù)的影響

除上述總結(jié)的因素外，其他參數(shù)也能影響多糖冷凍凝膠的形成過(guò)程。有報(bào)道指出[23-24, 32]，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)多糖凝膠化也有明顯影響。一般而言，凍融循環(huán)次數(shù)越高，多糖溶液的低溫濃縮效應(yīng)越顯著，多糖分子間的締合越緊密，因此多糖冷凍凝膠的強(qiáng)度也越大。但凍融循環(huán)次數(shù)過(guò)高可能導(dǎo)致冷凍凝膠出現(xiàn)明顯的脫水收縮現(xiàn)象。

4 凍融法誘導(dǎo)的多糖凝膠化在食品中的應(yīng)用進(jìn)展

冷凍是常見的食品保存方式，在冷凍過(guò)程中，水分子形成的冰晶會(huì)破壞細(xì)胞的完整性，物料解凍后水分從細(xì)胞內(nèi)滲出，引起食品結(jié)構(gòu)軟化以及品質(zhì)降低。食品凍藏過(guò)程中，溫度和溫度穩(wěn)定性是影響食品質(zhì)構(gòu)變化的2個(gè)關(guān)鍵因素，較低且穩(wěn)定的冷凍溫度有利于降低冰晶體的尺寸和數(shù)目，不穩(wěn)定的凍藏溫度則會(huì)引起冰晶重新分布和尺寸增大，加劇食品品質(zhì)劣變。因此，防止水分的重結(jié)晶現(xiàn)象是延緩凍藏過(guò)程中食品品質(zhì)劣變的有效途徑[9]。多糖作為高度親水的天然聚合物，近年來(lái)在冷凍食品中的應(yīng)用已成為多糖研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。當(dāng)前多糖在果蔬、乳品以及肉制品凍藏中的應(yīng)用較多，本節(jié)主要圍繞這3類食品，初步介紹多糖在改善凍藏食品質(zhì)構(gòu)中的應(yīng)用。

4.1 果蔬凍藏

已有不少研究證實(shí)，添加多糖能夠較好地維持冷凍果蔬的品質(zhì)。MAITY等[46]研究發(fā)現(xiàn)，分別采用羧甲基纖維素、黃原膠、海藻酸鈉和果膠溶液對(duì)鮮切胡蘿卜進(jìn)行涂膜處理后，均可在凍藏過(guò)程中起到維持鮮切胡蘿卜品質(zhì)的作用，其中尤以黃原膠效果最佳，當(dāng)質(zhì)量濃度為4 g/L時(shí)，黃原膠就可以顯著降低胡蘿卜的品質(zhì)劣變?？赡苁且?yàn)橐环矫纥S原膠親水性較佳，能夠較好地結(jié)合水分子，降低冷凍過(guò)程中水分子的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；另一方面黃原膠在冷凍過(guò)程中發(fā)生分子聚集，增加了涂膜的分子交聯(lián)程度，從而降低了O2透過(guò)率。FERNNDEZ等[47]也研究了混合多糖溶液對(duì)土豆泥凍藏品質(zhì)的改善作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，κ-卡拉膠和黃原膠的混合溶液對(duì)土豆泥的質(zhì)構(gòu)維持效果最好，在長(zhǎng)達(dá)1年的凍藏期內(nèi)，能使土豆泥維持良好的質(zhì)構(gòu)品質(zhì)。原因可能是κ-卡拉膠和黃原膠不僅降低了冰晶體的形成，同時(shí)這2種多糖也發(fā)生了協(xié)同作用，形成凝膠結(jié)構(gòu)，賦予土豆泥良好的結(jié)構(gòu)特性。需要注意的是，黏度不是影響多糖在果蔬冷凍中的主要因素，因?yàn)榧词乖谕瑞ざ鹊臈l件下，不同類型的多糖對(duì)冰晶體生成的抑制作用也不同。

4.2 乳品凍藏

冰淇淋是廣受歡迎的一種冷凍乳品，其體系較為復(fù)雜，本質(zhì)上是一類含有大量氣體且冷凍的乳液[48]。冰淇淋的感官品質(zhì)不僅受到配方的影響，而且與冰晶的大小和形態(tài)相關(guān)。當(dāng)冰晶體的大小和形態(tài)適中時(shí)，冰淇淋具有光滑的質(zhì)地和宜人的口感。然而，冰淇淋冷凍和貯藏過(guò)程中不可避免地出現(xiàn)溫度浮動(dòng)，由此導(dǎo)致的水分子重結(jié)晶現(xiàn)象常引起冰淇淋中冰晶體尺寸增大，從而造成冰淇淋口感和品質(zhì)下降[49]。目前有報(bào)道顯示，可將黃原膠、刺槐豆膠、瓊脂和κ-卡拉膠添加到冰淇淋中作為穩(wěn)定劑起到防止冰淇淋重結(jié)晶的目的[10, 50-51]。多糖對(duì)冰淇淋的穩(wěn)定效果可歸結(jié)于2種機(jī)制:一是由于黃原膠、刺槐豆膠、瓊脂和κ-卡拉膠等多糖具有良好的親水性和黏度，添加到冰淇淋中能夠抑制水分子結(jié)晶，并限制水分子在冰淇淋體系中的遷移;二是添加這些多糖后，凍結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的冷凍濃縮效應(yīng)使得多糖形成了一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅增加了冰淇淋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且由于網(wǎng)絡(luò)形成而引起的空間位阻效應(yīng)，使得冰晶體不再按照“融化-擴(kuò)散-生長(zhǎng)再結(jié)晶”的機(jī)制增長(zhǎng)，從而使得冰晶尺寸維持在較小的分布范圍。

此外，凍融法誘導(dǎo)的多糖凝膠化也可用于提高其他乳液相關(guān)食品的凍融穩(wěn)定性[11]。ZHAO等[11]研究發(fā)現(xiàn)，雖然海藻酸鈉不具有乳化特性，但將海藻酸鈉溶液和蔗糖酯及吐溫-20穩(wěn)定的乳液混合，調(diào)節(jié)體系的pH為3.0和3.5時(shí)，可誘導(dǎo)混合乳液體系發(fā)生冷凍凝膠化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凍融處理后，乳液體系彈性模量明顯增加，同時(shí)乳滴聚集被明顯抑制，使得該乳液表現(xiàn)出良好的凍融穩(wěn)定性。

4.3 肉制品凍藏

冷凍也是肉制品保藏的常見方式之一。然而，由于肉制品富含蛋白質(zhì)且在冷凍過(guò)程中容易變性，因此肉制品凍藏后常表現(xiàn)出水分損失和粗糙的口感。當(dāng)前，多糖在改善肉制品質(zhì)構(gòu)方面已有報(bào)道。魚糜是最為典型的凍藏肉制品，本質(zhì)上是魚肌原纖維蛋白質(zhì)的濃縮成分，通常作為食品配料參與終端食品的生產(chǎn)。為了提高凍藏過(guò)程中魚糜的凝膠強(qiáng)度和持水性，常將多糖和魚糜混合[52]。一方面，由于多糖含有眾多的極性基團(tuán)，如羥基、羧基等，可以和魚糜中的水分形成氫鍵，從而增加魚糜的持水性[53]。另一方面，凍藏過(guò)程中多糖分子也可形成凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于增加魚糜的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而提升魚糜的耐咀嚼性。有報(bào)道顯示[54]，迄今為止，已有十余種多糖被證實(shí)可顯著提升魚糜的質(zhì)構(gòu)和品質(zhì)，主要包括可溶性大豆多糖、纖維素、改性淀粉、κ-卡拉膠、魔芋膠、β-葡聚糖等。多糖提高魚糜質(zhì)構(gòu)的機(jī)制可以分為“配對(duì)效應(yīng)”和“填充效應(yīng)”2種[55]。當(dāng)?shù)矸酆汪~糜的混合體系解凍并加熱至淀粉糊化溫度以上時(shí)，淀粉顆粒開始溶脹、粒徑增大，嵌入魚糜本身的凝膠網(wǎng)絡(luò)中，溶脹后的淀粉對(duì)魚糜原有的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擠壓，導(dǎo)致魚糜的凝膠網(wǎng)絡(luò)更為堅(jiān)實(shí)，這一效應(yīng)稱為“配對(duì)效應(yīng)”。但對(duì)于其他多糖，例如卡拉膠、魔芋膠等，當(dāng)與魚糜混合后，多糖逐漸水化，并填充于魚糜的凝膠網(wǎng)絡(luò)中，但并不對(duì)魚糜原有的凝膠網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擠壓，因此這些多糖對(duì)魚糜凝膠網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的增強(qiáng)作用稱為“填充效應(yīng)”[56]。一般而言，多糖冷凍凝膠化對(duì)魚糜質(zhì)構(gòu)的改善作用可歸結(jié)于“填充效應(yīng)”。

4.4 其他應(yīng)用

除上述總結(jié)的應(yīng)用外，多糖冷凍凝膠也可用于制備食品包裝材料。RASCHIP等[57]利用黃原膠和聚乙烯醇混合體系的冷凍凝膠化作用，制備了包含紅葡萄果渣的生物可降解薄膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所制備的抗菌冷凍凝膠薄膜具有較大的孔徑和良好的抗菌性，在開發(fā)食品包裝材料方面具有良好的應(yīng)用前景。此外，由于冷凍凝膠多孔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得多糖冷凍凝膠具有作為功能性成分運(yùn)輸載體的巨大潛力。LAZARIDOU等[12]研究了燕麥β-葡甘露聚糖冷凍凝膠對(duì)一些蛋白質(zhì)(α-乳球蛋白、卵清蛋白、牛血清白蛋白和蔗糖酶)的包載作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨β-葡甘露聚糖分子質(zhì)量降低，冷凍凝膠的彈性增加，這可能是由于多糖鏈之間的流動(dòng)和聚集現(xiàn)象得到了加強(qiáng)。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)β-葡甘露聚糖和所包載蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量及混合比例，可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷凍凝膠耐熱性、形變程度以及蛋白質(zhì)釋放動(dòng)力學(xué)的調(diào)控，說(shuō)明多糖冷凍凝膠具有設(shè)計(jì)成為生物活性蛋白質(zhì)緩釋載體的潛在價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)和展望

冷凍凝膠化是近年來(lái)新興的多糖凝膠誘導(dǎo)方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的凍融處理即可誘導(dǎo)多糖形成具有多孔結(jié)構(gòu)的凝膠。本文初步綜述了多糖冷凍凝膠的形成機(jī)理、制備步驟，并總結(jié)了多糖冷凍凝膠在食品領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為多糖冷凍凝膠在食品質(zhì)構(gòu)調(diào)控與功能食品設(shè)計(jì)方面提供思路。當(dāng)前，雖然已有關(guān)于多糖冷凍凝膠制備及特性研究方面的報(bào)道，但由于多糖來(lái)源廣泛，結(jié)構(gòu)差異較大，目前尚無(wú)統(tǒng)一的多糖冷凍凝膠制備方法。因此，對(duì)多糖冷凍凝膠化的探究仍然需要繼續(xù)挖掘，未來(lái)研究方向可簡(jiǎn)要概括為以下幾點(diǎn)：揭示更多類型多糖的冷凍凝膠化機(jī)制及其凝膠物理性質(zhì)；探究混合多糖體系的冷凍化及凝膠特性；將多糖冷凍凝膠化和食品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，推動(dòng)多糖冷凍凝膠化在食品工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。