食用胶凝胶特性的研究及果冻的制作
摘要：本实验利用琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素（CMC）、黄原胶作为实验原料，观察比较不同食用胶在不同情况下的溶解情况，以及研究琼脂、卡拉胶和海藻酸钠的凝胶性能，发现：仅琼脂、卡拉胶既不溶于冷水，也不溶于热水，但总体而言，5种食用胶在热水中的溶解情况均较冷水好。琼脂的最低凝胶浓度为0.4%，卡拉胶的为0.5%；琼脂的复配后，其凝胶强度、凝固点和熔点都有所增大。在卡拉胶中加入一定浓度的盐也可改善其凝胶性能，且KCl的作用比CaCl2作用明显。海藻酸钠中添加钙盐不能使其形成凝胶，但是添加柠檬酸钠则改善凝胶效果。根据对不同食用胶凝胶性能的探究，制作果冻时选择0.3%的卡拉胶与0.3%的琼脂复配，作为果冻原料，同时加入柠檬黄和胭脂红，使其呈现橙色。 关键词：琼脂 卡拉胶 海藻酸钠 CMC 黄原胶 凝胶性能 果冻制作
前 言
食用胶是目前世界上广泛使用的食品添加剂，尤其是在食品工业相对发达的国家，几乎所有的食品中都使用了食用胶。目前世界上允许使用的食品胶品种约60余种，我国允许使用的约有40种，国内产品生产使用最广泛的食用胶主要有卡拉胶、黄原胶、瓜尔豆胶、琼脂、明胶、海藻酸钠、刺槐豆胶和魔芋胶等。食用胶的作用有很多：凝胶、增稠、乳化稳定、悬浮分散、结晶控制、被膜剂和胶囊、泡沫形成、香精固定等作用，还有膳食纤维功能[1]。
果冻是以食用胶和食糖等为主要原料， 经煮胶、调配、灌装、杀菌等工序加工而成的胶冻食品。果冻以其爽滑的口感和宜人的口味受到广大消费者特别是妇女、儿童、年青人的喜爱，是一种热销的休闲食品。
食用胶的应用对果冻的凝胶特性和口感形成非常重要。对于食用胶及其复配在果冻中的应用等方面，前人已做过不少研究。本次实验旨在运用在课堂上所学过的食品添加剂的基础理论知识，结合实验室现有的条件，通过学生动手实践，了解琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、羧甲基纤维素（CMC）、黄原胶的凝胶特性，并通过实验研究的结果，探讨出制作果冻的方案。
1实验仪器与材料
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1.1 实验材料与试剂 1.1.1实验材料
琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、CMC、黄原胶 1.1.2实验试剂
CaCO3、CaCl2、CaSO4、CaH2PO4、KCl、柠檬酸、蔗糖、色素（红、黄、蓝） 1.2 实验仪器
50mL小烧杯（每组10个）、锥形瓶（每组1个）、直径0.3、0.5cm的玻璃棒（每组4根，每种规格各2根，要求表面平整）、 量筒（每组1个）
天平（每组1台，其中至少有3台大的）、温度计（每组5根）、铁架台（每组一台）、水浴锅（3~4台）、电炉（1台）、电子天平（共用）
2实验方法
2.1凝胶强度测定方法
用自制简易凝胶强度仪测定，具体方法如下：
胶体溶液在电炉上煮沸，冷却形成凝胶后。取一铁架台、一支截面光滑平整的较细玻璃棒（直径依凝胶强度选定）、一台天平、一个锥形瓶。将玻璃棒固定在铁架台上，将凝胶体放在天平的一端，锥形瓶放在天平的另一端，在锥形瓶中加入水平衡天平（设此时锥形瓶和水总重为W1），调整玻璃棒的截面使其与凝胶体的表面轻轻接触，然后往锥形瓶中缓慢的加水，注意观察，当玻璃棒穿透凝胶体表面时，立即停止加水，称锥形瓶和水总重，设为W2。
凝胶强度的计算公式为： W2-W1
凝胶强度（g / cm2）= （式中S为玻璃棒的截面积）
S
2.2凝胶体凝固点的测定
取50mL胶体溶液，倒入烧杯中，插入温度计，然后使温度缓慢下降，至烧杯倾斜45-50。角时液面凝固不动，此时的温度即为该凝胶体的凝固点。
2.3凝胶体融点的测定
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待上一步骤中的溶液凝固完全，于冰箱中放置 5min，放入一粒玻璃珠（直径=5mm）于凝胶表面。把试管在90℃的水浴中加热，使凝胶温度慢慢上升，观察玻璃珠落下（液体恰将其没过）的温度即为凝胶的融点。
3实验步骤
3.1比较食用胶溶解情况
琼脂、卡拉胶、海藻酸钠、CMC、黄原胶等食用胶(0.2%)在冷水、热水中的溶解情况。即称取食用胶0.1g，加冷水或热水50ml。 3.2琼脂凝胶性能的研究 3.2.1找出琼脂的最低凝胶浓度
设计琼脂的浓度分别为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，即分别称取0.05g，0.10g，0.15g，0.20g，0.25g的琼脂。 3.2.2测不同浓度琼脂凝胶的性质
变换琼脂浓度，其凝胶强度、凝固点、熔点如何变化（至少变换5个）。 3.2.3测琼脂与不同食用胶的复配后的凝胶性质
固定琼脂浓度（0.4%），在其溶液中加入一定相同浓度（0.2%）的卡拉胶、海藻酸钠、CMC、黄原胶，其凝胶强度如何变化。 3.3卡拉胶凝胶性能研究
3.3.1找出卡拉胶的最低凝胶浓度
设计卡拉胶的浓度分别为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，即分别称取0.05g，0.10g，0.15g，0.20g，0.25g，0.30g的卡拉胶，加50ml蒸馏水。 3.3.2不同盐对卡拉胶凝胶性能的影响
在相同浓度（0.6%）的卡拉胶溶液中分别加入一定浓度（0.2%）的KCl、CaCl2 时， 其凝胶强度与不加离子有何不同。 3.4海藻酸钠凝胶性能研究
3.4.1不同盐对海藻酸钠凝胶情况的影响
在一定浓度（0.5%）的海藻酸钠溶液中加入一定相同浓度（0.3%）的CaCO3、CaCl2、CaSO4、CaH2PO4，观察其是否形成凝胶，凝胶状态如何（只观察凝胶状态，不用测凝胶强度）。
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3.4.2柠檬酸与不同盐类对海藻酸钠凝胶性能的影响
在上述两种基础上再加入一定的柠檬酸，观察其凝胶状况（只观察凝胶状态，不用测凝胶强度）。 3.5果冻的研制
根据以上实验情况，找出一种合适的食用胶（提示，可能复配效果好）来加工果冻，探讨出制作果冻的一种配方，要求所制的果冻具有较好的弹性、韧性、甜酸比及合适的颜色。
4实验记录与结果
4.1不同食用胶在冷水、热水中的溶解情况
实验结果记录如表1。
表1 五种食用胶(浓度0.2%)在冷水、热水中的溶解情况
食用胶种类 琼脂 在冷水中的溶液较混溶解情况
卡拉胶
海藻酸钠
CMC 溶液澄清，有较少软胶块浮于液面
黄原胶 液体混浊，呈稀米汤样
溶液较混浊，溶液较澄清，有
较多软胶块浮于液面
浊，粉末分细小絮凝物散在水中，颗粒均匀分片刻后沉于散于溶液中 杯底
在热水中的溶液较浑溶解情况
溶液较澄清，溶液较澄清，有
少许疏松的软胶薄片，静置片刻后软胶薄片全溶，有细小气泡浮于液面
溶液很澄溶解度低，形
浊，粉末分有少量较硬散在水中
较厚的凝块沉于杯底
清，CMC溶成较多软胶解度好，溶液中仅有极少量的小片凝胶，静置片刻后，凝胶全溶
块浮于水面，但溶液澄清度较冷水中好
结果：相同浓度的不同食用胶，在水中的溶解情况各不相同。琼脂和卡拉胶不溶于冷水，但加热可溶；海藻酸钠不溶于冷水，但溶于热水；CMC可部分溶于
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冷水，完全溶于热水；黄原胶在冷水中形成浑浊液，在热水中可部分溶解。五种食用胶在冷水中的澄清到浑浊排序依次为：CMC＞海藻酸钠＞琼脂＞卡拉胶＞黄原胶。五种食用胶在热水中得澄清到浑浊排序依次为：CMC＞海藻酸钠＞琼脂＞卡拉胶＞黄原胶。 4.2琼脂凝胶性能的研究 4.2.1琼脂的最低凝胶浓度
实验结果记录如表2。
表2 琼脂的最低凝胶浓度
是否可凝固
结果：实验证实琼脂的最低凝胶浓度为0.4%。 4.2.2不同浓度琼脂的凝胶性质
不同浓度琼脂的凝胶强度、凝固点和融点的变化见下表3。
表3 不同浓度琼脂凝胶强度、凝固点、熔点的变化
W1 W2
玻璃棒直径（cm） 凝固点(℃) 熔点 凝胶强度（g /
cm）
结果：由表3数据可知，琼脂的凝胶强度、凝固点和熔点都随着琼脂浓度的增加而增大。
4.2.3琼脂与不同食用胶的复配后的凝胶性质
浓度为0.4%琼脂溶液中加入一定相同浓度（0.2%）的卡拉胶、海藻酸钠、CMC、黄原胶，其凝胶强度变化测定的具体数据见表4。
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2
0.1% 否
0.2% 否
0.3% 否
0.4% 是
0.5% 是
0.6% 164.90 171.27 0.3 34.5 60 89.72
0.7% 166.22 173.68 0.3 35.5 64 105.07
0.8% 168.35 176.92 0.3 36.0 67 120.70
0.9% 169.18 177.83 0.3 37.0 70 121.83
1.0% 166.98 181.04 0.3 38.0 72 198.03
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表4 琼脂与不同食用胶复配后凝胶强度变化
食用胶种类
W1 W2
玻璃棒直径（cm） 凝胶强度（g / cm2）
结果：与空白对照(0.6%琼脂)相比，琼脂与不同食用胶复配后的凝胶强度有较为明显的增大。其中，琼脂与卡拉胶复配时，其凝胶强度增加最大，与CMC复配时，其凝胶强度增加最小。 4.3卡拉胶凝胶性能研究 4.3.1卡拉胶的最低凝胶浓度
卡拉胶的最低凝胶浓度见下表5。
表5 卡拉胶的最低凝胶浓度
是否可凝固
结果：由表5可知，卡拉胶的最低凝胶浓度为0.5%。 4.3.2不同盐对卡拉胶凝胶性能的影响
浓度为0.2%KCl、CaCl2对浓度为0.6%的卡拉胶凝胶性能的影响数据如表6所示。
表6 KCl、CaCl2对卡拉胶凝胶性能的影响 加入离子种类
W1 W2
玻璃棒直径（cm） 凝胶强度（g / cm2）
空白 96.51 98.53 0.3 28.45
KCl 99.12 106.48 0.3 103.66
CaCl2 102.21 109.60 0.3 61.83
0.1% 否
0.2% 否
0.3% 否
0.4% 否
0.5% 是
0.6% 是
空白 164.90 171.27 0.3 89.72
卡拉胶 96.90 106.60 0.3 136.62
海藻酸钠 88.30 97.27 0.3 126.34
CMC 97.80 106.62 0.3 124.22
黄原胶 94.40 103.90 0.3 133.80
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结果：与浓度为0.6%的卡拉胶相比，加入KCL、CaCL2均能提高其凝胶强度。而且加入等浓度的KCL、CaCL2时，KCL能更大的增加凝胶的强度。 4.4海藻酸钠凝胶性能研究
4.4.1不同盐对海藻酸钠凝胶情况的影响
在0.5%的海藻酸钠溶液中加入0.3%的CaCO3、CaCl2、CaSO4、CaH2PO4后，观察其凝胶情况，实验结果记录如表7。
表7 不同盐海藻酸钠凝胶情况的影响
溶液种类 凝胶状况
实验结果表明，在海藻酸钠溶液中加入以上四种钙盐时，海藻酸钠无法形成凝胶。
4.4.2柠檬酸与不同盐类对海藻酸钠凝胶性能的影响
在上述四种溶液中加入0.15%的柠檬酸后，观察海藻酸钠凝胶情况的变化，实验数据记录如表8。
表8 柠檬酸与不同离子对海藻酸钠凝胶性能的影响
溶液种类 加入柠檬酸钠
CaCO3
CaCl2
CaSO4
CaH2PO4
CaCO3 不凝
CaCl2 不凝
CaSO4 不凝
CaH2PO4 不凝
均可形成凝胶
实验结果表明，加入柠檬酸钠后，原来无法形成凝胶的四种溶液可形成凝胶。 4.5果冻的研制
根据实验所用的各种食用胶，分析比较它们的凝胶性能（包括凝胶强度、凝固点和融点），最终选用3%卡拉胶与3%琼脂复配作为加工果冻的方案，并加入一滴柠檬黄和一滴胭脂红，可制作出有弹性和韧性，具有橙色色彩的果冻。
5实验分析与讨论
5.1 对琼脂凝胶性能的分析与讨论
琼脂不溶于冷水，在冷水中浸泡时，徐徐吸水膨胀软化，吸水率可高达20倍。在沸水中极易分解成溶胶，温度降低后便形成凝胶[2]。琼脂具有很强的凝胶能力，实验证实，在浓度低至0.4%时，琼脂也可形成凝胶。琼脂形成的凝胶硬，
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使制品具有明确的形状，但发脆，组织粗糙，表面易收缩起皱[2]。
琼脂浓度是影响凝胶硬度的显著因素，改变琼脂溶液的浓度是控制琼脂凝胶硬度的最有效方法。琼脂分子在溶液中相互作用形成双螺旋结构，进而有序排列为三维网状的凝胶结构。随着琼脂浓度的增加，琼脂分子间相互缠结形成的网络节点增加，导致凝胶强度的增加。
当琼脂与水混合加热至100℃或更高时，可形成透明或半透明的胶状物，待冷至32℃—43℃，可形成凝胶状，琼脂凝胶的熔点一般在75℃-90℃之间。本次实验测得的琼脂的凝固点在理论值范围内，而熔点却都比理论值稍低，主要原因为实验所采用的琼脂浓度都较低，且实验过程中出现了误差。琼脂的熔点高于其凝固点的现象称为“凝胶的滞后性”，琼脂的滞后性比其他凝固剂大，一般在40℃—60℃。
琼脂与不同的食用胶复配会形成不同的效果。当与卡拉胶复配时，可以得到柔软、有弹性的制品。当琼脂与海藻酸钠复配时，会降低其凝胶强度。但实验过程测得二者复配时，其凝胶强度增强，可能是由于实验操作过程中出现了错误，致使测得的数据出现误差。当琼脂与CMC、黄原胶复配时均可增加其凝胶强度。 5.2 对卡拉胶凝胶性能的分析与讨论
卡拉胶易溶于热水成半透明的胶体溶液，不溶于冷水，但可溶胀成胶块状
[2]
[3]
[3]
。当加热溶于热水时，卡拉胶分子成混乱的卷曲状；当降到某一温度
时，分子向螺旋状转化，形成单螺旋体；当温度继续下降时，分子间形成双螺旋体，组成立体的网状结构，并出现凝固现象、温度再下降，双螺旋体聚集而形成凝胶
[4]
。卡拉胶的水溶液具有高度黏性和胶凝特点，实验得到
卡拉胶的最低凝胶浓度为0.5%。
除了卡拉胶的浓度外，有些离子也会影响其凝胶强度，K+和Ca2+都能增强卡拉胶的凝胶强度，并且K+的影响大于Ca2+。这是因为这两种离子的架桥作用利于卡拉胶分子双螺旋结构形成超分子网络聚集体，但是可能卡拉胶的凝胶性质依赖于电解质的类型，在K+存在比Ca2+存在时形成的凝胶更有序、强度更大，所以K+对其凝胶强度的增强效果会更显著。
[6]
[5]
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5.3 对海藻酸钠凝胶特性的讨论与分析
海藻酸钠溶于水成黏稠状胶体溶液，具有吸湿性。海藻酸钠易与金属离子结合，在海藻酸钠的金属盐中，除了Na、K、Mg、NH4+盐类能溶于水外，其他金属盐均不溶于水。海藻酸钠能与除镁汞以外的二价金属离子发生快速的离子交换反应，生成褐藻酸盐凝胶。在添加的Ca盐当中，CaCl2溶于水，CaSO4和CaH2PO4微溶于水，CaCO3不溶于水，所以在海藻酸钠溶液中加入CaCl2时，溶液中的Ca2+含量最高，其形成的凝胶薄膜强度为最大。
而加入柠檬酸钠后，与CaCO3反应，使溶液中的Ca浓度大大增加，所以溶液的凝胶效果增强很明显，而其他三种，溶液中的Ca2+浓度也有少量的不同程度的增加，也一定程度上促进了凝胶。 5.4 对果冻制作的讨论与分析
综合实验对五种食用胶凝胶性能的测定，最终选择以0.3%的琼脂和0.3%的卡拉胶复配制作果冻。卡拉胶是一种很好的胶凝剂，即时是在低糖度情况下也可形成凝胶，可与多种食用胶进行复配。当琼脂与卡拉胶复配时，不仅可以增强其凝胶强度，还可以得到柔软有弹性的制品，这正是果冻所需的口感。
参 考 文 献
[1] 张献伟，周梁，蒋爱民，郭善广，卢艳. 食品胶特性及其在食品中应用.研究进展，2011，27（1）：166-169
[2] 郝利平、聂乾忠、陈永泉、廖小军.食品添加剂.第2版.北京：中国农业大学出版社，2009.157—166.
[3] 马云，杨玉玲，杨震陈等．琼脂凝胶质构特性的研究．食品与发酵工业： 2007， 33（9），24-27．
[4] 乔庆林.卡拉胶的兴致及应用.肉类工业，1998，（11）：30—33.
[5] 王志辉，李春海．κ - 卡拉胶凝胶特性的研究．食品与发酵工业： 2007，33（9），24-27．
[6] 杨玉玲，周光宏，姜攀等．卡拉胶凝胶质构特性的研究．食品工业科技： 2008，（10），220-223．
[7] 金俊等.海藻酸钠利用与加工[M].北京：科学出版社，1993.
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