微生物生產之食用膠簡介(上)


食用膠為食品添加物的一種,是目前食品加工中廣泛使用之添加物,幾乎所有的食品中都會添加食用膠。由於安全、無毒、理化性質而受到廣泛的注意,其可用於冷凍/藏食品、飲料、乳製品、調味品、糕點、澱粉、糖果、釀酒與食品保鮮等,作為增稠劑、懸浮劑、乳化劑、品質改良劑、安定劑及包膜等。食用膠的來源有數種:動物性來源(如明膠)、植物性來源(如纖維素、澱粉、關華豆膠、果膠)、海洋生物食用膠(如洋菜、鹿角菜膠、海藻酸鈉)及微生物多醣食用膠(如玉米糖膠、結蘭膠)。近年來微生物多醣食用膠受到許多注意,因為其獨特或優於傳統植物多醣的物理特性,以下即就該類食用膠作一簡介。

許多微生物合成細胞外多醣(exopolysaccharides,EPS),這些細胞外聚多醣要不是與細胞表面黏附於細胞表面,就是見於於胞外的發酵液中的無定型黏液。於自然界所發現的微生物聚合物,不是與其毒性(如於植物或動物之病原菌),就是與微生物-植物之交互關係或甚至保護微生物細胞免於乾燥或受到噬菌體及原生動物的攻擊有關。於自然及人造環境下,胞外多醣於"生物膜"(biofilm)結構中扮演重要的角色,該生物膜是許多微生物族群之天然棲息地。

目前有數種微生物胞外多醣已商業化(如玉米糖膠、結蘭膠),而其他仍在不同的發展階段。由於其獨特或優於傳統植物多醣的物理特性,而使這些聚合物的用途非常廣泛,於食品工業中作為增稠劑、膠凝劑、助懸劑。例如由Xanthomonas campestris而來的玉米糖膠(Xanthan gum,又稱三仙膠、漢生膠、黃原膠)(圖一)及由Sphingomonas paucimobilis而來之結蘭膠(Gellan)(圖二)。於許多角度來看,玉米糖膠即是"實驗桌出產"的產品,它於多年前即准許用於食品中,且由於其基質轉換成多醣的高轉換率(~60-70%)而相對便宜。其他微生物多醣之生產成本較高,而這些微生物產物必須能與其他的天然或合成的聚合物競爭,雖然這些天然或合成的聚合物在物理或生態特性上遜於微生物產物,但其生產及銷售價格都便宜許多。若改良原始細胞外多醣的化學特性卻可能大大地增加其價值並拓展其應用的範圍,如改良過的葡聚糖(dextran)之SephadexR產品就是一成功的例子。

雖然現在我們對於結構與功能之間的關係有較清楚的了解,但是預測何種微生物聚合物值得發展卻是十分困難。許多初始報告對於產品的開發過於樂觀,但二種產品證明它們是值得的:細菌性纖維素(Biocellulose/bacterial cellulose)及透明質酸(Hyaluran/ hyaluronic acid),即使二者皆已有非微生物的生產來源。b-D-葡萄聚醣(Glucan)因其生物特性而使其可作為多醣應用,見於許多真菌,頃已證明其對免疫系統調節者(immune-system modulator)有甚大的影響。以下就數種常見之微生物來源之食用膠作一簡介。

玉米糖膠(Xanthan)

玉米糖膠(Xanthan) 的化學結構

玉米糖膠是主要商業化的微生物聚合物。產量每年超過20000噸。其是由相互交替的葡萄糖所組成之類似纖維素的骨架,而支鏈由D型甘露糖及D型葡萄醣酸(D-glucuronic acid)所組成。該膠的特色為,在高溫下仍可保持膠體之安定性。於許多食品中,玉米糖膠具有許多有用的特性,包括香味的迅速釋放、絕佳的口感及與其他食物原料的相容性、可增加沙拉醬汁的稠度及預防冰淇淋中形成冰晶。其可作為麩質(gluten)的替代物添加於無筋麵粉中,可改善烘焙產品的質地及結構。

結蘭膠(Gellan)及相關的多醣

(a)
(A)天然或高醣基之結蘭膠

(b)
(B)低醣基之結蘭膠
結蘭膠(Gellan)的化學結構(A)天然或高醣基之結蘭膠(B)低醣基之結蘭膠

結蘭膠是由一群現稱為Sphingonas paucimobilis所產生,為另一商品化之微生物所生產之多醣。天然形式的結蘭膠於500kDa之四糖重複單位之直鏈聚合物上帶有O-乙醯基及甘油基(圖二)。結蘭膠會形成熱可逆的膠狀物,當濃度為0.75%時即可提供高強度的膠狀物。上市的產品有KelcogelR或GelriteR,於美國及歐洲,結蘭膠已批准用作食品級的膠凝劑、安定劑及助懸劑,用於乳製品、沙拉醬汁及果汁中。例如添加至豆奶中,可安定及幫助大豆蛋白和其他添加物的懸浮性,且其於高溫下安定又不混影響飲品之風味。

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