★　熊丹丹　易敏之　熊恩智　江东龙　林跃松　朱丽朋 　(江西中医药大学　南昌 330004)

明胶的凝胶化及凝胶强度的影响因素研究

★熊丹丹易敏之熊恩智江东龙林跃松朱丽朋 (江西中医药大学南昌 330004)

摘要：文章就明胶的凝胶化和凝冻强度的影响因素等方面进行了综述，为明胶凝胶化作用的研究和开发利用提供了文献依据。

关键词：明胶；凝胶化；凝冻强度；影响因素

明胶是从生物体内提取出来的胶原蛋白，再经过酸或者碱，或酶的水解，提纯而获得的亲水性胶原蛋白肽，分子量约为1.5～25万D[1-2]。温度高于熔点时，具有黏性；温度低于熔点时，发生凝胶化作用，产生凝冻强度，并在0～30℃发生可逆性转变。明胶及其凝胶化的特性在食品、医药和工业等领域都有着广泛的用途。本文主要概述了明胶凝胶化的过程、机理及影响因素和凝冻强度的影响因素两部分内容。

1明胶凝胶化

1.1凝胶化过程及其机理明胶溶液在一定的浓度下，降低到冻点以下时，会形成凝胶，这是明胶大分子间作用力变化的结果。

明胶的凝胶化有三个阶段[3]，第一阶段是明胶分子链的复性，温度的降低使分子链之间氢键、范德华力等形成，分子链上独特的氨基酸序列(甘氨酸-脯氨酸-羟基脯氨酸)交联产生类胶原螺旋体。此氨基酸序列在明胶凝胶化中起着重要作用[4-7]。

第二阶段是类胶原螺旋体相互结合成聚集体，它也导致体系的粘度会增加。

第三阶段聚集体之间联接成尺寸相当大的网络，这一过程也叫做“成熟”，或者“老化”。稳定的网络结构使分子不能活动，水分子的流动性也下降，而分子链上的极性集团又牢固的吸附大量水分子，水分子充满在网状结构之间，成为坚韧，富有弹性的胶冻，明胶溶液转变成了凝胶。

1.2凝胶化过程的影响因素在明胶凝胶三维网络的形成与稳定中, 由不同类型的键合参与其中: 氢键和极性基团间的静电相互作用力; 氨基酸残基非极性侧基团间的疏水性相互作用力。在这里, 离子型基团间的相互作用力不是主要的。在高浓度明胶(30%～50%) 中,疏水性相互作用力是很强烈的[3]。利用荧光法[8]可以知道凝胶化过程中，氢键数目是增多的。

刘小玲[9]在研究鸡骨明胶的凝胶化时，利用差示扫描量热仪测定出鸡骨明胶的熔化温度在 30～35℃之间，并随浓度的增加而提高。鸡骨明胶的胶凝温度为22 ℃左右，比熔化温度低，且基本不受浓度影响，并推测明胶形成的凝胶网络同时存在着类似胶原三股螺旋的交联点和两根链通过氢键形成的两股螺旋交联点。鸡骨明胶凝胶网络结构的交联点(区)为三股螺旋结构。

2凝胶强度及其影响因素

凝胶强度，也叫冻力，简单的来说，就是明胶溶液经过冷却形成凝胶后能够承受的压力。它是明胶溶液内部氨基酸序列，分子量大小及分布，分子链交联键合方式等的表征，也是评价明胶质量优劣的重要指标之一。凝冻强度受到很多因素的影响，总结起来有以下几点。

2.1原料绝大多数明胶工厂用的原料是动物的皮和骨。汪宗莹[10]在比较皮明胶和骨明胶凝冻性质不同时发现，骨胶的冻力比驴、猪、牛皮胶要大。这可能是因为氨基酸序列的不同而造成的。商品市场上通常选用成年动物为原料，是因为成年动物体内胶原分子交联键更多，利用分离分析技术，幼年动物为原料生产出的明胶α组分较少[11]。

2.2提取工艺

2.2.1预处理明胶按照预处理工艺可以划分为3类：酸法明胶，也叫 A 型明胶，是指胶原在酸性条件下预处理，在酸性条件下提胶；碱法明胶，也是B 型明胶，胶原在石灰乳中预处理，在中性条件下提胶；酶法明胶也就是E 型明胶，工艺是胶原在酶液中预处理，在中性条件下提胶。

通常，酸法适用于皮原料，碱法适于骨原料，酶法工艺对两种原料均适用。三种方法各有优缺点：酸法反应剧烈，效率高；碱法时间长，明胶质量较好；酶法价格昂贵，但是明胶质量在三者中是最好的，且环境污染少。

张兵[1]比较了三种明胶凝胶特性的差异，发现A 型明胶凝胶强度为223 bloom g，B型明胶235 bloom g，E型明胶347 bloom g。酶法制备的明胶质量远高于其他两种处理方法。通过聚丙烯酰胺凝胶电泳( SDS-PAGE)结果表明，A 型明胶各组分的分子量非常分散，没有集中的分布。B 型明胶和E 型明胶均包含较强的α1、α2、β分峰及弱的γ组分峰，并推测酶法明胶分子量6.4×104g/moL组分对于明胶的冻力也具有贡献。明胶的降解中α链被切断，对凝冻强度的提高是不利的。史京京[2]也发现明胶的凝冻强度与α组分(α1，α2)存在着线性关系。

酶法制备明胶已经从实验室研究发展到了明胶制备工艺中来了。到目前为止, 虽然还没有大规模应用于明胶生产中, 但其潜在的生产周期短、设备易于控制及环境污染少等优势正逐渐显现出来[12]。

2.2.2温度冻力受提取温度的影响非常显著。张业聪[13]利用美国猪原皮废边料来研究各个因素对明胶冻力的影响时发现，提取温度相对于提取时间与溶剂pH影响是最大的。随着温度的升高，胶液的冻力是先升高后下降的，强度下降幅度随着温度的升高而增高[14]。开始时胶原蛋白三重螺旋体发生裂解转变成游离伸展的肽链，但是随着温度达到明胶的变性温度，分子链之间的结合力如氢键，肽键会断裂，螺旋结构会消失，明胶分子降解成了多肽小分子。

朱欣星[15]的研究也证明了这一点：三股螺旋结构因高温处理受到破坏。在扫描电镜观察下，高温制备的凝胶结构排列无规则且具有大量孔洞[16]。

这是因为由于提取条件的不同，热水提取法制备胶原蛋白会导致胶原蛋白分子在不同程度上的水解[17]。胶原蛋白分子中的一部分α链及低聚体会在适度的水解过程中释放出来形成氢键，有利于分子的聚集和凝胶交联的形成。但随着提取温度的升高和提取过程的继续进行，蛋白分子水解加剧。由于α链的过度降解，凝胶在陈化过程中无法形成有序交联，从而导致凝胶强度的下降。

2.2.3浓度明胶凝胶强度随明胶浓度的增加而增强[18]；升高浓度时，同一体积的胶液中肽链分子增多，分子之间发生的碰撞相应的增多。最后形成的凝胶网状结构也更完整，形成凝胶时间也会缩短。随着提胶倒数的递增，相同浓度胶冻得凝胶强度逐渐下降，浓度对凝冻强度的影响也依次减小[19]。

2.2.4pHpH值影响明胶的凝胶强度，随着pH的升高，强度发生不同变化。在pH值1～14的区间中凝胶强度曲线成马鞍状。在pH值过酸[21]和pH值过碱时明胶溶液不能成胶。在pH值为2和10时凝胶强度达到最大，而在pH值3～9范围内曲线则较平稳。这是因为明胶处于强酸性或者强碱性环境时，明胶会发生降解成小分子肽，凝冻时不能形成有序的交联，因而不能成冻。而pH值为3～9范围内没有最高点是因为明胶的等电点在4.5左右，越接近等电点，明胶中的静电荷越少，分子间越不容易发生作用[18]。

2.2.5离子强度利用自来水提取出来的胶液凝胶强度低于用蒸馏水制备的[21]。加入氯化钠后凝胶强度减小，可能是氯化钠中和了明胶所带的电荷，使明胶分子间的斥力减小，分子链不能完全展开，导致明胶的凝胶强度下降。明胶的凝胶强度随随氯化钙浓度增大而增大，造成这种现象的主要原因是二价钙离子可以使蛋白质中相邻的多肽链之间形成交联的钙桥从而增强其凝胶强度[18]。

2.2.6提取时间虽然蛋白质总量在一定时间内随着提取时间的提高而有所增加，但是凝冻强度却是一直下降，下降幅度并没有温度影响强度的幅度大[16]。

2.3测试方法使用冻力仪测定凝胶强度，它有3种测定方法：绝对干胶法，商品胶法和相对干胶法。《食用明胶与工业胶》QB581-81标准采用绝对干胶法,称取的明胶重量是不把明胶中的含水量计算在内的，是去除水分的纯品胶量。《食用添加剂明胶》GB6783-86改为商品胶法，即直接称取商品明胶,配成6.67%浓度测定冻力，不考虑明胶水分对冻力的影响。《食品添加剂明胶》GB6783-94标准冻力测定采用以明胶水分12%为基数，配成6.67%浓度测定冻力，这就是相对干胶法。

表1　3种不同方法的冻力值　g

如表1，不同的测试方法对凝冻强度测试值也有影响。绝对绝对干胶法不受水分的影响。商品胶法与相对干胶法测试凝胶强度时会受到水分的影响。当样品含水量约在11.5%～13.6%时，两种方法的测定值是相接近的。而当样品的含水量较大或较小时，两种方法的测定值都会有偏差[20]。

在实际应用上，应用商品胶法快速，但要控制水分在12%左右。但是在作为分析方法来说，要考虑科学性，必须要考虑到水分的影响，所以绝对干胶法和相对干胶法都是可行的。从上个世纪90年代初起，为了产品质量标准规范化，如照相明胶，药用明胶，食用明胶，工业明胶等标准上都统一为相对干胶法，并控制水分小于等于14%。

2.4多糖当蔗糖浓度低于1%时，明胶的凝胶强度随蔗糖浓度增加而增加，当蔗糖浓度高于1%时，明胶的凝胶度随浓度的增高而下降。蔗糖与明胶分子产生交联键争夺了明胶分子之间的交联键。添加卡拉胶、CMC或海藻酸钠等多糖能改善明胶的凝胶特性，提高其凝胶强度。果胶、瓜儿胶、魔芋胶、琼脂、罗望子胶、黄原胶与明胶复配后都不能成胶。原因可能是这些多糖与明胶之间没有发生相互作用，所以不能形成凝胶[18]。

3讨论

不论采用哪种生产方法，欲想制得冻力理想的明胶，则在具体生产工艺操作中，要做到科学严谨，控制好胶层的水解，使制得的明胶所含次级水解产物愈少愈好，明胶所含杂质越少越好。明胶愈纯，则冻力也相应地高。在具体的工艺操作中，要控制好系统的值、温度、浓度。把主要的工艺参数控制好，再加上技术措施，生产所得明胶的冻力就会在原有的基础上得到提高。

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Gelation of Gelatin and Influencing Factors of Gel Strength

XIONG Dan-dan, YI Min-zhi, XIONG En-zhi, JIANG Dong-long, LIN Yue-song, ZHU Li-peng

JiangxiUniversityofTraditionalChineseMedicine,Nanchang330004,China.

Abstract:This article summarizes gelation of gelatin and influencing factors of gel strength,which provides a literature basis for the further researches and the development of gelation of gelatin.

Key words:Gelatin;Gelation;gel strength;influencing factors.

收稿日期：(2014-05-13)编辑：曾文雪

中图分类号：TS201.2

文献标识码：A