食品增稠剂的浓度、分子量和粘度的关系
食品增稠剂的水溶液具有较高的粘度,这是它的主要特征,也是主要用途。食品增稠剂具有高粘度的原因是:a.食品增稠剂是水溶性高分子物,其分子量很大,体积很大。庞大的体积阻碍了介质的自由移动;b.高分子物溶解后,在水中充分水化,束缚了大量“自由水”;c.体积大的分子在介质中存在着相互间的作用。由于以上几个因素,溶液的流动性受到阻碍,就会产生层流间的阻力,在表观上表现出粘稠滞流性。
上述的第a.c.项原因直接与溶液中高分子的密度即溶液的浓度相关。所以同种物质的溶液,其浓度和粘度正相关。而当不同的食品增稠剂相比较时,则是在分子量相同的情况下,分子链是直链的比带有支链的食品增稠剂的水溶液粘度大。其原因是当分子在水中溶解后以势能最低的伸展形式存在,这些大分子在水中运动和旋转,其体积是以其分子最远端的距离为直径的球体,相同分子量的不带支链的分子在水中伸展接近于直线,所以比带支链的分子的端点距离长,直径大,球体大,此种现象就相当于浓度高,所以同浓度、同分子量的不带支链的分子构成的溶液粘度高。例如,相同分子量的果胶比相同分子量的阿拉伯胶的水溶液粘度高。这是因为果胶是线性直链分子,而阿拉伯胶是带有支链的分子。
温度与溶液粘度、凝胶强度的关系
温度是物质内能的宏观表现。当温度升高时,分子运动速率加快,聚集体由大变小,其体系结构被拆散,液体流动阻力减少,溶液的粘度和温度的关系成负相关,但在升温过程和降温过程中溶液和凝胶的“温度—粘度的关系”曲线不同,具有降温粘度升高时曲线斜率较小。
此现象的原因是:在温度上升过程中,分子运动的速率逐渐加快,聚集体由大变小,随吸收能量的增加,其体系结构拆散,粘度降低。在温度下降过程中,当温度降到一定程度时,分子之间的作用力可以克服分子的动能,使其体系结构在短时间内形成,即表现出粘度急剧增加。一般高分子物质在主碳链上支接着不同的基团,其结构亦存在着热不稳定性,会在一定的温度下发生热降解即分子断链。例如黄原胶出现热降解的极限温度是149℃,瓜尔豆胶在80℃以上就可以出现主链上的糖苷键断裂。而当热降解发生后,其溶液就失去了热可逆性,其降温后粘度恢复较少。常见凝胶的热可逆性的顺序为:卡拉胶、琼脂、明胶、低酯果胶。
电解质对食品增稠剂溶液粘度及凝胶强度的影响
食品增稠剂分子所含的极性电荷及离子基团易与电解质发生作用,使溶液粘度及凝胶强度发生变化。大部分水溶性聚合物在少量电解质存在的情况下粘度均明显下降,卡拉胶、海藻酸盐、黄原胶等阴离子型食品增稠剂表现较为明显,但当电解质超过一定浓度时粘度变化又趋于稳定。
此现象可以认为是分子中电解质与阴离子键合而形成弱酸盐水溶液,具有缓冲作用。当电解质作用于食品增稠剂时会使其分子电荷及水化作用减弱,释放自由水,溶液的粘度及凝胶的强度均下降。随电解质浓度的增加,电解质本身水化作用也增强,并且当有二价或多价离子存在时,由于价键的键桥作用,分子间发生交联,形成不可逆的凝胶交联体,使粘度增加。例如,海藻酸盐分子中的古洛糖醛酸片段能够接受钙离子,发生交联体形成稳定的热不可逆交联体。
除食品增稠剂分子中的离子基团外,某些食品增稠剂分子中的甲氧基也明显地表现出接受电解质的作用。例如,酯化程度低的低酯果胶,其羧基酯化程度少,分子电荷高,分子间斥力大,在二价或多价离子存在时,分子间可以通过价键力形成键桥而成凝胶。而高酯果胶,由于分子电荷低,斥力小,易于靠近形成诱导力,相互结合出结点,建立三维空间网络而形成凝胶。所以电解质对高分子溶液粘度及凝胶强度的影响与食品增稠剂的离子的强度关系密切。一般是低价金属盐影响较小,如钾、钠离子的盐比高价钙、镁离子的盐对粘度的影响较小。非离子型食品增稠剂由于其分子的结构中不存在离子基团,所以受电解质的影响小。如瓜尔胶、洋槐豆胶对盐的耐受性很强。
pH对高分子溶液的粘度及凝胶强度的影响
pH对不同的食品增稠剂的水溶液的粘度存在不同程度的影响。一般的情况是:聚合物分子链上某些质点中具有电负性的亲核基团易于与低pH值介质中的质子形成配位键,降低与水分子的极性引力作用,阻碍了氢键的形成,而使食品增稠剂分子水溶液中的水化程度降低,溶液的粘度降低。一般常见的食品增稠剂的高粘度pH值范围是:琼脂5.0~8.0;黄原胶4.5~7.5;卡拉胶5.0~8.0;海藻胶5.5~8.0。其一般的表观粘度曲线是中性时达到峰值的正态曲线。
离子型食品增稠剂如含有硫酸酯的卡拉胶,含有羧基的海藻胶、黄原胶的水溶液则易于在pH值低的酸性介质中形成水不溶物或弱电解质,使水化作用降低,从而降低溶液粘度。另外,当食品增稠剂结构中的缩醛键在酸性条件下,尤其是在温度较高时,易发生降解而使分子断链,分子量降低,溶液粘度明显降低。分子中电荷状态的改变对于凝胶的形成会产生更大的影响,其情况及原因如前三种结构的凝胶所述。常见的水溶性食品增稠剂的耐酸次序为:海藻酸丙二醇酯、果胶、黄原胶、瓜尔胶、海藻酸盐、卡拉胶、明胶、淀粉。