明胶
定义:明胶是一种大分子的亲水胶体,是胶原部分水解后的产物。按其性能和用途可分为照相明胶、食用明胶和工业明胶。根据用途不同,对明胶的质量要求也不一样。用作粘结剂使用时,主要要求粘接强度。用于照相、食品等领域时,则强调产品的纯度。胶原分子是由三条多肽链相互缠绕所形成的螺旋体,通过工艺过程的处理,胶原分子螺旋体变性分解成单条多肽链(α-链)的α-组分和由两条α链组成的β-组分及由三条α链组成的γ-组分,以及介于其间和小于α-组分或大于γ-组分的分子链碎片。由此可见,明胶是一个具有一定分子量分布的多分散体系,其分子量分布因工艺条件不同而有所差别,并影响到明胶的理化性能。明胶,无色至浅黄色固体,成粉状、片状或块状。有光泽,无嗅,无味。相对分子质量约50000~100000。相对密度1.3~1.4。不溶于水,但浸泡在水中时,可吸收5~10倍的水而膨胀软化,如果加热,则溶解成胶体,冷却至35~40℃以下,成为凝胶状;如果将水溶液长时间煮沸,因分解而使性质发生变化,冷却后不再形成凝胶。不溶于乙醇、乙醚和氯仿,溶于热水、甘油、丙二醇、乙酸、水杨酸、苯二甲酸、尿素、硫脲,硫氰酸盐和溴化钾等。本品浓度在5%以下不凝固,通常以10%~15%的溶液形成凝胶。胶凝化的温度随浓度、共存的盐类和pH值而不同。粘度及凝胶强度因相对分子质量分布情况而异,同时受pH、温度和电解质的影响。本品溶液如遇甲醛,则变成不溶于水的不可逆凝胶。本品易吸湿,因细菌而腐败,保存时应注意。水解时,可得到各种氨基酸。与胶原区别明胶是胶原部分水解而得到的一类蛋白质,明胶与胶原具有同源性。胶原具有棒状三股螺旋结构,当其部分水解制备明胶的过程中,胶原的这种三螺旋结构发生部分分离和断裂。明胶的氨基酸组成与胶原相似,但因预处理的差异,组成成分也可能不同。理化性质明胶是胶原变性所得的产物,属蛋白质大分子范畴,它具有与蛋白质大分子相类似的特性,但由于分子结构的特殊性,决定了其理化性质又有独特之处。表面活性由氨基酸构成的多肽链存在着亲水区和疏水区,因而明胶和一些表面活性剂一样具有适当的表面活性。研究表明,明胶溶液的表面张力与其浓度、温度、pH值等因素有关。在明胶溶液浓度为1%或1%以下、温度为10~45℃,在溶液形成少于1小时的界面上进行测定,发现在pH=2~3之间其表面张力最大,而最小表面张力则出现在等电点处。研究还指出,表面张力在30℃以下随温度而直线下降,在30~40℃之间下降更为急剧,在40℃以上时随着温度的不断增高而进一步下降,其下降速率比纯水的要大。凡出现老化的地方,表面张力一般会随时间而下降。凝胶强度当温热的明胶水溶液冷却时,其黏度逐渐升高,如果浓度足够大,温度充分低,明胶水溶液即转变为凝胶。明胶凝胶类似于固体的物质,能够保持其形状,并具有弹性。明胶凝胶在受热后能可逆地又转变为溶液状态。这是明胶无可比拟的特性。将明胶溶液在低温下冷却至发生凝胶化并在一定的低温下老化一定时间,即可测得其稳定的凝胶强度数值。明胶的凝胶强度与明胶的分子量及其分布、氨基酸组成及工艺过程有关,不同用途的明胶所要求的凝胶强度也不同。明胶溶液的凝冻及其随后的凝胶网络的变化是由于溶液中无序明胶分子部分地回复到胶原结构而引起的。非常均一的明胶稀溶液中所诱导和产生的更广泛的向胶原的逆转,这也是凝胶形成机理本质上类似的这种逆转过程,称之为“复性”,但由于受明胶分子分散性、复杂的化学组成和它们非常的浓度的影响而有所变化。在复性过程中,明胶的组分所起的作用有所不同。明胶凝胶在冷却到0℃以下时,内部水分结冰,其结晶晶格的引力超过了明胶分子对水分子的引力,水分就在凝胶内部网络中间形成冰的结晶,并逐渐扩大。温度越低,结晶的水分越多。在俄罗斯的寒冷季节,有时利用天然冷风使明胶淡液结出冰晶,得到浓缩的凝胶,这比蒸发法减少水分既经济而又不影响质量。皮明胶在结冰时冰晶在凝胶内部形成,将冰晶除去,剩下一个和冻豆腐类似的立体网络;但在骨明胶结冰时,冰晶在凝胶的表面及四周产生。这说明非常相似的两种明胶,其凝胶中的分子结构与组织并不完全相同,骨明胶内部的水分可以更自由地运动。黏度黏度反映了微小的纤维状肽链分子溶解并分散在水中时因相对运动而产生的内摩擦力。对于稀溶液来说,由于体系中分子数极少,内摩擦力几乎为零,其所表现出的黏度反映了多肽链体系平均分子量的大小。因此,在固定温度、pH等的条件下,稀溶液的黏度测定主要用于测定明胶体系的平均分子量。而在浓溶液的情况下,其黏度主要是由明胶分子之间的流体力学的相互作用所引起的。在明胶浓溶液的浓度范围内,影响黏度的主要变量是温度、pH值和所加的盐类;此外,明胶的平均分子量和分子量分布也影响到明胶的黏度。商品明胶黏度与浓度的关系在早期研究中被确定为“黏度是浓度的指数函数”;随后的研究发现,黏度的对数对浓度作图始终是一条曲线,只是随着浓度的增加而曲率呈下降趋势。明胶浓溶液的黏度在等电点pH下处于最低值,而在盐溶液加入时,所有pH值下的溶液黏度均相应地降低。分类:1)明胶按照生产方式分为碱法明胶(又称B型明胶)、酸法明胶(又称A型明胶)、酶法明胶。三种明胶最大的不同点即为明胶生产过程中的前处理过程采用不同的方法。B型明胶的产量居三种明胶之首,原料在碱性介质中预处理,中和后在中性介质中提取得到。A型明胶是指原料在酸性介质中预处理,酸性介质中提取得到的明胶。酶法明胶是指原料经酶预处理,在适度pH值的介质中提取的明胶。(2)明胶按照用途可以分为食用明胶、药用明胶、照相明胶、工业明胶。(3)明胶按照品质不同可以分为高档明胶、低档明胶、骨胶,其中高档明胶简称明胶,国外称为Gelatin,低档明胶和骨胶则称为Glue。生产:明胶是经胶原适度水解和热变性得到的产物,生产明胶的原料主要是动物的皮、骨及制革业废料等,市场上常见的明胶多以牛皮牛骨或猪皮为原料制备,近年来由于疯牛病和口蹄疫的出现,许多明胶生产厂家开始转向以鱼皮、鱼鳞和鸡皮为原料制备明胶。目前,明胶的生产方法主要有碱法、酸法、酶法等。碱法和酸法是传统的生产方法,生产周期较长一般为15天,所排废液对环境的污染较大。由于酶法制备明胶的生产成本较低,产品安全性高,在医药、食品领域等逐步取代酸法和碱法生产的明胶。酸法生产明胶的生产主要由三部工序组成从原料的收集、保存和经过各种方式的对原料皮、骨的预处理,是明胶技术发展的前工序部分,胶原的降解即明胶的提取是第二工序部分,也是影响产率的关键部分,明胶的过滤、蒸发、灭菌、烘干等构成了明胶技术的后工序部分。明胶的酸法与碱法生产通常是指明胶的原料前工序与提胶过程中化学处理方法不同。酸法明胶主要选用盐酸、硫酸、磷酸、乳酸、柠檬酸、醋酸等单一酸或复合酸对前工序进行原料膨胀等处理,并进一步用弱酸或强酸破坏分子间交联与断裂分子键,使多肤溶于酸水溶液中,亦称之为提胶。碱法生产碱法制备明胶过程中,含胶原的原料首先经浸灰、水洗和除脂等方式进行预处理,原料预处理后脂肪的含量较低,主要成分是胶原蛋白,在石灰或氢氧化钠和一定温度条件下胶原蛋白逐步降解为分子量不均一的多肤混合物,多肤溶液经浓缩、除湿和干燥等一系列处理后得到固体粉末。就产品的收率、性质和纯度而言,碱法能够生产出高质量的明胶。当前国产明胶约有80%以上是碱法明胶。碱法制胶通常是指石灰法与烧碱法,石灰法猪皮制明胶生产工艺通常为:原料整理一石灰水预浸一水力除脂一石灰水浸渍一洗涤中和一熬胶一浓缩、漂白、凝胶化。酶法生产酶催化胶原降解制备明胶,与传统的碱法制备明胶的工艺相比,生产周期将会大大缩短,因此国外的明胶工作者一直重视对酶的研究。酶法制胶的研究从1962年开始,已经有50多年的历史,人们已经认识到了,经过酶对胶原降解能够制取明胶,但这样制取的明胶,其分子量分布偏宽,高分子量组份偏多,工艺上控制较难等。这些缺陷影响了明胶的质量。酶解制胶的方法:用酶的溶液处理砸碎后的骨或皮胶原,然后在酸性溶液中搅拌,得到胶原溶液,再用碱中和到胶原等电点或用盐盐析,得到胶原的纤维沉淀,分离沉淀后再加热,即得到明胶另一种是酶代浸灰,用酶的溶液代替传统碱法制胶中石灰乳处理胶原骨素或皮,然后再按照传统方法完成余下的工序,这种工艺方法比第一种方法更适合于对骨明胶的制备。酶法制胶一般工艺:皮料一预处理一酶解一酶钝化一溶胶一分离纯化一成品。应用糖果添加剂据报道,全世界的明胶有60%以上用于食品糖果工业。在糖果生产中,明胶用于生产奶糖、蛋白糖、棉花糖、果汁软糖、晶花软糖、橡皮糖等软糖。明胶具有吸水和支撑骨架的作用,明胶微粒溶于水后,能相互吸引、交织,形成叠叠层层的网状结构,并随温度下降而凝聚,使糖和水完全充塞在凝胶空隙内,使柔软的糖果能保持稳定形态,即使承受较大的荷载也不变形。明胶在糖果中的一般加量为5%~10%。在晶花软糖中明胶用量6%时效果最好。在橡皮糖中明胶的加量为6.7%。在牛轧糖中为0.6%~3%或更多些。在糖果粘液的浓糖浆中加量为1.5%~9%,糖味锭剂或枣子糖果的配料要求含明胶2%~7%。在糖果生产中,使用明胶较淀粉、琼脂更富有弹性、韧性和透明性,特别是生产弹性充足、形态饱满的软糖、奶糖时,需要凝胶强度大的优质明胶。冷冻食品改良剂在冷冻食品中,明胶可用作胶冻剂,明胶胶冻的熔点较低,易溶于热水中,具有入口即化的特点,常用于制作餐用胶冻、粮食胶冻等。明胶还可用于制作果冻,明胶胶冻在温热而尚未溶化的糖浆中不会结晶,温热的胶冻在凝块被搅碎后还可重新形成胶冻。明胶作为稳定剂可用于冰淇淋、雪糕等的生产,明胶在冰淇淋中的作用是防止形成粗粒的冰晶,保持组织细腻和降低溶化速度。为获得优良的冰淇淋,明胶的含量必须恰如其分。明胶在冰淇淋中的一般用量为0.25%~0.6%,任何胶冻强度的明胶都可制得良好的冰淇淋,但不同强度必须配以相对应的浓度。肉制品改良剂明胶作为胶冻剂添加到肉制品中,用于香野猪肉、肉冻、罐头火腿、口条、小牛肉、火腿馅饼、罐头肉类及镇江肴肉等制品的生产,提高了产品的产量和质量。明胶还可对一些肉制品起乳化剂的作用,如乳化肉酱和奶油汤的脂肪,并保护产品原有的特色。在罐头食品中,明胶还可作为增稠剂,常常添加粉状明胶,也可加入一份明胶,二份水配成的浓胶冻。其他应用:制作胶囊壳需要的原材料有十几种之多,在其中,明胶当仁不让,占据着头把交椅,占胶囊壳质量的90%以上。明胶胶囊虽有很多优点,但也存在不足:1)由于醛基、亚胺或酮类等基团的存在,胶囊在储存过程中易发生交联,形成稳定的明胶网络,减缓胶囊的溶出,降低其生物利用度;2)明胶来源于动物的皮或骨,因此素食主义者用药时不方便;3)明胶胶囊囊壳材料来源于动物皮或骨,易传播传染性海绵组织脑科疾病——疯牛病;4)软胶囊囊壳机械特性易受温度和水分影响——囊壳中增塑剂的加入,增加了氧渗透率和水分在囊壳和胶囊内容物间的转移,极少量的水分变化就会对药物的溶出造成很大影响;5)软胶囊还存在药物迁移的现象。因此,需要寻找改性明胶或明胶替代品来改善明胶胶囊的缺陷。明胶胶囊的替代品有植物胶(魔芋胶、阿拉伯胶等)、微生物胶(黄原胶、结冷胶等)、海藻胶(卡拉胶、海藻酸盐类等)、淀粉等。作铸涂纸的胶粘剂:由于生产铸涂纸所用的干酪素价格昂贵,经过实验室的研究试验和工厂的生产实验,水解和漂白处理后的工业低等级明胶可作为铸涂纸的胶粘剂。明胶最重要的性能之一是形成可逆转换胶体的能力。可逆转换胶体在生产膜、织物、涂层、胶囊方面有很重要的应用。有专利报道了利用这种凝胶制造汽车部件的模子。由于明胶具有发泡性,因此它可以应用在防火剂、庄稼保护覆盖物、涂层衬底、抑制灰尘扩散材料及应用在制备吸收噪音的泡沫水泥化合物、热绝缘体和防火材料。利用明胶的粘性制成的皮胶比合成胶更常用、更环保,可用于造纸的施胶剂,来制造砂布、砂纸、胶带纸。美国航天局研制成功胶原蛋白强力粘合剂,用作飞机外壳铝板的粘结,其强度超过了任何一种铆接和粘接方式。明胶的可乳化性可以用作保护胶体、絮凝剂,用在化妆品、涂料中,而且胶冻强度(Bloom值)越高的明胶具有越高的乳化能力。明胶的吸油性可用于回收地面泼溅的油,明胶的吸水性可用于农业杀虫剂的可控缓释体系。明胶、淀粉、海藻胶质、角藻胶作为壳材料,以通式为[R1O(CH2CH2O)nSO3]-(R2NHR4R3)+的材料为核心,做成高浓度的胶囊型洗涤剂,并具有良好储藏性、除垢作用和生物降解性。日本报道了明胶与十二烷基酰氯在醇溶液中反应可制成肽—月桂酸钠盐,此产品可用做表面活性剂,它在硬水中有很好的溶解性,气味少,起泡性好。日本还有用不溶于水的N-酰化明胶包裹化妆品的颜料的报道,这既阻止了颜料与皮肤的直接接触,又具有保湿作用。日化明胶、胶原的水解物及其衍生物在化妆品中应用,对皮肤和毛发具有保护、保湿、去污等作用,但这类添加剂只有在与化妆品某些成分配伍时才能显现出有意义的效果。这类蛋白质与月桂酰醚硫酸酯钠(sodiumlaurylethersulphate)组成的复合物对眼睛有保护作用。将中性胶原溶液和酸溶胶原溶液与合成的肥皂、香皂及其它洗净剂配合使用,可防止皮肤免受各种洗涤剂的有害作用(如刺激作用)。这是因为明胶、胶原的水解物及其衍生物能在洗涤剂外形成胶束而使合成的肥皂、香皂及其它洗净剂趋于温和。同时,它们可增强洗净剂的去污作用而不降低或仅略为降低泡沫活性。含蛋白质的肥皂和洗净剂还具有优良的保湿效果,对某些油类物质如染眉油、口红、眼脸膏等有极好的乳化性,洗后能使皮肤感觉柔和、不发干和不发粘。含蛋白质的毛发化妆品能增加毛发的抗张强度和弹性,因此常用作烫发、整理、漂洗和干燥类化妆品的制造;由于蛋白质能降低表面活性剂、碱和过氧化物对毛发的损伤,故常添加蛋白质以制造护发素。在市场上常见的发用化妆品有:保持水分的香波、头发调理膏或液、羊毛-蛋白质护发素、蛋白质定发胶等。明胶、胶原的水解物与维生素类物质配合使用,可制成营养、护肤美容、抗皱等化妆品,如胶原水解物与维生素E配合使用制成搞皱美容霜;也可制成复方针剂作皮下注射,用以使皮肤皱纹消失而变得平滑。注:本名词内容引自百度百科。
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