上海交通大学化学化工学院高分子科学与工程系流变学研究所
图1“不易融”的日本雪糕和炎热环境下“不融化”的M&M''s巧克力
??另一方面，“卡拉胶”这种食品添加剂或食品胶，实际上是人畜无害的，没必要谈之色变。无论你了不了解卡拉胶，可能都接触过、吃过，因为长期以来它在食品工业以及护理品、化妆品、医药等诸多领域一直被广泛应用。很多耳熟能详的乳制品（牛奶、酸奶）、肉制品（火腿肠、切片火腿）、饮料、果汁、果冻等，都含有这种食品添加剂。没有卡拉胶这些添加剂，很多食品的工业化制作、口感、稳定性、储存期乃至食用安全性都要大打折扣。食品添加剂早已成为了现代食品的组成部分。在很大程度上可以说，没有食品添加剂，就没有现代食品工业的发展，我们也不能方便地享受到林林总总的各地美食。
??当然，不可否认，“添加剂”的叫法容易使人产生“异物感”，也容易使不了解的人甚至一些专业人士产生误解。其实，早先一些给大家深刻负面印象的所谓“添加剂”，并不是我们所称的“食品添加剂”，而是违规、违法的“添加物”。在日常生活中，我们的饮食早已离不开这些添加剂了。举个简单例子，豆腐和卤味食品家喻户晓、广受欢迎，特别是豆腐在我国有着二千多年的食用历史。“卤水点豆腐”中的“卤水”就是“添加剂”，人们对它的接受并无违和感，因为在印象中“卤水”已经是豆腐中的“配料”了，是豆腐的组成成分。推而广之，“卤味”食品如果没有各种配方的“卤水”这些“添加剂”，那么受欢迎的程度就可想而知了。食物呈现的“美味”在很大程度上要归功于“食品添加剂”。也许，如果一开始“食品添加剂”被称为“食品配料”，大家就容易接受，不会“相看两生厌”了。
??从食物发展历史看，形形色色、功能各异食品添加剂的出现，既是食品产业的必然需求，也对应着差异化消费的发展和多层次消费水平的需求。食物不仅仅是生活必需品，享受食物带来的愉悦感，甚至可以说是人类幸福生活的最重要源泉。法国著名美食作家布里亚-萨瓦兰（JeanAnthelmeBrillat-Savarin）说过“发现一道美食比发现一颗恒星更能给人类带来幸福感（Thediscoveryofanewdishconfersmorehappinessonhumanitythanthediscoveryofanewstar）”。大家是否“心有戚戚焉”？
??有必要先说说什么是冰淇淋和雪糕，两者有什么区别。现实中不少人容易将它们混淆。
??大家知道，物质一般有气态、液态和固态。小小的冰淇淋或雪糕都包括了，它们是气、液和固的混合物。但如果认真地问你，冰淇淋是固态还是液态？你先不要忙着回答，它可不像冰棍和可乐那样一望而知。与固态的冰棍和液态的饮料不同，冰淇淋是一种既像固体能保持形状，又像液体易于流动的充气胶体。冰淇淋主要由水、脂肪（各种奶油、精炼植物油等）、非脂固体（牛乳、脱脂乳、炼乳、乳粉等）、糖以及各类食品添加剂（如质构改良剂、乳化剂、抗融剂等）、香味剂和气泡组成。低温下，水和脂肪形成冰晶和脂肪晶体，脂肪球在制作过程中还形成了贯穿整个冰淇淋的网络结构，能包裹和稳定充入的气泡，赋予冰淇淋良好的抗融性、膨化率和形状保持能力。可见，冰淇淋的组成和结构还蛮复杂的，用个专业术语叫“多相多组分复杂体系”。
图2冰淇淋和雪糕
??那么冰淇淋是固体还是液体呢？它又像固体、又像液体，我们姑且先叫它“半固半液”体吧。雪糕在冷冻状态下自然可看作是固体，但融化后却也还是“半固半液”体，我们后面会提到原因。冰淇淋和雪糕呈现的这种“半固半液”性质，就是由上述那些组分的性质和它们之间的相互作用形成的。不同组分及含量以及组分间相互作用，形成了我们现在所吃到的各种各样口感的冰淇淋和雪糕。
??冰淇淋和雪糕中的蛋白质和食品胶都是典型的高分子。蛋白质是两亲性高分子，而食品胶通常是带负电的高分子，叫聚阴离子。它们一般都具有长链结构，具有很高的分子量，达几十万甚至更高。从口感、赋型、抗融、稳定作用的角度，各类食品胶的用量虽少，但对冰淇淋和雪糕的物性、品质和消费者的接受度乃至心理影响，都起着非常重要的作用。这些起着特殊作用的添加剂一般都是天然高分子。高分子学科知识在冰淇淋和雪糕制造乃至诸多各类食品加工中有着不可或缺的应用，甚至在某些品质的调控方面起着决定性作用。
一、什么是卡拉胶？
图3制备卡拉胶的原料（上：麒麟菜；下：角叉菜）和卡拉胶的制备方法1
??从化学角度，卡拉胶是一种聚阴离子，是高分子量的含有硫酸酯基团的线形半乳糖聚糖，具有重复的α-1,3-D-半乳糖-β–1,4-D-半乳糖二糖单元骨架结构。由α-1,3-键合的半乳糖基主要为3,6-脱水半乳糖，其部分或全部半乳糖单元上接有硫酸酯基团。根据磺酸根基团在卡拉胶主链上位置及数目的不同，目前已确定化学结构的卡拉胶有多种（图4），其中已商业化生产的只有三种，分别为κ-型、ι-型和λ-型2。它们的大致性能如下：
??1)κ-型：可在钾离子存在的情况下形成较强而脆的热可逆凝胶，并伴随着分子构象变化，能与蛋白质发生相互作用，常用作凝胶剂，也可用于增稠、乳化；
??2)ι-型：可在钙离子存在下形成软而弹的凝胶，也能与κ-型卡拉胶复配发生协同作用，如抑制果冻的漓水；
??3)λ-型：不能形成凝胶，但能形成黏稠的溶液，主要用于增稠。
图4不同类型卡拉胶的分子结构
二、为什么冰淇淋和雪糕中要加卡拉胶？
??以冰淇淋为例，要回答这个问题，可以从其发展史中寻找到答案。
??关于冰淇淋的起源，目前并没有一个统一的认知。有一种说法是，冰淇淋起源于蒙古帝国，并在其扩张过程中传入中国。南宋时期，我国就有将冬天藏在冰窖里的冰块，与牛羊奶、果汁等掺和在一起调制而成的冰酪。宋人杨万里在其诗作《咏酥》中对冰酪的有很传神的描述，“似腻还成爽，才凝又欲飘。玉来盘底碎，雪到口边销”。冰淇淋在欧洲的传播，则被认为是13世纪著名探险家马可波罗在中国了解到冰式甜点后，引入到意大利的3。
??如果完全不加这些食品胶，能不能提供冰淇淋或雪糕的抗融性？应该也是可以的。如进一步提高固含量（主要是蛋白质和脂肪含量）、减少水分，特别是增加和选择有更高熔点的乳脂含量（牛奶乳脂的融化温度范围很广，介于-40~+40oC，典型的熔点为33oC）。当然，如果将高含量、高熔点的乳脂与高性能的食品胶协同结合使用，效果无疑会更好。
三、“不融化”或“融化慢”的原理是什么？
图5网络上对钟薛髙雪糕的加热实验结果
??说冰淇淋或雪糕是屈服应力流体，简单地讲，是指冰淇淋在不受力或受很小力的时候像固体，但如果我们用勺子挖或吮吸时，必须用些力才能挖动或吸动它。也就是说施加在冰淇淋上的力要超过某一临界值，冰淇淋才能发生流动。这个临界值就叫作“屈服应力”。屈服之后产生流动，会使冰淇淋的黏度随剪切速率的增加而大幅下降，这时的冰淇淋叫“剪切变稀（或剪切稀化）”流体。屈服应力的大小以及发生流动后冰淇淋的黏度下降行为，在很大程度上决定了冰淇淋的口感。需要注意的是，超过屈服应力后冰淇淋的这种流动并不是因为融化作用，是由于冰淇淋内部结构在受力情况下发生了变化所致。冰棍和通常的饮料就不是屈服应力流体。未融化的冰棍不会流动，用牙齿咬它会发生脆性断裂；而饮料只要受力，不管力大小都会流动。因此，冰棍是固体，水和可乐是牛顿流体（即黏度不随剪切速率而变化），而冰淇淋则是具有屈服性的非牛顿流体（剪切变稀流体）。
??上述物体受力和流动、形变之间的关系属于一门叫作流变学（Rheology）的学科研究范畴。图6比较了各类流体的典型流动曲线。其中Herschel-Buckley流体和宾汉流体（如番茄酱）为屈服应力流体，这两种流体的区别是：Herschel-Buckley流体发生流动后，黏度随剪切速率下降（即剪切变稀），而宾汉流体发生流动后，黏度不随剪切速率变化（即为牛顿流体）。屈服应力流体糊在小朋友嘴上也不会轻易流下来。
图6各类流体的典型流动曲线比较5
图8浓度为0.5%的κ-型卡拉胶水凝胶的弹性模量和黏性模量随温度的变化
??需要指出，在配方一定的情况下，不同加工方式对冰淇淋和雪糕的微结构和包括抗融性和融化快慢的最终性能有着重要影响。这里除乳脂的影响外，气泡的含量和稳定性、气泡的大小和分布起重要作用。对于含气泡的材料，如果泡孔足够小且为闭孔结构，对流传热的贡献是可以忽略不计的。那么，传热就主要源于固体的热传导、辐射传热和泡孔内气体的热传导这三部分贡献，且三者之间是相互独立的。因此，冰淇淋和雪糕这种含气泡物质的导热主要由固体基体（乳脂、蛋白质和冰晶）的热传导、辐射传热和泡孔内空气的热传导组成。显然，高气泡含量和低孔径尺寸有利于降低热传导，也就是有利于减缓融化动力学。限于篇幅，这方面的详细理论说明和计算，就不做赘述了。
四、卡拉胶是否安全：
??由此可见，我国和世界上其它国家都对卡拉胶的使用对象和范围有明确规定。对于符合国家食品安全标准的产品，是可以放心食用的。但是需要指出，有研究认为低分子量的卡拉胶可能存在致炎作用8。作为食品添加剂的卡拉胶的分子量一般应高于10万。因此，在供食用的卡拉胶中，要注意勿使其含有低分子量的成分。
五、结语
参考文献：
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