食品乳液凝膠的制備及其應用研究進展

崔夢楠，鹿 瑤，高彥祥，毛立科*

（北京食品營養與人類健康高精尖創新中心，中國農業大學食品科學與營養工程學院，北京 100083）

乳液凝膠是指一種被乳狀液液滴填充的具有凝膠網狀結構，且機械性能較強的凝膠[1]。因乳液凝膠獨特的結構特性和功能特性，現已廣泛應用于奶酪、酸奶、加工肉制品等領域中[2-3]。按照凝膠基質的不同可分為蛋白質乳液凝膠、多糖乳液凝膠、復合乳液凝膠等。乳液凝膠的結構、功能特性取決于凝膠基質和填充顆粒間的結合特性，根據顆粒與基質之間的相互作用，填充顆粒可分為活性填充顆粒和非活性填充顆粒[4]。活性填充顆粒會與凝膠基質相互作用，能夠影響乳液凝膠的微結構和流變學性能；非活性填充顆粒不會與基質結合，對乳液凝膠的強度無增強效應。一般來說，乳液凝膠的制備過程可以分為以下兩步：一是乳狀液的制備，二是通過一系列的誘導方式使乳狀液的連續相凝膠，從而得到乳液凝膠。常用的誘導方式有熱誘導、酸誘導、鹽誘導、酶誘導、化學交聯劑誘導等[5-8]。乳液凝膠可作為脂肪替代物，有效降低飽和脂肪酸的含量，提高多不飽和脂肪酸、人體必需氨基酸、礦物質等含量[9]；還可作為傳遞體系，用來包埋水溶性較差的生物活性物質，并能顯著提高生物活性因子的穩定性[3]。本文對近十多年來不同乳液凝膠的制備工藝及其應用研究進展進行總結，以期為乳液凝膠的制備工藝和其在食品、醫藥等領域的應用發展提供一定的借鑒。

1 基于蛋白質的乳液凝膠的制備

1.1 熱誘導

許多蛋白質都有熱凝膠性，加熱時，未折疊的蛋白質之間通過鏈間、鏈內二硫鍵相互作用，從而形成凝膠的空間網狀結構[10]。乳液凝膠的油滴表面粗糙并具有結構性，能夠通過改變蛋白質與油脂比例調整乳液凝膠的微結構。當蛋白質的濃度較高時，蛋白質會發生自聚集[5]。乳液凝膠結構還與熱誘導過程中pH值、加熱時間和離子強度有關。酸性條件下，蛋黃蛋白的熱凝膠速度較快[11]。在一定范圍內，加熱時間越長，越有利于蛋白質分子間的疏水作用，形成的網狀結構更加致密緊湊[12]。離子強度主要通過靜電屏蔽效應影響乳液凝膠的結構和性能，隨著鹽濃度的增加，乳液凝膠的持水性降低，有序的凝膠結構變得無序[13]。酪蛋白乳狀液在熱作用下形成乳液凝膠的臨界溫度隨著酪蛋白濃度的增加而升高。乳化作用使液滴被膠束酪蛋白包裹，加熱時油滴會結合到酪蛋白的網狀結構中，起著活性填充物的作用。用乳清分離蛋白代替部分酪蛋白，能夠增強蛋白質的乳化性，使形成的乳液凝膠結構均一，彈性、強度較大[14]。

雖然熱誘導這一方式簡便易于操作，但由于該過程需在較高的環境溫度條件下處理，不適合作為熱敏性生物活性物質的輸送載體。當包埋熱敏性生物活性物質時，就需使用酶誘導、酸誘導、鹽誘導等制備乳液凝膠的方式。

1.2 酸誘導

酸誘導乳液成膠主要應用于酸奶等發酵食品的制作中。酸誘導乳液凝膠的制備通常需在乳化作用之后對乳狀液或乳狀液同酸的混合液加熱一段時間[15]，目的是保證葡萄糖酸內酯充分水解為葡萄糖酸，降低體系的pH值，促進蛋白質包裹的油滴之間的相互作用，提高乳液凝膠的硬度[15]。酸誘導乳液凝膠的形成機理為蛋白質分子吸附到液滴的表面使乳狀液液滴聚集并進入到凝膠基質中，該過程與氫鍵、疏水作用有關[16]。在酸誘導凝膠體系中，液滴和凝膠基質的結構有序化會使酸誘導的乳清分離蛋白聚集物乳液凝膠的模量增加[17]。酸誘導乳液凝膠的形成過程與酸化溫度、蛋白質的濃度有關。酸化溫度的提高能顯著縮短膠凝化時間，但凝膠的硬度有所降低[6]。隨著蛋白質濃度的增加，乳液凝膠的彈性增加，乳液凝膠的儲能模量與蛋白質的濃度為指數函數關系[18]。酸誘導的乳液凝膠的微結構與體系的pH值有關，當pH值接近于蛋白質的等電點時，靜電排斥作用下降，有利于吸附在油滴表面的蛋白質分子和凝膠基質中的蛋白質分子共價交聯[19]。此外，酸誘導的乳液凝膠的結構與性能還與油相的組成有關，含棕櫚硬脂的大豆分離蛋白穩定的乳液凝膠，其硬度大于含葵花籽油或大豆油的乳液凝膠，且油脂吸附能力強，穩定性較好[20]。

1.3 鹽誘導

由于鹽誘導的乳液凝膠的形成過程中不涉及加熱或酸化，這種誘導方式更適合于熱敏感、酸敏感生物活性物質的運載，像益生菌、維生素等。鹽誘導乳液凝膠形成的主要驅動力是蛋白質包裹的油滴之間的“橋聯”作用。在制備過程中通常會對蛋白質的分散液加熱，若未加熱，蛋白質包裹的油滴易聚集成簇狀或絲狀，不利于網狀結構的形成。加熱過程可以增強Ca2＋和蛋白質有效作用位點之間的相互作用，使更多的油滴進入到三元網狀結構中，增強乳液凝膠的強度[15]。

鹽誘導的乳液凝膠的結構與性能與油的體積分數、鹽離子濃度、蛋白質的聚集程度和濃度有關。在β-乳球蛋白穩定的乳液凝膠體系中，油滴是活性填充物，能夠與凝膠基質相互作用，隨著油相的體積分數的增加，乳液凝膠的網狀結構變得致密且孔隙變小，彈性增加[7]。鹽濃度較低時，形成的乳液凝膠較柔軟，內部結構均一；隨著鹽濃度的增加，乳液凝膠的硬度增加，結構更加致密緊湊[21]，增加鹽離子的濃度也可以加速膠凝化過程。由于鹽誘導乳液凝膠的形成主要是通過Ca2＋的“橋聯”作用，該過程不需要破壞界面上的蛋白質薄層，便能形成致密的結構，能夠有效地避免液滴的聚集。在鹽誘導的大豆分離蛋白乳液凝膠中，隨著大豆分離蛋白的聚集，乳液凝膠的彈性增強，增大鹽離子濃度，形成的乳液凝膠的油滴較小、結構均一、持水性能增強[22]。

1.4 酶誘導

酶誘導是一種較溫和的、易受控制的制備乳液凝膠的方式，且不會產生副產物，制備成的乳液凝膠的結構緊湊、質地堅硬、彈性好[23]。與乳狀液相比，酶誘導的乳液凝膠具有較強的氧化穩定性，該體系可用來抑制脂肪的氧化[24]。該方法中常用的酶是微生物谷氨酰胺轉氨酶，它是轉移酶的一種，能夠催化蛋白質分子上的谷氨酰胺殘基和賴氨酸殘基之間的交聯反應，使蛋白質發生分子內交聯和分子間交聯以形成空間網狀結構[25-26]。Tang Chuanhe等[15]用酶誘導法制備了大豆分離蛋白穩定的乳液凝膠，實驗發現，酶誘導的乳液凝膠具有均一的、較薄的、孔隙較小的網狀結構，機械強度較大。在乳化作用之前對大豆分離蛋白溶液加熱，能夠使更多的油滴進入到網狀結構中，未加熱的大豆分離蛋白穩定的乳液凝膠在共聚焦顯微鏡下能夠觀察到裂口。但在乳化作用后對乳狀液加熱，不利于乳液凝膠的形成。

酶誘導的大豆分離蛋白穩定的乳液凝膠的結構與大豆蛋白的組成、濃度和油的體積分數有關，通過調整這些因素可以獲得具有特定結構性能的乳液凝膠。Tang Chuanhe等[8]發現，當大豆分離蛋白中大豆球蛋白與β-伴球蛋白的比例較高時，制備成的乳液凝膠硬度較大，且凝膠硬度隨著蛋白質濃度的增加而增加。油滴與油滴之間的作用除受到已吸附在油滴表面的蛋白質影響，還受到未吸附在油滴表面的蛋白質之間相互作用的影響[27]。當大豆油的體積分數較低時，凝膠網狀結構的形成主要與未吸附在油滴表面的蛋白質之間的共價交聯有關。隨著大豆油體積分數的增加，越來越多的蛋白質吸附在油滴表面，蛋白質分子變得伸展甚至重排，有利于吸附在不同油滴表面的蛋白質之間酶促交聯。因此，隨著油相體積分數的逐漸增加，大豆分離蛋白穩定的乳液凝膠的彈性和持水能力增強[28]。除此之外，在酶誘導過程中對乳狀液進行攪拌能夠促進網狀結構的形成，增強乳液凝膠的硬度。與連續式攪拌相比，間歇式攪拌效果更佳[29]。有研究表明，將微波輻射同酶交聯協同應用，可以將牛奶蛋白的聚合速率提高3 倍[30]，這為酶誘導乳液凝膠的快速制備提供了新思路。

1.5 化學交聯

表1 不同誘導方式制備的蛋白質乳液凝膠及其優缺點比較Table1 Advantages and shortcomings of protein-stabilized emulsion gels induced by different treatments

將明膠穩定的乳狀液放置于5 ℃的環境中，明膠即可完成溶膠-凝膠的轉化；但該方法制備的乳液凝膠中乳狀液液滴是非活性填充物，不能與基質相互作用且會降低乳液凝膠的硬度[31-32]。通過使用京尼平這一毒性小的化學交聯劑可制備具有較強機械強度和熱力學特性的明膠乳液凝膠[33]。Thakur等[34]發現，均質時間影響京尼平交聯的明膠乳液凝膠的微結構。當均質壓力為3.5 MPa時，均質時間越長，乳狀液的顆粒越小且分布越集中，油滴能夠均勻地分散在明膠基質中，當均質時間較短時，油滴會發生聚集。隨著均質時間的延長，京尼平交聯的乳液凝膠的穩定性和機械強度也增加。表1為不同誘導方式制備的蛋白質乳液凝膠及其優缺點比較。

2 基于多糖的乳液凝膠的制備

2.1 淀粉乳液凝膠

圖1 天然淀粉乳液凝膠的制備示意圖和相關顯微鏡照片[35]Fig.1 Schematic diagram for the formation of natural starch emulsion gel and micrographs[35]

Torres等[35]以改性淀粉、天然小麥淀粉為原料制備天然淀粉乳液凝膠，制備過程如圖1所示。吸附在油滴表面的改性淀粉中的疏水基團定向排列，有利于吸附在不同油滴上的相鄰改性淀粉和連續相中的改性淀粉之間形成疏水網狀結構[36]；此外，相鄰的天然淀粉分子上的羥基也可通過氫鍵相互作用，增強顆粒與天然淀粉凝膠基質之間的相互作用。在天然淀粉凝膠中，改性淀粉穩定的乳狀液液滴是活性填充物，隨著葵花籽油添加量的增加，凝膠的彈性增加。

2.2 果膠乳液凝膠

低甲氧基果膠凝膠的形成主要是通過Ca2＋與果膠主鏈上的羧基基團之間的相互作用[37]，高甲氧基果膠凝膠結構的形成主要是通過未解離的羧基和仲醇基之間的氫鍵和甲基酯之間的疏水作用[38]。果膠乳液凝膠的流變學性能與甲基化程度有關。在低甲氧基果膠中，隨著甲基化程度的降低，果膠的膠凝能力增強，形成的乳液凝膠抵抗形變的能力增強。當甲基化程度為27.2%時，在較大的溫度范圍內，乳液凝膠的動態儲能模量幾乎保持不變[39]。

2.3 κ-卡拉膠乳液凝膠

κ-卡拉膠乳液凝膠的制備通常是將乳狀液和卡拉膠溶液在45 ℃的環境下加熱一段時間，然后冷卻到室溫并靜置使其成膠，加熱的目的是抑制液滴的消耗聚集[40]。在卡拉膠乳液凝膠體系中，油滴是非活性填充物，隨著中鏈甘油三酯濃度的增加，乳液凝膠的斷裂應變幾乎不變，斷裂應力和楊氏模量降低；但當用溶菌酶穩定乳狀液時，乳液凝膠的楊氏模量增加，這可能是由于卡拉膠與溶菌酶形成了纖維結構[41]。

2.4 菊粉乳液凝膠

菊粉是一種益生元多糖，且具有抗細胞毒性和抗基因毒性[42]。菊粉凝膠網狀結構是通過細小微晶相互交聯形成的，當微晶聚集形成較大的簇狀物時，其網狀結構能夠截留大量的水分[43]。菊粉形成的網狀結構的性質類似于脂肪結晶形成的網狀結構，已有研究表明，菊粉可作為膠凝劑應用于乳液凝膠中[44]。菊粉乳液凝膠的制備需卵磷脂作為乳化劑，當橄欖油含量較高時，形成的乳液凝膠含有豐富的纖維、不飽和脂肪酸和酚類抗氧化物。與機械剪切形成的乳液凝膠相比，超聲均質后的乳液凝膠網狀結構更均一、細膩[43]。

3 復合乳液凝膠

3.1 復合蛋白質乳液凝膠

Qin Xinsheng等[45]制備了以大豆分離蛋白和小麥蛋白混合物穩定的乳液凝膠，該乳液凝膠體系有效地改善了大豆分離蛋白的乳化性和小麥蛋白的溶解性[46]。超聲處理能夠促進蛋白質的巰基基團和疏水基團充分暴露，提高蛋白質的起泡性和乳化性[47]。乳液凝膠的微結構與大豆油的體積分數有關，隨著油相體積分數的增加，油滴會發生聚集、絮凝，乳液凝膠的網狀結構變得疏松不均一；但乳液凝膠的彈性增加，抵抗機械力的能力增強，持水力增強[45]。油相體積分數增加也會加快凝膠速率，縮短成膠時間。在較低體積分數下，維系乳液凝膠內部結構的主要作用力是疏水作用和二硫鍵，當體積分數較高時，靜電相互作用占主導[46]。

3.2 蛋白質-多糖乳液凝膠

固體脂質微顆粒能夠將像黃油等熔點較高的脂肪酸耦合到乳液凝膠中，并能夠加強乳液凝膠的結構和流變學性能[48]。Geremias-Andrade等[49]通過熱誘導方式制備了以乳清分離蛋白、黃原膠穩定的具有高熔點油的乳液凝膠。改變固體脂質微顆粒分散液的濃度，可獲得具有不同結構和流變性能的乳液凝膠。當分散液濃度較低時，油滴是非活性填充物，不影響乳液凝膠的機械性能；當分散液的濃度較高時，油滴是活性填充物，均一地分散在凝膠基質中，能夠增加乳液凝膠的硬度，這可能是由于蛋白質的構象發生了變化，其疏水殘基充分暴露[50]，加強了蛋白質與油滴之間的相互作用。

Hou Junjie等[51]通過酶誘導法制備了以大豆分離蛋白（soy isolate protein，SPI）、甜菜果膠（sugar beet pectin，SBP）或二者混合物穩定的乳液凝膠，并探討了均質作用對形成的乳液凝膠微結構的影響。通過共聚焦顯微鏡可以觀察到，不經過均質作用形成的乳液凝膠均具有良好的網狀結構：以交聯的大豆分離蛋白為骨架，將甜菜果膠乳化的油滴或油滴、甜菜果膠包埋在其中（圖2）。經均質作用后，只有甜菜果膠穩定的乳液凝膠中油滴均一地分布在大豆分離蛋白的網狀結構中且粒徑小，其他體系中，油滴聚集成簇狀。較小的油滴具有較高的界面區域，可以為高聚物的吸附提供較多的位點，從而增強油滴與基質的結合作用，提高乳液凝膠的斷裂力和張力[52]。

圖2 乳液凝膠的共聚焦顯微鏡圖[51]Fig.2 Confocal microscopic images of emulsion gels[51]

4 乳液凝膠的應用

4.1 代替飽和脂肪酸

乳液凝膠是一種介于液體和固體之間的材料，常用來仿制飽和脂肪酸的質構特性，有利于設計低脂食品[53]。Poyato等[2]以卡拉膠、聚山梨酯80和葵花籽油為原料制備成的乳液凝膠可作為豬脂的替代物，能夠降低新鮮肉制品中的飽和脂肪酸含量，且最終產品的風味能夠讓消費者滿意。將奇亞籽乳液凝膠或燕麥糠凝膠混合在鮮香腸中，能夠提高單不飽和脂肪酸、礦物質、氨基酸的含量，降低飽和脂肪酸的含量[9]。

表2 乳液凝膠作為傳遞體系的應用Table2 Applications of emulsion gels as delivery systems for some nutrients

乳液凝膠的微結構、性能與油相組成和濃度有關。在酸誘導的乳清分離蛋白穩定的乳液凝膠中，當用中鏈脂肪酸代替部分葵花籽油時，膠凝時間有所延長，但乳液凝膠的硬度增加。隨著中鏈脂肪酸添加量的增加，其凝膠速度提高[54]。

4.2 作為功能因子的遞送體系

4.2.1 包埋益生菌

Pandey等[55]以黃原膠和瓜爾豆膠為載體、山梨醇酐單棕櫚酸酯為乳化劑制備了同時包埋益生菌和甲硝唑的乳液凝膠，該乳液凝膠能夠有效提高益生菌的存活率。由于黃原膠和瓜爾豆膠幾乎只在結腸中被消化利用，用這些天然膠作益生菌的載體，可實現定點釋放[56]。在黃原膠質量分數為40%、瓜爾豆膠質量分數為10%的乳液凝膠體系中，益生菌在深冷凍生產過程中存活穩定性極高，存活率高達95%，且該體系及其穩定，甲硝唑的釋放不受乳液凝膠貯藏溫度和時間的影響，能夠實現甲硝唑的持久釋放。

4.2.2 包埋α-生育酚

Li Liang等[3]制備了Ca2＋誘導的β-乳球蛋白穩定的乳液凝膠，并用該體系包埋α-生育酚，實驗發現，該體系大大提高了α-生育酚的釋放穩定性及生物利用率，在模擬的胃液和腸液中，α-生育酚的釋放和基質的降解均是完全的；而在模擬的胃腸道環境中，α-生育酚緩釋緩慢。將α-生育酚和VE同時包埋在乳液凝膠體系中，可進一步提高α-生育酚的穩定性[57]。

4.2.3 包埋風味物質

與乳狀液體系相比，乳液凝膠體系能更有效地抑制其在儲藏期間風味物質的釋放。風味物質的釋放速率與構成凝膠的基質有關，與大豆分離蛋白乳液凝膠體系相比，酪蛋白酸鈉乳液凝膠體系能更有效地抑制己酸乙酯的釋放[58]。

Hou Junjie等[51]制備了以大豆分離蛋白和甜菜果膠的混合物穩定的乳液凝膠，并用其包埋風味物質（己酸乙酯、己酸丁酯和辛酸乙酯），結果發現，乳液凝膠體系能夠顯著抑制風味物質的釋放速率。風味物質的釋放速率主要由風味物質的擴散速率和凝膠基質的空間位阻效應決定[54]，由于辛酸乙酯的疏水性極高，對油脂的吸附能力極強，幾乎不與蛋白質或多糖相互作用，與其他兩種風味物質相比，它的空氣/乳液凝膠分配系數、初始釋放速率均非常低。風味物質的初始釋放速率還與油滴的粒徑有關；油滴較小時，它能夠為蛋白質/多糖的吸附提供較多的位點，有利于油滴與基質之間的相互作用，使油水界面致密緊湊、結構均一，能充分起到屏障保護作用[51]。表2為不同乳液凝膠作為傳遞體系的應用。

5 結 語

通過一定的誘導方式使乳狀液中的連續相膠凝可制備乳液凝膠，乳液凝膠體系既具有乳狀液的特性，又具有凝膠的特性。乳液凝膠在作為脂肪替代物、提高生物活性因子穩定性中已顯示出了巨大的優勢。然而，乳液凝膠在材料的選擇、制備及其在更復雜的食品體系中的應用等方面還需進一步研究，即如何控制制備過程中的成本、乳液凝膠機械性能的合理性及其有效調控、作為脂肪替代物的感官評價、包埋的生物活性因子的負載率和穩定性、生物活性因子的消化代謝與在普通食品中的消化代謝是否存在區別等。突破和解決上述問題，需要多學科交叉研究，以為拓展乳液凝膠在食品中的應用提供依據。