天然生物大分子及其復合物在食品微凝膠傳遞體系中的應用研究進展

高雅馨，于有強，朱巧莎，侯占群*，段盛林，牟德華,*

（1.河北科技大學生物科學與工程學院，河北 石家莊 050018；2.中國食品發酵工業研究院有限公司，北京 100015）

溶膠或溶液中的膠體粒子或高分子在一定條件下互相連接，形成空間網狀結構，其結構空隙中充滿了作為分散介質的液體（在干凝膠中也可以是氣體，干凝膠也稱為氣凝膠），這樣一種特殊的分散體系稱作凝膠。用適當的方法，使生物大分子利用自身的凝膠特性，通過鏈間的相互交聯，形成微米級及以下大小的凝膠，稱為微凝膠[1]。根據三維網絡中分散介質的不同，微凝膠可以分為氣凝膠、有機凝膠和水凝膠[2]。以食品級蛋白質和多糖為基質制作的微凝膠屬于可降解的微凝膠。水凝膠的分散介質是水溶液，因含水率高而質地柔軟，以生物大分子為骨架構成具有一定形狀和機械強度的網絡體系，生物相容性好，在食品領域應用廣泛[3]。食品中很多生物活性成分如類胡蘿卜素、多不飽和脂質等，可通過構建合適的微凝膠體系來改善溶解性，提高物理化學穩定性，還能實現緩釋、定點釋放、強化吸收，從而提高生物利用率。微凝膠的制備方法有酶促偶聯、美拉德反應、靜電相互作用等。微凝膠制備常用天然生物大分子包括動物蛋白（如乳清蛋白、酪蛋白）、植物蛋白（如大豆蛋白）、多糖（如海藻酸鹽、果膠、殼聚糖）等，其都是常用的微凝膠壁材。本文主要對應用于食品微凝膠制備中兩大類食品級天然生物大分子（蛋白質和多糖）的最新研究進展進行綜述。

1 蛋白質類

蛋白質分子變性聚集形成有序網絡結構的過程稱為蛋白質的膠凝作用。大多數蛋白質膠凝的必要條件是熱處理，添加鹽類特別是鈣離子可以提高凝膠速率、增加凝膠強度。蛋白質聚集排列方式不同，形成的凝膠結構不同，一種是肽鏈的有序聚集排列成串形、半透明凝膠，如部分球狀蛋白；另一種是肽鏈自由聚集、無序排列，即含有大量非極性氨基酸殘基的蛋白質，在變性時發生疏水聚集，所形成的凝膠是不透明的（圖1）。在分子水平上影響凝膠穩定的作用包括靜電作用力、共價鍵和疏水作用，疏水性反應和離子反應具有較強的穩定作用[4]。常見的蛋白類大分子有明膠、酪蛋白、乳清蛋白等。

圖1 蛋白質凝膠的網狀結構示意圖[5]Fig. 1 Schematic diagram of the network structure of protein gel[5]

1.1 明膠

明膠是明膠膠原蛋白水解的產物，其水溶性好，化學式為C102H151O39N31，為三螺旋結構，含有羧基、氨基等利于形成凝膠的基團[4]。酸水解為A型明膠，主要為單一鏈組成的產物，等電點在6.8～9.5之間；堿水解為B型明膠，堿處理未破壞膠原的三螺旋結構，主要為多鏈產物，等電點在4.5～5.3之間，在生理條件下可保持穩定的溶膠結構。明膠作為微凝膠材料具有抗拉強度高、透水透氣性好的特點，但易干裂，延展性低[6]。

王偉[7]通過復凝聚法制備明膠/黃原膠微凝膠，并用其包封川芎揮發油，結果表明明膠的氨基和黃原膠的羧基之間因靜電引力交聯形成凝膠網絡。川芎揮發油中的活性成分主要為蒿本內酯，對光和熱十分敏感，易分解[8]。包封可以提高蒿本內酯的穩定性，還能達到掩蓋川芎油異味的效果。何慶燕等[9]利用明膠和黃原膠制備微凝膠，黃原膠經高碘酸鈉氧化改性，與明膠通過席夫堿的形式交聯形成凝膠。柯晴瑾[10]選用明膠蛋白為原料，以戊二醛作為交聯劑，用乙二胺四乙酸二酐和醛基封端聚乙二醇對明膠進行酰化和還原胺化改性，引入羧基，增加親水性；引入聚乙二醇可提高凝膠的柔韌性和穩定性。劉佳煒等[11]采用明膠和改性明膠，與殼聚糖、海藻酸鈉制備凝膠微球，進而制備固定化木瓜蛋白酶，能夠更有效地發揮其特有的催化作用，其活性高、穩定性高、回收方便、可反復使用。

1.2 酪蛋白

酪蛋白化學組成一般為C170H268N42SPO51，與凝膠特性緊密相關的基團有氨基、羧基、磷酸基和巰基，等電點為4.6[4]。酪蛋白不溶于水，但溶于強酸、堿、鹽溶液[12]。酪蛋白由數百至上千個單分子構成，形成的微凝膠平均粒徑低至納米級[13]。

Zhang Zipei等[14]選用酪蛋白酸鹽作為陽離子聚合物，選用低甲氧基果膠（low-methoxyl pectins，LM）作為陰離子聚合物，通過復凝聚法制成微凝膠包封魚油，該微凝膠與傳統乳狀液相比更穩定，可定點釋放。多不飽和脂質易氧化，微凝膠能夠提高其氧化穩定性，利于貯藏。Chen Fang等[15]制作酪蛋白-藻酸鹽微凝膠包封亞麻籽油，提高了亞麻籽油氧化穩定性。Liu Wei等[16]基于同一原理制備微凝膠包封β-胡蘿卜素，改善其溶解性和生物利用率。Heidebach等[17]開發用食品級酪蛋白包封益生菌的新方法，利用轉谷氨酰胺酶催化酪蛋白中的酰基轉移促進共價交聯，室溫下形成凝膠。其中轉谷氨酰胺酶能在谷氨酰胺上的γ-羧基酰胺基團和蛋白質中賴氨酸上的ε-氨基之間形成分子間和分子內交聯，是常用的交聯劑[14]。實驗證明，將益生菌包封在酪蛋白微球中，可以保護益生菌，避免其在強酸性胃液中受到損害[17]。

1.3 乳清蛋白

乳清蛋白與酪蛋白的主要區別是其在酸性條件（pH 4.6）下仍具有優良的溶解性。乳清蛋白三維結構緊縮成球狀，是典型的球蛋白，含有氨基、羧基、巰基等特征基團[4]。加熱乳清蛋白和高于等電點能加速巰基發生二硫鍵鍵合，形成不可逆型凝膠；在pH值低于等電點時，通過分子間靜電作用形成可逆型凝膠。金屬離子屏蔽靜電斥力促進蛋白質凝聚，低濃度金屬離子促進形成半透明的纖維狀凝膠，高濃度金屬離子通過提高凝膠比率促進形成顆粒狀凝膠[18]。乳清蛋白作為壁材所制備的微凝膠穩定性高、耐熱性好，在適宜條件下，60～90 ℃高溫也可形成球形網狀微凝膠[19]。

Chen Lingyun等[20-21]通過乳化/內部冷凝膠法，制備乳清分離蛋白-藻酸鹽微球包封核黃素，包封效率高達87.8%，凝膠微球延緩了模擬胃液中核黃素的釋放，核黃素在模擬腸液中完全釋放。Hébrard等[22]利用冷凝膠法制備乳清分離蛋白微球包封重組釀酒酵母，包封未改變酵母的生存和生長能力，體外模擬研究固定化酵母的釋放和活性，蛋白質基質在強酸性胃液環境中為酵母創造了利于生存的微環境。

2 多糖類

多糖通過氫鍵、范德華力、離子橋接、纏結或共價鍵等相互作用，在多個分子間形成連接區，與溶劑水分子締合形成連續的三維網絡結構。當大分子鏈間的相互作用超過分子鏈長時，每個多糖分子可參與多個連接區的形成，使流動的液體轉變為有彈性的、類似海綿的三維空間網絡結構凝膠（圖2）。這就要求分子鏈應有足夠的長度，大分子鏈結構必須存在周期序列或有規則的構象斷續出現。膠凝時，分子的有序鏈段間締合可形成雙螺旋族、蛋箱型、螺條-螺條（單螺旋分子鏈）、雙螺旋-螺條等多種形式。

圖2 多糖三維網絡結構[5]Fig. 2 Three-dimensional network structure of polysaccharides[5]

表1 幾種多糖的特征基團和凝膠特性Table 1 Characteristic groups and gelling properties of several polysaccharides

常見的凝膠基質多糖有果膠、殼聚糖、海藻酸鹽、卡拉膠等，其中，海藻酸鹽、卡拉膠、黃原膠是陰離子多糖，殼聚糖是陽離子多糖。不同多糖的特征基團各不相同（表1），這些基團賦予它們各具特點的凝膠性能。

2.1 果膠

圖3 50%酯化度的果膠結構Fig. 3 Molecular structure of pectin with 50% esterification degree

果膠作為一種陰離子多糖，含有大量羥基、羧基等親水基團，其結構如圖3所示。根據酯化度可將果膠分為高甲氧基果膠（high-methoxyl pectin，HM）和LM，果膠中甲氧基含量影響分子間作用力，導致凝膠形成機制不同。HM膠凝條件為低pH值和高糖濃度。LM在二價金屬離子存在時能形成穩定的凝膠，適宜pH值在2.5～6.5范圍內，形成類似蛋箱型結構的熱可塑性凝膠，離子橋和螯合作用是交聯的主要作用力，可能存在兩種鍵，一種是容易斷裂但能復原的弱鍵，另一種是無規則分布的強鍵[5]。以果膠為壁材形成的微凝膠溶脹度高、親水性好。

Zhang Zipei[14]和Chen Fang[15]等分別用HM和LM通過靜電復合法與酪蛋白鈉結合制作微凝膠，包封多不飽和脂質-魚油，兩種凝膠相較于傳統乳狀液都提高了魚油的氧化穩定性，而以LM為基質的負載魚油微凝膠粒徑均勻、包封率高，抗氧化能力比HM強。原因是LM中羧基含量較高，通過靜電吸引力和酪蛋白中的氨基結合更加牢固。果膠能抵抗胃腸道里多種酶的降解，能被腸道菌群降解，適合結腸定點釋放營養物質的傳遞[23]。林柳風[24]利用自組裝方法制備溶菌酶-果膠納米凝膠，包封茶多酚的同時不影響其抗氧化活性。

2.2 魔芋多糖

圖4 魔芋葡甘露聚糖的結構示意圖Fig. 4 Molecular structure of konjac glucomannan

如圖4所示，魔芋葡甘露聚糖由D-吡喃甘露糖與D-吡喃葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成，主要含有羥基、羧基、乙酰基等基團，每19 個糖殘基約有一個乙酰基，乙酰基的存在賦予其水溶性。魔芋多糖溶液在膠凝劑存在的情況下，經誘導發生脫乙酰基反應，形成熱不可逆型魔芋凝膠，其彈韌性高于海藻酸鈣凝膠，但脆性低于海藻酸鈣凝膠[4]，與黃原膠等復配能夠有效改善凝膠特性[25]。將魔芋多糖應用于微凝膠體系中，能有效改善微凝膠的黏彈性品質。

Mu Ruojun等[26]用高碘酸鈉將魔芋葡甘露聚糖改性得到雙醛葡甘露聚糖，與明膠、海藻酸鹽交聯制備核殼結構的微凝膠包封嗜酸乳桿菌，結果表明雙醛葡甘露聚糖-明膠交聯凝膠形成大量相互連通的孔隙，孔壁厚而光滑，能很好地保護內部微生物，體外模擬實驗證實微凝膠能改善其耐酸性；包封在微凝膠中的嗜酸乳桿菌的存活率顯著增加。

2.3 海藻酸鹽

圖5 海藻酸鹽單體結構[5]Fig. 5 Molecular structure of alginate monomer[5]

海藻酸鹽是二元線性多糖，如圖5所示，其由M單元（β-D-甘露糖醛酸）和G單元（α-L-古洛糖醛酸）交替連接構成，比例約為1.5∶1。M單元由于空間位阻作用很難與離子螯合，難以維持穩定的交聯結構，其柔韌性較好；G單元是維持分子穩定性的基礎，其是參與分子交聯、改性接枝、衍生化的主要結構，可與二價金屬離子作用形成具有典型蛋盒模型的熱不可逆型凝膠[27]。

海藻酸鹽具有鈣敏感性和陰離子特性，制備微凝膠多采用靜電凝聚法。益生菌是有益于宿主健康的活的微生物，但益生菌無法在強酸性胃液中存活，Ramos等[28]用微凝膠包封保護益生菌以確保其活性。海藻酸基生物材料可與納米銀、抗生素、蛋白等復合緩釋載體，用于多種疾病的靶向治療，也可在食品中緩釋促進活性物質吸收；Ota等[29]將泛酸包封在脂質體和由藻酸鹽或海藻酸鹽-果膠混合物組成的不同微凝膠微膠囊中。

2.4 卡拉膠

圖6 卡拉膠的結構[5]Fig. 6 Molecular structure of carrageenan[5]

卡拉膠是非均一多糖，如圖6所示，其主要凝膠結構為κ-卡拉膠、ι-卡拉膠，單體排列有序，二者硫酸酯基陰離子含量不同，ι-卡拉膠中含量多，呈無規線團結構，形成透明且彈性好的凝膠；κ-卡拉膠含量較少，易轉變成雙螺旋結構，形成高強度不透明凝膠。二者分別可制備K+和Ca2+敏感型微凝膠[4-5]。蝦青素是一種光敏性膳食補充劑，Alarcón-Alarcón等[30]制備殼聚糖-卡拉膠-海藻酸鈣凝膠微球用來包封保護和釋放蝦青素。酶經過固定化處理，得到易于控制、穩定性增加、可以反復利用的固定化酶。

2.5 殼聚糖

圖7 殼聚糖結構[5]Fig. 7 Molecular structure of chitosan[5]

殼聚糖是一種動物多糖，又名幾丁質、甲殼素，如圖7所示，其是由β-1,4-N-乙酰-氨基葡萄糖連接的鏈狀無分支高聚物。殼聚糖含有大量的氨基和羥基，易形成分子內和分子間氫鍵，溶解性非常差，只溶于稀酸[31]。根據這一特點，可制備pH值敏感型微凝膠，還能通過羧基化、烷基化、酯化、醚化、季銨鹽化和氧化還原等方式引入特定的基團對殼聚糖進行改性拓展應用[32]。趙婧等[33]以殼聚糖為載體，用pH值敏感型物質2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和溫度敏感型物質N-異丙基丙烯酰胺改性，通過自由基接枝共聚反應制備溫度/pH值敏感型微凝膠。殼聚糖季銨鹽在中性和堿性條件下都能溶解，溫輝高等[34]用3-氯-2-羥丙基三甲基氯化銨對殼聚糖進行季銨鹽化改性，制備得到羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖。

殼聚糖是自然界中唯一含有氨基的陽離子堿性多糖，其抗菌活性高，能夠抗癌、抑癌，納米載體可與功能性成分產生協同增效作用[35]。由于殼聚糖的界面性質，在最佳條件下能結合本身質量4～5 倍的脂肪[4]。李若慧等[36]以殼聚糖為壁材，經交聯反應引入聚乙烯吡咯烷酮制備改性微凝膠，考察在不同環境中吸附花生油的能力，實驗證明，引入聚乙烯吡咯烷酮破壞了殼聚糖分子鏈間和分子內氫鍵，促進其溶脹、吸附脂肪，改性后吸附量提高到殼聚糖凝膠的3～4 倍。

2.6 其他

黃原膠、瓊脂等多糖也作為天然高分子聚合物廣泛應用于微凝膠的制備。除多糖中共同特征基團羥基、羧基等，黃原膠還帶有乙酰基、丙酮酸側鏈，賦予其良好的水溶性和酸堿穩定性。Espert等[37]以黃原膠為高聚物壁材制備微凝膠用來包封棕櫚油，凝膠黏度大，能夠減緩胃排空速率，增加飽腹感，減少脂肪消化。微凝膠還用于保護β-胡蘿卜素等脂溶性物質[38]，制作抗酒精藥物制劑等[39]。瓊脂聚糖側鏈每10 個半乳糖殘基有一個被硫酸酯化[27]，適宜凝膠溫度范圍為32～39 ℃，是一種不耐酸的中性凝膠劑，其獨特性在于溫度遠高于膠凝起始溫度時，仍能保持良好穩定性。魔芋多糖凝膠黏彈性好，瓊脂凝膠脆性高、剛性強，二者凝膠特性互補。Yuan Yi等[40]將兩種多糖復配制備微凝膠，流變學結果表明，魔芋多糖顯著降低瓊脂凝膠的硬度和剛性，因為二者相互作用減少了瓊脂分子鏈中螺旋結構的聚集，形成小孔網絡，使微凝膠更加柔韌，提高了凝膠包封率。

3 蛋白質-多糖復合物

蛋白質和多糖的特征官能團分別賦予了傳遞體系獨特的理化性質，使其環境穩定性更好，應用領域更廣泛。各種生物來源的蛋白質、多糖通過物理或化學作用結合得到蛋白質-蛋白質、多糖-多糖、蛋白質-多糖復合物，化學法可通過自由基接枝、美拉德反應或酶催化反應實現共價結合，物理法則包括靜電相互作用、離子橋等方式（表2）。Yang Yuexi等[41]通過美拉德反應制備大豆蛋白-大豆多糖復合物作為輸送疏水性化合物如檸檬醛的載體系統。Li Chen等[42]用花生分離蛋白和阿拉伯樹膠經自由基接枝反應制備復合物。王莉紅[43]以卵白蛋白、溶菌酶和卡拉膠為原料，通過蛋白質分子上帶正電的氨基酸殘基與卡拉膠多糖鏈上帶負電的硫酸酯基之間的靜電吸引作用可形成可溶性卵白蛋白/卡拉膠和溶菌酶/卡拉膠復合物，并利用其對水溶性、穩定性較差的姜黃素進行包封。

4 結 語

蛋白質是人體所需的六大營養素之一，多糖具有增強免疫、抗腫瘤等重要的生理功能，作為微凝膠包封的基質，其安全無毒、生物相容性良好，既能保護生物活性成分，又能加強營養素的吸收。蛋白質和多糖中同時存在親水基團和疏水基團，有良好的親水性，能與疏水性物質締合。微凝膠基質分子質量大、聚合度高、分子鏈長，存在多種不同構型，是形成三維網絡凝膠的結構基礎。蛋白質中含有大量羧基、氨基等可電離基團，多糖還含有羥基、硫酸酯基、乙酰基等影響凝膠性的重要功能基團。兩者絡合形成凝膠，可作為生物活性物質的傳遞體系基質。

蛋白質、多糖種類繁多，每種壁材的特點不盡相同，如卡拉膠、海藻酸鈉屬于典型的金屬離子敏感型壁材，在體系中加入K+、Ca2+，通過注射法即可形成微米級凝膠珠粒，適合制備濕微凝膠；果膠是陰離子多糖，殼聚糖是自然界中唯一含有氨基的陽離子堿性多糖，根據它們的帶電特性，可制備在胃腸道特定區域靶向釋放的微凝膠；魔芋多糖、黃原膠彈性特征明顯，可與其他多糖、蛋白質復合，按需制備對黏彈性有要求的微凝膠；新型壁材阿拉伯膠、瓜爾豆膠等大分子多糖則具有良好的功能特性，其應用于微凝膠體系，能夠增加對生物活性成分的保護。

目前國內外應用于食品中的微凝膠多為通過靜電相互作用組裝的pH值敏感型蛋白質-多糖絡合物，如海藻酸鹽-乳清分離蛋白凝膠微球[59-60]、海藻酸鹽-酪蛋白微凝膠[61]、果膠-酪蛋白酸鈉凝膠[62-63]，人體內消化道不同區域pH值相差較大，口腔pH 5～7、胃pH 1～3、小腸pH 6～7.5、結腸pH 5～7，制備pH值敏感型凝膠，可在需要的消化道區域靶向釋放芯材，有效提高芯材利用率。此外，溫度敏感型、磁性響應型、光敏感型、電敏感型及多重環境響應型凝膠發展迅速，在生物醫藥領域應用日益廣泛，而凝膠在食品領域中應用不僅要提高利用率，還要兼顧色、香、味，以滿足人們視覺、嗅覺、味覺等感官需求。基于蛋白質和多糖的結構特點，對兩大類天然高分子的改性也有很大的研究空間。

表2 常見幾種生物大分子凝膠的形成及其特點Table 2 Formation and characteristics of several common bio-molecular gels

新型壁材層出不窮，如阿拉伯膠、瓜爾豆膠、桃膠等，充分了解蛋白質、多糖的結構、成分和理化性質，揚長避短，改善微凝膠品質，開發利用新型蛋白質、多糖資源，研制不同組合微凝膠，是未來一個發展方向。常用的微凝膠制備方法有酶促偶聯、靜電復合法、美拉德反應、注射法、乳液模板法，反溶劑沉淀法、熱力學不相容法應用較少[64]。不同方法形成的三維網絡有所差異，開發新方法制備微凝膠也可作為改善微凝膠品質的一大方向。蛋白質和多糖獲取方式簡單、成本低廉，其均是人體所需的營養成分，作為包封材料能推動保健品、新型飲品等行業的進一步發展。