天然多糖微凝膠的制備與應用研究進展

陳芳芳，胡 猛，張 超，吳悅寒，徐龍泉，高志明,*，方亞鵬,3

（1.湖北工業大學生物工程與食品學院，菲利普斯親水膠體研究中心，湖北 武漢 430068；2.貴州中煙工業有限責任公司技術中心，貴州 貴陽 550009；3.上海交通大學農業與生物學院，上海 200240）

微凝膠是一種質地柔軟、粒徑較小（0.1～100 μm）的交聯聚合物顆粒，兼具高分子與膠體性質，越來越多地被應用于各種行業。其不僅具有流變學控制、荷載物質和定向輸送等特性，還可以通過改變其功能而應用于食品、個人護理品以及化妝品中[1]。圖1所示為Web of Science網站統計的1996—2019年關于微凝膠研究發表的文獻數量和被引次數隨著年份的變化，從2010年開始，發表文獻數量和被引次數呈爆發式增長。2019年，該領域發表文獻數量達到356 篇，被引次數超過11 000 次。由此可見，微凝膠的研究和應用正受到越來越多的關注。微凝膠的組成成分對其功能物化性質和功能特性有重要影響。用于制造食品級微凝膠最常見的材料是蛋白質和多糖。不同類型的生物聚合物分子在其物理化學性質上，例如在構象、極性、溶解度、黏度、凝膠機理和表面活性等方面有很大的差異[2]。天然多糖基微凝膠由于具有安全無毒、生物相容性好、易于降解等特點被廣泛應用于醫藥、食品等領域。本文主要對食品級天然多糖微凝膠的最新研究進展進行綜述，旨在探討其在食品領域中的潛在應用價值及未來研究熱點。

圖1 微凝膠相關研究所發表的文獻數量和文獻被引次數隨年份的變化趨勢Fig.1 Yearly trends in the number and citation frequency of published research papers on microgels

1 典型天然多糖及其凝膠行為

天然多糖是一種被廣泛開發的生物聚合物，由葡萄糖、半乳糖、甘露糖等常見單體組成。與合成聚合物相比，它具有無毒、可降解等很多優良的性能，可以被廣泛應用于細胞和藥物遞送。天然多糖可通過氫鍵、共價鍵、范德華力等相互作用，與溶劑水分子締合形成三維網絡結構，這些結構被稱為水凝膠[3]。膠凝時，分子鏈段間可形成螺條型、蛋盒型、雙螺旋型等多種結構。多糖的分子結構和凝膠機理決定了其微凝膠的制備方法。以下簡要介紹幾種典型天然多糖及其凝膠行為。

1.1 瓊脂

瓊脂主要是由瓊脂糖和瓊脂膠兩部分組成（圖2），其中瓊脂糖是形成凝膠的組分。瓊脂中含有的瓊脂糖越多，其凝膠強度越高。瓊脂不溶于冷水，能溶于90 ℃以上的熱水，加熱溶解后冷卻至30 ℃時，則能形成結實而有彈性的凝膠。這種凝膠在加熱不超過85 ℃時仍然保持凝膠化狀態。當加熱到85 ℃以上時才能熔化而重新成為溶膠狀態。瓊脂凝膠是通過冷凝機制形成的，其凝膠過程主要是由兩個聚合物鏈形成的雙螺旋所驅動，隨后螺旋進一步聚集形成凝膠[4]。與其他能形成凝膠的多糖相比，在相同濃度下瓊脂的凝膠能力相對較強。

圖2 瓊脂的分子結構[4]Fig.2 Molecular structure of agar[4]

1.2 海藻酸鹽

海藻酸鹽是一種來源廣泛、無毒害、可降解，且生物相容性好的天然多糖。其由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）交替連接構成。海藻酸鹽與離子的絡合性質是其形成離子凝膠的基礎。海藻酸鹽易與一些金屬陽離子發生交聯而形成水凝膠，其中對Ca2+尤為敏感[5]。在凝膠過程中由于G片段和M片段結構上的差異，各片段所發揮的作用也不同。兩個G片段經過聚合作用與1 個Ca2+結合形成了空間親水結構，這樣的結構能使海藻酸鏈段間結合得更加緊密，從而形成水凝膠[6]。一般來講，隨著G片段含量的增加，海藻酸鈉與多價陽離子結合的特異性也會增加。而M片段、G-M單元交替的片段則沒有特異性。海藻酸鈉與多價陽離子絡合的特異性表明兩者之間不僅存在靜電相互作用，還存在因G單元的結構特性引起的螯合作用，這種結構被稱為“蛋盒”模型（圖3）。海藻酸鈉與陽離子之間的作用與很多因素有關，如陽離子的種類、離子濃度、海藻酸鈉的性質等，不同陽離子與海藻酸鈉結合的嵌段不同[7]。

圖3 蛋盒模型的結構示意圖[8]Fig.3 Schematic diagram of the egg-box model[8]

1.3 殼聚糖

殼聚糖又名幾丁質、甲殼素，是自然界中唯一含有氨基的陽離子堿性多糖。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[9]。殼聚糖分子可以通過化學交聯或物理交聯的方式形成凝膠。例如，殼聚糖可以通過與兒茶酚、京尼平等混合而形成化學交聯凝膠[10]，也可通過向殼聚糖溶液中添加NaHCO3、三聚磷酸鹽等形成物理交聯凝膠[11-12]。此外，殼聚糖還可以通過與其他高分子混合形成網絡結構，混合高分子網絡結構不僅可以增強殼聚糖分子在酸性溶液中的穩定性，還可使殼聚糖凝膠對環境的刺激產生響應。研究發現，通過將聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol)，PVA）與殼聚糖共混，可以制備溫度敏感性的水凝膠，其凝膠機理如圖4所示。低溫時，聚乙烯醇上的羥基與殼聚糖分子上的羥基和氨基形成氫鍵，同時殼聚糖分子的流動性也會降低，進一步阻礙了殼聚糖鏈的締合，體系以溶液狀態存在；高溫則可降低殼聚糖分子間的氫鍵相互作用，加速殼聚糖分子的遷移率，導致聚合物周圍的水分子被排出，殼聚糖分子間疏水相互作用增強而發生聚集，最終形成凝膠[13]。

圖4 殼聚糖/PVA凝膠形成機理[13]Fig.4 Mechanism of chitosan gel formation[13]

1.4 結冷膠

結冷膠是由伊樂藻屬鞘氨醇單胞菌產生的一種胞外陰離子多糖，具有良好的熱穩定性，即使在很低的濃度下也能形成透明的凝膠[14]。其中，天然形式的結冷膠稱為高酰基結冷膠（圖5A）。在高溫和堿性介質中，高酰基結冷膠水解可生成低酰基結冷膠（圖5B）。結冷膠在高溫下可完全溶解，冷卻時分子之間會自動聚集形成雙螺旋結構，雙螺旋進一步聚集可形成三維網狀結構。結冷膠的凝膠強度與濃度、離子類型、冷卻速度等有一定的關系。一般來講，離子和結冷膠的濃度越大，其凝膠強度越強。但離子類型不同或離子濃度超過一定范圍后，凝膠強度又會下降。因此選擇合適的離子類型和離子濃度對結冷膠凝膠的形成是很重要的。陽離子的介入不僅能促進分子內的交聯作用，還能加速雙螺旋形成三維網絡狀結構[15]。結冷膠在形成凝膠時，首先發生構象的轉變，即結冷膠分子隨著溫度的降低由無規線團轉變為雙螺旋構型；接著雙螺旋聚集形成纏結點，并最終形成凝膠[16]。在溫度、聚合物濃度、離子類型等因素的作用下，結冷膠能與不同的物質結合形成各式各樣的凝膠結構。

圖5 結冷膠分子結構[17]Fig.5 Molecular structure of gellan[17]

1.5 果膠

果膠是普遍存在于各類植物細胞壁中的陰離子天然多糖。一般將酯化度高于50%的果膠稱為高酯化度（high methoxy，HM）果膠，酯化度低于50%的果膠稱為低酯化度（low methoxy，LM）果膠。果膠能形成具有彈性的凝膠，不同酯化度果膠形成凝膠的機制是有差別的，HM果膠要求高糖濃度（比如蔗糖相對含量大于50%）和酸性環境（pH 2.0～3.5），兩個條件同時滿足的情況下，通過氫鍵和疏水作用可以形成凝膠（圖6A），該過程是不可逆的[18]。然而，由于LM果膠分子上帶的COO-相對較多，分子間的排斥力較大，難以形成結合區，但可以通過靜電絡合作用與Ca2+等金屬離子形成凝膠結構[19]。LM果膠與Ca2+形成凝膠時，其兩條反向平行糖鏈共同連接Ca2+，可構成與海藻酸鈣凝膠類似的“蛋盒”結構（圖6B）。在果膠溶液中增加Ca2+的濃度，可以使凝膠強度增大，且形成的凝膠彈性較好；但Ca2+濃度過高，凝膠強度則會變弱，形成的凝膠會變脆；因此，不同質地果膠凝膠的形成對Ca2+的濃度需求范圍是不同的[20]。影響果膠凝膠的因素有很多，如果膠分子質量、酯化度、離子濃度、pH值等。

圖6 果膠凝膠機理[20]Fig.6 Mechanism of pectin gel formation[20]

1.6 魔芋葡甘聚糖

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是由葡萄糖和甘露糖組成的天然高分子多糖（圖7），由于具有優良的膠凝性、乳化性、成膜性、持水性等特點而被廣泛應用于食品、醫藥、紡織等領域。大量研究表明它獨特的凝膠性能主要是在一定條件下可以形成熱不可逆（熱穩定）凝膠和熱可逆（熱不穩定）凝膠。研究發現，KGM分子可以形成柔軟的螺條，當乙酰基存在時，可以形成雙螺旋結構。通過添加堿性物質，如氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈉等，可使KGM脫去乙酰基。當乙酰基脫除后，分子的螺旋結構被破壞，螺條相互交織成網狀結構，則可形成熱不可逆的魔芋凝膠[21]。此外，KGM還可通過與具有協同作用的膠體復配在水溶液中形成熱可逆凝膠，例如KGM與黃原膠、結冷膠及卡拉膠等的復配。KGM和黃原膠的復配機理可解釋為：二者在水溶液中加熱溶解后，可初步形成三維網狀結構，通過協同作用可形成熱可逆凝膠[22]。在KGM與黃原膠復配體系中加入一定濃度的鹽離子，可進一步提高凝膠強度和熱穩定性。另外，KGM與一些在溶液中水解成多羥基水合物的鹽類（如硼砂）也能形成凝膠。由硼砂解離的硼酸根離子易與KGM分子鏈發生配位作用，配位可使大分子互相纏繞，分子間距離減小，相互作用力增加，從而形成凝膠[23]。KGM凝膠性能受到多種因素的影響，如溫度、濃度、pH值、KGM分子質量等。

圖7 KGM分子結構[21]Fig.7 Molecular structure of konjac glucomannan[21]

1.7 其他多糖

另外，可得然膠、卡拉膠等多糖也可作為天然高分子聚合物廣泛應用于微凝膠的制備。可得然膠是一種新型的天然微生物多糖，不溶于水，但在水中會發生溶脹，加熱后形成膠體，根據加熱程度的不同，可分為高強度凝膠和低強度凝膠。高強度凝膠的強度與加熱時間成正比，低強度凝膠則與加熱時間無關[24]。卡拉膠是非均一多糖，其主要凝膠結構為κ-卡拉膠、ι-卡拉膠。κ-卡拉膠是一種熱可逆凝膠，當升降溫時會發生“溶膠?凝膠”化轉變，形成的凝膠性能較好，對鉀離子敏感，凝膠性能易受K+的影響，ι-卡拉膠則對Ca2+較為敏感。當溫度高于凝膠溫度時，κ-卡拉膠中大分子鏈以不規則的線性團簇狀態存在于溶液中。當溫度降低時，無規線團就會聚集形成雙螺旋結構，雙螺旋進一步聚集則形成具有一定形態結構的凝膠[25]。κ-卡拉膠還可與KGM復配，形成以κ-卡拉膠網絡結構為主體，KGM穿插其中的三維網絡體系，從而改善凝膠的特性，兩者的復配一直是食品膠體研究領域的熱點。

2 微凝膠的制備方法

微凝膠顆粒的形成取決于多糖的性質和使用的制備方法[26]。通常，微凝膠的制備方法與多糖的物理化學現象（如分子締合、離子交聯或相分離）和機械過程（如擠壓注射、剪切或霧化）有一定的關系[27]。微凝膠的制備方法還應根據應用的要求進行選擇。例如，特定的應用可能需要具有特定組成、大小、形狀、黏彈性、界面張力、釋放特性等的微凝膠。常見的制備方法主要有剪切與研磨法、乳化法、微流控法、噴霧干燥法等。

2.1 剪切和研磨法

微凝膠可以通過剪切或研磨等機械力將宏觀凝膠分解成微小的碎片來形成[28]。首先，通過改變溫度（加熱或冷卻）或添加膠凝劑（酸、堿、酶等）促進多糖凝膠化形成宏觀凝膠，接著宏觀凝膠再進行剪切研磨為微凝膠（圖8）。微凝膠制備過程中剪切速率和剪切時間對其粒徑有一定的影響，一般來說隨著剪切速率的增大和剪切時間的延長，微凝膠的尺寸會變小。然而，Matalanis等[29]發現隨著剪切速率的增加，微凝膠的尺寸往往先因顆粒破碎而減小，后因顆粒聚集而增大。對剪切形成的凝膠顆粒的研究表明，微凝膠的尺寸和形狀一般取決于生物聚合物的性質、剪切應力、剪切速率和剪切類型等。Wolf等[30]發現球形微凝膠往往在較低的剪切速率下形成，橢球體或纖維則在較高的剪切速率下形成。使用這種方法生產的微凝膠性質還取決于溶液黏度、界面張力及凝膠化步驟中使用的剪切力強度等。研究表明，通過剪切作用形成的微凝膠通常具有多分散性和不規則的形貌。Colmenero等[31]通過研磨凝膠化魔芋、卡拉膠和玉米淀粉混合物，成功制備出多糖微凝膠應用于食品工業中。該制備方法操作簡單，設備普遍，有利于在食品工業中推廣使用。

圖8 剪切和研磨法制備微凝膠示意圖[32]Fig.8 Schematic diagram of microgel preparation by sequential shearing and grinding[32]

2.2 乳化法

乳化法是目前實驗室中較為常用的制備微凝膠的方法之一。通過將含有多糖的水相與含有疏水性表面活性劑的油相進行乳化，從而形成油包水乳液。微凝膠可以簡單地通過將水/油乳液的水相凝膠化而形成，凝膠化過程可發生在乳化過程中或乳化后（圖9）。Adams[33]、Loret[34]等在乳化后通過冷卻制備了瓊脂微凝膠，Torres等[35]采用該方法成功制備了淀粉微凝膠。粒子凝膠是通過適當改變體系條件，讓水滴內的多糖進行交聯。例如，可以將油包水乳液冷卻到臨界溫度以下從而實現多糖的交聯（如結冷膠），或加熱到臨界溫度以上以交聯熱固化多糖（如可得然膠）。使用這種方法形成的凝膠顆粒的大小取決于油的黏度、油與膠體溶液的比例、乳化劑的類型等。隨著凝膠的形成，其黏度會急劇增加，從而影響微凝膠的尺寸和形狀。凝膠后，微凝膠顆粒可以通過離心、過濾或溶劑萃取方法從油相中分離出來。Kyzio?等[36]通過乳化法制備了殼聚糖包覆環丙沙星的海藻酸鈣微球，是一種有效的口服給藥體系。這種方法的局限性在于微凝膠中的油和表面活性劑不易去除。因此，選擇合適的表面活性劑是一個重要的考慮因素。

圖9 乳化法制備微凝膠示意圖[2]Fig.9 Schematic diagram of microgel preparation by emulsification[2]

2.3 微流控法

微流控是通過數十到數百微米尺度的通道來處理微尺度流體的技術（圖10A）。與傳統的流動控制技術相比，微流控裝置具有許多優點，其可以確保精確的幾何形狀，可用于生產單分散的聚合物微粒，分析時間短且液滴尺寸可控[37]。微流控技術制備微凝膠顆粒主要是利用微流控芯片的乳化來實現的。通過微流控技術制備微凝膠顆粒主要就是對聚合物或者單體水溶液的乳化，以及在微流控芯片內（外）進行液滴的凝膠化過程。其中，液滴的性質和芯片的結構決定了微凝膠顆粒的尺寸和形貌[38]。可采用物理交聯或化學交聯兩種方法使微凝膠在芯片通道內形成網絡結構。例如，液滴在芯片的通道內流動過程中可通過離子交聯、熱誘導聚合、氧化還原引發聚合等方法實現交聯聚合而最終形成微凝膠顆粒。已有研究表明，多糖類微凝膠顆粒可通過微流控裝置成功制備[39]。此外，在微流控技術中可根據實驗的要求選擇不同的微通道構型。Kuo等[40]采用T型微通道制備了均一的殼聚糖微球（圖10B）。Saeki等[41]則通過Y型微通道制備了單分散的海藻酸鈣微凝膠顆粒，并且實現了對聚苯乙烯微珠的包覆（圖10C）。T型和Y型微通道在微流控實驗中較為常用。Bazban等[42]在交叉連接微通道組成的微流控平臺上，通過調節流量比和混合時間來控制納米凝膠的微觀結構，從而制備了粒徑可控的海藻酸鈉微凝膠。微流控裝置特別適合于實驗室規模使用，因為它們對所形成微凝膠的特性可以實現精確的控制。然而，由于成本偏高且難以工業化量產，這一技術目前不太適合廣泛商業應用。

圖10 微流控裝置（A）、T型微流控裝置（B）、Y型微流控裝置（C）示意圖[2,40-41]Fig.10 Schematic diagram of microfluidic device (A), T-type microfluidic device (B) and Y-type microfluidic device (C)[2,40-41]

2.4 噴霧干燥法

噴霧干燥法制備微凝膠顆粒包括噴霧與干燥兩個緊密結合的工藝步驟（圖11）。所謂噴霧，是將溶液、乳濁液等通過霧化器分散成極細的霧狀液滴，而干燥則是霧狀液滴在與熱空氣均勻混合后，迅速進行熱質交換，使溶劑快速蒸發的過程；然后，用旋風將干燥的顆粒從潮濕空氣中分離出來，并以粉末的形式收集起來得到干燥產品。該方法能直接使溶液、乳濁液等干燥成粉狀或顆粒狀制品，從而可省去蒸發、粉碎等工序，在食品工業中被廣泛應用。微凝膠顆粒的大小可以通過溶液濃度、溫度、壓力、進風比和霧化方法等來控制[4]。Ching[43]、Strobel[44]等利用該工藝制備了海藻酸鈣微凝膠顆粒，通過這種技術實現了對生物活性脂類的微膠囊化，可以促進生物活性脂類在人體胃腸道中的傳遞。一般來說，噴霧干燥產生的粉末中的固體顆粒尺寸在10～100 μm之間[45]。它適用于實驗室規模和工業規模的凝膠顆粒的制備，在風味、益生菌的微膠囊化和藥物傳遞等方面的應用已取得良好應用[46]。

圖11 噴霧干燥裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of spraying drying device

綜上，對不同天然多糖微凝膠制備方法的優缺點進行了總結，如表1所示。

表1 不同天然多糖微凝膠制備方法的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of different preparation methods for natural polysaccharide microgels

3 天然多糖微凝膠的應用

天然多糖微凝膠具有良好的生物相容性、分散穩定性、可降解性、無毒性等特點，不僅可以作為Pickering乳液的穩定劑，還可用作食品、化妝品的調質劑，風味物質、營養成分等的包埋劑等[47]。在食品、化妝品、生物醫藥等方面都有著廣泛的應用。

3.1 天然多糖微凝膠在食品領域中的應用

3.1.1 營養載體

大量研究表明天然多糖微凝膠顆粒因其具有膠囊化、保護和釋放營養物質等方面的潛力而受到廣泛關注。疏水性生物活性物質在促進人體健康方面具有諸多益處，但是其分散性差、化學穩定性低，限制了其在食品中的應用。研究發現微凝膠顆粒可以作為一個良好的載體來封裝各類化合物，從小分子、固體顆粒到液滴、囊泡等[48]。這樣，疏水性物質就能以微凝膠為載體，形成一種軟固體顆粒，進而應用到食品中。Zhang Zipei等[49]研究了以顆粒形式包封于海藻酸鈣微凝膠中的β-胡蘿卜素，發現微凝膠可有效防止β-胡蘿卜素的化學降解。此外，水不溶性多酚也可包封于海藻酸鹽微凝膠中[50]。結果表明，顆粒的產率、有效荷載和包封效率主要取決于被包封顆粒的大小，可能和多酚與海藻酸鹽的相互作用類型有關。研究還發現，荷載疏水性顆粒有利于提高微凝膠的產率，引入這些疏水性化合物后微凝膠顆粒的產率有所提高。微凝膠不僅適合于疏水性物質的包埋，還可用于親水性物質的固定和包埋，并可顯著改善生物活性物質在不同環境中的穩定性。例如，應用海藻酸鈣微凝膠固定化乳糖酶效果良好[51]。

總之，以微凝膠為功能活性物質的載體，可顯著改善疏水性生物活性物質和親水性生物活性物質在水中的分散性和化學穩定性，拓寬功能因子在食品中的應用范圍。

3.1.2 包埋益生菌

益生菌被廣泛應用于各種食品和藥品中，以促進人類健康。然而，在儲存和胃腸道運輸中保持益生菌的生存能力仍然是一個挑戰，部分類型的益生菌在胃和小腸中接觸胃酸、酶或膽鹽時極易失活。因此，需要有效的遞送系統來包埋和保護。包埋不僅可以為益生菌創造有益的微環境，還可阻止胃腸道液體中的成分與它們相互作用。大量研究顯示天然多糖微凝膠在益生菌的封裝、保護和釋放方面有很大的潛力。目前，果膠微凝膠已被證明可以提高益生菌（鼠李糖乳桿菌LGG）的生存能力[52]，該包封系統在體內和體外都保留了較高的鼠李糖乳桿菌LGG活性。Yeung等[53]研究發現可通過在海藻酸鹽微凝膠包封基質中加入抗氧化劑和低溫保護劑來優化遞送載體，以此來提高雙歧桿菌的生存能力，從而改善雙歧桿菌的穩定性和有效性。

3.1.3 包埋風味物質

風味物質在食品中有著不可或缺的作用，基于對香氣釋放速率的研究，微凝膠顆粒被設計用來減緩低脂食品中親脂性香氣分子的釋放。微凝膠顆粒的包埋可有效抑制風味物質在儲藏期間的釋放。例如，海藻酸鹽微凝膠被用于封裝香精油（如百里香精油），以提高其在食品中的分散性和穩定性。不同組成的微凝膠顆粒已經被證明能夠在模擬的口腔條件下控制味覺和香氣分子的釋放[54-55]。Petzold等[56]利用海藻酸鈣/殼聚糖微凝膠包封煙用液體香精，液體煙霧在低溫時被保留在粒子內部，而當它們被加熱到一定溫度時就會釋放出來。微凝膠控制風味釋放的有效性與風味分子的特性，如分子質量和極性等有一定的關系。

3.1.4 作為食品乳化劑

生物來源的固體顆粒由于選擇性廣、安全性高、生物相容性好等優勢，近年來已成為Pickering乳液顆粒乳化劑的研究熱點。微凝膠顆粒可以作為乳化劑穩定食品乳液。與傳統表面活性劑穩定的乳液相比，天然多糖微凝膠穩定的乳液具有穩定性高、毒性小、可重復使用等優點，能為人們提供綠色健康的食品配料。Toya等[57]分別采用自下而上和自上而下的方法，對瓊脂、可得然膠和結冷膠3 種多糖進行了微凝膠化，并證明了瓊脂和可得然膠形成的微凝膠具有乳化食用油的能力，可作為食品乳化劑。不僅如此，海藻酸鈣微凝膠也被證明具有乳化食用油的能力。楊鑫等[58]通過乳液凝膠法制備了海藻酸鈣微凝膠，該微凝膠表面包覆有二氧化鈦納米顆粒，使得海藻酸鈣微球能夠穩定油包水型的Pickering乳液。通過控制微球的含量，可以對Pickering乳液的粒徑大小進行調控。Yang Jisheng等[59]通過反乳液法制備了改性海藻酸鈣微凝膠，證明海藻酸鈣微球能夠用于穩定水包油型的Pickering乳液。

3.1.5 作為脂肪替代物

隨著人們生活水平的提高，消費者的肥胖水平也在不斷上升，低脂類肉制品受到越來越多消費者的青睞。脂肪替代物已經成為食品行業的研究熱點。微凝膠可以作為脂肪替代物，減少食品中的脂肪用量以及人體攝入量。范素琴等[60]將海藻酸鈉復合微凝膠作為脂肪替代物，得到了外觀和質構都較理想的脂肪替代品。以天然多糖微凝膠制作的脂肪替代物不但可降低熱量，還可降低膽固醇含量，符合人們追求營養、安全、健康的要求。另外，多糖微凝膠被研磨成不同大小的顆粒后，還可以滿足外觀、技術和感官特性等方面的要求。微凝膠作為脂肪的替代品被添加到肉制品中時，需要考慮其物理化學特性，例如在肉制品中所替代脂肪的特性（包括形狀大小、顏色、結構特性和流變特性等）。Colmenero等[31]通過研磨凝膠化的魔芋膠、卡拉膠和玉米淀粉混合物制得微凝膠，其可以作為肉制品中豬肉背脂的替代品。此外，多糖微凝膠還被用于法蘭克福香腸，新鮮香腸等[61]。目前，魔芋凝膠用作脂肪替代品在低脂肉制品中的應用已取得較大進展。

3.2 天然多糖微凝膠在醫藥領域中的應用

微凝膠顆粒具有封裝、保護和釋放各種藥物的能力，可用于荷載小分子藥物、多肽、蛋白質、DNA、細胞和細菌等[2]。目前，基于海藻酸鹽的微凝膠顆粒已被用于封裝多種藥物制劑，其相對溫和的凝膠化過程可以使蛋白質、細胞、DNA等結合到海藻酸鹽基質中，從而保持完整的生物活性[62]。微凝膠在醫藥行業的應用主要集中于藥物的緩控釋以及靶向給藥方面。

3.2.1 口服給藥

口服給藥是藥物療法中較常采用的給藥方式，因比注射給藥更方便、痛苦更少而被廣為接受。目前，由天然多糖制備的微凝膠顆粒已被用于封裝多種藥物，即將生物活性成分包裹在納米或微米顆粒中，可進一步保留藥物活性。pH值響應性微凝膠顆粒也已被開發用于口服干擾小RNA的遞送，以靶向治療消化道炎癥[63]。Sun Quancai等[64]將胰島素與氫氧化鎂共同封裝于海藻酸鈣微凝膠中，這種微凝膠可以使用溫和的制備方法組裝，從而保護胰島素免受胃酸和胃蛋白酶引起的失活。該研究表明，在模擬胃環境下，抗酸微凝膠中包裹的胰島素的生物活性可以被有效保護。因此，天然多糖微凝膠可能成為口服胰島素的有效手段。

3.2.2 注射給藥

近年來，溫敏型可注射微凝膠引起了人們的關注。在沒有接近人體體溫時，這種微凝膠以溶液狀態包埋藥物。注射后，由于溫度的變化，溶液迅速轉變為半固體狀微凝膠。藥物在自身擴散或降解作用下從微凝膠中平穩地釋放出來，從而達到緩釋效果。對于一些口服藥物不適的人，溫敏型注射微凝膠包埋的藥物是一種良好的選擇，可直接注射從而避免胃腸道降解。Chenite等[65]提出了一種基于殼聚糖/多元醇組合的新型熱敏微凝膠制備方法，用于封裝活細胞和蛋白。此復合物具有溫敏性，即在室溫條件下為均一溶液，可以包埋藥物。當注射體內后，在體溫條件下轉變成生物可降解的半固體狀凝膠。Kofuji等[66]研究發現，將釩-殼聚糖絡合物加入到殼聚糖凝膠中，可以實現對釩釋放的控制。將此凝膠注射到糖尿病小鼠體內后，可起到降血糖作用，并且由于釩的緩慢釋放可將其毒副作用減至最低。殼聚糖微凝膠對釩類化合物的緩控釋作用可實現長效、低毒的效果，具有良好的臨床應用前景。

3.3 天然多糖微凝膠在化妝品領域的應用

化妝品乳劑是由兩種互不相溶的液體構成的分散乳狀液，其配方一般由油相和表面活性劑組成。研究發現，微凝膠網絡中含有大量的水分，同時具有良好的生物相容性和可降解性，可以作為乳化劑以滿足在一種化妝品中同時添加多種活性物的需要。另外，微凝膠作為乳化劑可以通過控制活性物質的釋放，從而延長活性物質作用時間，是高檔化妝品研發的一個新趨勢。選用無刺激性的天然多糖微凝膠來替代傳統的表面活性劑不僅可使產品的刺激性大大降低，還可以提高化妝品的黏稠性，使皮膚角質軟化，具有保持皮膚水嫩濕潤的作用[67]。此外，由于微凝膠顆粒乳化體系的穩定性與油脂性質無關，因此針對不同的化妝品，還可以選擇更為合適的油脂，以制備出效果更佳、更受歡迎的產品。劉敬成等[68]通過對殼聚糖進行改性，制備了水溶性光敏殼聚糖衍生物，以該衍生物膠體粒子作為乳化劑穩定油水體系，所得乳液可抗紫外線且具有長期的穩定性。

3.4 天然多糖微凝膠在其他領域的應用

多糖微凝膠除了上述應用領域外，還可應用于農業、環保等領域。在農業領域，多糖微凝膠常用來保護土壤中的水分和營養物質，可有效改善土壤的物理性質，從而增加農作物的產量[69-70]。此外，微凝膠也可以作為重金屬離子的吸附劑，用于污水凈化[71]，有助于改善環境。Wang Xia等[72]研制了一種由磁性Fe3O4和結冷膠組成的高效吸附劑，該吸附劑將磁性分離與離子交換技術相結合，可有效地去除重金屬，對于環境優化有很大的幫助。

4 結 語

天然多糖微凝膠因其獨特的生物相容性、可降解性、無毒性等越來越受到研究人員的青睞，近年來已得到廣泛的關注和研究。開發利用新型天然多糖資源，研制多重響應性微凝膠及不同組合微凝膠，將會是未來的一個發展方向。此外，應當加強天然多糖微凝膠的開發力度，特別是在提高微凝膠功能特性、凝膠形成機理等方面，以拓展天然多糖微凝膠功能材料的應用。隨著微凝膠制備方法的日趨完善和新材料、新技術的不斷引入，未來天然多糖微凝膠的應用范圍將更加廣泛。