食品微凝膠的特性與應用研究進展

黃 萍，黃 晨，王 然，龍 毅，楊 楠,2,*，方亞鵬,2,3

（1.湖北工業大學生物工程與食品學院，菲利普斯膠體研究中心，湖北 武漢 430068；2.湖北工業大學，湖北省親水膠體國際科技合作基地，湖北 武漢 430068；3.上海交通大學農業與生物學院，上海 200240）

宏觀凝膠是由一定尺寸范圍的粒子或高分子在另一種介質（例如水）中構成的三維網絡狀結構，或者也可以認為是另一種介質（例如水）填充在所形成的網絡結構中的物質形態。因此，宏觀凝膠通常具有比較穩定的結構、溶脹、黏彈性等特征。而所謂的“微凝膠”是指微米或亞微米尺度的凝膠顆粒的膠體分散體系[1]。“微凝膠”最初是Baker在1949年發表的成果中用來描述交聯的聚丁二烯粒子時提出的[2]。“微”代表尺寸，“凝膠”意味著粒子也像宏觀凝膠一樣具有網絡結構和在溶劑中溶脹的性質。微凝膠的定義包含了4 個標準：1）微凝膠的粒徑大小在10～1 000 nm之間，是典型的膠體粒子；2）可分散在溶劑中；3）可被溶劑溶脹；4）具有穩定的結構。因此微凝膠不同于宏觀凝膠，同時也與表面活性劑和聚合物膠束體系不同。與宏觀凝膠相比，微凝膠尺寸小、比表面積大，表面有很多懸掛鏈段，因此微凝膠的膠體性質具有顯著優勢：微凝膠懸浮液是自由流動的液體（高度濃縮除外），而宏觀凝膠僅在凝膠點附近非常低的交聯水平下流動；微凝膠對環境變化反應迅速，尺寸效應引起的高比表面積利于物質在微凝膠內外的運輸；微凝膠還可以形成特殊結構，比如核殼結構微凝膠，或者二維（比如在油-水、氣-水界面上）自組裝聚集體，或三維膠體晶體等。表面活性劑滿足前3 個條件，但是結構通常不穩定，分子層處于不斷交換狀態。由兩親聚合物形成的膠束雖然結構穩定，但是疏水鏈段通常使其在水中的溶脹性較差[1]。

由于上述特性，微凝膠已廣泛應用在化工、納米材料、生物醫藥、組織工程等多個領域，并在近幾年成為食品科學研究的熱點[3]。食品微凝膠的材料多種多樣，比如各類無毒、具有生物相容性和可降解性的生物大分子（蛋白質、多糖等），為食品微凝膠的應用提供了廣闊空間并能夠保障其安全性[4]。雖然尺寸特殊，但微凝膠與宏觀凝膠的凝膠機制相似，因此既可以通過自上而下的方法由宏觀凝膠轉化為微凝膠，也可以通過多相聚合、分子自組裝等自下而上的方法合成。食品微凝膠的優勢在于其凝膠程度隨生物大分子種類、濃度、交聯劑類型和濃度、制備條件等因素的改變而變化，因此可形成質構可調、表面性質多樣、具有特殊響應性的微凝膠[1]。近年來食品微凝膠被廣泛作為結構單元應用于食品體系中，如食品乳液、泡沫體系的乳化和穩定，質構調節，功能性物質的荷載、釋放等[1]。

本文重點介紹食品微凝膠的材料、主要制備方法、基本性質（包括溶脹特性、機械性能、流變學、界面特性等），以及與這些特殊性質有關的應用研究進展。旨在為微凝膠在食品領域中的應用提供理論依據和實際指導。

1 食品微凝膠的材料與制備

在食品行業中常見的用來制備微凝膠的材料主要是具有生物相容性和生物降解性的大分子，如天然存在的動植物膠、蛋白質及其復合物等[4-5]。作為生物物質基礎的淀粉[6-7]、藻酸鹽[8]、殼聚糖[9]、卡拉膠[10]等多糖因其無毒、無免疫原性以及生物相容性、特殊的理化性等，在食品微凝膠的制備和應用方面備受關注[4]。淀粉可通過糊化方式凝膠，利用淀粉微凝膠顆粒在食品中作為增稠和質構調控成分具有悠久的歷史[6-7]。海藻酸鈉是一種從褐藻中提取的天然線性陰離子多糖，可通過離子絡合凝膠，形成的微凝膠具有彈性高、易溶脹等特點[8]。殼聚糖是甲殼素經脫鈣、脫蛋白質和脫乙酰基后的產物，是自然界中唯一的陽離子多糖[9]。由于分子結構中存在大量—NH2基團，殼聚糖可以通過金屬離子絡合或天然生物交聯劑京尼平等交聯形成凝膠。卡拉膠是從紅藻類海草中提煉出來的親水性膠體，含有大量硫酸酯基團，在水溶液中帶有很強的負電性，可在冷卻作用下通過形成分子雙螺旋交聯體而形成凝膠[10]。蛋白質也是天然的生物大分子，通常分子質量較高，具有兩親性，因此可作為食品乳化劑和穩定劑[11-15]，比如營養價值豐富的乳清蛋白[12]、不含膽固醇的豌豆蛋白[13]、非水溶性的玉米醇溶蛋白[14]等。在一定的溫度處理或酸誘導下，蛋白質可發生變性，形成有序的蛋白質網絡凝膠結構，牛奶中的酪蛋白和乳清蛋白、蛋清蛋白、膠原蛋白以及明膠等均可在等電點附近通過熱誘導自組裝成微凝膠[15]。

食品微凝膠的制備方法大致分為兩種：自上而下的通過破碎大塊凝膠為微凝膠的方法以及自下而上的將大分子交聯為小顆粒凝膠即微凝膠的方法[16-19]。自上而下的方法通常通過機械剪切或超聲粉碎的方式進行，因此微凝膠顆粒的大小和形狀通常不均勻。自下而上的方法包括多相聚合法和分子自組裝法等，該類方法獲得的微凝膠通常形狀規則、尺寸均一。表1中列出了微凝膠不同制備方法的原理、控制因素、實例及對應材料等。通過不同制備方法、不同材料可得到不同功能性的食品微凝膠，微凝膠的機械特性、溶脹特性、表面性質等隨材料種類和交聯程度的不同而變化。

表1 食品微凝膠制備方法Table 1 Preparation methods for food microgels

2 食品微凝膠的性質

2.1 溶脹特性

微凝膠溶脹性質即微凝膠顆粒在溶劑（如水）中體積膨脹或收縮的性質，特點在于其受環境條件例如溫度、pH值、離子強度等影響。這些外部條件會刺激微凝膠對溶劑發生不同程度溶脹。溶脹的本質是大分子材料與溶劑的相互作用發生改變。比如，溫度敏感型的聚N-異丙基丙烯酰胺（poly(N-isopropylacrylamide)，PNIPAM）微凝膠顆粒在室溫下溶脹，微凝膠的凝膠網絡舒展成柔軟的多孔結構[26]；而隨溫度的升高，PNIPAM微凝膠由均相體系轉變成非均相體系，凝膠網絡失水，收縮成緊密的結構，成為硬質顆粒。目前食品級熱敏型微凝膠較少，有待進一步研究與開發。pH值可顯著影響微凝膠的溶脹行為是因為當pH值接近大分子的電離常數時，由于帶電基團的質子化，大分子與溶劑的親和性發生變化，從而影響微凝膠的溶脹性質。殼聚糖微凝膠是食品中較為典型的pH值敏感型微凝膠。Hernandez等[27]設計出PNIPAM/殼聚糖復合結構微凝膠，通過調整兩種物質的物質的量比可以控制微凝膠的溶脹程度，發現殼聚糖的加入使微凝膠在32 ℃以上溶脹的同時，具有微凝膠pH值響應性。

2.2 流變學特性

微凝膠顆粒由于其凝膠特性通常具有一定的黏彈性，因此它們極易因擠壓或拉伸而發生形變。微凝膠不同于硬顆粒，由微凝膠及其溶脹良溶劑構成的懸浮液的宏觀流變學行為與其他的軟顆粒分散體系，如乳液、多層囊泡、膠束等類似[1,28-29]。低濃度下，微凝膠懸浮液表現出類似流體的行為；較高濃度下，微凝膠顆粒可相互擠壓形成緊密堆積的高彈性體系，但當施加足夠高剪切應力時，顆粒又可以流過彼此使整體彈性結構被破壞，體系表現出強烈的剪切變稀行為。微凝膠顆粒彈性對體系流變學有顯著影響。Adams等[30]研究了不同彈性強度的瓊脂微凝膠體系，低體積分數下，小振幅振蕩實驗結果表明儲能模量（G’）和損耗模量（G”）都隨著頻率增加而增加，而在高體積分數下，G’較大并且不隨頻率變化，是典型的彈性行為主導的凝膠行為，而旋轉剪切下剪切黏度表現出剪切變稀行為。這種特性被廣泛應用于食品等的生產中，既可賦予產品類似固體的特性，又可賦予其高剪切下流體特性。微凝膠在溶劑中的分散和溶脹程度受材料自身及其與溶劑相互作用影響，因此微凝膠懸浮液體系流變學受單個顆粒成分、交聯密度、粒徑、表面電荷、官能團以及溶劑質量、外界溫度等因素影響[31]。

2.3 單個微凝膠顆粒機械性能

微凝膠懸浮液的宏觀行為與其單個微凝膠顆粒的性質有關[1]。單個顆粒的機械性能的變化會導致微凝膠懸浮液宏觀流變學的顯著變化，也會影響其他功能性，例如對功能性物質的荷載和釋放等。因此，對單個微凝膠顆粒的機械性能的表征具有重要意義。對微米尺度微凝膠的彈性測定[32]，可以通過微毛細管抽吸法[33]、滲透壓法[34]、原子力顯微鏡法[35]等進行。表2概括了這些方法的基本原理、參數等，并給出了應用實例。在這些方法中，原子力顯微鏡方法因可操控性強、模型成熟、適用范圍廣而被廣泛應用[36]。

表2 單個微凝膠顆粒機械性能表征手段Table 2 Characterization of mechanical properties of microgels

圖1 PNIPAM-聚丙烯酰胺核殼微凝膠的力學性能[40]Fig.1 Mechanical properties of poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAM)-polyacrylamide core-shell microgels[40]

Mettu等[41]用原子力顯微鏡膠體探針的方法在21～70 ℃的溫度范圍內測量了填充空氣或十四烷的溶菌酶微膠囊的機械性能，發現當溫度從室溫變化到人體溫度37 ℃時，充氣的溶菌酶膠囊的剛度和模量降低了1/4，而充有十四烷的溶菌酶微膠囊的剛度降低了16%；當溫度升高到70 ℃時，充滿十四烷的溶菌酶膠囊即使在變軟的情況下仍在70 ℃保持其網絡結構。

2.4 界面性質

由于尺寸小、比表面積大以及生物大分子自身基團的性質，微凝膠表面可具有一定的疏水性，因此微凝膠具有一定的界面活性[42]。微凝膠吸附到油/水（氣/水）界面的過程較為復雜，吸附初期通過擴散作用吸附較快；吸附后期由于界面上微凝膠顆粒較多，微凝膠需要在顆粒間插入從而吸附到界面，因此較為緩慢[43]。在界面上，微凝膠易發生形變和重排[44]，可進一步降低表面張力。通常微凝膠的形變能力與其軟硬程度有關，較軟的微凝膠顆粒在界面上易形變，具有較大的吸附截面積，且顆粒間發生高度連接，而較硬的微凝膠形變不顯著[43]。與傳統的表面活性劑相比，微凝膠吸附到界面后界面黏彈性較高，因此微凝膠形成的界面可承受更高的外界干擾，提高乳液的穩定性。Huang Shilin等[45-46]通過磁粒子主動微流變學以及粒子示蹤微流變學方法研究了PNIPAM-聚烯丙基甘氨酸微凝膠吸附到聚二甲基硅氧烷/水界面的界面流變學特性，結果發現微凝膠間距離隨著微凝膠濃度的增加而減小，而微凝膠界面黏彈性對其濃度、時間以及在界面上的排列具有強烈的依賴性。

微凝膠的界面性質還受到很多環境因素影響，如溫度、pH值等。對于熱敏型微凝膠，微凝膠吸附到界面后達到平衡時候的界面張力在低臨界溶解溫度（low critical solution temperature，LCST）附近時最小[41,47-48]，原因為在LCST以上，高分子的親水性大幅降低，微凝膠收縮，體積相變迅速發生。Wu Yaodong等[49]制備了乙烯基己內酰胺/丙烯酰胺復合微凝膠，并研究了不同溫度下復合微凝膠在油-水界面上的行為，結果發現當溫度低于微凝膠體積相變溫度（volume phase transition temperature，VPTT）時，微凝膠顆粒溶脹并易在界面處變形，界面張力下降較快，且平衡界面張力隨著溫度的升高逐漸降低并在VPTT附近達到最小值，而當溫度高于VPTT時微凝膠顆粒收縮變硬，界面張力又增加（圖2）。對于pH值響應型微凝膠，由于在不同pH值下含有的羧基質子化程度不同，因此微凝膠的帶電性質及數量、親水性、尺寸、形變性能均會發生變化，導致界面性質改變[42-43,47]。

圖2 PNIPAM微凝膠在油/水界面結構及吸附示意圖[49]Fig.2 Schematic representation of the structure and adsorption of PNIPAM microgels at the oil/water interface[49]

3 食品微凝膠的應用

3.1 食品乳化

微凝膠可作為乳化劑和穩定劑，提高食品乳液或泡沫體系的穩定性，用于Pickering乳液制備等[50-51]。Ellis等[10]發現進行了疏水改性的卡拉膠微凝膠顆粒，可通過在氣泡界面周圍提供結構屏障來改善泡沫體系穩定性。Hu Bing等[52]利用京尼平交聯的尺寸和黏彈性可調的殼聚糖微凝膠顆粒制備具有較強機械性能的半固態高內相乳液（分散相體積分數高達90%），并用來提高β-胡蘿卜素的荷載量。Zhou Fuzhen等[53]用無毒無害的小麥醇溶蛋白和殼聚糖制備出復合微凝膠，也可穩定高內相乳液，且儲藏穩定性較好（圖3）。Destribats等[25]使用乳清蛋白微凝膠作為甘油三酯和水界面的穩定劑，發現在外部環境（pH值、鹽濃度）變化的情況下，乳清蛋白微凝膠均可穩定該水包油乳液，并表現出長期的穩定性和出色的抗聚結性。Huang Xiaonan等[54]通過聚合物絡合制備出殼聚糖-酪蛋白磷酸肽復合物顆粒，發現其可作為乳化劑穩定亞麻籽油-水界面，穩定Pickering高內相乳液。

圖3 小麥醇溶蛋白-殼聚糖復合微凝膠穩定高內相乳液[53]Fig.3 Stabilization of high internal phase emulsions by wheat gliadinchitosan microgels[53]

3.2 功能性物質荷載、遞送

食品中許多功能性物質（維生素、不飽和脂肪酸等）存在不易溶解、易氧化等問題，從而降低了從膳食結構中獲取的可能性，因此解決這些問題至關重要。通過設計食品微凝膠荷載功能性物質，可以在一定程度上改善功能性物質的溶解性、提高其抗氧化能力[55]。同時，如圖4所示，微凝膠受環境影響顯著，利用其在外界刺激下溶脹實現控制功能因子的釋放[56-60]。Yu Lei等[61]通過微流控技術設計出殼聚糖包裹的海藻酸鈉核殼結構微凝膠，成功將卵清蛋白荷載，并發現在pH 3時卵清蛋白在微凝膠中穩定存在，在pH 7時凝膠中孔隙增大、殼聚糖強度減弱，從而使卵清蛋白釋放。Qin Chaoran等[62]利用擠出聚合設計了殼聚糖-海藻酸鹽核殼結構微凝膠，可以通過調節pH值得到兩種不同狀態（固體、液體）的核，并通過調節鈣離子濃度得到不同厚度的殼，利用這種特殊結構可以在堿性條件下對不同組分（如異硫氰酸熒光素、水楊酸鈉和磁性Fe3O4納米顆粒）等進行荷載，結果發現在pH 2（核為液態）、Ca2+濃度較低的條件下更有利于水楊酸鈉的釋放。Bi Yongguang等[63]采用乳液聚合法制備出具有良好生物相容性的內含羥基磷灰石的海藻酸鈉/殼聚糖核殼結構微凝膠，研究了復合微凝膠對鹽酸阿霉素的荷載量和釋放行為，發現其包封率遠高于純羥基磷灰石納米顆粒，且具有良好的pH值響應釋放能力。

圖4 微凝膠對功能因子的荷載、釋放示意圖[60]Fig.4 Schematic diagram of loading and releasing of functional factors by microgels[60]

3.3 食品質構

微凝膠獨特的流變學性質越來越受到重視，被廣泛用在產品的質構、配方設計、感官評價等中[21]。Zhang Tao等[64]將通過噴霧干燥得到的3 種不同復合微凝膠復溶在去離子水中得到不同濃度的懸浮液，并經過加熱后對其進行黏度掃描，如圖5所示，當質量分數為6%、8%、10%時，微凝膠懸浮液在加熱后仍然可以流動，當蛋白質量分數為12%時，其流動性明顯下降，在質量分數15%的條件下形成了類固狀自支撐凝膠，且復合微凝膠特殊的流變學性質賦予飲料或半固態食物順滑柔軟的口感。Goh等[65]在對水合奇亞籽多糖微凝膠懸浮液流變學行為的研究中發現，即使在非常低的濃度（質量分數0.05%）下該體系也表現出“弱凝膠”的特性和較高的假塑性，表明這樣的懸浮液體系耐高強度加工，可以控制消化物在胃腸道中的運動等，有助于低脂食品的結構穩定和口感改善。Leon等[66]制備了乳清分離蛋白/海藻酸鈉復合微凝膠，并將膳食纖維類物質如細菌纖維、納米纖維及燕麥纖維等添加到微凝膠中，既提高了微凝膠的黏彈性，又實現了對膳食纖維的荷載，是極具潛力的老年食品。

圖5 3 種不同復合微凝膠復溶懸浮液的黏度和懸浮液的外觀[64]Fig.5 Viscosity and appearance of three different microgel suspensions[64]

4 結 語

微凝膠由于材料多樣、尺寸小、凝膠特性等特點，具有優越的力學、流變學、溶脹響應性、界面活性等性質，因此在食品行業中也越來越被重視。隨著研究的不斷深入，人們對微凝膠的性質有了越來越多的了解，并研究設計了不同種類及結構的新型微凝膠，以提高微凝膠的應用性。目前國內外食品微凝膠的應用開發集中在泡沫穩定、乳液穩定、物質遞送、質構調節等方面。另外，不同種類和結構微凝膠的復配使用、相互作用，以及微凝膠與其他食品成分之間的相互作用研究將為食品微凝膠的應用提供更廣泛的支持。