《食品科学》：食品微凝胶的特性与应用研究进展|凝胶|壳聚糖|微凝胶|食品微凝胶的特性与应用研究进展|食品科学

宏观凝胶是由一定尺寸范围的粒子或高分子在另一种介质（例如水）中构成的三维网络状结构，或者也可以认为是另一种介质（例如水）填充在所形成的网络结构中的物质形态。因此，宏观凝胶通常具有比较稳定的结构、溶胀、黏弹性等特征。而所谓的“微凝胶”是指微米或亚微米尺度的凝胶颗粒的胶体分散体系。与宏观凝胶相比，微凝胶尺寸小、比表面积大，表面有很多悬挂链段，因此微凝胶的胶体性质具有显著优势。

湖北工业大学生物工程与食品学院，菲利普斯胶体研究中心的黄萍、黄晨、杨楠*等人重点介绍食品微凝胶的材料、主要制备方法、基本性质（包括溶胀特性、机械性能、流变学、界面特性等），以及与这些特殊性质有关的应用研究进展。旨在为微凝胶在食品领域中的应用提供理论依据和实际指导。

食品微凝胶的材料与制备

在食品行业中常见的用来制备微凝胶的材料主要是具有生物相容性和生物降解性的大分子，如天然存在的动植物胶、蛋白质及其复合物等。作为生物物质基础的淀粉、藻酸盐、壳聚糖、卡拉胶等多糖因其无毒、无免疫原性以及生物相容性、特殊的理化性等，在食品微凝胶的制备和应用方面备受关注。

食品微凝胶的制备方法大致分为两种：自上而下的通过破碎大块凝胶为微凝胶的方法以及自下而上的将大分子交联为小颗粒凝胶即微凝胶的方法。自上而下的方法通常通过机械剪切或超声粉碎的方式进行，因此微凝胶颗粒的大小和形状通常不均匀。自下而上的方法包括多相聚合法和分子自组装法等，该类方法获得的微凝胶通常形状规则、尺寸均一。表1中列出了微凝胶不同制备方法的原理、控制因素、实例及对应材料等。通过不同制备方法、不同材料可得到不同功能性的食品微凝胶，微凝胶的机械特性、溶胀特性、表面性质等随材料种类和交联程度的不同而变化。

食品微凝胶的性质

溶胀特性

微凝胶溶胀性质即微凝胶颗粒在溶剂（如水）中体积膨胀或收缩的性质，特点在于其受环境条件例如温度、pH值、离子强度等影响。这些外部条件会刺激微凝胶对溶剂发生不同程度溶胀。溶胀的本质是大分子材料与溶剂的相互作用发生改变。比如，温度敏感型的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）微凝胶颗粒在室温下溶胀，微凝胶的凝胶网络舒展成柔软的多孔结构；而随温度的升高，PNIPAM微凝胶由均相体系转变成非均相体系，凝胶网络失水，收缩成紧密的结构，成为硬质颗粒。

流变学特性

微凝胶颗粒由于其凝胶特性通常具有一定的黏弹性，因此它们极易因挤压或拉伸而发生形变。微凝胶不同于硬颗粒，由微凝胶及其溶胀良溶剂构成的悬浮液的宏观流变学行为与其他的软颗粒分散体系，如乳液、多层囊泡、胶束等类似。低浓度下，微凝胶悬浮液表现出类似流体的行为；较高浓度下，微凝胶颗粒可相互挤压形成紧密堆积的高弹性体系，但当施加足够高剪切应力时，颗粒又可以流过彼此使整体弹性结构被破坏，体系表现出强烈的剪切变稀行为。微凝胶颗粒弹性对体系流变学有显著影响。

单个微凝胶颗粒机械性能

微凝胶悬浮液的宏观行为与其单个微凝胶颗粒的性质有关。单个颗粒的机械性能的变化会导致微凝胶悬浮液宏观流变学的显著变化，也会影响其他功能性，例如对功能性物质的荷载和释放等。因此，对单个微凝胶颗粒的机械性能的表征具有重要意义。对微米尺度微凝胶的弹性测定，可以通过微毛细管抽吸法、渗透压法、原子力显微镜法等进行。表2概括了这些方法的基本原理、参数等，并给出了应用实例。在这些方法中，原子力显微镜方法因可操控性强、模型成熟、适用范围广而被广泛应用。

界面性质

由于尺寸小、比表面积大以及生物大分子自身基团的性质，微凝胶表面可具有一定的疏水性，因此微凝胶具有一定的界面活性。微凝胶吸附到油/水（气/水）界面的过程较为复杂，吸附初期通过扩散作用吸附较快；吸附后期由于界面上微凝胶颗粒较多，微凝胶需要在颗粒间插入从而吸附到界面，因此较为缓慢。在界面上，微凝胶易发生形变和重排，可进一步降低表面张力。通常微凝胶的形变能力与其软硬程度有关，较软的微凝胶颗粒在界面上易形变，具有较大的吸附截面积，且颗粒间发生高度连接，而较硬的微凝胶形变不显著。

微凝胶的界面性质还受到很多环境因素影响，如温度、pH值等。对于热敏型微凝胶，微凝胶吸附到界面后达到平衡时候的界面张力在低临界溶解温度（LCST）附近时最小，原因为在LCST以上，高分子的亲水性大幅降低，微凝胶收缩，体积相变迅速发生。

食品微凝胶的应用

食品乳化

微凝胶可作为乳化剂和稳定剂，提高食品乳液或泡沫体系的稳定性，用于Pickering乳液制备等。Ellis等发现进行了疏水改性的卡拉胶微凝胶颗粒，可通过在气泡界面周围提供结构屏障来改善泡沫体系稳定性。Hu Bing等利用京尼平交联的尺寸和黏弹性可调的壳聚糖微凝胶颗粒制备具有较强机械性能的半固态高内相乳液（分散相体积分数高达90%），并用来提高β-胡萝卜素的荷载量。Zhou Fuzhen等用无毒无害的小麦醇溶蛋白和壳聚糖制备出复合微凝胶，也可稳定高内相乳液，且储藏稳定性较好（图3）。

功能性物质荷载、递送

食品中许多功能性物质（维生素、不饱和脂肪酸等）存在不易溶解、易氧化等问题，从而降低了从膳食结构中获取的可能性，因此解决这些问题至关重要。通过设计食品微凝胶荷载功能性物质，可以在一定程度上改善功能性物质的溶解性、提高其抗氧化能力。同时，如图4所示，微凝胶受环境影响显著，利用其在外界刺激下溶胀实现控制功能因子的释放。

食品质构

微凝胶独特的流变学性质越来越受到重视，被广泛用在产品的质构、配方设计、感官评价等中。Zhang Tao等将通过喷雾干燥得到的3 种不同复合微凝胶复溶在去离子水中得到不同浓度的悬浮液，并经过加热后对其进行黏度扫描，如图5所示，当质量分数为6%、8%、10%时，微凝胶悬浮液在加热后仍然可以流动，当蛋白质量分数为12%时，其流动性明显下降，在质量分数15%的条件下形成了类固状自支撑凝胶，且复合微凝胶特殊的流变学性质赋予饮料或半固态食物顺滑柔软的口感。

结语

微凝胶由于材料多样、尺寸小、凝胶特性等特点，具有优越的力学、流变学、溶胀响应性、界面活性等性质，因此在食品行业中也越来越被重视。随着研究的不断深入，人们对微凝胶的性质有了越来越多的了解，并研究设计了不同种类及结构的新型微凝胶，以提高微凝胶的应用性。目前国内外食品微凝胶的应用开发集中在泡沫稳定、乳液稳定、物质递送、质构调节等方面。另外，不同种类和结构微凝胶的复配使用、相互作用，以及微凝胶与其他食品成分之间的相互作用研究将为食品微凝胶的应用提供更广泛的支持。

本文《食品微凝胶的特性与应用研究进展》来源于《食品科学》2022年43卷1期337-344页，作者：黄萍，黄晨，王然，龙毅，杨楠，方亚鹏。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200821-283。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅

图片来源于文章原文及摄图网。

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