天然生物大分子及其复合物在食品微凝胶传递体系中的应用研究进展

高雅馨，于有强，朱巧莎，侯占群*，段盛林，牟德华,*

（1.河北科技大学生物科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2.中国食品发酵工业研究院有限公司，北京 100015）

溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，其结构空隙中充满了作为分散介质的液体（在干凝胶中也可以是气体，干凝胶也称为气凝胶），这样一种特殊的分散体系称作凝胶。用适当的方法，使生物大分子利用自身的凝胶特性，通过链间的相互交联，形成微米级及以下大小的凝胶，称为微凝胶[1]。根据三维网络中分散介质的不同，微凝胶可以分为气凝胶、有机凝胶和水凝胶[2]。以食品级蛋白质和多糖为基质制作的微凝胶属于可降解的微凝胶。水凝胶的分散介质是水溶液，因含水率高而质地柔软，以生物大分子为骨架构成具有一定形状和机械强度的网络体系，生物相容性好，在食品领域应用广泛[3]。食品中很多生物活性成分如类胡萝卜素、多不饱和脂质等，可通过构建合适的微凝胶体系来改善溶解性，提高物理化学稳定性，还能实现缓释、定点释放、强化吸收，从而提高生物利用率。微凝胶的制备方法有酶促偶联、美拉德反应、静电相互作用等。微凝胶制备常用天然生物大分子包括动物蛋白（如乳清蛋白、酪蛋白）、植物蛋白（如大豆蛋白）、多糖（如海藻酸盐、果胶、壳聚糖）等，其都是常用的微凝胶壁材。本文主要对应用于食品微凝胶制备中两大类食品级天然生物大分子（蛋白质和多糖）的最新研究进展进行综述。

1 蛋白质类

蛋白质分子变性聚集形成有序网络结构的过程称为蛋白质的胶凝作用。大多数蛋白质胶凝的必要条件是热处理，添加盐类特别是钙离子可以提高凝胶速率、增加凝胶强度。蛋白质聚集排列方式不同，形成的凝胶结构不同，一种是肽链的有序聚集排列成串形、半透明凝胶，如部分球状蛋白；另一种是肽链自由聚集、无序排列，即含有大量非极性氨基酸残基的蛋白质，在变性时发生疏水聚集，所形成的凝胶是不透明的（图1）。在分子水平上影响凝胶稳定的作用包括静电作用力、共价键和疏水作用，疏水性反应和离子反应具有较强的稳定作用[4]。常见的蛋白类大分子有明胶、酪蛋白、乳清蛋白等。

图1 蛋白质凝胶的网状结构示意图[5]Fig. 1 Schematic diagram of the network structure of protein gel[5]

1.1 明胶

明胶是明胶胶原蛋白水解的产物，其水溶性好，化学式为C102H151O39N31，为三螺旋结构，含有羧基、氨基等利于形成凝胶的基团[4]。酸水解为A型明胶，主要为单一链组成的产物，等电点在6.8～9.5之间；碱水解为B型明胶，碱处理未破坏胶原的三螺旋结构，主要为多链产物，等电点在4.5～5.3之间，在生理条件下可保持稳定的溶胶结构。明胶作为微凝胶材料具有抗拉强度高、透水透气性好的特点，但易干裂，延展性低[6]。

王伟[7]通过复凝聚法制备明胶/黄原胶微凝胶，并用其包封川芎挥发油，结果表明明胶的氨基和黄原胶的羧基之间因静电引力交联形成凝胶网络。川芎挥发油中的活性成分主要为蒿本内酯，对光和热十分敏感，易分解[8]。包封可以提高蒿本内酯的稳定性，还能达到掩盖川芎油异味的效果。何庆燕等[9]利用明胶和黄原胶制备微凝胶，黄原胶经高碘酸钠氧化改性，与明胶通过席夫碱的形式交联形成凝胶。柯晴瑾[10]选用明胶蛋白为原料，以戊二醛作为交联剂，用乙二胺四乙酸二酐和醛基封端聚乙二醇对明胶进行酰化和还原胺化改性，引入羧基，增加亲水性；引入聚乙二醇可提高凝胶的柔韧性和稳定性。刘佳炜等[11]采用明胶和改性明胶，与壳聚糖、海藻酸钠制备凝胶微球，进而制备固定化木瓜蛋白酶，能够更有效地发挥其特有的催化作用，其活性高、稳定性高、回收方便、可反复使用。

1.2 酪蛋白

酪蛋白化学组成一般为C170H268N42SPO51，与凝胶特性紧密相关的基团有氨基、羧基、磷酸基和巯基，等电点为4.6[4]。酪蛋白不溶于水，但溶于强酸、碱、盐溶液[12]。酪蛋白由数百至上千个单分子构成，形成的微凝胶平均粒径低至纳米级[13]。

Zhang Zipei等[14]选用酪蛋白酸盐作为阳离子聚合物，选用低甲氧基果胶（low-methoxyl pectins，LM）作为阴离子聚合物，通过复凝聚法制成微凝胶包封鱼油，该微凝胶与传统乳状液相比更稳定，可定点释放。多不饱和脂质易氧化，微凝胶能够提高其氧化稳定性，利于贮藏。Chen Fang等[15]制作酪蛋白-藻酸盐微凝胶包封亚麻籽油，提高了亚麻籽油氧化稳定性。Liu Wei等[16]基于同一原理制备微凝胶包封β-胡萝卜素，改善其溶解性和生物利用率。Heidebach等[17]开发用食品级酪蛋白包封益生菌的新方法，利用转谷氨酰胺酶催化酪蛋白中的酰基转移促进共价交联，室温下形成凝胶。其中转谷氨酰胺酶能在谷氨酰胺上的γ-羧基酰胺基团和蛋白质中赖氨酸上的ε-氨基之间形成分子间和分子内交联，是常用的交联剂[14]。实验证明，将益生菌包封在酪蛋白微球中，可以保护益生菌，避免其在强酸性胃液中受到损害[17]。

1.3 乳清蛋白

乳清蛋白与酪蛋白的主要区别是其在酸性条件（pH 4.6）下仍具有优良的溶解性。乳清蛋白三维结构紧缩成球状，是典型的球蛋白，含有氨基、羧基、巯基等特征基团[4]。加热乳清蛋白和高于等电点能加速巯基发生二硫键键合，形成不可逆型凝胶；在pH值低于等电点时，通过分子间静电作用形成可逆型凝胶。金属离子屏蔽静电斥力促进蛋白质凝聚，低浓度金属离子促进形成半透明的纤维状凝胶，高浓度金属离子通过提高凝胶比率促进形成颗粒状凝胶[18]。乳清蛋白作为壁材所制备的微凝胶稳定性高、耐热性好，在适宜条件下，60～90 ℃高温也可形成球形网状微凝胶[19]。

Chen Lingyun等[20-21]通过乳化/内部冷凝胶法，制备乳清分离蛋白-藻酸盐微球包封核黄素，包封效率高达87.8%，凝胶微球延缓了模拟胃液中核黄素的释放，核黄素在模拟肠液中完全释放。Hébrard等[22]利用冷凝胶法制备乳清分离蛋白微球包封重组酿酒酵母，包封未改变酵母的生存和生长能力，体外模拟研究固定化酵母的释放和活性，蛋白质基质在强酸性胃液环境中为酵母创造了利于生存的微环境。

2 多糖类

多糖通过氢键、范德华力、离子桥接、缠结或共价键等相互作用，在多个分子间形成连接区，与溶剂水分子缔合形成连续的三维网络结构。当大分子链间的相互作用超过分子链长时，每个多糖分子可参与多个连接区的形成，使流动的液体转变为有弹性的、类似海绵的三维空间网络结构凝胶（图2）。这就要求分子链应有足够的长度，大分子链结构必须存在周期序列或有规则的构象断续出现。胶凝时，分子的有序链段间缔合可形成双螺旋族、蛋箱型、螺条-螺条（单螺旋分子链）、双螺旋-螺条等多种形式。

图2 多糖三维网络结构[5]Fig. 2 Three-dimensional network structure of polysaccharides[5]

表1 几种多糖的特征基团和凝胶特性Table 1 Characteristic groups and gelling properties of several polysaccharides

常见的凝胶基质多糖有果胶、壳聚糖、海藻酸盐、卡拉胶等，其中，海藻酸盐、卡拉胶、黄原胶是阴离子多糖，壳聚糖是阳离子多糖。不同多糖的特征基团各不相同（表1），这些基团赋予它们各具特点的凝胶性能。

2.1 果胶

图3 50%酯化度的果胶结构Fig. 3 Molecular structure of pectin with 50% esterification degree

果胶作为一种阴离子多糖，含有大量羟基、羧基等亲水基团，其结构如图3所示。根据酯化度可将果胶分为高甲氧基果胶（high-methoxyl pectin，HM）和LM，果胶中甲氧基含量影响分子间作用力，导致凝胶形成机制不同。HM胶凝条件为低pH值和高糖浓度。LM在二价金属离子存在时能形成稳定的凝胶，适宜pH值在2.5～6.5范围内，形成类似蛋箱型结构的热可塑性凝胶，离子桥和螯合作用是交联的主要作用力，可能存在两种键，一种是容易断裂但能复原的弱键，另一种是无规则分布的强键[5]。以果胶为壁材形成的微凝胶溶胀度高、亲水性好。

Zhang Zipei[14]和Chen Fang[15]等分别用HM和LM通过静电复合法与酪蛋白钠结合制作微凝胶，包封多不饱和脂质-鱼油，两种凝胶相较于传统乳状液都提高了鱼油的氧化稳定性，而以LM为基质的负载鱼油微凝胶粒径均匀、包封率高，抗氧化能力比HM强。原因是LM中羧基含量较高，通过静电吸引力和酪蛋白中的氨基结合更加牢固。果胶能抵抗胃肠道里多种酶的降解，能被肠道菌群降解，适合结肠定点释放营养物质的传递[23]。林柳风[24]利用自组装方法制备溶菌酶-果胶纳米凝胶，包封茶多酚的同时不影响其抗氧化活性。

2.2 魔芋多糖

图4 魔芋葡甘露聚糖的结构示意图Fig. 4 Molecular structure of konjac glucomannan

如图4所示，魔芋葡甘露聚糖由D-吡喃甘露糖与D-吡喃葡萄糖通过β-1,4-糖苷键连接而成，主要含有羟基、羧基、乙酰基等基团，每19 个糖残基约有一个乙酰基，乙酰基的存在赋予其水溶性。魔芋多糖溶液在胶凝剂存在的情况下，经诱导发生脱乙酰基反应，形成热不可逆型魔芋凝胶，其弹韧性高于海藻酸钙凝胶，但脆性低于海藻酸钙凝胶[4]，与黄原胶等复配能够有效改善凝胶特性[25]。将魔芋多糖应用于微凝胶体系中，能有效改善微凝胶的黏弹性品质。

Mu Ruojun等[26]用高碘酸钠将魔芋葡甘露聚糖改性得到双醛葡甘露聚糖，与明胶、海藻酸盐交联制备核壳结构的微凝胶包封嗜酸乳杆菌，结果表明双醛葡甘露聚糖-明胶交联凝胶形成大量相互连通的孔隙，孔壁厚而光滑，能很好地保护内部微生物，体外模拟实验证实微凝胶能改善其耐酸性；包封在微凝胶中的嗜酸乳杆菌的存活率显著增加。

2.3 海藻酸盐

图5 海藻酸盐单体结构[5]Fig. 5 Molecular structure of alginate monomer[5]

海藻酸盐是二元线性多糖，如图5所示，其由M单元（β-D-甘露糖醛酸）和G单元（α-L-古洛糖醛酸）交替连接构成，比例约为1.5∶1。M单元由于空间位阻作用很难与离子螯合，难以维持稳定的交联结构，其柔韧性较好；G单元是维持分子稳定性的基础，其是参与分子交联、改性接枝、衍生化的主要结构，可与二价金属离子作用形成具有典型蛋盒模型的热不可逆型凝胶[27]。

海藻酸盐具有钙敏感性和阴离子特性，制备微凝胶多采用静电凝聚法。益生菌是有益于宿主健康的活的微生物，但益生菌无法在强酸性胃液中存活，Ramos等[28]用微凝胶包封保护益生菌以确保其活性。海藻酸基生物材料可与纳米银、抗生素、蛋白等复合缓释载体，用于多种疾病的靶向治疗，也可在食品中缓释促进活性物质吸收；Ota等[29]将泛酸包封在脂质体和由藻酸盐或海藻酸盐-果胶混合物组成的不同微凝胶微胶囊中。

2.4 卡拉胶

图6 卡拉胶的结构[5]Fig. 6 Molecular structure of carrageenan[5]

卡拉胶是非均一多糖，如图6所示，其主要凝胶结构为κ-卡拉胶、ι-卡拉胶，单体排列有序，二者硫酸酯基阴离子含量不同，ι-卡拉胶中含量多，呈无规线团结构，形成透明且弹性好的凝胶；κ-卡拉胶含量较少，易转变成双螺旋结构，形成高强度不透明凝胶。二者分别可制备K+和Ca2+敏感型微凝胶[4-5]。虾青素是一种光敏性膳食补充剂，Alarcón-Alarcón等[30]制备壳聚糖-卡拉胶-海藻酸钙凝胶微球用来包封保护和释放虾青素。酶经过固定化处理，得到易于控制、稳定性增加、可以反复利用的固定化酶。

2.5 壳聚糖

图7 壳聚糖结构[5]Fig. 7 Molecular structure of chitosan[5]

壳聚糖是一种动物多糖，又名几丁质、甲壳素，如图7所示，其是由β-1,4-N-乙酰-氨基葡萄糖连接的链状无分支高聚物。壳聚糖含有大量的氨基和羟基，易形成分子内和分子间氢键，溶解性非常差，只溶于稀酸[31]。根据这一特点，可制备pH值敏感型微凝胶，还能通过羧基化、烷基化、酯化、醚化、季铵盐化和氧化还原等方式引入特定的基团对壳聚糖进行改性拓展应用[32]。赵婧等[33]以壳聚糖为载体，用pH值敏感型物质2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和温度敏感型物质N-异丙基丙烯酰胺改性，通过自由基接枝共聚反应制备温度/pH值敏感型微凝胶。壳聚糖季铵盐在中性和碱性条件下都能溶解，温辉高等[34]用3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵对壳聚糖进行季铵盐化改性，制备得到羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖。

壳聚糖是自然界中唯一含有氨基的阳离子碱性多糖，其抗菌活性高，能够抗癌、抑癌，纳米载体可与功能性成分产生协同增效作用[35]。由于壳聚糖的界面性质，在最佳条件下能结合本身质量4～5 倍的脂肪[4]。李若慧等[36]以壳聚糖为壁材，经交联反应引入聚乙烯吡咯烷酮制备改性微凝胶，考察在不同环境中吸附花生油的能力，实验证明，引入聚乙烯吡咯烷酮破坏了壳聚糖分子链间和分子内氢键，促进其溶胀、吸附脂肪，改性后吸附量提高到壳聚糖凝胶的3～4 倍。

2.6 其他

黄原胶、琼脂等多糖也作为天然高分子聚合物广泛应用于微凝胶的制备。除多糖中共同特征基团羟基、羧基等，黄原胶还带有乙酰基、丙酮酸侧链，赋予其良好的水溶性和酸碱稳定性。Espert等[37]以黄原胶为高聚物壁材制备微凝胶用来包封棕榈油，凝胶黏度大，能够减缓胃排空速率，增加饱腹感，减少脂肪消化。微凝胶还用于保护β-胡萝卜素等脂溶性物质[38]，制作抗酒精药物制剂等[39]。琼脂聚糖侧链每10 个半乳糖残基有一个被硫酸酯化[27]，适宜凝胶温度范围为32～39 ℃，是一种不耐酸的中性凝胶剂，其独特性在于温度远高于胶凝起始温度时，仍能保持良好稳定性。魔芋多糖凝胶黏弹性好，琼脂凝胶脆性高、刚性强，二者凝胶特性互补。Yuan Yi等[40]将两种多糖复配制备微凝胶，流变学结果表明，魔芋多糖显著降低琼脂凝胶的硬度和刚性，因为二者相互作用减少了琼脂分子链中螺旋结构的聚集，形成小孔网络，使微凝胶更加柔韧，提高了凝胶包封率。

3 蛋白质-多糖复合物

蛋白质和多糖的特征官能团分别赋予了传递体系独特的理化性质，使其环境稳定性更好，应用领域更广泛。各种生物来源的蛋白质、多糖通过物理或化学作用结合得到蛋白质-蛋白质、多糖-多糖、蛋白质-多糖复合物，化学法可通过自由基接枝、美拉德反应或酶催化反应实现共价结合，物理法则包括静电相互作用、离子桥等方式（表2）。Yang Yuexi等[41]通过美拉德反应制备大豆蛋白-大豆多糖复合物作为输送疏水性化合物如柠檬醛的载体系统。Li Chen等[42]用花生分离蛋白和阿拉伯树胶经自由基接枝反应制备复合物。王莉红[43]以卵白蛋白、溶菌酶和卡拉胶为原料，通过蛋白质分子上带正电的氨基酸残基与卡拉胶多糖链上带负电的硫酸酯基之间的静电吸引作用可形成可溶性卵白蛋白/卡拉胶和溶菌酶/卡拉胶复合物，并利用其对水溶性、稳定性较差的姜黄素进行包封。

4 结 语

蛋白质是人体所需的六大营养素之一，多糖具有增强免疫、抗肿瘤等重要的生理功能，作为微凝胶包封的基质，其安全无毒、生物相容性良好，既能保护生物活性成分，又能加强营养素的吸收。蛋白质和多糖中同时存在亲水基团和疏水基团，有良好的亲水性，能与疏水性物质缔合。微凝胶基质分子质量大、聚合度高、分子链长，存在多种不同构型，是形成三维网络凝胶的结构基础。蛋白质中含有大量羧基、氨基等可电离基团，多糖还含有羟基、硫酸酯基、乙酰基等影响凝胶性的重要功能基团。两者络合形成凝胶，可作为生物活性物质的传递体系基质。

蛋白质、多糖种类繁多，每种壁材的特点不尽相同，如卡拉胶、海藻酸钠属于典型的金属离子敏感型壁材，在体系中加入K+、Ca2+，通过注射法即可形成微米级凝胶珠粒，适合制备湿微凝胶；果胶是阴离子多糖，壳聚糖是自然界中唯一含有氨基的阳离子碱性多糖，根据它们的带电特性，可制备在胃肠道特定区域靶向释放的微凝胶；魔芋多糖、黄原胶弹性特征明显，可与其他多糖、蛋白质复合，按需制备对黏弹性有要求的微凝胶；新型壁材阿拉伯胶、瓜尔豆胶等大分子多糖则具有良好的功能特性，其应用于微凝胶体系，能够增加对生物活性成分的保护。

目前国内外应用于食品中的微凝胶多为通过静电相互作用组装的pH值敏感型蛋白质-多糖络合物，如海藻酸盐-乳清分离蛋白凝胶微球[59-60]、海藻酸盐-酪蛋白微凝胶[61]、果胶-酪蛋白酸钠凝胶[62-63]，人体内消化道不同区域pH值相差较大，口腔pH 5～7、胃pH 1～3、小肠pH 6～7.5、结肠pH 5～7，制备pH值敏感型凝胶，可在需要的消化道区域靶向释放芯材，有效提高芯材利用率。此外，温度敏感型、磁性响应型、光敏感型、电敏感型及多重环境响应型凝胶发展迅速，在生物医药领域应用日益广泛，而凝胶在食品领域中应用不仅要提高利用率，还要兼顾色、香、味，以满足人们视觉、嗅觉、味觉等感官需求。基于蛋白质和多糖的结构特点，对两大类天然高分子的改性也有很大的研究空间。

表2 常见几种生物大分子凝胶的形成及其特点Table 2 Formation and characteristics of several common bio-molecular gels

新型壁材层出不穷，如阿拉伯胶、瓜尔豆胶、桃胶等，充分了解蛋白质、多糖的结构、成分和理化性质，扬长避短，改善微凝胶品质，开发利用新型蛋白质、多糖资源，研制不同组合微凝胶，是未来一个发展方向。常用的微凝胶制备方法有酶促偶联、静电复合法、美拉德反应、注射法、乳液模板法，反溶剂沉淀法、热力学不相容法应用较少[64]。不同方法形成的三维网络有所差异，开发新方法制备微凝胶也可作为改善微凝胶品质的一大方向。蛋白质和多糖获取方式简单、成本低廉，其均是人体所需的营养成分，作为包封材料能推动保健品、新型饮品等行业的进一步发展。