孙婉秋,陈雨露,任 爽,袁 芳

(中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

凝胶是指溶胶或溶液中的胶体粒子在一定条件下通过共价键作用互相连接,形成空间网状结构的聚合物,进而作为分散介质的液体,如水等填充在网状结构孔隙中的体系[1]。凝胶具有较强的持水能力和溶胀能力,呈现半固态性质。具有较强稳定性的凝胶,可作为功能因子传递载体包埋脂溶性活性物质,具有良好的保护和缓释效果[2]。但因其高度的溶胀能力和半固态性质,凝胶对储藏条件有一定限制。凝胶颗粒是分散在溶剂中的一种由大分子聚合物交联形成的微观上具有三维网络结构的颗粒物质[3]。凝胶颗粒的分子间存在共价键和非共价键之间的相互作用,因此可以形成稳定的网络结构,且凝胶颗粒能够均匀分散在溶液中,兼具流体性质[4]。凝胶颗粒是传递体系的一种类型,能够对生物活性物质进行包埋和递送,在消化体系中达到稳定和缓释的作用[5]。本文概述了国内外几种常用的制备凝胶颗粒的方法,简述了其目前在食品工业中的应用状况,为进一步研究凝胶颗粒的应用拓展奠定基础。

1 凝胶颗粒分类

凝胶颗粒的原料和制备方法决定了凝胶的不同性能。根据其功能可分为:pH敏感型凝胶颗粒、温度敏感型凝胶颗粒、离子强度敏感型凝胶颗粒;根据制备原料的不同可分为:蛋白凝胶颗粒、多糖凝胶颗粒、复合凝胶颗粒等[6]。

1.1 蛋白质凝胶颗粒

蛋白质可以提供人体所需的氨基酸等营养物质,因此广泛应用在食品体系中。蛋白质是一种安全且具有重要营养价值的原料,具有优异的成膜、凝胶、乳化和保水能力,是生物活性物质的良好载体[7]。蛋白质中存在的游离氨基酸可以与交联剂发生反应,有利于凝胶颗粒网络结构的形成[8]。制备凝胶颗粒最常用的动物蛋白质有乳清蛋白、酪蛋白、明胶和胶原蛋白；植物蛋白质有大豆蛋白、玉米醇溶蛋白和大麦醇溶蛋白等。

乳清蛋白具有良好的凝胶和乳化特性,β-乳球蛋白和α-乳清蛋白是乳清分离蛋白中的两种主要成分[9]。Ach等[10]用乳清分离蛋白(Whey Protein Isolate,WPI)和阿拉伯胶制备了复合凝胶颗粒,并探究了不同环境条件对不同组分的乳清分离蛋白凝胶颗粒的影响。在乳清分离蛋白体系中,β-乳球蛋白的等电点要高于α-乳清蛋白,且含量高于α-乳清蛋白,在形成凝胶颗粒溶液时,会形成不同粒径分布的颗粒。因此要形成稳定的凝胶颗粒体系取决于溶液体系pH和不同蛋白比例等因素。

酪蛋白是乳制品中的主要蛋白质,具有优异的乳化特性,溶液黏度低,营养价值高[11]。酪蛋白形成高度水合的胶体颗粒,称为酪蛋白胶束,酪蛋白胶束可以用于疏水化合物的包封和疏水递送系统的开发[12]。Wang等通过自组装法制备酪蛋白凝胶颗粒,并用凝胶颗粒作为水包油型乳状液稳定剂[13-14]。酪蛋白颗粒可用于包埋和输送生物活性物质,尤其是疏水性化合物,如β-胡萝卜素、柚皮素、精油和维生素D。

大豆蛋白分离物在凝胶、乳化、脂肪吸收、结合水能力和抗氧化等营养保护方面具有良好的物理化学功能,已被广泛用于藻油、番茄油树脂、姜黄素、番茄红素和辣椒油树脂等活性物质的包埋[15]。Matsumiya等[16]用高压均质法将大豆分离蛋白制成凝胶颗粒溶液,该方法提高了大豆分离蛋白溶液的泡沫稳定性和乳化性。

1.2 多糖凝胶颗粒

多糖类大分子物质具有毒性低、经济价值高、生物活性稳定等优点,与蛋白质等大分子物质类似,多糖大分子物质也可以通过物理、化学或酶促反应调节和控制其凝胶特性。多糖主要有3种凝胶机制:离子型、冷凝型、热固型[17]。

天然淀粉不具有乳化性和亲水性,不适用于包封疏水性生物活性物质。淀粉经过交联、氧化、乙酰化等改性后,乳化性等功能特性大大改善,可以用于活性物质的包埋、保护和输送[18]。Torres等[19]制备了以改性淀粉凝胶颗粒稳定的天然淀粉乳液凝胶。吸附在油滴表面的改性淀粉中的疏水基团定向排列,有利于改性淀粉分子之间形成疏水网状结构。

果胶乳液凝胶的流变学性能与甲基化程度有关。在低甲氧基果胶中,随着甲基化程度的降低,果胶的胶凝能力增强[20]。果胶分子在水溶液中可以解离出-COO-,-COO-会和其他带正电物质发生静电络合作用,进而起到吸附作用[21]。Chelpanova等[22]用挤压法将果胶溶液制成凝胶颗粒。该果胶凝胶颗粒通过吸附作用固定碱性磷酸酶,控制酶的释放。

壳聚糖是线性阳离子多糖,具有无毒、可生物降解、生物相容、成膜和抗菌特性[23]。壳聚糖凝胶颗粒具有与其他递送系统相比的一些独特特征,壳聚糖凝胶颗粒可以缓慢地控制生物活性物的释放,增强目标化合物的生物利用度。壳聚糖由于存在氨基而具有阳离子特性,因此它可与其它阴离子交联剂形成稳定且复杂的凝胶颗粒。例如,用壳聚糖与纤维素纳米晶体的交联能够产生稳定的复合凝胶颗粒包封花色素苷,花色苷的包封效率和稳定性得到提高[24]。

1.3 蛋白质-多糖复合凝胶颗粒

单独的蛋白质在强酸、强碱、高温等条件下不稳定,易发生聚集,将其与多糖分子结合后可以利用静电力稳定胶体颗粒,还可改善负载性能[25]。Yuan等[26]研究了大豆蛋白与壳聚糖的复合凝聚,用于藻油的微胶囊化。与纯大豆蛋白相比,复合胶体颗粒的包埋效率和抗氧化稳定性都有所增强。用β-乳球蛋白和海藻酸钠制备纳米颗粒,可以稳定疏水性(姜黄素、β-胡萝卜素、维生素D2)、亲水性(叶酸)等营养物质。涂有一层果胶的酪蛋白酸盐水凝胶颗粒能够调节乳液类产品的质地、外观和稳定性,还可改善风味,降低脂肪含量[27]。

蛋清蛋白是存在于家禽蛋制品的蛋清中的一类蛋白质,蛋清蛋白主要包括卵白蛋白、卵清蛋白等蛋白质[28]。苏芳萍研究了蛋清蛋白与卡拉胶复合颗粒体系:与天然蛋清蛋白颗粒相比,卡拉胶与蛋清蛋白复合的颗粒体系的絮凝程度低;在蛋清蛋白作为连续相制备凝胶方面,随着卡拉胶浓度增加,复合凝胶的网络强度增强[29]。

2 凝胶颗粒制备方法

凝胶颗粒的制备方法通常分为两类:一、机械制备法,通过机械设备进而用物理方法形成凝胶颗粒,即先制成凝胶,再通过挤压法、喷雾干燥法、剪切法以及高压均质法等机械方法对其进行分离、破碎得到微米或纳米级凝胶颗粒;二、分子缔合法,即先通过蛋白质的热变性、多糖和蛋白质的化学交联、溶解和再凝聚等物理化学作用制成胶体溶液,再经过复凝聚、剪切、均质等方法将溶液中的溶质制成凝胶颗粒态[30]。凝胶颗粒的尺寸控制是其衡量颗粒是否制备成功的关键因素,制备受温度、pH、离子强度、溶剂等外界因素影响[31]。不同粒径尺寸的颗粒应用范围有所不同:500 μm以上大尺寸的凝胶颗粒,在口腔中会形成明显颗粒包埋感,而粒径为5～25 μm的凝胶颗粒,在口腔中质地温和平缓[32]。通过凝胶过程进而形成颗粒是凝胶颗粒制备的关键因素。本文主要叙述了机械制备法。

2.1 挤压法

在挤压颗粒技术中,生物聚合物溶液以液滴的形式,通过喷头喷雾器或注射针进入到硬化溶液中,最终形成颗粒。在液滴进行分离的注射器喷嘴处,悬挂的液滴因为表面张力的存在而逐渐增至最大直径,然后分离进入硬化溶液中,简单的挤压法一般可以获得直径大于1000 μm的凝胶颗粒[33]。由于交联剂的作用,液滴在硬化溶液中发生交联形成颗粒状凝胶,如图1所示。例如:将卡拉胶溶液注入含氯离子溶液中,卡拉胶液滴可以凝胶化[34];果胶溶液滴入钙离子溶液中,可以形成凝胶颗粒[20];壳聚糖加入三磷酸盐溶液中可以制备凝胶[26]。

图1 挤压法制备凝胶颗粒示意图Fig.1 Schematic representation of the extrusion method used to produce microgel particles

为了得到所需粒径的凝胶颗粒,实验过程中可以控制温度的变化进而控制凝胶的形成过程,也可以使用通气、加压、振荡、旋转等外力使颗粒破碎,降低颗粒粒径[35]。Lee等[36]利用空气挤压系统,在液滴进入喷嘴管口被分散的过程中,通入可控速率的空气气流,气流产生的压力使凝胶颗粒破碎,得到所需小粒径。气流流速可以用空气压缩机或者氮气钢瓶进行控制,如图2所示。挤压过程中,针孔直径大小、挤压速度等外界因素也决定了下落液滴粒径大小;溶液自身的表面张力、浓度和黏度等因素是决定能否形成颗粒溶液的关键[37]。通过溶液的密度、流动速度、黏度等计算出雷诺数Re和韦伯数W,分析溶液的运动情况,计算公式如下:d为一特征长度、ρ为流体密度,v为特征流速,l为特征长度,σ为流体的表面张力系数[38]。

在海藻酸钠溶液形成凝胶颗粒的体系中,液滴进入硬化溶液后,硬化溶液的条件控制了凝胶颗粒的形成。海藻酸钠加入含有Ca2+离子的黄原胶溶液中,随黄原胶浓度的变化,溶液体系会出现相容、成胶、结晶等不同现象[39]。当海藻酸钠-Ca2+离子溶液进入含有聚丙烯酰胺的共价交联网络结构的溶液中,会得到伸长率和断裂性能较好的凝胶溶液[40]。而液滴由于剪切力和冲击力的作用容易发生形变、形成的凝胶颗粒不均一,这是目前挤压法存在的一些不足。

图2 空气辅助挤压法制备海藻酸盐凝胶颗粒示意图Fig.2 Schematic representation of the air assisted extrusion method used to produce alginate microgel particles

2.2 喷雾干燥法

为了改进分散的液滴在硬化溶液中硬化成胶存在的不足,喷雾干燥法不再利用硬化溶液成胶,而是当液滴在空气中被分散时,直接将其固化成凝胶[30]。喷雾干燥是将溶液通入喷雾干燥器中经雾化形成液滴,获得比表面积较大的液滴。之后加热使液滴中的水分迅速蒸发,最后得到干燥的颗粒[41]。雾化是影响颗粒粒度的关键步骤,而通入乳液的速率、溶液浓度、温度、压力和空气速率等,均会影响产物颗粒粒径大小[42]。

喷雾干燥法能够较大程度上得到体积质量小的液滴,便于储藏和运输。因此,在实验领域和工业领域已形成了一套完整的使用方法和体系,得到了广泛推广和应用。喷雾干燥法制成的颗粒还可以作为功能物质的传递系统对风味物质进行包埋[43]。目前喷雾干燥技术已经应用于奶制品加工储藏、果蔬汁加工、益生菌包埋等[44-45]。

图3 喷雾干燥法制备凝胶颗粒示意图Fig.3 Schematic representation of the spray chilling method used to produce microgel particles

喷雾干燥中溶液的物理特性会影响喷雾过程及结果。周倩[46]在制备大豆蛋白流体凝胶颗粒中发现,单独的8.0% SPI 搅拌加热后黏度很大,不适合进行喷雾干燥,而加入阿拉伯胶可以控制大豆蛋白的热聚集行为,降低黏度,有利于后续喷雾干燥。

2.3 剪切破碎法

剪切破碎法是指将聚合的凝胶进行剪切,并破碎成较小直径颗粒的方法。在胶体溶液凝胶化过程中,外界通过振荡、剪切、挤压等方法,向含有凝胶的溶液体系输入能量,使凝胶破碎,从而获得粒径较小的凝胶颗粒[34]。剪切速率、剪切类型、剪切环境会影响形成的凝胶颗粒的性质和结构。剪切过程中辅助振荡,通过这些相互碰撞作用可以得到类球形的凝胶颗粒;而挤压等固定剪切的方法则使液滴变形,以获得细长型以及其他不规则型凝胶颗粒[31]。不同蛋白或多糖溶液在形成凝胶过程中,成胶机理不同,因此溶液材料也会影响破碎形成的颗粒尺寸、形状和质地等[47]。若蛋白或多糖凝胶具有较大强度、硬度、脆性等,则在制备过程中不易破碎,且凝胶颗粒一般为较大尺寸,质地粗糙。若蛋白或多糖凝胶质地松软,则制成凝胶颗粒的粒径较小,分散性强,可以形成凝胶颗粒溶液。调节剪切过程和凝胶热变过程,可以得到不同的凝胶颗粒。因此,剪切破碎法是一种广泛使用的制备微凝胶的方法[48]。

图4 挤压破碎法制成的包埋姜黄素的乳液凝胶颗粒Fig.4 The emulsion gel particles containing curcumin prepared by extrusion crushing method

图5 高压均质法制备凝胶颗粒示意图Fig.5 Schematic representation of high pressure homogenization method used to produce microgel particles

2.4 高压均质法

高压均质法制备凝胶颗粒主要分为三个阶段。首先,制备胶体溶液并诱导形成凝胶;其次,将凝胶放入去离子水溶液中,对其进行物理剪切破碎;最后,通入微射流均质机中进行高压均质[19]。第一阶段凝胶的形成过程中,控制温度、pH、溶液浓度、冷却时间等,可以得到不同质地、流变特性的凝胶。在第二阶段,剪切破碎的速率、时间会影响凝胶破碎程度,若破碎不彻底则会导致第三阶段均质过程中出现堵塞等情况。在第三阶段,将破碎后的凝胶颗粒溶液多次通入微射流均质机中进行高压均质以得到纳米级微凝胶颗粒[16]。郭健等[49]运用高压均质法制备大豆蛋白凝胶颗粒。首先将大豆蛋白溶解并室温存放,使蛋白质分子充分水合,并调节酸碱度使蛋白质分子交联制成蛋白质凝胶。再将其在放入去离子水中,调节pH,经过连续剪切破碎,得到细小颗粒。然后多次通入高压均质机中均质,最终得到粒度均一的大豆蛋白凝胶颗粒[49],如图3所示。这种方法还可以用来制备含有淀粉、大豆蛋白、乳清蛋白的凝胶颗粒或用凝胶颗粒稳定的乳液等[49]。

在食品工业应用中,有时一种方法不能完全制备所需要的粒径大小的凝胶颗粒,通常是两种或两种以上方法结合使用。Murray等[50]结合剪切破碎法和高压均质法成功制备了乳清分离蛋白凝胶颗粒[49]。

3 凝胶颗粒的应用

3.1 食品药品的传递体系载体

3.1.1 包埋功能因子 一些水溶性差、化学稳定性低的生物活性成分在食品体系中存在含量低、生物利用率低等缺点[51]。凝胶颗粒是功能因子传递体系的一种类型,因此可以作为提高生物利用率的一种方法和途径。凝胶颗粒能够对生物活性物质进行包埋和递送,含有功能活性物质的凝胶颗粒通过腐蚀、膨胀、扩散、破裂等作用,在靶向位置控制功能活性物质的释放,从而在消化体系中达到稳定和缓释的目的[52]。已有研究表明,凝胶颗粒可以包埋小分子化合物、固体颗粒、液滴、胶束、囊泡等多种复合物[53]。

喷射式均质机可以用来制备包埋水溶性差的多酚和β胡萝卜素的海藻酸钙凝胶颗粒。将不溶性多酚和β-胡萝卜素溶液与海藻酸原液混合,用超声降解法辅助包埋,最后将其与CaCl2溶液通入喷射式均质机中。在狭窄的均质机通道中,两种溶液高速混合,形成海藻酸钙凝胶颗粒[54]。玉米醇溶蛋白制备的玉米醇溶蛋白颗粒可以作为传递体系包载多种药物,保护了药物不受外界环境的影响,防止药物的降解,从而提高了药物稳定性。同时,延缓药物释放可以增加药物的靶向性,从而提高药物疗效、缩减治疗期[55]。

3.1.2 水包油型乳液稳定剂 蛋白质具有优异的成膜、凝胶、乳化和保水能力,是生物活性物质的良好载体,蛋白凝胶颗粒具有两亲性,在含油和含水的界面都具有表面活性[49]。在乳液体系中,吸附在油-水界面的凝胶颗粒,受内部聚合物网络的约束和吸附颗粒间胶体的相互作用影响,经历变性和结构重排,能够在油-水界面形成长期稳定的粘弹层。凝胶颗粒能够有效稳定乳液是颗粒变形性和表面粘弹性共同作用的结果,这为凝胶颗粒作为皮克林乳液的稳定剂提供了理论基础[13]。凝胶颗粒还可以作为乳化剂,用来制备高内相的皮克林乳液。吴晓静等[56]通过超高压结合高压均质技术,制备乳清分离蛋白凝胶颗粒,并利用此凝胶颗粒制备水包油型皮克林乳液。当pH在连续相的等电点范围内时,制得的皮克林乳液静止后能自发形成凝胶乳状液,且具有较高的黏性和稳定性。用乳清分离蛋白凝胶颗粒稳定的皮克林乳液包埋姜黄素,控制pH、溶液浓度、离子强度等可以制得包埋率高的乳状液。实验证明,在pH=5.0的条件下,凝胶颗粒作为稳定剂的乳状液包埋对姜黄素的包埋率比传统乳液高,在体外实验中,其缓释效果更好。

Jiao[57]以天然花生分离蛋白(Peanut Protein Isolate,PPI)为原料,用谷氨酰胺转氨酶诱导法制成成凝胶,再用高压均质法破碎凝胶制成凝胶颗粒。该PPI凝胶颗粒可以用来制备高油相的皮克林乳液。PPI凝胶颗粒吸附在油水界面上,在液滴周围形成致密的包裹层,部分过剩的PPI凝胶颗粒分散在连续相中形成网状结构,使乳液稳定不发生凝聚,最终食用油相比例可高达87%。

3.1.3 油包水型乳液稳定剂 油包水型乳液的不稳定性影响了乳液在食品工业中的应用和产品的储藏。Wang[58]在油包水体系的水相中加入酪蛋白和助凝剂,将水相制成凝胶颗粒溶液。实验通过浊度和粒径变化分析了该油包水的稳定性,实验发现酪蛋白凝胶颗粒的油包水型乳液比不含酪蛋白凝胶颗粒的乳液具备更强的抗失稳能力。

3.2 脂肪代替物

脂肪代替物主要以蛋白质和碳水化合物为基质,添加在食品中以模拟同类全脂食品,使该食品具有相同或相近的感官效果而具有脂肪含量低的特点。脂肪代替物主要分为蛋白质基脂肪代替物、碳水化合物基脂肪代替物、脂质基脂肪代替物和复合类脂肪代替物。碳水化合物基脂肪代替物包括以糊精和改性淀粉为主的淀粉基脂肪代替物和葡聚糖、果胶为主的纤维基脂肪代替物;脂质基代替物是以脂肪酸为基质,通过合成或改性等方法获得的化合物,具有类似油脂的性质;蛋白质基脂肪模拟物是通过物理、化学方法对底物蛋白质进行微粒化处理得到凝胶蛋白颗粒,通过改变其粒径、乳化性及持水性等特点来制备、模拟脂肪[59]。蛋白质与胶类物质混合处理形成凝胶,而凝胶具有海绵状三维网状结构,这种结构显示部分的黏性和部分的弹性,且凝胶网可以截留大量的水,被截留的水具有一定的流动性。当变性蛋白质形成凝胶后,经过微粒化技术处理后,所得的颗粒很小以至于舌头无法将颗粒分辨,这使得蛋白质模拟物具有了脂肪的口感特性[60]。

脂肪代替物可以应用于乳制品和甜点中。刘迪茹[61]采用乳清蛋白制备凝胶颗粒,并包埋鱼油,应用在低脂酸奶中,在感官评价测试中用凝胶颗粒制备的酸奶与全脂酸奶无明显差异。Paglarini等[62]用大豆蛋白和角叉菜胶以及菊粉复合制成乳液凝胶颗粒物,用于代替法兰克福香肠中的脂肪,添加脂肪代替物的香肠与传统香肠在硬度和流变特性方面无明显差异;感官特性低于传统香肠,但营养性更高。

3.3 食品性质改良

周倩[46]用喷雾干燥法制得大豆蛋白凝胶颗粒。在制备过程中加入阿拉伯胶辅助凝胶颗粒的形成,使颗粒表面光滑、塌陷减少,同时添加吐温80改善了颗粒浸润性。再将凝胶颗粒代替部分大豆分离蛋白制备热制凝胶,可增加所制凝胶的硬度、弹性、内聚性和回复性。凝胶颗粒修饰了食品体系的黏度、硬度等质构特性,增强了蛋白质凝胶的口感,可以作为新一代蛋白配料用于食品加工工业中。

4 结语

随着市场和民众对食品营养性和功能性的要求不断提高,功能因子传递体系的研究成为热点问题。而凝胶颗粒作为传递体系的一种类型,兼具溶胀性和流体性等多种优势,而且对包埋物质起到保护、稳定的作用。本文概述了凝胶颗粒的几种常用的制备方法,而不同方法之间的优劣对比或多种方法之间的结合增效还需要进一步研究。凝胶颗粒对功能活性物质的包埋率、稳定性以及代谢动力分析等,是进一步研究的方向。凝胶制备方法在更复杂的食品体系中的应用方法改进和其影响因素也需要进一步探索。