水凝胶是一种三维多孔网络结构,它们通常由亲水性的聚合物组成,能够在其三维网络结构中保持大量的水分同时保持类似固体的特性而不溶解[1]。 其三维结构包括2 个相：液相和基于聚合物或聚合物混合物的固相。 水凝胶聚合物链主要通过物理或化学方式交联,从而形成具有弹性的网络结构[2]。 多糖和蛋白质作为食品中常见的天然生物聚合物材料,它们的相互作用对于食品的品质和功能性特性具有显著影响。 复合水凝胶体系由2 种不同的生物聚合物构成,这些生物聚合物各自独特的物理化学属性赋予了该体系与单一组分水凝胶所不具备的特性差异[3]。 与单一组分的水凝胶相比,多糖-蛋白质复合水凝胶可更有效地控制凝胶的结构,并表现出更广泛的相行为。
近年来,由天然聚合物制备的水凝胶在生物医药、创新材料等领域引起广泛关注[4],常见的多糖如淀粉、壳聚糖、黄原胶(xanthan gum,XG),蛋白质如乳清分离蛋白(whey protein isolate,WPI)、大豆分离蛋白(soy protein isolate,SPI)、明胶等。 尽管水凝胶领域的研究不断取得新的进展,但与医药领域相比,水凝胶在食品科学等方面仍然缺乏关于最新研究进展的系统评价。 目前,相关研究多集中在水凝胶的基本性能表征,而对于其在食品领域应用的深入探索则相对不足。 文章旨在从多糖-蛋白质复合水凝胶的制备方法、形成机制以及在食品中应用3 个方面进行综述,为食品行业开发出高品质的水凝胶产品提供理论支持,从而推动水凝胶在食品领域的广泛应用。
1 多糖-蛋白质复合水凝胶的制备方法
迄今,利用不同多糖和蛋白质制备复合水凝胶的方法已呈多样化发展态势。 常见的制备方法有：热诱导、pH 诱导、盐离子诱导和酶诱导等(表1)。 近年来,新兴技术的涌现,如三维打印技术、超声波、冻融循环、双重诱导等,为水凝胶的设计及制造赋予了创新性途径,为其相关研究与应用带来了新的契机与变革动力。
表1 多糖-蛋白质复合水凝胶常见的制备方法
Table 1 Polysaccharide-protein composite hydrogels：conventional preparation methodologies
序号多糖-蛋白质名称凝胶化条件实验结果参考文献1枸杞多糖-SPI热诱导(90 ℃30 min,4 ℃过夜)强度、持水能力、热稳定性、β-折叠含量提高[5]2结冷胶-豌豆蛋白热诱导(80 ℃30 min,4 ℃过夜)不稳定性指数值降低[3]3绿豆淀粉-亚麻籽蛋白热诱导(95 ℃30 min,4 ℃过夜)凝胶硬度降低、消化率提高[6]4木薯淀粉-酪蛋白热诱导(85 ℃15 min,4 ℃过夜)三维打印性增强[7]5λ-卡拉胶(κ-carrageenan,KC)-SPIpH 诱导(pH 1.2)结构更粗糙、持水能力和硬度提高[8]6XG-苋菜分离蛋白pH 诱导[葡萄糖酸-δ-内酯(glucono-δ-lactone,GDL)调pH 值为4.0 和5.5]pH 值4.0,获得静电水凝胶,有较强的聚集网络[9]7洋车前子-豌豆蛋白pH 或盐离子诱导[pH 值为7.0、4.5、3.0 或摩尔浓度为0.15、0.3 mol/L Na + ,(4 ±1) ℃贮存24 h]pH 值3.0、摩尔浓度为0.3 mol/L Na + 的水凝胶有较高的弹性和稳定性[10]8海藻酸钠-明胶或鱼胶原蛋白盐离子诱导(质量浓度10 g/L Ca2+ 交联70 min)用鱼胶原蛋白代替明胶可获得较低溶胀度、更好机械性能、更高稳定性的凝胶[11]9石花蒿多糖-明胶盐离子诱导(摩尔浓度为0.06 mol/L Fe3+ )聚合物相互作用显著提高凝胶强度[12]10 海藻酸盐-明胶酶诱导[25 g/L 转谷氨酰胺酶(glutamine transaminase,TG)]随着酶浓度的升高,抗生素的释放减慢[13]11 XG-丝素蛋白超声(声波55%振幅处理2 min)超声利于蛋白诱导β-折叠,并使加热的XG链均匀地捕获在蛋白网络中[14]12 索拉胶-SPI双诱导(90 ℃预热20 min,冷却至室温,加20 U/g TG 50 ℃加热1 h)凝胶弹性增加[15]13 小麦阿拉伯木聚糖-米谷蛋白双诱导(6 U/g 漆酶,先40 ℃加热2 h,再90 ℃加热30 min)高浓度原料制备的复合水凝胶具有较高的力学性能与保水性能[16]14 玉米纤维胶-SPI双诱导(质量浓度为5 g/L GDL 和0.1 U/mg 漆酶)在模拟肠液中,复合水凝胶的核黄素转运效率高于SPI 水凝胶[17]
1.1 热诱导
热诱导指通过热处理来制备水凝胶的方法,其可以影响多糖和蛋白质之间的交联程度。 在加热条件下,一些多糖(如淀粉等)和蛋白质会发生糊化或变性,暴露大量活性基团,这使得在冷却过程中大分子间更容易发生相互作用(包括氢键、疏水相互作用、静电相互作用及二硫键的协同作用),形成稳定的网络结构。 加热温度是关键性因素,它通过控制多糖和蛋白质之间的相互作用从而影响水凝胶的结构、性能、功能及其应用范围。 He 等[18]通过加热至90 ℃使银杏种子分离蛋白中的疏水基团和巯基暴露,使其能与果胶分子中的甲氧基等疏水位点形成稳定的疏水缔合,从而制备具有优异性能的复合水凝胶。 有研究比较了0 ℃(低于琼脂凝胶转变温度)和60 ℃(高于琼脂凝胶转变温度)条件下制备的琼脂-β-乳球蛋白纤维凝胶,发现后者具有更小、更致密的三维网络结构[19]。 对于可得然胶-豌豆蛋白复合水凝胶,与经80 ℃诱导形成的凝胶相比,60 ℃诱导形成的凝胶具有更高的机械性能,且凝胶孔隙更均匀,纤维结构更窄[20]。 加热过程促进了可得然胶与豌豆蛋白之间的氢键相互作用,从而影响蛋白质的二级结构,导致α-螺旋含量降低,β-折叠含量增加,这有利于凝胶的形成。
1.2 pH 诱导
通过调节pH 值可改变多糖或蛋白质的溶解度、分子构型、电荷密度和Zeta-电位,进而影响分子内/间的相互作用来制备水凝胶。 GDL 是一种中性葡萄糖酸环状酯,在水中水解为葡萄糖酸,可用于食品pH值的控制以及酸诱导凝胶的形成,是一种常见的食品酸化剂[21]。 Wang 等[22]利用质量浓度为30 g/L 的GDL 将体系pH 值缓慢降至3.6,此时SPI 带正电,可与凉粉草多糖产生静电相互作用制备复合水凝胶,且凉粉草多糖中含丰富的羧基和羟基,这些基团可以脱水缔合,进一步促进了SPI 的聚集。 酸化的动态过程同样对复合水凝胶的结构与性能至关重要。 研究发现,在等电点附近时,大豆蛋白的疏水基团会包埋进分子内部,为高酯果胶提供了较多的结合位点,此时复合水凝胶在静电相互作用下可形成最致密的微观网络结构,宏观上表现出最稳定的弹性固体特性。 但当pH 继续降低,凝胶的流变特性和质构特性发生恶化,在pH 3.3 时,过度酸化导致复合体系难以形成网络结构,凝胶特性遭到破坏[23]。 在碱性条件下,Ding等[24]将铁皮石斛多糖和大麻籽蛋白复配时发现,多糖在碱性条件下能发生脱乙酰化反应,暴露出更多的羟基,这些羟基通过氢键与蛋白质结合,诱导蛋白质构象转变为β-折叠,最终促使体系形成致密的三维网络结构。 因此,pH 值的变化会改变体系内多糖与蛋白分子间的相互作用,同时表明了酸化剂、碱化剂在水凝胶中主要影响多糖蛋白复合物的静电相互作用,从而使分子间发生构想转变或重排,形成更加稳固的水凝胶。 这为设计pH 响应型功能材料提供了理论依据。
1.3 盐离子诱导
无机盐是一种常见的盐类凝固剂,其在控制凝胶成分的相互作用中起着至关重要的作用,例如Na+、K+、Ca2+、Fe3+。 盐离子诱导中促进凝胶形成的主要相互作用是静电相互作用和疏水相互作用,凝胶的三维结构主要是二硫键相互作用。 Na+ 和Ca2+ 可与多糖和蛋白质分子上的负电荷基团结合,从而引发构象的变化,导致疏水基团和巯基的暴露。 在凉粉草多糖-SPI 复合水凝胶中,Na+和Ca2+能显著增强凝胶的机械强度,同时促进多糖与蛋白质间的静电相互作用、疏水相互作用和二硫键相互作用,提高了复合水凝胶的凝胶强度、持水力和热稳定性[25]。 对于离子种类,二价或多价阳离子在抑制静电吸引力方面比一价阳离子更有效,因为二价或多价阳离子的电荷密度高,其既能通过“桥接”强化分子间结合,又能在较低浓度下平衡静电吸引与排斥,避免分子过度聚集[26]。Pan 等[27]研究发现,摩尔浓度为0.04 mol/L Ca2+相较于摩尔浓度为0.06 mol/L Na+能提升κ-KC-猪肌球蛋白复合水凝胶的持水力(从79. 64% 增至86.60%)和凝胶强度(从4. 43 N 增至5. 70 N)。适宜的Ca2+浓度有助于构建致密凝胶网络,而高浓度则可能导致肌球蛋白聚集,影响凝胶稳定性。 盐离子诱导多糖-蛋白质复合水凝胶形成的机制既揭示了离子价态与浓度对生物大分子组装的调控规律,为高性价比、高性能功能凝胶的开发提供了理论支撑。
1.4 酶诱导
在水凝胶的酶法构建过程中,常利用一步法和两步法。 一步法指将酶直接添加至多糖和蛋白质的混合物中,随后通过冷却程序诱导水凝胶的形成,其适用于单一酶诱导、成分相对较少的凝胶的制备。 陈浩等[28]单独使用漆酶制备了甜菜果胶-SPI 双网络水凝胶。 其中,漆酶作为一种含铜生物催化剂,可氧化酚类基团等,促使甜菜果胶与SPI 分子间的交联。 相比之下,两步法适用于通过双酶顺序交联形成凝胶的情况。 在此方法中,水凝胶网络的构建分为2 个阶段：一种酶作用于底物形成初步的网络结构后,另一种酶参与作用进一步交联形成最终的水凝胶结构[29]。 张叶敏[30]首先利用辣根过氧化物酶催化壳聚糖-对羟基苯丙酸生物大分子前体交联形成一个网络,再通过TG 催化明胶交联形成另一个网络,两者组合制备了具有高强度生物高分子水凝胶。 故两步法可通过分阶段调控网络结构,获得更高强度的凝胶,适合对力学性能要求高的生物材料领域。
在多糖-蛋白质复合水凝胶的制备领域,上述方法已被广泛使用,但这些方法均具有各自的优势与局限性。 热诱导操作简单、易于控制,适合热稳定性好的物质,但可能对热敏感成分造成不利影响。 pH 诱导能够精确调控凝胶化过程,适用于pH 敏感型材料,但酸化剂或碱化剂可能会损坏某些物质。 盐离子诱导可快速形成稳定的凝胶,但某些盐离子可能对生物体有毒。 酶诱导反应条件温和,对生物活性物质影响小,具有高度的特异性,但成本较高且可能出现酶残留等问题。 因此,在实际应用中,选择水凝胶的制备方法时需要综合考虑聚合物的理化特性、试剂的安全性、实验室预算等因素,并灵活使用单一方法或多种方法联合使用,以精确控制水凝胶的结构和性能,满足个性化需求。
2 形成机制
如图1 和图2 所示,多糖与蛋白质的结合主要分为非共价相互作用和共价相互作用,这2 种相互作用决定了多糖-蛋白质复合物及复合水凝胶的结构与功能,在食品、生物医学及智能材料开发等领域中具有重要应用价值。
图1 多糖-蛋白质复合水凝胶形成的各个阶段
Fig.1 Various stages of the formation of polysaccharide-protein composite hydrogels
图2 多糖-蛋白质复合水凝胶交联机理
Fig.2 The cross-linking mechanism of polysaccharide-protein composite hydrogels
2.1 非共价相互作用
物理交联水凝胶是通过非共价相互作用构建,如静电相互作用、氢键、疏水相互作用、主客体相互作用、冻融循环技术、结晶、分子特异性结合、π-π 堆叠和构象转化等[31]。 物理交联通常温和且具生物相容性,但它们可能对环境条件敏感,并且机械强度可能降低。
2.1.1 静电相互作用
静电相互作用是多糖-蛋白质复合水凝胶的主要驱动力,主要体现在电位值上,该凝聚现象通常在蛋白质的等电点附近发生。 带电荷的多糖可以与带相反电荷的蛋白质形成复合物,这种相互作用的强度主要由与静电相互作用调节相关的参数决定,包括环境pH 值、生物聚合物比率或总浓度、离子强度、温度和多糖化学/分子组成。 阴离子多糖可通过静电作用诱导蛋白质的α-螺旋向β-折叠转变。 Liu 等[32]以高电荷葡聚糖硫酸盐和蛋清蛋白为原料制备复合水凝胶的红外光谱分析图显示,蛋清蛋白的胺基和高电荷葡聚糖硫酸盐的硫酸根基团之间存在强列的静电相互作用。 90 ℃条件下蛋清蛋白充分变性,暴露出内部巯基与疏水位点;骤冷有利于形成静电复合结构,抑制相分离,形成均匀三维网络。 但当负电荷过量时,会产生一定程度的不相容性,并且此时网络主要由疏水相互作用产生[9]。 即可通过调控pH 值、离子强度及多糖-蛋白质比例,在静电相互作用与疏水作用之间切换交联机制,进而精确设计凝胶的机械强度、溶胀度及荷载或释放行为,为水凝胶系统提供可编程基质。
2.1.2 氢键
氢键是一种较弱的物理作用力,由氢原子与电负性高的原子间的静电吸引形成。 张涛等[33]发现麦麸多糖提高了鱼糜凝胶体系中氢键的含量,这可能是因为多糖中含有大量羟基。 此外,低酯化度果胶具有更多的羟基,这些羟基作为氢键供体,可与大米蛋白中的氨基、羰基等氢键受体发生氢键相互作用,有效形成网络结构更致密的复合凝胶。 该凝胶具有较强的负载姜黄素性能,在果胶质量浓度为15 g/L 时负载率最佳[34]。 尿素能够破坏大分子内部或分子间的氢键相互作用。 研究表明经过尿素处理的复合凝胶硬度降低,意味着氢键是魔芋葡甘露聚糖-甲壳素纳诺希斯克-SPI 复合水凝胶的主要作用力[35]。 综上所述,氢键可利用分子内/间双重机制,为多糖-蛋白质复合水凝胶的性能调控提供理论基础。
2.1.3 疏水相互作用
疏水相互作用是指疏水表面或疏水物在水性介质中发生聚集。 具有两亲性的聚合物可发生疏水相互作用时,其亲水基团或疏水基团相互缔合,疏水部分聚集以达到合适的熵条件。 比如,在多糖-蛋白质复合水凝胶中,疏水相互作用主要与蛋白质的疏水区域有关,添加多糖可以促进疏水基团的暴露和反应,从而增强疏水相互作用。 与单一蛋白质水凝胶相比,不同离子多糖-肌原纤维蛋白复合水凝胶疏水相互作用显著增强。 其中,羧甲基纤维素钠(阴离子多糖)-肌原纤维蛋白复合水凝胶的疏水相互作用弱于壳聚糖(阳离子多糖)/魔芋葡甘露聚糖(中性多糖)-肌原纤维蛋白复合水凝胶[36]。 这可能是因为,在pH 值为7 的条件下,阴离子多糖与肌原纤维蛋白均带负电,存在静电排斥,会阻碍蛋白质疏水区的聚集,从而了削弱疏水相互作用。
2.2 共价相互作用
化学交联水凝胶是通过共价相互作用构建的,如化学交联剂、席夫碱反应、辐照、接枝聚合、迈克尔加成等。 与非共价配合物相比,共价配合物具有更高的稳定性,且对pH 值和离子强度的变化不敏感。 但化学交联可能涉及有毒物质,从而限制了其在食品、生物医学等领域的应用。
2.2.1 交联剂
交联作用作为制备多糖-蛋白复合水凝胶常用方法,主要是将多糖、蛋白质以及多糖蛋白质复合物分子间通过交联剂实现共价交联,从而制得水凝胶。 复合水凝胶制备中常用的交联剂有戊二醛和京尼平等。前者是一种常见化学交联剂,因其高效性、易得性以及低廉的价格而被广泛应用。 有研究利用戊二醛制备了KC-明胶复合水凝胶薄膜,发现该水凝胶薄膜具有一定的生物相容性和自修复性能[37]。 但醛官能团可能会引起细胞毒性和炎症,所以常选择京尼平作为优良的天然生物交联剂。 京尼平是栀子苷经β-葡萄糖苷酶水解后产物,其具有多个活性官能团,如羟基、羧基等官能团能自发与氨基反应[38]。 Chen 等[39]研究发现,京尼平(质量浓度10 g/L)能攻击分子链上的氨基基团,形成异环氨基化合物,借助分子间交联作用构建三维网络结构,由此制得了具有良好缓释效果的壳聚糖-鱿鱼环齿蛋白复合水凝胶。 然而,与其他交联剂相比,京尼平的成本较高、交联速度相对较慢,这可能会限制其在食品包装领域等的广泛应用。
2.2.2 席夫碱反应
席夫碱反应是指含有羰基的醛或酮与胺化合物缩合产生亚胺化合物的亲核加成反应[40]。 其中,形成的亚胺键具有可逆性,使得水凝胶具有独特的自愈能力,从而实现凝胶结构的自主修复。 有研究利用醛改性XG 和明胶之间的席夫碱反应合成的新型多糖-蛋白质水凝胶[41]。 因为二醛多糖的醛基可通过席夫碱反应与蛋白质赖氨酸或羟赖氨酸侧链上的ε-氨基发生交联。 进一步研究表明,席夫碱反应结合“多功能修饰”能设计出多功能水凝胶。 如Mao 等[42]开发了一种结合希夫碱基交联和多巴胺修饰的新型可注射二醛羧甲基纤维素-胺化明胶水凝胶,该水凝胶表现出优异的自愈特性、强附着力、可快速止血,能用于烧伤伤口愈合等。 席夫碱反应是一种高效且具有广泛应用前景的交联方法,可以改变多糖、蛋白质和多糖蛋白质复合物构象、空间排布等,尤其适用于制备具有自愈合能力和生物相容性的水凝胶材料。
2.2.3 辐射
辐射交联指在高能辐射(紫外线、伽马射线等)的照射下,自由基在聚合物分子之间形成分子间键从而制备水凝胶,该方法反应速度快、无需添加化学引发剂,但设备成本较高且对操作条件要求较高[40]。辐射交联法制备的水凝胶通常具有较高的交联密度和良好的稳定性。 Amirian 等[43]研究表明,在紫外光照射(7 mW/cm2,3 min)条件下,甲基丙烯酸酯基团之间可形成共价键。 复合水凝胶的网络结合了甲基丙烯酸透明质酸酯的生物活性和亲水性,以及丝素蛋白甲基丙烯酸酯的机械强度。 该研究还表明,改变原料的比例可以改变交联密度和网络结构,从而能够根据特定需求调整水凝胶的机械和生物性能。 因此,辐射交联利用引发剂激发产生活性自由基,并在大分子特定官能团上发生原位聚合。 该方法可减少有毒化学物质的影响,精确控制水凝胶特性,并能将交联和消毒同步进行,为水凝胶的临床医学等提供了保障。
2.2.4 酶交联
酶交联能够在温和的条件下在聚合物链之间产生强共价键。 酶交联制备的水凝胶具有良好的生物相容性和可降解性,并且可以通过改变酶的添加量来调节水凝胶的韧性、弹性、强度和抗疲劳等性能[40]。酶交联具高效、专一、反应条件温和的特点。 在实际应用中常用的酶有：TG、漆酶、辣根过氧化物酶、酪氨酸酶等。 如马骏骅等[44]研究发现TG 可催化SPI 中谷氨酰胺残基的γ-酰胺基和赖氨酸残基的ε-氨基发生共价交联,最终形成ε-(γ-谷氨酰胺)赖氨酸键,这种共价键的强度远高于氢键、疏水相互作用等非共价键,为凝胶网络提供强的结构支撑。 同时,亲水性多糖的加入可能引起SPI 周围水分子的重排,从而导致蛋白质中亲水性氨基酸暴露,为酶催化ε-(γ-谷氨酰胺)赖氨酸键的形成提供了有利条件。 然而,酶具有专一性、对反应条件要求严格且价格相对昂贵,故在实际应用中需根据要求合理选择酶的种类,以达到理想。
综上所述,不同交联方法可直接影响水凝胶结构与性能。 物理交联法温和、可逆但强度低;化学交联法稳定但可能有毒。 故选择需考虑应用场景：食品行业优先物理法,工业应用倾向化学法。 还需权衡工艺、成本及功能等需求。 在复合水凝胶的制备过程中,通常是多种相互作用协同起效,为构建高性能凝胶提供机制支持。
3 食品领域的应用
近些年,水凝胶因其独特的特性和潜在的应用,在食品工业中引起了极大关注。 多糖-蛋白质复合水凝胶具有良好的生物相容性、机械性能和功能特性,能够有效提高食品的稳定性和安全性,延长食品的保质期。 如图3 所示,源自天然聚合物的水凝胶已被研究并用于许多食品应用,如可生物降解包装薄膜、低脂产品、营养输送系统、三维打印、质地改性剂、安全监测等。
图3 多糖-蛋白质复合水凝胶在食品领域中的常见应用
Fig.3 Polysaccharide-protein composite hydrogels：common applications in the food industry
3.1 食品包装
传统包装材料仅仅起到物理防护作用,在加工、配送和贮存过程中无法直接抑制微生物的生长或食品的化学降解。 利用天然聚合物制备的水凝胶具有可再生性及生物相容性与可生物降解等生物特性,且其原材料来源丰富,能够实现大规模生产,并展现出独特的结构特征。
在食品包装行业,水凝胶可设计为吸水垫、可生物降解的包装、抗菌和抗氧化包装或比色指示剂等[45]。 覆膜法指用天然生物聚合物制作薄膜,其优点是可以添加生物功能成分作为抗氧化剂或抗菌剂。多糖和蛋白质均具有较好的成膜能力,二者协同使用可取得更佳效果。 利用水凝胶制作的凝胶膜和涂层可以作为可食用的包装材料,该包装可降低食品水分活度、隔绝氧气进入,从而有效抑制微生物的生长,延长食品保质期,防止干脆食品的软化并增强感官特性。 此外,这些薄膜可以通过调整成分和制备方法来定制,以满足特定的阻隔性能需求,如控制气体渗透或预防微生物污染。 Karydis-Messinis 等[46]从过期的牛奶中分离出酪蛋白,利用不同比例的酪蛋白与壳聚糖、甘油和乌贼墨制备出水凝胶膜,该水凝胶膜具有很强的隔氧性,可有效保护食品质量、延长保质期。
许多研究报道了水凝胶作为可生物降解包装材料的应用,水溶性薄膜因其独特的遇水溶解特性,在食品包装领域展现出广泛的应用潜力。 这种薄膜能够在使用后自然降解,减少环境污染。 活性包装直接与所包含的食品或顶部空间相互作用,以减少或抑制微生物生长,从而延长保质期和保持食品的感官特性。 智能包装将质量和安全信息传达给消费者。 但与合成包装相比,其耐用性、机械强度和阻隔性能仍然较差。
3.2 脂肪替代品
大量摄入脂肪,特别是饱和脂肪酸,会增加患一系列慢性疾病的风险。 然而,简单的除去食品中的脂肪,通常会导致食品的外观、质地和味道发生不良变化。 水凝胶的重要特性之一是高吸水率,利用水凝胶替代脂肪,可以在提升感官品质的同时减少食品中的脂肪含量,这对于开发健康食品具有重要意义。 有研究表明,水凝胶可以降低巧克力和涂抹酱中的饱和脂肪含量,从而减少人体脂肪摄入量[47]。 Fan 等[48]在脂肪替代品的研究上也相似的结果,其以燕麦β-葡聚糖-海洋胶原蛋白肽为原料制得的复合水凝胶兼具高硬度、弹性、咀嚼性以及优异的保水吸油能力。 以80%质量比例替代脂肪制备低脂香肠,产品多汁性显著优于全脂对照。 该水凝胶不仅能模拟脂肪的质构特性,还能凭借其高持水力在减脂的同时显著提升肉制品的多汁口感,为开发低脂肉制品提供了一条可行替代策略。 然而,在实际生产应用中,掺入过量的水凝胶会影响食品的感官属性。 因此,针对不同的产品需进一步研究其脂肪替代机制,阐明水凝胶在口腔及体内代谢的动态响应机制,优化工业生产的可控性与成本效益,为健康低脂食品开发提供创新方案。
3.3 营养递送
递送系统指将生物活性成分封装在载体基质内形成的复合体系。 水凝胶的三维网络结构为生物活性成分提供了一个适宜的分散环境,并且能够保护这些成分不受pH 值、高温、氧气等外部刺激的影响,从而增强其稳定性。 因此,水凝胶递送系统有助于在加工和贮存过程中保护敏感化合物,并能够在目标区域(如胃肠道)实现释放的控制,因此其可作为封装和输送生物活性化合物的载体,从而提高生物活性成分的稳定性和生物利用率。 研究表明,KC-SPI 复合水凝胶对亲水化合物亚麻木脂素具有保护作用,可有效抵御消化酶造成的侵蚀[49]。 KC-绿豆分离蛋白复合水凝胶包封的蜂胶包封率显著提高＞99%,释放速率＞50%,抗氧化活性显著增加[50]。 由此可见,多糖-蛋白质复合水凝胶可作为食品工业中递送亲水性生物活性化合物的有效载体。
此外,有研究发现多糖-蛋白质复合水凝胶可用于细胞的传递,如益生菌,其中多糖可以提供物理屏障,而蛋白质可以起到缓冲作用,保护负载益生菌免受胃酸和胆汁酸的侵害[51]。 Liu 等[52]利用TG 制备了柑橘果胶-SPI 复合水凝胶,借助于其致密的网络结构,可有效阻止胃蛋白酶穿透凝胶网络对蛋白质进行水解,从而提高了植物乳植杆菌在模拟胃肠道消化过程中的存活率,并促进其在肠道中的靶向释放。 Bora等[53]利用冷冻干燥技术将嗜酸乳杆菌包埋在新型苦瓜生物活性多糖-乳清蛋白复合水凝胶中,结果表明,游离菌在贮存2 周后失去活性,而包埋菌在30 d 仍保持活性。 同时,在所有包埋样品中,包埋在复合水凝胶中的嗜酸乳杆菌比包埋在乳清蛋白水凝胶中的嗜酸乳杆菌表现出更高的活性。
3.4 三维打印
三维打印指一种增材制造技术,其采用逐层沉积的方法将材料塑造成三维结构,利用各种现代加工工具实现所需配置[54]。 食品领域可用的三维打印技术包括4 种类型：挤压打印(熔融沉积成型)、选择性烧结打印、黏合剂喷射和喷墨打印。 三维打印技术可以精确控制食品的成分、质地和外观,从而实现个性化营养服务定制,以及满足特殊消费群体的需求。 水凝胶的生物可打印性是三维生物打印成功的关键因素。生物墨水主要由天然或合成来源的水凝胶材料构成。
金针菇多糖的羟基会在体系中形成氢键,将SPI结构中的α-螺旋转化为β-折叠,有助于金针菇多糖-SPI 复合水凝胶挤出,在打印过程中不易损坏,从而获得更稳定的打印产品,且热处理获得的复合水凝胶β-折叠更多,储能模量增大,三维打印产品更均匀、自由水含量少。 Zhang 等[55] 利用质量分数15(g/L)Na+诱导制备KC-SPI 复合水凝胶,研究发现凝胶表面更光滑、挤出长丝均匀、打印精度高且样品在1 h内结构上都能保持完整。 Xu 等[56]评估了杏多糖对SPI 水凝胶三维打印性能以及产品0 h 和6 h 后稳定性的影响,结果表明,复合水凝胶的机械强度和三维打印产品的结构稳定性都比SPI 水凝胶强。 这主要是因为添加杏多糖可增大凝胶的储能模量和黏度。但高浓度杏多糖(质量浓度为10 g/L)会对产品的打印精度和成型效果产生不利影响。 尽管水凝胶的机械性能较弱,但三维打印水凝胶的发展势头强劲,有望成为主流采用,并明确用于不同领域。
4 总结与展望
本文综述了多糖-蛋白质复合水凝胶的制备方法、形成机制及其在食品领域的应用潜力,并深入探讨了其结构多样性、环境响应性和生物相容性等特性,为后续研究提供了坚实的理论基础。 然而,在实际生产应用中仍面临一些挑战：一方面,单一水凝胶存在机械强度低、生物相容性差、负载效果差等问题;另一方面,当前水凝胶的三维打印技术方面还存在材料不成型、精度要求高等缺点,这些都阻碍了其在食品、制药等行业的应用。
未来研究需聚焦于以下4 个关键方向：a)制定原材料安全标准,开发可降解或可回收水凝胶,确保无有害物质释放;b)利用复合水凝胶的生物相容性,开发负载更多的生物活性物质,拓展其在保健食品和医疗技术领域的应用;c)深入发展水凝胶的三维打印技术,实现个性化定制服务;d)将计算机程序与水凝胶结合,开发可穿戴式新型智能传感器,用于居家健康监测等。 综上所述,通过对上述研究方向的深入探索,多糖-蛋白质复合水凝胶有望在食品、医疗等领域实现更多突破,为人类健康和可持续发展提供新的解决方案。
[1] Ding W, Ge Y X, Zhang T K, et al. Advanced construction strategies to obtain nanocomposite hydrogels for bone repair and regeneration[J]. NPG Asia Materials, 2024, 16：14.
[2] Hilal A, Florowska A, Wroniak M. Evaluation of the physicochemical and textural properties of binary protein-polysaccharide hydrogels[C]. Proceedings of the 3rd International Electronic Conference on Foods：Food, Microbiome, and Health—A Celebration of the 10th Anniversary of Foods’ Impact on Our Wellbeing. MDPI, 2022.
[3] Hilal A, Florowska A, Florowski T, et al. Assessment of the physicochemical and textural properties of food hydrogels obtained using pea protein and gellan gum[J]. Biology and Life Sciences Forum,2023, 26(1)：85.
[4] Sun W M, Wu W D, Dong X L, et al. Frontier and hot topics in the application of hydrogel in the biomedical field：a bibliometric analysis based on CiteSpace[J]. Journal of Biological Engineering,2024, 18(1)：40.
[5] Xing H R, Liu X G, Hu Y F, et al. Effect of Lycium barbarum polysaccharides on heat-induced gelation of soy protein isolate[J].Food Hydrocolloids, 2024, 147：109323.
[6] Min C, Ma W H, Kuang J W, et al. Textural properties, microstructure and digestibility of mungbean starch-flaxseed protein composite gels[J]. Food Hydrocolloids, 2022, 126：107482.
[7] Ji S Y, Xu T, Liu Y, et al. Investigation of the mechanism of casein protein to enhance 3D printing accuracy of cassava starch gel[J].Carbohydrate Polymers, 2022, 295：119827.
[8] Qiao D L, Zhang Y Y, Lin L S, et al. Revealing the role of λ-carrageenan on the enhancement of gel-related properties of acid-induced soy protein isolate/λ-carrageenan system[J]. Food Hydrocolloids, 2024, 150：109608.
[9] Cortez-Trejo M C, Figueroa-Cárdenas J D, Quintanar-Guerrero D,et al. Effect of pH and protein-polysaccharide ratio on the intermolecular interactions between amaranth proteins and xanthan gum to produce electrostatic hydrogels [J]. Food Hydrocolloids, 2022,129：107648.
[10] Hilal A, Florowska A, Domian E, et al. Binary pea protein-psyllium hydrogel：insights into the influence of pH and ionic strength on the physical stability and mechanical characteristics[J]. Gels,2024, 10(6)：401.
[11] Wierzbicka A, Bartniak M, Was'ko J, et al. The impact of gelatin and fish collagen on alginate hydrogel properties：a comparative study[J]. Gels, 2024, 10(8)：491.
[12] Babaei J, Khodaiyan F, Mohammadian M. Effects of enriching with gellan gum on the structural, functional, and degradation properties of egg white heat-induced hydrogels[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2019, 128：94 -100.
[13] Gan J, Sun L R, Guan C X, et al. Preparation and properties of salecan-soy protein isolate composite hydrogel induced by thermal treatment and transglutaminase[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2022, 23(16)：9383.
[14] Byram P K, Sunka K C, Barik A, et al. Biomimetic silk fibroin and xanthan gum blended hydrogels for connective tissue regeneration [ J]. International Journal of Biological Macromolecules,2020, 165：874 -882.
[15] Guo Y T, Li L, Yang X Y. Fabrication of mung bean protein-sugar beet pectin hydrogels by Duo-induction of heating and laccase：gelling properties and delivery of riboflavin[J]. Food Hydrocolloids,2025, 159：110690.
[16] 边鑫, 付瑶, 马春敏, 等. 米谷蛋白-小麦阿拉伯木聚糖复合水凝胶性能研究[J]. 食品安全质量检测学报,2023,14(22)：57 -64.Bian X, Fu Y, Ma C M, et al. Study on the properties of rice gluten-wheat Arabinoxylan composite hydrogel[J]. Journal of Food Safety and Quality, 2023, 14(22)：57 -64.
[17] Yan W J, Zhang B Y, Yadav M P, et al. Corn fiber gum-soybean protein isolate double network hydrogel as oral delivery vehicles for thermosensitive bioactive compounds [ J]. Food Hydrocolloids,2020, 107：105865.
[18] He Z D, Liu C Q, Zhao J, et al. Physicochemical properties of a Ginkgo seed protein-pectin composite gel[J]. Food Hydrocolloids,2021, 118：106781.
[19] Yang N, Huang M H, Gao C, et al. Preparation and drug release performance of different gelation type polysaccharide/β-lactoglobulin fiber composite gels[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2024, 269：132003.
[20] Wang Y, Kim W, Naik R R, et al. Tuning the pea protein gel network to mimic the heterogenous microstructure of animal protein[J]. Food Hydrocolloids, 2023, 140：108611.
[21] Li X F, Guo C, Yang X, et al. Acid-induced mixed methylcellulose and casein gels：structures, physical properties and formation mechanism[J]. Food Chemistry, 2022, 366：130561.
[22] Wang W J, Shen M Y, Jiang L, et al. Influence of Mesona blumes polysaccharide on the gel properties and microstructure of acid-induced soy protein isolate gels [ J]. Food Chemistry, 2020,313：126125.
[23] 刘圣雅, 彭媛媛, 张甫生, 等. 酸诱导对大豆蛋白/高酯果胶复合体系凝胶特性的影响[J]. 食品与发酵工业, 2019, 45(6)：104 -109.Liu S Y, Peng Y Y, Zhang F S, et al. Effect of acid induction on gelling properties of soy protein isolate/high-methoxy pectin complex system[J]. Food and Fermentation Industries, 2019, 45(6)：104 -109.
[24] Ding T T, Fan B, Xu X, et al. Alkali-induced Dendrobium officinale polysaccharide-hemp seed protein gels：insight into structure,molecular interaction mechanisms, and potential as dysphagia food[J]. Carbohydrate Polymers, 2025, 368：124153.
[25] Wang W J, Shen M Y, Liu S C, et al. Gel properties and interactions of Mesona blumes polysaccharide-soy protein isolates mixed gel：the effect of salt addition[J]. Carbohydrate Polymers, 2018,192：193 -201.
[26] 张佳雨. 多糖静电复合改善米谷蛋白功能特性的研究[D]. 武汉：武汉轻工大学, 2024.
[27] Pan T, Guo H Y, Li Y, et al. The effects of calcium chloride on the gel properties of porcine myosin-κ-carrageenan mixtures[J].Food Hydrocolloids, 2017, 63：467 -477.
[28] 陈浩, 卓婷烨, 邱爽, 等. 漆酶诱导大豆分离蛋白-甜菜果胶双网络凝胶的构建[J]. 现代食品科技,2016,32(11)：162 -169.Chen H, Zhuo T Y, Qiu S, et al. Laccase-induced construction of edible double-network gels based on soy protein and sugar beet pectin[J]. Modern Food Science & Technology, 2016, 32(11)：162 -169.
[29] Yan J N, Zhang Z J, Lai B, et al. Recent advances in marine-derived protein/polysaccharide hydrogels：classification, fabrication,characterization, mechanism and food applications[J]. Trends in Food Science & Technology, 2024, 151：104637.
[30] 张叶敏. 双酶交联明胶/壳聚糖互穿网络生物水凝胶的制备与表征[D]. 南京：东南大学, 2015.Zhang Y M, Preparation and characterization of gelatin-chitosan IPN biohydrogels by bienzymatic crosslinking approach[D]. Nanjing：Southeast University, 2015.
[31] Liang X X, Lin D L, Zhang W, et al. Progress in the preparation and application of inulin-based hydrogels[J]. Polymers,2024,16(11)：1492.
[32] Liu J B, Chai J L, Yuan Y X, et al. Dextran sulfate facilitates egg white protein to form transparent hydrogel at neutral pH：structural, functional, and degradation properties[J]. Food Hydrocolloids, 2022, 122：107094.
[33] 张涛, 王缓, 谢宏凯, 等. 麦麸多糖-金线鱼糜复合凝胶形成及结构[J]. 中国农业科学, 2025, 58(5)：1004 -1016.Zhang T, Wang H, Xie H K, et al. Formation and structure of wheat bran polysaccharide-golden threadfin bream surimi blended gel[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2025, 58(5)：1004 -1016.
[34] Cheng T F, Wang Z J, Sun F W, et al. Gel properties of rice proteins-pectin composite and the delivery potential for curcumin：based on different concentrations and the degree of esterification of pectin[J]. Food Hydrocolloids, 2024, 146：109305.
[35] Zhao J B, Li D J, Deng R H, et al. Effects of konjac glucomannan and chitin nanowhiskers on structural and physical properties of soy protein isolate composite hydrogels[J]. Foods, 2025, 14(5)：767.
[36] Li S, Lin S Y, Jiang P F, et al. The interaction mechanism of different ionic polysaccharides with myofibrillar protein and its contribution to the heat-induced gels[J]. Food Frontiers, 2024, 5(4)：1613 -1628.
[37] Mukherjee A, Rajput J, Poundarik A, et al. Development of a bovine gelatin-kappa carrageenan-based dual network biomimetic hydrogel for chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2025,309：142553.
[38] 马宇亮. 京尼平交联大豆蛋白/壳聚糖基辣椒碱水凝胶的制备表征及透皮吸收[D]. 哈尔滨：东北林业大学, 2013.Ma Y L, The preparation and characteristics of genipin crosslinked soy protein/chitosan-based chili alkaline hydrogel and transdermal absorption [D]. Harbin：Northeast Forestry University, 2013.
[39] Chen S Y, Chen X E, Yuan G F. Chitosan/squid ring teeth protein hydrogels for the controlled release of curcumin[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2025, 291：139163.
[40] She J L, Liu J R, Mu Y L, et al. Recent advances in collagenbased hydrogels：materials, preparation and applications[J]. Reactive and Functional Polymers, 2025, 207：106136.
[41] Seresht H B, Aghajanzadeh M S, Imani R, et al. Structural relaxation in a Schiff base-crosslinked aldehyde modified xanthan gum/gelatin hydrogel：experimental and numerical validation using linear poroelasticity model[J]. Polymers for Advanced Technologies,2024, 35(4)：e6402.
[42] Mao J H, Xiao H, Li Y, et al. Self-healing, adhesive, hemostasis and anti-inflammation with a Schiff base-crosslinked injectable hydrogel for burn wound healing [ J]. Applied Materials Today,2025, 46：102906.
[43] Amirian J, Wychowaniec J K, D′Este M, et al. Preparation and characterization of photo-cross-linkable methacrylated silk fibroin and methacrylated hyaluronic acid composite hydrogels[J]. Biomacromolecules, 2024, 25(11)：7078 -7097.
[44] 马骏骅, 颜金鑫, 樊炯, 等. 亲水多糖对谷氨酰胺转氨酶交联大豆分离蛋白凝胶特性的影响[J]. 食品安全质量检测学报,2023, 14(15)：20 -32.Ma J H, Yan J X, Fan J, et al. Effects of hydrophilic polysaccharides on the properties of transglutaminase enzyme cross linked soy protein isolate gel[J]. Journal of Food Safety and Quality, 2023,14(15)：20 -32.
[45] Sudheer S, Bandyopadhyay S, Bhat R. Sustainable polysaccharide and protein hydrogel-based packaging materials for food products：a review[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2023, 248：125845.
[46] Karydis-Messinis A, Kyriakaki C, Triantafyllou E, et al. Development and physicochemical characterization of edible chitosan-casein hydrogel membranes for potential use in food packaging[J]. Gels,2024, 10(4)：254.
[47] Fernandes Almeida R, Aguiar Borges L, Torres da Silva T, et al.Chocolates, compounds and spreads：a review on the use of oleogels, hydrogels and hybrid gels to reduce saturated fat content[J].Food Research International, 2024, 178：113986.
[48] Fan R, Zhou D, Cao X L. Evaluation of oat β-glucan-marine collagen peptide mixed gel and its application as the fat replacer in the sausage products[J]. PLoS One, 2020, 15(5)：e0233447.
[49] Yang C, Zhang Z, Liu L, et al. Fabrication of soy protein isolate/κ-carrageenan hydrogels for release control of hydrophilic compounds：flax lignans[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2022, 223：821 -829.
[50] Sabouri Moghadam A, Mirmohammad Meiguni M S, Salami M, et al. Characterization of physicochemical properties of mung bean protein isolate and κ-carrageenan hydrogel as a delivery system for Propolis extract[J]. Food Research International, 2024, 197：115221.
[51] Zheng B D, Gan L, Tian L Y, et al. Protein/polysaccharide-based hydrogels loaded probiotic-mediated therapeutic systems：a review[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2023,253(Pt 2)：126841.
[52] Liu Y H, Dong L Z, Li Y, et al. Soy protein isolate-Citrus pectin composite hydrogels induced by TGase and ultrasonic treatment：potential targeted delivery system for probiotics[J]. Food Hydrocolloids, 2023, 143：108901.
[53] Bora A F M, Kouame K J E, Li X D, et al. Development, characterization and probiotic encapsulating ability of novel Momordica charantia bioactive polysaccharides/whey protein isolate composite gels [ J]. International Journal of Biological Macromolecules,2023, 225：454 -466.
[54] Li Z H, Wang S W, Qin Z, et al. 3D printing properties of heatinduced sodium alginate-whey protein isolate edible gel[J]. Gels,2024, 10(7)：425.
[55] Zhang K X, Li J Z, Tan Z F, et al. Investigation of soy protein isolate-konjac glucomannan sodium salt hydrogel：molecular docking, microstructure, rheological properties, and 3D printing characteristics[J]. Food and Bioprocess Technology, 2025, 18(4)：3313 -3328.
[56] Xu K Q, Wu C E, Fan G J, et al. Rheological properties, gel properties and 3D printing performance of soy protein isolate gel inks added with different types of apricot polysaccharides[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2023, 242：124624.