食品級凝膠顆粒的制備及應用研究進展

孫婉秋,陳雨露,任 爽,袁 芳

(中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

凝膠是指溶膠或溶液中的膠體粒子在一定條件下通過共價鍵作用互相連接,形成空間網狀結構的聚合物,進而作為分散介質的液體,如水等填充在網狀結構孔隙中的體系[1]。凝膠具有較強的持水能力和溶脹能力,呈現半固態性質。具有較強穩定性的凝膠,可作為功能因子傳遞載體包埋脂溶性活性物質,具有良好的保護和緩釋效果[2]。但因其高度的溶脹能力和半固態性質,凝膠對儲藏條件有一定限制。凝膠顆粒是分散在溶劑中的一種由大分子聚合物交聯形成的微觀上具有三維網絡結構的顆粒物質[3]。凝膠顆粒的分子間存在共價鍵和非共價鍵之間的相互作用,因此可以形成穩定的網絡結構,且凝膠顆粒能夠均勻分散在溶液中,兼具流體性質[4]。凝膠顆粒是傳遞體系的一種類型,能夠對生物活性物質進行包埋和遞送,在消化體系中達到穩定和緩釋的作用[5]。本文概述了國內外幾種常用的制備凝膠顆粒的方法,簡述了其目前在食品工業中的應用狀況,為進一步研究凝膠顆粒的應用拓展奠定基礎。

1 凝膠顆粒分類

凝膠顆粒的原料和制備方法決定了凝膠的不同性能。根據其功能可分為:pH敏感型凝膠顆粒、溫度敏感型凝膠顆粒、離子強度敏感型凝膠顆粒;根據制備原料的不同可分為:蛋白凝膠顆粒、多糖凝膠顆粒、復合凝膠顆粒等[6]。

1.1 蛋白質凝膠顆粒

蛋白質可以提供人體所需的氨基酸等營養物質,因此廣泛應用在食品體系中。蛋白質是一種安全且具有重要營養價值的原料,具有優異的成膜、凝膠、乳化和保水能力,是生物活性物質的良好載體[7]。蛋白質中存在的游離氨基酸可以與交聯劑發生反應,有利于凝膠顆粒網絡結構的形成[8]。制備凝膠顆粒最常用的動物蛋白質有乳清蛋白、酪蛋白、明膠和膠原蛋白；植物蛋白質有大豆蛋白、玉米醇溶蛋白和大麥醇溶蛋白等。

乳清蛋白具有良好的凝膠和乳化特性,β-乳球蛋白和α-乳清蛋白是乳清分離蛋白中的兩種主要成分[9]。Ach等[10]用乳清分離蛋白(Whey Protein Isolate,WPI)和阿拉伯膠制備了復合凝膠顆粒,并探究了不同環境條件對不同組分的乳清分離蛋白凝膠顆粒的影響。在乳清分離蛋白體系中,β-乳球蛋白的等電點要高于α-乳清蛋白,且含量高于α-乳清蛋白,在形成凝膠顆粒溶液時,會形成不同粒徑分布的顆粒。因此要形成穩定的凝膠顆粒體系取決于溶液體系pH和不同蛋白比例等因素。

酪蛋白是乳制品中的主要蛋白質,具有優異的乳化特性,溶液黏度低,營養價值高[11]。酪蛋白形成高度水合的膠體顆粒,稱為酪蛋白膠束,酪蛋白膠束可以用于疏水化合物的包封和疏水遞送系統的開發[12]。Wang等通過自組裝法制備酪蛋白凝膠顆粒,并用凝膠顆粒作為水包油型乳狀液穩定劑[13-14]。酪蛋白顆粒可用于包埋和輸送生物活性物質,尤其是疏水性化合物,如β-胡蘿卜素、柚皮素、精油和維生素D。

大豆蛋白分離物在凝膠、乳化、脂肪吸收、結合水能力和抗氧化等營養保護方面具有良好的物理化學功能,已被廣泛用于藻油、番茄油樹脂、姜黃素、番茄紅素和辣椒油樹脂等活性物質的包埋[15]。Matsumiya等[16]用高壓均質法將大豆分離蛋白制成凝膠顆粒溶液,該方法提高了大豆分離蛋白溶液的泡沫穩定性和乳化性。

1.2 多糖凝膠顆粒

多糖類大分子物質具有毒性低、經濟價值高、生物活性穩定等優點,與蛋白質等大分子物質類似,多糖大分子物質也可以通過物理、化學或酶促反應調節和控制其凝膠特性。多糖主要有3種凝膠機制:離子型、冷凝型、熱固型[17]。

天然淀粉不具有乳化性和親水性,不適用于包封疏水性生物活性物質。淀粉經過交聯、氧化、乙酰化等改性后,乳化性等功能特性大大改善,可以用于活性物質的包埋、保護和輸送[18]。Torres等[19]制備了以改性淀粉凝膠顆粒穩定的天然淀粉乳液凝膠。吸附在油滴表面的改性淀粉中的疏水基團定向排列,有利于改性淀粉分子之間形成疏水網狀結構。

果膠乳液凝膠的流變學性能與甲基化程度有關。在低甲氧基果膠中,隨著甲基化程度的降低,果膠的膠凝能力增強[20]。果膠分子在水溶液中可以解離出-COO-,-COO-會和其他帶正電物質發生靜電絡合作用,進而起到吸附作用[21]。Chelpanova等[22]用擠壓法將果膠溶液制成凝膠顆粒。該果膠凝膠顆粒通過吸附作用固定堿性磷酸酶,控制酶的釋放。

殼聚糖是線性陽離子多糖,具有無毒、可生物降解、生物相容、成膜和抗菌特性[23]。殼聚糖凝膠顆粒具有與其他遞送系統相比的一些獨特特征,殼聚糖凝膠顆粒可以緩慢地控制生物活性物的釋放,增強目標化合物的生物利用度。殼聚糖由于存在氨基而具有陽離子特性,因此它可與其它陰離子交聯劑形成穩定且復雜的凝膠顆粒。例如,用殼聚糖與纖維素納米晶體的交聯能夠產生穩定的復合凝膠顆粒包封花色素苷,花色苷的包封效率和穩定性得到提高[24]。

1.3 蛋白質-多糖復合凝膠顆粒

單獨的蛋白質在強酸、強堿、高溫等條件下不穩定,易發生聚集,將其與多糖分子結合后可以利用靜電力穩定膠體顆粒,還可改善負載性能[25]。Yuan等[26]研究了大豆蛋白與殼聚糖的復合凝聚,用于藻油的微膠囊化。與純大豆蛋白相比,復合膠體顆粒的包埋效率和抗氧化穩定性都有所增強。用β-乳球蛋白和海藻酸鈉制備納米顆粒,可以穩定疏水性(姜黃素、β-胡蘿卜素、維生素D2)、親水性(葉酸)等營養物質。涂有一層果膠的酪蛋白酸鹽水凝膠顆粒能夠調節乳液類產品的質地、外觀和穩定性,還可改善風味,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類蛋白質,蛋清蛋白主要包括卵白蛋白、卵清蛋白等蛋白質[28]。蘇芳萍研究了蛋清蛋白與卡拉膠復合顆粒體系:與天然蛋清蛋白顆粒相比,卡拉膠與蛋清蛋白復合的顆粒體系的絮凝程度低;在蛋清蛋白作為連續相制備凝膠方面,隨著卡拉膠濃度增加,復合凝膠的網絡強度增強[29]。

2 凝膠顆粒制備方法

凝膠顆粒的制備方法通常分為兩類:一、機械制備法,通過機械設備進而用物理方法形成凝膠顆粒,即先制成凝膠,再通過擠壓法、噴霧干燥法、剪切法以及高壓均質法等機械方法對其進行分離、破碎得到微米或納米級凝膠顆粒;二、分子締合法,即先通過蛋白質的熱變性、多糖和蛋白質的化學交聯、溶解和再凝聚等物理化學作用制成膠體溶液,再經過復凝聚、剪切、均質等方法將溶液中的溶質制成凝膠顆粒態[30]。凝膠顆粒的尺寸控制是其衡量顆粒是否制備成功的關鍵因素,制備受溫度、pH、離子強度、溶劑等外界因素影響[31]。不同粒徑尺寸的顆粒應用范圍有所不同:500 μm以上大尺寸的凝膠顆粒,在口腔中會形成明顯顆粒包埋感,而粒徑為5～25 μm的凝膠顆粒,在口腔中質地溫和平緩[32]。通過凝膠過程進而形成顆粒是凝膠顆粒制備的關鍵因素。本文主要敘述了機械制備法。

2.1 擠壓法

在擠壓顆粒技術中,生物聚合物溶液以液滴的形式,通過噴頭噴霧器或注射針進入到硬化溶液中,最終形成顆粒。在液滴進行分離的注射器噴嘴處,懸掛的液滴因為表面張力的存在而逐漸增至最大直徑,然后分離進入硬化溶液中,簡單的擠壓法一般可以獲得直徑大于1000 μm的凝膠顆粒[33]。由于交聯劑的作用,液滴在硬化溶液中發生交聯形成顆粒狀凝膠,如圖1所示。例如:將卡拉膠溶液注入含氯離子溶液中,卡拉膠液滴可以凝膠化[34];果膠溶液滴入鈣離子溶液中,可以形成凝膠顆粒[20];殼聚糖加入三磷酸鹽溶液中可以制備凝膠[26]。

圖1 擠壓法制備凝膠顆粒示意圖Fig.1 Schematic representation of the extrusion method used to produce microgel particles

為了得到所需粒徑的凝膠顆粒,實驗過程中可以控制溫度的變化進而控制凝膠的形成過程,也可以使用通氣、加壓、振蕩、旋轉等外力使顆粒破碎,降低顆粒粒徑[35]。Lee等[36]利用空氣擠壓系統,在液滴進入噴嘴管口被分散的過程中,通入可控速率的空氣氣流,氣流產生的壓力使凝膠顆粒破碎,得到所需小粒徑。氣流流速可以用空氣壓縮機或者氮氣鋼瓶進行控制,如圖2所示。擠壓過程中,針孔直徑大小、擠壓速度等外界因素也決定了下落液滴粒徑大小;溶液自身的表面張力、濃度和黏度等因素是決定能否形成顆粒溶液的關鍵[37]。通過溶液的密度、流動速度、黏度等計算出雷諾數Re和韋伯數W,分析溶液的運動情況,計算公式如下:d為一特征長度、ρ為流體密度,v為特征流速,l為特征長度,σ為流體的表面張力系數[38]。

在海藻酸鈉溶液形成凝膠顆粒的體系中,液滴進入硬化溶液后,硬化溶液的條件控制了凝膠顆粒的形成。海藻酸鈉加入含有Ca2+離子的黃原膠溶液中,隨黃原膠濃度的變化,溶液體系會出現相容、成膠、結晶等不同現象[39]。當海藻酸鈉-Ca2+離子溶液進入含有聚丙烯酰胺的共價交聯網絡結構的溶液中,會得到伸長率和斷裂性能較好的凝膠溶液[40]。而液滴由于剪切力和沖擊力的作用容易發生形變、形成的凝膠顆粒不均一,這是目前擠壓法存在的一些不足。

圖2 空氣輔助擠壓法制備海藻酸鹽凝膠顆粒示意圖Fig.2 Schematic representation of the air assisted extrusion method used to produce alginate microgel particles

2.2 噴霧干燥法

為了改進分散的液滴在硬化溶液中硬化成膠存在的不足,噴霧干燥法不再利用硬化溶液成膠,而是當液滴在空氣中被分散時,直接將其固化成凝膠[30]。噴霧干燥是將溶液通入噴霧干燥器中經霧化形成液滴,獲得比表面積較大的液滴。之后加熱使液滴中的水分迅速蒸發,最后得到干燥的顆粒[41]。霧化是影響顆粒粒度的關鍵步驟,而通入乳液的速率、溶液濃度、溫度、壓力和空氣速率等,均會影響產物顆粒粒徑大小[42]。

噴霧干燥法能夠較大程度上得到體積質量小的液滴,便于儲藏和運輸。因此,在實驗領域和工業領域已形成了一套完整的使用方法和體系,得到了廣泛推廣和應用。噴霧干燥法制成的顆粒還可以作為功能物質的傳遞系統對風味物質進行包埋[43]。目前噴霧干燥技術已經應用于奶制品加工儲藏、果蔬汁加工、益生菌包埋等[44-45]。

圖3 噴霧干燥法制備凝膠顆粒示意圖Fig.3 Schematic representation of the spray chilling method used to produce microgel particles

噴霧干燥中溶液的物理特性會影響噴霧過程及結果。周倩[46]在制備大豆蛋白流體凝膠顆粒中發現,單獨的8.0% SPI 攪拌加熱后黏度很大,不適合進行噴霧干燥,而加入阿拉伯膠可以控制大豆蛋白的熱聚集行為,降低黏度,有利于后續噴霧干燥。

2.3 剪切破碎法

剪切破碎法是指將聚合的凝膠進行剪切,并破碎成較小直徑顆粒的方法。在膠體溶液凝膠化過程中,外界通過振蕩、剪切、擠壓等方法,向含有凝膠的溶液體系輸入能量,使凝膠破碎,從而獲得粒徑較小的凝膠顆粒[34]。剪切速率、剪切類型、剪切環境會影響形成的凝膠顆粒的性質和結構。剪切過程中輔助振蕩,通過這些相互碰撞作用可以得到類球形的凝膠顆粒;而擠壓等固定剪切的方法則使液滴變形,以獲得細長型以及其他不規則型凝膠顆粒[31]。不同蛋白或多糖溶液在形成凝膠過程中,成膠機理不同,因此溶液材料也會影響破碎形成的顆粒尺寸、形狀和質地等[47]。若蛋白或多糖凝膠具有較大強度、硬度、脆性等,則在制備過程中不易破碎,且凝膠顆粒一般為較大尺寸,質地粗糙。若蛋白或多糖凝膠質地松軟,則制成凝膠顆粒的粒徑較小,分散性強,可以形成凝膠顆粒溶液。調節剪切過程和凝膠熱變過程,可以得到不同的凝膠顆粒。因此,剪切破碎法是一種廣泛使用的制備微凝膠的方法[48]。

圖4 擠壓破碎法制成的包埋姜黃素的乳液凝膠顆粒Fig.4 The emulsion gel particles containing curcumin prepared by extrusion crushing method

圖5 高壓均質法制備凝膠顆粒示意圖Fig.5 Schematic representation of high pressure homogenization method used to produce microgel particles

2.4 高壓均質法

高壓均質法制備凝膠顆粒主要分為三個階段。首先,制備膠體溶液并誘導形成凝膠;其次,將凝膠放入去離子水溶液中,對其進行物理剪切破碎;最后,通入微射流均質機中進行高壓均質[19]。第一階段凝膠的形成過程中,控制溫度、pH、溶液濃度、冷卻時間等,可以得到不同質地、流變特性的凝膠。在第二階段,剪切破碎的速率、時間會影響凝膠破碎程度,若破碎不徹底則會導致第三階段均質過程中出現堵塞等情況。在第三階段,將破碎后的凝膠顆粒溶液多次通入微射流均質機中進行高壓均質以得到納米級微凝膠顆粒[16]。郭健等[49]運用高壓均質法制備大豆蛋白凝膠顆粒。首先將大豆蛋白溶解并室溫存放,使蛋白質分子充分水合,并調節酸堿度使蛋白質分子交聯制成蛋白質凝膠。再將其在放入去離子水中,調節pH,經過連續剪切破碎,得到細小顆粒。然后多次通入高壓均質機中均質,最終得到粒度均一的大豆蛋白凝膠顆粒[49],如圖3所示。這種方法還可以用來制備含有淀粉、大豆蛋白、乳清蛋白的凝膠顆粒或用凝膠顆粒穩定的乳液等[49]。

在食品工業應用中,有時一種方法不能完全制備所需要的粒徑大小的凝膠顆粒,通常是兩種或兩種以上方法結合使用。Murray等[50]結合剪切破碎法和高壓均質法成功制備了乳清分離蛋白凝膠顆粒[49]。

3 凝膠顆粒的應用

3.1 食品藥品的傳遞體系載體

3.1.1 包埋功能因子 一些水溶性差、化學穩定性低的生物活性成分在食品體系中存在含量低、生物利用率低等缺點[51]。凝膠顆粒是功能因子傳遞體系的一種類型,因此可以作為提高生物利用率的一種方法和途徑。凝膠顆粒能夠對生物活性物質進行包埋和遞送,含有功能活性物質的凝膠顆粒通過腐蝕、膨脹、擴散、破裂等作用,在靶向位置控制功能活性物質的釋放,從而在消化體系中達到穩定和緩釋的目的[52]。已有研究表明,凝膠顆粒可以包埋小分子化合物、固體顆粒、液滴、膠束、囊泡等多種復合物[53]。

噴射式均質機可以用來制備包埋水溶性差的多酚和β胡蘿卜素的海藻酸鈣凝膠顆粒。將不溶性多酚和β-胡蘿卜素溶液與海藻酸原液混合,用超聲降解法輔助包埋,最后將其與CaCl2溶液通入噴射式均質機中。在狹窄的均質機通道中,兩種溶液高速混合,形成海藻酸鈣凝膠顆粒[54]。玉米醇溶蛋白制備的玉米醇溶蛋白顆粒可以作為傳遞體系包載多種藥物,保護了藥物不受外界環境的影響,防止藥物的降解,從而提高了藥物穩定性。同時,延緩藥物釋放可以增加藥物的靶向性,從而提高藥物療效、縮減治療期[55]。

3.1.2 水包油型乳液穩定劑 蛋白質具有優異的成膜、凝膠、乳化和保水能力,是生物活性物質的良好載體,蛋白凝膠顆粒具有兩親性,在含油和含水的界面都具有表面活性[49]。在乳液體系中,吸附在油-水界面的凝膠顆粒,受內部聚合物網絡的約束和吸附顆粒間膠體的相互作用影響,經歷變性和結構重排,能夠在油-水界面形成長期穩定的粘彈層。凝膠顆粒能夠有效穩定乳液是顆粒變形性和表面粘彈性共同作用的結果,這為凝膠顆粒作為皮克林乳液的穩定劑提供了理論基礎[13]。凝膠顆粒還可以作為乳化劑,用來制備高內相的皮克林乳液。吳曉靜等[56]通過超高壓結合高壓均質技術,制備乳清分離蛋白凝膠顆粒,并利用此凝膠顆粒制備水包油型皮克林乳液。當pH在連續相的等電點范圍內時,制得的皮克林乳液靜止后能自發形成凝膠乳狀液,且具有較高的黏性和穩定性。用乳清分離蛋白凝膠顆粒穩定的皮克林乳液包埋姜黃素,控制pH、溶液濃度、離子強度等可以制得包埋率高的乳狀液。實驗證明,在pH=5.0的條件下,凝膠顆粒作為穩定劑的乳狀液包埋對姜黃素的包埋率比傳統乳液高,在體外實驗中,其緩釋效果更好。

Jiao[57]以天然花生分離蛋白(Peanut Protein Isolate,PPI)為原料,用谷氨酰胺轉氨酶誘導法制成成凝膠,再用高壓均質法破碎凝膠制成凝膠顆粒。該PPI凝膠顆粒可以用來制備高油相的皮克林乳液。PPI凝膠顆粒吸附在油水界面上,在液滴周圍形成致密的包裹層,部分過剩的PPI凝膠顆粒分散在連續相中形成網狀結構,使乳液穩定不發生凝聚,最終食用油相比例可高達87%。

3.1.3 油包水型乳液穩定劑 油包水型乳液的不穩定性影響了乳液在食品工業中的應用和產品的儲藏。Wang[58]在油包水體系的水相中加入酪蛋白和助凝劑,將水相制成凝膠顆粒溶液。實驗通過濁度和粒徑變化分析了該油包水的穩定性,實驗發現酪蛋白凝膠顆粒的油包水型乳液比不含酪蛋白凝膠顆粒的乳液具備更強的抗失穩能力。

3.2 脂肪代替物

脂肪代替物主要以蛋白質和碳水化合物為基質,添加在食品中以模擬同類全脂食品,使該食品具有相同或相近的感官效果而具有脂肪含量低的特點。脂肪代替物主要分為蛋白質基脂肪代替物、碳水化合物基脂肪代替物、脂質基脂肪代替物和復合類脂肪代替物。碳水化合物基脂肪代替物包括以糊精和改性淀粉為主的淀粉基脂肪代替物和葡聚糖、果膠為主的纖維基脂肪代替物;脂質基代替物是以脂肪酸為基質,通過合成或改性等方法獲得的化合物,具有類似油脂的性質;蛋白質基脂肪模擬物是通過物理、化學方法對底物蛋白質進行微粒化處理得到凝膠蛋白顆粒,通過改變其粒徑、乳化性及持水性等特點來制備、模擬脂肪[59]。蛋白質與膠類物質混合處理形成凝膠,而凝膠具有海綿狀三維網狀結構,這種結構顯示部分的黏性和部分的彈性,且凝膠網可以截留大量的水,被截留的水具有一定的流動性。當變性蛋白質形成凝膠后,經過微粒化技術處理后,所得的顆粒很小以至于舌頭無法將顆粒分辨,這使得蛋白質模擬物具有了脂肪的口感特性[60]。

脂肪代替物可以應用于乳制品和甜點中。劉迪茹[61]采用乳清蛋白制備凝膠顆粒,并包埋魚油,應用在低脂酸奶中,在感官評價測試中用凝膠顆粒制備的酸奶與全脂酸奶無明顯差異。Paglarini等[62]用大豆蛋白和角叉菜膠以及菊粉復合制成乳液凝膠顆粒物,用于代替法蘭克福香腸中的脂肪,添加脂肪代替物的香腸與傳統香腸在硬度和流變特性方面無明顯差異;感官特性低于傳統香腸,但營養性更高。

3.3 食品性質改良

周倩[46]用噴霧干燥法制得大豆蛋白凝膠顆粒。在制備過程中加入阿拉伯膠輔助凝膠顆粒的形成,使顆粒表面光滑、塌陷減少,同時添加吐溫80改善了顆粒浸潤性。再將凝膠顆粒代替部分大豆分離蛋白制備熱制凝膠,可增加所制凝膠的硬度、彈性、內聚性和回復性。凝膠顆粒修飾了食品體系的黏度、硬度等質構特性,增強了蛋白質凝膠的口感,可以作為新一代蛋白配料用于食品加工工業中。

4 結語

隨著市場和民眾對食品營養性和功能性的要求不斷提高,功能因子傳遞體系的研究成為熱點問題。而凝膠顆粒作為傳遞體系的一種類型,兼具溶脹性和流體性等多種優勢,而且對包埋物質起到保護、穩定的作用。本文概述了凝膠顆粒的幾種常用的制備方法,而不同方法之間的優劣對比或多種方法之間的結合增效還需要進一步研究。凝膠顆粒對功能活性物質的包埋率、穩定性以及代謝動力分析等,是進一步研究的方向。凝膠制備方法在更復雜的食品體系中的應用方法改進和其影響因素也需要進一步探索。