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功能化明胶通过原料优化、工艺调控及分子修饰克服传统明胶的局限性，提升冷溶、凝胶强度及3D打印性能，拓展其在食品、医药及生物制造中的应用，但需解决规模化生产、稳定性及法规等问题。
程堂|蔡克洲|刘星|李梦雅|鲍志杰|蔡环环|储吉阳|谢勇|周慧|徐宝才
合肥工业大学食品与生物工程学院，中国安徽合肥230601
摘要
明胶是一种从动物胶原蛋白中提取的生物聚合物，由于其多样的功能特性，在食品、制药和生物医学领域得到了广泛应用。然而，传统明胶的物理化学性质在某些加工条件和应用场景下可能会限制其使用。这些限制促使人们开发出了功能性明胶，即经过专门设计以展现增强或特定应用功能的明胶。本文全面概述了功能性明胶的最新进展，涵盖了原材料选择、加工控制及分子修饰等关键策略。通过对明胶结构、来源、实验室和工业规模生产过程以及功能特性的系统介绍，为理解其功能化途径奠定了基础。功能性明胶的代表性成果包括开发出冷溶性明胶、高膨胀度明胶、热不可逆明胶、高表面活性明胶和3D打印用明胶。这些创新显著提高了明胶在冷水中的溶解度、凝胶强度、熔点、乳化与发泡性能以及3D打印适应性，从而扩展了其在传统食品系统和3D打印食品中的应用范围。文章还探讨了功能性明胶大规模商业化过程中面临的挑战，包括可扩展性、与工业加工的兼容性、储存和使用过程中的功能稳定性以及安全性和监管问题。最后，文章讨论了未来的发展方向，重点关注预测性结构-功能关系、绿色可持续的功能化策略、工艺优化和自动化制造、长期性能稳定性的提升，以及新型功能性明胶的开发。本文旨在为研究人员、行业利益相关者和政策制定者提供有价值的见解，以推动功能性明胶的合理开发和应用。
引言
明胶是通过部分水解胶原蛋白获得的生物聚合物，而胶原蛋白是动物结缔组织中最丰富的结构蛋白（Talha等人，2024年）。由于其独特的热可逆凝胶行为和固有的表面活性，明胶具有广泛的功能，包括凝胶化、乳化和发泡作用，同时具备优异的生物相容性和生物降解性（Gómez-Guillén、Giménez、López-Caballero和Montero，2011年）。这种功能多样性与生物安全性的结合使明胶成为食品、制药、生物医学和摄影行业中的广泛应用材料（Karim和Bhat，2008年）。在食品系统中，明胶被用作凝胶剂、乳化剂、发泡剂或脂肪替代品，用于糖果、乳制品、饮料和加工肉类的配方（Bushra和Ahmad，2025年；Tang等人，2022年；Zhang、Xu等人，2020年），并且越来越多地以可食用薄膜或涂层的形式使用，以保持食品质量和延长保质期（Etxabide、Mojío、Guerrero、de la Caba和Gómez-Estaca，2024年；Leite、Ferreira、Corrêa、Moreira和Mattoso，2020年；Toniciolli Rigueto等人，2022年）。在制药和生物医学领域，明胶长期以来被用作软胶囊和硬胶囊的关键成分，以及伤口敷料和药物递送系统的结构基质（Duconseille、Astruc、Quintana、Meersman和Sante-Lhoutellier，2015年；Jia等人，2024年；Ndlovu、Ngece、Alven和Aderibigbe，2021年）。在摄影领域，明胶作为卤化银乳液的分散剂和稳定剂发挥着重要作用（Quintero Balbas等人，2025年）。
尽管明胶应用广泛，但其功能性能并不总能满足现代加工技术和新兴应用场景的要求。例如，明胶在冷水中的溶解度有限，限制了其在即饮饮料等需要快速溶解（通常在几秒到几分钟内）和均匀分散的配方中的使用；而明胶通常需要长时间的水合和加热才能完全溶解（Ghorani、Emadzadeh、Rezaeinia和Russell，2020年；Tang等人，2026年）。此外，热可逆明胶凝胶的熔点相对较低（通常低于35°C），在某些糖果、甜点和加工肉类产品中可能不足以确保热稳定性，尤其是在储存和运输过程中遇到温度波动时（Schrieber和Gareis，2007年）。从界面角度来看，明胶的乳化和发泡性能较差；例如，其乳化活性指数通常比乳清蛋白分离物或蛋清蛋白等高表面活性食品蛋白低一个数量级（Chen等人，2024年；Wang等人，2023年；Wang、Zhang、Cao、Li和Du，2024年；Zhou等人，2023年）。因此，除非使用高浓度明胶、严格控制加工条件或添加额外的稳定剂，否则明胶稳定的乳液通常仅适用于结构较弱的系统或低剪切率系统。
这些挑战推动了人们对功能性明胶开发的兴趣。在本综述中，“功能性明胶”指的是在明胶制备阶段经过系统设计的明胶衍生物或配方，以展现增强的物理化学性质或新的应用功能。重要的是，这种功能化有助于弥补明胶功能特性的固有局限，扩大其加工适用范围，或使其满足特定应用场景的最低功能要求。根据这一定义，功能化涉及多个层面的调控，包括原材料来源的严格控制、明胶生产过程的针对性优化以及原位分子或超分子修饰策略。本文的重点是明胶生产过程中的功能化方法，这与传统的后生产方法有根本区别。后者通常涉及多步骤工艺，如热溶解、修饰、纯化和重新干燥，这些过程可能会降低明胶的性能并增加能耗（Huang等人，2019年；Zhang等人，2024年）。尽管后生产修饰和物理混合方法被广泛报道，但只有在它们提供关键机制见解或作为有意义的比较基准时才会在此讨论。
在这种框架下，功能性明胶不仅仅是一种改性材料，而是一种经过结构-性能关系设计的生物聚合物系统，旨在实现改善的冷水溶解度、增强的凝胶强度、更高的熔点、更优的表面活性，以及更好的适应性，以适应3D食品打印等新兴应用（Bushra等人，2025年；Su等人，2025年；Zhang、Xu等人，2020年；Zhang等人，2024年）。这些进展与消费者对可持续、高性能和特定膳食食品产品的日益增长的需求相契合（Abedinia等人，2020年；Su等人，2025年）。例如，通过原位策略适当功能化的来自水生和禽类的明胶，可以有效地替代传统的猪明胶和牛明胶，从而满足清真和犹太饮食要求，同时不损害食品应用所需的功能和质地特性（Derkach、Voron’ko、Kuchina和Kolotova，2020年）。
总体而言，功能性明胶已从一个小众研究课题发展成为明胶产业可持续发展的关键方向。本文全面概述了功能性明胶的最新进展，批判性地讨论了研究人员和制造商面临的关键挑战，并概述了未来的研究方向。为了提供这些进展的背景，本文还总结了明胶的基本方面，包括其结构、原材料来源、生产过程和核心功能特性。
明胶概述
功能性明胶是指经过专门设计以具备增强或新颖特性的明胶，这些特性是为特定应用量身定制的。明胶的功能主要由其氨基酸组成、分子序列、分子量的大小和分布以及空间组织（包括链构象和晶体及/或非晶聚集）决定（Samatra、Noor、Razali、Bakar和Shaarani，2022年）。
功能性明胶开发的最新进展
功能性明胶是指在制备阶段通过协调原材料选择、生产过程和分子修饰而专门设计的明胶产品，旨在调整其结构和功能特性。本节从应用和性能驱动的角度回顾了功能性明胶的最新进展，重点关注在明胶生产不同阶段进行的有针对性的调控
功能性明胶开发中的挑战
尽管通过原材料选择、加工控制和分子级修饰在调整明胶功能方面取得了显著进展，但仍有一些基本挑战限制了功能性明胶系统的合理设计、工业化转化和广泛应用。
一个持续存在的挑战是批次间的显著差异。明胶的分子量分布、氨基酸组成和残留的层次结构
功能性明胶的发展前景
鉴于前文讨论的原材料变异性、功能权衡、可扩展性限制、长期稳定性和可持续性等方面的挑战，功能性明胶的未来发展必须超越经验性的试错方法，转向基于应用的合理设计框架。如图5所示，该领域的进展将依赖于（i）建立可重复性能的预测性结构-功能关系
结论
功能性明胶正从传统的商品衍生物转变为一种经过精心设计的、面向应用的材料平台。原材料选择、过程控制以及分子和超分子层面的调控进展使得冷溶性、高膨胀度、热不可逆、高表面活性和3D打印用明胶系统的开发成为可能，其性能远超传统明胶。这些进展
CRediT作者贡献声明
储吉阳：研究。谢勇：验证。鲍志杰：可视化、数据分析。蔡环环：可视化、研究。周慧：资金获取、概念构思。徐宝才：监督、项目管理、资金获取、概念构思。刘星：可视化、研究。李梦雅：研究、数据分析。程堂：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、研究、概念构思。蔡克洲：撰写——
未引用参考文献
Duconseille等人，2017年；Kim等人，2020年；Montero等人，2002年；Rather等人，2022年；Rather等人，2022年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Yang等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2022年。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金区域创新与发展联合基金重点支持项目（编号U24A20465）、国家重点研发计划（编号2023YFD2100703）、安徽省科技厅“秸秆变牛肉”和肉牛振兴项目（编号202513b10050008）以及安徽省研发计划（编号202423l10050017）的资助。
