制备具有双网络结构的高强度弹性凝胶，以稳定虾青素并用于低脂食品填充料

《Food Hydrocolloids》：Preparation of high-strength elastic bigel with dual network structure to stabilize astaxanthin for low-fat food filling

本研究利用明胶与钙alginate复合物稳定甘油单硬脂酸基亚麻籽油凝胶，构建兼具低脂（油相占比20%）和载药（虾青素包封率>80%）特性的油水大凝胶系统。通过静电作用与氢键协同形成双网络结构，解决了单一凝胶机械强度不足的问题，同时实现虾青素在室温及50℃下14天稳定缓释。该系统具备剪切稀化特性及3D打印所需流变性能，成功开发出"轻三角三明治"低脂食品原型。

　　

宋思琪|李雪倩|白凤玉|白佳佳|王魁友|A.M. Abd El-Aty|彭格|谭明谦

中国辽宁省大连市大连工业大学海洋食品加工与安全控制国家重点实验室，邮编116034

摘要：

由可食用胶体颗粒稳定的油水双胶体在3D打印、亲水性和疏水性生物活性化合物的输送以及低脂产品的制备方面受到了广泛关注。在本研究中，我们提出了一种简单的方法，仅使用明胶和海藻酸钙（CA）复合物来稳定甘油单硬脂酸酯（GMS）促成的油凝胶。油相（亚麻籽油）的占比保持在20%，从而实现了低脂配方的发展。其优异的性能归因于明胶和海藻酸钙通过静电相互作用和氢键形成了协同的凝胶网络，有效地包裹了油滴并调节了虾青素的释放行为。由于其高稳定性和包封效率，它成为功能性食品成分（本研究选择了虾青素）的有效载体。在室温下和50°C下储存14天后，虾青素的保留率在两种条件下均保持在80%以上。所得双胶体表现出剪切变稀行为、高粘弹性和适合3D打印的流变特性。基于这些特性，我们开发了一种名为“Light Triangle Sandwich”的低脂产品。这些发现展示了一种生产具有增强性能的双胶体的直接策略，为未来功能性食品的应用提供了广阔的潜力。

引言

随着社会经济的持续发展和居民生活水平的稳步提高，公众对饮食健康的关注达到了前所未有的程度。近年来的广泛流行病学研究和临床试验数据表明，过量摄入饱和脂肪和反式脂肪与多种慢性代谢疾病的发病和进展密切相关（Gengatharan等，2025年）。根据美国心脏病学会2023年的指南，患有慢性冠心病的患者建议将饱和脂肪的摄入量限制在总热量的6%以下，代之以单不饱和脂肪和多不饱和脂肪（Virani等，2023年）。

传统的固体脂肪，尤其是动物来源的脂肪如猪油和牛脂，在食品加工中提供了独特的功能优势，如优异的塑性、 shorten性能和风味特性。然而，它们含有高比例的饱和脂肪酸，并且在室温下容易氧化变质，因此不适合长期储存（Bhat等，2024年）。它们也是导致心血管疾病（如动脉粥样硬化和冠心病）的关键饮食风险因素（Bascuas, Morell, Hernando, & Quiles, 2021年）。在这种背景下，脂肪替代品作为减少饮食脂肪含量和改善营养成分的重要手段应运而生，成为功能性食品开发中最有前景的研究方向之一（Surasani, Raju, Shafiq, Chandra, & Lakshmisha, 2020年）。这些替代品不仅有效降低了与传统脂肪相关的健康风险，还保持了食品的感官品质和加工性能，因此在食品工业中具有广泛的应用潜力（Xu等，2024年）。

为应对这一重大的公共卫生挑战，全球的研究人员和食品科学机构正在积极开发创新的结构化脂质系统。利用现代食品工程技术，如分子修饰（Qiu等，2021年）、酶促酯交换（Yang等，2024年）和物理混合（He等，2025年），科学家们成功创造了一系列新型脂肪替代品。这些脂肪替代品降低了饱和脂肪酸的含量，增加了不饱和脂肪酸的比例，并增强了功能性成分。例如，植物基的零反式脂肪人造黄油（Aondoakaa, Martini, & Akoh, 2025年）在健康脂肪领域取得了显著的成功。这些突破不仅为消费者提供了更健康的饮食选择，也为食品工业的转型和升级提供了关键的技术支持，标志着人类在追求口味与健康平衡方面迈出了重要一步。

近年来，凝胶产品作为一种新型半固态系统引起了广泛关注。其独特的三维网络结构有效地固定了液态成分，从而具有优异的刚性、弹性以及出色的结构和流变性能，显示出作为脂肪替代品的巨大潜力（Shuai, Li, Zhang, Wei, Du等，2024年）。当前的研究重点在于基于多糖的凝胶（Lei, Zhao, Li, & Fan, 2022年）、膳食纤维复合系统（Figueroa & Genovese, 2018年）、油凝胶（Shuai, Li, Zhang, Wei, Zhang等，2024年）、乳液凝胶（Lin, Roos, & Miao, 2025年）和高内相乳液（Wu等，2025年）。这些材料能够完美模拟固体脂肪的质地特性，是食品工业中具有广泛应用前景的创新结构脂质，特别是在更健康的烘焙食品中（Wang, Wang, Abd El-Aty, Su, & Tan, 2024年），满足了消费者对低脂和营养产品的需求。随着技术的不断进步和健康意识消费模式的兴起，这一领域预计将持续稳定增长。同时，脂质化学工业正朝着更加环保、高效和可持续的方向发展，进一步推动了新型结构脂质研究和应用的突破。

对于脂肪替代品而言，油水双胶体系统具有相当大的应用潜力。明胶作为一种传统的凝胶材料（Peng等，2022年），其分子结构来源于胶原蛋白的部分水解（M. Liu等，2023年）。它具有显著的优势，如无毒且易于水解（Rangaraj, Rambabu, Banat, & Mittal, 2021年），这使其被FDA（美国食品药品监督管理局）列为GRAS（公认安全）物质，并在食品、制药等领域得到广泛应用。尽管明胶在低温条件下可以形成具有优异弹性和生物相容性的热可逆凝胶（Albadran, Monteagudo-Mera, Khutoryanskiy, & Charalampopoulos, 2020年），但其固有的热不稳定性和机械强度不足严重限制了其在加工食品和作为输送载体等领域的应用（Yan等，2025年）。为了改善凝胶的性能，引入海藻酸钙（CA）可以通过氢键和静电相互作用与明胶结合，从而形成更密集的水相网络凝胶结构。需要注意的是，使用葡萄糖醛酸δ-内酯（GDL）作为pH调节剂可以提高CA的均匀性（Y Zhang等，2024年）。在这种情况下，GDL中H⁺的缓慢释放控制了Ca²⁺的逐步释放（与系统中的碳酸钙反应），然后Ca²⁺与海藻酸钠（SA）结合，形成均匀的CA结构。在这个网络结构中，Ca²⁺和SA的G单元通过配位形成稳定的蛋盒结构（Tu等，2025年）。此外，在构建油凝胶部分时，可以使用甘油单硬脂酸酯（GMS）作为凝胶剂来制备油凝胶（Sun, Wang, Wang, & Tan, 2025年）。由于油凝胶独特的晶体结构，它们能够有效地包裹脂溶性功能性成分，如虾青素（AXT）（Xue & Huang, 2024年）。具有优异抗氧化特性的AXT可以增强免疫反应并预防多种疾病（Y. Chen, Su, Tie, Zhang, & Tan, 2022年；Hua等，2023年）。此外，AXT在预防癌症、保护神经健康和对抗心血管疾病方面也显示出潜力（J. Zhang等，2017年）。油水双胶体系统在功能性食品开发中具有双重价值：它可以减少饱和脂肪的摄入，并作为食品功能性成分的输送载体。这为开发低脂和营养强化食品提供了创新的解决方案。

在这里，我们创新性地开发了一种基于明胶-CA水相凝胶和GMS亚麻籽油凝胶的双胶体系统，通过油相和水相的结构设计实现了减少脂肪和增强功能的双重目标。通过优化油水比例（1:4，w/w）并在油凝胶中加载AXT，所构建的双胶体系统不仅产生了低脂产品，还实现了营养强化和功能扩展。该系统保持了明胶和CA的优异生物相容性，同时通过协同的油水双网络相互作用克服了单组分凝胶的局限性，为开发加载食品功能性成分的低脂产品提供了新的方法。本研究重点研究了油水双胶体系统的机械性能以及AXT在双胶体中的控释特性。此外，还设计了加载AXT的低脂产品（命名为“Light Triangle Sandwich”），为后续的产品开发奠定了理论基础。

材料

亚麻籽油购自大连Bono公司。GMS和A型明胶购自上海豫源生物科技有限公司。SA购自上海Aladdin试剂有限公司。AXT、GDL和荧光异硫氰酸酯（FITC）购自上海Macklin生化有限公司。碳酸钙由西安龙科技有限公司提供。尼罗红购自上海生物工程有限公司。氯化亚甲烷购自广东光华科技有限公司

油凝胶性能

油凝胶的制备流程图（图S1）表明，选择6%的GMS浓度可以形成稳定的油凝胶（图S2）。在这种浓度下，油凝胶即使倒置12小时也不会流动。GMS需要加热才能溶解在油相中，而高浓度的GMS往往无法充分溶解。因此，适当的GMS浓度既能充分溶解在油相中，又能保持良好的凝胶状态。

结论

总之，通过利用明胶和CA的协同效应，我们成功制备了一种具有高强度和高弹性的双胶体系统。该系统封装了加载了AXT的亚麻籽油凝胶。明胶和CA的结合浓度保持在2%。明胶的氨基与CA的羧基之间形成了复合物，它们之间的交联主要由氢键和静电相互作用驱动。

CRediT作者贡献声明

李雪倩：方法学、正式分析。白凤玉：方法学、正式分析。宋思琪：撰写——初稿、验证、方法学、调查、正式分析、数据管理。谭明谦：撰写——审阅与编辑、概念化。A. M. Abd El-Aty：撰写——审阅与编辑、验证、正式分析。彭格：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、正式分析。白佳佳：方法学、正式分析。王魁友：

未引用参考文献

Liu等，2023年；Shuai等，2024年；Song等，2023年；Wang等，2024年；Wang等，2024年；Zhang等，2023年。

数据可用性

数据可根据要求提供。

利益冲突

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报告的工作。

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报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2100404）和辽宁省“揭示清单并引领创新联盟（2023JH1/11200001）的重大专项项目的支持。