基于明胶/琼脂的通过冷凝胶化制备的定制型高内相乳液填充/乳液颗粒凝胶:稳定性、流变行为及释放特性

《Food Hydrocolloids》:Tailored high internal phase emulsion-filled/emulsion particulate gels based on gelatin/agar by cold gelation: stability, rheological behaviors, and delivery properties

【字体: 时间:2026年03月15日 来源:Food Hydrocolloids 12.4

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  基于冷凝胶法构建的高内相乳液凝胶(包括Ⅰ型颗粒凝胶、Ⅱ型填充凝胶和Ⅲ型混合结构凝胶)的结构特性及其对热稳定性、流变学性能和脂溶性活性成分(如姜黄素)释放率的影响,研究表明混合结构凝胶(Ⅲ型)在热稳定性和姜黄素生物可及性方面表现最佳(65.18%),且能模拟传统蛋黄酱的质构与风味释放。

  
Fengrui Zhang|Zhishuang Ma|Junqi Han|Xingbin Yang|Dehui Lin
中国陕西省西安710062,陕西师范大学食品工程与营养科学学院,食品绿色加工与安全控制工程实验室及农产品加工与储存危害因素评估重点实验室

摘要:

乳液凝胶是设计功能性食品的有前景的材料,但调整其结构以控制稳定性、流变学性质和释放特性仍然具有挑战性。在本研究中,通过冷凝胶化方法成功制备了三种定制的高内相乳液凝胶系统,包括乳液颗粒凝胶(类型Ⅰ)、乳液填充凝胶(类型Ⅱ)和混合结构乳液凝胶(类型Ⅲ),并研究了这些结构类型对乳液凝胶性质的影响。显微形态学结果显示,仅含有明胶和琼脂的凝胶系统分别呈现乳液颗粒结构和乳液填充结构,而同时含有明胶和琼脂的凝胶系统则表现出混合结构。稳定性测试表明,混合结构乳液凝胶具有最佳的热稳定性。流变学结果显示,凝胶强度和触变恢复性质显著受到制备乳液凝胶结构的影响。体外消化实验表明,具有混合结构的类型Ⅱ凝胶显示出最高的脂肪酸释放率(65.18%)和最高的姜黄素生物利用度(58.6%)。此外,混合结构的HIPE凝胶成功复制了传统蛋黄酱的质地和风味释放特性,同时产生了无胆固醇、高稳定性的产品,并具有定制的感官特性。因此,可以通过精确调节其释放特性来设计定制的乳液凝胶结构,以控制脂质消化、实现疏水性功能因子的靶向释放,并复制无胆固醇的蛋黄酱。

引言

乳液凝胶是一种独特的材料,由含有乳液滴的凝胶网络组成(Dickinson, 2013; Wan et al., 2023),它结合了乳液和水凝胶的优点,在调节食品质地、替代脂肪以及释放和控制生物活性成分方面具有显著优势(Dickinson, 2013; Liang et al., 2010; Huang et al., 2025)。因此,乳液凝胶已在食品工业中得到广泛应用(Ren et al., 2022),常用于酸奶、奶酪、酱料和肉制品中(Poyato et al., 2015)。乳液凝胶通常根据其内部微观结构进行分类,以便更好地理解和预测其多种功能。根据结构组织,乳液凝胶大致可以分为乳液填充凝胶和乳液颗粒凝胶(Farjami & Madadlou, 2019)。乳液填充凝胶由分散在连续交联凝胶网络中的油滴组成(Torres et al., 2016),连续相的胶体性质以及油滴与连续相之间的相互作用显著影响凝胶的性能(Li et al., 2021; Lin et al., 2020)。乳液颗粒凝胶通常由具有良好界面性质的乳化剂稳定,乳化聚集的颗粒占据封闭空间形成连续的3D网络。因此,其机械性质主要受颗粒间相互作用力和颗粒变形性的影响(Funami, 2024; Bremer et al., 1993)。然而,这两种分类都是理想化的模型;实际食品系统往往是复杂的胶体材料,可能同时包含乳液填充/乳液颗粒凝胶的混合网络(Farjami & Madadlou, 2019)。因此,研究含有乳液填充/乳液颗粒凝胶混合网络的乳液凝胶的结构-性质关系非常重要。
乳液凝胶的功能性能,包括其稳定性、流变学性质和释放特性,本质上受其微观结构的控制(Oppong et al., 2024)。最近的研究揭示了嵌入连续生物聚合物网络中的乳液填充凝胶的结构-性质关系,这类凝胶通常具有较大的滴粒尺寸(约50–200 μm)和较高的储能模量(G′ ~103–105 Pa),从而具有较高的机械强度,但可能导致脂质释放较慢(Hashemi et al., 2025; Lin et al., 2025; Li et al., 2023)。相比之下,由乳液颗粒聚集形成的乳液颗粒凝胶通常具有更松散的网络,滴粒更小且更均匀(约10–100 μm),从而导致更快的消化动力学和更高的游离脂肪酸(FFA)释放率(Tyowua et al., 2024; Shu et al., 2025; Xu et al., 2024)。然而,对其混合形式的直接和系统比较仍然有限,这主要是由于乳液凝胶通常采用不同的凝胶化机制制备,例如乳液填充凝胶采用热/pH凝胶化,而乳液颗粒凝胶采用酶/离子凝胶化(Dille et al., 2018; Mao et al., 2014; Tong et al., 2023)。此外,这种方法的多样性使得制备过程复杂化,阻碍了公平比较,因为不同的凝胶化机制和加工条件会不同程度地影响最终的网络结构(Lin et al., 2020)。因此,使用基于相同生物聚合物的单一凝胶化方法来制备所有所需结构至关重要。
冷凝胶化技术是一种常用的凝胶制备方法,通常包括两个步骤。首先,在特定条件下(如高pH值或高温)溶解和部分变性生物聚合物(如蛋白质或多糖)以形成溶胶。然后,通过低温触发凝胶化,诱导分子聚集和网络形成(Bryant & McClements, 1998; Geonzon et al., 2025)。冷凝胶化能够精确控制凝胶化动力学和微观结构,因为它广泛用于制备各种软材料,包括蛋白质水凝胶、大分子凝胶和用于生物活性成分释放及脂肪替代的乳液凝胶(Clímaco & Fasolin, 2024; Lerch et al., 2024)。然而,关于使用单一冷凝胶化方法制备所有目标释放系统所需结构的凝胶的信息有限。
鉴于此,通过利用琼脂和明胶的温度敏感性质,采用单一的冷凝胶化方法制备了具有不同网络结构的高内相乳液凝胶。具体来说,通过调节明胶与琼脂的比例,成功制备了三种类型的乳液凝胶,包括乳液填充凝胶、乳液颗粒凝胶和混合结构凝胶。此外,本研究还研究了这些不同结构乳液凝胶的性质,包括宏观和微观形态、乳液凝胶稳定性、温度敏感响应、机械强度、流变行为以及抗氧化和释放特性。最后,为了评估将这些凝胶应用于实际食品系统的可行性,以蛋黄酱作为模型食品,系统研究了其在储存过程中的质地变化和感官特性。

材料

明胶(AR)来自北京Solarbio科技有限公司(中国北京)。琼脂(AR)和猪胆盐(BR)来自北京Aoboxing生物技术有限公司(中国北京)。大豆油购自中国西安的超市。姜黄素(BR)来自天津Kemiou化学试剂有限公司(中国天津)。黏蛋白(BR)和胃蛋白酶(BR)来自Sigma-Aldrich公司(美国圣路易斯)。胰酶(BR)和脂肪酶(BR)也来自...

制备的乳液凝胶的外观形态

对于未进行快速冷却处理的系统,A4G0和A3G1组出现了乳液不稳定现象,观察到明显的油泄漏(图1B)。这种现象是由于凝胶化动力学较慢,未能在网络完全形成之前阻止油滴聚集(Gao et al., 2024)。相比之下,A2G2组形成了流体乳液系统,而A1G3和A0G4组则形成了乳液凝胶系统,这是由于...

结论

在本研究中,通过精确控制明胶与琼脂的比例,利用冷凝胶化方法成功制备了三种具有不同结构的高内相乳液凝胶。宏观照片分析显示,所有制备的凝胶均为均匀的不透明白色胶体,而显微表征显示了显著的结构差异,其中富含明胶的配方形成了规则、紧密排列的球形滴粒(乳液...

CRediT作者贡献声明

Dehui Lin:撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、方法论设计、资金获取、概念构思。Xingbin Yang:撰写 – 审稿与编辑、资源提供。Junqi Han:数据分析。Zhishuang Ma:验证、数据分析。Fengrui Zhang:撰写 – 初稿撰写、可视化处理、验证、方法论设计、实验设计、数据分析、数据整理

未引用参考文献

Funami et al., 2025; Li et al., 2025; Wang et al., 2022.

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系,对任何产品、服务及/或公司没有可能影响本文所述观点或评审工作的专业或其他个人利益。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金(资助编号C31701662)、陕西省重点研发计划(资助编号2024NC-ZDCYL-04-05, S2024-YF-ZDXM-NY-0021)以及陕西师范大学优秀研究生培养计划的支持(LHRCCX23197)。
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