陳芳芳，胡 猛，張 超，吳悅寒，徐龍泉，高志明,*，方亞鵬,3

（1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院，菲利普斯親水膠體研究中心，湖北 武漢 430068；2.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州 貴陽(yáng) 550009；3.上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

微凝膠是一種質(zhì)地柔軟、粒徑較小（0.1～100 μm）的交聯(lián)聚合物顆粒，兼具高分子與膠體性質(zhì)，越來越多地被應(yīng)用于各種行業(yè)。其不僅具有流變學(xué)控制、荷載物質(zhì)和定向輸送等特性，還可以通過改變其功能而應(yīng)用于食品、個(gè)人護(hù)理品以及化妝品中[1]。圖1所示為Web of Science網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)的1996—2019年關(guān)于微凝膠研究發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量和被引次數(shù)隨著年份的變化，從2010年開始，發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量和被引次數(shù)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。2019年，該領(lǐng)域發(fā)表文獻(xiàn)數(shù)量達(dá)到356 篇，被引次數(shù)超過11 000 次。由此可見，微凝膠的研究和應(yīng)用正受到越來越多的關(guān)注。微凝膠的組成成分對(duì)其功能物化性質(zhì)和功能特性有重要影響。用于制造食品級(jí)微凝膠最常見的材料是蛋白質(zhì)和多糖。不同類型的生物聚合物分子在其物理化學(xué)性質(zhì)上，例如在構(gòu)象、極性、溶解度、黏度、凝膠機(jī)理和表面活性等方面有很大的差異[2]。天然多糖基微凝膠由于具有安全無毒、生物相容性好、易于降解等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品等領(lǐng)域。本文主要對(duì)食品級(jí)天然多糖微凝膠的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在探討其在食品領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用價(jià)值及未來研究熱點(diǎn)。

圖1 微凝膠相關(guān)研究所發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量和文獻(xiàn)被引次數(shù)隨年份的變化趨勢(shì)Fig.1 Yearly trends in the number and citation frequency of published research papers on microgels

1 典型天然多糖及其凝膠行為

天然多糖是一種被廣泛開發(fā)的生物聚合物，由葡萄糖、半乳糖、甘露糖等常見單體組成。與合成聚合物相比，它具有無毒、可降解等很多優(yōu)良的性能，可以被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞和藥物遞送。天然多糖可通過氫鍵、共價(jià)鍵、范德華力等相互作用，與溶劑水分子締合形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被稱為水凝膠[3]。膠凝時(shí)，分子鏈段間可形成螺條型、蛋盒型、雙螺旋型等多種結(jié)構(gòu)。多糖的分子結(jié)構(gòu)和凝膠機(jī)理決定了其微凝膠的制備方法。以下簡(jiǎn)要介紹幾種典型天然多糖及其凝膠行為。

1.1 瓊脂

瓊脂主要是由瓊脂糖和瓊脂膠兩部分組成（圖2），其中瓊脂糖是形成凝膠的組分。瓊脂中含有的瓊脂糖越多，其凝膠強(qiáng)度越高。瓊脂不溶于冷水，能溶于90 ℃以上的熱水，加熱溶解后冷卻至30 ℃時(shí)，則能形成結(jié)實(shí)而有彈性的凝膠。這種凝膠在加熱不超過85 ℃時(shí)仍然保持凝膠化狀態(tài)。當(dāng)加熱到85 ℃以上時(shí)才能熔化而重新成為溶膠狀態(tài)。瓊脂凝膠是通過冷凝機(jī)制形成的，其凝膠過程主要是由兩個(gè)聚合物鏈形成的雙螺旋所驅(qū)動(dòng)，隨后螺旋進(jìn)一步聚集形成凝膠[4]。與其他能形成凝膠的多糖相比，在相同濃度下瓊脂的凝膠能力相對(duì)較強(qiáng)。

圖2 瓊脂的分子結(jié)構(gòu)[4]Fig.2 Molecular structure of agar[4]

1.2 海藻酸鹽

海藻酸鹽是一種來源廣泛、無毒害、可降解，且生物相容性好的天然多糖。其由β-D-甘露糖醛酸（β-D-mannuronic，M）和α-L-古洛糖醛酸（α-L-guluronic，G）交替連接構(gòu)成。海藻酸鹽與離子的絡(luò)合性質(zhì)是其形成離子凝膠的基礎(chǔ)。海藻酸鹽易與一些金屬陽(yáng)離子發(fā)生交聯(lián)而形成水凝膠，其中對(duì)Ca2+尤為敏感[5]。在凝膠過程中由于G片段和M片段結(jié)構(gòu)上的差異，各片段所發(fā)揮的作用也不同。兩個(gè)G片段經(jīng)過聚合作用與1 個(gè)Ca2+結(jié)合形成了空間親水結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)能使海藻酸鏈段間結(jié)合得更加緊密，從而形成水凝膠[6]。一般來講，隨著G片段含量的增加，海藻酸鈉與多價(jià)陽(yáng)離子結(jié)合的特異性也會(huì)增加。而M片段、G-M單元交替的片段則沒有特異性。海藻酸鈉與多價(jià)陽(yáng)離子絡(luò)合的特異性表明兩者之間不僅存在靜電相互作用，還存在因G單元的結(jié)構(gòu)特性引起的螯合作用，這種結(jié)構(gòu)被稱為“蛋盒”模型（圖3）。海藻酸鈉與陽(yáng)離子之間的作用與很多因素有關(guān)，如陽(yáng)離子的種類、離子濃度、海藻酸鈉的性質(zhì)等，不同陽(yáng)離子與海藻酸鈉結(jié)合的嵌段不同[7]。

圖3 蛋盒模型的結(jié)構(gòu)示意圖[8]Fig.3 Schematic diagram of the egg-box model[8]

1.3 殼聚糖

殼聚糖又名幾丁質(zhì)、甲殼素，是自然界中唯一含有氨基的陽(yáng)離子堿性多糖。殼聚糖含有大量的氨基和羥基，易形成分子內(nèi)和分子間氫鍵[9]。殼聚糖分子可以通過化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)的方式形成凝膠。例如，殼聚糖可以通過與兒茶酚、京尼平等混合而形成化學(xué)交聯(lián)凝膠[10]，也可通過向殼聚糖溶液中添加NaHCO3、三聚磷酸鹽等形成物理交聯(lián)凝膠[11-12]。此外，殼聚糖還可以通過與其他高分子混合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，混合高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅可以增強(qiáng)殼聚糖分子在酸性溶液中的穩(wěn)定性，還可使殼聚糖凝膠對(duì)環(huán)境的刺激產(chǎn)生響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，通過將聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol)，PVA）與殼聚糖共混，可以制備溫度敏感性的水凝膠，其凝膠機(jī)理如圖4所示。低溫時(shí)，聚乙烯醇上的羥基與殼聚糖分子上的羥基和氨基形成氫鍵，同時(shí)殼聚糖分子的流動(dòng)性也會(huì)降低，進(jìn)一步阻礙了殼聚糖鏈的締合，體系以溶液狀態(tài)存在；高溫則可降低殼聚糖分子間的氫鍵相互作用，加速殼聚糖分子的遷移率，導(dǎo)致聚合物周圍的水分子被排出，殼聚糖分子間疏水相互作用增強(qiáng)而發(fā)生聚集，最終形成凝膠[13]。

圖4 殼聚糖/PVA凝膠形成機(jī)理[13]Fig.4 Mechanism of chitosan gel formation[13]

1.4 結(jié)冷膠

結(jié)冷膠是由伊樂藻屬鞘氨醇單胞菌產(chǎn)生的一種胞外陰離子多糖，具有良好的熱穩(wěn)定性，即使在很低的濃度下也能形成透明的凝膠[14]。其中，天然形式的結(jié)冷膠稱為高?；Y(jié)冷膠（圖5A）。在高溫和堿性介質(zhì)中，高酰基結(jié)冷膠水解可生成低?；Y(jié)冷膠（圖5B）。結(jié)冷膠在高溫下可完全溶解，冷卻時(shí)分子之間會(huì)自動(dòng)聚集形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋進(jìn)一步聚集可形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。結(jié)冷膠的凝膠強(qiáng)度與濃度、離子類型、冷卻速度等有一定的關(guān)系。一般來講，離子和結(jié)冷膠的濃度越大，其凝膠強(qiáng)度越強(qiáng)。但離子類型不同或離子濃度超過一定范圍后，凝膠強(qiáng)度又會(huì)下降。因此選擇合適的離子類型和離子濃度對(duì)結(jié)冷膠凝膠的形成是很重要的。陽(yáng)離子的介入不僅能促進(jìn)分子內(nèi)的交聯(lián)作用，還能加速雙螺旋形成三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)[15]。結(jié)冷膠在形成凝膠時(shí)，首先發(fā)生構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，即結(jié)冷膠分子隨著溫度的降低由無規(guī)線團(tuán)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p螺旋構(gòu)型；接著雙螺旋聚集形成纏結(jié)點(diǎn)，并最終形成凝膠[16]。在溫度、聚合物濃度、離子類型等因素的作用下，結(jié)冷膠能與不同的物質(zhì)結(jié)合形成各式各樣的凝膠結(jié)構(gòu)。

圖5 結(jié)冷膠分子結(jié)構(gòu)[17]Fig.5 Molecular structure of gellan[17]

1.5 果膠

果膠是普遍存在于各類植物細(xì)胞壁中的陰離子天然多糖。一般將酯化度高于50%的果膠稱為高酯化度（high methoxy，HM）果膠，酯化度低于50%的果膠稱為低酯化度（low methoxy，LM）果膠。果膠能形成具有彈性的凝膠，不同酯化度果膠形成凝膠的機(jī)制是有差別的，HM果膠要求高糖濃度（比如蔗糖相對(duì)含量大于50%）和酸性環(huán)境（pH 2.0～3.5），兩個(gè)條件同時(shí)滿足的情況下，通過氫鍵和疏水作用可以形成凝膠（圖6A），該過程是不可逆的[18]。然而，由于LM果膠分子上帶的COO-相對(duì)較多，分子間的排斥力較大，難以形成結(jié)合區(qū)，但可以通過靜電絡(luò)合作用與Ca2+等金屬離子形成凝膠結(jié)構(gòu)[19]。LM果膠與Ca2+形成凝膠時(shí)，其兩條反向平行糖鏈共同連接Ca2+，可構(gòu)成與海藻酸鈣凝膠類似的“蛋盒”結(jié)構(gòu)（圖6B）。在果膠溶液中增加Ca2+的濃度，可以使凝膠強(qiáng)度增大，且形成的凝膠彈性較好；但Ca2+濃度過高，凝膠強(qiáng)度則會(huì)變?nèi)?，形成的凝膠會(huì)變脆；因此，不同質(zhì)地果膠凝膠的形成對(duì)Ca2+的濃度需求范圍是不同的[20]。影響果膠凝膠的因素有很多，如果膠分子質(zhì)量、酯化度、離子濃度、pH值等。

圖6 果膠凝膠機(jī)理[20]Fig.6 Mechanism of pectin gel formation[20]

1.6 魔芋葡甘聚糖

魔芋葡甘聚糖（konjac glucomannan，KGM）是由葡萄糖和甘露糖組成的天然高分子多糖（圖7），由于具有優(yōu)良的膠凝性、乳化性、成膜性、持水性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、紡織等領(lǐng)域。大量研究表明它獨(dú)特的凝膠性能主要是在一定條件下可以形成熱不可逆（熱穩(wěn)定）凝膠和熱可逆（熱不穩(wěn)定）凝膠。研究發(fā)現(xiàn)，KGM分子可以形成柔軟的螺條，當(dāng)乙?；嬖跁r(shí)，可以形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。通過添加堿性物質(zhì)，如氫氧化鈉、氫氧化鈣、碳酸鈉等，可使KGM脫去乙酰基。當(dāng)乙?；摮?，分子的螺旋結(jié)構(gòu)被破壞，螺條相互交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則可形成熱不可逆的魔芋凝膠[21]。此外，KGM還可通過與具有協(xié)同作用的膠體復(fù)配在水溶液中形成熱可逆凝膠，例如KGM與黃原膠、結(jié)冷膠及卡拉膠等的復(fù)配。KGM和黃原膠的復(fù)配機(jī)理可解釋為：二者在水溶液中加熱溶解后，可初步形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過協(xié)同作用可形成熱可逆凝膠[22]。在KGM與黃原膠復(fù)配體系中加入一定濃度的鹽離子，可進(jìn)一步提高凝膠強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。另外，KGM與一些在溶液中水解成多羥基水合物的鹽類（如硼砂）也能形成凝膠。由硼砂解離的硼酸根離子易與KGM分子鏈發(fā)生配位作用，配位可使大分子互相纏繞，分子間距離減小，相互作用力增加，從而形成凝膠[23]。KGM凝膠性能受到多種因素的影響，如溫度、濃度、pH值、KGM分子質(zhì)量等。

圖7 KGM分子結(jié)構(gòu)[21]Fig.7 Molecular structure of konjac glucomannan[21]

1.7 其他多糖

另外，可得然膠、卡拉膠等多糖也可作為天然高分子聚合物廣泛應(yīng)用于微凝膠的制備?？傻萌荒z是一種新型的天然微生物多糖，不溶于水，但在水中會(huì)發(fā)生溶脹，加熱后形成膠體，根據(jù)加熱程度的不同，可分為高強(qiáng)度凝膠和低強(qiáng)度凝膠。高強(qiáng)度凝膠的強(qiáng)度與加熱時(shí)間成正比，低強(qiáng)度凝膠則與加熱時(shí)間無關(guān)[24]?？ɡz是非均一多糖，其主要凝膠結(jié)構(gòu)為κ-卡拉膠、ι-卡拉膠。κ-卡拉膠是一種熱可逆凝膠，當(dāng)升降溫時(shí)會(huì)發(fā)生“溶膠?凝膠”化轉(zhuǎn)變，形成的凝膠性能較好，對(duì)鉀離子敏感，凝膠性能易受K+的影響，ι-卡拉膠則對(duì)Ca2+較為敏感。當(dāng)溫度高于凝膠溫度時(shí)，κ-卡拉膠中大分子鏈以不規(guī)則的線性團(tuán)簇狀態(tài)存在于溶液中。當(dāng)溫度降低時(shí)，無規(guī)線團(tuán)就會(huì)聚集形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋進(jìn)一步聚集則形成具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的凝膠[25]。κ-卡拉膠還可與KGM復(fù)配，形成以κ-卡拉膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主體，KGM穿插其中的三維網(wǎng)絡(luò)體系，從而改善凝膠的特性，兩者的復(fù)配一直是食品膠體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

2 微凝膠的制備方法

微凝膠顆粒的形成取決于多糖的性質(zhì)和使用的制備方法[26]。通常，微凝膠的制備方法與多糖的物理化學(xué)現(xiàn)象（如分子締合、離子交聯(lián)或相分離）和機(jī)械過程（如擠壓注射、剪切或霧化）有一定的關(guān)系[27]。微凝膠的制備方法還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行選擇。例如，特定的應(yīng)用可能需要具有特定組成、大小、形狀、黏彈性、界面張力、釋放特性等的微凝膠。常見的制備方法主要有剪切與研磨法、乳化法、微流控法、噴霧干燥法等。

2.1 剪切和研磨法

微凝膠可以通過剪切或研磨等機(jī)械力將宏觀凝膠分解成微小的碎片來形成[28]。首先，通過改變溫度（加熱或冷卻）或添加膠凝劑（酸、堿、酶等）促進(jìn)多糖凝膠化形成宏觀凝膠，接著宏觀凝膠再進(jìn)行剪切研磨為微凝膠（圖8）。微凝膠制備過程中剪切速率和剪切時(shí)間對(duì)其粒徑有一定的影響，一般來說隨著剪切速率的增大和剪切時(shí)間的延長(zhǎng)，微凝膠的尺寸會(huì)變小。然而，Matalanis等[29]發(fā)現(xiàn)隨著剪切速率的增加，微凝膠的尺寸往往先因顆粒破碎而減小，后因顆粒聚集而增大。對(duì)剪切形成的凝膠顆粒的研究表明，微凝膠的尺寸和形狀一般取決于生物聚合物的性質(zhì)、剪切應(yīng)力、剪切速率和剪切類型等。Wolf等[30]發(fā)現(xiàn)球形微凝膠往往在較低的剪切速率下形成，橢球體或纖維則在較高的剪切速率下形成。使用這種方法生產(chǎn)的微凝膠性質(zhì)還取決于溶液黏度、界面張力及凝膠化步驟中使用的剪切力強(qiáng)度等。研究表明，通過剪切作用形成的微凝膠通常具有多分散性和不規(guī)則的形貌。Colmenero等[31]通過研磨凝膠化魔芋、卡拉膠和玉米淀粉混合物，成功制備出多糖微凝膠應(yīng)用于食品工業(yè)中。該制備方法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備普遍，有利于在食品工業(yè)中推廣使用。

圖8 剪切和研磨法制備微凝膠示意圖[32]Fig.8 Schematic diagram of microgel preparation by sequential shearing and grinding[32]

2.2 乳化法

乳化法是目前實(shí)驗(yàn)室中較為常用的制備微凝膠的方法之一。通過將含有多糖的水相與含有疏水性表面活性劑的油相進(jìn)行乳化，從而形成油包水乳液。微凝膠可以簡(jiǎn)單地通過將水/油乳液的水相凝膠化而形成，凝膠化過程可發(fā)生在乳化過程中或乳化后（圖9）。Adams[33]、Loret[34]等在乳化后通過冷卻制備了瓊脂微凝膠，Torres等[35]采用該方法成功制備了淀粉微凝膠。粒子凝膠是通過適當(dāng)改變體系條件，讓水滴內(nèi)的多糖進(jìn)行交聯(lián)。例如，可以將油包水乳液冷卻到臨界溫度以下從而實(shí)現(xiàn)多糖的交聯(lián)（如結(jié)冷膠），或加熱到臨界溫度以上以交聯(lián)熱固化多糖（如可得然膠）。使用這種方法形成的凝膠顆粒的大小取決于油的黏度、油與膠體溶液的比例、乳化劑的類型等。隨著凝膠的形成，其黏度會(huì)急劇增加，從而影響微凝膠的尺寸和形狀。凝膠后，微凝膠顆?？梢酝ㄟ^離心、過濾或溶劑萃取方法從油相中分離出來。Kyzio?等[36]通過乳化法制備了殼聚糖包覆環(huán)丙沙星的海藻酸鈣微球，是一種有效的口服給藥體系。這種方法的局限性在于微凝膠中的油和表面活性劑不易去除。因此，選擇合適的表面活性劑是一個(gè)重要的考慮因素。

圖9 乳化法制備微凝膠示意圖[2]Fig.9 Schematic diagram of microgel preparation by emulsification[2]

2.3 微流控法

微流控是通過數(shù)十到數(shù)百微米尺度的通道來處理微尺度流體的技術(shù)（圖10A）。與傳統(tǒng)的流動(dòng)控制技術(shù)相比，微流控裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，其可以確保精確的幾何形狀，可用于生產(chǎn)單分散的聚合物微粒，分析時(shí)間短且液滴尺寸可控[37]。微流控技術(shù)制備微凝膠顆粒主要是利用微流控芯片的乳化來實(shí)現(xiàn)的。通過微流控技術(shù)制備微凝膠顆粒主要就是對(duì)聚合物或者單體水溶液的乳化，以及在微流控芯片內(nèi)（外）進(jìn)行液滴的凝膠化過程。其中，液滴的性質(zhì)和芯片的結(jié)構(gòu)決定了微凝膠顆粒的尺寸和形貌[38]?？刹捎梦锢斫宦?lián)或化學(xué)交聯(lián)兩種方法使微凝膠在芯片通道內(nèi)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。例如，液滴在芯片的通道內(nèi)流動(dòng)過程中可通過離子交聯(lián)、熱誘導(dǎo)聚合、氧化還原引發(fā)聚合等方法實(shí)現(xiàn)交聯(lián)聚合而最終形成微凝膠顆粒。已有研究表明，多糖類微凝膠顆?？赏ㄟ^微流控裝置成功制備[39]。此外，在微流控技術(shù)中可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求選擇不同的微通道構(gòu)型。Kuo等[40]采用T型微通道制備了均一的殼聚糖微球（圖10B）。Saeki等[41]則通過Y型微通道制備了單分散的海藻酸鈣微凝膠顆粒，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚苯乙烯微珠的包覆（圖10C）。T型和Y型微通道在微流控實(shí)驗(yàn)中較為常用。Bazban等[42]在交叉連接微通道組成的微流控平臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)流量比和混合時(shí)間來控制納米凝膠的微觀結(jié)構(gòu)，從而制備了粒徑可控的海藻酸鈉微凝膠。微流控裝置特別適合于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模使用，因?yàn)樗鼈儗?duì)所形成微凝膠的特性可以實(shí)現(xiàn)精確的控制。然而，由于成本偏高且難以工業(yè)化量產(chǎn)，這一技術(shù)目前不太適合廣泛商業(yè)應(yīng)用。

圖10 微流控裝置（A）、T型微流控裝置（B）、Y型微流控裝置（C）示意圖[2,40-41]Fig.10 Schematic diagram of microfluidic device (A), T-type microfluidic device (B) and Y-type microfluidic device (C)[2,40-41]

2.4 噴霧干燥法

噴霧干燥法制備微凝膠顆粒包括噴霧與干燥兩個(gè)緊密結(jié)合的工藝步驟（圖11）。所謂噴霧，是將溶液、乳濁液等通過霧化器分散成極細(xì)的霧狀液滴，而干燥則是霧狀液滴在與熱空氣均勻混合后，迅速進(jìn)行熱質(zhì)交換，使溶劑快速蒸發(fā)的過程；然后，用旋風(fēng)將干燥的顆粒從潮濕空氣中分離出來，并以粉末的形式收集起來得到干燥產(chǎn)品。該方法能直接使溶液、乳濁液等干燥成粉狀或顆粒狀制品，從而可省去蒸發(fā)、粉碎等工序，在食品工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。微凝膠顆粒的大小可以通過溶液濃度、溫度、壓力、進(jìn)風(fēng)比和霧化方法等來控制[4]。Ching[43]、Strobel[44]等利用該工藝制備了海藻酸鈣微凝膠顆粒，通過這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物活性脂類的微膠囊化，可以促進(jìn)生物活性脂類在人體胃腸道中的傳遞。一般來說，噴霧干燥產(chǎn)生的粉末中的固體顆粒尺寸在10～100 μm之間[45]。它適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和工業(yè)規(guī)模的凝膠顆粒的制備，在風(fēng)味、益生菌的微膠囊化和藥物傳遞等方面的應(yīng)用已取得良好應(yīng)用[46]。

圖11 噴霧干燥裝置示意圖Fig.11 Schematic diagram of spraying drying device

綜上，對(duì)不同天然多糖微凝膠制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，如表1所示。

表1 不同天然多糖微凝膠制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of different preparation methods for natural polysaccharide microgels

3 天然多糖微凝膠的應(yīng)用

天然多糖微凝膠具有良好的生物相容性、分散穩(wěn)定性、可降解性、無毒性等特點(diǎn)，不僅可以作為Pickering乳液的穩(wěn)定劑，還可用作食品、化妝品的調(diào)質(zhì)劑，風(fēng)味物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分等的包埋劑等[47]。在食品、化妝品、生物醫(yī)藥等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

3.1 天然多糖微凝膠在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1.1 營(yíng)養(yǎng)載體

大量研究表明天然多糖微凝膠顆粒因其具有膠囊化、保護(hù)和釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等方面的潛力而受到廣泛關(guān)注。疏水性生物活性物質(zhì)在促進(jìn)人體健康方面具有諸多益處，但是其分散性差、化學(xué)穩(wěn)定性低，限制了其在食品中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)微凝膠顆?？梢宰鳛橐粋€(gè)良好的載體來封裝各類化合物，從小分子、固體顆粒到液滴、囊泡等[48]。這樣，疏水性物質(zhì)就能以微凝膠為載體，形成一種軟固體顆粒，進(jìn)而應(yīng)用到食品中。Zhang Zipei等[49]研究了以顆粒形式包封于海藻酸鈣微凝膠中的β-胡蘿卜素，發(fā)現(xiàn)微凝膠可有效防止β-胡蘿卜素的化學(xué)降解。此外，水不溶性多酚也可包封于海藻酸鹽微凝膠中[50]。結(jié)果表明，顆粒的產(chǎn)率、有效荷載和包封效率主要取決于被包封顆粒的大小，可能和多酚與海藻酸鹽的相互作用類型有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，荷載疏水性顆粒有利于提高微凝膠的產(chǎn)率，引入這些疏水性化合物后微凝膠顆粒的產(chǎn)率有所提高。微凝膠不僅適合于疏水性物質(zhì)的包埋，還可用于親水性物質(zhì)的固定和包埋，并可顯著改善生物活性物質(zhì)在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性。例如，應(yīng)用海藻酸鈣微凝膠固定化乳糖酶效果良好[51]。

總之，以微凝膠為功能活性物質(zhì)的載體，可顯著改善疏水性生物活性物質(zhì)和親水性生物活性物質(zhì)在水中的分散性和化學(xué)穩(wěn)定性，拓寬功能因子在食品中的應(yīng)用范圍。

3.1.2 包埋益生菌

益生菌被廣泛應(yīng)用于各種食品和藥品中，以促進(jìn)人類健康。然而，在儲(chǔ)存和胃腸道運(yùn)輸中保持益生菌的生存能力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，部分類型的益生菌在胃和小腸中接觸胃酸、酶或膽鹽時(shí)極易失活。因此，需要有效的遞送系統(tǒng)來包埋和保護(hù)。包埋不僅可以為益生菌創(chuàng)造有益的微環(huán)境，還可阻止胃腸道液體中的成分與它們相互作用。大量研究顯示天然多糖微凝膠在益生菌的封裝、保護(hù)和釋放方面有很大的潛力。目前，果膠微凝膠已被證明可以提高益生菌（鼠李糖乳桿菌LGG）的生存能力[52]，該包封系統(tǒng)在體內(nèi)和體外都保留了較高的鼠李糖乳桿菌LGG活性。Yeung等[53]研究發(fā)現(xiàn)可通過在海藻酸鹽微凝膠包封基質(zhì)中加入抗氧化劑和低溫保護(hù)劑來優(yōu)化遞送載體，以此來提高雙歧桿菌的生存能力，從而改善雙歧桿菌的穩(wěn)定性和有效性。

3.1.3 包埋風(fēng)味物質(zhì)

風(fēng)味物質(zhì)在食品中有著不可或缺的作用，基于對(duì)香氣釋放速率的研究，微凝膠顆粒被設(shè)計(jì)用來減緩低脂食品中親脂性香氣分子的釋放。微凝膠顆粒的包埋可有效抑制風(fēng)味物質(zhì)在儲(chǔ)藏期間的釋放。例如，海藻酸鹽微凝膠被用于封裝香精油（如百里香精油），以提高其在食品中的分散性和穩(wěn)定性。不同組成的微凝膠顆粒已經(jīng)被證明能夠在模擬的口腔條件下控制味覺和香氣分子的釋放[54-55]。Petzold等[56]利用海藻酸鈣/殼聚糖微凝膠包封煙用液體香精，液體煙霧在低溫時(shí)被保留在粒子內(nèi)部，而當(dāng)它們被加熱到一定溫度時(shí)就會(huì)釋放出來。微凝膠控制風(fēng)味釋放的有效性與風(fēng)味分子的特性，如分子質(zhì)量和極性等有一定的關(guān)系。

3.1.4 作為食品乳化劑

生物來源的固體顆粒由于選擇性廣、安全性高、生物相容性好等優(yōu)勢(shì)，近年來已成為Pickering乳液顆粒乳化劑的研究熱點(diǎn)。微凝膠顆?？梢宰鳛槿榛瘎┓€(wěn)定食品乳液。與傳統(tǒng)表面活性劑穩(wěn)定的乳液相比，天然多糖微凝膠穩(wěn)定的乳液具有穩(wěn)定性高、毒性小、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，能為人們提供綠色健康的食品配料。Toya等[57]分別采用自下而上和自上而下的方法，對(duì)瓊脂、可得然膠和結(jié)冷膠3 種多糖進(jìn)行了微凝膠化，并證明了瓊脂和可得然膠形成的微凝膠具有乳化食用油的能力，可作為食品乳化劑。不僅如此，海藻酸鈣微凝膠也被證明具有乳化食用油的能力。楊鑫等[58]通過乳液凝膠法制備了海藻酸鈣微凝膠，該微凝膠表面包覆有二氧化鈦納米顆粒，使得海藻酸鈣微球能夠穩(wěn)定油包水型的Pickering乳液。通過控制微球的含量，可以對(duì)Pickering乳液的粒徑大小進(jìn)行調(diào)控。Yang Jisheng等[59]通過反乳液法制備了改性海藻酸鈣微凝膠，證明海藻酸鈣微球能夠用于穩(wěn)定水包油型的Pickering乳液。

3.1.5 作為脂肪替代物

隨著人們生活水平的提高，消費(fèi)者的肥胖水平也在不斷上升，低脂類肉制品受到越來越多消費(fèi)者的青睞。脂肪替代物已經(jīng)成為食品行業(yè)的研究熱點(diǎn)。微凝膠可以作為脂肪替代物，減少食品中的脂肪用量以及人體攝入量。范素琴等[60]將海藻酸鈉復(fù)合微凝膠作為脂肪替代物，得到了外觀和質(zhì)構(gòu)都較理想的脂肪替代品。以天然多糖微凝膠制作的脂肪替代物不但可降低熱量，還可降低膽固醇含量，符合人們追求營(yíng)養(yǎng)、安全、健康的要求。另外，多糖微凝膠被研磨成不同大小的顆粒后，還可以滿足外觀、技術(shù)和感官特性等方面的要求。微凝膠作為脂肪的替代品被添加到肉制品中時(shí)，需要考慮其物理化學(xué)特性，例如在肉制品中所替代脂肪的特性（包括形狀大小、顏色、結(jié)構(gòu)特性和流變特性等）。Colmenero等[31]通過研磨凝膠化的魔芋膠、卡拉膠和玉米淀粉混合物制得微凝膠，其可以作為肉制品中豬肉背脂的替代品。此外，多糖微凝膠還被用于法蘭克福香腸，新鮮香腸等[61]。目前，魔芋凝膠用作脂肪替代品在低脂肉制品中的應(yīng)用已取得較大進(jìn)展。

3.2 天然多糖微凝膠在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

微凝膠顆粒具有封裝、保護(hù)和釋放各種藥物的能力，可用于荷載小分子藥物、多肽、蛋白質(zhì)、DNA、細(xì)胞和細(xì)菌等[2]。目前，基于海藻酸鹽的微凝膠顆粒已被用于封裝多種藥物制劑，其相對(duì)溫和的凝膠化過程可以使蛋白質(zhì)、細(xì)胞、DNA等結(jié)合到海藻酸鹽基質(zhì)中，從而保持完整的生物活性[62]。微凝膠在醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用主要集中于藥物的緩控釋以及靶向給藥方面。

3.2.1 口服給藥

口服給藥是藥物療法中較常采用的給藥方式，因比注射給藥更方便、痛苦更少而被廣為接受。目前，由天然多糖制備的微凝膠顆粒已被用于封裝多種藥物，即將生物活性成分包裹在納米或微米顆粒中，可進(jìn)一步保留藥物活性。pH值響應(yīng)性微凝膠顆粒也已被開發(fā)用于口服干擾小RNA的遞送，以靶向治療消化道炎癥[63]。Sun Quancai等[64]將胰島素與氫氧化鎂共同封裝于海藻酸鈣微凝膠中，這種微凝膠可以使用溫和的制備方法組裝，從而保護(hù)胰島素免受胃酸和胃蛋白酶引起的失活。該研究表明，在模擬胃環(huán)境下，抗酸微凝膠中包裹的胰島素的生物活性可以被有效保護(hù)。因此，天然多糖微凝膠可能成為口服胰島素的有效手段。

3.2.2 注射給藥

近年來，溫敏型可注射微凝膠引起了人們的關(guān)注。在沒有接近人體體溫時(shí)，這種微凝膠以溶液狀態(tài)包埋藥物。注射后，由于溫度的變化，溶液迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀微凝膠。藥物在自身擴(kuò)散或降解作用下從微凝膠中平穩(wěn)地釋放出來，從而達(dá)到緩釋效果。對(duì)于一些口服藥物不適的人，溫敏型注射微凝膠包埋的藥物是一種良好的選擇，可直接注射從而避免胃腸道降解。Chenite等[65]提出了一種基于殼聚糖/多元醇組合的新型熱敏微凝膠制備方法，用于封裝活細(xì)胞和蛋白。此復(fù)合物具有溫敏性，即在室溫條件下為均一溶液，可以包埋藥物。當(dāng)注射體內(nèi)后，在體溫條件下轉(zhuǎn)變成生物可降解的半固體狀凝膠。Kofuji等[66]研究發(fā)現(xiàn)，將釩-殼聚糖絡(luò)合物加入到殼聚糖凝膠中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)釩釋放的控制。將此凝膠注射到糖尿病小鼠體內(nèi)后，可起到降血糖作用，并且由于釩的緩慢釋放可將其毒副作用減至最低。殼聚糖微凝膠對(duì)釩類化合物的緩控釋作用可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效、低毒的效果，具有良好的臨床應(yīng)用前景。

3.3 天然多糖微凝膠在化妝品領(lǐng)域的應(yīng)用

化妝品乳劑是由兩種互不相溶的液體構(gòu)成的分散乳狀液，其配方一般由油相和表面活性劑組成。研究發(fā)現(xiàn)，微凝膠網(wǎng)絡(luò)中含有大量的水分，同時(shí)具有良好的生物相容性和可降解性，可以作為乳化劑以滿足在一種化妝品中同時(shí)添加多種活性物的需要。另外，微凝膠作為乳化劑可以通過控制活性物質(zhì)的釋放，從而延長(zhǎng)活性物質(zhì)作用時(shí)間，是高檔化妝品研發(fā)的一個(gè)新趨勢(shì)。選用無刺激性的天然多糖微凝膠來替代傳統(tǒng)的表面活性劑不僅可使產(chǎn)品的刺激性大大降低，還可以提高化妝品的黏稠性，使皮膚角質(zhì)軟化，具有保持皮膚水嫩濕潤(rùn)的作用[67]。此外，由于微凝膠顆粒乳化體系的穩(wěn)定性與油脂性質(zhì)無關(guān)，因此針對(duì)不同的化妝品，還可以選擇更為合適的油脂，以制備出效果更佳、更受歡迎的產(chǎn)品。劉敬成等[68]通過對(duì)殼聚糖進(jìn)行改性，制備了水溶性光敏殼聚糖衍生物，以該衍生物膠體粒子作為乳化劑穩(wěn)定油水體系，所得乳液可抗紫外線且具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。

3.4 天然多糖微凝膠在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

多糖微凝膠除了上述應(yīng)用領(lǐng)域外，還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，多糖微凝膠常用來保護(hù)土壤中的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可有效改善土壤的物理性質(zhì)，從而增加農(nóng)作物的產(chǎn)量[69-70]。此外，微凝膠也可以作為重金屬離子的吸附劑，用于污水凈化[71]，有助于改善環(huán)境。Wang Xia等[72]研制了一種由磁性Fe3O4和結(jié)冷膠組成的高效吸附劑，該吸附劑將磁性分離與離子交換技術(shù)相結(jié)合，可有效地去除重金屬，對(duì)于環(huán)境優(yōu)化有很大的幫助。

4 結(jié) 語(yǔ)

天然多糖微凝膠因其獨(dú)特的生物相容性、可降解性、無毒性等越來越受到研究人員的青睞，近年來已得到廣泛的關(guān)注和研究。開發(fā)利用新型天然多糖資源，研制多重響應(yīng)性微凝膠及不同組合微凝膠，將會(huì)是未來的一個(gè)發(fā)展方向。此外，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)天然多糖微凝膠的開發(fā)力度，特別是在提高微凝膠功能特性、凝膠形成機(jī)理等方面，以拓展天然多糖微凝膠功能材料的應(yīng)用。隨著微凝膠制備方法的日趨完善和新材料、新技術(shù)的不斷引入，未來天然多糖微凝膠的應(yīng)用范圍將更加廣泛。