基于凝膠特性改善的多糖-明膠互作及調(diào)控研究進(jìn)展

周 揚(yáng)，馬 良，戴宏杰，余 永，朱瀚昆，王洪霞，張宇昊*

（西南大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，重慶 400715）

蛋白質(zhì)和多糖是自然界中最豐富的天然生物大分子，很多蛋白質(zhì)和多糖都具有較好的凝膠特性，是食品加工中常用的原料。豬、牛、魚類等的皮、肉、骨中含有豐富的膠原，膠原分子由3 條肽鏈組合成三螺旋結(jié)構(gòu)形成。明膠是膠原蛋白的水解產(chǎn)物，膠原分子三螺旋結(jié)構(gòu)解體后釋放的肽鏈?zhǔn)敲髂z的主要組分。明膠溶解在水中，肽鏈間的氫鍵及其他相互作用促使其形成類三螺旋結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生凝膠化[1-2]?？赏ㄟ^控制pH值、溫度、離子強(qiáng)度、濃度、添加物等條件影響多肽鏈的重新聚集以控制明膠凝膠最終的結(jié)構(gòu)及功能特性[1]，因此明膠結(jié)構(gòu)具有可調(diào)控性。此外，明膠具有良好的成膜性[2]、生物相容性[3]、持水性[4]等性質(zhì)，對光（紫外線輻射等）等物理因素也很敏感[5]，還可用于光學(xué)領(lǐng)域作光敏材料。很多大分子多糖具有特殊的功能性質(zhì)，如免疫調(diào)節(jié)活性[6]、抗菌性[7]、抗癌[8]等，除了在食品中用作增稠劑、穩(wěn)定劑、乳化劑及仿生食品材料等外，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有很大的應(yīng)用前景。明膠和多糖凝膠是食品工業(yè)中廣泛使用的兩種親水膠體[9]。明膠、多糖凝膠用于改善食品質(zhì)地及用作食品仿生原料、包裝等用途時，兩者都具有機(jī)械強(qiáng)度差、熱穩(wěn)定性差等缺點，限制了其應(yīng)用。明膠含氨基、羧基及其他基團(tuán)，與帶羧基的多糖可發(fā)生非共價及共價作用。兩者的相互作用形成不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合物，可以改善復(fù)合凝膠性質(zhì)，甚至獲得單一凝膠不具備的功能性質(zhì)。多糖-明膠復(fù)合膠體凝膠特性優(yōu)于單一凝膠。多糖、凝膠的相互作用有助于重新構(gòu)建凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，由此提高凝膠的機(jī)械強(qiáng)度及穩(wěn)定性。兩類大分子在多種相互作用下可產(chǎn)生不同的體系效應(yīng)，形成獨特的膠體體系。探索兩類大分子相互作用的機(jī)理，通過控制pH值、離子強(qiáng)度、濃度等條件影響混合物結(jié)構(gòu)形成得到具有獨特性能的膠體系統(tǒng)[10]，進(jìn)而制備納米/微米顆粒、水凝膠、薄膜、乳液和泡沫等，可用于改變食品質(zhì)地、口感、風(fēng)味等，也可用于食品包裝、食品仿生原料[11]及營養(yǎng)素遞送系統(tǒng)[12]等，從而在食品工業(yè)中實現(xiàn)更廣的應(yīng)用。本文主要綜述多糖、明膠及其復(fù)合凝膠形成機(jī)理，凝膠特性的改善及調(diào)控，為其應(yīng)用提供新思路和新方法。

1 明膠凝膠的形成機(jī)制及其在應(yīng)用中的缺陷

膠原分子主要是由含有3 條α多肽鏈的三螺旋組成，由分子內(nèi)氫鍵穩(wěn)定，膠原分子間可通過共價鍵形成穩(wěn)定的膠原纖維[13-15]（圖1）。經(jīng)過高溫和化學(xué)處理，氫鍵和共價鍵破壞使膠原結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從膠原的三螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊髂z的無序結(jié)構(gòu)[16]。明膠是一種混合物，改變明膠溶液的熱力學(xué)條件，可使其形成二聚體、三聚體及更高形式的低聚物，從而形成具有高度分散性的凝膠[17]。明膠凝膠形成的過程可以看作是膠原分子結(jié)構(gòu)的線圈-螺旋轉(zhuǎn)變過程，這一過程具有動力學(xué)的溫度依賴性，焓變值為負(fù)，溫度越低，螺旋形成率越高。螺旋量的增加與時間的延長存在線性關(guān)系，凝膠形成最終穩(wěn)定狀態(tài)的時間長，因此，明膠凝膠是處于不平衡的狀態(tài)[14]。明膠溶液的凝膠化過程可分為兩個階段[17]：第一個階段相對較快，由亞氨酸（脯氨酸和羥脯氨酸）片段形成螺旋片段，其形成的單個螺旋只是暫時存在并且能夠快速地轉(zhuǎn)換成三螺旋，在凝膠網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮纏結(jié)作用。脯氨酸和羥脯氨酸含量越高，形成凝膠的初始速率越快，凝膠的熔點也越高；第二個階段極慢，數(shù)天后仍可觀察到光學(xué)變化，與明膠凝膠中螺旋結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)。溫度降低后，多肽鏈相互接觸形成氫鍵，在靜電相互作用的共同作用下形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，此階段明膠溶液中膠原螺旋結(jié)構(gòu)的形成速率不依賴亞氨酸的含量，且形成速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于初始速率。

圖1 I型膠原的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖[15]Fig. 1 Schematic diagram of the chemical structure of type I collagen[15]

明膠是從天然膠原獲得的蛋白質(zhì)材料，雖然目前已被廣泛使用于食品、光化學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等領(lǐng)域，但其凝膠天然存在的一些缺陷導(dǎo)致了其在實際應(yīng)用中受到一些限制。主要包括以下幾個方面：1）凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足。明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)中三螺旋發(fā)揮重要的纏結(jié)作用，而三螺旋結(jié)構(gòu)主要由氫鍵維持穩(wěn)定，導(dǎo)致明膠凝膠容易受到機(jī)械作用影響，劇烈的機(jī)械作用可以延緩或破壞凝膠網(wǎng)絡(luò)的形成[14]。此外，明膠對酶的降解作用敏感[18]。2）熱穩(wěn)定性差。高溫下，氫鍵被打斷，三螺旋解體，凝膠網(wǎng)絡(luò)被破壞。明膠凝膠的熔化溫度（低于35 ℃）低于人體體溫，大大地限制了明膠凝膠在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，如單純的明膠軟糖在夏天很容易融化，造成產(chǎn)品品質(zhì)下降。此外，在一些創(chuàng)新性研究中，明膠較差的熱穩(wěn)定性也限制了其使用，如Canpean等[19]在明膠包覆金納米棒的熱穩(wěn)定性研究中發(fā)現(xiàn)明膠膜在25～90 ℃的加熱處理過程會發(fā)生結(jié)構(gòu)重組，產(chǎn)生更薄的膜，這一現(xiàn)象使得在利用明膠生產(chǎn)可食膜時，適用性大大降低。3）凝膠特性受原料影響大。傳統(tǒng)明膠的主要來源是豬皮、牛骨和牛皮[20]，應(yīng)用較廣，但隨著瘋牛病的爆發(fā)及猶太等潔食市場的興起，近年來掀起了用水產(chǎn)明膠替代哺乳動物明膠的研究熱潮。魚類加工產(chǎn)生的固體廢物高達(dá)原始原料的50%～80%，約30%的廢物由皮膚和骨骼組成，膠原蛋白含量高，通過水解可獲得魚明膠[21]。因此水產(chǎn)加工副產(chǎn)物有望成為明膠生產(chǎn)原料的替代來源。但水產(chǎn)明膠同哺乳動物明膠相比具有較弱的流變特性，限制了其應(yīng)用[22-23]。主要原因在于不同物種膠原蛋白中亞氨酸含量不同，而羥脯氨酸參與鏈間氫鍵的形成，穩(wěn)定三螺旋結(jié)構(gòu)[21]。哺乳動物膠原蛋白中羥脯氨酸含量高，是生產(chǎn)明膠的良好原料。水生生物的膠原蛋白中羥脯氨酸含量較低且與其熱穩(wěn)定性有關(guān)，因此亞氨酸含量與其棲息地的溫度有關(guān)[9,21]。深水魚魚皮明膠中亞氨酸含量低，其凝膠強(qiáng)度也低。如何改善水產(chǎn)明膠的凝膠特性是其用于替代哺乳動物明膠需要解決的主要問題。

2 多糖凝膠的形成機(jī)制及其應(yīng)用中的缺陷

多糖凝膠結(jié)構(gòu)通過大分子的多級締合形成，主要發(fā)生構(gòu)象的線圈-螺旋轉(zhuǎn)變。溶液中螺旋結(jié)構(gòu)的形成利于多糖凝膠化[24]。氫鍵是多糖凝膠形成的主要作用力，但多糖分子與溶劑中的金屬離子形成的分子間配位鍵也在凝膠網(wǎng)絡(luò)形成中起著至關(guān)重要的作用。多糖殘基的半縮醛氧、羥基或甲基有助于形成氫鍵或范德華吸引力作用。多糖和水分子相互之間形成氫鍵，使其即使在室溫下也能形成凝膠。一個水分子參與形成4 個氫鍵，其中兩個涉及相鄰多糖分子上的孤對電子，形成四面體定向鍵合，類似于冰的晶體結(jié)構(gòu)[24]。以瓊脂多糖為例，多糖分子之間以及其與水分子之間通過氫鍵相互作用，形成分子內(nèi)和分子間氫鍵，并且它們被疏水性碳原子包圍，產(chǎn)生疏水相互作用。由此可形成涉及分子內(nèi)和分子間締合的單鏈、雙鏈或多鏈構(gòu)象，并且形成四面體結(jié)構(gòu)的籠型水合物，導(dǎo)致凝膠化[24]。除了上述作用力，某些酸性多糖殘基中的硫酸基和羧基，例如卡拉膠、結(jié)冷膠、海藻酸等也通過一價或二價陽離子參與分子內(nèi)和/或分子間的締合，具有離子鍵合或靜電吸引作用[24]。以卡拉膠凝膠機(jī)理為例，卡拉膠是一種硫酸化的半乳聚糖，低溫下與陽離子發(fā)生分子內(nèi)的離子鍵合，增加分子鏈剛性，且金屬離子與相鄰的氧原子發(fā)生靜電吸引作用（離子鍵合比靜電吸引力更強(qiáng)），兩者促成分子間的締合。由陽離子橋和靜電相互作用形成的分子內(nèi)和分子間的締合促進(jìn)了卡拉膠溶液中分子構(gòu)象的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致凝膠化[24-25]。不同濃度、不同種類的多糖發(fā)生相互作用的方式及程度不同。濃度的增加意味著溶質(zhì)數(shù)量的增加，當(dāng)熱力學(xué)條件發(fā)生變化，容易發(fā)生分子的聚集，產(chǎn)生更高層次的締合。低濃度多糖凝膠存在弱凝膠區(qū)域，而多糖濃度過高會因過度聚集導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度降低[26]。不同種類的大分子多糖帶有各種極性和非極性基團(tuán)，其不同支鏈或區(qū)域極性不同，對溶劑具有不同的親和力，由于作用力大小不同而產(chǎn)生不同構(gòu)象及聚集體。如結(jié)冷膠中發(fā)生線圈-螺旋轉(zhuǎn)變時，形成的螺旋為雙螺旋的聚集體而非三螺旋。

多糖來源廣，可以從眾多植物中獲得。天然多糖凝膠已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)學(xué)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。在食品工業(yè)中，多糖凝膠主要應(yīng)用于可食性膜、活性物質(zhì)控釋遞送和食品輔料。多糖凝膠具有生物相容性、生物活性及其他功能特性，具有自由基清除及作抗菌敷料、吸水等作用，可用于食品、醫(yī)療及污水處理[4]。多糖具有眾多功能，但仍具有限制其應(yīng)用的不足：1）機(jī)械性能差。多糖分子間相互作用強(qiáng)，形成的凝膠網(wǎng)絡(luò)韌性低，常需要加入增塑劑來減少多糖分子鏈間的相互作用以減少網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)聚力，提高多糖凝膠中聚合物鏈的柔韌性和抗斷裂性以改善其機(jī)械強(qiáng)度[27]。?upina等[28]在制備阿拉伯膠-明膠的共混膜過程中可發(fā)現(xiàn)，單一的阿拉伯膠膜的拉伸強(qiáng)度僅為4.6 MPa，而食品中常用的塑料薄膜如聚對苯二甲酸類的拉伸強(qiáng)度約170 MPa。此外，還發(fā)現(xiàn)用高濃度辛烯基琥珀酸酐改性淀粉制備可食用薄膜時，出現(xiàn)明顯的重結(jié)晶現(xiàn)象。用海藻酸鹽制備的水凝膠是很好的生物活性材料，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中要求植入凝膠的機(jī)械性能必須足以保持物理完整性甚至承受負(fù)荷，在保持良好生物活性的同時具有良好的機(jī)械性能[29]。在食品加工中，較好機(jī)械性能的多糖凝膠利于提高食品咀嚼性及其感官品質(zhì)[30-33]；2）較弱的水蒸氣阻隔性。食品包裝所用的合成材料的積累引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題，開發(fā)天然可降解及功能性包裝材料成為趨勢。多糖凝膠是常用的天然親水膠體，原料來源廣，可再生，可用于制備可降解生物膜或涂層。利用纖維素、殼聚糖、淀粉、果膠和海藻酸鹽等多糖能夠形成具有良好阻隔性能的膜和涂層，可防止氣體（如氧氣和二氧化碳）的輸送，但對水蒸氣的阻隔性差，如殼聚糖薄膜的水蒸氣滲透性為1.05×10-10g/（m·s·Pa），而聚丙烯可達(dá)4.9×10-13g/（m·s·Pa）[28]；水蒸氣的轉(zhuǎn)移可以導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的連續(xù)變化，縮短保質(zhì)期。這些缺點限制了多糖凝膠作為食品包裝材料前體物質(zhì)用于替代合成材料的應(yīng)用。

3 多糖-明膠的相互作用

3.1 相互作用的機(jī)理

根據(jù)所帶電荷不同，大分子多糖可分為陰離子多糖、陽離子多糖、中性多糖。常見的陰離子多糖包括卡拉膠、海藻酸鈉/氧化海藻酸鈉（含有醛基）、黃原膠、羧甲基纖維素（取代度越大，負(fù)電荷越多）、甲殼素、果膠等；常見的陽離子多糖有殼聚糖、淀粉、纖維素、瓜爾豆膠等；中性多糖主要是魔芋葡聚糖（羧甲基修飾后帶負(fù)電荷）。明膠可分為A型和B型明膠。A型又稱酸法明膠，等電點pI值為7～9；B型又稱堿法明膠，pI值為4.7～5.0。不同類型的多糖及明膠之間可發(fā)生相互作用，形成具有不同性能的混合膠[34]。混合凝膠的結(jié)構(gòu)通常是由多種作用力共同作用決定的。

多糖與明膠之間的相互作用力分為共價作用和非共價作用（圖2）。非共價作用主要包括靜電吸引或排斥相互作用、氫鍵、疏水相互作用、范德華力等，主要以靜電相互作用為主，產(chǎn)生非特異性的排斥或吸引，導(dǎo)致兩種聚合物的復(fù)合或不相容。其大小可影響混合膠微觀和宏觀結(jié)構(gòu)。分子鏈間的相互作用可形成密集或疏松的凝膠網(wǎng)絡(luò)，較強(qiáng)的靜電吸引或排斥作用會產(chǎn)生明膠的聚集，明膠聚集體與多糖產(chǎn)生相互作用，從而形成相分離或相容，使混合膠表觀形成微粒狀或顆粒狀。共價作用主要指明膠的氨基和多糖的羧基共價結(jié)合形成酰胺以及其他共價鍵[35]，如含醛基的多糖與明膠的相互作用形成C＝N共價鍵[36]、美拉德反應(yīng)形成糖苷鍵及二硫鍵的形成[37-38]，產(chǎn)生高度特異、不可逆的永久性結(jié)合。高溫及堿性條件能促進(jìn)共價鍵的形成，且形成后不易破壞，可使混合膠形成高強(qiáng)度的凝膠網(wǎng)絡(luò)[39]。

圖2 多糖-明膠相互作用機(jī)理圖[2,5,8,11,19]Fig. 2 Schematic diagram of polysaccharide-gelatin interaction mechanism[2,5,8,11,19]

兩類大分子的相互作用能引發(fā)聚合物產(chǎn)生以下效應(yīng)：1）表面選擇性貼片結(jié)合作用[40-41]，即聚電解質(zhì)（多糖及多糖-明膠復(fù)合物）選擇性地結(jié)合明膠分子鏈表面帶相反電荷的位置（鏈段），并克服明膠分子鏈上帶同種電荷鏈段產(chǎn)生的排斥作用，其實質(zhì)是靜電相互作用。導(dǎo)致多糖-明膠混合溶液中出現(xiàn)復(fù)雜的復(fù)合凝聚或液-液相分離現(xiàn)象[40]。陽離子多糖如殼聚糖能與明膠發(fā)生表面選擇性貼片結(jié)合作用產(chǎn)生如圖3A所示的結(jié)果[41]。2）共凝膠作用[42]，多糖分子被捕獲到明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)中，形成的混合凝膠由兩個獨立的三維網(wǎng)絡(luò)（即多糖凝膠網(wǎng)絡(luò)和明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)）組成，組成一個互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（interpenetrating polymer network，IPN）架構(gòu)?？刂苝H值使靜電吸引作用可忽略，當(dāng)某種聚合物的濃度高于臨界凝膠濃度時，復(fù)合凝膠就會成為兩種凝膠的混合體系。該混合凝膠中其中一種膠體的凝膠化也可以延遲，導(dǎo)致其被包埋在另一種凝膠相中，從而形成雙連續(xù)或不連續(xù)凝膠，可應(yīng)用于包埋及遞送體系。明膠與海藻酸鹽發(fā)生共凝膠作用時產(chǎn)生如圖3B所示體系狀態(tài)，從而進(jìn)一步形成混合凝膠。利用酶解作用或者對環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，可實現(xiàn)共凝膠對營養(yǎng)素及藥物的控釋。3）排空效應(yīng)[9]，即高體系濃度下，由于明膠和多糖分子形狀、結(jié)構(gòu)不具相似性，當(dāng)體系pH值等于明膠pI值時，明膠與多糖之間的靜電作用減小，兩者相互靠近并疊加時，大分子線圈之間有較大的重疊區(qū)域，產(chǎn)生較大滲透壓，促進(jìn)多糖和明膠各自的聚集體進(jìn)一步合并而沉積為一相，最終分別形成多糖和明膠富集相（圖3C）。不帶電荷的魔芋葡甘聚糖與處于pI值的明膠能在高濃度下發(fā)生明顯的排空效應(yīng)，可用于包埋及控釋。

多糖與明膠的相互作用受多種因素的影響。如pH值、離子強(qiáng)度、多糖與明膠的濃度比、體系總濃度等[43]。在不同條件下，各種作用力發(fā)生變化，出現(xiàn)復(fù)雜的相行為（圖3），主要有絡(luò)合、共溶、相分離3 種類型。

圖3 明膠與多糖的混合行為[10]Fig. 3 Mixing behavior between gelatin and polysaccharide[10]

3.2 多糖-明膠復(fù)合對凝膠特性的改善

明膠和多糖都是天然大分子聚合物，兩者的相互作用可以重新構(gòu)建凝膠網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合其優(yōu)點可形成凝膠特性更佳且具有特殊功能性質(zhì)的復(fù)合凝膠[44]，多糖-明膠復(fù)合后可改善其單獨的性能。1）機(jī)械強(qiáng)度增加。多糖與明膠形成的復(fù)合凝膠機(jī)械特性得到明顯改善[45-46]。高丹丹[47]在研究明膠添加量對普魯蘭多糖-明膠復(fù)合膜性能影響的實驗中發(fā)現(xiàn)，明膠添加量為0時，膜抗拉強(qiáng)度為25.32 MPa，當(dāng)添加量增加到5%時，膜抗拉強(qiáng)度增加到97.72 MPa。郭開紅等[48]將魚皮明膠與海藻酸鹽制成復(fù)合膜，其拉伸強(qiáng)度比單一明膠膜高。Sow等[49]在加入卡拉膠改善魚明膠結(jié)構(gòu)用于模擬豬皮明膠優(yōu)良性能的實驗中發(fā)現(xiàn)，鹽、多糖、魚明膠在一定的配比下可以模擬出凝膠特性與豬皮明膠接近的模擬物。2）熱穩(wěn)定性增加。低溫誘導(dǎo)氫鍵的形成，升高溫度使維持明膠凝膠網(wǎng)絡(luò)的主要作用力氫鍵斷裂，但高溫會誘導(dǎo)多糖-明膠復(fù)合物中疏水相互作用的增強(qiáng)，使氫鍵斷裂對結(jié)構(gòu)的破壞程度降低，因此熱穩(wěn)定性增強(qiáng)[50]。根據(jù)Gilsenan等[1]對明膠-低甲氧基果膠相互作用的研究可發(fā)現(xiàn)，明膠凝膠在35 ℃熔化，當(dāng)按混合物質(zhì)量加入0.5%果膠時，熔化溫度升高至60 ℃，通過對復(fù)合凝膠進(jìn)行差示掃描量熱分析發(fā)現(xiàn)，除了疏水相互作用的貢獻(xiàn)外，復(fù)合凝膠中形成了共凝膠結(jié)構(gòu)，改善了熱穩(wěn)定性。3）改善兩親性。聚合物同一分子鏈中含有親水區(qū)段和親油區(qū)段，則該聚合物具有兩親性。區(qū)段的鏈長、組成不同決定該聚合物親水親油性的不同。大分子多糖與明膠的結(jié)合可以改善多糖的兩親性和功能性質(zhì)，增加其在食品加工中的應(yīng)用[1]。殼聚糖-蛋白質(zhì)膜比殼聚糖膜更具親水性[34]，而加入殼聚糖的明膠膜水溶性大大降低[51]。多糖、明膠復(fù)合后同時具有多糖的功能性質(zhì)和明膠親水卻不溶于水的優(yōu)異性能。用復(fù)合凝膠制備的材料親水性增強(qiáng)，對水的吸收增強(qiáng)，可用作吸水材料，且可用作包裝材料改善多糖材料水蒸氣阻隔性差的問題[28,44]。

除通過二者相互作用改善凝膠原有特性外，一定條件下復(fù)合凝膠還可能具有一些新增的特殊功能性質(zhì)。1）雙連續(xù)凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。明膠或多糖的凝膠化過程被延遲，使一種凝膠被包埋在另一種中，使藥物或營養(yǎng)素在不同介質(zhì)中進(jìn)行擴(kuò)散，擴(kuò)散速率減慢，可應(yīng)用于控制釋放[51-52]。2）穩(wěn)定食品體系。多糖在食品加工中用作甜味劑、膠凝劑、增稠劑等，是重要的食品輔料。在復(fù)雜的食品體系中，多糖具有去穩(wěn)定作用而明膠具有穩(wěn)定油/水界面性質(zhì)，多糖-明膠復(fù)合凝膠添加到食品體系中具有穩(wěn)定乳液的作用[53-54]。3）凝膠結(jié)構(gòu)可調(diào)控性?？刂贫嗵?明膠相互作用條件可以調(diào)控復(fù)合凝膠的表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過對作用條件的調(diào)控可以使復(fù)合凝膠表面呈均一光滑、微粒狀或顆粒狀，以滿足不同需要[43]；可以控制凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的孔徑大小，以調(diào)控相關(guān)性能，如持水性、脫水收縮性等[45]。

4 基于多糖-明膠相互作用的凝膠特性調(diào)控及應(yīng)用

多糖-明膠的相互作用受到多種因素影響，可通過調(diào)控pH值、混合比、溫度等條件影響混合體系結(jié)構(gòu)形成，改善復(fù)合凝膠的凝膠特性，得到具有獨特性能的不同類型的復(fù)合膠體系統(tǒng)，從而進(jìn)一步制備納米/微米顆粒、水凝膠、薄膜、乳液和泡沫等，可彌補(bǔ)天然高分子物質(zhì)在食品領(lǐng)域應(yīng)用的缺陷，部分替代人工合成材料在食品加工與貯藏中的應(yīng)用。

4.1 靜電相互作用的調(diào)控方法

4.1.1 調(diào)控pH值

通過調(diào)控pH值控制靜電相互作用，可以改變復(fù)合物的狀態(tài)、引起大分子物質(zhì)的構(gòu)象變化。根據(jù)pH值和明膠pI值的關(guān)系，可以使多糖與明膠基團(tuán)、分子鏈、聚合物之間產(chǎn)生不同程度的吸引、排斥作用，產(chǎn)生其他作用效果如體積排空效應(yīng)、表面貼合作用[40]、分子鏈的展開。通過pH值控制靜電相互作用主要有4 種情況：1）pH值接近pI值時，明膠分子略微帶電荷，多糖-明膠靜電相互作用小，明膠分子發(fā)生聚集，形成聚合物后包埋水分子。pH值略高于pI值時，明膠羧基離子化使聚合物帶負(fù)電，多糖-明膠之間產(chǎn)生靜電斥力，這種斥力阻止了冷卻時明膠中的線圈-螺旋轉(zhuǎn)變[55]；2）pH值等于pI值時，形成明膠聚合物，多糖分子的存在增加了體系的熱力學(xué)不兼容性，同時加熱導(dǎo)致疏水作用和排空效應(yīng)增強(qiáng)，使微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)微粒狀；3）pH值大于或小于pI值時，靜電相互作用減弱了明膠的聚集，增加分子鏈移動性，抑制三螺旋結(jié)構(gòu)形成，一定程度上減少了明膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。如果多糖與明膠形成靜電吸引，可以阻礙明膠分子的展開、纏繞，且中和了表面電荷，促進(jìn)明膠隨機(jī)聚集；如果形成靜電排斥，作用力適當(dāng)時利于形成有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)明膠分子聚集形成球狀，靜電排斥作用增強(qiáng)導(dǎo)致相分離的發(fā)生[56-57]。4）控制pH值，使靜電吸引作用可忽略。多糖-明膠復(fù)合體系產(chǎn)生共凝膠現(xiàn)象。Klak等[42]利用明膠-海藻酸鹽復(fù)合形成新型的凝膠結(jié)構(gòu)（即由兩個獨立的凝膠網(wǎng)絡(luò)組成IPN結(jié)構(gòu)），并利用多糖酶和離子相互作用控制復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)小分子遞送。在研究過程中還發(fā)現(xiàn)IPN結(jié)構(gòu)的形成，可使混合凝膠比明膠的彈性模量增加3 倍，與黏度有關(guān)的損耗模量增加20 倍。

以上4 種pH值調(diào)控結(jié)果可形成有序或無序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)生聚合物的分離或復(fù)合，使復(fù)合凝膠的功能特性、凝膠性能改變。明膠在低pH值條件下形成更多的陽離子，與陰離子多糖形成靜電復(fù)合物，pH值的大小可影響靜電復(fù)合物的粒徑分布，可用于研究新型食品體系（如復(fù)合凝膠制劑、飲品等）。IPN結(jié)構(gòu)的形成是近年來的研究熱點，可應(yīng)用于營養(yǎng)素及藥物的包埋、控釋。根據(jù)不同需要調(diào)節(jié)混合凝膠的表面結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能等性質(zhì)可使其以水凝膠、復(fù)合膜等形式應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域。

4.1.2 調(diào)控組分比例

多糖與明膠混合比的變化會影響多種相互作用，主要是以靜電作用為主的非共價作用，引起多糖構(gòu)象、大分子結(jié)合方式的改變。若明膠濃度一定，多糖濃度高時，復(fù)合物附著過剩糖鏈，發(fā)生靜電排斥而溶解；多糖濃度低時，復(fù)合物與過剩明膠均呈電中性，以相同方式溶解，可溶性復(fù)合物發(fā)生凝聚；當(dāng)混合比為1時，可實現(xiàn)凝聚相到凝膠相的無縫轉(zhuǎn)變[40]。過量靜電附著抑制明膠網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，混合凝膠性能較差。若以明膠為連續(xù)相，逐漸增加多糖的量，明膠凝膠微觀結(jié)構(gòu)會呈現(xiàn)從均一到微粒狀再到粗線狀的變化：在pH 7.0條件下，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的明膠溶液中分別加入溶液質(zhì)量0、0.5%、1%、2%的仙草膠，導(dǎo)致明膠凝膠微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（圖4）[56]。隨著仙草膠添加量增加，明膠的凝膠特性表現(xiàn)為彈性模量降低、損耗模量增加的趨勢，其柔性及變形能力增加、脆性降低[55]。有研究表明用明膠和阿拉伯樹膠的復(fù)合凝聚作為壁材能提高微量棕櫚油的封閉效果和胃腸道利用率，發(fā)現(xiàn)明膠與阿拉伯膠的比例通過影響顆粒形態(tài)和微膠囊尺寸進(jìn)而影響密封效率[58]。

圖4 pH 7.0條件下，不同仙草膠添加量對明膠凝膠微觀結(jié)構(gòu)的影響[56]Fig. 4 Effects of varying jelly gum concentration on the microstructure of gels measured by confocal laser scanning microscope at pH 7.0[56]

4.2 調(diào)控共價作用

多糖-明膠復(fù)合物以官能團(tuán)之間形成的共價交聯(lián)最為穩(wěn)定，對凝膠特性的影響最大。如氧化海藻酸鹽具有二醛結(jié)構(gòu)，可與明膠的氨基形成共價交聯(lián)，這種交聯(lián)方式可形成獨特的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)IPN，可降低凝膠體系中明膠的溶出，增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度[59]。高溫及堿性條件可促進(jìn)共價鍵的形成，此外對明膠濃度（游離氨基含量）、醛基含量（海藻酸鹽氧化程度）、鈣離子的添加等條件的控制可影響交聯(lián)效果，獲得理想的交聯(lián)產(chǎn)物如微米/納米纖維材料、多功能復(fù)合膜等。這些產(chǎn)物在替代人工合成材料在應(yīng)用于食品包裝、天然食用仿生材料等方面具有巨大前景。

4.3 調(diào)控氫鍵及其他非共價作用

溫度影響多糖-明膠的相互作用。較低的溫度有利于氫鍵的形成；較高的溫度熱運(yùn)動加劇導(dǎo)致分子鏈展開、氫鍵破壞且殘基暴露，從而增強(qiáng)疏水和共價相互作用。高溫可以誘導(dǎo)特殊結(jié)構(gòu)的形成，升高溫度可以使明膠和多糖的疏水基團(tuán)之間形成疏水相互作用，從而能穩(wěn)定多糖-明膠復(fù)合物的形成，使其對pH值不敏感。因此，通過在干燥條件下加熱多糖-明膠形成的復(fù)合物，可以加強(qiáng)兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度，以防止結(jié)構(gòu)聚集和凝膠化，可應(yīng)用在乳品加工中[10]。

影響多糖與明膠相互作用的因素多且相互影響，除了上述條件外，還有離子強(qiáng)度、分子性質(zhì)等。特殊膠體結(jié)構(gòu)形成通常是多個因素共同作用的結(jié)果，要具有理想的復(fù)合凝膠特性，需要同時控制多個因素對多糖-明膠的相互作用進(jìn)行調(diào)控。控制影響共價鍵及非共價作用的條件，如官能團(tuán)種類、電荷量等，可影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、大小，使復(fù)合凝膠具有不同凝膠特性。此外，明膠與多糖的復(fù)合可改善復(fù)合凝膠的性能，拓寬其應(yīng)用范圍。目前多糖-明膠復(fù)合物研究較多的應(yīng)用見表1。

表1 多糖-明膠復(fù)合物的形成及應(yīng)用Table 1 Formation of gelatin-polysaccharide complex system and its application

5 結(jié) 語

明膠和多糖凝膠是常用的生物凝膠，但其凝膠特性方面的不足限制了應(yīng)用。近年來多糖-明膠復(fù)合凝膠的研究成為熱點。一是為了改善凝膠特性，提高應(yīng)用性能；二是復(fù)合多糖、明膠所具有的獨特功能性質(zhì)，拓寬了天然聚合物的應(yīng)用范圍。本文從多糖及明膠凝膠形成機(jī)理、多糖-明膠相互作用機(jī)理方面，對兩種聚合物凝膠特性不足的原因及基于改善凝膠特性目的的多糖-明膠相互作用調(diào)控方法進(jìn)行了梳理。凝膠特性決定凝膠的應(yīng)用，大量的研究表明多糖-明膠的復(fù)合有利于凝膠特性的改善。多糖與明膠之間的相互作用研究主要是非共價作用，如靜電吸引/排斥相互作用、氫鍵、疏水相互作用等，主要以靜電相互作用為主；共價作用是提高凝膠強(qiáng)度的重要途徑，在多糖-明膠復(fù)合凝膠的應(yīng)用中較為重要。對多糖-明膠相互作用的調(diào)控即對兩種大分子間的共價、非共價作用條件朝著有利方向調(diào)節(jié)以改變復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)，由此改善凝膠特性，獲得獨特的功能性質(zhì)。多糖-明膠的復(fù)合具有眾多優(yōu)點，但其應(yīng)用發(fā)展還受到一定限制，如復(fù)合凝膠的穩(wěn)定性需要提高等[10]。此外，調(diào)控多糖-明膠相互作用進(jìn)一步改善復(fù)合凝膠特性，對多糖-明膠復(fù)合物的結(jié)構(gòu)功能在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究也有待進(jìn)一步深入，如制備智能包裝材料、食品仿生原料、營養(yǎng)素包埋控釋、新型食品體系、傳統(tǒng)合成材料的替代性能等。再者，近年來由于社會宗教文化及安全性問題，水產(chǎn)明膠的研究日益增多。水產(chǎn)品的皮、鱗、骨也是明膠的重要來源，對水產(chǎn)明膠的使用有利于提高水產(chǎn)品利用率。但水產(chǎn)明膠的性能較哺乳動物明膠弱，可通過與多糖相互作用的方式得以改善[22]。以上問題的解決有望實現(xiàn)多糖-明膠復(fù)合凝膠在食品、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)等各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，替代部分合成材料，解決環(huán)境問題及可持續(xù)發(fā)展問題。