综述：新兴技术在水凝胶制备中的应用：来源、机制与食品应用

本综述系统探讨了新兴非热技术（如高压处理、超声波、冷等离子体等）在食品级水凝胶制备中的创新应用，重点分析其通过调控聚合物相互作用、交联密度等机制改善水凝胶的机械强度、溶胀性及稳定性（WHC），并展望其在功能性食品系统（如营养素递送、智能包装）中的潜力与规模化挑战。

　　

引言

水凝胶是由亲水性聚合物网络构成的三维结构，能够吸收并保留大量水分，因其独特的弹黏性平衡特性被称为“中间水相”。其在食品、生物医学和制药领域具有广泛应用，主要归因于高持水能力（WHC）和可调控的功能特性。根据网络结构，水凝胶可分为物理凝胶（通过静电作用、链缠结或氢键形成，具有可逆性和温度响应性）和化学凝胶（通过共价键形成，结构稳定且永久）。此外，双网络水凝胶结合物理与化学方法，进一步增强了功能多样性。

水凝胶的来源

食品级水凝胶主要来源于天然聚合物（如多糖和蛋白质），包括植物基（海藻、块茎和谷物）、动物基（甲壳素）和微生物基（黄原胶、结冷胶）材料。这些天然水凝胶因其生物相容性、可降解性和环境友好性而备受青睐，常用于改善食品质地、作为稳定剂或乳化剂。合成水凝胶（如聚丙烯酰胺、聚乳酸）虽具有优异的物化稳定性，但天然水凝胶在食品安全和可持续性方面更具优势。

水凝胶的合成方法

传统制备方法依赖热诱导、离子交联或酶催化，但存在能耗高、处理时间长且对凝胶结构控制有限的问题。新兴非热技术——包括高压处理（HPP）、超声波（US）、冷等离子体（CP）、中等电场（MEF）和电离辐射（IR）——通过独特物化机制（如空化效应、自由基生成、电场极化）促进聚合物相互作用与交联，显著缩短处理时间（最低5分钟，传统需30分钟以上），并在常温下操作，避免了热敏性成分的降解。

新兴技术的机制与优势

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  高压处理（HPP）：通过高压破坏氢键并促进疏水相互作用，形成致密网络，提高凝胶硬度与热稳定性。

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  超声波（US）：利用空化效应引发聚合物链断裂和重组，增强孔隙率与溶胀比。

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  冷等离子体（CP）：通过表面改性和交联反应优化网络结构，改善机械性能。

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  中等电场（MEF）：通过电穿孔作用调控离子迁移，提升交联效率。

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  电离辐射（IR）：引发自由基聚合，形成均匀网络并增强生物活性成分的包封率。

这些技术共同提升了水凝胶的结构完整性、能量效率及功能可定制性。

食品应用

水凝胶在食品工业中扮演多重角色：

1. 1.

   质地改良与脂肪替代：模拟油脂口感，用于低脂食品设计。

2. 2.

   营养素与生物活性递送：作为控释载体包封益生菌、风味物质或热敏性营养素（如维生素），提高生物利用度与稳定性。

3. 3.

   智能包装与传感：利用孔隙结构和负载能力开发指示剂或吸收剂，用于食品安全监测与保鲜。

4. 4.

   水处理与过滤：作为吸附剂去除食品加工废水中的污染物。

挑战与前景

尽管新兴技术优势显著，但其规模化应用仍面临挑战：天然水凝胶的机械强度有限、初始投资成本高、需专业技术人才，且工业级设备适配性待优化。未来需聚焦材料筛选（如增强型复合水凝胶）、工艺标准化及安全性评估（如FDA和EFSA合规性），以推动下一代功能食品系统的创新。

结论

新兴技术通过精准调控水凝胶的物化特性（如交联密度、网络结构），为食品领域提供了高效、可持续的制备方案。其应用从营养素递延伸到智能包装，展现了跨学科融合的潜力，但需克服规模化与成本障碍以实现产业化突破。