食品胶凝与发泡剂的作用机制及应用：从传统亲水胶体到 aquafaba 等植物基清洁标签替代物

《Food Science & Nutrition》：Review on Gelling and Foaming Agents in Food: Mechanism and Applications

　　

食品质构（texture）和结构稳定性（structural stability）是食品工业中消费者接受度（consumer acceptance）和整体产品质量的关键决定因素。本综述对胶凝（gelling）和发泡（foaming）机制进行了综合总结，重点关注传统亲水胶体（hydrocolloids）（果胶（pectin）和明胶（gelatin））以及新兴植物基替代物，如 aquafaba（鹰嘴豆烹煮水）。对于胶凝体系（gelling systems），研究人员考察了驱动基质形成（matrix formation）的分子网络（molecular networks），强调加工变量（processing variables）和天然来源变异性（natural source variability）如何使清洁标签（clean-label）配方中的质构控制复杂化。对于发泡体系（foaming systems），研究人员针对关键环境因素，包括 pH、温度（temperature）和表面活性剂浓度（surfactant concentration），分析了表面张力降低（surface tension reduction）、气体引入（gas incorporation）和界面稳定（interfacial stabilization）机制。关键发现强调了工业界日益转向可持续的植物源质构剂（plant-derived texturizers），其能够模拟动物蛋白（animal proteins）的黏弹性（viscoelastic properties）。最终，本综述弥合了基础大分子行为（macromolecular behavior）与实际应用（practical applications）之间的差距，为旨在创新清洁标签配方、优化结构稳定性并改善充气与胶凝基质（aerated and gelled matrices）感官特征（sensory profiles）的食品科学家提供了可操作见解（actionable insights）。

1 Introduction
食品质构、稳定性与感官品质影响消费者接受度。蛋白质和多糖等食品生物聚合物（biopolymers）控制结构组织。胶凝（gelation）形成三维网络截留水等组分，发泡（foaming）引入并稳定气泡。二者受分子结构、pH、温度、离子强度、浓度和加工条件影响。传统明胶、果胶、白蛋白、酪蛋白和乳清蛋白应用广泛，但清洁标签（clean-label）和植物基需求推动替代物。本综述关注多相食品基质中胶凝与发泡协同，评估植物源和藻源亲水胶体（hydrocolloids）的功能权衡。

2 Literature Search and Review Methodology
采用系统方法检索 Scopus、Web of Science、PubMed、ScienceDirect 和 Google Scholar，截止2026年。布尔运算符组合关键词，如胶凝剂、发泡剂、亲水胶体、凝胶形成、蛋白质泡沫、泡沫稳定性等。初检1100篇，去重和摘要筛选后530篇，全文评估430篇，最终纳入183篇。

3 Classification of Gelling
3.1 Pectin
果胶（pectin）为植物细胞壁多糖，主要由 α-(1-4)-连接的 D-半乳糖醛酸组成。高甲氧基果胶（HMP）在 DE ≥50%、低 pH 和糖存在下通过氢键和疏水相互作用成胶；低甲氧基果胶（LMP）适应低糖和较宽 pH，酰胺化果胶有独特胶凝性。

3.2 Gelatin
明胶（gelatin）由胶原水解而来，是热可逆凝胶。含 α-链、β-链和 γ-链，摩尔质量约 90 × 10³、180 × 10³ 和 300 × 10³ g/mol。用于甜品质构、发泡、澄清、罐装肉保汁、糖果、可食膜和健康产品。

3.3 Agar
琼脂（agar）为海藻来源热可逆胶体。琼脂糖负责成胶，浓度增加增强凝胶强度；糖增强网络，极端酸性水解琼脂糖。用于肉鱼制品、乳制品、果冻、糖果、布丁、烘焙馅料和素食明胶替代物，并可减少脱水收缩（syneresis）。

3.4 Mechanisms of Gelling Formation
胶凝形成半固体三维网络，物理凝胶常需加热或冷却触发。

3.4.1 Molecular Interactions
3.4.1.1 Hydrogen Bonding
果胶在酸和糖存在下通过氢键和疏水作用成胶，酸降低负电荷排斥，糖降低水分活度，冷却后形成坚实凝胶。

3.4.1.2 Hydrophobic Interactions
明胶热水中三螺旋解离，冷却时链间形成氢键和疏水相互作用，构成截留水的网络。

3.4.1.3 Double Helix Formation
琼脂加热时琼脂糖为无规线团，冷却形成双螺旋（double helix），再聚集为三维网络。凝胶温度 32°C–45°C，熔化温度 85°C–95°C，热稳定性高。

3.4.1.4 Cross-Linking by Metal Ions
卡拉胶（carrageenan）为硫酸化多糖，硫酸基团与 K⁺、Ca²⁺ 等交联。κ-卡拉胶（κ-carrageenan）在 K⁺ 下形成强脆凝胶，ι-卡拉胶（ι-carrageenan）在 Ca²⁺ 下形成弹性凝胶，λ-卡拉胶主要增稠。用于乳制品稳定和防止沉降。

3.4.2 Physical Processes in Gelling
3.4.2.1 Temperature-Induced Gelation
明胶加热解旋，冷却重排为网络，形成热诱导凝胶。

3.4.2.2 Hydration-Induced Gelation
琼脂溶于沸水，冷却时双螺旋聚集，水合诱导成胶。

3.4.2.3 Ion-Induced Gelation
海藻酸钠（sodium alginate）遇 Ca²⁺ 交联成胶，用于球化（spherification）形成薄膜球体。

3.4.2.4 Pressure-Induced Gelation
结冷胶（gellan gum）可在高压下冷凝胶，适用于温度敏感成分。

3.5 Factors Affecting Gelling
胶凝受胶凝剂类型和浓度、pH、糖、温度和添加剂影响。HMP 需 pH 2.8–3.5 和高糖；LMP 经 Ca²⁺ 交联，pH 3.0–7.0；海藻酸钠经“蛋盒”（egg-box）模型与 Ca²⁺ 交联；κ-卡拉胶受 K⁺ 促进，低 pH 加热易水解；黄原胶（xanthan gum）在 pH 2.0–12.0 和高盐中稳定。

3.6 Application and Challenges in Food System
明胶、果胶、卡拉胶等用于甜点、果酱、糖果、乳制品、冰淇淋、饮料和烘焙。挑战包括天然来源变异、清洁标签需求下天然体系稳定性不足、与蛋白质/脂质/糖/矿物质复杂互作。未来需提取纯化、酶法修饰、发酵生产、纳米结构化和复配体系。

4 Foaming
发泡受发泡剂、温度、pH、搅打、配料、设备和环境条件影响。

4.1 Mechanisms of Foaming in Food
4.1.1 Protein and Surfactant Roles
蛋白质降低表面张力并吸附于气-水界面；表面活性剂如卵磷脂和单甘酯更有效降低表面张力。

4.1.2 Bubble Stabilization
脂肪球和蛋白质形成保护层，防止气泡聚并；啤酒、起泡酒、卡布奇诺和烘焙泡沫依赖此机制。

4.2 Foaming Agents in Food
4.2.1 Egg White
蛋清蛋白如卵白蛋白和卵转铁蛋白提供发泡，用于蛋白霜、慕斯和舒芙蕾。

4.2.2 Soy Lecithin
大豆卵磷脂为发泡剂和乳化剂，降低表面张力，用于酱汁、调味品和乳液。

4.2.3 Gelatin
明胶用于棉花糖和胶质糖果，提供泡沫稳定性和口感。

4.2.4 Methylcellulose
甲基纤维素加热成胶，适合热泡沫、酱汁和无麸质烘焙。

4.2.5 Sucrose Esters
蔗糖酯降低表面张力，用于冰淇淋、蛋糕和搅打顶料，稳定气泡。

4.2.6 Glycerol Monostearate (GMS)
GMS 为稳定剂和乳化剂，增强泡沫体积和质构。

4.2.7 Sodium Lauryl Sulfate (SLS)
SLS 为强效表面活性剂，低浓度用于饮料和搅打顶料。

4.2.8 Monoglycerides and Diglycerides
单甘酯和双甘酯用于乳制品、烘焙和人造黄油，促进充气和泡沫稳定。

4.2.9 Xanthan Gum
黄原胶增加黏度和泡沫稳定性，与刺槐豆胶复配可增强结构。

4.2.10 Caseinate
酪蛋白酸盐具两亲性，用于蛋白奶昔、咖啡奶精和加工奶酪。

4.2.11 Emerging Plant-Based Foaming Agents
aquafaba（鹰嘴豆烹煮水）含蛋白质、多糖和皂苷，发泡能力可媲美蛋清，适合纯素和清洁标签。

4.3 Factors Affecting Foaming
4.3.1 Chemical Perspective
发泡剂浓度需优化；蛋白质形成柔性膜，表面活性剂依赖亲水亲油平衡值（HLB）。

4.3.2 Physical Perspective
温度、pH 和搅打影响发泡；蛋白质在等电点（pI）发泡差，适量酸可改善；过度搅打破坏泡沫。

4.3.3 Practical Perspective
脂肪抑制泡沫；设备如高剪切混合器和虹吸器影响泡沫；湿度和气压也影响稳定性。

4.4 Application and Challenges and Foaming Capacity in Different Aspects of Food Preparations
发泡能力用于烘焙、乳制品、饮料、糖果、加工食品、酱汁和无麸质烘焙。挑战包括 pH、温度、脂肪或酒精导致泡沫不稳定，以及避免不良风味。

5 Conclusion
胶凝和发泡由生物聚合物相互作用及 pH、温度、离子强度等控制。传统胶凝/发泡剂仍重要，但植物基和副产物如 aquafaba 受关注。未来需研究界面行为、吸附动力学和流变性质，采用超声、冷等离子体和高压加工等，并开发多糖-蛋白质杂化体系。