乳液填充水凝胶（EFHs）的界面设计、结构调控及其在功能食品中的应用与转化挑战

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Design and application of emulsion-filled hydrogels for functional foods

　　

乳液填充水凝胶（emulsion-filled hydrogels, EFHs）在乳液与水凝胶之间建立联系，服务于多功能食品；界面设计可调控质地、力学性能和稳定性；增强生物活性物质保护并实现胃肠道（gastrointestinal, GI）控释；可实现脂肪替代物、3D打印和智能包装；氧化、复杂性和法规限制其规模化。

该综述发表于《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》，系统讨论乳液填充水凝胶（emulsion-filled hydrogels, EFHs）的设计及其在功能食品中的应用。研究背景是消费者对健康和可持续食品的需求增加，传统乳液虽可负载亲脂性营养素、风味物和生物活性物，但热力学不稳定，易发生聚并、絮凝、奥斯特瓦尔德熟化和相分离；表面活性剂稳定或Pickering稳定乳液仍存在机械完整性有限、对pH和离子强度敏感、易受热和机械加工影响以及清洁标签潜力受限等问题。将乳液滴固定于水凝胶基质中形成EFHs，可结合乳液的包封保护能力与水凝胶的固体样完整性、可调流变性和环境响应性。已有综述多关注EFHs的某些方面，但缺乏同时比较分子乳化剂与颗粒乳化剂、Pickering EFHs及食品应用的系统整合。因此，研究人员开展本综述，整合EFHs制备、界面组成、液滴-基质相互作用、生物活性物保护与控释、脂肪替代、3D打印、智能包装及产业化挑战，意义在于为EFHs从实验室配方走向可持续、清洁标签和健康导向食品提供路线。

关键技术方法：该文为综述，采用文献归纳与比较分析，无样本队列。主要包括：比较先乳化后凝胶的两步法与一锅乳化-凝胶法；分析界面设计与乳化剂类型；归纳小振幅振荡、LAOS（large-amplitude oscillatory shear，大振幅振荡剪切）、压缩、蠕变-恢复和摩擦学等流变力学评价；总结显微、红外、X射线衍射和低场核磁等结构/水合表征；讨论体外消化、扩散池、细胞毒性、电子顺磁共振等递送评价；并评估3D打印和包装保鲜案例。

研究结果：2. 基本设计（Fundamental design of EFH systems）：通过比较两步法与一锅法，两步法可独立优化液滴和基质并适合热敏活性物但需防相分离；一锅法简化可放大并可形成O/W/W（oil-in-water-in-water）结构，但乳化与凝胶竞争可致异质分布、聚集或包封下降。3.1 乳化剂类型与浓度（Type and concentration of emulsifier）：通过界面组成与流变分析，蛋白界面膜形成活性填料提高G′（storage modulus，储能模量），Tween 20/Triton X-100置换蛋白形成非活性填料降低刚性；适量SDS（sodium dodecyl sulfate，十二烷基硫酸钠）可暂时桥联蛋白，过量破坏网络。3.2 填料浓度、尺寸和空间分布（Concentration, size, and spatial distribution of fillers）：通过改变体积分数和粒径，活性填料增加φ提高G′和断裂应力，非活性填料降低模量；小液滴比表面积大强化网络；絮凝可截留基质提高有效体积分数，但软絮体可降低刚度，需控制聚集。3.3 固体脂肪含量和脂质物理状态（Solid fat content and lipid physical state）：通过改变油脂固脂含量，固体脂肪内部晶体网络提高液滴刚性，部分聚并和晶体桥接提高G′和硬度；油含量和脂质状态效应非单调且依赖温度，过高油含量可破坏基质。3.4 基质刚度和聚合物特性（Matrix stiffness and polymer characteristics）：通过改变胶凝剂浓度、类型和凝胶途径，较高胶凝剂浓度形成致密网络提高模量和断裂应力；高酰基结冷胶强弹性，低酰基弱；pH和黄原胶等可调可打印性，需平衡网络连接、弹性和恢复与过度硬化。3.5 微观结构和持水力（Microstructure and water-holding capacity）：通过显微、低场核磁和脱水/离心等，细链网络小孔高WHC（water-holding capacity，持水力）和弹性，颗粒网络大孔易脱水；液滴阻塞孔道可提高WHC；WHC不能仅由G′或硬度推断，应结合水合态测量。4. 生物活性物质递送（Delivery of bioactive compounds via EFHs）：通过体外释放和消化研究，EFHs双网络可同时包埋亲水和亲脂物，保护维生素、抗氧化剂、PUFAs（polyunsaturated fatty acids，多不饱和脂肪酸）和精油并实现pH/酶响应控释。4.1 维生素（Vitamins）：通过纳米乳/水凝胶、米粉凝胶、果胶-菊粉、Pickering藻酸盐珠和微流控等，提高维生素D₃、A、E及C/B₁₂的稳定性、控释和生物可及性；维生素K在EFHs中尚未充分研究。4.2 抗氧化剂（Antioxidants）：通过姜黄素、白藜芦醇、EGCG（(–)-epigallocatechin-3-gallate，(–)-表没食子儿茶素没食子酸酯）等负载EFHs，pH响应/酶响应释放提高包封率、光稳定性和生物可及性；双乳液水凝胶珠可降低游离脂肪酸释放并提高EGCG生物利用度。4.3 脂肪酸和精油（Fatty acids and essential oils）：通过鱼油/藻油/亚麻籽油/精油EFHs，降低氧化产物TBARS（thiobarbituric acid reactive substances，硫代巴比妥酸反应物）并控制脂解，DHA（docosahexaenoic acid，二十二碳六烯酸）生物可及性可达84%；ω-6研究有限；精油作为活性或非活性填料影响质构和释放。5. 创新应用（Innovative applications of EFHs in food systems）：5.1 脂肪替代（Fat replacement strategies）：通过乳液凝胶微粒/油填充水凝胶粒子用于低脂酸奶、肉制品和植物基萨拉米，降低脂肪、能量和饱和脂肪酸并调控质构；部分研究仅提供候选脂肪模拟物，产品级证据显示植物油炸乳清蛋白乳液凝胶（V-EY）酸奶部分质构低于乳脂乳液凝胶（M-EY）但优于脱脂酸奶。5.2 3D（three-dimensional，三维）打印可食用墨水（3D printable edible inks）：通过流变和打印测试，EFHs需剪切变稀、屈服应力和结构恢复；大豆分离蛋白/多糖、螺旋藻及纤细眼虫（Euglena gracilis）等体系改善打印精度和自支撑，油滴活性填料增强打印。5.3 食品包装（Food packaging）：通过抗菌/温敏/光热响应EFHs，肉桂油、水杨醛和吲哚菁绿负载埃洛石纳米管等实现缓释和保鲜；但多为概念验证，需迁移毒理、阻隔和机械基准。

讨论部分总结：结构配方复杂和相分离、加工储存中的热机械氧化稳定性、控释与体内相关性、3D打印/智能系统放大、产业化路线、法规感官消费者接受和可持续性构成主要瓶颈。原文提出多尺度建模与计算流体力学、在线监测、多网络/酶交联/层层涂覆、天然抗氧化剂、体外-体内相关性（IVIVC）与机器学习、人工智能辅助流变、连续制造与过程分析技术、标准化、安全迁移测试、清洁标签和植物/藻类原料及生命周期评价等方向。离子交联（如Ca²⁺）和界面工程被强调用于提升稳定性。

研究结论翻译：乳液填充水凝胶（EFHs）由包埋于水溶胀交联大分子网络中的内部液态油相组成，其整体性能取决于分散油滴与周围水凝胶基质的协同相互作用；非相互作用油滴可作为结构缺陷并损害体系韧性。该综述聚焦EFHs的控制组装、网络形成机制和先进食品应用制备技术。EFHs在保护氧化敏感化合物、控制脂质消化、替代常规脂肪和调控食品质构方面具有最明确的实用价值；在食品体系中适合封装ω-3脂肪酸、油溶性维生素和风味物。交联EFHs可控制多种活性物的封装与释放；多孔EFHs可调控消化酶扩散和脂解动力学；纳米乳液EFHs和多孔组装可模拟高脂食品的黏弹性、润滑性和口感。未来需发展多级结构、全水乳液、无表面活性剂/无油方法、刺激响应体系和高性能EFHs，并关注连续中试、批次重现性、原料成本、感官品质、法规合规和环境足迹；清洁标签应作为配方特定目标；计算模型和机器学习有助于将配方参数映射到黏弹性和消化结果。研究仅初步探索微凝胶和EFHs用于结构化食品基质和3D打印架构；随着配方技术和界面工程成熟，EFHs将成为未来食品设计的多功能基石。