综述：从宏观、微观至分子水平研究多糖食品凝胶的凝胶机制与网络结构——方法论综述

《Food Hydrocolloids》：The gelation mechanism and network structure of polysaccharide food gels as studied from macroscopic, microscopic to molecular levels — A review of methodologies

　　

摘要由于其高含水量、低卡路里密度、易吞咽特性，多糖凝胶在食品工业中引起了越来越多的关注，几乎存在于我们的日常生活中。凝胶化是多糖最重要的性质之一，描述了链 - 链聚集和形成三维网络结构的过程，最终导致宏观机械性能的剧烈变化，即从具有良好流动性的溶液转变为具有自支撑特性的凝胶。此外，凝胶化过程也被认为会导致网络空间内的微观环境以及聚合物链的运动能力和聚合物 - 水相互作用发生显著变化。因此，从宏观、微观到分子层面了解多糖如何形成凝胶至关重要。在本综述文章中，我们总结了体流变学、颗粒追踪、光散射、核磁共振 (NMR)、电子顺磁共振 (EPR) 及其他一些工具在阐明典型凝胶多糖结冷胶 (gellan) 和卡拉胶 (carrageenans) 的网络结构和凝胶化机制中的应用。研究表明，这些技术在提供不同长度尺度下凝胶化机制和网络结构的重要信息方面功能强大。

引言自然界中丰富的多糖不仅是人类和动物良好的营养来源（即淀粉），也是用于众多食品产品的有前景的添加剂 (Funami et al., 2012; Ramírez et al., 2011; Stephen & Churms, 2006; Williams & Phillips, 2020)。多糖在食品工业中的应用很大程度上归功于其显著的增稠、稳定、凝胶化和乳化特性 (Stephen & Churms, 2006; Whistler, 1992; Yang et al., 2020)。在适当条件下，不同类型的多糖可以通过各种网络交联机制形成凝胶，包括 1) 由稳定的聚合物链螺旋聚集体交联（例如结冷胶凝胶 (Morris et al., 2012)、κ-卡拉胶凝胶 (Piculell et al., 1997)、琼脂糖凝胶 (Viebke et al., 1994)）；2) 由结合相邻聚合物链的金属阳离子交联（例如低甲氧基果胶-Ca2+ 凝胶 (Axelos et al., 1996; Cao et al., 2020)、藻酸盐-Ca2+ 凝胶 (Grant et al., 1973; Kohn, 1975; Li et al., 2007)）；3) 由分子间氢键和/或疏水相互作用交联（例如高甲氧基果胶凝胶 (Chan et al., 2017; Tsoga et al., 2004; Tsoga et al., 2004)、热设定甲基纤维素凝胶 (Hirrien et al., 1998; Sarkar, 1995)、魔芋凝胶 (Nishinari et al., 1992) 等）。交联过程和凝胶化行为可以通过改变固有聚合物结构 (Gao & Nishinari, 2004) 和外源溶液因素（包括金属离子种类和强度 (Moritaka et al., 1995)、pH (Yamamoto & Cunha, 2007; Yang et al., 2018)、共溶质类型 (Wan et al., 2021; Zhao et al., 2020)）进一步调节。由于多糖凝胶在稳定的三维网络内含有大量水，它们表现出宏观粘弹性，并被认为具有诱人的口感、易吞咽和增强饱腹感的特性 (Bradbeer et al., 2014; Nishinari et al., 2019; Zha et al., 2021)。

最近，多糖凝胶和凝胶化变得越来越重要，因为它们在设计保健食品和水凝胶材料中占主导地位 (Banerjee & Bhattacharya, 2012; Lips et al., 1991)。然而，这些食品和材料的合理设计需要对多糖的凝胶化过程和机制有全面的了解。在宏观上，与其他凝胶材料一样，多糖凝胶可以通过其机械行为来定义，预计会显示出固体和液体特性，即粘弹性 (Nazir et al., 2017; Nishinari et al., 2000)。因此，凝胶化过程可以表征为从以液体为主的溶胶到以固体为主的凝胶系统的明显转变。在这方面，尽管倒置管、毛细管和落球法可以对凝胶进行简单快速的筛选，但研究凝胶化过程更基础的方法是流变学方法 (Clark & Ross-Murphy, 2009)。在微观尺度上，凝胶网络的架构及其与凝胶宏观机械响应的关系是内在相关的。对于生物聚合物网络（通常是多糖），其弹性主要源于焓，并受构成网络的聚合物链弯曲能的影响。因此，据报道网络弹性（由凝胶的平台模量表征）与聚合物浓度 c（远高于临界凝胶浓度）显示出标度关系 (Fig. 1) (Clark & Ross-Murphy, 2009)。另一方面，特定凝胶中凝胶网络的形成也会影响系统中溶剂和共溶质分子的运动和扩散性。在这种情况下，凝胶中的网格尺寸 ξ变得极其相关 (Loren et al., 2009; Pescosolido et al., 2012; Zhao et al., 2017)。此外，分形维度 (df)，定义为在相对较宽的空间尺寸范围内具有同源结构，很好地表征了多糖凝胶中网络结构的自相似性 (Matsumoto et al., 1992)。在分子层面，多糖凝胶化是通过链聚集引发，导致三维网络结构的形成。这个过程主要由温度、盐或 pH 诱导，并伴随着聚合物链分子运动能力的剧烈变化。对于典型的凝胶多糖，如结冷胶、琼脂糖和卡拉胶，它们从溶液状态到凝胶状态的变化是由从无规卷曲到具有螺旋的高序结构的构象转变引起的，这导致链在溶液中的翻滚运动和平移运动 (Geonzon et al., 2020)。在其他情况下，多糖（如藻酸盐和低甲氧基果胶）的凝胶化需要二价阳离子的参与，这些阳离子被夹在不同多uronate 链上两个相邻解离的羧基之间 (Stokke et al., 2000)。在这种情况下，金属离子与多糖链的结合对于诱导凝胶化至关重要。考虑到所有这些因素，似乎有必要结合不同长度尺度派生的信息，以全面了解多糖凝胶中的分子机制和网络结构。

近几十年来，现代分析技术的进步极大地促进了人们对多糖凝胶和凝胶化的理解。特别是，核磁共振 (NMR)、辐射散射（如小角 X 射线散射）、被动颗粒追踪 (PPT) 和电子顺磁共振 (EPR) 已发展成为研究多糖凝胶中网络结构、微观环境和分子动力学的有力工具。在本综述文章中，利用文献结果和我们实验室的最新结果，我们旨在基于这些先进实验方法派生的信息，提供多糖凝胶形成机制和网络结构的物理描述。我们希望读者理解，在本文中介绍所有相关技术是不可能的，但为了更好地解释，我们提供了一些常用的多糖（包括结冷胶、琼脂、琼脂糖、卡拉胶）及其混合物作为主要例子。

章节片段

宏观性质
流变学方法通过测量多糖凝胶对变形的机械响应，为研究多糖凝胶的宏观粘弹性提供了有力工具 (Mezger, 2014; Normand et al., 2000)，从中可以获得有关动力学组装的有用信息，包括凝胶化时间、凝胶化温度、临界凝胶浓度等 (Nickerson et al., 2004) (Fig.1)。除了描述凝胶化动力学，流变学在表征...方面也非常强大。

微观环境
被动颗粒追踪 (PPT) 技术是探索食品凝胶中微观环境的有力工具 (de Kort et al., 2015; Vincent et al., 2007)。PPT 最初应用于 20 世纪 80 年代和 90 年代的生物物理学，后来扩展到细胞生物学、软凝聚态物质 (Alam & Mezzenga, 2011; Hong et al., 2018; Moschakis, 2013) 和复杂流体的研究 (Mason et al., 1997; Papagiannopoulos et al., 2016; Waigh, 2016)。典型的 PPT 实验涉及追踪...

网络结构
对多糖凝胶中网络结构的研究既具有科学兴趣又具有实际意义 (Danielsen et al., 2021)。例如，在食品科学中，多糖凝胶的网络结构、质地和感官感知是内在相关的 (Cao & Mezzenga, 2020)。在其他领域，了解网络结构也有助于基于多糖的功能材料的合理设计，包括用于受控给药的智能递送系统...

分子机制
多糖凝胶化是通过链聚集引发的，导致三维网络结构的形成，这涉及链分子运动能力的剧烈变化。人们认为，链的翻滚和平移运动在聚集和凝胶化过程中会显著改变，这会影响分子的扩散系数 (D) 和 NMR 弛豫时间 (Descallar & Matsukawa, 2020)。对于一些阴离子多糖，如藻酸盐...

讨论
由于广泛可得、无毒和良好的生物相容性，多糖在过去几十年中在食品科学 (Yang et al., 2020)、生物医学和材料科学领域获得了越来越多的研究兴趣。凝胶化是多糖在这些领域应用期间最基本的性质之一，描述了一个从链 - 链聚集开始并最终产生稳定三维网络的大分子组装过程。

结论与未来展望
在本文中，我们回顾了一些可用于从宏观、微观到分子层面研究多糖凝胶和凝胶化过程的先进技术。宏观流变学可以提供有关多糖凝胶凝胶点、凝胶化动力学和机械性能的有用知识。作为微观流变学技术，PPT 测量通过监测...能够有效推断微观凝胶网络中的局部空间差异（例如相分离）。

CRediT 作者贡献声明
Xi Yang: 写作 - 初稿，方法论，调查，资金获取，形式分析，概念化。Weifeng Li: 写作 - 初稿，调查，形式分析。Yisu Yang: 写作 - 审查与编辑，方法论，调查。Haopeng Wang: 方法论，调查。Marwa E. Atya: 可视化，方法论，调查。Xingfeng Shao: 写作 - 审查与编辑。Shingo Matsukawa: 监督，方法论，概念化

未引用参考文献
Desbrie`res et al., 1998; Geonzon et al., 2023; Geonzon et al., 2020; Tavagnacco L et al., 2023; Tsoga et al., 2004; Yang et al., 2018.

竞争利益声明
作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能看起来影响了本论文报告的工作。

致谢
这项工作得到了国家自然科学基金 (项目编号：32502407) 和宁波大学启动资金 (项目编号：432510753) 的资金支持。

Weifeng Li|Xi Yang|Haopeng Wang|Yisu Yang|Xingfeng Shao|Marwa E. Atya|Shingo Matsukawa
中国宁波大学食品科学与工程学院