综述：用于共同输送生物活性物质的层次结构食物水凝胶：结构设计与在胃肠道中的命运

《Food Hydrocolloids》：Hierarchical food hydrogels for co-delivery of bioactives: Structure design and gastrointestinal fate

　　摘要：水凝胶越来越多地被用作食品级的软物质基质，以改善生物活性化合物的稳定性、分散性和消化性能。然而，传统的单一网络水凝胶往往无法满足多组分功能性食品的需求，尤其是在生物活性成分在极性、稳定性、感官影响和消化相关释放行为上存在差异时。本文将层次化水凝胶视为结构有序的食品基质系统，并系统地讨论了它们在生物活性成分共递送中的作用。首先，总结了主要食品级构建模块的组装功能，包括聚电解质多糖、两亲性蛋白质和多糖、中性多糖以及功能性小分子。然后，从分子、纳米、微米和宏观尺度分析了双网络、互穿网络、纳米复合材料、乳液填充凝胶、大凝胶、核壳结构、多层结构和各向异性水凝胶等架构，探讨了它们在机械稳定性、隔离装载、界面稳定化、质地调节和消化响应性释放方面的贡献。特别关注亲水性和疏水性生物活性成分的共递送，层次化隔离可以提高成分的相容性，减少过早损失，并支持食品系统中的综合功能表现。除了封装和保护作用外，本文还进一步将水凝胶结构与口腔加工、胃部膨胀和保留、肠道酶的可达性、脂质消化、生物利用度以及结肠发酵联系起来，强调水凝胶结构不仅影响生物活性成分的保护和释放，还决定了感官质量、消化行为和营养功能性。最后，提出了关于可预测的结构设计、可扩展的食品加工、动态消化评估、清洁标签配方以及开发消费者可接受的功能性食品的未来展望。

引言：随着营养科学从满足基本营养需求转向旨在维护健康和风险管理的精准干预，功能性食品的发展正从简单地添加活性成分转向整体优化递送效率和作用部位（Qin等人，2026年；Z. Zhang等人，2025年）。多酚、类胡萝卜素、脂溶性维生素、生物活性肽和益生菌具有明显的健康益处，但在食品加工和储存过程中，它们常常因水溶性不足、对光、热和氧的敏感性以及消化道内有效暴露不足而表现出较低的生物利用度和生物活性（Luo等人，2025年；Shadrack等人，2025年；Z. Zhang等人，2025年）。同时，功能性配方越来越强调多种成分的联合使用，以实现更稳定或更强的健康效果，例如益生元和益生菌的结合（Versalovic等人，2026年），或亲水性和疏水性抗氧化系统的共递送（X. Liu等人，2025年）。这一趋势要求递送载体不仅需要保护活性成分，还需要平衡同一系统内不同成分的装载稳定性，并理想地使其释放过程与消化和吸收过程相匹配（Y. Wang等人，2026年）。食品水凝胶为上述要求提供了重要的物质基础。水凝胶通常由食品级生物聚合物（如多糖和蛋白质）构建而成，形成在高水分含量下仍能保持稳定结构完整性的三维网络（S. C. Briones等人，2025年；Jiang & Zhou，2025年）。它们的网络孔隙度、交联密度和内部组织可以调节，从而影响质地、流变学、扩散阻力和环境响应性（Lloyd等人，2025年；Palombo等人，2025年）。在食品系统中，水凝胶不仅用于结构构建和质地调节，还用作封装和递送平台，旨在减少加工和储存过程中活性成分的损失，并优化消化过程中的释放和传输（S. C. Briones等人，2025年）。其形成方法包括离子诱导、热诱导、冻融退火、疏水关联和静电复合等物理过程，以及酶促交联（例如转谷氨酰胺酶）或其他食品级交联方法，以增强结构稳定性和机械性能（S. C. Briones等人，2025年）。随着结构设计策略的发展，水凝胶系统已从传统的块状凝胶扩展到微凝胶、乳液凝胶、填充凝胶以及核壳或多层结构，为复杂的递送任务提供了更多可调的结构单元（McClements，2024年；Wooster等人，2023年）。然而，通过简单增加装载容量或添加成分并不能实现多种活性成分的共递送；主要挑战在于成分之间的相容性问题以及释放部位和速率的不同要求（H. Li等人，2025年）。亲水性和疏水性活性成分在同一亲水网络中的分配行为存在显著差异，通常导致疏水性成分的装载效率低下或加工过程中的迁移损失。某些活性成分还可能相互反应，导致失活，或竞争吸收途径，从而削弱整体效果（H. Li等人，2025年）。更重要的是，不同活性成分的最佳作用部位并不一致；一些成分需要在胃中保持稳定并延迟释放，另一些需要在小肠中快速释放以便吸收，还有一些需要在结肠中释放以发挥与微生物群相关的效果（Liang等人，2025年）。尽管传统的单一网络水凝胶具有良好的生物相容性和可成型性，但其相对均匀的孔结构和缺乏内部隔离使得难以实现亲水性和疏水性成分的有效共装载及其释放特性的差异化调节（Dowdy-Green等人，2026年）。此外，在消化环境变化下，这类水凝胶往往会表现出更快的释放或结构松散，限制了其在协同递送场景中的应用（G. W. Liu等人，2025年）。为了解决这些问题，层次化食品水凝胶的设计已成为研究重点（C. W. Zhang等人，2025年）。层次化结构强调了从分子、纳米、微米到宏观尺度引入有序的结构层次和不同的功能区域，使水凝胶能够同时具有多种组织形式和质量传递途径（Jaberi等人，2025年；C. W. Zhang等人，2025年）。在分子层面，双网络或互穿网络等结构可以提高凝胶的韧性和环境耐受性（Hou等人，2024年；Li & Gong，2024年）。在纳米和微米层面，将纳米载体嵌入凝胶网络或引入乳液填充和多腔结构，为疏水性成分提供相对稳定的区域，为敏感成分增加额外屏障，并减少成分之间的直接接触（Jain等人，2025年；H. Li等人，2025年）。在宏观层面，核壳和多层结构可以延长扩散路径并调节降解和侵蚀过程，使不同活性成分在不同阶段表现出更合适的释放动力学（J. Huang等人，2025年；Lee等人，2025年）。总体而言，层次化结构为单一载体内的多组分系统的稳定共存提供了更可靠的结构基础，减少了相互干扰并实现了分阶段释放（H. Li等人，2025年；C. W. Zhang等人，2025年）。在食品应用中，递送系统的有效性最终必须通过整个胃肠道消化过程进行评估（Yu等人，2025年）。水凝胶影响口腔阶段的质地感知和吞咽安全性；其在胃阶段的膨胀和结构完整性决定了对酸敏感成分的保护效果和胃部保留行为；小肠中的降解和结构松散影响活性成分的释放、传输和吸收效率；而在结肠中，可发酵基质可能与肠道微生物群相互作用，进一步影响代谢产物的生成和局部生理反应（M. Guo等人，2025年；Lazickait?等人，2025年；X. Zhang等人，2025年；Yunzhen Zhang等人，2025年）。因此，对层次化水凝胶的评估不应局限于静态结构和体外释放曲线，还应关注整个消化过程中的结构变化及其对活性成分暴露和利用的影响（G. W. Liu等人，2025年；B. Wang等人，2024年）。现有的关于食品水凝胶的综述往往侧重于材料来源或单一活性成分的封装，缺乏对结构层次、共递送策略及其与胃肠道过程联系的系统性总结（S. C. Briones等人，2025年）。鉴于此，本文从天然生物聚合物的组装潜力出发，总结了从单一网络到层次化结构开发食品水凝胶的主要构建策略，进一步概括了多层次结构中多活性成分共递送的稳定方法和兼容性管理方法，并讨论了结构变化与整个消化过程中功能表现之间的关系，旨在为面向精准营养的食品递送系统提供更明确的设计参考和评估框架。图1展示了食品水凝胶的层次结构构建策略及其在协同递送和消化调节中的功能机制。

相关文献主要从Web of Science、Scopus和PubMed检索，同时使用Google Scholar进行了补充搜索。搜索范围主要集中在2020年1月至2026年5月期间发表的研究，以反映层次化食品水凝胶的最新进展。搜索关键词涵盖了四个相互关联的概念组：食品级水凝胶材料及其组装、层次结构、生物活性成分的封装和共递送以及胃肠道命运。纳入的文献主要为经过同行评审的英文原始研究文章和相关综述，涉及食品级或潜在食品兼容材料。仅当生物医学水凝胶的结构机制可转移到食品系统中时，才包括专门涉及非食品生物医学应用的研究。搜索策略、纳入和排除标准、筛选流程以及数据提取和合成方法的详细信息见补充材料S1。

自然聚合物和组装潜力：层次化食品水凝胶的性能很大程度上取决于所选材料模块的组装行为及其在复合系统中的结构作用。为了系统地总结不同材料在层次化结构设计中的功能定位和调控逻辑，本章从聚电解质多糖、两亲性分子、中性/结构多糖和功能性小分子等模块开始概述。

从交联多样性到层次化架构的演变：食品水凝胶的性能从根本上取决于生物聚合物之间的交联相互作用及其形成的网络拓扑结构。在食品级系统中，物理交联是最常见的途径，包括热诱导的链重排和结晶、冻融辅助的微域聚集、离子协同以及带相反电荷的生物聚合物之间的复合共凝聚。典型的例子包括海藻酸盐或……

单一生物活性成分的保护和溶解：许多用于功能性食品的生物活性成分，包括脂溶性小分子、多酚、天然色素、蛋白质/肽、益生菌和后生物制剂，在加工、储存和胃肠道传输过程中存在溶解度差、化学不稳定或快速失活的问题。食品水凝胶可以在相对温和的胶凝条件下提供可设计的三维网络，从而保护、固定、溶解或控制释放活性成分。

胃肠道命运和生理调节：本章将讨论从水凝胶介导的生物活性保护和递送到层次化食品水凝胶与宿主生理过程之间的相互作用。遵循口腔加工、胃部行为、小肠消化和吸收以及结肠发酵的顺序，探讨了水凝胶结构在胃肠道中的变化及其对这些过程的功能影响。在口腔加工过程中，水凝胶影响质地和润滑作用……

结论与展望：层次化食品水凝胶提供了一个结构可编程的软物质平台，用于改善生物活性化合物的稳定性、共递送和胃肠道命运调节。本文总结了食品级生物聚合物（特别是多糖和蛋白质）如何组装成单一网络、双网络、互穿网络、纳米复合材料、乳液填充凝胶、核壳结构、多层结构和各向异性架构。与传统的单一网络水凝胶相比……

作者贡献声明：Jianqiang Huang：撰写-审阅与编辑、可视化；Yuqing Ni：可视化、验证；Jianqiu Wang：撰写-原始草案、研究、数据管理；Duo Wu：撰写-原始草案、可视化、验证、研究、数据管理；Zeyu Wang：数据管理；Lijiang Chen：撰写-审阅与编辑、撰写-原始草案、监督、资源管理、项目管理和资金获取。康莉：写作——审稿与编辑；写作——初稿撰写；可视化；未引用参考文献
陈等人，2024年；陈等人，2024年；程等人，2025年；崔等人，2022年；冯等人，2025年；郭等人，2025年；郭等人，2025年；黄等人，2025年；江等人，2024年；李等人，2025年；李等人，2025年；李等人，2025年；李等人，2025年；李等人，2025年；李等人，2025年；李等人，2026年；李等人，2025年；李等人，2024年；林等人，2024年；林等人，2023年；林等人，2024年；刘等人，2025年；刘等人，2022年；刘等人，2025年；刘等人，2025年；刘等人，2023年；刘等人，2022年；卢等人，2026年；任等人
利益冲突声明
所有作者声明没有可能影响本文所述工作的已知利益冲突或个人关系。
数据可用性
本文研究未使用任何数据。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究工作得到了中国辽宁省科学技术厅（2024JH2/102500018）、辽宁省教育厅（LJ212410140022）、辽宁省教育厅青年项目（JYTQN2023188）、辽宁省科学技术厅博士启动项目（2023-BS086）、辽宁大学研究生基础科研项目（LNUYJS017）等资助。
康莉 | ジーニン?リ | ボラン?ヤン | シーチー?ワン | ジア?リウ | ジャンチウ?ワン | ドゥオ?ウ | チャンチャン?ハン | ユーチン?ニ | リャンルイ?カオ | ゼユ?ワン | リージャン?チェン
辽宁大学药学院，中国沈阳110036