《Food Research International》：Biomimetic hydrogels in food systems: Fabrication, properties, and applications in bioactive delivery, smart packaging, and texture engineering
编辑推荐：
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仿生学要求模仿生物的结构、功能或反应。
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网络结构决定了纹理、释放和食物基质的稳定性。
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微凝胶和乳液凝胶模仿脂肪的润滑作用和油脂的释放。
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放大生产需要绿色工艺、实际食品验证和安全评估。
引言
水凝胶是通过亲水聚合物链
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仿生学要求模仿生物的结构、功能或反应。
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网络结构决定了纹理、释放和食物基质的稳定性。
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微凝胶和乳液凝胶模仿脂肪的润滑作用和油脂的释放。
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放大生产需要绿色工艺、实际食品验证和安全评估。
引言
水凝胶是通过亲水聚合物链的物理或化学交联形成的，是一类重要的三维网络材料。它们出色的保水能力、固有的柔韧性和良好的生物相容性受到了广泛关注，使得它们在食品科学、生物医学工程和材料研究中得到广泛应用。然而，一些传统的水凝胶可能在特定的应用条件下表现出机械稳定性不足、功能有限或环境响应能力不足。与生物凝胶不同，它们缺乏类似的组织结构，因此无法具备许多自然系统所具有的显著功能（Mredha & Jeon, 2022）。最终，这些内在缺陷严重阻碍了传统水凝胶满足现代食品工程多方面需求的能力，尤其是在流变改性、靶向生物活性化合物传递和智能包装解决方案等方面。因此，研究人员在过去几十年中探索和开发了多种策略来解决这些限制。例如，双网络结构（Gong et al., 2003）、纳米复合材料（Haraguchi & Takehisa, 2002）和动态交联（Jeon et al., 2016; Tran et al., 2019）。此外，聚两性离子系统的开发已成为增强水凝胶机械强度的一种非常有前景的策略（Sun et al., 2013）。
仿生学的核心原则是将自然现象作为最终的发展指南（Wegst et al., 2015）。仿生水凝胶被定义为经过精心设计的水合聚合物网络，旨在再现与食品系统相关的特定生物结构、功能或适应性反应。传统水凝胶并不是围绕一个明确识别的生物模型设计的，而基于生物的水凝胶则由其组成材料的生物或可再生来源定义。受生物启发的水凝胶从生物系统中汲取设计概念，但不一定需要再现或功能验证特定的生物特征。因此，仅凭天然来源、保水能力、生物相容性、先进制造技术或pH响应性并不足以证明其具有仿生性。只有同时满足所有四个要素——可识别的生物模型、再现的特征、预期的工程结果以及功能相关性的证据，材料才能被归类为仿生材料：可识别的生物模型、再现的特征、预期的工程结果以及功能相关性的证据。通过将选定的生物结构或机制转化为材料设计，仿生水凝胶为食品领域开辟了新的应用途径，但它们的实际性能仍取决于聚合物组成、网络结构和应用条件（Gao et al., 2024）。
仿生水凝胶的概念最初是在几个生物医学背景下开发的，随后在食品相关的递送、结构和包装系统中进行了探索（Hu et al., 2025）。在这篇综述中，关于伤口愈合、细胞外基质再现、细胞增殖和组织再生的生物医学发现被视为概念灵感，而关于食品性能的结论则基于来自可食用或与食品接触系统的证据。通过将仿生设计概念与聚合物网络固有的物理化学特性相结合，这些仿生水凝胶具备了出色的生物相容性、显著的水合能力和优秀的气体交换能力。通过成功地克服传统平台的机械脆弱性、有限的生物活性和较差的环境响应性，这些仿生网络成为先进食品工程、靶向营养品递送和智能包装系统的高度可行的基质（Martinet et al., 2025; Wu et al., 2024; Zhou et al., 2023）。在生物医学研究中，类似细胞外基质的水凝胶结构被认为可以支持细胞附着和增殖，从而为未来可食用支架的设计提供了概念指导。在食品相关研究中，水凝胶基质被研究作为加工、储存和胃肠传输过程中益生菌的保护载体（Manzoor et al., 2022）。来自海洋生物的蛋白质多糖（如鱼蛋白、卡拉胶、藻酸盐、壳聚糖）由于其优异的生物相容性，已成为食品级仿生水凝胶的理想原料（Yan et al., 2024）。同时，淀粉因其固有的安全性、良好的生物降解性和总体成本效益，成为食品级仿生水凝胶商业化生产的基本前体（Wang et al., 2025）。
之前的综述根据仿生大分子的组成、制备方法、物理化学性质以及其在食品营养、健康和生物医学领域中的应用对其进行了总结（Xiang et al., 2024; Ye et al., 2024）。然而，生物来源、食品兼容性、仿生设计和支持证据的背景并不总是被明确区分。本文通过对当代文献的严谨综合，全面概述了仿生水凝胶的分类、制造方法、物理化学属性和特定的食品应用。通过阐明现有研究中的技术协同效应和方法论交叉点，本文旨在为未来的理论进步和食品级仿生水凝胶系统的实际工业化建立一个战略路线图。因此，仿生设计被认为是一种调整水凝胶结构和功能的可行策略，而不仅仅是优越机械性能或多功能性的普遍指标。为了提供平衡的比较，传统水凝胶和仿生水凝胶根据其设计基础、结构组织、环境适应性和应用特定性能进行了评估。传统水凝胶可以通过聚合物和网络工程实现高韧性、控制释放或刺激响应，而不需要再现生物模型。相比之下，仿生水凝胶的独特之处在于将可识别的生物结构、功能或适应机制有意识地转化为材料设计。只有当再现的特征相对于适当的传统或非仿生对照组产生了可测量的改进时，其性能优势才具有意义。
部分摘录
仿生水凝胶的制造和结构设计策略
本节讨论的策略处于不同的材料设计层面，因此不被视为等同的制造类别。微流控技术、电纺法和三维打印被归类为成形或制造方法；逐层组装和乳液模板化被归类为界面或结构构建途径；双网络形成和刺激响应性交联被归类为网络结构
仿生水凝胶的关键食品相关性质
仿生水凝胶的性质直接决定了其在食品应用中的可行性。仿生水凝胶的物理化学行为在很大程度上取决于其交联方法，这些方法又对仿生概念的实际应用产生了深远影响。通过不同交联机制（如氢键和共价键）构建的水凝胶网络表现出卓越的机械强度和膨胀特性。
仿生水凝胶在食品领域的应用
基于其优异的物理化学和功能性质，仿生水凝胶在食品领域的应用已经从单一功能（例如，质地改良）发展到多功能集成（例如，“活性递送+智能指示”）。具体应用类型、功能特性和典型示例如下表2所示。（见表3。）
挑战与前景
尽管在仿生水凝胶用于食品相关应用方面取得了进展，但在不同制造途径和预期用途之间的转化障碍仍然存在很大差异。与制造相关的障碍取决于每种策略的作用。微流控处理可以控制微凝胶的大小和形态，但受到产量限制、连续相和表面活性剂去除以及基于通道的生产放大等因素的影响。电纺法需要仔细控制溶剂残留物
结论
本综述表明，仿生水凝胶设计的相关性取决于可识别的生物结构、功能或适应性反应在食品相关条件下是否产生了可测量的优势。由于淀粉和海洋来源的蛋白质及多糖的可获得性和潜在的食品配方兼容性，它们经常被研究作为水凝胶形成材料。然而，所审查的证据并未确立它们的主导地位或普遍适用性
CRediT作者贡献声明
杨浩（Yanghao Tang）：撰稿——初稿撰写、可视化、方法论、调查、概念化。樊建国（Gongjian Fan）：撰稿——审稿与编辑、可视化。李婷婷（Tingting Li）：撰稿——审稿与编辑、可视化。周丹丹（Dandan Zhou）：方法论、调查。朱一清（Yiqing Zhu）：可视化、资源准备。吴彩虹（Caie Wu）：方法论、调查。李小静（Xiaojing Li）：撰稿——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（32502253）和国家重点研发计划（2023YFD2201300）的资助。
```Yanghao Tang|Gongjian Fan|Tingting Li|Dandan Zhou|Yiqing Zhu|Caie Wu|Xiaojing Li
