综述：改性鱼明胶的多尺度结构-功能设计及其在凝胶、界面、薄膜和可打印食品基质中的应用：综述

《Food Hydrocolloids》：Multiscale Structure-Function Design of Modified Fish Gelatin for Gels, Interfaces, Films, and Printable Food Matrices: A Comprehensive Review

　　**摘要**

鱼明胶主要从渔业加工副产品中回收，是一种重要的食品蛋白质水胶体，具有凝胶化、成膜、界面稳定化、流变控制及生物活性传递潜力。然而，其更广泛的应用受到来源依赖性的变化、较低的凝胶强度、低热稳定性、高湿度敏感性以及脆弱的界面或网络结构的限制。本文探讨了通过改性策略如何在分子、胶体和材料尺度上调节鱼明胶的结构和功能。根据物理处理、酶交联、酚类强化、美拉德型糖基化、靶向化学修饰、蛋白质-多糖复合物化及复合策略对链构象、分子量分布、聚集行为、交联密度、水分分布、界面行为和流变特性的影响进行了评估。这些结构变化与食品相关应用联系起来，包括可食用薄膜和涂层、活性和智能包装、乳剂凝胶、结构化油脂、脂肪替代系统、3D可打印基质及食品级传递系统。关键挑战不在于最大化单一性能，而在于将每种改性方法与特定食品基质的结构瓶颈相匹配。未来的进展将依赖于标准化的分子表征、定量结构-功能关系、可控且可扩展的改性过程，以及在现实加工、储存、感官和成本-性能条件下的验证。

**引言**

明胶是食品系统中使用最广泛的蛋白质水胶体之一，因为它可以形成热可逆凝胶、稳定界面、结合水分、产生透明薄膜，并改变质地和流变性（Angela & Barrow, 2026; Tang et al., 2026; Usman et al., 2025b; Widiyanto et al., 2025）。大多数商业明胶仍来自猪皮和牛皮胶原蛋白，这促使人们寻找可持续性和文化接受度更高的非哺乳动物来源（Angela & Barrow, 2026; Tang et al., 2026）。鱼明胶（FG）是从鱼皮、骨骼、鳞片及其他海鲜加工副产品中提取的，因其保留了明胶的基本功能同时有助于水生副产品的增值而成为一种有前景的替代品（Gallego et al., 2026; Glomm et al., 2026; Xu et al., 2024b）。除了作为哺乳动物明胶的替代品外，FG还具有来源依赖性的分子特性，如链长、氨基酸含量、电荷分布、疏水结构域和三螺旋结构恢复情况，这些直接决定了其作为食品水胶体的行为。这一问题很重要，因为FG的弱点在不同的食品基质中的表现各不相同。与哺乳动物明胶相比，许多FG样品表现出较低的凝胶强度、凝胶化和熔点温度、较弱的机械强度、较高的湿度敏感性以及在加工和储存过程中的较差稳定性（Ahda et al., 2026; Derkach et al., 2022; Jaswir et al., 2026）。这些限制主要与脯氨酸和羟脯氨酸含量较低有关，导致类似胶原蛋白的三螺旋稳定性和热稳定性降低（Iafisco et al., 2026; Oikonomou & Vareltzis, 2026）。在凝胶中，这可能表现为低布卢姆强度（Bloom strength）、存储模量弱、保水能力差或在中等温度下软化（Giacomelli da Silva et al., 2022; Tang et al., 2026）。在薄膜和涂层中，可能导致高水蒸气渗透性、膨胀以及在潮湿条件下的机械强度损失（Grasso et al., 2023; Zhang et al., 2026b; Zhen et al., 2026）。在油水界面，FG可以吸附并降低界面张力，但形成的界面膜通常过于脆弱，无法抵抗盐分、pH值、加热或液滴凝聚。在可打印基质中，产量应力不足和结构恢复缓慢可能导致沉积后崩溃（Nurilmala et al., 2023; Xu et al., 2024b; Yang et al., 2026）。因此，问题不仅仅在于FG比哺乳动物明胶弱，而在于其分子结构在凝胶、薄膜、乳剂和打印食品中引发了不同的功能瓶颈（Ma et al., 2026a; Zheng et al., 2026）。只有针对这些瓶颈进行改性，改性策略才有效。超声波、高压处理、热处理（Mao et al., 2025）、冷等离子体和脉冲电场（Zhan et al., 2026）可以在较少使用合成试剂的情况下改变蛋白质的展开、聚集和网络形成。转谷氨酰胺酶交联（Peng et al., 2025）和氧化酶辅助偶联（Xiao et al., 2025）在温和条件下形成共价或半共价网络。酚类修饰剂也有双重作用，例如单宁酸（Zhou et al., 2026）、阿魏酸（Ying et al., 2025b）、没食子酸（Jiang et al., 2026a）、茶多酚（Zhang et al., 2024）和原花青素（Shen et al., 2025），这些物质可以增强薄膜和凝胶的同时添加抗氧化或抗菌活性。仍需检查其对颜色、风味、透明度、迁移性和感官效果的影响。蛋白质-多糖复合物化提供了另一种设计途径。果胶（Huang et al., 2022）、海藻酸盐（Zhan et al., 2026）、卡拉胶（Chen et al., 2024）和壳聚糖（Wang et al., 2024b）与FG形成复合物、聚集体和双重网络。阿拉伯胶（Anvari & Joyner Melito, 2017）、纤维素纳米纤维（Li et al., 2026）及相关水胶体将这一途径扩展到乳剂凝胶和可打印基质。综上所述，这些方法将FG改性从单纯的性能改进转向多尺度结构工程。

**改性FG的应用潜力**

改性FG的应用潜力源于结构-功能关系。改性的FG薄膜可以在活性和智能包装中结合生物降解性、机械强化、湿度控制、抗氧化或抗菌功能以及保鲜指示（Liu et al., 2021; Lu et al., 2022）。在乳剂凝胶和结构化油脂中，FG有助于脂肪替代、氧化控制和亲脂营养素的传递（Lin et al., 2025）。在3D食品打印中，FG复合墨水提供剪切稀释、恢复性、凝胶化及形状保持，适用于个性化营养食品、老年友好型食品、吞咽困难者饮食和海鲜替代品（Zhou et al., 2026）。FG颗粒、聚集体和凝胶还可以保护和释放风味、多酚、维生素、益生菌和生物活性脂质（Ben Melek et al., 2026）。如图1所示，改性FG不应仅仅被视为哺乳动物明胶的替代品，而应作为一种可设计的食品结构平台。本文将改性FG视为一种食品蛋白质水胶体，而不仅仅是哺乳动物明胶的替代品。以往的综述主要围绕FG的来源和提取方法、改性方法类别或个别应用进行组织，而关于功能化明胶的综合性综述并未具体讨论FG的来源依赖性结构限制如何在不同尺度上体现（Su et al., 2025; Tang et al., 2026）。相比之下，本文采用了一个以瓶颈为导向的多尺度框架，将来源和工艺依赖性的分子特性与聚集行为、界面和网络组织联系起来，最终与特定食品基质中的性能要求相结合。首先讨论了鱼类种类、解剖来源、提取历史、氨基酸组成、分子量分布和链结构如何决定FG的质量差异和结构基础。然后根据其对分子相互作用、聚集行为、交联、水分分布、界面行为、流变性和材料性能的影响，评估了物理、化学、酶、蛋白质-多糖及联合改性策略。最后，将这些机制与凝胶、可食用薄膜和涂层、乳剂和乳剂凝胶、3D可打印基质及食品级传递系统联系起来。该框架不是将每种改性方法视为孤立的过程或追求单一性能的改进，而是根据它们解决的结构瓶颈、引入的权衡以及在食品加工中的需求来比较各种改性策略。

**FG的质量依赖于来源和工艺**

FG的质量不是固定的，而是强烈依赖于鱼类种类、解剖来源、提取历史和提取后处理（Derkach et al., 2022; Feng et al., 2025a; Gallego et al., 2026; Hu et al., 2025; Iafisco et al., 2026; Mohd Thani et al., 2026; Yu et al., 2024）。鱼类种类是质量变化的重要因素。据报道，温水鱼肉明胶通常具有更高的凝胶强度、凝胶化和熔点温度以及更好的热稳定性。

**FG的多种改性技术**

天然FG的功能受分子组成、链完整性、聚集状态、水结合、界面吸附和网络结构的影响（Angela & Barrow, 2026; Su et al., 2025; Tang et al., 2026）。本文中的提取技术指的是在明胶回收之前或期间对含胶原的鱼组织进行的处理，而提取后改性则指对回收的FG或含FG的制剂进行的处理，以调节其性能。

**改性FG的结构-功能关系**

FG改性的价值取决于结构变化能否转化为可预测的水胶体性能。同样的处理在不同鱼类种类、提取历史、分子量分布和食品基质中可能会产生不同的结果，这解释了结构-功能关系在设计改性FG系统中的核心地位（Geng et al., 2024; Xu et al., 2022）。凝胶强度、成膜性、乳剂稳定性、流变恢复性和可打印性是改性FG的关键应用领域。

**改性FG的新兴食品应用**

改性FG的应用已经超越了传统的凝胶化、稳定化、乳化、发泡和成膜功能，扩展到可食用薄膜和涂层、活性和智能包装、乳剂凝胶、脂肪替代系统、结构化油脂、3D可打印基质及食品级传递系统（Shi et al., 2022）。这些应用不是孤立的终点，而是同一水胶体设计问题的不同表现形式：如何控制链结构以实现特定功能。

**结论与未来展望**

FG改性正从简单的缺陷修正向更精确的结构-功能调控发展。早期的动机是弥补凝胶化能力弱、热稳定性低、湿度敏感性和网络脆弱的问题。现在更重要的任务是理解如何根据特定食品水胶体的功能调整分子结构、聚集行为、水结合、界面吸附和网络组织。物理处理主要调节链结构。

**作者贡献声明**

Xu Jinghong：撰写原始草稿、验证、软件使用、项目管理、方法学设计、数据分析、概念化。
Xu Huajian：撰写与编辑、概念化。
Zhang Qing：撰写与编辑、数据管理。
Liu Jiayuan：撰写与编辑、验证。
Wang Yixuan：撰写与编辑、数据分析。
Zhu Lilin：撰写与编辑、概念化。
Li Zheng：撰写与编辑、调查。

**数据可用性**

数据将根据请求提供。

**资金情况**

本研究未获得外部资助。

**利益声明**

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**

所有作者衷心感谢中国西南大学食品科学学院（重庆400715）为本研究提供的必要支持。

Jinghong Xu | Jiayuan Liu | Yixuan Wang | Lilin Zhu | Zheng Li | Qing Zhang | Huajian Xu
中国-匈牙利食品科学联合实验室，由四川和重庆共建的西南大学食品科学学院，重庆400715