楊靜怡，鄭紅霞，高彥祥，毛立科*

（中國(guó)輕工業(yè)健康飲品重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083）

許多生物活性物質(zhì)如維生素、氨基酸、功能性油脂等有助于人體健康，尤其是一些具有抗氧化、降血脂和增強(qiáng)免疫力等功效的功能因子可以改善人們的健康狀態(tài)，因此功能食品的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。但是許多具有重要生理功能的生物活性物質(zhì)因具有一些缺陷而導(dǎo)致應(yīng)用受限，如具有不良風(fēng)味（如苦味和澀味）、具有環(huán)境敏感性（環(huán)境中的氧氣、光線、溫度以及pH值變化都會(huì)影響其穩(wěn)定性），此外物質(zhì)與其他食品成分之間的相互作用也會(huì)影響其生物活性。為了突破這些物質(zhì)的應(yīng)用限制，人們將目光轉(zhuǎn)向傳遞體系的開(kāi)發(fā)。在過(guò)去的研究中，負(fù)載敏感物質(zhì)載體的研究與開(kāi)發(fā)已取得重要進(jìn)展。通過(guò)傳遞體系的構(gòu)建，壁材能夠?qū)⒇?fù)載物質(zhì)與周圍環(huán)境隔離，在降低苛刻加工條件與不良貯藏環(huán)境負(fù)面影響的同時(shí)還能夠有針對(duì)性地遞送到特定部位，延長(zhǎng)生物活性物質(zhì)的釋放時(shí)間，最終提高穩(wěn)定性和生物利用率[2]。在過(guò)去幾十年的研究中，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)了諸如脂質(zhì)體、膠束、水凝膠和納米顆粒等多種傳遞體系。其中水凝膠是由水溶性聚合物構(gòu)成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚合物，水凝膠能夠在水中溶脹，并且具有一定的孔隙率，以負(fù)載水溶性功能因子，而功能因子的釋放特性則可以通過(guò)控制凝膠自身結(jié)構(gòu)及其在不同環(huán)境作用下的結(jié)構(gòu)變化來(lái)調(diào)節(jié)[3]，目前已在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

在眾多應(yīng)用于制備水凝膠的食品級(jí)多糖中，海藻酸鹽作為一種天然的陰離子聚合物，具有無(wú)毒性、生物黏附性、生物降解性以及良好的凝膠特性。海藻酸鹽凝膠還具有pH值敏感性，能夠在人體胃腸道中進(jìn)行溶脹從而有效控制功能因子的釋放。因此，海藻酸鹽水凝膠作為傳遞體系廣泛應(yīng)用于食品和藥品中[4]，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)味改良[5-6]、功能因子包埋[7-8]和控制釋放[9]等目的。

盡管海藻酸鹽水凝膠已經(jīng)得到較為深入的研究，其作為功能因子遞送體系也有諸多報(bào)道，但該領(lǐng)域缺少系統(tǒng)而全面的總結(jié)。本文綜述了近年來(lái)基于海藻酸鹽凝膠包埋體系的最新研究進(jìn)展，分類介紹了不同海藻酸鹽復(fù)配凝膠傳遞體系，并針對(duì)不同傳遞形式的凝膠進(jìn)行了說(shuō)明。

1 海藻酸鈉及其凝膠的基本性質(zhì)

1.1 結(jié)構(gòu)與特征

海藻酸鈉又被稱為褐藻酸鈉或海藻膠，通常來(lái)自于馬尾藻或褐藻類的海帶提取碘和甘露醇后的副產(chǎn)物[10]。海藻酸鈉是一種無(wú)毒的水溶性膳食纖維素，能夠調(diào)節(jié)人體新陳代謝，并且具有降血脂、降血壓、增加飽腹感等多種保健功能[11]。

作為一種天然多糖高分子共聚物，海藻酸鈉分子由β-D-甘露糖醛酸（M單元）與其立體異構(gòu)體α-L-古羅糖醛酸（G單元）依靠β-1,4-糖苷鍵連接而成[12]（圖1）。它們排列組成3 種不同形式的聚合物鏈：GG鏈段、MM鏈段和交替的MG鏈段[4]。海藻酸鈉中每種聚合物鏈段的含量通常與其產(chǎn)地以及季節(jié)相關(guān)[13]。而M單元與G單元的構(gòu)象不同導(dǎo)致3 種鏈段性質(zhì)不完全相同：MM鏈段分子呈現(xiàn)伸展的線性結(jié)構(gòu)，因而具有良好的彈性；GG鏈段呈現(xiàn)螺旋卷曲的剛性形態(tài)；MG交替鏈段則是介于兩者之間[14]。因此，MM鏈段含量較高的海藻酸鈉形成的凝膠彈性較好，而高GG鏈段含量則有利于生成堅(jiān)硬易碎、具有更高熱穩(wěn)定性和水分保持能力的海藻酸鹽凝膠[15]，由此可見(jiàn)，海藻酸鈉的組成（M/G之比）、序列、GG鏈段的長(zhǎng)度和分子質(zhì)量是影響海藻酸鈉及其所制備水凝膠性質(zhì)的關(guān)鍵因素[16]，而這些性質(zhì)顯著影響凝膠的穩(wěn)定性、釋放速率等應(yīng)用特性。如已有研究發(fā)現(xiàn)，低古羅糖醛酸和低分子質(zhì)量的海藻酸鹽凝膠可以使包埋其中的蛋白質(zhì)以更快的速度釋放[17]。

圖1 海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)特征與海藻酸鈣凝膠中“蛋盒”結(jié)構(gòu)的示意圖[18]Fig.1 Structural characteristics of alginates and “egg-box” structure of calcium alginate gel[18]

1.2 凝膠性質(zhì)

海藻酸鈉獨(dú)特的凝膠特性賦予其在傳遞體系中獨(dú)特的價(jià)值，在多價(jià)陽(yáng)離子存在的情況下，Na+會(huì)被陽(yáng)離子置換并形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的海藻酸鹽水凝膠。這種離子成膠方式十分溫和并適用于熱敏感性生物活性物質(zhì)（如益生菌、微生物和蛋白質(zhì)等）的負(fù)載。海藻酸鈉對(duì)二價(jià)離子的親和力降序排列：Pb2+＞Cu2+＞Cd2+＞Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Co2+、Ni2+、Zn2+＞Mn2+[19]，其中一些陽(yáng)離子（如Pb2+、Cu2+和Cd2+）因有劇毒而使用受到限制[20]。Ca2+無(wú)毒，到目前為止是使用最廣泛的交聯(lián)離子，本文將主要關(guān)注通過(guò)離子法制備的海藻酸鈣凝膠。

當(dāng)形成海藻酸鹽凝膠時(shí)，由于G單元和M單元具有異構(gòu)現(xiàn)象，它們?cè)贑a2+形成水凝膠過(guò)程中所起的作用也不同。Ca2+以連續(xù)并軸向連接的G單元形成的空腔作為結(jié)合位點(diǎn)，形成“蛋盒”（egg-box）結(jié)構(gòu)[15,21]（圖1）。MM鏈段因其結(jié)構(gòu)韌性較大難以彎曲而無(wú)法與Ca2+形成該結(jié)構(gòu)，GM鏈段則是主要起連接各嵌段的作用[22]。

對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，鈣離子濃度以及引入方式會(huì)對(duì)凝膠的理化特性和傳遞效果產(chǎn)生影響。可以用Ca2+與G單元濃度之比（R值）來(lái)分析Ca2+濃度對(duì)海藻酸鹽凝膠的影響，當(dāng)R值低于0.55（飽和值）時(shí)，海藻酸鹽凝膠硬度隨Ca2+濃度的增加而增加；而當(dāng)R值超過(guò)飽和值時(shí)，過(guò)量的Ca2+將導(dǎo)致凝膠收縮，凝膠的熱力學(xué)穩(wěn)定性也會(huì)降低[15,23-24]。

海藻酸鈣凝膠的形成可以根據(jù)鈣離子的引入方式分成外部和內(nèi)部凝膠兩種形式[25]。外部交聯(lián)法是指Ca2+從外部向海藻酸鈉溶液內(nèi)部擴(kuò)散從而交聯(lián)形成凝膠，通常使用水溶性良好的鈣鹽（如CaCl2）作為鈣源，形成的凝膠具有光滑的表面和致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部交聯(lián)法一般分為兩步，首先將不溶性鈣鹽（如CaCO3、CaSO4和檸檬酸鈣等）分散于海藻酸鈉溶液中，隨后通過(guò)添加有機(jī)酸（如冰醋酸）或內(nèi)酯（如葡萄糖酸-δ-內(nèi)酯）降低環(huán)境pH值使不溶性鈣鹽解離釋放出Ca2+從而引發(fā)交聯(lián)。相較于外部交聯(lián)法，內(nèi)部交聯(lián)法的凝膠行為同時(shí)發(fā)生在多個(gè)部位，因而成膠均勻，適合需要與外部環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的活細(xì)胞以及用于催化反應(yīng)酶的包埋，但也存在凝膠結(jié)構(gòu)疏松、孔徑較大、表面較粗糙和制備過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)[26-27]。

離子交聯(lián)法也存在一定的局限性，當(dāng)凝膠存在于一價(jià)離子溶液或是含有鈣離子螯合劑（如檸檬酸鹽、磷酸鹽和乳酸鹽）等環(huán)境時(shí)會(huì)不穩(wěn)定甚至溶解。

1.3 環(huán)境響應(yīng)性

海藻酸鹽凝膠的pH值敏感性源于其結(jié)構(gòu)中的羧基。在pH值低于其pKa（pH＜3.4）的環(huán)境下，凝膠結(jié)構(gòu)中羧酸基團(tuán)以非離子形式（—COOH）存在，電離度降低，分子鏈?zhǔn)湛s并且孔徑減小，包埋物質(zhì)擴(kuò)散受限，因而起到一定的保護(hù)作用；當(dāng)pH值升高時(shí)，羧基將發(fā)生離子化（—COO-）導(dǎo)致負(fù)電荷間的靜電排斥作用增強(qiáng)，引起溶脹現(xiàn)象[18,28-29]（圖2）?；诖颂匦裕Ｔ逅猁}凝膠常作為傳遞載體以增強(qiáng)功能因子在胃環(huán)境中的穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)腸內(nèi)的控制釋放，在口服藥物治療領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力[30]。

圖2 海藻酸鹽凝膠的pH值響應(yīng)示意圖[18]Fig.2 Schematic diagram of the pH response of alginate gel[18]

除了海藻酸鈉本身具有的pH值敏感性，它還可以通過(guò)與其他環(huán)境響應(yīng)性物質(zhì)復(fù)配形成具有其他敏感性的智能凝膠，這種凝膠能夠通過(guò)體積的溶脹或收縮從而響應(yīng)外界環(huán)境如溫度、pH值、離子強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、光強(qiáng)度或特異性化學(xué)物質(zhì)的變化[31]。當(dāng)引入溫度敏感型高分子化合物如聚N-異丙基丙烯酰胺等物質(zhì)時(shí)[32]，能夠獲得具有pH值和溫度雙重敏感性的復(fù)合凝膠，由于病灶部位環(huán)境的pH值和溫度都有可能發(fā)生變化，因此，這類水凝膠在醫(yī)藥領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力[10]。包埋磁性物質(zhì)如Fe3O4后海藻酸鹽水凝膠將具備磁敏感性，這賦予水凝膠更好的靶向性。此外將這種磁性高分子物質(zhì)作為酶的固定化載體還具有提高穩(wěn)定性和利于回收的優(yōu)點(diǎn)[33]。

1.4 生物相容性

生物相容性一般指非活性或活性材料與宿主之間的相容性，包括組織相容性和血液相容性[34]。一般制備藥物運(yùn)輸載體的材料需具備良好的生物相容性，即不引起或僅引起很輕的過(guò)敏、炎癥等生物體異常反應(yīng)。

目前海藻酸鹽在食品領(lǐng)域已被作為增稠劑、穩(wěn)定劑等廣泛使用，美國(guó)食品與藥品管理局將海藻酸鈉歸為“通常認(rèn)為是安全的化合物類”[16]。海藻酸鈉的生物相容性受到多種因素的影響，其中G段與M段的含量與海藻酸鈉濃度等對(duì)其影響較為顯著，通常選用M段較少、G段較多的海藻酸鈉來(lái)制備生物體內(nèi)物質(zhì)釋放載體[35]。

1.5 生物黏附性

對(duì)于藥物傳遞系統(tǒng)而言，良好的生物黏附性有利于延長(zhǎng)藥物在吸收部位的停留時(shí)間[16]。海藻酸鈉結(jié)構(gòu)中含有大量的羧基，生物黏附性與親水官能團(tuán)（—COOH）和黏液糖蛋白之間的氫鍵作用有關(guān)，因而海藻酸鹽作為一類陰離子黏膜黏附物，在傳遞體系中有著很大的應(yīng)用潛力[35-36]。海藻酸鹽的黏附特性使其可以黏附在黏膜組織表面，借此能夠延長(zhǎng)藥物的停留釋放時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到改善藥物生物利用度的目的。

2 基于海藻酸鹽復(fù)合凝膠的傳遞體系

海藻酸鹽凝膠能夠保護(hù)活性成分免受環(huán)境影響，并能夠響應(yīng)環(huán)境變化而多用于傳遞體系，但是目前研究發(fā)現(xiàn)單一海藻酸鹽水凝膠依舊存在一些局限性，包括海藻酸鹽水凝膠孔徑較大、一些負(fù)載的小分子表現(xiàn)出與在水中相似的擴(kuò)散特性以及低保留率與較差的控釋能力，這些限制了其作為控釋載體的應(yīng)用[37]；海藻酸鹽凝膠在較高pH值范圍內(nèi)的溶解可能導(dǎo)致生物活性物質(zhì)的突然釋放，不利于有效運(yùn)載；海藻酸鈉的親水性較強(qiáng)，對(duì)疏水性藥物的負(fù)載也因此受到限制；單一海藻酸鹽凝膠的機(jī)械性能和力學(xué)性能不理想，在大量一價(jià)離子、Ca2+螯合劑的存在下會(huì)出現(xiàn)崩解現(xiàn)象從而影響傳遞效率。

目前已采用多種方法克服這些局限性，如利用化學(xué)法對(duì)海藻酸鈉進(jìn)行修飾，但利用化學(xué)法制備的傳遞體系中往往存在有毒試劑殘留的問(wèn)題，因而不適合在食品和醫(yī)藥等領(lǐng)域中應(yīng)用。近年來(lái)基于天然物質(zhì)與海藻酸鈉的復(fù)配傳遞體系得到了廣泛關(guān)注，研究表明通過(guò)復(fù)配使用能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度、凝膠性能、孔隙率和細(xì)胞親和性等結(jié)構(gòu)或性能的改善，同時(shí)拓寬其應(yīng)用范圍[4,25]。

2.1 與其他多糖復(fù)配

已有研究表明海藻酸鹽與其他聚合物如卡拉膠、果膠和殼聚糖等多糖復(fù)配使用能夠有效解決生物活性物質(zhì)的浸出問(wèn)題，降低海藻酸鈉凝膠的孔隙率，增強(qiáng)凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性[38]。

目前研究較廣泛的是殼聚糖與海藻酸鹽復(fù)配傳遞體系。殼聚糖是通過(guò)甲殼素脫乙?；频玫囊环N具有黏膜黏附性、生物相容性和pH值敏感性等特性的天然高分子直鏈多糖，常被用于功能因子控制釋放體系[16,39]。其分子鏈上的伯氨基能夠通過(guò)分子間作用力與海藻酸鈉分子鏈段上的羧基形成聚電解質(zhì)復(fù)合物[40]，因而能夠降低凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔隙度并且減少負(fù)載物質(zhì)的泄漏[39]。此外，殼聚糖在低pH值（＜6）下溶解而在高pH值（≥6）下不溶，通過(guò)此特性還可以緩解海藻酸鈉在高pH值下的溶解現(xiàn)象[16,25]?？梢酝ㄟ^(guò)控制殼聚糖分子質(zhì)量與濃度、制備環(huán)境中pH值和離子強(qiáng)度等因素來(lái)調(diào)整殼聚糖所帶電荷、空間構(gòu)象以及與海藻酸鈉負(fù)電荷結(jié)合位點(diǎn)數(shù)，最終制備出具有理想控釋效果的微膠囊。

制備海藻酸鈉-殼聚糖凝膠的方法有很多。其中較為常見(jiàn)的是將殼聚糖與海藻酸鈉以及負(fù)載物質(zhì)混合，隨后滴入氯化鈣凝固浴中成膠。在制得的凝膠中，殼聚糖往往用于修飾海藻酸鹽凝膠結(jié)構(gòu)，同海藻酸鹽凝膠形成互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物（interpenetrating polymer networks，IPN）[41]（圖3）。IPN是兩種聚合物以網(wǎng)絡(luò)的形式互相貫穿但彼此之間不共價(jià)結(jié)合的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)[42]。IPN具有相對(duì)致密的水凝膠基質(zhì)，相比于單一的凝膠，它具有更多可控制的物理特性并能更有效地進(jìn)行藥物傳遞[3]。Lin等[41]研究發(fā)現(xiàn)海藻酸鈣-N,O-羧甲基殼聚糖凝膠珠具有優(yōu)良的pH值敏感性并且在不同pH值下的溶脹特性得到了良好的改善，適用于腸道中特定位點(diǎn)生物活性蛋白質(zhì)的傳遞。

圖3 海藻酸鈉與N,O-羧甲基殼聚糖的結(jié)構(gòu)式（A）、鈣離子交聯(lián)的海藻酸鹽-N,O-羧甲基殼聚糖互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠（B）以及pH 1.2和pH 7.4下海藻酸鈣-N,O-羧甲基殼聚糖水凝膠的結(jié)構(gòu)示意圖（C、D）[41]Fig.3 Structural formulas of sodium alginate and N,O-carboxymethyl chitosan (A), formation of Ca2+ interpenetrating polymer network by alginate and N,O-carboxymethyl chitosan (B) and schematic illustrations of the physical structures of alginate/N,O-carboxymethyl chitosan hydrogels at pH 1.2 and pH 7.4 (C, D)[41]

此外，還可以通過(guò)表面修飾形成具有屏障保護(hù)作用的殼聚糖涂層，涂層的存在將改善海藻酸鹽凝膠的機(jī)械特性、溶脹特性、控釋特性和表面的細(xì)菌黏附性等[37,43]。通過(guò)將海藻酸鈉與負(fù)載物質(zhì)混合后滴入含有殼聚糖和氯化鈣的凝固液中形成微凝膠，或者是先將海藻酸鈉溶液滴入凝固液中成膠，再將形成的微凝膠轉(zhuǎn)移至殼聚糖溶液中進(jìn)一步反應(yīng)。前者制備過(guò)程簡(jiǎn)易，物質(zhì)不易在制備過(guò)程中損失，適合于傳遞蛋白質(zhì)分子，而后者制備出的微凝珠呈球性與光潔度更好，膠囊不易黏聚，但制備過(guò)程較為繁瑣，并且在第一步中存在損耗問(wèn)題，更適合運(yùn)載細(xì)胞[39]。與無(wú)殼聚糖包衣的微凝膠相比，具有殼聚糖包衣的傳遞體系能夠提高水楊酸甲酯的包埋率，水楊酸甲酯在模擬唾液中的釋放速率較緩慢，由此可知，該體系更適合水楊酸甲酯在唾液中的長(zhǎng)時(shí)間傳遞，以提供持續(xù)的感官體驗(yàn)[37]。此外，殼聚糖涂層還能有效掩蓋一些物質(zhì)的不良風(fēng)味[6]。

除了殼聚糖外，還有多種多糖類物質(zhì)可以與海藻酸鈉復(fù)配使用以改善凝膠特性。已有研究發(fā)現(xiàn)不同復(fù)配體系的黏度、機(jī)械特性和對(duì)活性物質(zhì)的運(yùn)載效率都不盡相同[6]。Li Qian等[44]研究了與不同多糖復(fù)配的海藻酸鹽微凝膠對(duì)茶多酚傳遞效率的影響，發(fā)現(xiàn)相比純海藻酸鹽微凝膠（茶多酚包埋率38.51%），與不同多糖（菊粉、阿拉伯膠和殼聚糖）復(fù)配的海藻酸鹽微凝膠對(duì)茶多酚的包埋率發(fā)生變化（茶多酚包埋率分別為36.48%、48.56%和57.76%），結(jié)果表明選擇合適的填充材料能有效提高生物活性物質(zhì)的封裝效率。Krasaekoopt等[45]研究發(fā)現(xiàn)使用不同的涂層材料類型對(duì)微凝膠的尺寸沒(méi)有影響，但對(duì)于益生菌在膽鹽中的保護(hù)效果不同，相比海藻酸鹽和聚氨基酸，殼聚糖涂層提高了嗜酸乳桿菌、兩歧雙歧桿菌和干酪乳桿菌的D值（每殺死90%原有殘存活菌數(shù)時(shí)所需要的時(shí)間），說(shuō)明殼聚糖的保護(hù)效果最好。因此可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需要選擇合適的多糖以及工藝參數(shù)，從而得到理想的傳遞體系。

2.2 與蛋白質(zhì)復(fù)配

蛋白質(zhì)在食品體系中是一類具有重要營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的物質(zhì)，能夠提供人體所需的氨基酸，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，蛋白質(zhì)還具有良好的功能特性（如乳化性、凝膠性、起泡性和保水性），是生物活性物質(zhì)的良好載體[46]。

研究發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)-海藻酸鹽凝膠具有廣泛的應(yīng)用前景與優(yōu)勢(shì)，蛋白質(zhì)和陰離子多糖的復(fù)配物能夠改變凝膠的質(zhì)構(gòu)特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一些與蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用的物質(zhì)如綠茶多酚的有效傳遞[47]。Chen Lingyun等[48]在以核黃素作為模型藥物的研究中發(fā)現(xiàn)，單一使用海藻酸鈉或是乳清蛋白微球都不能對(duì)胃液中的模型藥物起到較好的保護(hù)作用，然而二者復(fù)配使用卻能夠大大改善諸多功能特性，如生物化合物的穩(wěn)定性、分散性和抗氧化能力[49]。天然蛋白質(zhì)和海藻酸鹽的復(fù)合物還具有良好的生物相容性，與由多種氨基酸和糖基大分子組成的組織細(xì)胞外基質(zhì)相似，因此它們?cè)谏矬w系中的應(yīng)用具有重要意義[50]。

目前研究已發(fā)現(xiàn)一些蛋白質(zhì)如大豆分離蛋白（soy protein isolate，SPI）[51]能夠強(qiáng)化海藻酸鹽凝膠體系以更好地遞送物質(zhì)，復(fù)合物不僅具有海藻酸鹽的pH值敏感性，還具有蛋白質(zhì)的生物活性和乳化性。Voli?等[52]將海藻酸鈉與SPI共混，經(jīng)靜電擠出和鈣離子凝膠化制備出負(fù)載百里香揮發(fā)油的復(fù)配微凝珠。研究發(fā)現(xiàn)與SPI復(fù)配使用利于凝膠在模擬腸液中溶脹性的提高，使得生物活性物質(zhì)釋放時(shí)間得以延長(zhǎng)。

蛋白質(zhì)的性質(zhì)（如溶解性和兩親性等）、種類和環(huán)境（pH值、離子強(qiáng)度和生物聚合物相對(duì)濃度等）等因素往往會(huì)直接影響海藻酸鹽與蛋白質(zhì)的相互作用，從而影響蛋白質(zhì)-海藻酸鹽復(fù)合物的物質(zhì)傳遞能力和釋放特性[8,53-54]。就環(huán)境因素而言，pH值影響較大。由于甘露糖醛酸（M單元）和古羅糖醛酸（G單元）單體的解離常數(shù)分別為3.38和3.65，因此在較大范圍的pH值下海藻酸鹽將帶負(fù)電荷[55]。在低離子強(qiáng)度或中性pH值條件下，蛋白質(zhì)和多糖都帶負(fù)電荷，盡管蛋白質(zhì)的陽(yáng)離子基團(tuán)與海藻酸鹽的羧酸陰離子基團(tuán)可能存在相互作用，但是在低濃度下它們還是共溶狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)離散型相分離現(xiàn)象；當(dāng)環(huán)境pH值接近蛋白質(zhì)等電點(diǎn)（pI）時(shí)，蛋白質(zhì)與多糖將通過(guò)靜電作用力形成可溶性的蛋白質(zhì)-多糖體系；當(dāng)pH值進(jìn)一步降低（小于pI時(shí)），兩者間的靜電相互作用增強(qiáng)，將發(fā)生聚集而生成復(fù)合凝聚物，體系出現(xiàn)締合型相分離[16,53,56-57]。

不同種類的蛋白質(zhì)-海藻酸鹽基載體也表現(xiàn)出不同的質(zhì)地特性和負(fù)載潛力。已有研究發(fā)現(xiàn)與大豆蛋白或大麻籽蛋白復(fù)配制備出的蛋白質(zhì)-海藻酸鹽基載體顆粒粒徑大且硬度高，而用乳清蛋白或牛血清白蛋白與海藻酸鈉復(fù)配則生成球型度較好、質(zhì)地較軟的蛋白質(zhì)-海藻酸鹽基載體顆粒；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)不同海藻酸鈉-蛋白質(zhì)體系對(duì)于生物活性物質(zhì)的保留能力也不同，相比于牛血清白蛋白、大麻籽蛋白和大豆蛋白等，酪蛋白酸鈣與海藻酸鹽復(fù)配體系對(duì)黃烷-3-醇的包埋效果更好，包埋率可達(dá)77.34%[47]。

2.3 與脂類復(fù)配

許多人體無(wú)法合成的脂溶性活性分子在營(yíng)養(yǎng)和健康中發(fā)揮著重要作用，但部分物質(zhì)（如不飽和脂肪酸、精油、油溶性維生素和多酚等）囿于有限的溶解度、理化性質(zhì)不穩(wěn)定以及具有不良?xì)馕兜热秉c(diǎn)[58-59]，單一海藻酸鈉凝膠不適合作為輸送疏水化合物的載體，因此需要通過(guò)雙親性傳遞體系中的油相進(jìn)行傳遞。雙親性傳遞體系是一種通過(guò)乳化劑穩(wěn)定的油相和水相共存的體系。

乳液凝膠體系是常見(jiàn)的雙親性傳遞體系之一，是通過(guò)將內(nèi)部乳化的脂質(zhì)液滴固定于水凝膠網(wǎng)絡(luò)中形成的具有凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和類似于固體機(jī)械特性的凝膠[60-61]。乳液凝膠體系在應(yīng)用時(shí)具有優(yōu)于乳液和水凝膠的優(yōu)勢(shì)，相比于乳液，乳液凝膠質(zhì)地得到改善并具有雙重控釋性以及良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性[58]；相比于純水凝膠，由于含有脂質(zhì)，乳液凝膠密度較低，具有良好的浮力，當(dāng)用于胃靶向藥物傳遞系統(tǒng)時(shí)能夠降低給藥頻率并提高活性物質(zhì)的生物利用度，具有更大的應(yīng)用潛力[62]。

海藻酸鹽基乳液凝膠可以通過(guò)兩步制備獲得。第一步是制備穩(wěn)定的水包油乳液，通常需要加入合成乳化劑或天然乳化劑來(lái)降低界面張力穩(wěn)定乳狀液；第二步是在乳液的基礎(chǔ)上再加入交聯(lián)離子使連續(xù)相形成一定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從而形成凝膠。Xu Wei等[63]通過(guò)自乳化和離子凝膠化的方法，在海藻酸鹽凝膠的基礎(chǔ)上制備了負(fù)載姜黃素的乳液填充微凝珠，研究發(fā)現(xiàn)99.15%的姜黃素被包埋在乳液填充的海藻酸鈉凝膠珠中，裝載量達(dá)到7.25 mg/g，證明乳液填充的凝膠珠對(duì)于疏水性功能因子具有良好的封裝能力。

凝膠原料比例、乳化劑的種類、液滴之間的相互作用和制備方法等均會(huì)對(duì)乳液凝膠的機(jī)械性能、消化性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[64]。Lin Duanquan等[8]研究了乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）與SPI對(duì)海藻酸鹽基乳液凝珠機(jī)械性能和體外消化特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)WPI與SPI均能有效延緩番茄紅素從乳液凝膠中的釋放，通過(guò)流變特性測(cè)定結(jié)果得知海藻酸鹽與WPI之間存在較強(qiáng)的相互作用，而與SPI的相互作用則較弱，因而相較于單一海藻酸鹽乳液凝膠，WPI-海藻酸鹽乳液凝膠的楊氏模量增加，而SPI-海藻酸鹽乳液凝膠則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

乳液凝膠也存在一定的缺陷，如連續(xù)相和分散相兩相機(jī)械性能不匹配造成的穩(wěn)定性差的問(wèn)題，Sagiri等[65]研究發(fā)現(xiàn)雙凝膠相較于乳液凝膠的油浸出量更低，因此可以通過(guò)制備雙凝膠來(lái)解決上述問(wèn)題。

雙凝膠是一種新型的半固體材料，是由水基凝膠和油基凝膠在一定溫度下剪切混合而成的雙相體系[66]（圖4）。油凝膠是一種可以作為親脂性化合物傳遞載體的軟物質(zhì)[67]。雙凝膠含不同極性的兩相而兼具傳遞親水性和疏水性藥物的能力，并有較好的分散性、穩(wěn)定性、保濕性和可水洗性，能夠提高藥物的皮膚滲透性，控制負(fù)載藥物的釋放速率[68]，多用于藥物傳遞領(lǐng)域、化妝品和食品行業(yè)。Rehman等[69]研究發(fā)現(xiàn)與純水凝膠相比，由海藻酸鈉和魚(yú)油制備的雙凝膠具有更高的藥物滲透率，具有成為局部和經(jīng)皮給藥載體的潛力，當(dāng)油凝膠和水凝膠質(zhì)量比為1∶9時(shí)，雙凝膠展現(xiàn)出的藥物釋放特性和機(jī)械性能最好。

圖4 雙凝膠制備示意圖[68]Fig.4 Schematic diagram of the preparation of bigel[68]

3 基于海藻酸鹽凝膠傳遞體系的應(yīng)用

由于制備工藝與應(yīng)用目的的不同，目前已成功制備出多種形態(tài)的海藻酸鹽復(fù)配凝膠。常見(jiàn)的應(yīng)用于食品與藥品傳遞體系中的凝膠形態(tài)有微凝膠和可食用膜等，它們各自適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 微凝膠

海藻酸鹽微凝膠可以細(xì)分為微凝珠、微膠囊、微粒、納米顆粒和多膜水凝膠等[26]。Ching等[20]總結(jié)了目前用于生產(chǎn)藻酸鹽微凝膠的主要方法。微凝膠的應(yīng)用方向與其理化性質(zhì)緊密相關(guān)，在許多應(yīng)用中需要控制傳遞體系的粒徑、粒徑分布和形狀，以滿足應(yīng)用需要。如為了減少微凝膠摻入酸奶后帶來(lái)的負(fù)面感官影響，通常選擇平均粒徑為30 μm的微粒負(fù)載益生菌，以達(dá)到在保持食品原有風(fēng)味和口感的同時(shí)提高其中生物活性成分的目的，大粒徑凝膠則更加適用于一些具有天然粗糙結(jié)構(gòu)的食品[70]。再如當(dāng)活細(xì)胞被固定化作為生物催化劑時(shí)，微膠囊結(jié)構(gòu)相較于微凝珠結(jié)構(gòu)更適合作為將細(xì)胞與培養(yǎng)基完全隔離的凝膠形式[71]。

微凝珠或微球通常指粒徑大于1 000 μm的凝膠顆粒，可以通過(guò)簡(jiǎn)單擠壓法制備，將生物聚合物以液滴的形式通過(guò)噴嘴或注射器滴入凝固浴液中成膠從而得到產(chǎn)品。其中制備工藝參數(shù)與其應(yīng)用特性密切相關(guān)，不同的生產(chǎn)條件將對(duì)凝膠的粒徑、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性、溶脹特性和包埋特性產(chǎn)生影響。Chan等[72]借助圖像分析建立了膠凝前后海藻酸鹽液滴形狀與大小同工藝變量之間的關(guān)系。Hu Liandong等[73]發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的海藻酸鈉和CaCl2可以提高姜黃素的包埋效率，最優(yōu)工藝參數(shù)為海藻酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.06%和CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)24.33%。

微粒的粒徑?jīng)]有明確統(tǒng)一定論，其定義從小于1 000 μm到小于100 μm都曾有報(bào)道。在本文中將粒徑范圍為0.2～1 000.0 μm的微凝膠歸為微粒。其制備方法較多，包括噴射破碎擠壓法、旋轉(zhuǎn)離心造粒法、噴霧法、撞擊氣溶膠成膠法和乳化法等。對(duì)于同一制備方法而言，通過(guò)控制生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)可以調(diào)節(jié)形成微粒的大小和形狀。以電噴霧技術(shù)為例，這是一種通過(guò)靜電力克服聚合物溶液表面張力和黏度從而制備尺寸可調(diào)載體顆粒的方法，其中凝膠尺寸與施加電壓、噴嘴孔徑、收集距離以及流速有關(guān)，生成的微凝膠粒徑從微米級(jí)別到毫米級(jí)別不等[74]。此外采用不同方法生產(chǎn)的凝膠粒徑也不同，需要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。Albertini等[75]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于負(fù)載嗜酸乳桿菌和乳酸雙歧桿菌體系而言，通過(guò)擠出法制備的凝膠粒徑為1～2 mm，而通過(guò)氣動(dòng)噴霧法制備的微粒粒徑小于100 μm，并且研究表明傳遞體系粒徑的降低和表面積的增加可以增強(qiáng)體系抵抗胃環(huán)境的能力。Chandramouli等[76]研究了不同粒徑（200、450、1 000 μm）海藻酸鹽微凝膠對(duì)嗜酸乳桿菌CSCC 2400在模擬胃液中生存能力的影響，結(jié)果表明被包埋的乳桿菌生存能力隨著海藻酸鹽微凝膠粒徑的增加而增加。

納米凝膠通常指直徑小于200 nm的凝膠，基于納米凝膠載體的相關(guān)研究是食品和醫(yī)藥行業(yè)中的新領(lǐng)域[20,77]。Liu Qingguan等[78]成功制備出了負(fù)載姜黃素的玉米蛋白-酪蛋白酸鹽-海藻酸鈉納米顆粒，包埋效率高達(dá)92.55%，此外研究結(jié)果還證明納米顆粒能夠改善功能因子的光化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化活性，并且能夠在腸胃液中實(shí)現(xiàn)控制釋放，具有作為著色劑和功能性添加劑用于食品領(lǐng)域的潛力。此外，Mokhtari等[79]通過(guò)乳化與內(nèi)部凝膠法制備了負(fù)載薄荷酚類提取物的海藻酸鹽納米微凝膠，探究了制備因素對(duì)于納米凝膠載體尺寸和包埋效率的影響，研究發(fā)現(xiàn)海藻酸鈉含量、CaCl2濃度、油與表面活性劑含量均會(huì)對(duì)納米顆粒的尺寸和包埋能力產(chǎn)生影響。

常見(jiàn)海藻酸鹽微凝膠制備方法、類型與大小以及海藻酸鹽微凝膠的部分應(yīng)用情況分別如表1和表2所示。

表1 常見(jiàn)海藻酸鹽微凝膠制備方法、類型與大小Table 1 Sizes and types of alginate microgels prepared by different techniques

表2 海藻酸鹽微凝膠的部分應(yīng)用Table 2 Selected applications of alginate microgels as delivery systems

3.2 可食用膜

在食品貯藏過(guò)程中，由于與周圍介質(zhì)之間的接觸以及復(fù)合食品中不同成分之間的遷移，食品品質(zhì)會(huì)有所下降，而食品包裝對(duì)于維持食品質(zhì)量至關(guān)重要。目前塑料薄膜作為食品包裝使用較多，但塑料制品難以降解，已經(jīng)造成了嚴(yán)重的“白色污染”問(wèn)題，國(guó)際包裝工業(yè)發(fā)展情況統(tǒng)計(jì)顯示破壞環(huán)境的垃圾中塑料占72%，而其中很大一部分來(lái)源于食品塑料包裝廢棄物[95]。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及對(duì)食品保鮮與食品品質(zhì)要求的提高，目前利用天然生物材料制備的安全、綠色、可降解的可食用包裝膜已經(jīng)成為了研究熱點(diǎn)。

可食用膜是以可食用天然生物聚合物為主要原料，輔以增塑劑，通過(guò)一定的處理工序形成的凝膠膜材料。海藻酸鈉作為一種天然多糖成膜性能好，與交聯(lián)劑Ca2+反應(yīng)形成的可食性膜或涂膜具有保水性和阻隔性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，加入增塑劑改善其機(jī)械特性（如彈性和可加工性能）后常被用作食品包裝材料[96]。

海藻酸鈉可食用膜具有兩大功能：1）將食品與周圍環(huán)境阻隔，避免食品與外界環(huán)境中的水分、氧氣和芳香成分等接觸而發(fā)生變質(zhì)，避免風(fēng)味物質(zhì)的揮發(fā)，從而延長(zhǎng)食品的貨架期[97]。憑此特性，目前海藻酸鈉可食用膜已在果蔬、肉品以及海產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。通過(guò)形成保護(hù)性的薄膜，防止外界的微生物與食品相接觸，改變食品表面的氣調(diào)環(huán)境的同時(shí)有效緩解水分流失以及脂肪氧化等問(wèn)題，從而有效地進(jìn)行食品保鮮。王琦琦等[98]以海藻酸鈉為成膜基質(zhì)，將其與起協(xié)同作用的刺槐豆膠復(fù)配，以甘油和乳酸鈣為增塑劑和交聯(lián)劑制備了生物全降解海藻酸鈉保鮮膜以用于西瓜的短期貯藏，研究發(fā)現(xiàn)在維持可溶性固形物含量、番茄紅素含量和控制微生物生長(zhǎng)情況方面，海藻酸鈉薄膜相較于市售聚乙烯保鮮膜具有更好的保鮮效果。2）多糖可食用膜可以負(fù)載一些特殊功能成分（如抗氧化劑、防腐劑、食品風(fēng)味劑、甜味劑和營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑等食品添加劑），或是作為藥物的傳遞體系，使食用膜在隔絕外界環(huán)境的同時(shí)具有特定活性和功效，以及提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[97,99]。此外，還可以通過(guò)在海藻酸鈉中添加保鮮劑制備功能性膜，在保鮮劑的作用下實(shí)現(xiàn)抗菌以及延長(zhǎng)貨架期的功效。馬青青[100]探究了含抗氧化劑茶多酚的海藻酸鹽涂膜對(duì)冷藏雞胸肉的保鮮效果，研究發(fā)現(xiàn)含有茶多酚的涂膜能夠有效抑制脂肪一級(jí)氧化、提高雞胸肉的總抗氧化能力并減少雞胸肉的干耗從而延長(zhǎng)貨架期。

目前已有研究發(fā)現(xiàn)原料、增塑劑以及添加劑的含量與種類都與可食用薄膜的理化性質(zhì)與負(fù)載特性相關(guān)，包括制備條件的改變也會(huì)對(duì)薄膜的機(jī)械性能、不透明度和水分以及氣體的滲透性等性質(zhì)產(chǎn)生影響，為了滿足對(duì)食品的保護(hù)需求、消費(fèi)者的接受水平以及食品運(yùn)輸中的機(jī)械性質(zhì)的要求[101]，目前已有大量探究不同因素對(duì)薄膜應(yīng)用特性影響的研究，并且優(yōu)化出了最優(yōu)配方。海藻酸鹽的分子質(zhì)量、結(jié)構(gòu)中的甘露糖醛酸與古羅糖醛酸組成比以及CaCl2添加量會(huì)對(duì)薄膜厚度、水分含量、透濕性以及機(jī)械強(qiáng)度等性能產(chǎn)生影響[102]。此外，不同的復(fù)配物質(zhì)對(duì)于薄膜而言也有獨(dú)特的功能特性，如油的添加對(duì)可食用膜的一些特性，特別是透濕性有一定的影響[103]。Shahrampour等[104]研究發(fā)現(xiàn)在干燥過(guò)程中，相較于甘油，當(dāng)增塑劑為山梨糖醇時(shí)，負(fù)載益生菌的海藻酸鈉-果膠復(fù)配可食用膜表現(xiàn)出更好的益生菌保護(hù)特性，而果膠比例的增加能夠提高復(fù)合膜的厚度、不透明度、透氣性和含水率，同時(shí)降低益生菌的生存能力。此外，功能因子含量的變化同樣影響著可食用膜的應(yīng)用特性，如隨著茶多酚含量在可食用膜中的增加，薄膜的拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變和透濕性都有所增加，但透光率卻有所下降[105]。海藻酸鹽基可食用膜部分其他應(yīng)用情況如表3所示。

表3 海藻酸鹽基可食用膜的應(yīng)用Table 3 Applications of alginate edible films as delivery systems

3.3 3D打印凝膠

3D打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)控的逐層堆積技術(shù)構(gòu)造復(fù)雜三維實(shí)體的過(guò)程[110]。目前在食品領(lǐng)域發(fā)展迅速，具有生產(chǎn)特殊質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)特性定制食品的潛力，能夠滿足特定消費(fèi)者（如吞咽困難人群）的需求。因3D打印支架具有機(jī)械特性、生物相容性、生物降解性和多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，3D打印技術(shù)在組織工程和藥物輸送領(lǐng)域中也受到了廣泛的關(guān)注，可以生產(chǎn)具有可調(diào)節(jié)外觀（如面積、厚度和孔徑）的傷口敷料或滿足患者個(gè)性化需求的藥物傳遞體系[111]。

海藻酸鈉作為一種天然聚合物具有高生物相容性、優(yōu)異的生物黏附性和可操作性，經(jīng)復(fù)配后還具備一定的控釋能力，常作為3D打印技術(shù)的生物墨水。Kuo等[112]以明膠-海藻酸鹽混合凝膠作為3D打印的生物墨水制備模擬食品，掃描電子顯微鏡結(jié)果表明樣品中有多孔結(jié)構(gòu)，具有傳遞生物活性化合物如酶、維生素和益生菌的潛力。Ilhan等[113]利用3D打印技術(shù)成功制備了負(fù)載植物提取物的海藻酸鹽-聚乙二醇復(fù)合支架，綜合樣品孔隙率、抗菌實(shí)驗(yàn)以及細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)等研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合支架有望應(yīng)用于組織工程和傷口敷料領(lǐng)域。

4 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)我國(guó)食品工業(yè)發(fā)展進(jìn)入中高速增長(zhǎng)階段，城鄉(xiāng)居民在食品上的消費(fèi)觀念已由原來(lái)的生存型轉(zhuǎn)向健康型和享受型。消費(fèi)者對(duì)于功能食品的認(rèn)可使其成為近年來(lái)食品領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。海藻酸鹽凝膠作為一種良好的功能因子傳遞體系的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。本文概述了海藻酸鹽凝膠常見(jiàn)的復(fù)配方式與應(yīng)用形式，未來(lái)需要進(jìn)一步尋找潛在的復(fù)配原料并深入了解海藻酸鈉以及各復(fù)配原料相互作用的機(jī)理，優(yōu)化制備參數(shù)，得到性能良好的凝膠傳遞體系，并探索海藻酸鹽復(fù)配凝膠在具體復(fù)雜食品或藥品體系中的應(yīng)用情況。目前單一物質(zhì)的遞送已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)有行業(yè)需求，未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)雙載或多載的海藻酸鹽基復(fù)配體系將具有更廣闊的應(yīng)用前景。