海藻酸钠基凝胶球的制备、改性及其食品包装的应用研究进展

杨小叶，马淑凤，王利强,3,*

（1.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122；2.江南大学食品科学与技术学院，江苏无锡 214122；3.江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏无锡 214122）

海藻酸钠是从褐藻中提取出的天然多糖类材料，具有无毒、较好的生物相容性、易凝胶成型的特点[1]。海藻酸钠中的钠离子与多价阳离子发生置换会生成海藻酸盐凝胶，但大多数二价离子具有毒性，在食品行业中利用钙离子生成海藻酸钙凝胶最为常见。利用其凝胶特性通过不同方式制备成球，不仅可以形成作为输送载体的微米到毫米级的微胶囊，从而保护内容物活性，也可制备为可食性包装材料包裹液态食品。其适用性广泛，作为绿色材料利于环保，符合社会发展要求，使得越来越多的人关注海藻酸钠基凝胶球的研究[2-3]。

但单一的海藻酸钠制备的凝胶球机械强度较低，在实际应用中普遍存在失水率高、易破裂等局限性，因此近年来众多学者研究不同的改性方式以提高海藻酸钠基凝胶球的性能，包括与其他物质复配混合、二次涂膜，也有采用对海藻酸钠进行疏水改性的化学方法，拓宽其在各个领域中的应用。但目前缺乏对海藻酸钠基凝胶球系统而全面的总结。

因此，本文从海藻酸钠凝胶机理、凝胶成球的制备方法出发，对海藻酸钠基凝胶球性能改善方式进行探讨，简述了其目前在食品包装中的应用情况，为海藻酸钠凝胶球化技术在食品包装中的发展以及应用拓展奠定基础。

1 海藻酸钠基凝胶球概述

1.1 凝胶原理

海藻酸钠是由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）以（1→4）键连接而成的线性高分子，海藻酸钠的组成随着分子量和M 嵌段与G 嵌段的比值变化而变化，从而具有不同的特性[4]。因为分子结构单元中具有大量的羟基，所以海藻酸钠是一种阴离子多糖，可以和二价金属离子发生交联反应生成凝胶。但由于大部分二价金属离子都有毒性，在食品包装中，主要通过无毒的钙离子取代钠离子发生反应，常用的有氯化钙、乳酸钙等。

海藻酸钠的G 嵌段比M 嵌段对钙离子的亲和力更强，G 嵌段的长度决定了海藻酸钠结合钙离子的能力[5]，相比之下M 嵌段韧性较大并且易弯曲[6]，不能与钙离子结合形成凝胶结构。G 嵌段分子链是双折叠式螺旋构象，中间是一种类似锯齿状的半开放亲水空间，当两个G 嵌段羧基连接的钠离子被钙离子发生离子交换取代，钙离子可以和G 嵌段的5 个氧原子鳌合反应，分别是一个嵌段的羧基氧和该嵌段的O-5、另一个嵌段的O-2 和O-3 和连接两嵌段的氧，从而形成紧密的堆积结构，形成一个六角晶格，被称做“蛋盒”凝胶结构[7-8]，结构如图1 所示。

图1 海藻酸钙凝胶形成的“蛋盒”结构Fig.1 "Eggbox" structure formed by calcium alginate gel

1.2 凝胶球制备方法

海藻酸钠基凝胶球可以通过正向球化法、乳化凝胶法、反向球化法、冷冻反向球化法和同轴挤出法制备。海藻酸钠可以与钙离子反应生成内部为流动的芯材，外壳为海藻酸钙壁材的球形“核-壳”结构，并根据是否具有核壳结构分为实心凝胶球和液芯凝胶球，其中正向球化法与乳化凝胶法制得的凝胶球为实心，其余三种方法可制得含液芯的凝胶球。

正向球化法又称正滴法，以海藻酸钠和钙离子为例，是将海藻酸钠溶液加入含钙离子的溶液中，钙离子可以渗透到海藻酸钠液滴中，从表面向液滴内部，由外向内扩散形成凝胶，制备过程如图2 所示[9]。海藻酸钠对钙离子极其敏感，当钙离子浓度较大时，即使凝胶球从钙离子溶液中取出后凝胶反应也不会停止，球内部的海藻酸钠液体会和外部已经形成的海藻酸钙凝胶重排从而形成实心的凝胶球。De 等[10]将含有益生菌细胞的海藻酸钠溶液滴入氯化钙溶液中，交联20 min 后可以形成海藻酸钠基微球。Zeeb等[11]采用正滴法制备凝胶球，研究发现其形状尺寸以及性能受钙离子浓度和海藻酸钠浓度的影响。正滴法简单易操作，是最常用的方式，但如果包埋内容物本身含有钙、酒精或者呈酸性时与海藻酸钠溶液混合后会使海藻酸钠溶液失稳，影响凝胶球的形成，所以正滴法对芯材有一定的局限性。

图2 正向球化法Fig.2 Positive spheroidization method

乳化凝胶法制备的凝胶球为微米级，杨曦等[12]使用乳化凝胶法制备海藻酸钠微球可以得到粒径可控的海藻酸钠凝胶微球，粒径分布在几微米到几百微米。乳化凝胶分为两种，一种是外源乳化凝胶，钙离子与海藻酸钠液滴在外表面发生反应形成凝胶微球后再扩散进入液滴内部继续反应；另一种内源乳化凝胶法则是将不溶性钙盐分散到海藻酸钠溶液中，在酸的激发下，钙离子从内部开始发生凝胶反应[13]。刘伟等[14]利用外源乳化凝胶法制备微球，发现海藻酸钠浓度和乳化的速度对凝胶球性能影响最大。Mokhtar等[15]则进一步发现添加表面活性剂也会影响凝胶球的尺寸以及包埋效果，在加入100 mL 吐温80 后海藻酸钠凝胶球尺寸减小、包埋率提高。

反向成球法又称反滴法，将含有钙离子的芯液滴入海藻酸钠溶液中，钙离子与海藻酸钠结合形成海藻酸钙凝胶膜，钙离子从内向外单方向扩散，所以可使得凝胶球中保持液体状态，如图3 所示，离子胶凝反应在取出凝胶球后就停止。王英等[16]用反向球化法包封乳酸菌，研究乳酸菌在培养过程中的释放特性，添加碳酸钙可以减缓液芯球的强度降低，延长使用期限。反向成球法可以制得毫米级甚至厘米级的大粒径凝胶液芯球，但芯液需要具有一定的粘度，粘度低的液体难以成球，故通常需要加入增稠剂。不同增稠剂对凝胶的影响不同，在影响机理上还有待研究探索。

图3 反向球化法Fig.3 Reverse spheroidization method

冷冻反向球化法是将内容物与钙离子溶液混合，在球形模具中冷冻成型后将冰球浸入海藻酸钠溶液中，或者是将内容物冷冻后依次浸入钙离子溶液和海藻酸钠溶液，冰球表面的钙离子与海藻酸钠反应生成海藻酸钙凝胶膜。此种方式与食品中浸渍可食膜类似，冰冻模具决定了凝胶球的形状大小，成膜后放置在常温环境下，也能够实现凝胶球内部是液体形态。郭曼妮等[17]通过冷冻反向球化法制备了含水的海藻酸钠凝胶球，预先把乳酸钙溶液冰冻成球，再将冰球浸入海藻酸钠溶液中，形成凝胶水球，从而改变现有水包装的形式，为液体包装提供了新的可能性。王利强等[18]则将纯水换成蜂蜜，制备的即食蜂蜜球不仅避免了因蜂蜜粘性过大在传统包装中造成的残留浪费问题，也为消费者提供了新的蜂蜜食用方式。杨钰昆等[19]利用冷冻反向球化法制备连翘叶风味爆珠，根据感官评价判断制备的爆珠口感独特，在口腔中的爆浆感十足，并且可以通过控制冰冻的芯液量来控制爆珠大小。冷冻反向球化法也存在一定局限性，其要求内容物可以进行冻融循环，否则冷冻后再融化内容物变质变性。未来，可以在常规食品的基础上开发出可以冻融循环的内容物，进而拓宽包装的方式。

同轴挤出法是在同轴设置外部与内部喷嘴[20]，外层溶液和内层芯液按不同的速度同轴挤出，当外层溶液将内层芯料液包裹后成球，再滴入固化液中。外层溶液一般是胶凝剂溶液即海藻酸钠溶液，内层芯料液为油溶香精溶液。同轴挤出法可以通过控制挤出速度得到不同膜层结构的液芯凝胶球，但其更适用于制备内容物为油溶香精的凝胶球。当内容物为水溶液时，凝胶球存在膜层薄、机械性能差等不足，故在食品领域中应用较少，提高其机械强度突破应用壁垒是重点研究方向。

2 海藻酸钠基凝胶球改性的可行方法

海藻酸钠基凝胶球外层的凝胶膜层可以将内容物包装起来，隔绝外界环境，避免其变质失效。但海藻酸钙凝胶膜层作为包装的壁材具有机械强度低、持水性差、弹性低等缺点，在包装芯材时容易失水干瘪、包装失效，从而需要对其机械性能、渗漏性能进行改善。近年来，众多学者重点研究通过对海藻酸钠进行复配混合、疏水改性以及对海藻酸钠基凝胶球二次涂膜的方式以提升凝胶球的性能。

2.1 复配混合

单一的海藻酸钠形成的凝胶强度和韧性较低，弹性小，达不到理想的效果，但海藻酸钠可以通过和其他多糖、蛋白质进行混合，从而提高凝胶性能[21]。

2.1.1 多糖复配混合 多糖与多糖复配混合进行改性在食品中是常用的方式之一，海藻酸钠可以与果胶、壳聚糖、变性淀粉等多种类型的多糖进行混合，通过相互作用，增强凝胶性能。果胶与海藻酸钠共混后，果胶的甲氧基与海藻酸钠分子中G 嵌段上的羟基形成了复杂的氢键网络结构，两者在钙离子体系中协同形成凝胶结构，随着果胶与海藻酸钠的质量比增大，凝胶球的粘性减小，脆性和硬度都增大，包封率也会随之增大[22-23]。Frakolaki 等[24]通过添加不同的物质到海藻酸钠中，制得包封乳酸菌的微球，比较了海藻酸钠和其与纳米纤维素和卡拉胶结合使用的效果，结果证明与其他物质结合后形成的微球对乳酸菌的保护更好，能够延长菌种的存活期。Zheng 等[25]在海藻酸钠溶液中加入了羧甲基纤维素钠，结果表明溶液的粘度增加，并且在含量为0.4%时形成的凝胶体系结构最为致密。除了果胶和羧甲基纤维素钠，表1还列举了部分海藻酸钠与其它多糖混合的方式。

表1 海藻酸钠与其它多糖复配混合Table 1 Sodium alginate mixed with other polysaccharides

2.1.2 蛋白质复配混合 在生活中，除了多糖，蛋白质也可以形成凝胶结构，蛋白质的凝胶机制主要是通过蛋白质的分子变性再聚集形成网状结构[32]。蛋白质和海藻酸钠复配可以改变凝胶的结构特性，能够实现易与蛋白质发生相互作用的物质的有效传递，具有广泛的应用前景。大豆蛋白[33]和海藻酸钠复配时分子间会形成氢键，使形成的凝胶球结构紧密。乳清分离蛋白[34]在和海藻酸钠复配后，由于分子间的相互作用形成了刚性结构，其对活性物质的保护效果优于单独使用乳清分离蛋白。张予心等[35]研究乳清蛋白与海藻酸钠复合凝胶的特性影响因素，海藻酸钠的浓度、pH、甘油含量等均对凝胶的质构以及持水性能有影响，结合凝胶的微观结构分析，复合凝胶显著提高了对活性物质的包埋率。明胶与海藻酸钠复配混合后也能形成良好的凝胶微球，李宏英等[36]通过工艺优化制备明胶与海藻酸钠复合凝球包埋薄荷油，得到的凝胶球产率为85.64%，壁材利用率达到78.75%，并具有良好的热稳定性，对薄荷油具有较好的保护效果。

蛋白质的获取方式简单、成本低廉，海藻酸钠与蛋白质复配混合能够有效提升凝胶球的质构特性并且可以实现对一些易与蛋白质发生相互作用的物质的包埋保护，故针对蛋白质与海藻酸钠复配提升凝胶球性能的研究具有广泛的应用前景。

2.2 疏水改性

海藻酸钠强亲水性这一缺陷除了通过复配混合的方法改善，更直接的是采用化学改性，使海藻酸钠拥有疏水性能，海藻酸钠的改性有多种方式，根据反应的基团不同可以分为羧基反应法和羟基反应法[37]。分子链中含有羧基与羟基，均可以用于接枝改性。

2.2.1 羧基反应法 对海藻酸钠中的羧基可以进行酰胺化反应和酯化法，但在生成凝胶球的过程中主要是依靠G 嵌段的羧基，对海藻酸钠的羧基进行取代改性可能会影响凝胶球的形成。陈乐等[38]通过末端封装氨基的聚乳酸对海藻酸钠进行疏水改性，是将海藻酸钠中的羧基进行酰胺化反应，通过改变海藻酸钠和末端封装氨基的聚乳酸的投料比来实现疏水性调节，结果表明改性后生成的海藻酸钠微球显著提高了大黄素的负载量并增强了其缓释性能。王宏丽等[39]利用碳化二亚胺法改性形成分子链主链为亲水的多糖，侧链为疏水基团的海藻酸钠，改性后制备得到的海藻酸钠凝胶微球对布洛芬的包封率显著提高。羧基反应法能够有效进行疏水改性，但随着羧基取代度的增加海藻酸钠凝胶性能会下降，所以在进行改性处理时需注意反应取代的程度[40]。

2.2.2 羟基反应法 羟基反应法主要分为氧化改性和自由基聚合改性。氧化改性是通过高碘酸氧化邻二醇变成醛，将生成的醛基与氨基进行席夫碱反应再进一步接枝疏水性物质。自由基聚合法是通过加入引发剂，首先进行链的引发，再接枝共聚反应进行链增长、链终止，形成改性海藻酸钠。游柳青等[41]将月桂醇与海藻酸钠接枝形成两亲共聚物，用改性后的海藻酸钠制备包埋丁香油的微胶囊，结果表明其能够有效的减缓释放速率，并且共聚物中月桂醇基团随着接枝率的提高不断增加，丁香油的包埋率得到明显的提升。Al-Kahtani 等[42]以硝酸铈铵为引发剂将丙烯酰胺接枝到海藻酸钠，戊二醛为交联剂制备海藻酸钠凝胶微球，将抗炎药双氯芬酸钠成功包封在凝胶微球中，结果显示双氯芬酸钠的释放率与交联剂的用量、共聚物中丙烯酰胺段和接枝率有关。

羟基反应法相对于羧基反应法制备过程消耗时间更短，处理更为简单，但改性后的海藻酸钠会发生一定程度的降解。因此在进行羟基反应法时需要选择高分子量的海藻酸钠原料，避免反应后发生降解影响凝胶球的制备。

2.3 二次涂膜

当单一材料无法满足食品包装要求时，往往可以选择复合第二种材料。凝胶球只有表面一层海藻酸钙凝胶膜，失水率大，故可以再涂布一层阻水性能好的可食性膜，减少凝胶球的渗漏。刘凯等[43]利用反向成球法制备爆珠后再放入钙离子溶液中形成第二层海藻酸钙凝胶膜，最终得到的爆珠溶胀率变低并能保持较好的稳定性，延长了爆珠的保质期。Hu 等[44]制备包埋益生菌微胶囊后第二次涂膜时加入酸奶，将酸奶和益生菌微胶囊一同包封在双层海藻酸钙凝胶膜中，最终得到弹性大、咀嚼性好、综合价值较高的凝胶球。第二层膜的材料并不局限于海藻酸钙凝胶，Raikhan 等[45]则是用壳聚糖二次涂膜海藻酸钙微球，与未涂膜的微球相比，涂膜后的微球机械强度得到了明显的提高。

凝胶球成型后二次涂膜的可食膜材料不再要求必须具有凝胶特性，并且在二次成膜时可以加入其它食品，不仅能提高凝胶球的机械性能还可使凝胶球具有多重风味。因此，二次涂膜极大地增加了海藻酸钠基凝胶球成球材料的选择性以及凝胶球的多样性，但二次涂膜材料与海藻酸钠凝胶球膜层之间的相互作用尚待具体研究。

3 海藻酸钠基凝胶球在食品包装中的应用

海藻酸钠作为天然的多糖高分子，在食品中得到广泛的应用，利用其凝胶特性制备成球，球表面形成的凝胶膜层能将内容物与外界环境隔绝，有利于包装和储存。此外，包装内容物常为易挥发易失活的物质，包封后能拓宽其在食品中的后续应用。凝胶球可根据粒径大小应用不同场景，毫米级以及微米级粒径作为微胶囊使用，厘米级的大粒径凝胶球则是应用在可食性包装材料方面，如图4 所示。

图4 海藻酸钠基凝胶球在食品包装中的应用[46-47]Fig.4 Application of alginate-based gel spheres in food packaging[46-47]

3.1 微胶囊的应用

3.1.1 包埋益生菌 益生菌包括乳酸杆菌、双歧杆菌、链球菌等，具有适应性强、抗氧化性强的特性，可以通过其代谢产物调节肠道生理，从而利于人体健康。而益生菌发挥益生功能的前提是其具有活性，通过海藻酸钠形成凝胶微球或者微胶囊是一种保护益生菌活力的有效方式[48-49]。周莉等[50]混合海藻酸钠与乳清蛋白作为壁材包埋沙棘益生菌，得到的沙棘益生菌微球在胃液中具有良好的耐酸性并在肠液中肠溶性良好，保证益生菌到达肠道内后再发挥益生作用。Bekhit 等[51]制备了海藻酸钠/果胶凝胶微球包埋乳酸菌，乳酸菌活力与释放效果均表现良好，为后续乳酸菌的应用提供了基础。Song 等[52]将包埋好益生菌细胞的海藻酸钙凝珠二次涂膜壳聚糖，其表面光滑、呈球形并具有较强的抗低温能力，为益生菌后续冷冻干燥成固体提供了可能。

益生菌包埋是为了保护其最终到达人体胃肠之后还能保持活性，但现有的益生菌包埋方式还不够理想。而且对包埋使用的壁材种类较少，需要针对不同的应用，对海藻酸钠基材进一步研究复配其它材料，提高包埋率与存活率，以达到最好的效果。

3.1.2 包封精油 植物精油一般呈液态，暴露在外界环境条件下易挥发，需要对精油进行包封以保护其生物活性，延长使用期限[53]。常香玉等[54]制备了包埋柠檬精油的海藻酸钠凝胶微球，加入食品中能够增加柠檬香味但不影响食品本身的特性。另外也可以将包埋精油的微球与基础成膜材料混合，制备保鲜包装材料。Yin 等[55]研究了使用含肉桂精油的微胶囊制备而成的保鲜膜包装新鲜芒果，结果显示保鲜效果良好。

精油的包封是海藻酸钠基微胶囊的主要应用之一，但目前在制备过程中还存在所得粒径不均一的问题，包封后精油的稳定性还需要进一步提高，在制膜过程中制膜机器拉伸薄膜会破坏包封，导致精油外漏，缓释效果降低，因此亟需优化制备工艺过程以提高机械强度。

3.1.3 细胞与酶的固定 细胞包埋固定化技术可以保护细胞形态，细胞在包封凝胶球的空间内自由移动，这有利于细胞生长，保持活性[56]。Benucci 等[57]研究将酵母细胞包封在海藻酸钙凝胶球后应用到起泡酒生产中，成功完成二次发酵，生产的起泡酒感官体验上与常规酵母生产的起泡酒无明显差异。周婷婷等[58]将杏鲍菇液体菌种也采用海藻酸钙包埋固定，解决杏鲍菇液体菌种在运输储存方面的问题，固定化后的菌种在20 ℃和4 ℃的环境下可以保藏30 天，有效延长了其保藏期限。酶的固定采用海藻酸钠基凝胶球也十分常见，与游离的酶相比，固定酶的稳定性好、能够重复利用。陈辉等[59]将菠萝蛋白皮渣段与海藻酸钠混合制备成凝胶球固定化菠萝蛋白酶，在使用7 次后活性依旧可以达到起始酶活性的60.5%，使菠萝蛋白酶能更稳定的应用到食品行业中。

目前固定技术在食品行业中应用仍较为局限，将酵母细胞固定发酵应用在食品发酵中，还需要进行落地研究，提高生产效率以降低成本。

3.2 可食性包装材料的应用

海藻酸钠基凝胶球在近年也有新的应用，液态食品可以作为芯材直接包装到凝胶球中，为食品包装提供更多可能性。王岱等[60]将海藻酸钠凝胶液芯球里的内容物换成蜂蜜，探究了即食化蜂蜜包装球的性能，结果表明蜂蜜成功包覆，这为粘性液体食品提供新的包装方向。另外，奶茶中的“珍珠”也可以通过海藻酸钠制备。Liu 等[61]优化制备工艺得到含有果味饮料的“珍珠”，在储存90 d 内都未检测出微生物，该技术在奶茶企业或者相关饮料生产企业具有一定的应用潜力。

海藻酸钠基凝胶球的膜层是可食性材料，可食性膜的形成方式有两种形式，包括单独成膜和直接在食品表面成膜。但可食膜的热封效果并不理想，并且无法进行冻融循环的液体食品难以通过浸渍、喷涂等方式形成包装，故只有利用材料的凝胶特性，形成凝胶球，将液体食品包裹在可食膜中。但该应用在制备工艺上还有待研究，生产效率低这一问题未得到有效解决，凝胶膜层结构形成机理也有待探索，在微胶囊应用中所具有的特性在大粒径可食性包装材料中的应用是否具有适用性也需进一步研究。

4 结论

随着社会对可持续发展的推动，天然高分子材料是未来食品包装行业发展的主力。海藻酸钠属于天然多糖类材料，无毒无害，易溶于水，具有的凝胶特性使其在食品行业具有广阔的应用前景。为了使海藻酸钠基凝胶球在食品中有更广泛的应用，需对凝胶成球过程形成机理以及内容物中不同小分子的释放机理进一步完善，通过微观结构分析揭示不同方法提高凝胶球性能时的作用机理；其次，海藻酸钠凝胶成球的制备工艺还不够成熟，其工艺参数的调控优化有待研究；此外，在对海藻酸钠基凝胶球改性的可行方法研究时，针对复配混合需对配方进行调整优化，化学改性应选择避免影响其凝胶特性的方式，二次涂膜还可探索多种材料的应用。

目前海藻酸钠基凝胶球粒径从微米到厘米级的包装均可以实现，其中微胶囊的应用研究最为广泛，但生产技术与国外相比还有较大差距，需要深入研究。未来海藻酸钠基凝胶球在食品中的应用亮点是可以直接用于包装粘性较大的液体产品，食品与包装一体化，避免在常规包装中的残留浪费问题。但将其直接应用到可食性包装材料中尚处于研究阶段，后续在食品包装中的实际应用还有待进一步发展。