《食品科学》：武汉轻工大学韩立娟副教授等：κ-卡拉胶对蜂蜡基乳液凝胶微观结构和性质的影响

　　双凝胶（BG）是一种基于乳液凝胶（EG）的新型油水双相体系，在药物包埋与递送以及化妆品领域已有应用。传统的EG定义为水包油型EG（O/W）、油包水型EG（W/O）。 BG虽然也是油水双相体系，但与EG只有连续相发生凝胶化不同的是，BG的分散相也是凝胶化的半固体状态，具有可塑性，且由于分散相黏度的增加，其填充效应会更大，从而具有更强的机械性能和物理稳定性。连续相的不同会产生不同结构类型的BG，例如水凝胶包裹油凝胶型（W/O），油凝胶包裹水凝胶型（O/W）和双连续型。BG的结构和性质能够最终靠油凝胶/水凝胶的比例，油凝胶剂与水凝胶剂的种类和浓度调控。

　　武汉轻工大学食品科学与工程学院孙雅晖、韩立娟*、苏凌志等人 基于BW优越的持油性及热敏特性，以及其在油水两相体系中可能具有的“自乳化”作用，同时结合冷致成胶的 κ -卡拉胶的黏弹性能，在不添加乳化剂的条件下，将不同油凝胶质量分数（40%、60%、80%）的BW油凝胶与 κ -卡拉胶水凝胶高温混合后降温得到双相凝胶体系（即BG）。考察不添加乳化剂的条件下，仅用BW作为油凝胶剂制备得到EG和BG在结构类型上的变化，以及 κ -卡拉胶的添加对不同油凝胶/水凝胶比例的BG微观结构和性能的影响。

　　将不同油凝胶含量的EG和BG样品取出拍照并用于书写字符以进行裱花塑性观察，如图1、2所示，2 个油凝胶含量的EG与BG样品均能成胶。未添加κ-卡拉胶的EG样品整体呈乳白色，倒置不流动；添加κ-卡拉胶的BG样品颜色偏黄，倒置不流动。在3 个EG对照样品中，仅EG60质地较为绵密，塑形效果良好；EG40虽未析油，但通过裱花结果能够准确的看出其有明显的漏水现象；EG80质地较稀，塑形效果不佳。与EG对照样品的裱花效果相比，BG60及BG80质地均匀且光滑细腻，颜色与商品奶油较为类似，塑形效果佳；BG40未出现析油和漏水现象，质地较为均匀，但可能由于其水凝胶含量过高，质地不太光滑，有轻微的胶粒感。说明与EG相比，水相中添加κ-卡拉胶的BG样品具有更强的持水能力和可塑性。

　　利用CLSM观察不同油凝胶含量样品油水两相的分布情况（图3），并采用图像分析软件对其液滴平均粒径的分布进行统计（图4）。图3中红色为油相，绿色为水相。球状/近球状水滴分散在连续油相中，表明油凝胶质量分数为40%～80%的EG和BG均形成了W/O型结构。

　　EG体系中，EG40存在大块的不规则水相（图3a），其与样品宏观漏水情况相吻合（图2）；EG60有少量液滴存在聚集，EG80液滴分布较均匀，粒径分别以30～40 μm和30～50 μm为主。BG体系中，水相在油相中呈球状或椭球状分布，BG40中存在一些椭圆状的水相液滴，液滴粒径为（60.53f30.23） μm左右；BG60液滴粒径不一，为（41.76f31.42）μm，其中约35%的液滴分布在25 μm，10%分布在80 μm；BG80液滴分布均匀，（22.85f4.85）μm左右的液滴约占液滴总数的75%。κ-卡拉胶分子在相对高温下呈现不规则卷曲，冷却后形成螺旋结构，该螺旋结构能更加进一步发展成三维网络，从而将水捕获，这就可以解释EG40样品在裱花实验中出现了漏水现象，而BG40样品并未出现漏水的原因。因此，卡拉胶的黏度是BG样品比EG对照样品更稳定的主要因素。

　　之前研究证明，熔融蜡在W/O乳液中的作用是快速冷却的蜡有利于增加连续相的结构，从而为乳液提供晶体网络稳定作用。经过测量纯水与卡拉胶水凝胶在BW油凝胶膜上的接触角有助于判断分散水相中卡拉胶在凝胶结构形成中的作用（图5）。在BW油凝胶膜上，纯水的接触角θ小于90°，说明BW油凝胶膜表面具有轻微亲水性。且在相同油凝胶含量下，卡拉胶的接触角比纯水高，表明与EG相比，BG的分散水相对连续油相（BW-油）的润湿性更低，导致分散的κ-卡拉胶水相更稳定。

　　从图3还能够准确的看出，3 个油凝胶-水凝胶质量比下形成的连续油相都是BW基油凝胶，即EG和BG都形成了W/O型结构。有研究指出，油凝胶-水凝胶比例会影响BG的类型，当油凝胶质量分数低于50%时，BG为O/W型，含量更高时会形成双连续型或W/O型凝胶体系，可能是由于上述研究体系中采用的油凝胶剂为具有表面活性的GMS。而BW作为油凝胶剂制备EG和BG时，当油凝胶质量分数低于50%，能形成W/O型BG；当油凝胶质量分数超过50%时，O/W型和W/O型BG都可能会形成。油凝胶含量为80%时，与文献报道的采用GMS油凝胶-卡拉胶水凝胶制备的BG同属W/O型结构。但与文献报道不同的是，当油凝胶质量分数不大于60%时，本研究制备的BG仍为W/O型，而采用BW-GMS油凝胶-高酰基结冷胶水凝胶制备的BG为O/W型，采用GMS油凝胶-卡拉胶水凝胶制备的BG为双连续型或O/W型。原因是GMS本质上是一种非离子型的表面活性剂，它同时具有亲水和亲油基团，能与水起乳化作用，为W/O型乳化剂，但因其本身有很强的乳化性能，亦可作O/W型乳化剂，因此将其作为油凝胶剂制备BG时根据油水比例的不同会发生相反转。而本研究是在无乳化剂条件下制备BG，BW虽然具有“自乳化”作用，但其乳化效果与GMS等真正的表面活性剂相比还极其微弱。

　　由图6可知，在EG和BG的连续油相中，BW晶体及其聚集体呈针状或棒状，这些晶体相互聚集形成一个三维网络，进而将大量的液态油捕获形成一个凝胶状结构，实现连续相液态油的固定化，与此同时，也有部分BW晶体吸附在油水界面上。说明BW基EG和BG主要是依靠连续油相中的BW晶体稳定，同时BW在油水两相体系中又发挥了“自乳化”作用，与前人研究结论一致。

　　BW含量在油凝胶溶液中固定，但是随着EG和BG油水两相质量比的提高，BW在整个样品中的质量实际上增加，BW晶体数量也随之增加。BW结晶对于提高油凝胶基乳液的物理稳定性具有非消极作用。EG和BG样品的稳定性与油凝胶含量以及BW含量呈正相关。BW晶体凝胶网络结构的屏障效应为EG和BG提供了良好的动力学和热力学稳定性。与EG对照相比，BG的稳定性增强是由于分散水相中也添加了凝胶剂使其结构化，进一步强化了连续油相的晶体网络，从而防止破乳的发生。

　　从EG样品的偏光显微镜图中可以观察到，BW晶体仅存在于外部油相与内部水相的界面处（图6）。但在BG样品中，BW晶体不仅存在于油水两相的界面处，在水相内部也混入了少量的BW晶体（图6），这一特征在BG60样品中最明显。这原因是BG中额外添加了具有一定黏度的卡拉胶，阻碍了连续油相中部分熔融BW在冷却结晶时吸附移动到油水界面的过程，造成部分BW晶体被“封”在卡拉胶水凝胶中。

　　利用XRD表征EG和BG的晶体结构，如图7所示，在2θ 20°处观察到一个较宽的弥散峰，对应短间距d值为4.4 Å，这可能由基料油的衍射引起。EG和BG样品均在21.4°（d＝4.2 Å）及23.7°（d＝3.8 Å）处出现强衍射峰，说明EG与BG体系中BW晶体均以β’晶型为主，同时说明卡拉胶的添加没改变BW的晶型。随着油凝胶含量的增加，EG和BG的晶体衍射峰强有所增加，一种原因是由于BW晶体数量的增加而引起，另一方面可能是由于水相含量慢慢地减少从而对BW晶体形成的阻碍作用逐渐减弱。

　　由表1可知，不同油凝胶含量时EG和BG体系之间的持油率并无显著差异（P＞0.05）。这是因为EG和BG的连续相都是通过BW晶体网络固定，虽然油凝胶含量不同，但油相中BW含量不变，因此持油性并没改变。将持水率结果与图2结果结合，能够准确的看出，即使EG40持水率超过了90%仍有水从体系中漏出，表明BW晶体网络对水的束缚能力有限。BG40比EG40持水率高，说明κ-卡拉胶的添加能够明显提升持水能力（P＜0.05）。油凝胶质量分数不小于60%时，EG和BG样品的持水率均为100%。以上根据结果得出，只有体系中水相的量超过了BW晶体网络的束缚能力时，才能凸显出卡拉胶对水相的凝胶结构化在体系持水性上的积极作用。

　　由图8可知，TSI值越高，稳定性越差。相同油凝胶含量下的BG与EG对照相比，TSI值均下降，说明κ-卡拉胶的添加增强了体系的整体稳定性。随着油凝胶含量的升高，EG与BG的TSI值均降低，说明油凝胶含量越高，体系越稳定。这是由于油凝胶含量增加，在体系中起稳定作用的BW晶体数量的增加所致。样品EG40较高的TSI值说明其稳定性很差，与其宏观漏水的情况相吻合（图2）。

　　由图9可知，硬度随着EG和BG中油凝胶含量的增加而明显提高（P＜0.05），且油凝胶含量与硬度之间有良好的线性关系，说明油凝胶组分对EG和BG硬度的影响很大。EG和BG硬度由连续油相中BW晶体提供，BW总量随着油凝胶含量的增加而增加，导致硬度也随之提高。

　　与相同油凝胶含量的EG相比，BG的硬度更大，表明水相凝胶化对于BG硬度的增加有正面影响。与EG相比，BG体系中的分散水相在水凝胶剂的作用下由液态转变为半固态，分散相发生凝胶结构化，使体系的固相含量和G ′ 增加，来提升了油凝胶/水凝胶复合凝胶的机械强度，特别是在高含水量时（油凝胶质量分数为40%）这种作用越来越明显，BG的硬度（18.64 N/mm）较EG（15.11 N/mm）有显著提升（P＜0.05）。在EG和BG的W/O型体系中，分散水相发挥了“活性填料”的作用，水相凝胶化使水相刚度增加来提升整个体系的力学性能。

　　由图9可知，与CH、BO、EG相比，BG具有较高的硬度值，证明BW油凝胶和κ-卡拉胶水凝胶在提高BG体系凝胶强度方面具有协同作用。BG硬度可以决定其在饮食业潜在的适用性，机械性能更强的BG更加有助于抵抗工业产品的变形。虽然目前对BG的硬度没固定的约束性指标，但花了钱的人具有一定硬度的产品有偏好。

　　通过应变扫描和频率扫描测试研究κ-卡拉胶对BG流变学性能的影响，结果如图10a～d所示。由于EG40样品内部出现非常明显漏水现象，流变测试结果中其数据不具有真实性，在此处列出仅作为参考。应变扫描及频率扫描都显示出G ’ 大于G ” ，说明EG和BG均表现为黏弹性固体材料。与EG空白对照相比，添加κ-卡拉胶后样品的线性黏弹区（临界应变值）未发生明显改变（图10a）。BG样品的复合模量（G*）变化如图10b所示。G*值越大预示材料的抗剪切性越好，随着油凝胶含量增加，BG的G*值逐渐增大，抗剪切能力逐渐增强。EG和BG样品均显示出了频率依赖性（图10c、d）。与未添加κ-卡拉胶的EG相比，BG的G ’ 和G ” 更高（BG40除外），说明κ-卡拉胶的添加增强了EG的弹性及黏性，同时随着油凝胶含量的增加，EG和BG的G ’ 和G ” 也随之增加，这说明油凝胶和水凝胶在提高BG体系的黏弹性方面具有协同作用，这是由于油相和水相的凝胶网络相互渗透以及两相中凝胶剂增加了黏度从而阻止了相分离。Lupi等指出，BG可以被认为是一种复合凝胶材料，其黏弹特性取决于单个结构相的比值和流变学特性，其中主要根据油凝胶的特性。据报道，与水凝胶相比，油凝胶的存在可以为W/O型BG提供更好的流变学特性。但水凝胶可当作“相互作用的填充物”，提高BG的黏弹性。Wakhet等认为，油凝胶和水凝胶均处于半固态，所以BG体系的填充效应比EG更加显著。

　　由图10e可知，在0.01～10 s -1 剪切速率范围内，EG和BG样品的η随着剪切速率的增大而降低，表现出剪切变稀的典型假塑性流体特征，这是由于高剪切速率下油凝胶结构断裂造成的。使用幂律方程对EG和BG样品的流动曲线说明拟合度良好。随着水相含量的增加，BG样品的K值呈先增大后减小趋势；当水相含量从20%（BG80）增加到40%（BG60）时，η增加，这是由于液滴之间的连接变得更紧密；继续增加至60%（BG40）时，K值发生显著转变（P＜0.05），由51.56降为34.70。EG体系中K值随油凝胶含量的变化趋势与BG体系类似，但EG的η和K值均低于相应的BG（EG40除外），造成这一现象是因为EG体系的内部结构更为松散。

　　蠕变恢复实验（图10f）可用于反映样品的黏弹性，表3列出了蠕变恢复曲线基于Burgers模型的拟合参数。蠕变顺应性（J 1 ）越高，说明对照样品越柔软（硬度较低，弹性较大），长时间变形越强，结构恢复能力越强。由图10f可知，EG对照及BG样品都呈现出典型的黏弹性曲线，说明在线性黏弹区内施加的应力释放后，样品产生的变形有某些特定的程度的恢复。相同油凝胶含量下，EG对照样品的J 1 值均高于BG（EG40除外），说明BG的质地更硬更紧实，由于弹性较低，样品的结构恢复率较小，更容易变形，具有更加好的可塑性。BG样品的瞬时顺应性（J 0 ）低于EG对照样品，J 0 值越低，体系的硬度越高，表明其结构增强，体系的脱水阻力增大，对水相的包裹力更强。这种行为进一步反映在零切黏度（η 0 ）上。相同油凝胶含量的EG与BG相比，具有更低的η 0 值（EG40除外），表示其流动阻力较小，即EG对照样品的质地更稀。

　　由图11和表4可知，相同油凝胶含量下的EG与BG在熔融温度和结晶温度上相比并无显著差异（P＞0.05），说明卡拉胶的添加并不可能影响EG体系的熔融与结晶温度。随着油凝胶含量的增加，EG与BG熔融峰和结晶峰的起始温度（T0）和峰值温度（TP）都明显升高。EG与BG的熔融与结晶主要是依靠连续油相中的BW晶体，水相含量增加对BW晶体的形成具有消极作用，因此导致了较低的熔融温度和结晶温度。

　　BW基EG和BG的稳定是通过连续相（油相）中大量BW晶体形成的三维网络包裹分散相（水相）实现，同时还有少量的BW晶体吸附在油水界面上，且BW晶体均以β’晶型为主。不同油凝胶质量分数（40%、60%、80%）的EG和BG结构均为W/O型，持油性和热性质无显著差异。与EG相比，由于κ-卡拉胶的加入使BG的水相发生凝胶结构化，进一步巩固了连续油相的凝胶网络强度，来提升了BG的可塑性、持水性、物理稳定性、硬度和黏弹性。随着油凝胶含量增加，BG中分散水相液滴的平均尺寸逐渐减小，平均尺寸分布范围越来越窄，持水性和整体稳定性慢慢的升高，硬度和抗剪切能力逐渐增强。由此可见，BW油凝胶的含量与性质对BG的稳定性起最大的作用，卡拉胶水凝胶起辅助作用，油水两相在BG结构稳定性的维持和性质提升上具有协同作用。

　　本文《κ-卡拉胶对蜂蜡基乳液凝胶微观结构和性质的影响》来源于《食品科学》2023年44卷第12期25页，作者：孙雅晖，韩立娟，苏凌志，常梦迪，张诗琪，赵洲桥，贺军波，齐玉堂，赵雷。DOI:10.7506/spkx1001-003。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

　　实习编辑：渤海大学食品科学与工程学院 王雨婷 ；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。

　　为进一步促进动物源食品科学的发展，带动产业的技术创新，更好的保障人类身体健康和提高生活质量，由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合研究中心、国家肉类加工工程技术研究中心及中国食品杂志社《食品科学》杂志、《Food Science and Human Wellness》杂志、《Journal of Future Foods》杂志主办，贵州大学共同主办，贵州医科大学、清华大学深圳国际研究生院、河南省大鲵保护与发展协会支持协办，中国食品杂志社《肉类研究》杂志、《乳业科学与技术》杂志、《Food Science of Animal Products》承办，钛和中谱检测技术（厦门）有限公司、贵州油研纯香生态粮油科技有限公司、岛津企业管理(中国)有限公司、四川安好众泰科技有限公司、贵州成义烧坊酒业股份有限公司、贵州黔醉酒业（集团）有限公司、黔东南民生食品有限公司、贵州普安红茶业（集团）有限公司等企业赞助的“2023年动物源食品科学与人类健康国际研讨会”即将于2023年10月28-29日在贵州贵阳召开。