方亞鵬，趙一果，孫翠霞，厲曉楊，魯 偉

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海 200240）

食品為典型的多分散相復(fù)雜體系，普遍含有蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類等生物大分子及其相互作用所形成的多尺度微納米結(jié)構(gòu)。如天然牛乳中的酪蛋白膠束及脂肪顆粒、傳統(tǒng)食療湯中的功能性多糖和蛋白顆粒、奶酪中的酪蛋白凝膠等。通常廣義地將這些食品生物大分子及其所形成的超分子構(gòu)造定義為食品膠體，它們不僅提供人體生命活動所必需的營養(yǎng)元素，也是食品結(jié)構(gòu)的骨架。食品膠體分子之間通過共價/非共價鍵相互作用，形成具有特定三維網(wǎng)絡(luò)的功能性結(jié)構(gòu)，在食品的增稠與賦型、加工過程穩(wěn)定性及質(zhì)構(gòu)維持方面發(fā)揮重要作用。此外，這些食品膠體還可與食品中的礦物離子、風(fēng)味分子、營養(yǎng)素等小分子物質(zhì)發(fā)生相互作用，繼而影響食品營養(yǎng)組分的消化與吸收以及食品的風(fēng)味與口感。因此，食品膠體在維持食品結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)化、食品結(jié)構(gòu)設(shè)計及營養(yǎng)特性調(diào)控方面扮演著重要角色。

近年來，在全球倡導(dǎo)人口、環(huán)境與能源可持續(xù)發(fā)展的新格局下，如何制造更符合人類營養(yǎng)與健康需求的未來食品仍面臨巨大挑戰(zhàn)。食品膠體作為食品結(jié)構(gòu)骨架，將如何繼續(xù)在未來食品結(jié)構(gòu)設(shè)計中扮演不可或缺的角色，也值得深入思考。本文將從食品膠體組分互作、未來食品結(jié)構(gòu)設(shè)計、食品膠體與細(xì)胞互作及體內(nèi)代謝與安全角度，闡述食品膠體相關(guān)最新研究進(jìn)展，以期為食品膠體與未來食品的創(chuàng)新研究與開發(fā)提供新思路。

1 食品膠體組分互作

1.1 蛋白與多糖互作

蛋白質(zhì)和多糖共同存在于許多食品體系中，這兩種食品大分子通過增稠、凝膠化行為及特殊的表面性質(zhì)，在保持食品的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和穩(wěn)定性方面發(fā)揮重要作用。深入了解蛋白與多糖的互作機(jī)理對于建立食品結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)化及提升食品品質(zhì)調(diào)控技術(shù)具有重要意義。

蛋白與多糖的混合溶液一般會出現(xiàn)兩種現(xiàn)象，即分離型相分離和結(jié)合型相分離（圖1A）。前者兩種大分子各成一相，不發(fā)生相互作用，故本文主要討論后者。蛋白與多糖結(jié)合型相分離也稱復(fù)合凝聚，該過程中多糖與蛋白之間的相互作用力主要表現(xiàn)為靜電、氫鍵及疏水相互作用，其中以靜電作用力占主導(dǎo)地位。蛋白與多糖發(fā)生靜電絡(luò)合的關(guān)鍵在于兩者需帶有不同電荷，可通過調(diào)節(jié)環(huán)境的pH值來實(shí)現(xiàn)。例如，當(dāng)環(huán)境pH值低于蛋白等電點(diǎn)時，蛋白分子整體呈現(xiàn)正電狀態(tài)，而多糖一般在較為寬的pH值范圍內(nèi)都呈現(xiàn)負(fù)電狀態(tài)，此時兩者可通過靜電吸引力發(fā)生絡(luò)合。蛋白與多糖的靜電絡(luò)合方式，在學(xué)術(shù)界一直存在爭議。最早有Kantor于1995年提出的“珍珠項(xiàng)鏈”模型假說。該假說認(rèn)為均勻帶電的聚兩性電解質(zhì)（聚合物）分子在溶液中會伸展為（珍珠）項(xiàng)鏈狀。當(dāng)帶電不均勻時，則呈現(xiàn)無序項(xiàng)鏈狀結(jié)構(gòu)。在這種“珍珠項(xiàng)鏈”結(jié)構(gòu)中，鏈的一部分坍縮成緊湊的珠子，并由柔性鏈連接起來。將該假說用于解釋蛋白與多糖靜電絡(luò)合機(jī)理，即具有球形結(jié)構(gòu)的蛋白分子通過靜電作用吸附到呈現(xiàn)不規(guī)則鏈狀結(jié)構(gòu)的多糖分子上，形成類似“珍珠項(xiàng)鏈結(jié)構(gòu)”的靜電絡(luò)合物。

圖1 蛋白質(zhì)與多糖相互作用[8]Fig. 1 Interaction of protein with polysaccharide[8]

在后續(xù)開展的針對蛋白與多糖靜電絡(luò)合機(jī)理的探究中，研究人員繪制了蛋白與多糖靜電絡(luò)合的完整相圖，提出了動態(tài)靜電絡(luò)合機(jī)理，并確立了蛋白與多糖靜電絡(luò)合的5 個關(guān)鍵相區(qū)（圖1B），即（I）孤立分子、（II）分子內(nèi)絡(luò)合物、（III）分子間絡(luò)合物、（IV）不溶性絡(luò)合物、（V）質(zhì)子化孤立分子。該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步完善了“珍珠項(xiàng)鏈”模型，使其從單一的靜態(tài)絡(luò)合發(fā)展為互為關(guān)聯(lián)的動態(tài)絡(luò)合模型，從基礎(chǔ)研究角度，加深了對蛋白與多糖絡(luò)合機(jī)理的理解。該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，蛋白與多糖靜電絡(luò)合的分子內(nèi)絡(luò)合物，與單純的蛋白或多糖相比，其界面活性大大提升，顯示出更強(qiáng)的乳化活性，提示可通過控制蛋白與多糖絡(luò)合物動態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)蛋白或多糖界面活性的顯著提升，以用于穩(wěn)定食品乳化體系，替代具有潛在健康風(fēng)險的合成小分子界面活性劑。此外，這類蛋白與多糖復(fù)合物還可用于提升不飽和脂肪酸、油脂體、功能性蛋白納米顆粒、低膽固醇蛋黃醬等不同食品分散體系的穩(wěn)定性，在維持食品穩(wěn)態(tài)化方面具有巨大潛力。

1.2 蛋白與脂質(zhì)互作

蛋白與脂質(zhì)的互作，主要體現(xiàn)在食品脂質(zhì)分散體系（乳液）的制備及穩(wěn)定過程。蛋白質(zhì)為兩親性表面活性分子，分子中的疏水基團(tuán)（如非極性基團(tuán)、硫醇基等）可與乳液油相中的脂質(zhì)分子發(fā)生疏水相互作用，快速吸附在油-水-蛋白混合物均質(zhì)后產(chǎn)生的油滴表面，通過降低界面張力促進(jìn)液滴進(jìn)一步破碎，并通過在油滴周圍形成保護(hù)膜來延緩油滴的聚結(jié)，因此常被用作油/水乳液的乳化劑。此外，蛋白質(zhì)在油滴之間產(chǎn)生排斥作用（如空間位阻、靜電作用），并形成抗破裂的界面膜的能力，也在長期貯存中穩(wěn)定油滴防止絮凝和聚結(jié)方面發(fā)揮了重要作用。

最早也是最常被用作食品乳化劑的蛋白為牛奶來源的酪蛋白和乳清蛋白（圖2A）。兩者因來源廣泛、營養(yǎng)價值高且兼具很好的界面活性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于各類食品乳液體系。此外，也有研究者利用魚肉蛋白及其水解物穩(wěn)定乳液。其中最為常見的是用魚明膠作為穩(wěn)定劑的油/水乳液。除動物源蛋白，近年來更多植物來源的蛋白也被證實(shí)具有很好的界面活性，為純綠色、天然乳化劑提供了更為豐富的來源。這其中包括豆類蛋白（大豆、豌豆、羽扇豆）、玉米胚蛋白、大米蛋白等。與動物蛋白相比，這些植物蛋白被認(rèn)為對人體健康更有利，也能更好地滿足素食主義者的飲食習(xí)慣，正在被廣泛用于各類含有食品乳液的食品。除單純蛋白分子外，蛋白分子自組裝形成的納米顆粒也常被用于穩(wěn)定皮克林乳液，如乳清蛋白微凝膠顆粒（圖2B）、玉米醇溶蛋白顆粒、明膠顆粒、大豆蛋白顆粒等。

基于蛋白與脂質(zhì)互作形成的乳液結(jié)構(gòu)，往往受環(huán)境因素影響較大。因?yàn)榈鞍追肿咏Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)會隨著環(huán)境的pH值、鹽離子濃度、溫度等的變化而發(fā)生改變，干擾其與油相中脂質(zhì)分子的疏水相互作用，并最終引起乳液失穩(wěn)。例如，高溫會引起球形蛋白分子變性（空間結(jié)構(gòu)去折疊）并導(dǎo)致疏水基團(tuán)暴露，引起同一油滴表面或相鄰油滴表面蛋白分子聚焦，繼而導(dǎo)致乳滴發(fā)生絮凝或合并，從而影響乳液穩(wěn)定性。除高溫外，過高或過低的pH值或鹽離子環(huán)境同樣會破壞蛋白乳液的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性。

1.3 多糖與礦物離子互作

礦物離子（Ca、Fe、Na、K等）是人體必需的營養(yǎng)元素，也是食品中的重要組分。食品膠體，如海藻酸鈉、果膠、卡拉膠等，可與礦物離子發(fā)生相互作用從而改變食品體系的黏度、流變特性及質(zhì)構(gòu)特性。因此，明確這些以多糖類為代表的食品膠體與金屬礦物離子間的互作規(guī)律，對于了解食品結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)制、功能性食品結(jié)構(gòu)設(shè)計及食品包裝材料開發(fā)等具有重要意義。

圖2 蛋白與脂質(zhì)相互作用及多糖與離子相互作用示意圖Fig. 2 Schematic illustrations of protein-lipid interaction and polysaccharide-ion interaction

食品體系中最具代表性的多糖-離子互作即為海藻酸鈉與二價鈣離子（Ca）的特異性靜電絡(luò)合，其作用機(jī)理為“蛋盒模型”（圖2C）。該模型描述了兩條反向平行的聚糖醛酸分子鏈?zhǔn)紫扰c游離Ca絡(luò)合形成蛋盒狀二聚體，該二聚體又在游離Ca作用下進(jìn)一步橫向聚集為多聚體并最終形成凝膠的過程。該模型最早由Grant教授在1973年提出，在這之后的近半個世紀(jì)里，“蛋盒模型”歷經(jīng)多次修正與完善，逐步形成了聚糖醛酸類多糖與二價離子絡(luò)合的經(jīng)典理論模型。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)聚糖醛酸類多糖與鈣離子絡(luò)合經(jīng)歷單絡(luò)合物、二聚體、多聚體3 個連續(xù)步驟，且二聚體的形成具有全-無臨界協(xié)同性，是一個多步驟且存在臨界行為的過程。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉與Ca的絡(luò)合呈現(xiàn)“臨界拉鏈生長”模式，而果膠與Ca的絡(luò)合卻表現(xiàn)為“漸進(jìn)點(diǎn)式生長”模式，從機(jī)理上確認(rèn)了兩者的差異。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)卡拉膠、阿拉伯膠等多糖與三價金屬離子（Fe、Al等）的特異性絡(luò)合機(jī)理，除包括與“蛋盒模型”相似的配位作用外，還涉及熵增驅(qū)動的離子脫水縮合作用。

1.4 食品膠體與功能物質(zhì)互作

食品膠體還可與多類食品功能因子發(fā)生相互作用，如多酚、黃酮、皂苷、萜烯、不飽和脂肪酸等。這種相互作用可被用于設(shè)計多尺度、多功能食品微納米構(gòu)造，用于提升食品膠體的功能特性以及功能因子的穩(wěn)定性和消化吸收特性。例如，蛋白與多酚的相互作用可形成不同性質(zhì)的納米復(fù)合物，顯著提升了蛋白的乳化性、凝膠性、抗氧化性，并同時改善了多酚的化學(xué)穩(wěn)定性和生物可利用率，可被廣泛用于改善食品質(zhì)構(gòu)與營養(yǎng)特性；多糖也可與多酚之間發(fā)生相互作用，而且這種互作可顯著影響多糖的營養(yǎng)與功能特性，包括結(jié)腸發(fā)酵及益生元功能、含有多糖類食品的質(zhì)構(gòu)與穩(wěn)定性、多糖微膠囊包埋效率及所含活性組分的氧化穩(wěn)定性等；此外，食品膠體還可與食品中的色素、風(fēng)味物質(zhì)、維生素、脂肪酸及植物化合物等發(fā)生相互作用，繼而顯著改變食品的感官、功能和營養(yǎng)特性，例如飲料中的阿拉伯膠可破壞偶氮類著色劑穩(wěn)定性并引起沉淀；與之相反，海藻酸鈉和果膠可增強(qiáng)果凍類食品中花色素苷的穩(wěn)定性；-乳球蛋白和酪蛋白可與疏水性的omega-3多不飽和脂肪酸及VD發(fā)生相互作用形成納米顆粒，可作為天然的脂溶性功能因子納米載體；利用常見的食品油/水乳液膠體結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)脂溶性風(fēng)味物質(zhì)的高效包埋并顯著抑制其在空氣中的快速揮發(fā)。而且通過乳液油相、油/水界面及水相結(jié)構(gòu)設(shè)計，可顯著改變風(fēng)味物質(zhì)的釋放規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)食品風(fēng)味的長久保持與個性化調(diào)控；除此之外，其他食品膠體類生物大分子，也可與食品基質(zhì)中的單糖、鹽離子、草莓香精等風(fēng)味物質(zhì)相互作用，并改變其釋放規(guī)律及最終的食品感官特性。

除小分子物質(zhì)外，食品膠體還可與益生菌發(fā)生相互作用，并被用于提升益生菌的環(huán)境（如胃腸道消化環(huán)境、貯存環(huán)境等）耐受性。這種相互作用主要發(fā)生在利用食品膠體實(shí)現(xiàn)益生菌微膠囊化包埋的過程中。目前，用于益生菌微膠囊包埋的方法包括噴霧干燥、冷凍干燥、擠壓、乳化、凝聚、靜電紡絲和靜電噴涂等。其中，最為常用的為噴霧干燥法及冷凍干燥法。擠壓法、乳化法及復(fù)合凝聚法均可實(shí)現(xiàn)益生菌的有效包埋，但相關(guān)技術(shù)大多還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，離工業(yè)化尚有一定距離。靜電紡絲及靜電噴涂法是制備多尺度纖維及顆粒的有效方法，也可用于包埋益生菌，但面臨與擠壓、乳化及復(fù)合凝聚法等同樣的問題，生產(chǎn)規(guī)模難以放大，工業(yè)化前景不明朗。在這些益生菌的微膠囊化技術(shù)中，食品膠體分子通常作為微膠囊壁材，如海藻糖、魔芋糖、阿拉伯膠、酪蛋白、乳清蛋白、大豆蛋白等。這些食品膠體可通過防止益生菌膜損傷、保持細(xì)胞膜完整性、與膜蛋白互作并形成紐帶、在霧化過程中降低益生菌的流動性、促進(jìn)玻璃態(tài)形成、控制水分含量和顆粒大小等機(jī)制，保護(hù)益生菌免受環(huán)境因素?fù)p傷。例如，有研究報道，內(nèi)源乳化/凝膠法制備的海藻酸鈉微膠囊，可通過形成多糖-蛋白質(zhì)-益生菌三元靜電復(fù)合結(jié)構(gòu)，顯著提高乳酸菌在噴霧干燥和貯藏過程中的穩(wěn)定性，且包埋乳酸菌微膠囊對胃腸道消化酶的耐受性與微膠囊凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)。

2 食品膠體與未來食品結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 人造肉

隨著人口的快速增長，全球肉制品消耗量逐年攀升。到2050年，全球人口數(shù)量預(yù)計增至90億，肉類制品總消耗預(yù)計超過3 000億 美元。為滿足人類對肉品需求的不斷增長并緩解肉品生產(chǎn)對全球生態(tài)、環(huán)境、氣候、能源帶來的巨大壓力，人造肉制品正成為今后很長一段時期內(nèi)未來食品發(fā)展的引導(dǎo)與驅(qū)動。當(dāng)前人造肉的制造主要有兩條技術(shù)路線，即細(xì)胞培養(yǎng)肉和植物基人造肉。

2.1.1 細(xì)胞培育肉

細(xì)胞培育肉利用動物細(xì)胞組織培養(yǎng)的方法，通過肌肉組織干細(xì)胞或肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖、分化、融合形成一整塊的人造肉（圖3A）。生物支架材料是細(xì)胞培育肉的關(guān)鍵組成部分，作為一個完整的支持網(wǎng)絡(luò)，細(xì)胞在其上以錨定依賴的方式擴(kuò)展和分化。同時，這種具多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支架材料，可允許氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)流動和廢物清除，以維持細(xì)胞代謝功能，避免壞死核心的形成。

圖3 細(xì)胞培養(yǎng)法（A）[43]和植物基（花生蛋白）高水分?jǐn)D出法（B）[44]制備人造肉過程Fig. 3 Preparation of artificial meat by two different methods: tissue culture (A)[43] and high moisture extrusion (B)[44]

作為細(xì)胞培育肉的一部分，支架材料的選擇通常有特殊的要求，比如它首先必須是安全可食用的（熟的或生的），而且最好食用時具有理想的味道、質(zhì)構(gòu)及營養(yǎng)品質(zhì)。此外，熱穩(wěn)定性也很重要，防止其在烹飪過程結(jié)構(gòu)塌陷。支架材料的來源需廣泛、經(jīng)濟(jì)、易于大規(guī)模生產(chǎn)。基于這些要求，食品膠體在細(xì)胞培育肉支架材料方面具有顯而易見的優(yōu)勢?；谑称纺z體的智能型3D肌肉細(xì)胞培育骨架也被廣泛研究，包括大豆蛋白、魚明膠微球、小麥蛋白、豌豆蛋白/大豆蛋白/海藻酸鈉等。還有研究人員開發(fā)了一款性質(zhì)可控、多孔結(jié)構(gòu)、高機(jī)械強(qiáng)度，且不含酵母的“蘇打面包”支架材料（圖4A）。該“蘇打面包”可與成纖維細(xì)胞、成肌細(xì)胞和前成骨細(xì)胞共培養(yǎng)數(shù)周后保持穩(wěn)定，且3 種細(xì)胞都能在“蘇打面包”提供的三維支架中增殖、沉積細(xì)胞外基質(zhì)，并同時表現(xiàn)出低應(yīng)激反應(yīng)和高生存能力（圖4B）。更為重要的是，成肌細(xì)胞也能夠在該支架上分化為肌管，這是骨骼肌組織培養(yǎng)所需的關(guān)鍵步驟。該技術(shù)為低成本、高通量細(xì)胞培育肉支架開發(fā)提供了全新思路。

圖4 基于“蘇打面包”的細(xì)胞培育肉支架材料[49]Fig. 4 Soda bread-based scaffold materials for cultured meat[49]

雖然，細(xì)胞培育肉技術(shù)的研究在不斷深入和完善，但在邁向工業(yè)化的道路上也存在諸多挑戰(zhàn)。首先，需突破當(dāng)前肌肉細(xì)胞培養(yǎng)過程大量使用血清培養(yǎng)基的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞培育肉制造的低成本、低碳及避免監(jiān)管障礙（美國和歐洲正在同時建立針對細(xì)胞培育肉的監(jiān)管途徑和相關(guān)條件）。其次，如何逐步降低消費(fèi)者對細(xì)胞培育肉倫理方面的擔(dān)憂，提高培育肉在公眾中的接受度，也是細(xì)胞培育肉面臨的挑戰(zhàn)之一。此外，在實(shí)現(xiàn)支架材料與細(xì)胞有機(jī)相容、肌肉細(xì)胞體外培養(yǎng)與規(guī)?；鲋骋约芭嘤夂笃谌藶椤坝?xùn)練”使其具有類似真實(shí)肌肉質(zhì)感等過程中所涉及的系列基礎(chǔ)科學(xué)問題也有待進(jìn)一步闡明。

2.1.2 高濕擠出植物基人造肉

人造肉制造的另一技術(shù)路線為植物基人造肉，主要涉及將植物來源的蛋白、多糖（淀粉）及脂質(zhì)等食品膠體組分，利用擠出、水凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計等技術(shù)，加工或搭建在外形、色澤、質(zhì)構(gòu)、口感等方面接近動物肉的仿肉制品，是目前人造肉制造最具工業(yè)化前景的技術(shù)路線。

利用擠出技術(shù)制造人造肉雖已被研究多年，但對擠出產(chǎn)品的工藝控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計仍停留在依靠經(jīng)驗(yàn)階段?；诖蠖估z蛋白及低濕擠出的各類素食產(chǎn)品，可視為第一代植物基人造肉產(chǎn)品。但其組織化度低，整體口感距真實(shí)動物肉較遠(yuǎn)。近年來興起的高濕擠出技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)擠出物組織化度、機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)構(gòu)等指標(biāo)的顯著提升，使其更接近真實(shí)動物肉，正成為未來植物基人造肉最具競爭力的制造技術(shù)之一。然而，以目前的研究水平，高濕擠出過程仍是一個“黑箱”，擠出過程蛋白纖維結(jié)構(gòu)的形成過程及其分子機(jī)制尚不明確，難以實(shí)現(xiàn)擠出物品質(zhì)的有效調(diào)控，缺乏受消費(fèi)者歡迎的高質(zhì)量植物基人造肉產(chǎn)品。針對這一現(xiàn)狀，有研究人員以花生拉絲蛋白為原料，通過控制擠出過程溫度-物料水分、溫度-剪切方式及物料水分-剪切方式構(gòu)成的能力輸入方式及大小，嘗試從多個尺度揭示高濕擠出過程蛋白纖維結(jié)構(gòu)的形成及分子機(jī)制，并確定關(guān)鍵擠出控制區(qū)段（圖3B）。結(jié)果表明，剪切方式、擠壓溫度及物料水分可顯著影響擠出物的蛋白纖維結(jié)構(gòu)、色度及機(jī)械性能（拉伸特性、彈性、硬度）。

研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶的引入可通過促進(jìn)蛋白分子鏈的展開、聚焦和交聯(lián)等方式，促進(jìn)花生蛋白纖維的形成；卡拉膠（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%）、海藻酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%）、小麥淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)0%～8.0%）等食品膠體結(jié)構(gòu)助劑的引入，可顯著改變擠出物的組織化度、機(jī)械性能與質(zhì)構(gòu)；此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，小麥淀粉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%）的添加，可降低花生蛋白在擠壓過程中的熱轉(zhuǎn)變速率，促進(jìn)分子內(nèi)二硫鍵斷裂和蛋白分子聚集，增強(qiáng)疏水相互作用和蛋白-脂質(zhì)相互作用，穩(wěn)定新形成的蛋白構(gòu)象。食品膠體助劑的引入還可促使-螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)生解螺旋，逐漸轉(zhuǎn)化為-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和無規(guī)卷曲結(jié)構(gòu)。在針對花生蛋白、大豆蛋白、谷朊粉復(fù)配擠出的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，物料中蛋白類型和比例對單位機(jī)械能耗、模塊溫度、模口壓力等響應(yīng)參數(shù)有顯著影響。

綜上所述，食品膠體的選擇對于高濕擠出至關(guān)重要。以蛋白為主料，適當(dāng)添加一定比例的膠體結(jié)構(gòu)助劑，如卡拉膠、淀粉、海藻酸鈉等，可提升擠出物的組織化度和整體質(zhì)構(gòu)。蛋白主料可以是單一蛋白，也可以使用多種蛋白復(fù)配。最為常用的蛋白主料為大豆蛋白、豌豆蛋白。除此之外，作者所在實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)正在研究可直接用于高濕擠出的雜豆類植物蛋白及微生物源多糖（可得然膠）（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。此外，高濕擠出人造肉過程涉及的分子間互作及其對擠出物品質(zhì)的影響規(guī)律、擠出過程物理化學(xué)反應(yīng)與擠出物結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的相互關(guān)聯(lián)等重要科學(xué)問題，還有待進(jìn)一步研究。

2.1.3 水凝膠結(jié)構(gòu)設(shè)計制備人造肉

除擠出技術(shù)以外，靜電紡絲、定向冷凍、定向拉伸、雙網(wǎng)絡(luò)凝膠等膠體結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)也可應(yīng)用于植物基人造肉的制造，通過模擬真實(shí)肉的多級各向異性結(jié)構(gòu)特征，提高人造肉的質(zhì)構(gòu)仿真度。

北海道大學(xué)的龔劍萍教授團(tuán)隊(duì)利用定向拉伸結(jié)合空氣干燥的方法，通過在水凝膠長度方向上建立足夠的拉伸力，使聚合物鏈對齊并自發(fā)形成纖維結(jié)構(gòu)，成功制備了具有特定取向、多尺度纖維結(jié)構(gòu)的食品級水凝膠（圖5A），可進(jìn)一步用于人造肉制造。加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種定向冷凍輔助鹽析策略，來合成具有多尺度、分級結(jié)構(gòu)的超高強(qiáng)度聚乙烯醇水凝膠（圖5B）。所制備的水凝膠具有高度的各向異性，包括微米級的蜂窩狀孔壁和相互連接的納米纖維網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出超強(qiáng)的機(jī)械性能（甚至超過天然肌腱）。雖然該水凝膠不是食品級，但其制備方法（定向冷凍輔助鹽析）卻值得借鑒，有望用于制備機(jī)械性能、各向異性取向接近肌肉的食品級水凝膠。

圖5 各向異性水凝膠結(jié)構(gòu)制備方法Fig. 5 Fabrication strategies for hydrogels with anisotropic structure

受這些研究思路啟發(fā)，作者團(tuán)隊(duì)研制發(fā)明了食品水凝膠拉伸設(shè)備，通過調(diào)控定向拉伸應(yīng)力和應(yīng)變，構(gòu)建出具有良好機(jī)械強(qiáng)度的各向異性食品水凝膠，可用于真實(shí)肉制品（如牛肉干）的仿生制造（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。該設(shè)備還可用于風(fēng)干牛肉的加工，不僅可大幅縮短風(fēng)干時間，還能顯著改善最終牛肉干的外形和質(zhì)構(gòu)，具有較好的市場應(yīng)用前景。此外，作者團(tuán)隊(duì)還將多糖/蛋白雙網(wǎng)絡(luò)凝膠技術(shù)引入仿生食品結(jié)構(gòu)模擬，通過調(diào)控雙網(wǎng)絡(luò)凝膠中剛性和柔性分子比例及交聯(lián)密度，實(shí)現(xiàn)了凝膠機(jī)械強(qiáng)度和質(zhì)構(gòu)的明顯提升，并成功制備出人造牛蹄筋、人造牛肚等高咀嚼性產(chǎn)品，為仿生食品制造提供嶄新思路（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。

2.2 基于食品膠體的低鹽/低糖/低脂食品設(shè)計

隨著“2030健康中國”國家戰(zhàn)略的實(shí)施與推進(jìn)，國家衛(wèi)健委于2016年便倡導(dǎo)“三減三健”的健康生活理念，其中的“三減”指的便是減鹽、減糖、減脂。雖然，消費(fèi)者對更為健康的“三減”類食品需求在逐年上升，但“三減”食品制造技術(shù)大多還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。如何突破這些健康食品制造背后的技術(shù)瓶頸，成為食品工業(yè)界及學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

2.2.1 食品膠體減鹽技術(shù)

世界醫(yī)學(xué)權(quán)威雜志《柳葉刀》近期刊文報道，高鹽飲食誘發(fā)的高血壓、中風(fēng)等疾病引起的死亡人數(shù)已超越癌癥，成為當(dāng)今導(dǎo)致我國居民死亡的主要因素。我國人均鹽攝入量為10～12 g/d，遠(yuǎn)高于世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）推薦的約5 g/d。減鹽已成為目前我國食品工業(yè)亟待解決的重大問題。當(dāng)前食品減鹽策略主要包括通過設(shè)計食物結(jié)構(gòu)優(yōu)化鈉釋放、使用咸味促進(jìn)劑、使用替代鹽及體內(nèi)調(diào)控鈉排泄與吸收等。這其中，食品膠體扮演著重要角色，基于食品膠體的減鹽技術(shù)也被廣泛研究。

食品膠體減鹽技術(shù)的關(guān)鍵是如何利用食品膠體進(jìn)行食品結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制鹽的釋放，提高咸味感知以減少鹽的攝入，實(shí)現(xiàn)食品的“減鹽不減咸”。研究人員從調(diào)節(jié)食品基質(zhì)結(jié)構(gòu)與組成增強(qiáng)鈉釋放、控制食品膠體加工性能加快鈉傳遞、加快界面失穩(wěn)增強(qiáng)咸味感知、多種風(fēng)味協(xié)調(diào)增強(qiáng)咸味感知等角度，研究基于食品膠體的減鹽技術(shù)，并取得了一定進(jìn)展。例如，通過增加凝膠基質(zhì)的孔隙率增加漿液釋放，使得凝膠變形過程鈉釋放量增加，從而增強(qiáng)咸味；或者在含有脂肪的凝膠體系中，通過降低脂肪顆粒尺寸，增加鈉釋放；或通過控制食品凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成水相中鈉的不均勻分布，從而增強(qiáng)咸味感知等。然而，當(dāng)前這些基于食品膠體的減鹽策略都具有一定的局限性，或受限于某種特定的食品基質(zhì)，或受限于適用范圍（固體或液態(tài)食品體系），或引入其他呈味物質(zhì)破壞食品原有風(fēng)味等，缺少一種普適性的減鹽策略。

作者團(tuán)隊(duì)基于天然多糖與礦物離子互作的研究積累，巧妙利用天然海藻多糖卡拉膠與鉀離子的特異性結(jié)合，成功開發(fā)了一種無苦味、低鈉、高鉀健康固體鹽。通過在氯化鈉與氯化鉀混合體系中引入卡拉膠，成功掩蓋了氯化鉀的金屬苦澀味且不影響整體咸味，突破了氯化鉀替代鹽苦味難掩蓋且替代比例低的技術(shù)瓶頸，最高可實(shí)現(xiàn)50%減鹽效果（圖6A）。小鼠喂養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，基于該技術(shù)制備的低鈉鹽可顯著降低小鼠鈉吸收，增加鉀吸收，并同時抑制高鹽飲食引起的鈣流失。此外，該低鈉鹽還可以顯著降低高鹽飲食引起的大鼠收縮壓及舒張壓的升高，降低高血壓風(fēng)險。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該低鈉鹽在火腿、腌魚、薯?xiàng)l、奶油蘑菇湯、雞湯及面條等代表性模型食品中的使用，可顯著改善食品質(zhì)構(gòu)，降低食品鹽含量，且不破壞食品風(fēng)味，整體接受度高，有望開發(fā)為普適性的食品減鹽新策略。

2.2.2 食品膠體降糖技術(shù)

高糖飲食容易誘發(fā)糖尿病等慢性疾病，嚴(yán)重威脅人類健康。飲食治療是糖尿病主要的輔助治療手段。在低糖食品開發(fā)過程中，血糖生成指數(shù)（glycemic index，GI）為重要評判指標(biāo)。通常GI低于55的食品被稱為低GI食品。低GI食品的開發(fā)主要有兩條技術(shù)路線：1）改變食品中碳水化合物的含量；2）控制食品中碳水化合物的分解速度。前者可通過各種不同來源的淀粉或食用膠進(jìn)行復(fù)配來實(shí)現(xiàn)，比如在小麥面粉中引入低糖高纖維的苦蕎、蕎麥、燕麥、魔芋粉等，用于生產(chǎn)低GI面條；對于低GI食品的基礎(chǔ)研究主要集中在如何控制食品中碳水化合物的分解速度方面。這其中最具代表性的策略為構(gòu)建仿生淀粉/蛋白核殼結(jié)構(gòu)，即在淀粉顆粒表面吸附一層疏水蛋白的外衣，使整個淀粉顆粒在經(jīng)過胃腸道消化時，保持較低的淀粉消化水解速率，從而實(shí)現(xiàn)含碳水化合物食品的低GI值。例如，作者團(tuán)隊(duì)基于玉米醇溶蛋白難消化的特點(diǎn)，采用玉米醇溶蛋白作為淀粉顆粒的消化屏障，在靜電、疏水等非共價相互作用的協(xié)同驅(qū)動下，構(gòu)建的仿生蛋白質(zhì)-淀粉殼核結(jié)構(gòu)（圖6B）可顯著降低淀粉的體外消化速率，用該核殼結(jié)構(gòu)的淀粉喂食的正常及糖尿病老鼠，其血糖水平顯著低于正常淀粉對照組（數(shù)據(jù)未發(fā)表）。該技術(shù)有望開發(fā)成為新一代的食品降糖技術(shù)。

除此之外，通過物理、化學(xué)、生物酶等方法，對淀粉或食品原料進(jìn)行改性，提高低GI的抗性淀粉（resistant starch，RS）和慢消化淀粉（slowly digestible starch，SDS）含量，也是有效控制糖吸收并維持血糖平衡的有效方法。除單一使用物理或化學(xué)或酶法改性外，還可兩種或兩種以上的方法聯(lián)用，利用不同方法間協(xié)調(diào)增效的作用，提高RS和SDS的產(chǎn)率。例如，超聲波-濕熱處理并結(jié)合酸水解法制備RS，得率可達(dá)40.7%，且所得RS具有含水率低、易貯存、結(jié)構(gòu)致密、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。也有研究利用微波協(xié)同濕熱、微波協(xié)同檸檬酸濕熱、有機(jī)酸與濕熱法聯(lián)用制備玉米SDS和RS，與單一改性法相比，SDS與RS得率顯著增加。

圖6 基于食品膠體的減鹽、減糖、減脂技術(shù)Fig. 6 Food colloids-based technologies for reducing salt, sugar and fat contents in foods

2.2.3 基于食品膠體的脂肪替代

高熱量飲食對人體健康有諸多不利影響。除淀粉外，脂肪是另外一種主要的濃縮熱量來源，因此如何通過設(shè)計食品結(jié)構(gòu)減少脂肪攝入量，成為未來健康食品的重要研究方向之一。20世紀(jì)80年代，通過減少某些食品（如牛奶、乳品、肉制品等）中脂肪含量，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了脂肪攝入量的減少，但對于大多數(shù)食品，在減少脂肪含量方面仍面臨較大困難。因此，第二代食品減脂技術(shù)主要依賴基于脂肪替代物的食品配方設(shè)計及加工條件控制。

常見的脂肪替代物為蛋白質(zhì)與碳水化合物。蛋白常被加工成直徑在0.1～2.0 μm的微凝膠顆粒，用作脂肪替代物。這個尺寸范圍的蛋白微凝膠不會有顆粒感，且蛋白熱可逆凝膠在口腔溫度下可快速熔化（例如明膠），產(chǎn)生一種奶油般光滑的口感，在不影響食品整體質(zhì)構(gòu)口感的前提下，顯著降低了食品中的脂肪含量。除單純蛋白微凝膠外，蛋白微凝膠與多糖的復(fù)合物也可用作脂肪替代。例如，乳清蛋白微凝膠與高酯化果膠復(fù)合物可通過抑制油滴絮凝、穩(wěn)定果膠三維網(wǎng)絡(luò)等機(jī)制，穩(wěn)定低脂蛋黃醬體系（圖6C）。除動物源蛋白外，很多植物蛋白也可用作脂肪替代物，如大豆蛋白。有證據(jù)表明大豆蛋白的添加可顯著改善低脂豬肉的質(zhì)構(gòu)并降低蒸煮損失；大豆蛋白水解物與黃原膠的混合物（soy protein hydrolysates/xanthan gum，SPH/XG）可用于低脂冰淇淋的制備。研究發(fā)現(xiàn)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% SPH/XG替代脂肪制備的冰淇淋，具有與全脂冰淇淋相似的外觀、味道和質(zhì)地。然而，使用蛋白作為脂肪替代物也有某些局限性，例如蛋白能與食品體系中的某些風(fēng)味物質(zhì)發(fā)生相互作用，從而改變食品的整體風(fēng)味。

碳水化合物是另外一類可用作脂肪替代物的生物大分子。與蛋白相比，可用作脂肪替代的碳水化合物種類要豐富得多，包括各種可消化天然淀粉/改性淀粉、不可消化的樹膠/纖維素及其衍生物等，這其中可消化淀粉最為常用?？上矸壑饕ㄟ^兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)脂肪模擬：1）形成高水分含量的三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，模擬類似脂肪般的口感；2）在加熱和冷卻過程中形成與脂肪球大?。?～10 μm）相近的顆粒，提供類似脂肪的潤滑口感?；谶@兩種機(jī)制，小麥、綠豆、玉米、紅薯等來源的淀粉已被廣泛應(yīng)用于低脂食品制造，包括奶酪、香腸、酸奶、蛋黃醬和冷凍甜點(diǎn)等。該策略的潛在缺點(diǎn)是淀粉含有高能量，過量食用可能導(dǎo)致超重和糖尿病，未來基于RS的脂肪替代物研發(fā)有望解決這一問題。

除蛋白和淀粉外，多種不可消化的膳食纖維也可用作脂肪替代物，包括纖維素及其衍生物、菊粉和樹膠（黃原膠、卡拉膠、刺槐豆膠、秋葵膠、刺梧桐樹膠、果膠、魔芋膠、海藻酸鈉等），用于低脂冰激凌、蛋黃醬、香腸、奶酪等產(chǎn)品開發(fā)。此外，聯(lián)合使用多種脂肪替代物可彌補(bǔ)單一脂肪替代帶來的不足。不同食品膠體的同時加入，可能會引起分子間的相互作用，產(chǎn)生更理想的功能特性，更好地維持食品原有的口感與質(zhì)地，例如蛋白-多糖聯(lián)用、多糖-多糖聯(lián)用等。然而，在開發(fā)各種高效脂肪替代策略的同時，也要考慮兩個問題：1）有些脂肪是維持人體生理功能與生長發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，如膽固醇、不飽和脂肪酸等，是否有必要大幅度降低這些脂類的攝入，還需要進(jìn)一步的研究；2）用于替代脂肪的某些不可消化食用膠或纖維類，對腸道菌群及人體健康的潛在影響尚未完全明確，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3 老年/特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品

隨著年齡的增長，人體生理上的變化會抑制肌肉和器官活動、唾液分泌以及味覺和香氣的敏感性等，繼而降低人的飲食能力。食品加工需考慮設(shè)計適合老年人的食品配方，特別是針對患有吞咽障礙的老年人，應(yīng)確保食物的可安全吞咽性，不引起食物誤吸（嚴(yán)重者可引起肺炎并致人死亡）。為防止誤吸，食物在咽部流動時應(yīng)以中等速度流動，不能太快也不能太慢，而且最好具有較低的黏附性和較好的潤滑性。因此，老年食品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)從流變學(xué)、膠體、摩擦學(xué)等方面綜合考慮，使其食用時更為容易和舒適。

利用多糖改變加工食品質(zhì)構(gòu)是目前開發(fā)老年食品的最主要策略。以日本市場為例，加工類老年食品主要有半凝固（增稠或凝膠化）腸內(nèi)營養(yǎng)食品、補(bǔ)水果凍、營養(yǎng)補(bǔ)充果凍等。此外，用于糊狀食品的粉狀速溶膠凝劑和吞咽困難增稠劑以膳食補(bǔ)充的方法，通過少量添加到現(xiàn)有食品中發(fā)揮作用。半固化腸內(nèi)營養(yǎng)成分可降低腸內(nèi)稀液營養(yǎng)成分經(jīng)腸內(nèi)管或經(jīng)皮內(nèi)鏡下胃造口喂養(yǎng)的并發(fā)癥風(fēng)險。通過對多糖的選擇和組合，可以改變半固化營養(yǎng)食品的黏度，以實(shí)現(xiàn)通過食管的平穩(wěn)流動和控制喂養(yǎng)速度，以預(yù)防腹瀉和反流。用于這種腸內(nèi)半固態(tài)營養(yǎng)成分中的多糖主要有瓊脂、果膠、卡拉膠和黃原膠等，目前這些多糖在日本的市場份額正在逐步增加。在補(bǔ)水果凍方面，研究人員嘗試用多糖構(gòu)建新的食品質(zhì)構(gòu)，不僅模仿真正水果的質(zhì)構(gòu)，而且模仿真正水果的外觀。作為食物適口性的主要特征之一，外觀可以增強(qiáng)人的食欲。有報道稱，視覺食物識別對吞咽功能有影響。研究結(jié)果顯示，當(dāng)受試者看到具有正常外觀的完整食品圖片時，唾液分泌量比看到相應(yīng)的模擬食品圖片的分泌量要多。用多糖代替水果的另一個好處在于它可以控制熱量和營養(yǎng)。此外，針對改善吞咽困難的食品增稠劑應(yīng)具有不結(jié)塊、黏度增加快、貯存后黏度穩(wěn)定、在弱攪拌條件下適用于各種液體食品的特點(diǎn)。增稠劑還應(yīng)該對液體食品提供更好的感官特性，包括黏連的質(zhì)地和無異味。黃原膠滿足這些要求，已取代改性淀粉，成為改善老年人吞咽困難的最理想食品質(zhì)構(gòu)改良劑。

除老年食品外，食品膠體在特殊醫(yī)學(xué)用途配方食品（簡稱特醫(yī)食品）中也有應(yīng)用。特醫(yī)食品是一種為了滿足進(jìn)食受限、消化吸收障礙、代謝紊亂或特定疾病狀態(tài)人群對營養(yǎng)素或膳食的特殊需要，專門加工配制而成的配方食品。特醫(yī)食品適用人群包括嬰幼兒、減肥人群、食物組分過敏人群、碳水化合物代謝異常人群（糖尿病患者）、乳糖不耐人群、運(yùn)動員、老年人等。上文提到的預(yù)防老年人吞咽障礙食品即被視為一類特醫(yī)食品。而食品膠體可通過調(diào)控食品的流變學(xué)特性，使食品的整體質(zhì)構(gòu)與流動性更好地滿足吞咽障礙人群的特殊需求，繼而在預(yù)防吞咽障礙食品開發(fā)中扮演重要角色。目前，已被用于吞咽障礙食品配方開發(fā)的食用膠體包括黃原膠、麥芽糊精、改性淀粉、改性纖維素、瓜爾豆膠、塔拉膠等。此外，海藻酸鈉和卡拉膠被允許用于嬰兒配方奶及嬰兒或兒童特醫(yī)食品配方，但對用量及嬰兒年齡有限定。例如，海藻酸鈉用量一般不超過1 g/L，且只能用于4 個月以上嬰兒或更大齡嬰幼兒及兒童。卡拉膠一般用于6 個月大及以上嬰兒特醫(yī)食品，用量需少于1 000 mg/L。目前，全球特醫(yī)食品市場規(guī)模為560～640億 元，2019年中國市場規(guī)模約60億 元，且近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢。因此，我國特醫(yī)食品未來市場前景巨大。特醫(yī)食品也是食品領(lǐng)域熱門研究方向之一。然而，目前食品膠體在特醫(yī)食品中應(yīng)用的相關(guān)研究較少，針對食品膠體對特醫(yī)食品功能特性影響規(guī)律的研究亟待深入開展。

表1 3D打印肉制品及其熱加工前后外觀對比[81]Table 1 3D printed meat products and their appearance before and after hot processing[81]

2.4 3D食品打印

增材制造也被廣泛稱為3D打印，是20世紀(jì)80年代誕生的一項(xiàng)革命性技術(shù)。因?yàn)榫哂挟a(chǎn)品無需組裝、成本低、制造周期短和自定義產(chǎn)品形態(tài)等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為制造業(yè)研究熱點(diǎn)之一。3D打印在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用有許多優(yōu)點(diǎn)，可更為便捷地創(chuàng)造出在成分、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地和口味上更為多元化的食品，將在未來食品制造中發(fā)揮重要作用。

蛋白、淀粉/多糖、脂質(zhì)等食品膠體是食品3D打印不可或缺的“墨水”原材料，在對擠出、恢復(fù)、沉積、后加工等3D打印各個階段食品物性調(diào)控中扮演重要角色，已被用于蔬菜、水果、肉制品、巧克力、烘焙食品、面制品等各類食品的3D打印制造。以肉制品為例，增稠劑（如黃原膠和瓜爾豆膠）和膠凝劑（如谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶和海藻酸鈉）用于在擠壓過程中控制水分，并在沉積和后處理后保持形狀。增稠劑增強(qiáng)膏體的黏度，便于初始和連續(xù)擠壓，以及確保印刷結(jié)果的一致性。另一方面，膠凝劑有助于形成不同強(qiáng)度的黏彈性體系，有利于形狀的保真度和穩(wěn)定性（表1）。此外，對親水膠體溶解度、耐熱性和穩(wěn)定性的了解有助于優(yōu)化配方設(shè)計和打印工藝條件，確保3D打印食品具有所需的物理和質(zhì)構(gòu)屬性。

食品膠體可增加含水量較高的蔬菜類“墨水”的黏稠度，從而賦予其較好的可打印性。同時，食品膠體的引入可穩(wěn)定并顯著改善3D打印蔬菜食品的質(zhì)構(gòu)及流變性能，使其適合吞咽困難人群。有研究顯示，幾乎不含有淀粉且水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高（約96%）的白菜，需要同時添加黃原膠和刺槐豆膠作為增稠劑。而含有一定量淀粉且水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低（90%）的胡蘿卜，則只需要添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的黃原膠。淀粉含量最高且含水量相對較低（質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%）的豌豆，可在不添加任何食品膠體的條件下表現(xiàn)出良好的可打印性，且打印得到的蔬菜制品析水率最低（圖7）。

圖7 3D打印的蔬菜食品[82]Fig. 7 3D printed vegetables[82]

3D打印還可用于植物基人造肉的制造（表1）。有研究顯示，乙基(羥乙基)纖維素（ethyl hydroxyethyl cellulose，EHEC）、改性淀粉、改性菊粉等多糖類大分子表面活性劑的加入，促進(jìn)了大豆蛋白各向異性結(jié)構(gòu)的形成，并改善了3D打印人造肉的纖維化程度（組織化度）；而且分子鏈較為剛性的EHEC可降低擠出物與口腔之間的界面接觸及摩擦系數(shù)，改善潤滑性能，從而表現(xiàn)為口腔摩擦學(xué)性質(zhì)的不同。此外，這些多糖通過改變3D打印人造肉的質(zhì)構(gòu)，賦予產(chǎn)品良好的動態(tài)感官特性，有望替代人造肉中的脂肪，生產(chǎn)基于3D打印的纖維狀低脂植物肉。

3 食品膠體與細(xì)胞相互作用

很多食品膠體以顆粒形式存在于各種食品體系中，了解這些多尺度食品膠體顆粒（food colloidal particles，F(xiàn)CPs）的細(xì)胞吸收機(jī)制及胞內(nèi)生物學(xué)效應(yīng)是明確其安全性及功能性的關(guān)鍵。傳統(tǒng)營養(yǎng)學(xué)研究認(rèn)為，F(xiàn)CPs只有被消化降解為小分子物質(zhì)后（如氨基酸、游離脂肪酸、單糖等），才能被機(jī)體吸收利用。然而，越來越多的證據(jù)表明，F(xiàn)CPs可潛在“逃脫”胃腸道的消化降解過程，并被腸上皮細(xì)胞直接吸收。闡明這些FCPs的細(xì)胞吸收機(jī)制及進(jìn)入細(xì)胞后的轉(zhuǎn)運(yùn)代謝行為，對于明確食品納米顆粒的安全性及生理功能進(jìn)而在更深層次理解食品與人體的相互作用至關(guān)重要。因此，本部分內(nèi)容將著重總結(jié)并討論FCPs的腸黏層滲透、腸細(xì)胞吸收和體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)代謝行為相關(guān)研究進(jìn)展。同時，探討天然或工程FCPs在體內(nèi)的生物分布和安全性問題。旨在通過食品膠體視角來拓展并探索食物與身體之間相互作用，并將這些相關(guān)領(lǐng)域的研究定義為“膠體營養(yǎng)科學(xué)”，以引起更多研究者的興趣和關(guān)注。

3.1 FCPs的黏膜層滲透

外源納米顆粒想要靠近腸上皮細(xì)胞并被吸收，首先需穿過上皮細(xì)胞外面的一層黏液層。黏液層的黏液是一種由水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95%）、黏蛋白（質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜5%）、無機(jī)鹽（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%左右）、碳水化合物和脂質(zhì)組成的具有黏彈性的黏性凝膠。黏液層可以被認(rèn)為是胃腸道外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境之間的第一道屏障。

一般認(rèn)為黏液穿透顆粒通常具備以下幾個特點(diǎn)：1）合適的尺寸。顆粒尺寸是決定其擴(kuò)散速率的重要因素。黏液由于其來源的不同，孔隙大小分布并不均勻。例如，狗胃部黏液平均空隙為4.2 μm，而小腸部黏膜空隙則在2.1～3.3 μm，且均呈現(xiàn)空隙的寬分布（1.0～14.5 μm）。對于大型哺乳動物豬來說，情況正好相反，豬胃部黏液平均空隙為（4.0±2.0）μm，低于豬十二指腸的（5.3±2.9）μm。一般來說，顆粒越小，就越容易穿透黏液。小于100 nm的顆?？梢杂行У卮┻^黏液層，較大的顆粒（空隙＞200 nm）則擴(kuò)散受限。然而，直徑為500 nm和200 nm的納米顆粒如果被聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）包裹，也能有效地穿過黏液，說明顆粒的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)也顯著影響其黏液擴(kuò)散速率。2）帶負(fù)電或電中性。黏液由帶負(fù)電的糖蛋白組成，它可以與帶正電的納米顆粒相互作用，降低它們在黏液中的擴(kuò)散速度。因此，帶負(fù)電荷或中性電荷的粒子在黏液中的擴(kuò)散系數(shù)明顯高于帶正電荷的粒子。3）親水性。黏液可通過疏水相互作用與納米顆粒發(fā)生相互作用，導(dǎo)致其黏液擴(kuò)散系數(shù)低。因此，親水表面是顆粒實(shí)現(xiàn)黏液層穿透的重要條件之一。4）較低的黏蛋白纖維黏附性。顆粒表面伸展的鏈狀結(jié)構(gòu)可與黏蛋白纖維互穿，從而阻礙了顆粒在黏液中的運(yùn)動。與表面結(jié)構(gòu)較為伸展的顆粒相比，具有收縮表面結(jié)構(gòu)的顆粒更容易擴(kuò)散通過黏液層。

FCPs與黏液層的相互作用已有報道。FCPs在顆粒尺寸、表面化學(xué)、親/疏水性等方面存在多樣性，因此其黏液擴(kuò)散行為呈現(xiàn)不同的規(guī)律。殼聚糖包裹的脂質(zhì)納米顆粒，由于表面帶正電，與帶負(fù)電的黏液層發(fā)生靜電吸引相互作用，繼而呈現(xiàn)較強(qiáng)的黏膜層吸附特性，容易被“困在”黏液層而無法穿透。有研究發(fā)現(xiàn)，小麥醇溶蛋白多肽自組裝形成的負(fù)電性納米顆粒（undigestible gliadin peptide nanoparticles，UGPNs）（納米顆粒直徑（）＝（128.6±0.6）nm）可有效穿透由Caco-2/HT29-MTX單層細(xì)胞共培養(yǎng)分泌的黏液層，滲透指數(shù)（）為5.7×10cm/s，顯著高于已有報道的殼聚糖/海藻酸鈉顆粒（＜3.0×10cm/s），與-乳球蛋白多肽納米球接近（為6.0×10cm/s）（圖8A～C）。

圖8 小麥醇溶蛋白肽自組裝納米顆粒和溶菌酶/淀粉微凝膠納米顆粒的黏膜穿透[92-93]Fig. 8 Mucus layer penetration of wheat gliadin peptide nanoparticles and lysozyme/starch microgel nanoparticles[92-93]

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)UGPNs可顯著抑制黏蛋白分泌繼而降低黏液層厚度，提示納米顆?？蓾撛谕ㄟ^影響?zhàn)ひ簩咏Y(jié)構(gòu)繼而影響腸屏障功能。另外一項(xiàng)針對溶菌酶顆粒的間接體內(nèi)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，荷載有槲皮素的溶菌酶納米顆?？纱┩复笫竽c黏液層（圖8D～F）。如果在該顆粒表面裹上一層氧化淀粉的微凝膠層則可顯著提升復(fù)合顆粒的黏液層吸附能力及延長黏液層停留時間，使復(fù)合顆粒更耐受胃部酸性環(huán)境并順利到達(dá)腸道，并在腸道緩慢釋放含有槲皮素的溶菌酶顆粒，最終達(dá)到緩釋的靶向遞送效果。

有研究發(fā)現(xiàn)，衣殼病毒可快速穿透黏液層，原因是病毒顆粒表面的衣殼呈現(xiàn)電中性，且基本沒有疏水區(qū)域，因此不容易通過靜電吸引或疏水相互作用被吸附在黏液層。受該病毒衣殼結(jié)構(gòu)啟發(fā)，結(jié)合上面總結(jié)的黏液層穿透型顆粒所具備的性質(zhì)，研究人員開發(fā)了多種表面修飾的黏液層穿透納米顆粒，其中最具代表性的為PEG表面涂層。有研究顯示，經(jīng)PEG涂層后納米顆粒的黏液擴(kuò)散能力顯著提升，與顆粒在水中的擴(kuò)散速率相比只有小幅度下降。然而，目前PEG涂層技術(shù)的應(yīng)用對象主要為合成高分子納米顆?；蚣{米顆粒藥物載體，用于FCPs的極為有限。而且，PEG的體內(nèi)安全性尚不明確。此外，研究人員還開發(fā)了其他顆粒表面修飾策略用于提升顆粒的黏液層穿透能力，比如海藻酸鈉殼核結(jié)構(gòu)、羧酸鹽/硫酸鹽表面修飾、表面活性劑等。

3.2 FCPs的腸細(xì)胞吸收

3.2.1 外源納米顆粒的細(xì)胞吸收

外源納米顆粒擴(kuò)散穿過黏液層后，靠近上皮細(xì)胞層，可通過兩種主要途徑（圖9A）從腸管側(cè)經(jīng)單層腸上皮細(xì)胞吸收至機(jī)體內(nèi)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)：1）通過相鄰上皮細(xì)胞之間緊密連接的細(xì)胞旁路途徑；2）通過腸上皮細(xì)胞或微褶細(xì)胞（M細(xì)胞）的跨細(xì)胞途徑。其中，經(jīng)腸上皮細(xì)胞的跨細(xì)胞途徑是外源納米顆粒吸收的主要途徑。除腸上皮細(xì)胞外，腸上皮細(xì)胞層還含有另外一種可從腸管中吸收轉(zhuǎn)運(yùn)外源納米顆粒的細(xì)胞，即M細(xì)胞。M細(xì)胞可看作腸組織特異性免疫細(xì)胞，負(fù)責(zé)腸屏障的部分免疫功能。因此，通過M細(xì)胞介導(dǎo)的跨細(xì)胞途徑吸收的顆?？梢员痪奘杉?xì)胞和樹突狀細(xì)胞捕獲，然后傳遞到淋巴系統(tǒng)。目前，普遍認(rèn)為占據(jù)絕對數(shù)量優(yōu)勢的腸上皮細(xì)胞是吸收外源納米顆粒的最主要跨細(xì)胞途徑。而M細(xì)胞只占上皮細(xì)胞層的1%左右，整體吸收能力有限。

圖9 外源納米顆粒的細(xì)胞吸收過程Fig. 9 Cellular uptake of external nanoparticles

外源納米顆粒的跨細(xì)胞途徑吸收主要依賴內(nèi)吞作用，可分為吞噬和胞飲兩大類。吞噬作用負(fù)責(zé)攝取大顆粒（20 μm左右），通常發(fā)生在特定的細(xì)胞類型中，如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞及樹突細(xì)胞等；而胞飲作用則幾乎存在于各種細(xì)胞類型中，又根據(jù)細(xì)胞種類及外源顆粒的性質(zhì)，細(xì)分為網(wǎng)格蛋白、小窩蛋白、大胞飲和網(wǎng)格蛋白/小窩蛋白非依賴型胞飲（圖9B）。內(nèi)吞過程包括幾個步驟，首先是顆粒與細(xì)胞膜接觸，并沉積在膜的表面。然后，這些顆粒被膜內(nèi)陷包裹，膜內(nèi)陷被夾斷，形成膜結(jié)合的小泡，也稱為核內(nèi)體（或吞噬作用下的吞噬小體）。最后，核內(nèi)體將顆粒運(yùn)送到不同的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)顆粒的胞內(nèi)分揀及后續(xù)的個性化代謝。納米顆粒與細(xì)胞膜相互作用的動力學(xué)、能量學(xué)及力學(xué)特性對顆粒的后續(xù)胞吞過程很重要，因?yàn)樗鼈兛梢燥@著影響顆粒內(nèi)吞的途徑/機(jī)制、速率和量。這些動力學(xué)和能量學(xué)參數(shù)取決于納米顆粒的尺寸、形狀、變形能力、細(xì)胞膜性質(zhì)以及細(xì)胞周圍的局部環(huán)境。

有研究人員利用超高分辨結(jié)構(gòu)照明顯微成像，捕捉到了皮克林乳液顆粒被骨髓樹突狀細(xì)胞內(nèi)吞的過程（圖9C）。乳滴首先通過細(xì)胞包裹的方式沉積在細(xì)胞膜上并發(fā)生從圓形到橢圓形的變形，以增加乳化液滴與細(xì)胞膜的接觸面積。在液滴與細(xì)胞膜的結(jié)合區(qū)，液滴內(nèi)的抗原在液滴表面?zhèn)攘饕l(fā)多價相互作用，最終誘導(dǎo)液滴吞噬。而不具備這種變形能力的硬質(zhì)固體脂質(zhì)顆粒的細(xì)胞吸收率顯著降低。另外一項(xiàng)針對硅基納米膠囊細(xì)胞吸收的研究也發(fā)現(xiàn)同樣規(guī)律，空心硅納米顆粒在進(jìn)入細(xì)胞的過程中發(fā)生從圓形到橢圓形的變形（圖9D），而且這種變形能力可以顯著促進(jìn)它們的細(xì)胞吸收。這些結(jié)果表明，顆粒的可變形度（硬度）對其細(xì)胞吸收過程至關(guān)重要。

當(dāng)外源納米顆粒通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞后，一般有以下幾種轉(zhuǎn)運(yùn)路徑：1）被分泌回細(xì)胞外環(huán)境；2）殘留在細(xì)胞內(nèi)并積累；3）在細(xì)胞內(nèi)降解；4）進(jìn)入體循環(huán)。細(xì)胞內(nèi)存在特定的分選機(jī)制來決定這些進(jìn)入胞內(nèi)外源顆粒的最終“歸宿”。這個分選機(jī)制主要是由細(xì)胞內(nèi)核小體聯(lián)合高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體等共同組成的細(xì)胞器網(wǎng)絡(luò)所介導(dǎo)的（圖9B）。納米顆粒通常首先被轉(zhuǎn)運(yùn)到早期核內(nèi)體，這是經(jīng)內(nèi)吞作用進(jìn)入胞內(nèi)顆粒的主要“分選站”。在早期核內(nèi)體中，一些顆粒與受體一起被轉(zhuǎn)運(yùn)到循環(huán)核內(nèi)體，然后排至胞外；未被排出細(xì)胞的其他核內(nèi)體進(jìn)一步成熟并分化成晚期核內(nèi)體，它可以與質(zhì)膜融合從而以外泌體的形式釋放其內(nèi)容物到胞外。晚期核內(nèi)體也可以與溶酶體融合形成內(nèi)吞溶酶體，溶酶體中含有的多種水解酶可引起納米顆粒的降解。內(nèi)吞進(jìn)入細(xì)胞的納米顆粒也可能“逃脫”上述分選路徑。例如，當(dāng)“逃脫”發(fā)生在與溶酶體發(fā)生融合前，則該顆粒將不會進(jìn)入內(nèi)吞溶酶體降解路徑，并以完整顆粒的形式停留在細(xì)胞質(zhì)或其他細(xì)胞器中。

被吸收的納米顆粒在細(xì)胞內(nèi)的生物命運(yùn)與其內(nèi)吞途徑密切相關(guān)。通過網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用吸收的顆粒首先進(jìn)入具有低pH值環(huán)境的早期核內(nèi)體，然后進(jìn)入溶酶體并進(jìn)一步代謝；通過小窩蛋白內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞的納米顆粒一般與具有中性pH值環(huán)境的小窩體或多泡體融合。該途徑比網(wǎng)格蛋白內(nèi)吞過程要慢，但在某些條件下可繞開溶酶體融合步驟，有時有利于某些需要逃脫溶酶體降解過程的蛋白質(zhì)或功能成分的有效遞送。進(jìn)入小窩體的納米顆粒大多最終被輸送到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體。

綜上所述，外源納米顆粒的性質(zhì)（如大小、形狀或變形能力）決定了其內(nèi)吞途徑，進(jìn)而影響其隨后的胞內(nèi)運(yùn)輸和最終胞內(nèi)定位。如果該外源顆粒被設(shè)計為生物活性化合物的載體，那么這些封裝的生物活性化合物的功能也將被改變。

3.2.2 FCPs的細(xì)胞吸收

本部分總結(jié)的FCPs主要包括食源蛋白、多糖及脂質(zhì)形成的多尺度微納米顆粒。一般認(rèn)為，這些FCPs很容易被胃腸道的各種消化酶降解，且跨膜能力較差，較難以完整顆粒形式被腸細(xì)胞直接吸收。然而，有研究表明，食品中的少量FCPs能夠逃脫消化酶的降解并通過腸上皮細(xì)胞層的M細(xì)胞途徑，以轉(zhuǎn)胞吞的形式，跨過腸上皮細(xì)胞層，進(jìn)入機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)。例如，早在20世紀(jì)80年代，研究人員在探索為何一些膳食蛋白質(zhì)在通過胃腸道消化后仍能引起過敏的原因時得出結(jié)論，從免疫學(xué)角度來說，肯定有大量的完整蛋白質(zhì)被機(jī)體所吸收。此外，最早的關(guān)于完整納米顆粒吸收的證據(jù)也來自對食品顆粒的研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，經(jīng)大鼠口服喂食的完整粗淀粉顆粒可跨越腸黏膜層被機(jī)體直接吸收。這些證據(jù)都直接證實(shí)了完整FCPs被細(xì)胞/機(jī)體直接吸收的可能性。目前，已有諸多體外/體內(nèi)研究證實(shí)，許多蛋白、多糖或脂質(zhì)FCPs能夠以完整顆粒形式被細(xì)胞直接吸收（表2）。

然而，也有研究對FCPs的細(xì)胞吸收提出質(zhì)疑。一項(xiàng)涉及酪蛋白酸鈉膠體顆粒的大鼠體內(nèi)吸收實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，直徑為138 nm的酪蛋白酸鈉顆粒經(jīng)口攝入2 h后，仍大量滯留大鼠胃部；24 h后，消化道末端仍然可以檢測到顆粒的存在；攝入48 h后，顆粒被排出體外，提示酪蛋白酸鈉膠體顆粒未被吸收，留在大鼠消化道內(nèi)，直至排出體外。不過，該研究在考察顆粒分布、吸收及排出時，使用的熒光和放射性標(biāo)記實(shí)驗(yàn)缺乏定量分析，而且也沒有給出大鼠糞便中完整的酪蛋白納米顆粒的準(zhǔn)確定量數(shù)據(jù)。因此，很難排除這些酪蛋白納米顆粒部分被吸收的可能性。另外一項(xiàng)針對吐溫-80穩(wěn)定的固體脂質(zhì)納米顆粒（solid lipid nanoparticles，SLNs）的研究表明，這些SLNs可迅速在小鼠腸道中被消化，未發(fā)現(xiàn)SLNs以完整顆粒形式轉(zhuǎn)運(yùn)至別的組織或器官。原位灌注實(shí)驗(yàn)顯示SLNs可黏附在腸黏液上，但卻不能穿透黏液層。體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，SLNs可以被Caco-2細(xì)胞吸收，但不能穿透細(xì)胞單層，主要位于細(xì)胞單層表面，很難通過細(xì)胞旁途徑被吸收。這些證據(jù)與先期SLNs能夠以完整顆粒形式被機(jī)體所吸收的研究結(jié)論（表2）截然相反。因此，需尋找更有說服力的證據(jù)，進(jìn)一步確認(rèn)食品脂質(zhì)納米顆粒是否能夠以完整顆粒形式從腸管中被吸收。

除上述蛋白、脂質(zhì)或多糖納米顆粒外，我國傳統(tǒng)加工食品及食品烹飪過程也會產(chǎn)生許多功能性納米顆粒。例如有研究人員發(fā)現(xiàn)諸多食療湯的烹飪制備過程也是各種生物大分子及小分子自組裝形成各式結(jié)構(gòu)并兼具特定功能FCPs的過程。結(jié)果顯示，我國消費(fèi)者鐘愛的豬骨湯中由脂質(zhì)、蛋白和碳水化合物組裝成的FCPs（＝（275±2）nm）可經(jīng)內(nèi)吞方式被體外培養(yǎng)的小鼠腹腔巨噬細(xì)胞直接吸收，且該過程對正常細(xì)胞無明顯影響，但能防止過氧自由基誘導(dǎo)的膜超極化、線粒體功能障礙和吞噬作用抑制等。

3.3 FCPs的體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)與生物分布

經(jīng)腸上皮細(xì)胞吸收后的納米顆粒，可進(jìn)入機(jī)體循環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)其基本理化性質(zhì)，被運(yùn)送到不同的組織或器官，包括心臟、肺、脾臟、腎臟、肝臟等。目前針對FCPs體內(nèi)分布的研究主要集中于加工食品，對天然食品中的FCPs的研究幾乎為空白。Li Shen等率先報道了可樂中含有熒光納米顆粒，這些熒光納米顆粒主要在小鼠的小腸和結(jié)腸部位被吸收，進(jìn)入體內(nèi)后主要分布在心臟和大腦，說明它們可以穿過血腦屏障；Cong Shuang等發(fā)現(xiàn)匹薩燒焦部分含有一類水溶性熒光納米顆粒，該顆?？蛇M(jìn)入線蟲的組織和器官，并被發(fā)現(xiàn)在小鼠的肝臟、肺及腎臟中富集。這些熒光納米顆粒的具體來源尚不清楚，可能是匹薩原料中的蛋白、脂質(zhì)及碳水化合物等在高溫烘焙過程中所發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)所生成。在該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，烤三文魚也含有不同尺寸、表面化學(xué)基團(tuán)和熒光性質(zhì)的碳量子點(diǎn)納米顆粒（carbon quantum dots，CQDs）。這些CQDs可在小鼠小腸部位被吸收并在小鼠大腦中累積，說明該顆粒也可穿過血腦屏障。

表2 天然或加工食品中蛋白、脂質(zhì)、多糖等納米顆粒的細(xì)胞吸收[84]Table 2 Cellular uptake of protein, lipid, and polysaccharide nanoparticles in natural and processed foods[84]

納米化的食品添加劑是一類常見的FCPs。納米食品添加劑已廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)，以改善食品的口感、色澤、質(zhì)地、加工適應(yīng)性、營養(yǎng)價值和保質(zhì)期。這些食品添加劑顆粒與食物基質(zhì)一起被人體攝入。因此，明確它們的吸收和運(yùn)輸過程對于全面評估其體內(nèi)安全性至關(guān)重要。納米二氧化硅顆粒是目前應(yīng)用最廣泛的食品添加劑顆粒之一。經(jīng)口攝入后，納米二氧化硅顆粒可在腎、肝、肺、腦和脾中積累，其體內(nèi)的臟器分布取決于顆粒的形狀、介孔或表面化學(xué)性質(zhì)。有研究發(fā)現(xiàn)，隨著觀察時間的延長，二氧化硅顆粒在大鼠體內(nèi)的器官分布可發(fā)生顯著變化，但卻沒有明確的器官靶向性。還有研究表明，大部分經(jīng)口攝入的二氧化硅顆粒會經(jīng)大鼠糞便（75%～80%）或尿液（7%～8%）排出體外，只有少部分被吸收進(jìn)入體內(nèi)，而且顆粒在大鼠肝、腎的滯留時間較肺、脾長。除二氧化硅以外，納米化碳酸鈣顆粒為另一種常用食品添加劑。有研究表明，每天口服給予大鼠碳酸鈣納米顆粒14 d后，碳酸鈣顆?？纱罅扛患诖笫蠓谓M織中，其次是血液、腦、肝、脾、腎；在雌性大鼠卵巢中也發(fā)現(xiàn)有大量的碳酸鈣顆粒。此外，大鼠脾臟總鈣濃度顯著增加，其他器官未見明顯鈣積累。

綜上所述，大量的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了食品加工過程中引入或產(chǎn)生的納米顆?？赏ㄟ^被吸收進(jìn)入人體循環(huán)系統(tǒng)并在特定組織或器官中富集，而且這些納米顆粒的化學(xué)組成、大小、形狀、內(nèi)核組成、表面化學(xué)性質(zhì)、彈性等性質(zhì)可顯著影響其在血液中的停留時間和特異性器官分布。然而，這些食源納米顆粒是否對人類健康有影響還不清楚。因此，需要進(jìn)行嚴(yán)格的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步確認(rèn)其潛在的健康或毒性作用。

4 食品膠體顆粒的安全性與功能性

4.1 安全性

如上所述，食品中含有的各類天然或人工FCPs，由于其特殊的納米尺寸效應(yīng)，可進(jìn)入動物細(xì)胞并在特定的組織或器官中累積。因此其安全性正受到消費(fèi)者和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。按照化學(xué)成分，F(xiàn)CPs可被分為無機(jī)顆粒和有機(jī)顆粒兩大類。前者主要由無機(jī)材料組成，如銀、氧化鐵、二氧化鈦、二氧化硅、氧化鋅等；后者則由天然或人工生物大分子組成，如蛋白、脂質(zhì)、碳水化合物等。

對無機(jī)FCPs來說，它們被發(fā)現(xiàn)可在各自器官中富集，包括肝臟、腎臟、胃、腸道、脾臟、肺及心臟。如果攝入量過高，無機(jī)FCPs可引起多種組織或臟器毒性，例如腸道紊亂、肝損傷、腎毒性、心肌損傷等。無機(jī)FCPs引起這些不利健康效應(yīng)的主要作用機(jī)制是產(chǎn)生活性氧（reactive oxide species，ROS）。胞內(nèi)ROS水平的升高可上調(diào)細(xì)胞氧化應(yīng)激，損傷細(xì)胞膜、細(xì)胞器和細(xì)胞核，并最終導(dǎo)致細(xì)胞、組織或器官功能紊亂。無機(jī)FCPs還被發(fā)現(xiàn)可干擾正常胃腸道功能及腸道菌群。

對有機(jī)FCPs負(fù)面安全性的相關(guān)報道較少，而且研究人員一般認(rèn)為它們比無機(jī)FCPs更安全且潛在毒性低，原因是它們通常在胃腸道中被完全消化。然而，如本文3.1節(jié)至3.3節(jié)所述，完整的FCPs可被直接吸收進(jìn)入體內(nèi)。這些進(jìn)入細(xì)胞或體內(nèi)的FCPs的安全性尚不明確，需進(jìn)一步研究，在此不作贅述。也有一些情況，F(xiàn)CPs會產(chǎn)生一定的毒性。有些蛋白或多糖顆粒，當(dāng)它們以完整顆粒形式被吸收后，會引起機(jī)體過敏反應(yīng)，比如卵清蛋白。此外，這些顆粒還能夠與腸道菌群發(fā)生相互作用，導(dǎo)致一些不可預(yù)見的健康效應(yīng)，值得深入研究。另外，有機(jī)FCPs可引起潛在毒性的原因之一是其作為功能組分包埋遞送載體，可能會改變功能性物質(zhì)的消化和釋放部位，或?qū)е逻@些化合物的過度釋放和吸收，從而對人體健康產(chǎn)生不利影響。例如，使用多層界面乳液顆粒作為遞送載體時，這些乳滴表面的多層生物大分子涂層，可顯著抑制油滴的消化速度和程度，從而導(dǎo)致諸多未消化的脂質(zhì)到達(dá)結(jié)腸部位，繼而被結(jié)腸細(xì)菌發(fā)酵，產(chǎn)生一些有害代謝產(chǎn)物從而導(dǎo)致胃腸道功能紊亂。此外，將生物活性營養(yǎng)素裝入有機(jī)FCPs以提高其生物利用度有時會成為一個安全問題，因?yàn)檫@些化合物的高水平接觸可能會對健康產(chǎn)生不利影響。即使它們在適當(dāng)水平上對健康是有益，但攝入量過高，也可能是有毒的。

由于納米材料在食品中的廣泛應(yīng)用，世界各地的監(jiān)管機(jī)構(gòu)已意識到其所帶來的安全風(fēng)險。英國、美國、歐盟等相繼出臺相關(guān)文件，管控納米顆粒在食品中的使用。同時明確，納米顆粒在食品中的應(yīng)用需重新經(jīng)過嚴(yán)格的安全及毒性評估。然而，大多數(shù)國家對使用納米材料工業(yè)產(chǎn)品的銷售和使用并沒有明確規(guī)定。雖然，歐盟議會在2009年要求所有歐盟國家檢查納米材料相關(guān)立法，確保對工人、消費(fèi)者及環(huán)境所能接觸到的納米材料實(shí)施全覆蓋。然而，只有少數(shù)幾個較為具體且有針對性的調(diào)控法規(guī)，缺乏針對所有食品類別的具體法規(guī)，食品行業(yè)和私營企業(yè)很難獲取監(jiān)管框架范圍內(nèi)的明確法規(guī)指導(dǎo)。

在過去的幾年中，人們對食品級納米顆粒的安全問題越來越關(guān)注。相關(guān)研究對可能導(dǎo)致不良健康影響的顆粒類型以及可能的毒性機(jī)制有一些了解。然而，在這一領(lǐng)域仍有許多矛盾的結(jié)果和未解的問題。例如，一些研究表明納米二氧化鈦在食物中不產(chǎn)生毒性，而其他的研究表明它們是有毒性的。此外，目前對大多數(shù)食品級納米顆粒在胃腸道中的消化行為、生物學(xué)命運(yùn)及潛在毒性了解甚少，需要對不同類型食品納米顆粒的安全性及毒性機(jī)制進(jìn)行更多的研究。

4.2 功能性

除安全性以外，F(xiàn)CPs的功能性及潛在健康功效也不可忽視。一項(xiàng)針對食品來源微納米顆粒對腸細(xì)胞代謝影響的文獻(xiàn)綜述報道，食品來源的胞外囊泡（外泌體、微泡等）因含有蛋白、脂質(zhì)、miRNA等功能性大分子，在細(xì)胞間通訊及功能調(diào)控方面扮演重要角色（圖10）。例如，牛奶中的外泌體可降低細(xì)胞自由基水平。它們還可以抑制炎癥因子表達(dá)，調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能，同時重塑腸道菌群，調(diào)節(jié)腸道免疫穩(wěn)態(tài)，從而緩解結(jié)腸炎。人乳中的胞外囊泡類納米顆粒也被發(fā)現(xiàn)可促進(jìn)腸上皮細(xì)胞生長，保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激，維持腸穩(wěn)態(tài)。此外，上文3.3節(jié)提及的食品烹飪過程產(chǎn)生的各類FCPs及加工過程引入的納米化添加劑顆粒被吸收進(jìn)入機(jī)體后的潛在毒性或功能尚不明確，亟待深入研究。

圖10 乳源性細(xì)胞外囊泡對腸道細(xì)胞代謝的影響Fig. 10 Effects of milk-derived extracellular vesicles on intestinal cell metabolism

5 結(jié) 語

食品膠體作為食品結(jié)構(gòu)的骨架，承載著食品的加工、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)及健康屬性。隨著食品科技的日新月異，食品膠體在新興的植物基人造肉、低鹽/低糖/低脂食品、老年食品、3D打印、精準(zhǔn)營養(yǎng)等未來食品新方向更是發(fā)揮著不可替代的重要作用。此外，食品膠體形成的多尺度微納米顆粒在與生物系統(tǒng)（細(xì)胞）相互作用過程中帶來的安全性問題也備受關(guān)注，例如這些食品膠體顆粒是否可隨意進(jìn)入各類細(xì)胞，進(jìn)入細(xì)胞的方式與途徑，進(jìn)入細(xì)胞后的轉(zhuǎn)運(yùn)代謝行為及生物學(xué)效應(yīng)等系列科學(xué)問題，都還有待進(jìn)一步闡明。除安全性外，也需同時關(guān)注這些食品級納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后的潛在生物學(xué)功能，以期尋找其參與細(xì)胞生命活動的證據(jù)，尤其是在參與細(xì)胞基礎(chǔ)營養(yǎng)代謝、胞內(nèi)細(xì)胞器互作及細(xì)胞骨架與代謝網(wǎng)絡(luò)調(diào)控等方面的作用。

過去的5 年間，食品膠體科學(xué)研究發(fā)展迅速。研究隊(duì)伍不斷壯大，研究成果數(shù)量，更是連年攀升。我們相信，通過與生命科學(xué)、材料科學(xué)及醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的交叉融合，利用食品膠體在未來食品結(jié)構(gòu)設(shè)計、精準(zhǔn)營養(yǎng)與人體健康方面所扮演的重要角色，創(chuàng)新研究思路，深度挖掘食品膠體在大生命、大健康領(lǐng)域的前沿方向，“食品膠體人”必將食品膠體科學(xué)的研究推向新高度。