《Food Hydrocolloids》：Development of functionalized gelatin: Recent advances, challenges and prospects
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功能化明膠通過原料優(yōu)化、工藝調(diào)控及分子修飾克服傳統(tǒng)明膠的局限性，提升冷溶、凝膠強(qiáng)度及3D打印性能，拓展其在食品、醫(yī)藥及生物制造中的應(yīng)用，但需解決規(guī)模化生產(chǎn)、穩(wěn)定性及法規(guī)等問題。
程堂|蔡克洲|劉星|李夢雅|鮑志杰|蔡環(huán)環(huán)|儲吉陽|謝勇|周慧|徐寶才
合肥工業(yè)大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，中國安徽合肥230601
摘要
明膠是一種從動物膠原蛋白中提取的生物聚合物，由于其多樣的功能特性，在食品、制藥和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)明膠的物理化學(xué)性質(zhì)在某些加工條件和應(yīng)用場景下可能會限制其使用。這些限制促使人們開發(fā)出了功能性明膠，即經(jīng)過專門設(shè)計以展現(xiàn)增強(qiáng)或特定應(yīng)用功能的明膠。本文全面概述了功能性明膠的最新進(jìn)展，涵蓋了原材料選擇、加工控制及分子修飾等關(guān)鍵策略。通過對明膠結(jié)構(gòu)、來源、實驗室和工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)過程以及功能特性的系統(tǒng)介紹，為理解其功能化途徑奠定了基礎(chǔ)。功能性明膠的代表性成果包括開發(fā)出冷溶性明膠、高膨脹度明膠、熱不可逆明膠、高表面活性明膠和3D打印用明膠。這些創(chuàng)新顯著提高了明膠在冷水中的溶解度、凝膠強(qiáng)度、熔點、乳化與發(fā)泡性能以及3D打印適應(yīng)性，從而擴(kuò)展了其在傳統(tǒng)食品系統(tǒng)和3D打印食品中的應(yīng)用范圍。文章還探討了功能性明膠大規(guī)模商業(yè)化過程中面臨的挑戰(zhàn)，包括可擴(kuò)展性、與工業(yè)加工的兼容性、儲存和使用過程中的功能穩(wěn)定性以及安全性和監(jiān)管問題。最后，文章討論了未來的發(fā)展方向，重點關(guān)注預(yù)測性結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系、綠色可持續(xù)的功能化策略、工藝優(yōu)化和自動化制造、長期性能穩(wěn)定性的提升，以及新型功能性明膠的開發(fā)。本文旨在為研究人員、行業(yè)利益相關(guān)者和政策制定者提供有價值的見解，以推動功能性明膠的合理開發(fā)和應(yīng)用。
引言
明膠是通過部分水解膠原蛋白獲得的生物聚合物，而膠原蛋白是動物結(jié)締組織中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白（Talha等人，2024年）。由于其獨特的熱可逆凝膠行為和固有的表面活性，明膠具有廣泛的功能，包括凝膠化、乳化和發(fā)泡作用，同時具備優(yōu)異的生物相容性和生物降解性（Gómez-Guillén、Giménez、López-Caballero和Montero，2011年）。這種功能多樣性與生物安全性的結(jié)合使明膠成為食品、制藥、生物醫(yī)學(xué)和攝影行業(yè)中的廣泛應(yīng)用材料（Karim和Bhat，2008年）。在食品系統(tǒng)中，明膠被用作凝膠劑、乳化劑、發(fā)泡劑或脂肪替代品，用于糖果、乳制品、飲料和加工肉類的配方（Bushra和Ahmad，2025年；Tang等人，2022年；Zhang、Xu等人，2020年），并且越來越多地以可食用薄膜或涂層的形式使用，以保持食品質(zhì)量和延長保質(zhì)期（Etxabide、Mojío、Guerrero、de la Caba和Gómez-Estaca，2024年；Leite、Ferreira、Corrêa、Moreira和Mattoso，2020年；Toniciolli Rigueto等人，2022年）。在制藥和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，明膠長期以來被用作軟膠囊和硬膠囊的關(guān)鍵成分，以及傷口敷料和藥物遞送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基質(zhì)（Duconseille、Astruc、Quintana、Meersman和Sante-Lhoutellier，2015年；Jia等人，2024年；Ndlovu、Ngece、Alven和Aderibigbe，2021年）。在攝影領(lǐng)域，明膠作為鹵化銀乳液的分散劑和穩(wěn)定劑發(fā)揮著重要作用（Quintero Balbas等人，2025年）。
盡管明膠應(yīng)用廣泛，但其功能性能并不總能滿足現(xiàn)代加工技術(shù)和新興應(yīng)用場景的要求。例如，明膠在冷水中的溶解度有限，限制了其在即飲飲料等需要快速溶解（通常在幾秒到幾分鐘內(nèi)）和均勻分散的配方中的使用；而明膠通常需要長時間的水合和加熱才能完全溶解（Ghorani、Emadzadeh、Rezaeinia和Russell，2020年；Tang等人，2026年）。此外，熱可逆明膠凝膠的熔點相對較低（通常低于35°C），在某些糖果、甜點和加工肉類產(chǎn)品中可能不足以確保熱穩(wěn)定性，尤其是在儲存和運輸過程中遇到溫度波動時（Schrieber和Gareis，2007年）。從界面角度來看，明膠的乳化和發(fā)泡性能較差；例如，其乳化活性指數(shù)通常比乳清蛋白分離物或蛋清蛋白等高表面活性食品蛋白低一個數(shù)量級（Chen等人，2024年；Wang等人，2023年；Wang、Zhang、Cao、Li和Du，2024年；Zhou等人，2023年）。因此，除非使用高濃度明膠、嚴(yán)格控制加工條件或添加額外的穩(wěn)定劑，否則明膠穩(wěn)定的乳液通常僅適用于結(jié)構(gòu)較弱的系統(tǒng)或低剪切率系統(tǒng)。
這些挑戰(zhàn)推動了人們對功能性明膠開發(fā)的興趣。在本綜述中，“功能性明膠”指的是在明膠制備階段經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計的明膠衍生物或配方，以展現(xiàn)增強(qiáng)的物理化學(xué)性質(zhì)或新的應(yīng)用功能。重要的是，這種功能化有助于彌補(bǔ)明膠功能特性的固有局限，擴(kuò)大其加工適用范圍，或使其滿足特定應(yīng)用場景的最低功能要求。根據(jù)這一定義，功能化涉及多個層面的調(diào)控，包括原材料來源的嚴(yán)格控制、明膠生產(chǎn)過程的針對性優(yōu)化以及原位分子或超分子修飾策略。本文的重點是明膠生產(chǎn)過程中的功能化方法，這與傳統(tǒng)的后生產(chǎn)方法有根本區(qū)別。后者通常涉及多步驟工藝，如熱溶解、修飾、純化和重新干燥，這些過程可能會降低明膠的性能并增加能耗（Huang等人，2019年；Zhang等人，2024年）。盡管后生產(chǎn)修飾和物理混合方法被廣泛報道，但只有在它們提供關(guān)鍵機(jī)制見解或作為有意義的比較基準(zhǔn)時才會在此討論。
在這種框架下，功能性明膠不僅僅是一種改性材料，而是一種經(jīng)過結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系設(shè)計的生物聚合物系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)改善的冷水溶解度、增強(qiáng)的凝膠強(qiáng)度、更高的熔點、更優(yōu)的表面活性，以及更好的適應(yīng)性，以適應(yīng)3D食品打印等新興應(yīng)用（Bushra等人，2025年；Su等人，2025年；Zhang、Xu等人，2020年；Zhang等人，2024年）。這些進(jìn)展與消費者對可持續(xù)、高性能和特定膳食食品產(chǎn)品的日益增長的需求相契合（Abedinia等人，2020年；Su等人，2025年）。例如，通過原位策略適當(dāng)功能化的來自水生和禽類的明膠，可以有效地替代傳統(tǒng)的豬明膠和牛明膠，從而滿足清真和猶太飲食要求，同時不損害食品應(yīng)用所需的功能和質(zhì)地特性（Derkach、Voron’ko、Kuchina和Kolotova，2020年）。
總體而言，功能性明膠已從一個小眾研究課題發(fā)展成為明膠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵方向。本文全面概述了功能性明膠的最新進(jìn)展，批判性地討論了研究人員和制造商面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并概述了未來的研究方向。為了提供這些進(jìn)展的背景，本文還總結(jié)了明膠的基本方面，包括其結(jié)構(gòu)、原材料來源、生產(chǎn)過程和核心功能特性。
明膠概述
功能性明膠是指經(jīng)過專門設(shè)計以具備增強(qiáng)或新穎特性的明膠，這些特性是為特定應(yīng)用量身定制的。明膠的功能主要由其氨基酸組成、分子序列、分子量的大小和分布以及空間組織（包括鏈構(gòu)象和晶體及/或非晶聚集）決定（Samatra、Noor、Razali、Bakar和Shaarani，2022年）。
功能性明膠開發(fā)的最新進(jìn)展
功能性明膠是指在制備階段通過協(xié)調(diào)原材料選擇、生產(chǎn)過程和分子修飾而專門設(shè)計的明膠產(chǎn)品，旨在調(diào)整其結(jié)構(gòu)和功能特性。本節(jié)從應(yīng)用和性能驅(qū)動的角度回顧了功能性明膠的最新進(jìn)展，重點關(guān)注在明膠生產(chǎn)不同階段進(jìn)行的有針對性的調(diào)控
功能性明膠開發(fā)中的挑戰(zhàn)
盡管通過原材料選擇、加工控制和分子級修飾在調(diào)整明膠功能方面取得了顯著進(jìn)展，但仍有一些基本挑戰(zhàn)限制了功能性明膠系統(tǒng)的合理設(shè)計、工業(yè)化轉(zhuǎn)化和廣泛應(yīng)用。
一個持續(xù)存在的挑戰(zhàn)是批次間的顯著差異。明膠的分子量分布、氨基酸組成和殘留的層次結(jié)構(gòu)
功能性明膠的發(fā)展前景
鑒于前文討論的原材料變異性、功能權(quán)衡、可擴(kuò)展性限制、長期穩(wěn)定性和可持續(xù)性等方面的挑戰(zhàn)，功能性明膠的未來發(fā)展必須超越經(jīng)驗性的試錯方法，轉(zhuǎn)向基于應(yīng)用的合理設(shè)計框架。如圖5所示，該領(lǐng)域的進(jìn)展將依賴于（i）建立可重復(fù)性能的預(yù)測性結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系
結(jié)論
功能性明膠正從傳統(tǒng)的商品衍生物轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N經(jīng)過精心設(shè)計的、面向應(yīng)用的材料平臺。原材料選擇、過程控制以及分子和超分子層面的調(diào)控進(jìn)展使得冷溶性、高膨脹度、熱不可逆、高表面活性和3D打印用明膠系統(tǒng)的開發(fā)成為可能，其性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)明膠。這些進(jìn)展
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
儲吉陽：研究。謝勇：驗證。鮑志杰：可視化、數(shù)據(jù)分析。蔡環(huán)環(huán)：可視化、研究。周慧：資金獲取、概念構(gòu)思。徐寶才：監(jiān)督、項目管理、資金獲取、概念構(gòu)思。劉星：可視化、研究。李夢雅：研究、數(shù)據(jù)分析。程堂：撰寫——審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、研究、概念構(gòu)思。蔡克洲：撰寫——
未引用參考文獻(xiàn)
Duconseille等人，2017年；Kim等人，2020年；Montero等人，2002年；Rather等人，2022年；Rather等人，2022年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2024年；Yang等人，2022年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2020年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2024年；Zhang等人，2022年。
利益沖突聲明
? 作者聲明他們沒有已知的競爭性財務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新與發(fā)展聯(lián)合基金重點支持項目（編號U24A20465）、國家重點研發(fā)計劃（編號2023YFD2100703）、安徽省科技廳“秸稈變牛肉”和肉牛振興項目（編號202513b10050008）以及安徽省研發(fā)計劃（編號202423l10050017）的資助。
