J. Future Foods | 食品中聚合物基包封材料的应用与进展

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Abstract

聚合物可以由生物体天然产生，例如壳聚糖、乳清蛋白、树胶、果胶或明胶，或者在实验室中合成，例如聚乙烯醇、聚乙二醇和聚乳酸-共-乙醇酸。聚合物在食品工业中有着悠久的使用历史，传统上作为胶凝剂、增稠剂或稳定剂，用于食品基质的形成和改性。然而，近年来，聚合物已被用作将生物活性物质掺入食品中的包封材料。添加到面包、果汁或乳制品等产品中，目的是强化、增加稳定性或防止降解。食品工业中使用的主要包封系统包括脂质体、乳剂、纳米和微粒，其结构和配方取决于食品的特性，无论是作为包封剂还是作为生物活性成分。在这项工作中，主要的天然和合成聚合物用于食品基质，强调其应用作为封装系统和使用目的。

01

Introduction

聚合物是由称为单体的较小重复单元组成的大分子（分子量在10 000～1 000 000 g/mol之间）。聚合物链的结构根据组成它们的单体的特性可以是直链或支链的。线性聚合物链倾向于排列并彼此相互作用，形成氢键、范德华力或缠结，从而产生形成晶体结构的网络。支化聚合物链形成无定形结构，具有比线性链更小的堆积体积。这些特性定义了聚合物的性质和潜在的工业用途。

当聚合物在自然界中由生物体如植物、动物、细菌、藻类和真菌制造时，它们被称为天然聚合物。当聚合物在实验室中制造时，它们被称为合成聚合物。天然聚合物和合成聚合物在纺织、化妆品、制药、医疗、食品等领域有着广泛的应用。在食品工业中，聚合物已被用于形成和改变食品结构。近年来变得相关的一个问题是它们作为掺入和保护生物活性物质的材料的用途。从这个意义上说，封装技术已经成为实现这一目标的替代方案。从这个意义上说，与包囊相关的出版物数量在过去12年中增加了4倍。封装包括将物质包围在壁材料内，将其与环境隔离。因此，有可能通过利用该技术运输和保护生物分子来提高生物分子的生物利用度。同样地，通过包封可以减少将生物活性剂掺入食品基质中可能给予的不期望的感官特性。

天然聚合物的高生物相容性、低成本和高可用性使其成为最广泛使用的聚合物，用作生物活性物质包封和掺入食品中的壁材料。在这方面，用于生物活性包封及其在食品中的用途的最天然的聚合物是藻酸盐、壳聚糖、明胶、白蛋白、角叉菜胶、淀粉和瓜尔胶。然而，人们对使用合成聚合物如聚（乳酸-共-乙醇酸）（PLGA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚甘油聚蓖麻醇酸酯（PGPR）来包封生物活性物质感兴趣，因为它们可以形成更稳定的结构，带来更大的保护和生物活性物质的隔离。然而，合成聚合物的使用受到其高成本，复杂合成工艺以及大量消费时可能对消费者健康产生影响的限制。

另一方面，在食品工业中被封装得最多的成分是调味剂、缓冲剂、脂质、酶、微生物、膨松剂、抗氧化剂、防腐剂、着色剂、具有令人不快的感官特性的化合物、矿物质、精油和维生素。然而，这些化合物或产品可能对光、温度或pH降解敏感，以及在食用后随时间或在胃肠道条件下降解。而其中最多的产品是烘焙食品，乳制品，加工食品，蔬菜，种子，肉类，家禽和海鲜。在食品中使用包封的一个例子是抗坏血酸，其被掺入面包中以使其更健康，然而面包中存在的水和氧气会降解抗坏血酸，作为该问题的解决方案，抗坏血酸通常通过包封系统分离，该包封系统允许其在面包基质中而不被破坏。另一个例子是碳酸氢钠，它被用作比萨面团的膨松剂，但反应发生时没有控制，产生大量二氧化碳气泡，影响面团结构。因此，碳酸氢钠被封装在油基质中。这种封装系统以受控的方式释放化合物，减缓二氧化碳反应。

这项工作的目的是审查食品中掺入的主要天然和合成聚合物，突出它们的应用，它们被掺入的系统，以及它们被使用的目的。这项工作可作为指导开发封装系统和将其纳入食品。

02

天然聚合物

天然聚合物是最广泛用于开发食品封装系统。这主要是由于它们的几种物理化学和生物学特性，例如它们的高生物降解性、生物相容性和可用性。另一方面，天然聚合物的一些缺点是它们被微生物污染和水解的可能性很高，以及它们的结构和性质的变化，因为它们的获得过程无法控制。

天然聚合物在食品中作为包封系统的一些功能是作为胶凝剂、增稠剂和乳化剂。作为乳化剂，天然聚合物可防止烘焙食品变质，并避免产品（如调味品、蛋黄酱和冰淇淋）的成分分离。乳液是由连续相、分散相和乳化剂组成的溶液。当能量施加到具有这三种组分的溶液时，产生乳液。能量将分散相结合到连续相中，采用乳化剂作为稳定剂以避免两相分离。这是由于乳化剂的两亲性结构。两亲性结构由在非水相中具有良好溶解性的亲脂性部分和在水相中具有良好溶解性的亲水性部分组成。最常用的天然聚合物乳化剂是多糖和蛋白质。多糖是在连续相和分散相的界面中形成厚层的大分子。因此，它们具有高负载能力，允许分散相在连续相中产生更大的液滴，但产生聚集现象的可能性更高。蛋白质作为乳化剂是有用的，因为可以呈现构象变化，其为围绕分散相的层提供更大的黏弹性。黏弹性促进乳液的更高稳定性。

天然聚合物作为增稠剂可增加食品体系的黏度，从而稳定乳液、酱汁、汤和泡沫（加工食品）。天然聚合物由于其在连续相中形成凝胶、在连续相中充当胶体以及通过除去一部分外相的能力而充当增稠剂。尺寸、支链的存在、浓度和聚合度是影响天然聚合物用作增稠剂的能力的因素。

最后，作为胶凝剂，天然聚合物形成凝胶，应用于加工食品和乳制品中。这是由于它们的构象复杂性，这使得它们能够与其他结构纠缠形成网络。该网络可以捕获水，形成黏弹性结构，其可以被并入以稳定不同的食物基质。用作胶凝剂的天然聚合物还有蛋白质和多糖，而用于产生凝胶结构的机制是疏水缔合、交联和氢键。

天然高分子的骨架结构相似，都是由氨基、羧基和羟基组成。这些反应性基团允许天然聚合物被改性以产生新材料或赋予它们给予某些物理化学性质。

另一方面，天然聚合物在其结构的复杂性方面彼此不同，这赋予它们不同的特性。例如，壳聚糖是水溶性差的，而透明质酸是高度水溶性的，尽管两者都是多糖。另一个例子是口香糖之间的黏度差异。阿拉伯胶黏度为2～5 mPa·s，瓜尔胶黏度为2000～3500 mPa·s。因此，阿拉伯胶主要用于冰淇淋和果冻，瓜尔胶主要用于烘焙产品。由于天然聚合物性质的这种高度变化，它们有不同的分类。最常用的分类之一是根据其来源，基于蛋白质，基于植物，基于树胶和基于微生物。在本节中没有使用这种分类，因为只显示了食品工业中最常用的天然聚合物。

由于各种各样的天然化合物被用于封装，选择适合每个系统的聚合物是具有挑战性的。从这个意义上说，壳聚糖是用于封装的最常用的天然聚合物，它可以与各种化合物混合，以制造携带和分离生物活性物质的结构。同样，壳聚糖具有高度生物相容性，这使得它对人类消费是安全的。其他天然聚合物，如植物胶、明胶、角叉菜胶、纤维素、果胶、菊粉、淀粉、黏液和蛋白质衍生物也高度用于封装，因为它们能够单独或整体分离生物活性，基于它们提供给食品基质的特性（图1）。

表1中列出了在使用天然聚合物作为壁材料的同时掺入食品基质中的包封系统。

图1 天然高分子的分子结构

表1 天然聚合物在食品中的应用

植物胶

植物胶是植物受伤时获得的亲水性多糖，植物分泌一种胶状物质来保护自己免受微生物的侵害。树胶主要由半乳糖和阿拉伯糖组成，并且可以结合水以形成凝胶、分散体和胶体溶液。这是由于其结构中存在羟基。植物胶在工业中的主要用途是作为包衣剂、乳化剂、悬浮剂、稳定剂和水结合剂。植物胶有不同的分类，最常用的分类是根据它们作为天然和商业的可用性。最常用的植物胶用于生物活性物质的包封及其掺入食品中，如下所示。

阿拉伯树胶

阿拉伯胶是从不同种类的金合欢属植物中获得的。在化学上，它是一种阿拉伯半乳聚糖蛋白。它是高度水溶性的，生物相容的，并且在高度浓缩的溶液中具有低黏度，这使得它可用作悬浮剂、黏合剂和乳化剂。阿拉伯树胶已广泛用于食品工业中，用于涂覆和上光不同的产品，以延长某些加工食品的保质期。阿拉伯胶作为一种试剂，增加食品基质的黏度，避免营养成分的分离，并提供光滑的质地。该特性也用于稳定食品乳剂。人类不能消化阿拉伯树胶，但肠道细菌可以发酵它，因此，阿拉伯树胶也是一些营养素的来源，如发酵过程中产生的短链脂肪酸。在封装应用中，阿拉伯胶的可溶胀性用于与其他聚合物生成网络，其可用于生成微胶囊、微米和纳米颗粒。阿拉伯树胶也可以产生稳定的乳液，因为它有大量的蛋白质附着在其主要结构上。

瓜尔胶

瓜尔胶是从瓜尔豆种子中获得的非离子多糖。它的结构由甘露糖和半乳糖重复单元组成，这些重复单元在整个聚合物中连接。瓜尔胶即使在低浓度下也能形成高黏度的溶液，因此它在食品工业中用作悬浮剂或改变食品的流变特性。在饮料中，瓜尔胶用作稳定剂，因为它可以耐受这些产品中常见的低pH值。在面包和乳制品中，瓜尔豆胶用于防止食品中的水分流失，提高其稳定性。它还增加了身体，质地和咀嚼的产品。在食品封装应用中，瓜尔胶主要用于形成水凝胶。由于它显示出抗高血压特性和大肠中微生物的高降解率，因此人们对这种聚合物越来越感兴趣，以掺入必须到达我们消化系统这一部分的生物活性物质。

波斯胶

波斯胶是一种从杏仁树的树干和树枝中提取的多糖。约30%的组分是水溶性的，其余70%部分溶于热水。它的可溶性部分具有剪切稀化行为，这使得这种胶本身或与其他聚合物组合成为产生高度稳定乳液的完美材料。在食品工业中，波斯胶广泛用于改善质地特性和防止乳制品中的脱水收缩。此外，它还用于与蛋白质生成复合凝聚物。

腰果胶

腰果胶是从腰果的树皮中提取的。树它由酸性多糖的混合物组成。它们在食品工业中的主要用途是作为乳化剂、增稠剂、黏合剂和稳定剂。在包封中，由于其具有良好的流变学性质，因此其用于产生具有持续释放行为的胶囊。例如，它已被用于包封和保护精油，如立比草油和辣木纳米颗粒。

卡拉胶

卡拉胶是从红藻科的红藻中提取的阴离子多糖，由D-半乳糖和3,6-脱水半乳糖的硫酸化单元组成。根据硫酸酯基团的位置，角叉菜胶分为λ、κ和ι，κ-和ι-角叉菜胶是胶凝剂，但κ-角叉菜胶形成刚性凝胶，而ι-角叉菜胶形成弹性凝胶。此外，角叉菜胶是乳化剂、增稠剂和稳定剂。同样，已经发现这种聚合物具有抗癌、抗凝血和抗高血压的特性，因此它为用它产生的包封系统增加了价值。用角叉菜胶产生的一些包封系统是硫酸酯基团的水凝胶和微纳米颗粒，角叉菜胶被分类为λ、κ和ι，κ-和ι-角叉菜胶是胶凝剂，但κ-卡拉胶形成刚性凝胶，而ι-卡拉胶形成弹性凝胶。此外，角叉菜胶是乳化剂、增稠剂和稳定剂。同样，已经发现这种聚合物具有抗癌、抗凝血和抗高血压的特性，因此它增加了用它产生的包封系统的价值。用角叉菜胶产生的一些包封系统是水凝胶和微纳米颗粒。

壳聚糖

壳聚糖是一种天然线性聚合物，通过甲壳素的脱乙酰化从甲壳类动物、昆虫和真菌的外骨骼中获得。壳聚糖作为一种生物聚合物，在开发食品和制药行业的纳米材料中得到了广泛的研究。由于其生物相容性、生物降解性、黏膜黏附性以及非免疫原性和无毒性，壳聚糖已越来越多地应用于生物活性物质的控释设计。近年来，壳聚糖由于其与肿瘤黏膜的强黏附相互作用而引起了人们的兴趣，使其能够有效地递送抗癌生物活性。在食品工业中，壳聚糖主要用于产生生物膜以保护水果、家禽、海鲜和蔬菜。

壳聚糖由两个单元组成：N-乙酰基-葡糖胺（＜50%）和其脱乙酰化形式的葡糖胺（＞50%）;两个单元均沿链随机分布沿着。葡萄糖胺单元的分数显著影响壳聚糖的物理化学性质。因此，它们的许多应用都是基于氨基。壳聚糖分子的表面电荷密度取决于溶液的pH。葡萄糖胺单元的氨基在酸性介质中被质子化（NH3 +），这增加了其溶解度，而在中性和碱性pH下变得不溶。它的聚阳离子特性使其能够与聚阴离子相互作用，从而产生双金属络合物。负责这些胺基的参数是脱乙酰度（DD）、分子量（Mw）和环境参数（离子强度、pH、温度、溶剂等）。用于使用壳聚糖制备包封的生物活性系统的技术包括离子凝胶化、凝聚、乳化、溶剂蒸发和喷雾干燥。用壳聚糖产生的包封系统为它们所掺入的食品提供了额外的特性，例如防止细菌和真菌，调节消费者的血液胆固醇以及稳定极端条件如pH和温度。

纤维素

纤维素是由1,4-β-糖苷键连接的D-葡萄糖单元构成的支链多糖。它是从植物中提取的，因为它是植物细胞壁的主要成分之一。纤维素不溶于水，人体无法消化，但加工后可用于多种用途，其中之一就是生物活性物质的封装。加工纤维素的性质是低毒性、生物降解性和生物相容性。同样，用这种聚合物产生的一些包封系统是纳米原纤维、水凝胶和纳米颗粒。在食品中，纤维素主要用于烘焙配方中作为膳食纤维的来源和稳定剂。

明胶

明胶是来源于动物骨骼和皮肤的胶原蛋白的部分水解的蛋白质。在食品工业中，明胶由于其低价格、生物降解性和生物相容性而被用作黏合剂、增稠剂和包封剂。明胶最关键的特性之一是在35 °C以下形成热可逆凝胶。明胶可以以酸性或碱性方式获得，分别产生两种类型的明胶，A型和B型。两者的基本结构都含有甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，其比例更大，而天冬氨酸、丙氨酸、精氨酸和谷氨酸的比例较小。A型明胶的等电点在pH 7和9之间，而B型明胶的等电点在pH 4.5和5.5之间。明胶含有氨基（-NH3）和羧基（-COOH）基团，它们是可电离的并且取决于pH，这允许其化学和物理改性。这些变化可以由酰化、酯化、脱氨基、交联和聚合以及与酸和碱的简单反应引起。这些特性使其成为开发包封系统以保护和释放生物活性物质的良好选择。

果胶

果胶是从植物细胞壁中提取的多糖，主要用作胶凝剂、增稠剂或稳定剂。由于它具有生物相容性，生物可降解性和无毒性，因此广泛用于制药和食品工业。果胶由半乳糖醛酸残基和一些糖组成。果胶根据酯化度分为两类，当酯化度小于50%时，果胶具有低甲氧基（LM）果胶，当酯化度高于50%时，果胶具有高甲氧基（HM）果胶。

果胶的功能性基于其形成凝胶的能力，这将取决于其结构、pH、温度或离子强度。HM果胶在高固体浓度下形成凝胶。相比之下，LM果胶在二价离子如钙的存在下形成双链凝胶。这些性质使其成为产生新结构的重要候选者。果胶对上消化道中的蛋白酶和淀粉酶具有抗性，但被结肠微生物群消化。这些性质使得果胶在其作为口服递送系统的应用中可以作为蛋白质系统的屏障。

海藻酸钠

海藻酸钠是由D-甘露糖醛酸和L-古罗糖醛酸通过1,4-β-糖苷键连接而成的阴离子亲水性多糖。它是从褐藻科藻类中提取的，其物理化学行为取决于提取藻类的季节。这种聚合物可以吸收比其自身重量多200～300倍的水，并且可以在低pH条件下与二价阳离子形成凝胶。出于这个原因，它可用于产生由于pH条件而破裂的递送系统。海藻酸钠可以单独或与其他聚合物如角叉菜胶和明胶组合产生不同的包封系统。用海藻酸钠产生的一些包封系统是水凝胶、气凝胶和纳米颗粒。在食品工业中，它用于包裹水果和蔬菜，以避免微生物污染。此外，海藻酸钠用作胶凝剂、乳化剂和稳定剂。最近的研究表明，海藻酸钠可以降低体内的葡萄糖和胆固醇水平，因此，其在食品中的使用显着增加。

菊粉

菊糖是由D-果糖分子通过β-2,1-糖苷键连接而成的多糖。这种聚合物被认为是从植物如菊苣、朝鲜蓟、大蒜和大蒜中提取的果聚糖，但主要是从堆心菊中提取的。由于菊糖只有一个原子连接到果糖环，它是一种灵活的分子，能够产生不同的结构，用于开发封装系统，包括微胶囊和水凝胶。在食品工业中，菊粉被用作质地改良剂，但它主要作为糖和脂肪替代品以及作为益生元来源掺入食品基质中。近年来，由于其抗癌和免疫调节特性，其使用大幅增加。

蛋白质

乳清分离蛋白（WPI）

WPI是奶酪制作过程中的副产品，由90%的蛋白质，5%的水和5%的脂肪和乳糖组成。它是安全的摄入，具有低成本，并含有β-乳球蛋白，α-乳白蛋白，牛血清，白蛋白和免疫球蛋白。因此，它被广泛用于食品工业作为补充剂，主要用于强化饮料。此外，由于其水结合、乳化和胶凝特性，WPI用于形成可食用膜或水凝胶。例如，如果对WPI进行热处理，由于其更线性（未折叠）的结构导致氧气渗透率值降低，因此可用作涂层剂以减少海鲜中的脂质氧化。

乳清蛋白浓缩物（WPC）

WPC是一种乳化剂，用于补充剂的封装。WPC（蛋白质浓度大于80%干物质）可以通过其疏水性和芳香族氨基酸提供质子来稳定缺电子自由基。在食品工业中，WPC被用作补充剂，并用于不同产品的强化，如加工奶酪，饮料，酒吧和谷物。由于WPC具有两亲性结构，它可以稳定乳液并形成膜。其中使用的包封系统包括微胶囊、微乳液、水凝胶、纳米颗粒和静电复合物。

玉米醇溶蛋白

玉米醇溶蛋白是一种主要由疏水性氨基酸残基组成的植物蛋白。玉米醇溶蛋白是易于形成纳米纤维的脯氨酸氨基酸的来源，因此，它可以形成充当肠包衣剂的膜，以保护生物活性化合物、水果、糖果、蔬菜和坚果。尽管玉米醇溶蛋白由疏水性氨基酸组成，但它具有两亲性，因此在特定条件下，它可以自发地产生包封系统，包封风味剂，微量营养素和生物活性物质。因此，它已被用于产生具有核-壳结构的微球等系统。

淀粉（麦芽糖糊精）

麦芽糖糊精是淀粉衍生的聚合物，由α-1,4-糖苷键连接的D-葡萄糖单元组成。在溶液中，即使在高浓度下，麦芽糖糊精也具有低黏度，因此它被用作稳定剂，增稠剂或为各种食品基质提供体积。麦芽糊精根据葡萄糖当量（DE）的程度（通常在5和20之间）进行分类。麦芽糊精由于其较低的表面活性而不能用于生产食品乳液和泡沫。喷雾干燥是最广泛的包封工艺，其中麦芽糖糊精用作佐剂以产生微粒，以保护维生素、矿物质、香料和油免受氧化

03

合成聚合物

合成聚合物在食品应用中不太常见，因为它们的成本高，而且与食品安全相关的浓度有限。合成聚合物与天然聚合物相比具有一些优势，例如较大的分子结构使它们给予形成更复杂结构的能力。此外，由于它们与具有特定性质的化合物一致，因此它们提供了具有额外能力的包封系统，例如抗微生物和抗真菌性质，以及随时间推移的上级稳定性。与天然聚合物相比，合成聚合物的一些缺点是它们的生物相容性较差，并且当被消化系统降解时会产生生物产物。然而，仍然需要研究来评估这些条件。

食品中的合成聚合物主要用于生成薄膜，以保护水果，蔬菜和肉类免受环境中存在的微生物，氧气和化合物的影响。图2显示了其中一些的结构，包括聚乙二醇（PEG）、聚丙二醇（PPG）、PLGA、聚乙烯醇（PVA）和PVP。其主要用途列于表2。

图2 合成聚合物的分子结构

表2 合成聚合物在食品中的应用

PEG

PEG是在其结构中具有醚官能团的聚合物。PEG具有高度亲水性、非离子性和无毒性，但不可生物降解。在制药工业中，PEG是最常用的聚醚之一。其主要用途是药物输送，医疗器械和植入物。药物递送包封系统，如纳米颗粒和脂质体，通常使用这种表面活性剂。在食品工业中，PEG可用作乳化剂、稳定剂、质构剂和低浓度的抗结块剂，然而，由于其在特定器官中的积累，其使用受到限制。通常添加PEG的一些食品是干汤、软饮料、冰淇淋、奶酪和用于制作蛋糕、饼干和煎饼的烘焙混合物。最近对PEG的研究表明，它是一种有效的聚合物，可用于形成水凝胶和双重乳液，以保护敏感的生物活性物质。

PLGA

PLGA是由乳酸和乙醇酸组成的脂肪族聚合物。由于其生物相容性和生物降解性，它被广泛用作制药工业中的药物载体。其中使用PLGA的包封系统是纳米颗粒、乳液和微球。在食品中，PLGA的使用是有限的。在目前的文章中，PLGA被用于水果和蔬菜的保鲜以及肉类涂层，以避免细菌污染，但信息仍然很少。

PVP

PVP是一种聚合物，其结构上连接有酰胺基团。PVP是非离子型、生物相容性和水溶性的。PVP主要用于食品工业，将染料物质掺入食品基质中。PVP的其他用途是在啤酒工业中去除泡沫和杂质，以及在烘焙产品中作为黏合剂，稳定剂和悬浮剂。使用PVP的包封系统用于改善生物活性物质的溶解度和生物利用度。这种物质与极性分子形成复合物的能力使其对持续递送系统的开发具有吸引力。

PVA

PVA是一种非离子型、可生物降解的水溶性聚合物。由于其特性，PVA用于涂层，黏合，增加黏度和润滑食品。谷物制品、乳制品甜点和烘焙产品是PVA常用的一些食品工业。在封装系统中，PVA主要用于开发水溶性薄膜，以保护水果，蔬菜和肉类等产品。包封系统，如水凝胶，微粒和胶束也用这种聚合物创建。

04

封装的食品应用

如前所述，越来越多的生物活性物质，甚至益生菌，已被纳入一些食品。近年来，生物活性物质的封装及其在食品中的掺入已出于不同的目的而进行，例如掺入一些可增强食品营养成分的成分，添加抗氧化剂或抗菌剂以防止食品降解，甚至包括具有生物潜力的生物活性物质。它的主要应用是烘焙食品，乳制品，肉类，家禽和海鲜，蔬菜，种子和加工食品。

为了形成交联体系，已经使用了不同的合成和天然聚合物。在图3中，在聚合物和所形成的封装的目标之间建立关系。例如，聚合物如壳聚糖、乳清或阿拉伯树胶可用于保护生物活性物质及其掺入食品中。同样，如果你有一种聚合物，它可以与之前在表1和表2中报告的可能应用相关。

图3 食品添加剂应用的主要效果

烘焙食物

在烘焙产品的制造中，封装主要集中在保护和掺入生物活性物质，这些生物活性物质的生物利用度低，对物理化学降解也非常敏感。为此目的，在这些类型的产品中更大程度上掺入的一些生物活性物质是维生素和精油。同样，在较小程度上，烘焙食品中的封装已被用于保存它们，并通过避免微生物污染使它们安全。这是由于具有抗微生物活性的多酚的掺入和保护。

乳制品

乳制品是使用最多的封装产品。由于它们是全球消费量最大的产品之一，因此将营养素和生物活性物质封装，保护和掺入其中，从而制定了改善消费者健康的相关策略。主要被掺入乳制品中的胶囊化化合物包括矿物质（如铁和钙）、生物活性物质（如姜黄素、类黄酮和多酚）、益生菌和精油。

肉类、家禽和海鲜产品

包封已被用于肉类产品主要是为了保护他们免受腐败。它们的化学性质使它们很容易成为微生物的目标，微生物污染它们，使它们不适合人类食用。此外，肉类中的酶进行化学反应，改变其主要常量营养素的性质，导致不愉快的感官特性的发展。由于这些原因，使用一些生物活性物质通过抑制细菌生长和降低代谢活性而成为该问题的解决方案。然而，将这些化合物掺入肉类基质的过程是复杂的;从这个意义上说，将它们封装起来是解决这个问题的一种策略。在大多数被掺入肉制品中以避免腐败的胶囊化化合物中，有精油和矿物氧化物。精油在肉制品中用作功能性成分，以改善消费者的健康。

加工食品

由于加工食品也是全球消费量最大的食品之一，因此将胶囊化的生物活性物质和营养素加入其中是一种使其对消费者更有益的策略。几种营养素存在生物利用度低和易降解的问题;因此，当将其掺入加工食品基质中时，有必要将其包封。另一方面，生物活性物质除了生物利用度低和易降解外，通常还会影响加工食品的感官特性。封装也可以解决这个问题。主要掺入加工食品中的胶囊化化合物是生物活性物质，如姜黄素、花青素和多酚、益生菌和精油。

蔬菜和种子

就像肉类产品一样，蔬菜和种子的化学性质使它们很容易成为微生物的目标，影响它们对人类消费的潜在用途。此外，蔬菜和种子具有影响其宏量营养素组成的活性的酶，导致颜色，气味和风味的一些变化，从而影响消费者的接受程度。如前所述，将生物活性物质包封到其中是解决方案，但是，由于它们也会影响蔬菜和种子的感官特性，因此有必要将它们包封以避免它们。植物和种子中的胶囊化合物包括精油和花青素。

05

Conclusion and Future Prospects

已经表明，可以将生物活性物质、益生元、益生菌等包封，通过天然聚合物和合成聚合物将其掺入食品中。这些包封系统可以是乳液、纳米乳液、微乳液、脂质体、凝聚复合物、纳米颗粒和微凝胶等制剂。因此，它们如何掺入将取决于不同的因素，例如最终产品的呈现、聚合物与食品基质的亲和力、它们为包封提供的免受环境条件影响的保护以及包封物与聚合物和食品的亲和力。目前，天然和合成聚合物在生物活性物质包封中的应用已在具有不同特性的食品中进行，最受欢迎的是酸奶、加工牛奶、面包和果汁。然而，关于它在肉类、香肠、巧克力或咖啡等不太常见的产品中的应用的研究已经开始。天然聚合物和合成聚合物的应用允许保护、掩蔽不期望的感官特性、改善溶解度、抑制微生物或氧化活性、改善吸收、以及脂肪或其他对健康有害的化合物如钠的替代物。虽然已经报道了聚合物在食品领域中作为澄清剂的用途，但不应忽视用非聚合物体系（如脂质体和乳液）包封的重要性，因为这些非聚合物结构也有利于包封和结构保护，以及包封化合物的功能性。因此，了解所有这些特性将有助于生产强化或功能性食品，并提高食品的使用寿命。然而，即使聚合物封装系统已经被纳入食品，有必要研究其消费是否可以产生健康益处，以帮助治疗或预防癌症或肥胖等疾病。因此，这项工作可以指导胶囊化系统的开发，将其纳入食品中，以及在体外，体内或离体水平上对其生物学潜力进行评估。具体而言，在合成聚合物中，有必要进行更多的研究，以确保其安全性，即使在高浓度下，因为它们在日常食品中的使用可能会受到其潜在毒性的强烈影响。同样，合成聚合物的评估在产生更多的包封系统中是必要的，以发现它们的特定特性是否可以提高每个系统在保护和向身体递送各种化合物时的效率。

Polymer-based encapsulation in food products: a comprehensive review of applications and advancements

Jorge Alejandro Barbosa-Nuñeza, Hugo Espinosa-Andrewsa, Alba Adriana Vallejo Cardonab, José Nabor Haro-Gonzáleza.*

a Food Technology Unit, Center for Research and Assistance in Technology and Design of the State of Jalisco, Zapopan 45019, Mexico

b Medical and Pharmaceutical Biotechnology Unit, Center for Research and Assistance in Technology and Design of the State of Jalisco, Guadalajara 44270, Mexico

*Corresponding author.

Abstract

Polymers can be produced naturally by organisms, such as chitosan, whey proteins, gums, pectins or gelatins; or in laboratories, synthetically, such as polyvinyl alcohol, polyethylene glycol and polylactic-co-glycolic acid. Polymers have a long history of use in the food industry, traditionally as gelling, thickening or stabilizing agents, used for the formation and modification of food matrixes. However, in recent years, polymers have been used as encapsulating materials for the incorporation of bioactives in foods. Incorporating into products such as breads, juices, or dairy products with the aim of fortifying, increasing stability or preventing degradation. The main encapsulation systems used in the food industry include liposomes, emulsions, nano- and microparticles, and their structure and formulation depend on the characteristics of the food, either as an encapsulating agent or as a bioactive component. In this work, the main natural and synthetic polymers used in food matrixes are reviewed, highlighting their applications as encapsulation systems and purposes of use.

Reference:

BARBOSA-NUÑEZ J A, ESPINOSA-ANDREWS H, CARDONA A A V, et al. Polymer-based encapsulation in food products: a comprehensive review of applications and advancements[J]. Journal of Future Foods, 2025, 5(1): 36-49. DOI:10.1016/j.jfutfo.2024.01.003.

翻译：农梦琪（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

封面图片来源：图虫创意

为进一步促进未来食品科学的发展，全面践行“大食物观”的指导思想，持续提升食品科技创新和战略安全。由北京食品科学研究院、中国肉类食品综合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，北京工商大学食品与健康学院、北京联合大学生物化学工程学院、河北农业大学食品科技学院、西华大学食品与生物工程学院、大连民族大学生命科学学院、齐齐哈尔大学食品与生物工程学院、河北科技大学食品与生物学院共同主办，北京盈盛恒泰科技有限责任公司、古井集团等企业赞助的“第一届大食物观·未来食品科技创新国际研讨会”即将于2024年5月16-17日在中国北京召开。

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为提高我国食品营养与安全科技自主创新和食品科技产业支撑能力，推动食品产业升级，助力‘健康中国’战略，北京食品科学研究院将与湖北省食品科学技术学会、华中农业大学、武汉轻工大学、湖北工业大学、中国农业科学院油料作物研究所、中南民族大学、湖北省农业科学院、湖北民族大学、江汉大学、湖北工程学院、果蔬加工与品质调控湖北省重点实验室、武汉食品化妆品检验所、国家市场监管实验室（食用油质量与安全）、环境食品学教育部重点实验室共同举办“第五届食品科学与人类健康国际研讨会”。会议时间：2024年 8月 3—4 日，会议地点：中国 湖北 武汉。

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