《食品科学》:东北农业大学孔保华教授等:乳液凝胶和双凝胶制备、性质及其在香肠制品中替代脂肪的研究进展

O/W型蛋白基乳液凝胶的制备过程主要由乳液的制备、乳液与凝胶基质溶液的混合及混合溶液的凝胶化3 个部分组成（图1）。Wang Yusheng等利用均质机制备亚麻籽蛋白-壳聚糖基乳液，并将该乳液在40 ℃条件下水浴4 h后冷却至室温完成凝胶化。Jiang Qinbo等利用均质机将经加热熔化后的液态蛋白核小球藻蛋白基水凝胶和蜂蜡油凝胶乳化制备油凝胶乳液，并将该油凝胶乳液在90 ℃条件下水浴30 min后冷却至室温完成凝胶化。

与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，O/W型蛋白基双凝胶的制备方法具有多样性，如图1所示，其制备通常有两种方法。第1种是热乳化法，是指液态油相（液态油和油凝胶剂）与液态水相（水和水凝胶剂）混合后进行均质化处理，形成液态的乳化体系。随后，对该乳化体系进行凝胶化处理以制备双凝胶。由此可见，该方法与O/W型蛋白基乳液凝胶的制备方法具有异曲同工之妙，并均可概述为液态的油相和水相预先均质乳化，随后凝胶化的过程。值得注意的是，在该方法的混合阶段，油相和水相虽然呈现溶液状态，但可能由于其原本就是液态，或是凝胶在加热后熔化而成的溶液状态。Zhang Lixian等利用热乳化法制备肌原纤维蛋白-单甘酯双凝胶，在其制备过程中混合时所用的液态水相和油相是经水凝胶和油凝胶加热熔化所形成的。第2种是冷乳化法，其制备过程通常包含以下两步：首先，分别完成水凝胶和油凝胶的制备；接着，将二者在25 ℃的室温条件下以一定的剪切速率直接混合制备双凝胶。通过对上述两种双凝胶制备方法进行比较，发现二者的不同体现在双凝胶的热乳化法中，乳化过程先于凝胶化过程发生。然而，在双凝胶的冷乳化法中，乳化过程和凝胶化过程的发生顺序却相反，这主要是由于参与混合的油相和水相是以凝胶形式出现。这种差异意味着利用冷乳化法制备双凝胶时，往往不需要表面活性剂的参与，甚至所采用的蛋白质并不需要优异的乳化性。也正因如此，利用该方法制备的O/W型蛋白基双凝胶结构稳定性较差。

通常，O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶的制备均需要植物油、水、小分子表面活性剂、蛋白质及其他生物大分子的参与。其中，蛋白质利用其凝胶性将水相凝胶化，得到这两种凝胶的连续相。除凝胶性外，蛋白质还具有乳化性，能够降低油-水间的界面张力，从而在分散的油相周围形成界面膜以稳定油-水双相体系。因此，当利用蛋白质充当表面活性剂时，这两种凝胶制备往往不需要额外添加其他的小分子表面活性剂。Ban Qingfeng等将乳清分离蛋白同时作为凝胶剂和乳化剂制备乳液凝胶；Jiang Qinbo等将小球藻蛋白同时作为凝胶剂和乳化剂用于双凝胶的制备。虽然O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶在制备原料方面具有相同点，但与乳液凝胶相比，双凝胶的制备还需要油凝胶剂的参与，从而使分散油相凝胶化。根据分子质量大小，可将油凝胶剂分为低分子质量油凝胶剂和高分子质量油凝胶剂。其中，利用蜂蜡等低分子质量油凝胶剂和蛋白质聚集体等部分高分子质量油凝胶剂生产双凝胶时，往往只需要将油凝胶剂与植物油直接混合即可。但是，若利用蛋白质等高分子质量油凝胶剂时，往往需要采用乳液模版法、气凝胶模版法等间接方法制备。

以上是对两种凝胶在制备时的方法选择和原料种类方面的比较，但两种凝胶的制备仍存在其他差异。比如在清洁标签方面，由于O/W型蛋白基双凝胶的制备需要油凝胶剂的参与，因此O/W型蛋白基乳液凝胶比O/W型蛋白基双凝胶更具优势。此外，在制备总耗时和难易程度方面，与O/W型蛋白基双凝胶相比，O/W型蛋白基乳液凝胶的制备往往需要更短的时间和更简单的工艺流程。这主要是由于在制备O/W型蛋白基乳液之前，不需要对油相做任何处理。与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，O/W型蛋白基双凝胶虽然制备耗时更长、难度更大，但由于其油凝胶的制备，使得该双凝胶的制备受更多因素影响，这也使其制备过程具有更高的灵活性。

O/W型蛋白基乳液凝胶的微观结构大体表现为液态油滴分散在蛋白凝胶基质中，而O/W型蛋白基双凝胶却表现出固态油凝胶颗粒分散在蛋白凝胶基质中。由此可见，两种凝胶在结构上既具有相似性，又具有差异性。以下从宏观结构、微观结构及结构的影响因素3 个方面对这两种凝胶进行比较。

O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶的宏观结构通常采用移动摄像机进行视觉记录和分析。根据倒置实验的结果，这两种材料均展现出自支撑结构，且该结构的形成主要与凝胶基质有关。其中，O/W型蛋白基乳液凝胶的自支撑结构主要是由水凝胶产生的，而O/W型蛋白基双凝胶的自支撑结构则主要归因于水凝胶和油凝胶的交织结构。此外，随着油相比例的增加，O/W型蛋白基双凝胶的颜色从白色逐渐转变为黄色。Bollom等在探究乳清浓缩蛋白-大豆卵磷脂/硬脂酸双凝胶的相关性质时，发现大豆卵磷脂/硬脂酸油凝胶的含量越多，双凝胶颜色越黄，而乳清浓缩蛋白水凝胶的含量越多，则双凝胶颜色越白。这一现象也普遍发生在乳液凝胶中。然而，与O/W型蛋白基乳液凝胶不同的是，油相比例增加往往能够使O/W型蛋白基双凝胶表现出结块并黏附在搅拌器上，这种差异可能与两种凝胶中油相的存在形式有关。其中，O/W型蛋白基双凝胶的油相以油凝胶形式存在，而O/W型蛋白基乳液凝胶的油相则以油滴形式存在。由此可见，两种凝胶的宏观结构既相似又不同，且与二者的微观结构密切相关。

O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶的微观结构通常采用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜、冷冻扫描电镜及偏振光显微镜等进行观测。根据上述观察结果，这两种凝胶微观结构的差异主要与结构形成时的凝胶化机制有关。与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，除了形成蛋白基水凝胶网络外，O/W型蛋白基双凝胶结构的形成还涉及另一种凝胶化机制，即油凝胶剂在油相中自组装形成晶体网络结构。并且在双凝胶的形成过程中，这两种凝胶化机制相互影响。Hou Wenbo等利用β-谷甾醇的自组装性，对豌豆分离蛋白-卡拉胶乳液凝胶的油相进行改造以制备双凝胶，发现过大的β-谷甾醇晶体会破坏豌豆分离蛋白的凝胶网络结构，从而造成相分离和油滴聚集。基于双凝胶油相中所存在的这一特殊凝胶化机制，导致两种凝胶中分散油相的结构存在显著差异（图2）。其中，O/W型蛋白基乳液凝胶的分散油相表现为液态油滴，而O/W型蛋白基双凝胶的分散油相却表现为固态油凝胶颗粒。尽管两种凝胶在微观结构上具有显著差异，但也具有部分相似性。比如二者的分散油相，即分散的液态油滴和固态的油凝胶颗粒，对蛋白凝胶基质所造成的影响相似（图2）。二者均可根据分散油相与蛋白凝胶基质间的相互作用，将分散油相进一步分为两种，即活性填料和非活性填料。其中，活性填料与蛋白凝胶网络相连，而非活性填料不与蛋白凝胶基质相互作用或仅发生有限地相互作用。虽然上述分类依据均适用于两种凝胶的分散油相，但造成分类情况的原因却存在差异。即与乳液凝胶相比，除了乳化剂所形成的油-水界面膜外，油凝胶剂所形成的晶体网络结构也可能部分处于双凝胶的水相中。综合来看，两种凝胶的微观结构既相似又不同，且其差异性主要与O/W型蛋白基双凝胶制备时油凝胶剂的参与有关。

相较于O/W型蛋白基乳液凝胶，油-水两相比对O/W型蛋白基双凝胶结构的调控机制已获得更加广泛的关注。这主要是由于双凝胶的结构中同时存在水凝胶和油凝胶，因此一旦增加油-水两相比，由于固态油凝胶颗粒的聚集，O/W型蛋白基双凝胶很容易就会向双连续型和油包水型结构的双凝胶过渡。然而，由于O/W型蛋白基乳液凝胶的制备不需要油凝胶剂参与，从而无法达到上述相转变的要求。因此，即使增加油-水两相比，油滴聚集形成乳滴聚集结构或大尺寸乳滴，并表现为分散油相的有效体积分数更高，并没有发生相转变。由此可见，油凝胶剂是造成两种凝胶结构差异的主要原因。此外，与乳液凝胶相比，油凝胶剂本身也被认为是仅对双凝胶微观结构产生影响的特殊因素。当前已有文献对基于多糖基水凝胶的O/W型双凝胶进行报道，但缺乏油凝胶剂对基于蛋白水凝胶的O/W型双凝胶微观结构的研究。除油-水两相比、油凝胶剂等双凝胶特有的影响因素外，O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶结构的影响因素也具有相似性，甚至部分因素对这两种凝胶结构的影响可能呈现相似的变化趋势，这主要是由于二者具有相似的制备过程。然而，与O/W型蛋白基双凝胶相比，当前对O/W型蛋白基乳液凝胶影响因素的研究更加广泛，这可能是由于对乳液凝胶展开研究较早。因此，在未来应该参考乳液凝胶，对O/W型蛋白基双凝胶结构可能涉及的影响因素进行更为广泛深入的研究。

根据测定时凝胶的形变条件，凝胶的机械特性通常需要采用以下两种方法进行测定，即低形变条件下的流变分析法和高形变条件下的质构分析法。其中，流变分析法是采用小应力评估凝胶的黏弹性，如储能模量（G’）和损耗模量（G”），从而深入了解其分子结构和稳定性。然而，质构分析法需要施加较大的力评估凝胶的抗变形能力，从而得到凝胶质构特性的相关信息。当前，已有部分研究通过采用流变分析法和质构分析法探究O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶的机械特性，如表1、2所示。

当采用流变分析法测试时，一般通过剪切扫描测定O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶的表观黏度。根据黏性测试结果，发现随着剪切速率的增加，这两种凝胶的黏度降低，均表现出剪切稀化行为。在完成黏度测试后，通常先后采用应变扫描和频率扫描两种方式对两种凝胶的黏弹性进行测定。应变扫描揭示了二者的LVR和非线性黏弹区域。其中，LVR的G’不具有应变依赖性。当应变一旦超过某临界值时，材料就会进入非线性黏弹区域。此时，G’会随应变的增加而呈现出下降趋势，此临界值称为临界应变，表明出现不可逆结构变化，即可塑性行为的开始。根据应变扫描结果发现，在LVR域范围内，这两种凝胶的G’远高于G”，这意味着二者LVR内均表现出典型的弹性特征。此外，当应变超过临界应变并进入非线性黏弹区域时，随着应变的增加，G’均呈显著下降的趋势，而G”的变化趋势却存在部分差异。其中，随着应变的增加，O/W型蛋白基双凝胶的G”呈显著下降趋势，而O/W型蛋白基乳液凝胶的G”却在显著下降前上升，即表现为III型非线性行为，又称弱应变超调现象。为了进一步深入探索这两种凝胶的黏弹性行为，通常在LVR范围内的某应变条件下进行频率扫描。根据频率扫描结果发现，在整个频率扫描范围内，二者均表现出G”/G’＜1或G’＞G”的结果，这与上述应变扫描结果一致。然而，在整个频率范围内，O/W型蛋白基双凝胶的G’高于O/W型蛋白基乳液凝胶。这意味着与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，O/W型蛋白基双凝胶的弹性形变回复能力更强。造成该现象的主要原因可能是与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，除了蛋白凝胶网络结构，油凝胶剂所形成的晶体网络结构也具有储存弹性势能的能力。此外，在G’的频率依赖性方面，O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶均表现出频率依赖性，并随着水凝胶含量的增加，两种凝胶均表现出更明显的频率依赖性，这意味着两种凝胶的频率扫描流变响应均主要受水凝胶含量的影响。然而，O/W型蛋白基双凝胶的频率依赖性通常小于O/W型蛋白基乳液凝胶。由于G’的频率依赖性主要取决于凝胶系统的结构稳定性。因此，这一频率依赖性的结果可能是由于油凝胶的自支撑能力增强了O/W型蛋白基双凝胶结构稳定性并形成了亚稳动态结构。

上述内容主要是小应变条件下两种凝胶机械性能的比较结果。此外，通过采用质构分析法比较两种凝胶在大应变条件下的机械特性，能更加全面且准确地分析二者的机械性能。首先，随着油相比例的增加，二者均表现出凝胶强度显著增加。此外，乳化剂的添加也显著改善了二者的硬度及凝胶强度等凝胶特性。然而，与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，O/W型蛋白基双凝胶的硬度通常更大。这一结果可能是由于与蛋白质水凝胶的完整性相比，油凝胶的晶体网络结构对双凝胶产生了更明显的影响，从而使双凝胶体系硬度更大。然而，与硬度的比较结果相反，O/W型蛋白基双凝胶的弹性小于O/W型蛋白基乳液凝胶，这一结果可能是由于油凝胶晶体网络结构过大，从而破坏了蛋白凝胶网络结构。综上所述，无论在何种应变条件下测量机械特性，O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶均同时存在相同点和不同点，这与两种凝胶的结构密切相关，且油凝胶晶体网络结构是造成这两种凝胶机械特性存在差异的主要原因。此外，由于O/W型蛋白基乳液凝胶的油相缺乏凝胶化能力，因此阻碍了对其机械特性影响机制的深入解析。通常O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶的机械特性均受油-水两相比例、表面活性剂类型及浓度、水凝胶剂类型及浓度等的影响。Lin Jiaru等探究了多糖对山茶籽蛋白基乳液凝胶机械特性的影响，结果表明添加多糖能够改善乳液凝胶的黏弹性和凝胶强度。Su Lingzhi等的研究中也得到了类似结果。然而，与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，O/W型蛋白基双凝胶的机械特性还会受到油凝胶剂的种类及浓度的影响，如受油-水两相比例影响时，由于两种凝胶的油相存在形式不同，最终可能也会对二者造成不同影响。

在香肠制品的加工过程中，通常需要添加动物脂肪才能形成香肠制品优良的质地和风味。然而，已有大量研究表明香肠制品中脂肪添加量的降低往往会对其保水性、质地及风味等品质特性造成不利影响。O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶因具有与动物脂肪类似的结构特征而受到广泛关注。Choi等研究了油的种类和浓度对O/W型大豆分离蛋白乳液凝胶的影响，并将该乳液凝胶与动物脂肪组织进行比较。Zhou Mengjing等利用明胶、米糠蜡和蜂蜡制备O/W型蛋白基双凝胶，并探究了水凝胶与油凝胶的比例对双凝胶流变性等机械特性的影响，从而探讨O/W型蛋白基双凝胶在脂肪替代中的可能性。Gao Yanlei等采用两步冷固化法制备蜂蜡-明胶双凝胶，并将其用于替代鱼丸中的脂肪。由此可见，O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶在替代动物脂肪方面具有巨大潜力。

O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶在模拟香肠制品动物脂肪方面的应用见表3、4。二者对香肠制品各种品质指标的调控机制及影响如图3所示。这两种凝胶均为柔软的含油半固体材料，能够较好地模拟香肠制品中的动物脂肪，从而最大程度保留香肠制品原有的风味和质地，且二者在应用中展现出多方面的共性特征。从风味特性来看，当采用O/W型蛋白基乳液凝胶替代乳化香肠中的动物脂肪时，其风味与减脂样品高度接近。Siachou等也证实了当O/W型蛋白基双凝胶被应用于发酵香肠时同样不能显著改变其风味特性。这一相似性特征产生的原因可能是两者均能通过凝胶基质对植物油的异味成分进行有效封装。就色泽而言，两种凝胶的作用效果也同样具有相似性。Zhao Shengming等采用乳液凝胶替代博洛尼亚香肠中的动物脂肪，发现替代后产品的亮度L*值提升，但红度a*值却下降。Kibler等研究发现，添加米糠蜡-明胶双凝胶的烟熏香肠也呈现L*值升高及a*值下降的趋势，说明两种凝胶的凝胶体系对色泽的影响相近。另外，两种体系在营养改进方面也具有相似性，其中O/W型蛋白基乳液凝胶能够减少总脂肪、饱和脂肪酸与胆固醇的含量，而O/W型蛋白基双凝胶也同样能够实现能量、脂肪、饱和脂肪酸及胆固醇的多维度优化。在脂肪氧化方面，已有研究表明，将O/W型蛋白基乳液凝胶应用于法兰克福香肠的脂肪替代时，其硫代巴比妥酸反应物（TBARS）值低于 1.0 mg/kg，即达到食品的酸败极限。Kibler等对米糠蜡-明胶双凝胶替代烟熏香肠动物脂肪时脂质氧化情况进行分析，结果表明所有处理组的脂质氧化水平同样很低，并也出现TBARS值小于酸败极限值的现象。在加工特性方面，Zampouni等发现O/W型蛋白基双凝胶替代半干香肠中动物脂肪可显著降低其蒸煮损失，这与O/W型蛋白基乳液凝胶替代法兰克福香肠中动物脂肪的研究结果相吻合，其共性机制可能在于凝胶网络致密结构对水分和油脂的物理截留作用。需要指出的是，这些相似性和差异性并不是绝对的，可能会受原料特性与工艺参数等条件的变化而变化，例如具有较高双凝胶脂肪替代率的低脂汉堡，由于含有较高含量的不饱和脂肪酸，加热后会导致风味的降低，这与上述无异味的结论形成矛盾，表明脂肪替代比例等工艺参数对产品的最终品质具有关键影响。

O/W型蛋白基乳液凝胶因其单一网络结构特性，往往无法应对复杂多变的加工环境。因此，通常需要添加盐离子等或对蛋白质等原料进行改性以提高产品的加工稳定性。然而，与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，O/W型蛋白基双凝胶因其具备水凝胶和油凝胶的双相凝胶结构，往往不会出现该问题。此外，O/W型蛋白基乳液凝胶的油相因以油滴形式存在，缺乏与动物脂肪类似的晶体网络结构。对此，Hou Wenbo等利用β-谷甾醇对豌豆分离蛋白-卡拉胶乳液凝胶的油相进行改造，并制备出具有晶体网络结构的双凝胶。根据其研究结果，与O/W型蛋白基乳液凝胶相比，添加β-谷甾醇的O/W型蛋白基双凝胶表现出与猪背部脂肪相似的质构特性和熔化行为。

香肠制品因具有高的营养价值、特有的质地和风味而深受消费者喜爱。然而，由于香肠制品含有大量动物脂肪，可能造成消费者对饱和脂肪酸和胆固醇的摄入超标，从而增加心血管疾病的发生风险。因此，寻找一种动物脂肪模拟物以减少消费者对饱和脂肪酸和胆固醇的摄入越来越受到人们的关注。近年来，人们探索了利用O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶替代动物脂肪的可能性，并认为这两种凝胶在替代香肠制品动物脂肪的应用中具有巨大潜力。根据对二者的比较研究发现，O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶在制备、结构、机械特性以及在香肠制品脂肪替代的应用方面既有相似之处，又存在差异。除此之外，目前关于O/W型蛋白基乳液凝胶和O/W型蛋白基双凝胶在香肠制品中的应用研究均相对较少，因此在未来研究中可以更多地聚焦于这两种凝胶对各种香肠制品感官特性和营养价值等方面的影响。

作者简介

通信作者：

孔保华，二级教授, 国务院特殊级帖获得者。为黑龙江省"龙江学者"和"龙江科技英才"，省级教学名师，省杰出青年基金获得者。任中国畜产品加工学会常务理事，中国农业机械学会农副产品加工机械分会副理事长，黑龙江省天然产物学会副理事长，主要研究方向为肉品加工和蛋白质功能特性。为农业部国家牛肉加工分中心主任。主持和参加的科研项目50余项，包括国家十二五科技支撑，国家836课题，国家自然科学基金，国家“十三五”和“十四五”重点研发，省重大项目，省重点基金等。获国家科技进步二等奖1 项，黑龙江省科学技术一等奖3 项、二等奖3 项、三等奖3 项，国家教育部高校科技进步二等奖1项，中国轻工业联合会科技进步一等奖，中国商业总会科技进步一等奖2项。连续多年为爱思唯尔高被引学者，科睿唯安“全球高被引科学家”，全球前2%科学家，H-index 79。获中国肉品加工业“十大杰出科技人物”，中国食品产业产学研创新发展中做出突出贡献的“杰出科研人才奖”，“中国肉类科技30年功勋奖-科技工作者奖”，“中国肉类产业科技领军人物”等。发表学术论文670余篇，其中发表SCI论文392 篇，EI论文105 篇, 25 篇SCI为ESI高引论文 (top 1%)。编写教材和专著25 部。获得授权专利60余项。指导博士研究生52 人，硕士研究生158 人。

第一作者：

李昕，2024级硕士研究生，东北农业大学食品学院畜产品加工工程专业，研究方向为畜产品加工。本人曾多次获得校级奖学金，也曾多次参加杜邦、“食客杯”等创新食品大赛。