摘要：水凝胶，因其优异的吸水性和稳定性，被广泛应用于包括食品行业在内的诸多领域。将其应用于食品行业，一方面，可（作为可食用型水凝胶原料）用于改善食物的口感和稳定性；另一方面，还可作为食品包装的主要材料。正因为水凝胶在食品行业具有强大的应用潜力，诸多学者、专家对其展开了深入的研究。本文从水凝胶特性、复合水凝胶在食品工业中的应用、抗菌水凝胶在食品领域的应用、水凝胶在食品中的应用展望四个维度出发，总结有关水凝胶在食品中的应用国内外研究现状，以期丰富相关领域的研究成果，最终为实现水凝胶在食品行业更广泛、更有效的应用做铺垫。

关键词：水凝胶；食品；应用；综述

水凝胶是一类以水作为分散介质，利用共价键、范德华力、氢键等作用将亲水性高分子聚合物交联而形成的具有三维网络结构的材料，不论是复合水凝胶、抗菌水凝胶还是DNA水凝胶等，均在食品领域有着广泛的应用。随着应用的不断深入，越来越多学者和专家专注于研究水凝胶在食品行业当中的应用相关内容并获得了显著的成效。

一、水凝胶研究概述

水凝胶的相关研究可追溯至1936年，杜邦公司的研究人员在所发表的一篇与聚甲基丙烯酸聚合物有关的文章中提及了一种名为聚甲基丙烯酸羟乙酯（PHEMA）的新材料并指出这种新材料表现出来的最显著的特征就是拥有较强的硬度且质脆，在当时并未被赋予实际应用价值。然而，时间来到了1960年，Wichterle与Lim对甲基丙烯酸羟乙酯单体的聚合过程展开了研究并有了重大发现，如果聚合过程存在微量的交联剂以及适量水分或特定溶剂的情况下会意外的得到一种新型材料，这种新型材料最明显的特征表现为柔软、溶胀、弹性且透明。正是该研究成果犹如一道曙光拉开了水凝胶合成以及应用的新篇章。自此之后，越来越多水凝胶材料如雨后春笋般涌现，并由此进入了发展的高速路。

水凝胶的应用范围广泛，主要原因在于其具有显著的生物相容性以及较强的可设计性特征。具体如下所示：

第一，水凝胶是一种非常重要的载体材料，由其负载的药物不仅能有效精确调控药物释放速率，而且还可以通过调整水凝胶材料的交联密度来有效调节强度和硬度，更重要的是还具有灵活控制分解以及赋形等功能。因此，水凝胶在黏膜给药、注射给药等方面拥有较大的应用潜力。

第二，水凝胶是一种非常重要的组织材料，水凝胶独特的液态流动性与固态稳定性结合，使其拥有柔软、湿润的表面，同时，兼具较强的组织亲和力，这就能有效降低材料对外部组织的刺激性。正是因为如此，水凝胶对组织再生、人造肌肉以及人造器官等组织工程至关重要。

第三，水凝胶是一种非常重要的候选材料，水凝胶富含羟基，将为固定生物酶提供生物相容的理想环境，其可被用作制备生物传感器的候选材料且有可能是不二之选。

除了以上提到的应用之外，水凝胶还凭借良好的吸水溶胀性、多孔结构以及强大的吸附力等优势特点在废水处理、建筑保水材料、土壤保肥保水等领域展现出广阔的应用前景。将水凝胶应用于食品包装行业，有助于有效预防食物腐坏和变质等现象，将其应用于化妆品、洗发水当中其能发挥出最佳的对皮肤和头发充分保湿的作用等等。除此之外，最新的研究还展示了多样化的蛋白质-多糖复合材料在食品包装当中的应用，这些材料不仅拥有诸如抗菌、监控产品状态等特殊功能，而且还具有有效延长保质期并增强产品抗氧化性能等作用。

二、复合水凝胶在食品工业中的应用

（一）在食品包装领域中的应用

1.活性包装。正如上文提到的，水凝胶，尤其是复合水凝胶在食品包装领域的用途较广，前景良好。主要作用原理为活性包装材料可通过改变包装条件，诸如抑制微生物生长等来达到延长食品保质期的目的，不仅可以确保食品安全，而且还有利于增强食品的色香味等感官体验。此外，相较于传统的塑料包装，水凝胶具有经济环保的显著优势，是塑料替代品的首要选择。Wang等研究人员将琼脂、海藻酸盐或者胶原蛋白作为水凝胶基质，向其中掺入银纳米粒子以及葡萄柚籽提取物，将研发出的产品应用于新鲜马铃薯的包装，可有效抑制马铃薯在贮藏过程中普遍出现的褐变或者膜表面的雾化现象。Oun等人研发出的水凝胶膜，其具有良好的抗菌性能。除此之外，分子印迹水凝胶可用于制备抗氧化活性包装材料，这直接显示出分子印迹水凝胶在食品工业当中所发挥的关键作用。

2.智能包装。智能包装最突出的优势特点在于能精准监测食品在存储期间的质量及安全性，通过真实的反映，有助于增强消费者对购买食品的信任度。具体做法为，可在水凝胶包装材料当中掺入一些对pH值敏感的指示剂，比如花青素、姜黄素等等，这样就能通过观察包装的颜色变化获得有关食品新鲜度的相关数值信息，这一举措对食品安全监管影响深远。Zhang等研究人员将研究目光聚焦于智能包装材料的开发层面，研究人员利用淀粉、聚乙烯醇和壳聚糖这三种成膜基质，相互结合，成功制备了三种不同的水凝胶薄膜。其中，有一项研究为将洛神花花青素加入淀粉和聚乙烯醇形成的复合膜中，以温度25℃为参考值，随着温度的上升或者下降，包装随着猪肉新鲜度的变化而发生了由红色到绿色的颜色变化，这将为食品安全提供直观且形象的指示。

（二）对脂质和淀粉的替代

在当代社会，随着对糖尿病、肥胖症、癌症以及心脏病等慢性疾病认知的逐步加深，公众对低热量食品的需求逐步提高。因此，不断开发与脂肪滴、淀粉颗粒具有相似功能的模拟物具有重要意义。最新的研究表明，天然水凝胶微球可被用来代替脂肪和淀粉颗粒，它由蛋白质和膳食纤维组合而成，在对脂质和淀粉的替代层面发挥着巨大的潜力。David等人将研究目标对准生物聚合物微凝胶，用它来代替液态食品中的脂肪。该研究当中所用到的水凝胶微球是以阳离子蛋白质和阴离子多糖基于静电作用所形成的络合体，它可以与其他食品或饮料混合。Lara等研究人员则将研究范围定位于短面团糕点行业，通过用单酸甘油酯—油—水凝胶代替棕榈油，研究发现水凝胶使用后可有效降低糕点的脂质含量，且不会对糕点的品质产生较大的影响。这一研究成果切实为未来低脂食品制品的设计与生产提供了一定实践依据。Huang等人则发现在米粉中添加黄原胶和没食子酸，最终得到黄原胶或者淀粉水凝胶的产物，不仅有效降低了淀粉的消化率，而且还使得米粉展现出更理想的质地和风味特征。这一研究成果切实为水凝胶代替部分淀粉提供了崭新的方向以待进一步研究。

（三）对生物活性分子的递送

首先，可用于保留食品风味。Mirela等研究人员将研究目光聚焦于由黄原胶和瓜尔胶这两种水胶体以及蔗糖和海藻糖这种糖制备得出的水凝胶对芳樟醇和丁香酚保留的影响，研究得出，影响风味保留的元素包括两种，分别为挥发性化合物的结构以及水凝胶基质组成和组分间的相互作用。徐永霞等研究人员发现不同的凝胶体系对大蒜油中的主要挥发性物质具有显著的束缚与缓释作用，特别是复配凝胶体系对风味物质的控释效果更为明显【1】。Zhang等人的研究将明胶、果胶和淀粉作为水凝胶的基质，然后，在其中掺入糖、柠檬酸及草莓香料，通过类似的方式可成功制备出软糖。研究证实，水凝胶的基质以及糖和酸的浓度对抑制草莓软糖凝胶中挥发性化合物释放具有明显的效果。

其次，输送营养物质。营养物质的输送是食品科研关注的核心问题。其实，大部分天然和加工食品当中蕴含着诸多有益健康的物质，比如类胡萝卜素、类黄酮、植物甾醇和酚类化合物等。然而，比较遗憾的是，这些营养素会因在食品加工过程中稳定性下降而失去原本的生物利用度。为了有效解决这一问题，Demisli等人制备的纳米乳液基水凝胶用于输送姜黄素，有力的证实了纳米封装技术在提高溶解度以及达成靶向传递方面具有明显的可行性和优越性。刘玮琳等人的研究则为未来制备更高效的脂质体和脂质体水凝胶输送系统提供了崭新的视角和思路【2】。研究人员将明胶和壳聚糖作为水凝胶基质并利用水凝胶技术将脂质体封装入水凝胶形成脂质体水凝胶。

三、抗菌水凝胶在食品领域的应用

（一）智能食品包装系统

食品包装可分为传统食品包装、活性食品包装以及智能食品包装三大类。将水凝胶应用于食品包装领域，最突出的优势就是抗菌并有效控制水分含量，由此形成活性包装，进一步保障食品安全与质量，延长食品的储存期。国内外诸多研究人员发现了水凝胶可应用于肉类、蔬菜、水果行业，以起到抑菌保鲜的作用。El-mekawy等人使用来源于虾壳的壳聚糖制备出响应刺激性壳聚糖水凝胶并将其用作肉类以及鸡肉的智能包装材料。Bandyopadhyay等人则开发了一种新型的聚乙烯吡咯烷酮—羧甲基纤维素水凝胶薄膜并将其应用于诸如蓝莓等浆果的包装保鲜中。研究证明，水凝胶薄膜的抗菌性尤为突出，有效提高了蓝莓的保鲜期。李瑶瑶等人的研究同样验证了壳聚糖水凝胶对延长脐橙保鲜期并抑制霉菌生长的显著效能【3】。

除此之外，食品质量的检测是确保食用安全和营养价值的重要环节。通常情况下，食品的外观、颜色、质地以及营养成分等等均是反映食品质量的关键因素。色谱法、质谱法等是较为传统的食品质量检测方法，不仅成本过高，复杂而且移动性差。要想达到在现场快速检测的目的，生物传感器可作为替代，不仅仅是因为它灵敏度高且成本较低，而且还携带方便，其迅速在食品检测领域获得了广泛应用。Lu等研究人员首先将甘蔗渣纤维素作为原料制备出纳米纤维素，然后，再与锌交联，形成牢固性更强的水凝胶基质并将其作为pH响应染料的载体。当食品新鲜度发生变化的时候，水凝胶载体的颜色也会随之改变，以此直观且具象的显示食品的新鲜度。

（二）食品保鲜

传统的食品保鲜方法为冰块，冰块保险最大的弊端为不可重复使用且会大肆浪费水资源，有时候，冰的溶水性还会导致食品出现交叉感染的现象。对此，研究人员认为开发一种兼具重复使用性、坚固、无塑料污染且具有较强抗微生物能力的新型食品冷却介质变得尤为重要。研究证实，将水凝胶作为基础原料，制备出冰块，有助于打破公众对冰块的一贯看法，它的市场和应用潜力也格外强大。相对于传统保鲜冰块，基于天然高分子材料的水凝胶冰块的保水性好，不易融水而造成交叉污染，且不需要类似于冰袋的塑料包装，可以与食品直接接触，实现零塑料无污染。Zou等首次将高亲水性的明胶作为水凝胶的基质材料，成功制备出了“果冻冰块”（JIC），它拥有出色的保水性质，更重要的是符合食品保鲜行业对冰块提出的最新要求。更为关键的是，水凝胶冰块无须塑料包装，可以直接、安全地与食品接触，这样便实现了零塑料污染的理想状态。

结语

综上所述，本文详细阐述了水凝胶在食品行业中应用的研究现状。不论是抗菌水凝胶还是复合水凝胶等均是水凝胶应用于食品包装、食品保鲜等行业的具体体现。然而，值得注意的是，现如今水凝胶在食品中的应用形式尚且单一，且相关应用研究不够深入，发展缓慢，这无疑对相关学者、研究人员提出了巨大的挑战。基于此，未来，相关学者、研究人员可将目光聚焦于多功能性水凝胶的开发与应用方面，并制备出更多优势突出的水凝胶，助力其在更广泛的食品领域发光发热。

参考文献：

[1]徐永霞，赵佳美，李涛，等.不同凝胶体系对大蒜油挥发性风味成分的缓释作用[J].食品与发酵工业，2017，43（7）：76-80.

[2]刘玮琳，孔有余，许贤康，等.脂质体水凝胶结构变化与形成机理[J].食品科学，2019，40（20）：81-86.

[3]李瑶瑶，李喜宏，邓玉璞，等.脐橙新型壳聚糖水凝胶抑菌保鲜研究[J].食品工业科技，2013，34（23）：328−332.