超越球形化：调控藻酸基食品凝胶在水和果汁体系中的质地与稳定性

《International Journal of Gastronomy and Food Science》：Beyond Spherification: Tailoring the Texture and Stability of Alginate-Based Culinary Gels in Water and Fruit Juice Systems

　　

劳伦·马丘特|玛丽亚·多洛雷斯·加西亚·普切|亚历杭德罗·帕切科·帕斯夸尔|斯蒂芬妮·托里霍·博伊克斯|卡米拉·谢赫·穆萨|玛丽亚·索莱达德·普拉茨·莫亚

里尔国家高等化学学院，法国维勒讷夫-达斯克塞德克斯59652

摘要

本研究探讨了以葡萄糖酸钙和柠檬酸作为交联剂来制备和优化可食用海藻酸盐凝胶的方法。研究了海藻酸盐类型、浓度、交联剂比例以及pH值对凝胶硬度、光泽度和稳定性等性能的影响。通过热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对四种市售海藻酸盐进行了分析，以测定β-D-甘露糖醛酸/α-L-古洛糖醛酸（M/G）的比例。研究确定了水和果汁体系中的最佳凝胶化条件。葡萄糖酸钙能生成口感中性、质地良好且富含钙的凝胶，而柠檬酸则通过降低pH值和形成酯键来促使凝胶化，24小时后生成的凝胶更为坚硬，同时带有清爽的酸味。尤其是芒果汁制成的凝胶，具有理想的硬度和感官特性，表明其有望用于开发富含海藻酸盐（纤维）、维生素和矿物质的营养美味产品。这些研究结果表明，海藻酸盐凝胶可作为传统凝胶剂的替代品，广泛应用于分子美食学和功能性食品领域，具有多种健康益处。

引言

海藻酸盐（(C₆H₈O₆)_n）是一种从褐藻细胞壁中提取的亲水多糖（Bojorges等人，2023b）。不同种类的褐藻、采收时间以及藻体不同部位的海藻酸盐含量存在差异。江蓠、巨藻、双环艾氏藻、巨尾藻、海带属物种、黑藻以及马尾藻是工业用海藻酸盐的主要来源（Venugopal，2016）。海藻酸盐是由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）单体通过α-(1,4)-糖苷键连接而成的聚合物，其中这些两种单体会以严格交替的顺序排列形成MG块，而这些MG块又分布在由G单体构成的同聚区（G块）和由M单体构成的同聚区（M块）之间（Donati和Paoletti，2009）。不同藻类及其不同部位的海藻酸盐，在化学组成和单体序列上可能存在显著差异（Draget和Taylor，2011）。

与其他从藻类中提取的多糖一样，海藻酸盐因其具备乳化、稳定和凝胶化等功能特性，常被用作食品添加剂。海藻酸盐凝胶可以被视为由物理交联形成的含水网络，这些交联点由离子作用形成，能够将各种多糖链结合在一起（Bampidis等人，2022）。制备海藻酸盐凝胶有两种常见方法。最常见的方法是离子凝胶化法，这种烹饪技术通过向海藻酸盐链中添加二价阳离子，如Ca²⁺，从而形成交联结构。当G块通过钙离子链在静电作用下与其他G块的海藻酸盐分子相连时，就会形成海藻酸盐网络。GG块则形成了所谓的“蛋盒状”凝胶结构。而M块和MG块虽然不参与交联，但能使网络中形成弹性部分。含有较多G单体的海藻酸盐形成的凝胶较为坚固但易碎，而含有较多M单体的海藻酸盐则更适合制作柔软的凝胶（Gurikov和Smirnova，2018）。在海藻酸盐分子结构中不同单体的比例还会影响凝胶的硬度，硬度顺序为：MG < MM < GG（Helgerud等人，2009）。另一种海藻酸盐凝胶化的机制是通过添加酸，使混合物的pH值低于G单体和M单体的pKa值（分别为3.6和3.4）。在低pH值下，海藻酸成为主要存在形式，此时海藻酸盐链之间会通过氢键相连（Gurikov和Smirnova，2018）。海藻酸凝胶具有粘度高、生物相容性好、具有粘附性，以及能够将其他物质包裹在凝胶内的特点，这些特性可被用于开发各类工业材料（Kakita和Kamishima，2007）。

此外，当海藻酸盐分子充当连接剂时，也可以使液体发生凝胶化。在适当的pH值下，一些小分子极性物质，如有机酸，可以替代二价阳离子，成为海藻酸盐分子的交联剂（Pérez-Madrigal等人，2017）。交联剂是指具有两个或更多反应端基的化合物，它们能够与聚合物上的官能团，如伯胺、巯基和羧基发生化学反应。柠檬酸（C₆H₈O₇）是一种结晶态的三羧酸，被广泛用于食品工业。它在食品加工中具有酸化、防腐、乳化和缓冲等功能。由于成本较低且毒性较小，最近有研究开始探索将其作为交联剂的使用可能性（Pérez-Madrigal等人，2017）。

海藻酸钠（E-401）在消化过程中很难被吸收。它会在肠道微生物的作用下部分发酵，生成海藻酸盐盐类（钠盐、钾盐、铵盐、钙盐），这些物质是无毒的，已被欧洲议会和欧盟理事会于2008年批准作为食品添加剂使用（EC）。此外，摄入海藻酸盐对人体健康也有诸多益处，比如能够促进肠道内益生菌的生长，抑制有害细菌的繁殖，具有抗氧化作用，还能调节炎症和免疫反应等（Song等人，2025）。另外，由于海藻酸盐能够在低温溶液中形成凝胶，从营养角度来看，它非常适合用于需要防止热敏感营养物质流失的凝胶制品中。

从分子美食学的角度出发，近年来海藻酸钠的应用范围大幅拓展，它不仅仍然发挥着室温下作为食品增稠剂的传统作用，还通过球形化技术成为了分子美食学中的重要材料（Castell，2021）。在现代烹饪领域，人们对具有特殊性能的凝胶的需求也在不断增加，比如那些在烹煮后仍能保持形状的耐烤水果馅料（Soares等人，2004），以及可以在油炸过程中依然保持固态的调味汤品凝胶（Kitchen，2026）。尽管相比其他增稠剂，海藻酸盐具有诸多优势，但目前大多数烹饪应用仍主要依靠钙离子诱导的凝胶化方式；因此，探索使用柠檬酸作为交联剂具有重要的意义。

本研究的主要目的是架起传统球形化技术与其他海藻酸盐烹饪应用之间的桥梁。通过研究不同种类市售海藻酸盐、葡萄糖酸钙以及柠檬酸的影响，本研究旨在系统地优化水和果汁体系中可食用凝胶的质地和稳定性。

章节节选

化学品与化合物

本研究共检测了四种海藻酸盐：其中样品1、2和3是从西班牙蓬特韦德拉省的CEAMSA购买的，样品4则来自西班牙巴塞罗那省的SOSA，这四种产品均为食品加工用商品。根据供应商的说法，样品1和3是从黑藻中提取的，样品2则来自格子海藻。SOSA提供的海藻酸盐通常是由多种藻类混合而成的，包括海带、巨藻等，这一信息可在该公司的网站“SOSA原料”页面上找到（2026年）。

海藻酸盐的化学与物理特性分析

各样品的水分含量在11%到16%之间，其中SOSA样品的水分含量最低，样品1的最高（见表1）。在氮元素和蛋白质含量方面，只有SOSA样品的氮和蛋白质含量达到了可测定的水平，其余样品的氮含量均低于测定下限（LOQ <0.01%）。这一数据说明，在从藻类中提取海藻酸盐的过程中，几乎所有的蛋白质都被去除了。SOSA样品和样品1的灰分含量最高，分别为25.7%和24.2%，而其余样品的灰分含量则相对较低。

结论

本研究结果表明，通过调整海藻酸盐的种类、浓度、交联剂以及pH值，就可以控制可食用海藻酸盐凝胶的质地、成分和感官特性，前提是实验条件要得到优化。葡萄糖酸钙和柠檬酸都能作为有效的交联剂，但二者具有不同的特性。海藻酸盐的种类会影响凝胶的硬度，其中SOSA海藻酸盐制成的凝胶硬度最高。葡萄糖酸钙生成的凝胶口感中性、质地细腻，而

作者贡献声明

亚历杭德罗·帕切科·帕斯夸尔：研究工作、数据整理、概念构思。玛丽亚·多洛雷斯·加西亚-普切：初稿撰写、研究工作、数据整理。劳伦·马丘特：初稿撰写、方法设计、研究工作、正式分析、数据整理。玛丽亚·索莱达德·普拉茨·莫亚：审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、项目管理、方法设计、资金筹集、数据整理、概念构思。卡米拉·谢赫·穆萨：审稿与编辑，

未引用参考文献

欧洲议会和欧盟理事会，2008年；SOSA，2026年。

利益冲突声明

作者们不存在任何潜在的利益冲突。

对美食领域的意义

本研究的结果对于将海藻酸盐应用于美食创作具有直接意义。厨师们可以突破传统的球形化应用方式，利用这类凝胶的热不可逆特性，打造出结构清晰、形态稳定的热食制品。尤其值得一提的是，由于SOSA海藻酸盐的M/G比例较高，利用它可以制作出高纤维、低添加糖的分层水果“酱料”。

利益冲突声明

作者们声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。