乳清蛋白气凝胶：结构解析、锌载体特性及Caco-2细胞锌生物利用度研究

《Food Hydrocolloids》：Whey Protein-Based Aerogels: Structural Insights, Zinc-Carrier Properties, and Zinc Bioavailability in Caco-2 Cells

本研究针对全球锌缺乏问题，探索以乳清蛋白分离物（WPI）为基础的气凝胶作为新型锌载体。研究人员通过调控pH（1和3）及添加不同金属离子（ZnCl2、CaCl2、NaCl），结合超临界干燥技术制备WPI气凝胶，系统分析了其结构特性（FTIR、BET、SEM）、离子保留率（FAAS）及消化特性（SDS-PAGE）。结果表明：pH 3条件下形成的气凝胶结构更致密，锌保留率更高（31.2%），但消化性较低；而pH 1条件则形成高孔隙率结构，利于酶解。细胞实验（Caco-2模型）显示气凝胶中锌的生物利用度未显著优于无机锌盐。该研究为蛋白质基营养素载体设计提供了理论依据，发表于《Food Hydrocolloids》。

　　

锌是人体必需的微量元素，参与酶催化、免疫防御和细胞生长等关键生理过程。然而全球约17.3%的人口面临锌摄入不足的风险。传统锌补充剂存在生物利用度低、胃肠道刺激等问题。蛋白质基气凝胶因其高比表面积、可修饰结构和良好的生物相容性，被视为潜在的营养素载体。但金属离子如何影响蛋白质气凝胶的结构形成，以及这些结构如何调控锌的负载和释放行为，尚不明确。

针对这一难题，柏林工业大学的Helena Kieserling团队在《Food Hydrocolloids》发表了题为"Whey Protein-Based Aerogels: Structural Insights, Zinc-Carrier Properties, and Zinc Bioavailability in Caco-2 Cells"的研究论文。该工作系统探讨了pH值和离子类型对WPI气凝胶结构特性、锌结合能力及细胞水平生物利用度的综合影响。

研究采用多学科交叉技术：通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）定量β-乳球蛋白（β-LG）在气凝胶制备过程中的动态变化；利用火焰原子吸收光谱（FAAS）追踪钙锌离子保留率；结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析蛋白质二级结构演变；采用Brunauer-Emmett-Teller（BET）比表面积分析和扫描电子显微镜（SEM）表征材料形貌；最后通过胰蛋白酶消化模型（SDS-PAGE）和Caco-2细胞锌摄取实验（Zinpyr-1荧光探针）评估消化特性与生物利用度。

3.1 β-乳球蛋白含量和气凝胶制备过程中的离子保留

LC-MS分析显示β-LG在气凝胶形成过程中逐步富集，尤其在pH 1条件下锌离子组呈现显著浓度梯度。FAAS数据表明pH 3气凝胶的锌保留率（31.2%）显著高于pH 1组（19%），归因于近等电点条件下羧基去质子化增强金属配位。溶剂交换阶段出现严重离子流失（锌损失约50%），超临界干燥环节进一步造成31-58%的损失，揭示溶剂极性变化对蛋白质-离子相互作用的决定性影响。

3.2 气凝胶的二级结构分析

FTIR二阶导数谱显示：相较于原始WPI，所有气凝胶的酰胺I带均发生红移（约5 cm^-1），提示氢键增强。二价离子（Ca²⁺/Zn²⁺）诱导分子内β-折叠带强度显著增加，且锌离子组出现更明显的无规卷曲结构，表明锌配位引起特异性构象重排。pH 3条件下钠离子组反而呈现最高β-折叠含量，印证pH值通过调控静电作用主导结构组装。

3.3 气凝胶的表面和形态学特性

BET测定显示pH 1条件下钙/锌气凝胶比表面积（270±70 m²/g和156±136 m²/g）显著高于钠离子组（未检出），而pH 3组均呈低孔隙特征。SEM图像直观呈现pH 1气凝胶的纤维状介孔结构，与pH 3组的致密大孔聚集体形成鲜明对比。这种pH依赖的形态差异被归因于蛋白质等电点附近的电荷屏蔽效应与离子特异性桥联作用的协同调控。

3.4 气凝胶在Caco-2细胞中的消化性和锌生物利用度

SDS-PAGE证实pH 1气凝胶更易被胰蛋白酶降解，且二价离子组出现更丰富的低分子量肽段。然而Caco-2细胞实验显示：无论是否经过酶解，气凝胶组的锌摄取量均未超过无机锌对照组（ZnCl₂/ZnSO₄）。尽管锌-肽螯合物理论上有助于细胞摄取，但气凝胶基质可能通过空间位阻效应限制了锌的释放效率。

本研究首次将气凝胶的结构调控、消化特性与细胞水平营养素递送效能相关联，证实蛋白质基气凝胶作为锌载体的可行性受pH值与离子类型的双重调控。虽然气凝胶未表现出锌生物利用度的提升，但其可调的降解特性与结构多样性为精准营养递送系统设计提供了新思路。未来研究需聚焦于复合消化环境模拟、多营养素共递送策略开发，以及体内代谢途径验证，以推动蛋白质气凝胶在功能食品领域的实际应用。