《Food Research International》：Protecting phytase from food processing stress using acid-resistant core-shell hydrogel carriers
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植酸酶包埋技术优化：采用壳聚糖-海藻酸钠复合水凝胶微球保护A. niger来源植酸酶phyA，通过离子交联增强壳层机械稳定性与热耐受性。实验表明该微球具有82.6%包封效率、52.2%载酶量，在100℃热处理和胃酸环境（pH 2）下仍保持80.1%活性，显著优于单层海藻酸钠微球。
杨恩惠（Eunhye Yang）| 瓦里萨拉·孔科莫尔萨库尔（Waritsara Khongkomolsakul）| 尤纳斯·达德莫哈马迪（Younas Dadmohammadi）| 阿里雷扎·阿巴斯普拉德（Alireza Abbaspourrad）
美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学农业与生命科学学院食品科学系，Stocking Hall，邮编14853
摘要
在素食饮食中添加来自黑曲霉（Aspergillus niger）的植酸酶（phyA）可以解决植酸存在导致的矿物质缺乏问题。为了保护植酸酶在热和酸性等环境压力下的活性，我们开发了一种核壳水凝胶珠，其核心由植酸酶-壳聚糖复合物组成，外壳则通过海藻酸与κ-卡拉胶交联形成。这种水凝胶珠具有较高的包封效率（82.6%）、较高的负载量（52.2%）以及最佳的珠粒尺寸（2.5毫米），并且在30°C下真空干燥后仍能保持结构完整性。包封处理使植酸酶在高温（80.1%）和胃酸环境（pH值大于9.0）下仍能保持活性，表明其适合通过消化道进行输送。此外，这种核壳水凝胶珠还具有抗盐性、抗pH变化和抗蛋白酶的能力。与单层海藻酸珠相比，核壳结构能够实现更高的负载量和更强的稳定性。
引言
植物性食品中含有大量植酸，植酸会与食物中的矿物质结合，阻碍其吸收，从而导致营养缺乏。为了解决这一问题，植酸酶是一种天然存在于消化道中的酶，能够水解植酸。然而，人体内的植酸酶数量不足以在矿物质被吸收前将其完全降解（Brouns, 2022），因此对于遵循植物性饮食的人来说，补充额外的植酸酶非常重要。
在食品强化中使用植酸酶面临三个挑战：首先，植酸酶需具备较高的热稳定性，以在实际应用中（如玉米粥的高温烹饪过程中）保持其酶活性；其次，植酸酶需耐受各种食品成分的影响，包括盐分、pH值以及可能与其结合的葡萄糖等物质；最后，植酸酶需在低pH值（约2）下仍能保持活性，以便在胃中存活。
在之前的研究中，我们设计了一种具有耐热性的核壳水凝胶珠，以提高小麦来源植酸酶的热稳定性（E. Yang等人，2024年）。与传统仅由海藻酸构成的珠粒相比，这种双层结构利用了静电和疏水相互作用，从而在极端pH和温度条件下仍能保持性能。我们发现，当核壳材料采用耐热多糖（如壳聚糖、海藻酸和κ-卡拉胶）时，植酸酶的热稳定性得到提升（E. Yang等人，2024年）。我们选择来自黑曲霉（Aspergillus niger）的植酸酶（phyA），因为它的活性范围（pH 2–6.5）比小麦来源的植酸酶（pH 4–5.5）更广，并且在胃酸条件下稳定性更强（Greiner & Konietzny, 2005）。这种更宽的活性范围使得phyA更适合用于食品强化和口服输送。
食品基质中的温度、盐分和pH值等多种因素会影响酶的活性及包封系统的结构（Saqib, Khaled等人，2022年）。例如，作为植物性食品代表的玉米粥通常含有0.2%的盐分，pH值为6.0，并需在100°C下加热10分钟（Wang等人，2024年）。盐分和pH值会影响水凝胶珠的膨胀行为及包裹物质的释放特性（S. Wang等人，2024年）。此外，热处理可能导致普通水凝胶珠的膜破裂，从而破坏包裹的植酸酶。
基于核壳结构的独特性和多糖对环境压力的抵抗力，我们假设这种核壳水凝胶珠能够提供保护作用，提高植酸酶的热稳定性，并增强其对盐分和pH值的耐受性。使用更具抗酸性的植酸酶还能在食品加工和胃酸消化后仍保持酶活性。尽管已有多种植酸酶制剂，但大多数系统在低pH值下稳定性较差，或在加工过程中保护效果不足，或酶负载量较低。本文针对这些研究空白进行了探索，并报道了植酸酶核壳水凝胶的制备与优化方法。选择κ-卡拉胶作为辅助多糖与海藻酸结合使用，是因为其在离子强度和pH条件下的凝胶化作用比其他多糖更强（Premjit等人，2024年；Hu等人，2021年；Yerlan等人，2024年），从而在脱水和复水过程中增强外壳的完整性。由此制备的核壳水凝胶珠具有热稳定性，能抵抗盐分、蛋白酶和pH变化的影响，并且具有较高的负载能力。
材料
氯化钾（KCl，纯度>99%）、来自褐藻的海藻酸钠（中等粘度）、无水氢氧化钠（NaOH，纯度>97%）、二水合氯化钙（CaCl?，纯度>99.5%）、四水合钼酸铵、三氯乙酸（TCA）、异硫氰酸荧光素（适用于蛋白质标记，纯度>90%）以及L-抗坏血酸均购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯）。黑曲霉来源的植酸酶由DSM公司（荷兰赫伦）提供。
植酸酶负载核壳水凝胶珠的制备
我们采用核壳水凝胶珠系统来包封黑曲霉来源的植酸酶（phyA），以实现较高的热稳定性和抗酸性。我们通过测量三种pH条件下的植酸酶活性来验证其抗酸性：（1）pH 5；（2）在pH 2条件下预孵育2小时后；（3）在pH 2条件下预孵育2小时后再次测量pH 5。实验结果表明，植酸酶在酸性条件下受损后仍能在pH 5下恢复活性（图1(a)）。
结论
我们制备了这种核壳水凝胶珠，旨在保持植酸酶的催化活性，并保护其免受热处理和蛋白酶的破坏。该水凝胶珠的核心由植酸酶-壳聚糖复合物构成，可稳定并保护植酸酶；外壳由交联的海藻酸-κ-卡拉胶构成，提供额外的保护和耐热性。我们开发了这一系统以应用于食品领域，并对其在相关加工条件下的性能进行了评估。
关于本文使用生成式人工智能的声明
作者声明：本文的撰写过程中未使用生成式人工智能。仅使用了非生成式人工智能工具，例如Office 365和Google Docs中的拼写和语法检查工具以及引用管理软件。所有使用非生成式人工智能的情况均经过作者和编辑的审核。
作者贡献声明
杨恩惠（Eunhye Yang）：撰写、审稿与编辑、原始稿撰写、研究调查、概念构建。瓦里萨拉·孔科莫尔萨库尔（Waritsara Khongkomolsakul）：撰写、审稿与编辑、研究调查、概念构建。尤纳斯·达德莫哈马迪（Younas Dadmohammadi）：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构建。阿里雷扎·阿巴斯普拉德（Alireza Abbaspourrad）：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构建。
致谢
本研究得到了比尔及梅琳达·盖茨基金会（美国华盛顿州）提供的“营养研发计划”（INV-043930）的支持。康奈尔大学材料研究中心（CCMR）的扫描电子显微镜设备得到了美国国家科学基金会的资助（项目编号：DMR-1719875）。
