双重诱导的高粱麸皮阿拉伯木聚糖与大豆蛋白分离物复合凝胶：对其形成机制及其作为生物活性成分传递载体的应用探讨

《LWT》：Dual-induced sorghum bran arabinoxylan and soy protein isolate composite gels: insights into their formation and application as bioactive component delivery carriers

AX-SPI双诱导复合凝胶通过过氧化物酶介导的AX共价交联和Ca2?诱导的SPI离子交联协同构建三维网络，1:1比例凝胶机械性能最优，胃肠环境中实现靶向释放：胃酸中低肿胀促进稳定，肠液高肿胀协同酶解加速释放，验证双机制协同调控营养递送潜力。

　　本研究围绕一种新型的复合凝胶体系展开，即通过双诱导策略构建的高粱麸皮阿拉伯木聚糖（AX）与大豆蛋白分离物（SPI）复合凝胶。该凝胶被设计为一种高效的生物活性物质递送载体，其中以氰钴胺（维生素B12）作为模型营养物质进行研究。研究的核心目标是通过调节AX与SPI的质量比例，优化复合凝胶的微观结构和机械性能，从而实现对生物活性物质的靶向释放，提升其在肠道中的吸收效率。研究结果表明，AX:SPI质量比为1:1的复合凝胶在多个性能指标上表现出最佳特性，这为其在功能性食品和营养补充剂领域的应用提供了理论依据和技术支持。

### 1. 背景与研究意义

随着人们对功能性食品和膳食补充剂的需求不断上升，研究如何提高生物活性化合物在口服途径中的稳定性和生物利用度成为当前食品科学与营养学领域的热点。许多生物活性物质，如维生素、类胡萝卜素和姜黄素等，极易受到胃肠道环境中的酸碱度变化和酶解作用的影响，导致其在消化过程中被降解或提前释放，从而影响其在小肠中的吸收效率。因此，开发一种能够在胃肠道中实现可控释放的载体系统至关重要。

水凝胶作为一种具有高度吸水能力且不溶解的水溶性高分子网络材料，已被广泛应用于生物活性物质的封装和保护。其独特的结构可以有效地包裹活性成分，并在消化过程中控制其释放。然而，单一组分的水凝胶在结构调控和释放行为方面存在局限，难以满足功能性食品对精准递送的需求。为此，研究者们开始关注多组分复合凝胶，特别是由多糖与蛋白质构成的双网络（DN）凝胶。这类凝胶通过双诱导策略，结合了多糖和蛋白质各自的优势，形成了具有双重结构的复合体系，从而提高了凝胶的机械强度和生物活性物质的释放可控性。

高粱麸皮阿拉伯木聚糖是一种非淀粉多糖，具有独特的结构特征，包括以木糖为骨架，阿拉伯糖和葡萄糖为侧链。其结构特点使其在双网络凝胶构建中表现出良好的潜力。而SPI则是一种优质植物蛋白，具有完整的氨基酸组成和较高的营养价值，广泛应用于食品加工中。通过双诱导策略，AX的共价交联网络与SPI的离子交联网络被同步构建，形成了一种稳定的复合凝胶体系。这种策略不仅增强了凝胶的机械性能，还通过协同作用提升了其对生物活性物质的保护和递送能力。

### 2. 实验方法与材料准备

在本研究中，研究人员采用了双诱导方法来制备AX-SPI复合凝胶。具体来说，使用过氧化物酶（peroxidase）对AX进行共价交联，同时利用钙离子（Ca2?）对SPI进行离子交联。通过调控AX与SPI的质量比例，研究人员系统地研究了不同比例对凝胶性能和生物活性物质释放行为的影响。

首先，将AX和SPI分别溶解于蒸馏水中，制备成5%（w/v）的溶液。AX溶液在室温下搅拌8小时，SPI溶液则在室温下搅拌4小时。为了确保充分的溶胀和水合作用，两种溶液在4°C下静置过夜。随后，SPI溶液在90°C水浴中加热30分钟以诱导蛋白质变性，然后迅速冷却至室温。AX与SPI溶液按照不同的质量比（20:1、10:1、5:1、2.5:1、1:1、1:2.5）进行混合，并加入适量的过氧化物酶和过氧化氢，通过磁力搅拌确保混合均匀。最后，加入CaCl?溶液，使SPI形成离子交联网络。所有凝胶样品在4°C下平衡12小时后，进行后续的性能测试。

为了评估凝胶的物理性能，研究人员采用了质地剖面分析（TPA）方法，对凝胶的硬度、弹性、附着力和咀嚼性等指标进行了测定。此外，还通过测定水保持能力（WHC）来评估凝胶的吸水能力，这对于营养物质的释放行为具有重要意义。同时，扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）被用于观察凝胶的微观结构，以揭示其内部网络形态和结构特征。

### 3. 实验结果与分析

实验结果显示，AX-SPI复合凝胶的机械性能随着AX与SPI质量比的变化呈现出明显的趋势。当SPI比例增加时，凝胶的硬度和弹性先上升后下降，且在1:1的质量比下达到最佳状态。此时，凝胶具有最高的硬度，并形成了均匀、规则的网络结构，其孔壁厚实，表现出良好的结构稳定性。相比之下，当SPI比例过高（如1:2.5）时，凝胶结构变得松散，甚至出现塌陷现象，这可能是由于过量的蛋白质导致网络结构的不稳定性。

通过SEM和CLSM的显微观察，研究人员进一步确认了不同质量比下凝胶的微观结构变化。在低蛋白比例下，凝胶主要由AX的共价交联网络主导，结构较为疏松，孔隙分布不均。随着SPI比例的增加，蛋白质网络逐渐形成，并与AX网络发生相互作用，增强了整体结构的稳定性。在1:1的比例下，AX和SPI网络达到了最佳的协同效应，形成了稳定的三维结构，这有助于提高凝胶的机械性能和生物活性物质的包裹能力。

此外，研究还发现，不同质量比的凝胶在模拟胃液（SGF）和模拟肠液（SIF）中的溶胀行为存在显著差异。在SGF中，由于其低pH值，AX的溶胀能力受到限制，而SPI在低pH环境下容易发生沉淀，从而影响凝胶的结构稳定性。相比之下，在SIF中，较高的pH值促进了AX和SPI的溶胀和网络结构的破坏，使得生物活性物质更容易释放。这一发现表明，复合凝胶的溶胀行为与其在不同消化阶段的释放机制密切相关。

在生物活性物质的释放行为方面，研究发现，AX-SPI复合凝胶的释放机制与单一组分AX凝胶存在显著差异。在SGF中，AX凝胶的释放主要依赖于溶胀驱动的扩散作用，而复合凝胶则通过矩阵侵蚀和溶胀扩散的协同作用实现释放。这种机制在胃部环境中减缓了氰钴胺的释放，而在肠道环境中则促进了其释放。这表明，复合凝胶能够在胃肠道中实现对营养物质的靶向递送，从而提高其生物利用度。

### 4. 释放机制与结构调控

进一步的实验分析表明，AX-SPI复合凝胶的释放机制与其微观结构密切相关。在胃部消化阶段，由于凝胶的结构较为稳定，尤其是1:1比例的凝胶，其孔壁厚实，结构规则，导致胃酸和消化酶对凝胶的侵蚀作用较弱。因此，氰钴胺的释放速度相对较慢。而在肠道环境中，随着pH值的升高，凝胶的溶胀能力增强，同时蛋白质网络被消化酶分解，导致凝胶结构的破坏，从而促进了氰钴胺的释放。这种释放机制的协同效应使得复合凝胶能够在胃肠道中实现精准的释放控制。

研究还发现，不同质量比的复合凝胶在溶胀能力和结构稳定性方面存在显著差异。例如，在SGF中，1:1比例的凝胶表现出最低的溶胀度，这与其较高的网络强度有关。而在SIF中，1:1比例的凝胶则表现出较高的溶胀度和更快的释放速度，这与其良好的结构可降解性相关。这些结果表明，通过调控AX与SPI的比例，可以有效控制凝胶的溶胀行为和释放机制，从而实现对营养物质的靶向递送。

### 5. 结论与未来展望

本研究通过双诱导策略构建了AX-SPI复合凝胶，并系统地评估了其在不同质量比下的机械性能和释放行为。实验结果表明，AX:SPI质量比为1:1的复合凝胶在多个性能指标上表现最优，具有较高的硬度、均匀的网络结构和良好的溶胀行为，能够有效实现对氰钴胺的靶向释放。这一结果为开发新型的口服营养递送系统提供了重要的理论支持和技术依据。

然而，本研究仅以氰钴胺作为模型生物活性物质，未来还需要进一步探索该复合凝胶对其他生物活性成分（如多肽、益生菌和脂溶性维生素）的递送能力。此外，由于实验仅在体外消化模型中进行，尚未涉及体内实验，因此实际生物利用度的评估仍需进一步验证。未来的研究可以结合体内实验，以更全面地评估复合凝胶在实际应用中的性能。同时，还可以对凝胶的感官特性（如口感、颜色）进行优化，以提高其在食品体系中的适用性。此外，工业制备工艺的优化和规模化生产也是未来研究的重要方向。

综上所述，本研究通过双诱导策略构建了AX-SPI复合凝胶，并揭示了其在胃肠道中实现靶向递送的机制。该成果不仅拓展了复合凝胶在营养递送领域的应用前景，也为功能性食品的开发提供了新的思路和方法。未来的研究可以进一步优化凝胶的结构和性能，以满足更广泛的应用需求，为人类健康和营养补充提供更加高效的解决方案。