不同壁材组合对富含虾青素的弱化雨生红球藻包封效果的比较评估及其在食品与营养递送中的应用研究

本研究针对天然虾青素(ASX)稳定性差和生物可及性低的问题，系统评估了海藻酸钠(ALG)分别与阿拉伯胶(GA)、卵磷脂(LEC)、麦芽糊精(MD)、果胶(PEC)和乳清蛋白浓缩物(WPC)五种壁材组合，通过离子凝胶法包封弱化雨生红球藻(Hpw)的效果。结果表明ALG-WPC-Hpw复合水凝胶具有最高包封率(98.52%)和负载容量(32.95%)，且在颜色强度、热稳定性和贮藏稳定性(4℃保存28天保留≥96% ASX)方面表现最优，而ALG-LEC-Hpw则展现出最高的ASX生物可及性(81.37%)。该研究为开发高效ASX递送系统提供了重要理论依据和技术支撑，对功能性食品和营养制剂开发具有显著意义。

　　

在健康营养领域，天然虾青素(Astaxanthin, ASX)作为一种强效抗氧化剂，因其卓越的抗炎、抗衰老和促进心血管健康等特性而备受关注。然而，这种源自雨生红球藻(Haematococcus pluvialis, Hp)的珍贵成分却存在明显的应用瓶颈：其稳定性差，易受光、热、氧气等环境因素影响而降解；同时，由于脂溶性的特点，其在人体内的生物可及性(Bioaccessibility)较低，大大限制了其生理功能的发挥。

为了解决这些难题，科学家们将目光投向了微胶囊化技术。特别是离子凝胶法，利用海藻酸钠(Alginate, ALG)与钙离子交联形成水凝胶，被认为是一种温和且高效的包封手段。但单一ALG壁材的保护效果有限，如何通过与其他功能壁材复合，进一步提升包封效率、稳定性和生物可利用性，成为当前研究的重点和难点。

在此背景下，研究人员开展了一项系统性的比较研究，旨在探究ALG分别与五种常见壁材——阿拉伯胶(Gum Arabic, GA)、卵磷脂(Lecithin, LEC)、麦芽糊精(Maltodextrin, MD)、果胶(Pectin, PEC)和乳清蛋白浓缩物(Whey Protein Concentrate, WPC)组合使用时，对弱化处理后的雨生红球藻(weakened Haematococcus pluvialis, Hpw)的包封效果及其功能特性的影响。这项研究为开发高效的ASX递送系统提供了宝贵的实验数据和理论依据，其成果发表在食品科学与技术领域国际权威期刊《LWT - Food Science and Technology》上。

为完成本研究，作者团队采用了一系列关键实验技术：首先通过超声辅助乙酸乙酯萃取法从Hpw生物质中提取并定量ASX；进而利用Büchi B-390 encapsulator在优化参数（350 mbar压力，750 μm喷嘴）下，通过离子凝胶法（以CaCl₂为交联剂）制备了五种ALG基复合水凝胶；对所得水凝胶进行了包括包封率、负载容量、水分活度(a_w)、体积密度、颜色参数(L, a, b*)、粒径和球形度在内的物理化学性质表征；采用共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和环境扫描电镜(SEM)观察了Hpw的分布情况及水凝胶的微观形态；通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了壁材与核心物之间的相互作用；利用差示扫描量热法(DSC)评估了热稳定性；通过DPPH自由基清除实验评价了抗氧化能力；通过模拟体外胃肠消化模型评估了ASX的生物可及性；最后还在4°C和25°C条件下进行了为期28天的贮藏稳定性试验。所有实验均设三次重复，数据采用单因素方差分析和Fisher's LSD检验进行统计学处理。

2.3.1. 水凝胶的制备

研究人员成功制备了五种ALG复合水凝胶。其中，ALG-WPC-Hpw的包封效率最高，达到98.52%，而ALG-LEC-Hpw稍低(97.05%)。负载容量在各组间差异不大(32.46-32.95%)，ALG-WPC-Hpw略占优势。这表明蛋白质-多糖相互作用（WPC-ALG）有助于形成更完整的结构以保留Hpw，而LEC的两亲性可能导致其保留疏水性Hpw的能力稍弱。

2.3.3. 体积密度和水分活度

体积密度和水分活度(a_w)在不同水凝胶间存在显著差异。ALG-WPC-Hpw的体积密度最低(0.18 g/cm³)，归因于WPC形成的海绵状网络降低了基质的紧实度；而ALG-GA-Hpw的密度最高(0.60 g/cm³)，表明GA能形成更致密的结构。水分活度以ALG-GA-Hpw最低(0.50)，而ALG-LEC-Hpw和ALG-PEC-Hpw较高(0.58)。低a_w有助于限制氧化反应和微生物生长，从而增强稳定性。

2.3.4. 尺寸和球形因子

水凝胶的尺寸在0.65 mm (ALG-GA-Hpw) 到 0.80 mm (ALG-WPC-Hpw)之间。所有水凝胶的尺寸均小于先前报道的单一ALG水凝胶(1.30 mm)，表明添加第二聚合物增加了聚合物间的相互作用，产生了更致密的结构。球形因子(SF)值范围在0.03-0.08之间，ALG-GA-Hpw的球形最好(SF=0.03)。球形颗粒具有更均匀、更易处理、表面积与体积比更低的优点，有利于限制氧气扩散，增强稳定性。

2.3.5. 颜色参数

壁材显著影响了水凝胶的颜色参数(L, a, b)。ALG-WPC-Hpw的L值(亮度)最高(24.87)，a值(红度)最高(13.07)，b值(黄度)也最高(20.07)。这表明蛋白质类载体(WPC)能增强亮度和颜色保留，这可能与蛋白质和类胡萝卜素之间的相互作用有关。

2.3.6. 共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)分析

CLSM图像证实了Hpw在所有配方中均被成功包封，且分布均匀。ALG-MD-Hpw和ALG-GA-Hpw显示出均匀的荧光模式，反映了MD和GA良好的成膜能力。ALG-PEC-Hpw显示出更 porous（多孔）的结构。ALG-LEC-Hpw分布良好但略有聚集，可能与LEC的乳化特性有关。ALG-WPC-Hpw则可见Hpw的聚集现象，这可能与WPC的起泡特性有关，增加了孔隙率。

2.3.7. 形态学

SEM图像显示所有水凝胶的外表面粗糙且具有 varying porosity（不同的孔隙率），内部结构存在差异。ALG-GA-Hpw表面纹理丰富且有微腔；ALG-LEC-Hpw外表面更光滑但内部有气隙；ALG-MD-Hpw表面半光滑；ALG-PEC-Hpw内部呈高度多孔结构；ALG-WPC-Hpw外表面致密但内部有气孔。这些结构差异直接影响其功能特性，如致密结构（ALG-WPC-Hpw）有利于高包封率和稳定性，而多孔基质（ALG-PEC-Hpw）则可能稳定性适中。

2.3.8. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析

FTIR光谱证实了包封的成功以及壁材与Hpw之间的相互作用。在所有配方中均观察到多糖的C-O伸缩振动(1075 cm^-1)、C-H弯曲振动(1364 cm^-1)以及类胡萝卜素的C=C伸缩振动(1651 cm^-1)等特征峰。 among the formulations（在各配方中），WPC提供了最强的结构保护（C=C峰强度最高），而LEC显示出最弱的保留。

2.3.9. 热分析

DSC分析表明，包封显著提高了Hpw的热稳定性。 free Hpw（游离Hpw）的第一个吸热峰峰值温度(Tp)为131.32°C，而所有包封样品的Tp均升至178°C以上。其中，ALG-WPC-Hpw的Tp最高(187.11°C)，且焓变(ΔH)最大(351.77 J/g)，表明其基质最坚固，需要最多的能量来分解。ALG-LEC-Hpw也显示出较高的ΔH(315.71 J/g)和Tp(182.64°C)。这些结果表明WPC和LEC等壁材能通过形成稳定的基质来延迟降解，提供热保护。

2.3.10. 抗氧化能力

DPPH自由基清除实验表明，游离和包封的Hpw ASX均呈现浓度依赖性的抗氧化活性。在所有测试浓度下，包封样品的活性与游离Hpw相当或更高，且均显著高于阳性对照维生素C。 among the formulations（在各配方中），ALG-WPC-Hpw在大多数浓度下表现出最高的抗氧化活性，这可能归因于WPC固有的抗氧化特性及其形成保护基质的能力。

2.3.11. 生物可及性

体外模拟胃肠消化表明，包封显著提高了ASX的生物可及性。游离Hpw的生物可及性很差，而包封后大幅提升。其中，ALG-LEC-Hpw的生物可及性最高(81.37%)，这得益于LEC的乳化特性促进了脂质消化和胶束掺入。ALG-WPC-Hpw也表现出较高的生物可及性，而ALG-PEC-Hpw和ALG-MD-Hpw相对较低，可能与PEC形成的粘弹性网络和MD缺乏促乳化能力有关。

2.3.12. 贮藏稳定性

在28天的贮藏期内，所有水凝胶配方在4°C下均保留了>96%的ASX，在25°C下保留了>93%的ASX，表现远优于游离Hpw（4°C: 94.80%; 25°C: 91.30%）。 among the formulations（在各配方中），ALG-WPC-Hpw在两种贮藏条件下的保留率都是最高，其次的是ALG-PEC-Hpw，而ALG-LEC-Hpw的保留率最低。这表明WPC和PEC能形成有效的保护屏障，而LEC基系统可能对氧化更敏感。

本研究得出结论，将次级聚合物（WPC、GA、MD、PEC、LEC）与ALG结合，能显著影响富含ASX的Hpw水凝胶的特性。ALG-WPC-Hpw表现出最优的综合性能，包括最高的包封效率、负载容量、ASX保留率、热稳定性和贮藏稳定性，其均匀的微观结构和致密的基质为其卓越性能提供了支撑。FTIR证实了成功的包封且未发生化学修饰，DSC则证明了热稳定性的增强。虽然包封后抗氧化能力略有下降，但所有水凝胶的DPPH清除活性仍与游离Hpw相当或更高，且远高于维生素C。特别值得注意的是，ALG-LEC-Hpw实现了最高的生物可及性，这得益于卵磷脂的乳化作用。所有配方在贮藏期间均表现出优异的ASX保留能力。

该研究的深刻意义在于，它系统地比较了不同壁材组合对包封效果的影响，揭示了壁材性质（如蛋白质的相互作用、多糖的致密性、乳化剂的增溶能力）与最终产品功能特性（稳定性、生物可及性）之间的构效关系。这不仅为针对特定应用场景（如需要高热稳定性的食品加工或需要高生物可及性的营养补充剂）选择合适的壁材组合提供了科学依据和精准配方指导，而且证明了离子凝胶法结合复合壁材是一种极具前景的策略，可用于保护、递送和改善其他高价值但易降解的疏水性生物活性物质（如其他类胡萝卜素、多不饱和脂肪酸、精油等），从而推动功能性食品、营养保健品和饲料添加剂产业的创新发展。