壳聚糖-TPP包封技术对胡萝卜类胡萝卜素氧化降解途径的保护作用及机制研究

本研究针对活性氧（H2O2和HOCl）诱导的胡萝卜类胡萝卜素氧化降解问题，通过LC-MS/MS首次鉴定出apo-13-carotenone-5,6-epoxide等关键氧化产物，阐明其降解动力学机制，并开发出壳聚糖-TPP包封体系，使类胡萝卜素在300分钟内保持94%以上稳定性，为食品和医药行业提供高效抗氧化保护方案。

　　

在自然界和生物体内，类胡萝卜素作为重要的天然色素和抗氧化剂，广泛存在于胡萝卜、水果等植物中。它们不仅赋予食物鲜艳的色彩，更具有预防心血管疾病、肿瘤和眼疾等多种健康益处。然而，这些宝贵的分子在提取、加工或储存过程中极易受到活性氧（ROS）如过氧化氢（H₂O₂）和次氯酸（HOCl）的攻击，导致氧化降解，不仅降低其营养价值，还可能产生未知生物活性的代谢产物。目前，关于类胡萝卜素在特定氧化剂下的降解路径、关键产物及其保护策略的研究仍不够系统，尤其是缺乏有效的封装技术来维持其稳定性和生物活性。

针对这一挑战，Hussein M. Ali团队在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》上发表的研究，深入探究了胡萝卜类胡萝卜素在H₂O₂和HOCl作用下的氧化降解机制，并创新性地采用壳聚糖-三聚磷酸钠（CS-TPP）包封技术来提升其稳定性。研究发现，氧化过程不仅遵循明确的动力学规律，还产生了以往未被充分认识的代谢产物，其中apo-13-carotenone-5,6-epoxide作为主要氧化标志物，可能成为氧化应激的生物标志物。此外，封装后的类胡萝卜素在剧烈氧化环境中仍能保持极高的稳定性，且绝大部分抗氧化活性得以保留，为类胡萝卜素在功能性食品和医药中的应用提供了可靠解决方案。

研究采用了几个关键技术方法：通过有机溶剂提取和C18固相萃取从胡萝卜中纯化类胡萝卜素；利用离子凝胶法制备CS-TPP-类胡萝卜素复合物，并通过UV-Vis、FT-IR和热分析（DSC/TG）进行表征；运用LC-ESI-MS/MS在正负离子模式下鉴定氧化产物；采用动力学分析（微分速率法）和自由基清除实验（经Fenton反应产生羟基自由基）评估抗氧化活性；以及通过控释实验（基于一级动力学和Higuchi模型）研究释放机制。样本来源于本地市场的胡萝卜。

复合物制备与表征

研究成功制备了CS-TPP-类胡萝卜素复合物，包封效率达92.70%，负载容量为2.631%，回收率为87.99%。FT-IR光谱显示，复合物中类胡萝卜素的特征峰（如v(C=C)位于1625 cm^-1）减弱，而壳聚糖的N-H振动（1535 cm^-1）和TPP的P=O拉伸（1059 cm^-1）峰出现，证实了复合物的形成。热分析表明，类胡萝卜素和复合物均于约71°C开始降解，且复合物在211.72°C出现额外吸热峰，可能与复合物分解有关。

类胡萝卜素与复合物的氧化稳定性

在H₂O₂（8.82 M）和HOCl（15.18 mM）处理下，游离类胡萝卜素的稳定性在120分钟后降至63%，30分钟后降至34%，而CS-TPP复合物在300分钟内稳定性超过94%。这表明封装技术显著增强了类胡萝卜素对抗ROS的能力，且HOCl的氧化性远强于H₂O₂。

氧化产物的鉴定

LC-MS分析显示，胡萝卜类胡萝卜素主要由β-胡萝卜素和α-胡萝卜素组成（比例2.1:1）。氧化后，H₂O₂处理产生两个主要产物：β-apo-13-carotenone-5,6-epoxide（主要产物）和β-apo-12'-carotenone-5,6-epoxide（次要产物），后者为首次鉴定。HOCl氧化则生成更复杂的混合物，包括β-apo-12'-carotenal、氯代产物和视黄醇衍生物，揭示了氧化途径的多样性。

氧化裂解动力学

动力学研究表明，类胡萝卜素氧化对类胡萝卜素呈一级反应，对H₂O₂呈二级反应，速率常数k为8.73×10^-15 μmol^-2 L² min^-1。这表明反应速率决定步骤涉及两分子H₂O₂对类胡萝卜素环双键的环氧化，后续裂解生成主要产物。

氧化裂解机制

基于产物结构和动力学数据，研究提出了氧化机制：H₂O₂先环氧化的类胡萝卜素环双键（如C5=C6），随后经水分子亲核攻击、开环和C13=C14双键裂解生成主要产物；次要产物则通过C10'-C11'单键裂解形成。该机制强调了环氧化作为关键初始步骤，决定了整体反应路径。

抗氧化活性

类胡萝卜素提取物对羟基自由基的清除活性为63.19%，封装后复合物活性为62.18%，无显著差异，表明封装不影响其自由基清除能力。但复合物的还原潜力（0.629）略低于游离类胡萝卜素（0.876），可能与封装后分子扩散受限有关。

控释研究

类胡萝卜素从CS-TPP复合物中的释放遵循一级动力学（R² 0.977）和Higuchi模型（R² 0.985），半衰期为3906分钟，9天后回收率达88.33%。释放主要受扩散控制，适用于食品和药品的缓释应用。

研究结论强调，β-apo-13-carotenone-5,6-epoxide作为H₂O₂和HOCl氧化的共同主要产物，有望成为氧化应激的生物标志物。CS-TPP封装技术不仅极大提升了类胡萝卜素的氧化稳定性，还保留了其核心生物活性，且控释特性适合实际应用。这些发现为开发稳定的类胡萝卜素基食品添加剂和药物制剂提供了理论依据和技术支持，对促进健康食品工业和医药开发具有重要价值。