基于明胶-岩藻多糖复合凝胶组成设计的胃部花青素保留与肠道释放体系研究

《Food Chemistry: X》：Composition-guided design of Gelatin-fucoidan composite gels for gastric anthocyanin retention and intestinal release

　　

摘要专业翻译 花青素（anthocyanins）是广泛分布于水果、蔬菜及其他植物材料中的水溶性黄酮类化合物。大量证据表明，此类化合物具有显著的抗氧化和抗炎活性，凸显其作为功能性食品成分的应用前景。然而，有限的理化稳定性已被确定为其主要应用限制。花青素在高温及不同pH条件下易于降解失活，显著制约了其在食品体系中的实际应用。此外，尽管已知花青素的吸收主要发生于小肠，但大多数花青素在酸性胃环境中易发生降解，并在肠道吸收之前即被破坏，导致其生物利用度显著降低。 为应对这一关键限制，研究人员已开发出多种花青素稳定化与递送系统。其中，胃肠道响应性凝胶载体备受关注。此类系统旨在胃条件下维持花青素稳定性，同时实现肠道环境中的可控释放。尽管已有多种凝胶系统取得进展，但许多胃肠道响应性凝胶系统主要依赖基质在胃与肠道环境间溶胀行为的差异，而非广泛的结构崩解。虽然此类溶胀响应可调控花青素释放，但载体基质的持续结构存续可能在肠道阶段滞留部分包封花青素，从而限制其完全释放。 岩藻多糖（fucoidan）因此被视为合适的候选材料。它是一种硫酸化海洋多糖，具有良好的生物相容性，在食品及生物活性递送应用中日益受到关注。重要的是，其硫酸酯基团具有约0.5–2.0的低pKa值，显著低于果胶羧基的pKa值。这些强酸性硫酸基团赋予岩藻多糖在胃肠道pH条件下持续存在的阴离子特性，使其成为调节明胶基复合网络静电平衡的潜在响应性组分。 据此，本研究旨在确定明胶-岩藻多糖复合凝胶能否兼具胃结构稳定性与广泛的肠道崩解及近完全花青素释放，并建立凝胶组成对该功能平衡的调控机制。研究假设：（i）复合系统的胃肠道响应由明胶与岩藻多糖之间的pH依赖性静电平衡所主导，岩藻多糖的低pKa硫酸基团作为关键响应元件：胃条件下两种聚合物之间的有利电荷补偿有助于网络稳定，而肠道pH下向更强阴离子静电状态的转变则促进网络失稳及花青素的大量释放；（ii）总固形物含量和明胶与岩藻多糖的比例可调控凝胶形成、网络强度、胃保留率及肠道阶段后的累积花青素释放率。为验证上述假设，研究人员通过改变总固形物含量（2%、4%、6%、8%和10%）及明胶与岩藻多糖比例（9:1、8:2、7:3、6:4和5:5）制备了25种配方。对所得凝胶的凝胶形成、流变学与质构特性、微观结构、花青素包封率与储存稳定性、模拟胃肠道条件下的静电与结构响应、胃肠道释放行为及释放动力学进行了系统评价。通过整合该宽泛的配方矩阵与结构和胃肠道释放分析，本研究不仅旨在筛选高性能明胶-岩藻多糖凝胶，还旨在建立调控胃花青素保护与广泛肠道阶段释放的组成-功能关系。

论文解读

一、研究背景与问题提出

花青素是一类广泛存在于果蔬中的水溶性黄酮类化合物，具有显著的抗氧化和抗炎活性，在功能性食品领域具有广阔应用前景。然而，花青素对高温和pH变化极为敏感，在酸性胃液环境中易发生降解，导致其到达小肠吸收位点前的生物利用度显著降低。为解决这一瓶颈，研究者已开发多种胃肠道响应性凝胶递送系统，旨在胃环境中保护花青素、在肠道环境中实现可控释放。已有系统如明胶-结冷胶复合凝胶和肽-乳清蛋白分离物基质等，虽能在胃条件下增强花青素稳定性，但其肠道释放多依赖基质溶胀差异而非广泛结构崩解，导致部分花青素在肠道阶段仍被基质滞留，释放不完全。研究人员前期开发的pH触发型明胶-果胶复合凝胶中，果胶羧基pKa约3.5，在胃强酸条件下电离程度低、肠道pH下高度电离，通过静电排斥促进网络崩解，但累积花青素释放率仅约80%，仍存在提升空间。基于此，研究人员提出采用具有更强酸性可电离基团的食品源多糖以促进更广泛的肠道阶段释放，并实现接近完全释放（>95%）的目标。岩藻多糖因其硫酸酯基团pKa仅约0.5–2.0，在胃肠道pH范围内持续保持阴离子特性，被认为是理想的候选材料。据此，本研究系统考察明胶-岩藻多糖复合凝胶的组成设计对胃部花青素保留与肠道释放功能平衡的调控作用。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员制备了25种不同组成的明胶-岩藻多糖复合水凝胶，系统评价其理化性质与胃肠道响应释放行为。采用的主要关键技术方法包括：旋转流变仪进行振幅扫描和频率扫描以测定储能模量（G'）和损耗模量（G"）；质构分析仪进行穿刺测试测定凝胶硬度；扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察凝胶微观结构；pH示差法测定花青素含量并计算包封效率；荧光显微镜观察花青素在凝胶网络中的分布；Zetasizer纳米粒度仪测定不同pH下聚合物的Zeta电位；模拟胃液（SGF，pH 1.5）和模拟肠液（SIF，pH 6.8）中开展溶胀实验和结构崩解观察；在37°C、50 rpm条件下进行序贯模拟胃肠道释放实验；采用五种常用动力学模型拟合累积释放曲线以研究释放动力学。

三、研究结果

凝胶形成与流变学特性：2%总固形物配方形成极软的凝胶状基质，无法可靠转移和加载，流变学和硬度测定仅针对含4–10%总固形物的7:3凝胶进行。5:5配方未能形成自支撑凝胶，故被排除。在固定总固形物含量为4%时，流变学测定涵盖9:1、8:2、7:3和6:4四种比例。频率扫描结果表明，所有可测凝胶的G'均大于G"，呈典型弹性凝胶行为。总固形物含量升高和明胶比例增加均导致G'和凝胶硬度增大，反映网络交联密度增强。

微观结构表征：SEM和AFM观察显示，凝胶呈现多孔网络结构。总固形物含量较低时孔径较大、网络疏松；总固形物含量升高时网络趋于致密。明胶比例较高的配方呈现更均匀致密的网络，而岩藻多糖比例增加导致网络结构更松散，与流变学结果一致。

花青素包封与储存稳定性：荧光显微镜观察显示花青素均匀分布于凝胶网络内部。包封效率测定结果表明，不同组成的复合凝胶均能有效包封花青素。储存稳定性实验显示，与游离花青素溶液相比，包封于复合凝胶中的花青素在14天储存期内保留率显著提高，表明凝胶基质为花青素提供了有效保护屏障。

Zeta电位分析：在pH 1.5条件下，明胶带正电，岩藻多糖因硫酸基团pKa极低而带负电，二者混合分散液呈现电荷补偿效应。在pH 6.8条件下，体系整体负电荷增强，明胶与岩藻多糖之间的静电吸引减弱、排斥增强，为肠道条件下的网络失稳提供了静电基础。

模拟胃肠道溶胀与结构崩解：在模拟胃液中，复合凝胶表现出有限溶胀，结构保持完整。在模拟肠液中，凝胶发生快速且广泛的结构崩解，宏观可见凝胶结构大部分消失。37°C下结构响应实验进一步证实，凝胶在SGF中保持结构稳定，转入SIF后发生明显崩解，且崩解程度随岩藻多糖比例增加而加剧。

胃肠道释放行为与释放动力学：序贯模拟胃肠道释放实验表明，花青素在胃阶段释放量较低，表明凝胶有效保护了花青素免受胃液降解。转入肠液后，花青素释放量显著增加，累积释放率随岩藻多糖比例升高而增大。部分优化配方实现了接近完全的肠道释放（>95%），显著优于前期明胶-果胶系统约80%的释放水平。释放动力学拟合结果表明，不同配方的释放曲线可由五种模型中的一种或多种较好地描述，反映释放机制受凝胶组成调控。

四、讨论与结论

讨论部分指出，明胶-岩藻多糖复合凝胶的胃肠道响应行为源于两种聚合物间pH依赖的静电平衡。胃条件下（pH 1.5），明胶带正电与带负电的岩藻多糖形成电荷补偿，稳定凝胶网络；肠道条件下（pH 6.8），体系转向更强阴离子状态，静电排斥增强导致网络失稳和广泛崩解，从而促进花青素大量释放。总固形物含量和明胶-岩藻多糖比例共同调控凝胶网络强度、胃保留能力和肠道释放程度：较高总固形物含量和明胶比例增强网络稳定性但可能降低肠道释放程度，而较高岩藻多糖比例促进肠道崩解和释放但可能削弱凝胶形成能力。研究结论为：明胶-岩藻多糖复合凝胶通过组成设计可实现胃部花青素有效保留与肠道近完全释放的功能平衡，为花青素等易降解生物活性成分的胃肠道靶向递送提供了新的材料平台和设计策略。