CMCS/κ-卡拉胶水凝胶与中试规模的蛋壳膜肽结合：抗氧化稳定性及缓释效果

《Food Bioscience》：CMCS/κ-carrageenan hydrogels incorporating pilot-scale eggshell membrane peptides: Antioxidant stability and sustained release

　　

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  通过酶解将蛋壳膜转化为抗氧化剂EMP。
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  将EMP作为活性成分加入CMCS/KC水凝胶基质中。
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  CMCS/KC-EMP的抗氧化活性比维生素C凝胶更持久。
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  CMCS/KC水凝胶能够实现EMP的持续释放和跨膜传递。

引言

食品工业副产品的增值利用是推动食品加工绿色转型和可持续发展的关键策略。蛋壳膜（ESM）是鸡蛋加工过程中产生的重要副产品，含有丰富的类胶原蛋白、糖蛋白、透明质酸、含硫氨基酸以及其他潜在的生物活性成分，这为其增值利用提供了巨大潜力（Liang等人，2024年）。然而，由于其紧密的结构、高度交联以及较低的水溶性，ESM的直接加工和功能开发受到限制（Kulshreshtha等人，2022年）。酶解可以破坏ESM中高度交联的蛋白质网络，并释放出具有增强生物活性的蛋壳膜肽（EMP）（Li等人，2024年）。迄今为止，大多数关于EMP的研究集中在实验室规模的制备和活性评估上，而关于放大条件下的过程稳定性、产率和产品特性的信息仍然有限。因此，将EMP生产从实验室规模转化为中试规模是进一步开发和利用的重要一步。

适当的递送形式对于保持EMP的生物活性和拓宽其应用范围也至关重要。游离的生物活性肽在局部应用后容易被迅速清除，导致局部保留时间有限；因此，需要合适的递送基质来调控其在应用部位的停留和释放行为（T. Zhang等人，2026年）。水凝胶具有高度水合的三维网络，可以通过网络结构和分子间相互作用来调节活性成分的扩散和释放，同时其柔软性和可调的流变性能也有利于局部递送（Norahan等人，2023年）。天然聚合物，特别是天然多糖，通常具有良好的生物相容性和低细胞毒性，并含有丰富的官能团，可以通过非共价相互作用形成结构可调的水合网络，从而为材料的安全性、分子加载和释放调控提供有利条件（R. Wang等人，2025年）。魔芋葡甘聚糖/鱼明胶复合水凝胶已被用于马钱子碱的负载（Zhou等人，2020年），而物理交联的卡拉胶/槐胶/明胶系统则实现了VEGF的负载和释放（Pettinelli等人，2020年）。这些研究表明，天然聚合物的网络可调性和良好的生物相容性为生物活性肽的递送提供了重要的材料基础。然而，使用生物活性肽作为水凝胶系统中功能成分的研究仍然相对有限（Manjili等人，2024年），肽与水凝胶网络之间的相互作用及其对释放行为的影响尚未完全阐明。

羧甲基壳聚糖（CMCS）和κ-卡拉胶（KC）具有良好的结构互补性。CMCS是一种通过向壳聚糖主链引入羧甲基基团而获得的水溶性衍生物，其分子链中含有氨基、羧基和羟基，为分子间相互作用提供了丰富的位点（Z. Yan等人，2025年）。先前的研究使用基于CMCS的水凝胶来负载超氧化物歧化酶和重组人表皮生长因子，实现了生物活性大分子的局部递送和持续释放（Chang等人，2022年）。KC是一种富含硫酸基团的阴离子多糖，其特征性的卷曲到螺旋的转变以及随后的螺旋聚集使其在温度响应性水凝胶及相关递送系统研究中得到广泛应用。基于卡拉胶的物理交联水凝胶已被报道能够实现负载活性化合物的温度依赖性释放（Gholamipour-Shirazi等人，2021年），而κ-卡拉胶/槐胶系统在37°C时也表现出温度敏感的膨胀和持续的药物释放（Pettinelli等人，2020年）。因此，CMCS/KC系统不仅为物理交联网络的形成提供了结构基础，也为研究温度依赖性的网络行为和活性化合物的释放提供了合适的平台。

本研究建立了一种中试规模的酶解工艺来生产EMP，随后构建了一种物理交联的CMCS/KC-EMP水凝胶。研究重点在于阐明水凝胶在加入EMP后的结构特性、分子间相互作用和功能保持能力，并评估其温度依赖性的物理行为、EMP的释放以及跨膜传递性能。此外，还进行了初步的体内评估，以进一步评估其生物功能潜力。本研究为ESM的增值利用和EMP的中试应用提供了理论和技术支持。

章节片段

材料

蛋壳膜（ESM）由中国安徽荣大食品有限公司提供。碱性蛋白酶购自中国湖北天使酵母有限公司。L-半胱氨酸购自中国河南郑州旭兴食品添加剂有限公司。CMCS（取代度≥80%，产品编号C832672）购自中国上海麦克林生化有限公司。ABTS购自中国上海源叶生物科技有限公司。Caco-2细胞的完全培养基购自美国HyClone。

中试规模下最优水解条件的筛选

中试生产是将实验室工艺转化为实际制造的重要中间步骤，因为放大过程中热传递和质量传递的变化可能会影响酶解效果（Da Silva等人，2020年）。因此，在实验室规模确定的水解条件下，进一步评估了底物加载量和水解时间对中试规模EMP生产的影响。随着ESM批次加载量从1.0千克增加到2.5千克，

结论

本研究建立了一种中试规模的酶解工艺来生产EMP，随后通过冻融法开发了一种物理交联的CMCS/KC-EMP水凝胶。该水凝胶形成了一个相互连接的多孔网络，具有剪切稀释行为，并通过静电相互作用、氢键和疏水相互作用得到稳定。加入EMP后，在20天的储存期内保持了持续的抗氧化活性。CMCS/KC-EMP还表现出温度依赖性的物理

CRediT作者贡献声明

黄曦：写作 – 审稿与编辑，监督，方法学，资金获取，概念构思。宁彤：写作 – 审稿与编辑，数据管理。胡鹏：写作 – 初始草稿，研究，数据管理。王毅：资源，方法学。胡伟：资金获取。杨然：写作 – 审稿与编辑，写作 – 初始草稿，软件，研究，数据管理

未引用的参考文献

Wang等人，2025年；Yang等人，2025年；Zhang等人，2025年。

伦理声明

本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究已获得华中农业大学动物伦理委员会的批准（批准编号HZAUMO-2025-0526）。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2025YFE0117800）和枣庄关键研发计划——国家可持续发展议程创新示范区专项科学技术项目（2025SFQZX15）的资助。

Ran Yang|Peng Hu|Tong Ning|Wei Hu|Yi Wang|Xi Huang