Ca2+交联与微球尺寸对负载DHA的海藻酸钙-乳清蛋白凝胶微球网络崩解和消化作用的共同影响

《Food Hydrocolloids》：Combined effects of Ca2+ crosslinking and microsphere size on network disintegration and digestion of DHA-loaded calcium alginate-whey protein gel microspheres

　　

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  开发了结构可调的载DHA的CA-WPI凝胶微球。
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  Ca²⁺浓度通过蛋盒交联控制凝胶致密度。
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  微球尺寸决定了消化过程中酶的扩散距离。
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  双重结构调控使游离脂肪酸释放量从32.9%提高到63.9%。
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  水凝胶架构实现了胃肠道脂质释放的可程序化控制。

引言

二十二碳六烯酸（DHA）是一种长链ω-3多不饱和脂肪酸，对神经发育、认知功能和心血管健康至关重要，膳食指南中通常推荐成年人的每日摄入量在250–500 mg范围内（Weiser, Butt & Mohajeri, 2016）。然而，其高度不饱和的特性使得DHA在光照、高温和氧气暴露条件下极易被氧化，同时其水溶性极低（< 0.1 mg/mL），导致其胃肠道稳定性有限且口服生物利用度降低（Chen, Wu, Hu, Wang, Jin & Chen, 2025; Jiang, Hu, Huang, Chen & Wu, 2024; Nain et al., 2021）。因此，这些限制促使人们对能够在胃转运过程中保护DHA同时实现高效肠道释放和消化的递送系统产生了越来越浓厚的兴趣。

基于脂质的乳化和包封系统已被广泛探索以提高DHA的稳定性和吸收率。高压均质化和超声处理等加工策略显著影响液滴尺寸、界面特性和脂质消化动力学（Chen, Wu, Hu, Wang, Jin & Chen, 2025）。据报道，液滴尺寸在200–800 nm范围内的乳化系统可将游离脂肪酸（FFA）的释放量从体相油中的约18%提高至体外消化后的30%以上。类似地，由不同蛋白质–多糖壁材配制而成的DHA微胶囊表现出显著不同的消化行为，FFA释放值在27%至68%之间变化，具体取决于配方组成和DHA来源（Hu, Wu, Chen, Wang, Jin & Chen, 2023; Hu, Wu, Wang, Wu & Chen, 2022; Jiang, Hu, Chen & Wu, 2025）。这些结果表明，DHA的释放和消化动力学不仅受配方组成的影响，还受到载体系统结构特征的强烈影响。

在各种载体材料中，海藻酸钠（SA）基水凝胶因其生物相容性、温和的凝胶化条件和可调的网络结构而尤其引人注目。SA可通过经典的"蛋盒"模型与Ca²⁺形成离子交联水凝胶，其中Ca²⁺浓度直接调节交联区密度和网络致密度（Braccini & Pérez, 2001; Cao, Lu, Mata, Nishinari & Fang, 2020）。然而，纯SA凝胶通常具有较大的孔结构和较高的水渗透性，这可能在胃消化过程中引起酸触发的收缩和包封脂质的过早释放（Zou et al., 2020）。

为克服这些限制，蛋白质–多糖杂化系统已被开发出来。乳清蛋白分离物（WPI）是一种两亲性生物大分子，在加工或环境触发下可发生部分展开，暴露疏水区和活性基团。这些基团通过静电吸引、氢键和疏水相互作用与海藻酸相互作用，形成具有改善结构完整性的互穿或半互穿网络（Hou et al., 2024）。这种复合凝胶能够更好地抵抗胃侵蚀，同时实现肠道触发的崩解，使其成为DHA递送的潜在载体。然而，关于SA-WPI系统的大部分先前的研究主要集中在配方组成或包封效率上，而网络致密度与消化过程中颗粒尺度传质阻力之间的耦合作用仍然知之甚少。

已公认的是，水凝胶微球的消化行为不仅由网络组成决定，还由跨越多个尺度的层级结构参数决定。在微观尺度上，Ca²⁺浓度控制凝胶基质内的交联密度、网孔尺寸和局部扩散阻力。在宏观尺度上，微球尺寸决定了胃肠道消化过程中的扩散距离、表面积与体积比以及酶渗透深度（Zhang et al., 2016）。尽管消化过程中的结构降解同时涉及酶扩散、基质水合、网络松弛和脂质释放，但先前的研究主要独立地研究了这些参数。最近证据进一步表明，水凝胶系统的消化崩解由网络致密度与传质限制之间的多尺度耦合控制，而非单一结构变量（Pedrali, Scarafoni, Giorgi & Lavelli, 2023）。然而，关于Ca²⁺调控的网络架构和微球尺寸如何影响SA-WPI复合凝胶中的消化动力学和FFA释放的系统性理解仍然有限。

基于上述理由，我们假设Ca²⁺浓度可能影响网络致密度和抗酶解降解能力，而微球尺寸可能影响扩散距离和凝胶基质的可及性。它们的联合作用预计会影响基质降解和脂质消化的进程。为验证这一假设，我们制备了具有系统变化的Ca²⁺浓度和微球尺寸的载DHA的CA-WPI复合凝胶微球。在模拟的体外胃肠道条件下评估了它们的结构演变、胃肠道稳定性和脂质消化行为，特别关注FFA释放以及凝胶结构与消化行为之间的关系。研究结果提供了关于Ca²⁺依赖性网络结构和微球尺寸如何影响蛋白质–多糖凝胶系统中消化行为的见解，并为设计针对易氧化亲脂性营养素的递送系统提供了基础。

章节片段

材料

海藻酸钠（SA，粘度：200 ± 20 mPa·s，在20 °C下对1 wt%溶液以10 s^-1剪切速率测量，产品编号：9005-38-3）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。乳清蛋白分离物（WPI，蛋白质含量：91 g/100 g干基）购自大维斯科食品国际公司（美国明尼苏达州）。DHA（DHA含量：80%，产品编号：25167-62-8）由奥特赛苏州科技有限公司（中国苏州）提供。胃蛋白酶（来自猪胃黏膜，P1725）和胰酶

ζ电位

ζ电位反映了乳化体系的表面电荷特性和胶体稳定性。如表1所示，DHA-SA-WPI乳液表现出强负ζ电位?52.9 ± 0.5 mV，表明其是一种高度稳定的分散体系。如此高的绝对ζ电位值通常与液滴间的强静电排斥力相关，从而减少了储存和加工过程中的液滴聚集（Chen, Wu, Hu, Wang, Jin & Chen, 2025; Jiang, Hu, Chen &

结论

本研究表明，微球尺寸和Ca²⁺浓度是影响载DHA的CA-WPI复合凝胶微球胃肠道消化行为的重要配方参数。在较低Ca²⁺浓度（0.05 M）下制备的较小微球（20 G，2.61 mm）表现出更显著的结构降解和最高的最终FFA释放量（63.92 ± 0.96%），而在0.30 M Ca²⁺下交联的较大微球（10 G，4.28 mm）表现出较慢的结构降解

利益冲突声明

没有利益冲突需要声明。

CRediT作者贡献声明

曾思平：撰写——初稿，方法论，数据整理。朱洪盼：调查研究，数据整理。包星宇：方法论，形式分析。段苏芳：撰写——审阅与编辑。王霓：监督。陈晓东：监督，资源，项目管理。刘松科：撰写——初稿，方法论，调查研究，形式分析，数据整理。吴鹏：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取，概念化

未引用参考文献

Ballard等人，2023；Dong等人，2022；Hu等人，2022；Luo等人，2015；Lv等人，2022；Malektaj等人，2023；Schmieg等人，2020；Weiser等人，2016；Wu等人，2024；Zhang等人，2016。

利益冲突声明

本研究不存在需要申报的经济利益。论文标题为《Ca²⁺交联与微球尺寸对载DHA的海藻酸钙–乳清蛋白凝胶微球网络崩解与消化的联合作用》。

致谢

本工作部分由国家乳业技术创新中心（NO. 2025-KFKT-011）和江苏省自然科学基金（NO. BK20220492）资助。

刘松科|吴鹏|曾思平|朱洪盼|包星宇|段苏芳|王霓|陈晓东