《Food Chemistry: X》：Pickering emulsion stabilized by whey protein-carboxylated cellulose nanofiber composite for oral capsaicin delivery: Interfacial structure, physicochemical stability and antibacterial efficacy
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辣椒素（capsaicin, CAP）作为辣椒中主要的辛辣生物碱，是一种亲脂性香草酰胺类化合物，具有广泛的药理活性，但其水溶性差、化学稳定性低及高浓度时的黏膜刺激性严重限制了其应用。本研究开发了一种新型食品级乳清蛋白（whey protein, WP）-羧基化
辣椒素（capsaicin, CAP）作为辣椒中主要的辛辣生物碱，是一种亲脂性香草酰胺类化合物，具有广泛的药理活性，但其水溶性差、化学稳定性低及高浓度时的黏膜刺激性严重限制了其应用。本研究开发了一种新型食品级乳清蛋白（whey protein, WP）-羧基化纤维素纳米纤维（carboxylated cellulose nanofibers, CCNs）复合纳米颗粒（WCNs）作为Pickering稳定剂，用于制备负载CAP的Pickering乳液，旨在提升CAP的化学稳定性与口服生物可利用度。研究人员系统探究了WP/CCNs质量比对WCNs理化性质、结构特征及乳化性能的影响，并通过多尺度光谱与显微表征结合体外胃肠消化模型，揭示了协同界面稳定机制及CAP的胃肠道释放行为。结果表明，WP与CCNs通过静电复合和氢键相互作用形成了致密且具有粘弹性的界面膜，其中CCNs与WP质量比为4:1（C4W1）的复合颗粒粒径最小、疏水性最高且抗氧化能力最优。由其稳定的Pickering乳液展现出优异的抗热、抗紫外及抗高盐食品加工胁迫能力，显著降低了CAP在胃相中的释放并大幅提升了其口服生物可利用度。该研究为构建适用于CAP及其他亲脂性食品功能成分的天然生物聚合物Pickering递送载体提供了创新理论基础与实践技术参考。
研究背景与科学问题
辣椒素（capsaicin, CAP）是辣椒中主要的辛辣生物碱，作为一种瞬时受体电位香草酸亚型1（transient receptor potential vanilloid 1, TRPV1）的选择性激动剂，不仅赋予辣椒独特的辛辣风味，还具有镇痛抗炎、诱导肿瘤细胞凋亡的抗肿瘤活性、通过激活棕色脂肪组织促进能量消耗的代谢调节作用，以及显著的抗氧化和神经保护功能。然而，CAP的亲脂性导致其水溶性差、口服生物可及性低；其分子结构中的酰胺键和酚羟基使其在光、热和碱性条件下易降解；高浓度时还可能引起黏膜刺激和灼烧感等不良反应。这些局限性凸显了开发新型递送系统以增强CAP稳定性和生物可及性的必要性。
在众多包封策略中，由固体胶体颗粒稳定的Pickering乳液因其独特的界面稳定机制和控释性能而受到广泛关注。与传统小分子表面活性剂稳定的乳液不同，Pickering乳液依赖纳米或微米级固体颗粒在油-水界面的不可逆吸附形成致密的物理屏障，从而赋予体系优异的长期稳定性以及对pH、温度和离子强度波动的强耐受性。此外，使用食品级天然生物聚合物颗粒替代合成表面活性剂作为稳定剂，使Pickering乳液具有更优越的生物相容性和更高的食品安全性。
乳清蛋白（whey protein, WP）作为一种高营养价值的牛乳乳清来源蛋白复合物，具有良好的自组装能力、乳化性能、生物相容性和易于修饰的特性，已被广泛用作食品级递送载体的构建单元。但单一蛋白质存在热变性敏感、胃环境中快速降解及批次间差异大等局限，通常需要通过复合形成或化学修饰来增强性能。羧基化纤维素纳米纤维（carboxylated cellulose nanofibers, CCNs）源自纤维素纳米晶（cellulose nanocrystals, CNCs）的化学氧化，其骨架上接枝了带负电的羧基（-COOH）。与刚性的棒状CNCs相比，具有纤维网络结构的CCNs表现出更强的静电排斥力、更好的胶体分散性和更优的乳液稳定性能。已有研究探索了蛋白质-纤维素纳米纤丝复合体系用于CAP递送，例如鹰嘴豆分离蛋白（chickpea protein isolate, CPI）与纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils, CNFs）稳定的Pickering乳液实现了高包封率和改善的生物可及性。然而，该体系依赖于植物源豆类蛋白，其本身溶解性差且对环境敏感，其稳定化主要由CNFs的物理缠结主导而非蛋白质构象调控。相比之下，本研究采用具有明确自组装行为和优异乳化能力的动物源WP，结合CCNs，通过静电复合和氢键作用有意调控WP在界面上的构象，形成更具内聚性和粘弹性的界面膜。这种组合的优势不仅在于用一种稳定剂替代另一种，更在于WP的构象柔性与CCNs的结构刚性之间的协同作用，共同调控CAP的胃肠道释放并提高其生物可及性，这是任一单独组分无法实现的。
研究方法概述
研究人员首先通过改变WP与CCNs的质量比制备了一系列复合纳米颗粒（WCNs），采用动态光散射测定粒径，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析分子间相互作用，荧光光谱监测蛋白质构象变化，X射线衍射（XRD）表征晶体结构，接触角测量仪评估表面疏水性，扫描电子显微镜（SEM）观察形貌，以及DPPH和ABTS自由基清除实验评价抗氧化活性。随后，以WCNs为稳定剂制备Pickering乳液（WCNem），通过光学显微镜、流变学分析、离心保水性测试、氧化稳定性测定及荧光显微镜等手段表征乳液性能。进一步制备负载CAP的乳液，评估其在紫外照射、离子强度和热处理条件下的稳定性，并采用模拟胃肠消化模型考察CAP的释放、保留率及生物可及性。
研究结果
2.2节 WCNs的制备与表征
2.2.2 粒径：随着CCNs比例增加，WCNs粒径呈先减小后增大的趋势。C4W1样品（CCNs:WP=4:1）粒径最小，表明在该比例下WP与CCNs通过静电复合形成了最紧凑的结构。
2.2.3 FT-IR：FT-IR光谱显示WP与CCNs之间存在氢键和静电相互作用。CCNs的引入使WP的酰胺I带和酰胺II带发生位移，证实了两者间的分子间相互作用改变了蛋白质的二级结构。
2.2.4 荧光光谱：随着CCNs含量增加，WCNs的荧光强度逐渐降低并发生蓝移，表明CCNs与WP的结合导致色氨酸残基暴露于更疏水的微环境，蛋白质构象发生变化。
2.2.5 XRD：XRD图谱显示WCNs保留了CCNs的特征衍射峰，同时WP的非晶态特征也得以保持，表明复合过程未破坏各组分的晶体结构。
2.2.6 水接触角：水接触角测量结果显示，纯WP（C0W5）接触角较小（亲水），纯CCNs（C5W0）接触角较大（疏水）。复合后WCNs的接触角介于两者之间，其中C4W1表现出最高的接触角值，即最佳的疏水性，有利于颗粒在油水界面的吸附。
2.2.7 SEM：SEM图像显示，WP呈球状颗粒，CCNs呈细长的纤维状网络结构。复合后的WCNs中，WP颗粒均匀分布在CCNs纤维网络上，形成致密的复合结构。
2.2.8 DPPH和ABTS自由基清除活性：抗氧化活性测试表明，所有WCNs均表现出一定的自由基清除能力，其中C4W1样品的DPPH和ABTS清除率最高，显示出最优的抗氧化性能，这归因于WP中氨基酸残基与CCNs的协同效应。
2.3节 WCNem的制备与表征
2.3.2 储存稳定性：经过21天室温储存，C4W1em未出现明显分层或相分离，液滴尺寸保持稳定，而其他比例的乳液出现不同程度的乳析或聚集，证明C4W1em具有最佳的长效储存稳定性。
2.3.3 流变学分析：所有WCNem均表现出剪切稀化行为（假塑性流体特性）。C4W1em的表观粘度最高，这与其最小的液滴尺寸和最紧密的界面堆积有关，有利于抵抗液滴聚并。
2.3.4 显微镜分析：光学显微镜观察显示，C4W1em的液滴尺寸最小且分布最均匀，液滴形态规则，无明显聚集现象。
2.3.5 离心稳定性：离心保水性测试中，C4W1em的保水率最高，表明其在水相中保持水分的能力最强，结构最为致密稳定。
2.3.6 氧化稳定性：在加速氧化实验中，C4W1em产生的初级氧化产物（氢过氧化物）和次级氧化产物（丙二醛，MDA）含量均最低，说明其界面屏障有效抑制了油脂氧化。
2.3.7 荧光显微镜：荧光染色共定位显示，尼罗红标记的油滴被卡尔科弗卢尔白标记的CCNs所包裹，证实CCNs成功吸附在油水界面形成保护层。
2.4节 CAP负载WCNem的制备与表征
2.4.2 胁迫条件稳定性：在紫外照射12小时过程中，C4W1em的液滴尺寸和zeta电位变化最小，PDI保持稳定，表明其对紫外辐射具有出色的抵抗力。在不同NaCl浓度（30-300 mM）下，C4W1em的粒径和电位波动极小，显示出良好的耐盐性。在50-90°C热处理30分钟后，C4W1em仍保持较小的液滴尺寸和较高的绝对值zeta电位，证明了其优异的热稳定性。
2.4.3 体外胃肠消化：
(1) 液滴特性和微观结构：在模拟胃消化阶段，C4W1em的液滴尺寸增大程度最小，zeta电位绝对值下降幅度最小；进入肠相后，C4W1em的液滴结构破坏程度最轻，保持了相对完整的界面结构。
(2) CAP释放、保留和生物可及性：在胃相中，C4W1em的CAP释放率最低（显著低于其他组），有效减少了CAP在酸性环境中的损失。在肠相中，C4W1em实现了持续可控的CAP释放。最终，C4W1em的CAP保留率最高，其口服生物可及性（bioaccessibility）达到最大值，较纯WP稳定的乳液提高了约2倍。
讨论与结论
研究人员通过系统比较发现，WP与CCNs的最佳复合比例为4:1（C4W1），在此比例下，两者通过静电相互作用和氢键形成了结构紧凑、疏水性强且抗氧化活性优异的复合纳米颗粒。这些颗粒在油水界面形成致密且具有粘弹性的界面膜，赋予了Pickering乳液卓越的物理化学稳定性，包括抗热、抗紫外、抗高盐及抗氧化能力。更重要的是，该界面屏障在模拟胃消化过程中有效抑制了CAP的过早释放，保护CAP免受胃酸和酶的降解，并在肠道中实现持续释放，从而大幅提升了CAP的口服生物可及性。研究结论指出，这种基于WP与CCNs协同作用的Pickering乳液递送系统为CAP以及其他亲脂性食品功能成分的高效口服递送提供了一种绿色、安全且高效的策略，具有重要的理论意义和实际应用价值。
