《Food Chemistry》：Iron-mediated assembly of lactoferrin-alginate composites for iron encapsulation and structural stabilization
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摘要本研究设计了由乳铁蛋白（LF）、海藻酸钠（Alg）和Fe(II)组成的三元复合体系，以探究其作为具有增强蛋白质稳定性的铁递送平台的潜力。三元LF-Alg-Fe（LAF）复合材料的结构取决于LF与Alg的比例以及Fe(II)浓度。当LF与Alg的比例为8:2且最终Fe浓度在20
摘要
本研究设计了由乳铁蛋白（LF）、海藻酸钠（Alg）和Fe(II)组成的三元复合体系，以探究其作为具有增强蛋白质稳定性的铁递送平台的潜力。三元LF-Alg-Fe（LAF）复合材料的结构取决于LF与Alg的比例以及Fe(II)浓度。当LF与Alg的比例为8:2且最终Fe浓度在20至30 mM之间时，体系形成了通过静电相互作用稳定的复合物。富含Alg的配方则形成了由Alg-Fe(II)蛋盒交联稳定的水凝胶。流变学分析和溶胀行为表明，富含LF的复合物具有更高的机械强度，而富含Alg的水凝胶具有更强的网络完整性。热力学研究表明，这些三元体系提高了LF的稳定性，通过圆二色谱（CD）分析证实加热后其二级结构得以保留，并且变性温度升高。此外，在富含LF的配方中，Fe(II)在水溶液中的释放率约为50%，而在富含Alg的配方中则低得多（<10%）。
引言
铁缺乏仍然是全球最普遍的健康问题之一，影响着全球近四分之一的人口，尤其是婴儿、幼儿、孕妇和慢性病患者（Breymann, 2015; Theurl et al., 2009）。尽管铁补充和强化计划广泛实施，但将铁掺入递送体系仍面临若干技术挑战。铁盐具有高反应活性，可催化氧化反应，引起不良的颜色变化，并产生异味，从而对产品质量和消费者接受度产生负面影响（Kumari & Chauhan, 2022）。此外，铁与其他食品成分之间的相互作用可能影响其在加工和储存过程中的稳定性和生物利用度（Hurrell, 2002）。这些挑战促使研究者加大力度开发能够在稳定铁的同时保持其营养功能的递送体系。
为了解决铁在食品基质中的高反应活性，人们探索了多种递送和稳定策略，以提高铁在加工和储存过程中的稳定性，包括使用反应性较低的铁盐、螯合铁复合物、还原剂和包封体系（Dehnad et al., 2024; Hurrell, 2022）。尽管这些方法可以提高铁的稳定性或生物利用度，但在平衡铁载量、释放行为、加工稳定性和食品基质相容性方面仍存在局限性。基于生物聚合物的体系已被证明具有前景，因为它们可以物理限制铁并调节其局部化学环境。因此，人们研究了基于蛋白质、多糖和脂质的体系用于铁的稳定化和受控递送（Gholam Jamshidi et al., 2024; Hatefi & Farhadian, 2020; Noack et al., 2025; Shen et al., 2017）。蛋白质-多糖复合物可以通过静电相互作用形成有序的微结构，提供保护性基质，限制铁与其他食品成分之间发生不良反应，同时保持其生物利用度。
乳铁蛋白（LF）是一种存在于牛奶和其他分泌液中的铁结合糖蛋白，每个分子可以结合两个Fe(III)离子（Rosa et al., 2017）。研究表明，LF可以提高铁的生物利用度并增强铁的吸收，特别是在pH较高且铁溶解度较低的远端肠道中（Bokkhim et al., 2013; Mikulic et al., 2020）。除了其营养相关性外，LF还以其抗菌、抗病毒和抗炎特性而闻名，使其成为食品和营养保健品应用中极具吸引力的功能性成分（Hong et al., 2024; Jenssen & Hancock, 2009; Liu et al., 2018）。然而，LF对热处理敏感，在高温下可能发生结构变化（Bengoechea et al., 2011）。LF的变性不仅降低了其功能特性，还削弱了其有效结合和递送铁的能力。因此，在热处理后保持LF的结构完整性对于扩大其在铁强化和其他营养保健品配方中的应用至关重要。
海藻酸钠（Alg）是一种来源于褐藻的天然阴离子多糖，因其形成清洁标签凝胶的能力而在食品工业中被广泛使用。海藻酸盐带负电荷的羧基与二价阳离子配位，形成离子交联的蛋盒结构（Cofelice et al., 2023; Dash et al., 2023; Hu et al., 2021）。这些蛋盒单元进一步通过氢键连接，形成三维水凝胶网络（Hu et al., 2021）。多项研究表明，Alg通过静电相互作用增强了LF的热稳定性，同时保留了其铁结合能力，使LF-Alg体系成为有前景的铁递送载体（Bastos et al., 2018; Bokkhim et al., 2015）。蛋白质-多糖相互作用与离子介导交联的结合为设计具有可调结构和改善稳定性的铁递送混合体系提供了机会。铁在此类体系中可能发挥双重作用，既作为微量营养素，又作为促进网络形成的配位交联剂。然而，由LF、Alg和铁组成的三元体系的结构组织和稳定性仍知之甚少。
基于已报道的LF和Alg之间的稳定性增强作用以及铁的交联特性，我们假设LF和Alg之间的静电相互作用将协同促进LF-Alg-Fe（LAF）三元复合体系的形成，该体系有助于保护LF免受热变性，并提供一种Fe(II)递送方法。我们预计此类结构可为LF提供保护性环境，同时实现铁在网络内的包封。
在本研究中，我们报道了三元LAF复合物的形成及其结构依赖性特性。考察了LF/Alg比例和Fe(II)浓度对结构结果的影响，以确定导致静电复合物形成或水凝胶网络形成的条件。此外，对复合物的流变行为、溶胀性质和微观结构进行了表征，以评估其结构稳定性。最后，研究了复合物中LF的热稳定性以及铁在水环境中的保留情况，以评估该体系作为蛋白质稳定化铁递送平台的潜力。
章节片段
材料
牛乳铁蛋白（Bioferrin 2000；铁含量>15 mg/100 g）购自Glanbia Nationals, Inc.（美国威斯康星州菲奇堡）。食品级海藻酸钠购自Modernist Pantry, LLC（美国缅因州埃利奥特）。试剂级七水合硫酸亚铁、氯化钠、十二烷基硫酸钠和l-抗坏血酸购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。试剂级氢氧化钠、盐酸和尿素购自Fisher Scientific（美国新罕布什尔州汉普顿）。乙酸铵
LAF的形成机制
为了确定Fe(II)浓度和LF/Alg比例在三元体系结构决定中的作用，在Fe(II)浓度从0到30 mM以及LF/Alg比例从8:2到2:8的条件下制备了样品。所得材料首先通过目视观察（试管倒置）进行评估，然后通过其Zeta电位进行评估（图1）。
在无Fe(II)和低Fe(II)浓度（≤10 mM）条件下，未观察到稳定的水凝胶（图1A和B）。LF-Alg比例为
结论
通过结合LF和海藻酸盐之间的静电相互作用以及Fe诱导的海藻酸盐凝胶化，开发了一种简单有效的LF-Fe共包封体系。通过调节LF与Alg的比例和Fe(II)浓度，三元体系表现出明显的结构转变，从较高LF比例下的复合物到较高Alg含量下的水凝胶网络。
在较高LF比例下，体系以静电复合为主，而随着Alg含量增加和
生成式人工智能声明
作者证明在准备本文时未使用生成式人工智能。使用了非生成式人工智能，如Office 365和Google Docs中的拼写和语法检查器，以及引文管理软件。所有使用非生成式人工智能的情况均已由作者和编辑审查。
CRediT作者贡献声明
Yunan Huang: 写作 – 审阅与编辑, 写作 – 原稿, 调查, 形式分析, 数据管理, 概念化。 Tiantian Lin: 写作 – 审阅与编辑, 方法学, 调查, 概念化。 Waritsara Khongkomolsakul: 写作 – 审阅与编辑, 调查。 Jieying Li: 写作 – 审阅与编辑, 形式分析。 Claire Elizabeth Noack: 写作 – 审阅与编辑, 调查。 Younas Dadmohammadi: 写作 – 审阅与编辑, 监督, 资金获取。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本项目由比尔及梅琳达·盖茨基金会（INV-039533）资助。作者感谢NSF通过康奈尔大学材料研究科学与工程中心 DMR-1719875提供的设施和仪器使用支持。
Yunan Huang|Tiantian Lin|Waritsara Khongkomolsakul|Jieying Li|Claire Elizabeth Noack|Younas Dadmohammadi|Alireza Abbaspourrad
