《Food Structure》：Stability and lipolysis of W/O HIPEs under gastrointestinal conditions: Effects of fluid dynamics in static and microfluidic models
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：高内相乳液（HIPEs）是分散相体积分数至少为74%的胶体体系，其液滴紧密堆积并形成高度粘弹性的网络结构。水包油（W/O）型HIPEs在食品应用中备受关注，因其有望在低脂基质中模拟传统脂肪体系，并可作为生物活性化合物的递送系统。然而，这类乳化体系的开发不仅需
：高内相乳液（HIPEs）是分散相体积分数至少为74%的胶体体系，其液滴紧密堆积并形成高度粘弹性的网络结构。水包油（W/O）型HIPEs在食品应用中备受关注，因其有望在低脂基质中模拟传统脂肪体系，并可作为生物活性化合物的递送系统。然而，这类乳化体系的开发不仅需要控制配方与加工条件，还需深入理解其胃肠道命运。在消化过程中，体系的动态行为可能影响脂质水解、分散水相的释放以及包封化合物的生物可及性。W/O HIPEs的消化涉及界面重构、液滴聚并和逐步失稳，可能促进脂解过程中向类O/W分散体的局部或部分转变。乳化剂和油凝胶剂的选择对W/O HIPEs的结构组织和消化行为起决定性作用。聚甘油聚蓖麻醇酸酯（PGPR）是稳定W/O乳液最有效的低亲水亲油平衡值（HLB）乳化剂之一，而向日葵蜡（SW）作为天然油凝胶剂，通过在连续油相中形成结晶网络来增强机械强度并限制液滴迁移。经可控水解得到的向日葵蜡（HSW）表现出不同的结晶行为并形成较弱的网络结构。鉴于胃肠道消化的复杂性，体外模型被广泛用于评估食品基质的消化行为。静态体外消化试验因其简单和经济高效常作为主要筛选工具，但无法复制人体胃肠道的连续流动和受限管道条件。作为替代方案，微流控装置能够更准确地模拟体内条件，具有低成本和高重现性，可精确控制流速、浓度和模拟消化液的添加时序。尽管已有研究关注W/O HIPEs的配方、流变学和物理稳定性，但对其在胃肠道消化过程中微观结构演变的研究相对较少，且几乎完全依赖传统静态体外消化模型。在此背景下，本研究通过比较传统静态消化模型与半动态微流控平台，探讨了可控流体动力学对W/O HIPEs结构演变和脂质消化的影响。研究假设肠道消化过程中的可控流体动力学将改变W/O HIPEs的结构演变和脂质水解。因此，本研究通过与标准化INFOGEST静态消化模型对比，为流体动力学在向日葵蜡稳定的W/O HIPEs微观结构演变和脂解中的作用提供了机制性见解。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
高内相乳液（High Internal Phase Emulsions, HIPEs）是分散相体积分数不低于74%的胶体体系，其液滴紧密堆积形成高度粘弹性的三维网络结构。水包油（Water-in-Oil, W/O）型HIPEs在食品工业中具有广阔应用前景，一方面可作为低脂基质中传统脂肪体系的替代品，另一方面可作为生物活性化合物的递送载体，用于开发具有改善营养品质的功能性食品。此外，其高度结构化的架构使其在涂抹酱、糖果产品和结构化食用油脂等工业应用中具有吸引力。
然而，W/O HIPEs的开发不仅需要控制配方与加工条件，还必须深入理解其在胃肠道中的消化命运。消化过程中，体系的动态行为可能影响脂质水解、分散水相的释放以及包封化合物的生物可及性。W/O HIPEs的消化涉及界面重构、液滴聚并和逐步失稳，可能促进脂解过程中向类O/W分散体的局部或部分转变。这些结构转变可能改变脂肪酶对脂质界面的可及性，从而影响脂质消化的速率和程度。
乳化剂和油凝胶剂的选择对W/O HIPEs的结构组织和消化行为起决定性作用。聚甘油聚蓖麻醇酸酯（Polyglycerol Polyricinoleate, PGPR）是最有效的低亲水亲油平衡值（HLB）乳化剂之一，能显著降低界面张力并促进高浓度分散相的形成。相比之下，向日葵蜡（Sunflower Wax, SW）作为天然油凝胶剂，通过在连续油相中形成结晶网络来增强机械强度并限制液滴迁移。经可控水解得到的向日葵蜡（Hydrolyzed Sunflower Wax, HSW）表现出不同的结晶行为并形成较弱的网络结构，这为研究蜡微结构差异如何影响乳液稳定性和脂质消化提供了契机。
鉴于胃肠道消化的复杂性，体外模型被广泛用于评估食品基质的消化行为。静态体外消化试验因其简单和经济高效常作为主要筛选工具，但无法复制人体胃肠道的连续流动和受限管道条件。静态系统不能重现连续流体流动和受控剪切力等流体动力学现象，这些现象可能影响消化过程中的质量传递、酶转运和新脂质界面的暴露。作为替代方案，微流控装置能够更准确地模拟体内条件，具有低成本和高重现性，可精确控制流速、浓度和模拟消化液的添加时序，被视为半动态系统。
尽管已有研究关注W/O HIPEs的配方、流变学和物理稳定性，但对其在胃肠道消化过程中微观结构演变的研究相对较少，且几乎完全依赖传统静态体外消化模型。本研究在此背景下，通过比较传统静态消化模型与半动态微流控平台，探讨了可控流体动力学对W/O HIPEs结构演变和脂质消化的影响。
二、研究内容与主要结论
研究人员假设肠道消化过程中的可控流体动力学将改变W/O HIPEs的结构演变和脂质水解。通过比较标准化INFOGEST静态消化模型与半动态微流控平台，研究揭示了流体动力学在向日葵蜡稳定的W/O HIPEs微观结构演变和脂解中的作用机制。研究结果表明，向日葵蜡在稳定W/O HIPEs方面优于水解向日葵蜡；HSW-HIPEs表现出比SW-HIPEs更高的表观脂解程度；层流微流控条件下的脂解低于静态消化；静态和微流控模型在HIPEs间的脂解趋势上表现一致。
三、关键技术方法
研究人员采用多种关键技术手段开展研究。首先制备了由PGPR单独或与向日葵蜡（SW）及水解向日葵蜡（HSW）复合稳定的W/O HIPEs（80%水相）及简单乳液（S.E.，30%水相），通过滴加法结合转子-定子均质实现乳化。其次，采用标准INFOGEST协议进行静态体外消化（口腔、胃、肠道阶段），并利用软光刻技术制备PDMS微流控芯片，构建半动态肠道消化平台，通过压力驱动系统控制流速和停留时间。表征手段包括激光衍射测定液滴尺寸分布、光学与荧光显微镜观察微观结构、pH-stat滴定定量游离脂肪酸释放，以及高效液相色谱（HPLC）分析脂质谱。
四、研究结果
4.1 乳液制备与初始结构表征
研究人员制备了五种W/O HIPEs（PGPR-HIPE对照、SW-HIPE 0.5、SW-HIPE 2.0、HSW-HIPE 0.5、HSW-HIPE 2.0）及一种简单乳液（S.E.）。所有HIPEs均含80%水相和0.5% PGPR，蜡含量为0.5%或2.0%。乳液在80±2°C下制备，经冰浴冷却后于6-8°C储存至少24小时。通过激光衍射和显微镜对初始液滴尺寸分布和微观结构进行了表征。
4.2 静态体外消化过程中的结构演变
在静态INFOGEST消化条件下，研究人员对各阶段（口腔、胃、肠道）的消化物进行了微观结构和液滴尺寸分析。结果显示，不同配方的W/O HIPEs在消化过程中表现出差异化的结构演变行为，蜡的类型和浓度显著影响消化过程中的液滴聚并和界面重构。
4.3 微流控肠道消化与流体动力学影响
研究人员构建了由两个PDMS微芯片组成的连续微流控消化系统，通过PTFE管连接，总停留时间约2小时15分钟。微芯片1采用流动聚焦几何结构实现胃相与肠相的充分混合，微芯片2用于最终可视化。系统在37°C下运行，入口A（胃消化物）和入口B（肠液、酶和胆盐）分别以225 mbar和220 mbar压力驱动，实现约1:1的体积流量比。微流控系统的流速（1.4×10?3 m/s）和雷诺数（0.42）远低于静态系统（460×10?3 m/s，12626），更接近体内条件（0.17-20×10?3 m/s，20-50）。
4.4 脂解程度定量分析
通过pH-stat滴定法测定游离脂肪酸释放量，研究人员发现HSW-HIPEs在静态消化中表现出比SW-HIPEs更高的表观脂解程度。在微流控层流条件下，所有配方的脂解程度均低于静态消化，表明流体动力学条件对脂解有显著影响。尽管两种模型的脂解绝对值存在差异，但各HIPEs之间的脂解趋势保持一致，验证了微流控平台作为半动态消化模型的可靠性。
4.5 脂质谱分析
通过HPLC分析，研究人员对消化后样品的脂质组成进行了定量，包括甘油三酯、甘油二酯、甘油单酯和游离脂肪酸等组分的分布，进一步确认了不同配方和消化条件下的脂解程度差异。
五、讨论与结论
研究结果表明，向日葵蜡在稳定W/O HIPEs方面优于水解向日葵蜡，这可能归因于SW形成的结晶网络具有更高的机械强度。HSW-HIPEs表现出更高的表观脂解程度，可能与HSW形成的较弱结构网络导致脂肪酶更易接触脂质界面有关。微流控条件下脂解程度低于静态消化，说明层流条件下的质量传递和酶-底物接触效率与静态搅拌条件存在本质差异。尽管两种模型在脂解绝对值上存在差异，但各HIPEs间的相对趋势一致，表明微流控平台可作为静态消化的有效补充工具，用于评估流体动力学对结构化乳液消化的影响。本研究为理解W/O HIPEs在胃肠道条件下的结构演变和脂解行为提供了新的机制性见解，对功能性食品开发和递送系统设计具有重要参考价值。
