玉米醇溶蛋白–桃胶多糖复合微胶囊构建β-胡萝卜素递送体系及其对马铃薯泥3D打印性能的增强机制

《Food Chemistry: X》：Zein–peach gum polysaccharide composite microcapsules for β-carotene delivery: Physicochemical characteristics and 3D printing performance

　　

研究人员开发了玉米醇溶蛋白（zein，一种玉米来源的自组装醇溶蛋白）–桃胶多糖（PGP，peach gum polysaccharide）复合微胶囊用于β-胡萝卜素递送，并评价其在基于马铃薯泥的挤出式3D食品打印中的表现。在优化条件（搅拌38 min、800 rpm、β-胡萝卜素0.09 g）下，微胶囊包埋效率（EE，encapsulation efficiency）达80.10±0.22%，粒径为139.53±2.14 nm。热处理（40–80 °C）过程中多分散指数（PDI，polydispersity index）低于0.2，在pH 3.0–8.0范围内均呈负ζ电位（zeta potential）。体外消化显示：zein–PGP/β-胡萝卜素微胶囊在胃阶段释放低于zein/β-胡萝卜素颗粒，随后在肠阶段渐进释放。将微胶囊加入马铃薯泥墨水后，其流变行为被改性，立方与圆柱结构的尺寸精度提升，其中1.0%添加量打印性能最优。该结果支持zein–PGP微胶囊在β-胡萝卜素强化马铃薯泥挤出式3D打印配方中的应用潜力。

研究背景与立项逻辑

脂溶性活性成分β-胡萝卜素（β-carotene）因水溶性差、对光热氧敏感、直接加入水基食品墨水易降解，难以稳定整合进功能食品。传统壁材中，玉米醇溶蛋白（zein，自组装两亲蛋白）利于包埋疏水芯材，但在高温、高离子强度及等电点附近易聚集沉淀；桃胶多糖（PGP，高度分支的阿拉伯半乳聚糖型杂多糖）凭借羟基/羧基水化层与空间位阻，可提供胶体稳定与流变功能。前期研究虽构建过zein–PGP空白纳米颗粒，但未涉及β-胡萝卜素负载及3D打印基质耦合。因此，研究人员拟将“蛋白–多糖复合包埋”与“挤出式3D食品打印”交叉，解决脂溶性营养素稳定递送与打印适性协同优化问题。

关键技术方法概览

研究人员采用反溶剂沉淀法制备微胶囊，以单因素结合响应面（Box-Behnken）优化工艺；通过动态光散射测粒径/PDI、电泳测ζ电位、场发射扫描电镜观察形貌、傅里叶变换红外光谱解析分子间作用；以模拟胃肠液评价体外释放并拟合动力学；将冻干微胶囊粉按0、0.4、1.0、4.0%加入马铃薯泥基质（含κ-卡拉胶与黄原胶），用压力驱动挤出式3D打印机（喷嘴0.6 mm）打印立方/圆柱模型，结合旋转流变仪测黏弹与剪切流变、称重法测水分流失，以尺寸精度评价打印保真度。

研究结果浓缩

微胶囊制备与理化表征

经响应面优化（38 min、800 rpm、0.09 g β-胡萝卜素，zein:PGP=1:1）获得EE 80.10±0.22%、粒径139.53±2.14 nm的分散体。FTIR显示zein与PGP间存在氢键/疏水相互作用；40–80 °C热处理下PDI<0.2，pH 3.0–8.0下ζ电位为负，表明复合壁材提升热与pH鲁棒性。

稳定性评价

在宽温域与酸碱条件下，微胶囊维持较小粒径与单分散状态，PGP水化层与电荷排斥抑制聚集，验证其作为食品墨水添加剂的环境耐受性。

体外消化释放

胃阶段（pH 2.0，胃蛋白酶）zein–PGP体系释放低于无PGP对照，说明PGP延缓突释；肠阶段（pH 7.0，胰蛋白酶/胆盐）呈渐进释放，符合缓释型递送特征，利于肠道靶向与生物可利用。

3D打印适性与流变学

微胶囊改变马铃薯泥剪切变稀行为与黏弹性：低添加（1.0%）改善支撑结构与层间保真，立方/圆柱尺寸偏差最小；过高浓度（4.0%）因固形物增加反而影响挤出均一性。水分流失随添加量呈浓度依赖变化，1.0%组在保形与持水间平衡最佳。

讨论与结论翻译

讨论指出，zein–PGP微胶囊同时实现“芯材保护–胶体稳定–基质流变改性”三重功能：PGP不仅抑制zein聚集，还作为亲水胶体参与墨水网络构建。体外消化结果提示该体系可避免胃内早释、提升肠段控释；打印实验中1.0%为兼顾营养负载与成型精度的临界点。

结论部分译写如下：

zein–PGP/β-胡萝卜素复合微胶囊在优化工艺下具备高包埋效率、纳米级单分散性与广域pH/热稳定性；其胃滞留、肠缓释特征适合脂溶性维生素递送。将该微胶囊以1.0%融入马铃薯泥可改性流变学并显著提高挤出式3D打印尺寸精度，证明“生物聚合物微胶囊+3D打印基质”策略可协同实现营养素稳态化与结构可定制化，为个性化功能食品开发提供理论与技术依据。