关于用于白藜芦醇递送的卵清蛋白-魔芋葡甘聚糖水凝胶的桥接-锁定组装机制的深入研究

《Food Hydrocolloids》：Mechanistic insight into the bridging–locking assembly of an ovalbumin–konjac glucomannan hydrogel for resveratrol delivery

　　

摘要

具有明确凝胶机制且能在胃肠道中保持稳定性的蛋白-多糖水凝胶，是输送疏水性营养物质的理想载体。本研究开发了一种由卵白蛋白、魔芋葡甘露聚糖和金雀花苷构成的水凝胶，即OVA–KGM–GP水凝胶，该水凝胶在室温下即可形成自支撑凝胶。通过热动力学分析发现，OVA–KGM–GP系统表现出复杂的脱水过程特征，而非简单的加和性热响应，其ΔS^?值分别为OVA–KGM–GP为?77.03 J mol^-1 K^-1，OVA–GP为?88.55 J mol^-1 K^-1。多尺度分析进一步表明，魔芋葡甘露聚糖有助于引导卵白蛋白形成相互连接的结构，而金雀花苷则能将这些结构固定并压缩成类似连接点的区域，从而形成具有弹性特性的分层-蜂窝状网络结构。该水凝胶还具有更好的胃部耐受性，因为在模拟胃消化2小时后，其游离氨基含量较低。作为递送载体，该水凝胶对白藜芦醇的包封效率可达98.23%，经过4小时模拟胃肠道消化后，其生物利用度为70.23%，几乎是游离白藜芦醇（35.78%）的两倍。这些结果为该水凝胶的凝胶化机制提供了理论支持，同时也展现了其在输送疏水性营养物质方面的应用潜力。

引言

白藜芦醇是一种典型的疏水性营养物质，具有抗氧化、抗炎以及改善心血管代谢功能的作用（Galiniak等人，2019年）。然而，由于其水溶性较差、物理化学性质不稳定（在水中的溶解度仅为约0.03–0.05 mg/mL，且在pH值高于6.8时会在水中迅速降解），再加上吸收后的代谢反应较为复杂，这些因素都极大地限制了它的广泛应用以及口服生物利用度（Robertson等人，2022年；Walle，2011年；Walle等人，2004年）。因此，开发能够提升白藜芦醇稳定性、保护作用以及胃肠道递送效率的食品级载体系统具有重要的研究价值（Zhang、Liu等人，2026年）。

水凝胶是一种三维聚合物网络，能够容纳大量水分的同时保持结构完整性，并且其质量传递特性也可根据需求进行调整（Guo等人，2024年；Li等人，2022年）。由于具有多孔结构、可调节的粘弹性能以及良好的成膜能力，水凝胶逐渐成为递送生物活性化合物和营养物质的理想载体（Li等人，2022年；Liu等人，2021年）。在食品领域中，由天然生物聚合物构成的水凝胶更为受欢迎，因为它们兼具生物相容性、可生物降解性以及配方设计的灵活性（Guo等人，2024年；Li等人，2022年）。这类载体能够在营养物质经过胃肠道时起到保护作用，同时通过网络结构、水分分布以及载体与营养物质之间的相互作用来调控其释放速度（Davidov-Pardo等人，2015年；Li等人，2022年；Liu等人，2021年；J. Zhang等人，2023年）。不过，要开发出既具有清晰的形成机制、足够的结构稳定性，又具备良好口服递送性能的食品级水凝胶，尤其是用于输送像白藜芦醇这样的疏水性营养物质，仍然是一项挑战（Davidov-Pardo等人，2015年；Guo等人，2024年；Li等人，2022年）。

在各类食品生物聚合物水凝胶中，基于蛋白质的水凝胶尤为值得关注，因为它们能够提供两亲性构建单元、反应性功能基团，以及有助于形成网络结构的构象响应特性（Guo等人，2024年；Zhang、Zhang等人，2026年）。这些特性使得基于蛋白质的水凝胶非常适合用于包裹、保护以及控制生物活性化合物的释放。然而，仅依靠弱物理相互作用形成的水凝胶往往结构稳定性较差，且难以承受胃肠道环境的影响，这限制了它们在口服递送中的应用（Li等人，2022年）。为了解决这些问题，一种有效的策略是将蛋白质-多糖组装与温和的共价稳定作用相结合（Guo等人，2024年；Wang等人，2019年）。在这种体系中，多糖可以通过水合作用以及相分离效应来促进蛋白质的局部聚集和网络结构的形成，而后通过温和的共价交联进一步稳定已形成的网络结构，提升其整体稳定性（Bigi等人，2002年；Schmitt & Turgeon，2011年；Zhou等人，2014年；Zhuang等人，2021年）。金雀花苷是一种可与伯胺反应的食品用交联剂，非常适合用于这一目的，因为它能够在相对温和的条件下促使蛋白质聚合并稳定网络结构（Bigi等人，2002年；Wang等人，2019年）。

基于上述思路，本研究选择了卵白蛋白和魔芋葡甘露聚糖来构建一种复合型蛋白-多糖水凝胶体系。卵白蛋白是一种性质已十分明确的食品级球形蛋白质，它含有大量的反应性氨基基团，且具有明显的构象响应特性；当其所处的微环境发生改变时，它可能会部分展开，进而发生分子间相互作用，从而为形成连续的蛋白质网络提供良好的基础（Rostamabadi等人，2023年）。而魔芋葡甘露聚糖则是一种中性、高分子量的葡甘露聚糖，它具有很强的水合能力以及结构构建能力，因此可以作为一种引导微观结构的多糖，用于构建基于蛋白质的水凝胶（Kapoor等人，2024年；Ye等人，2021年；Zhuang等人，2021年）。先前的研究表明，在接近中性的条件下，卵白蛋白/魔芋葡甘露聚糖混合物会发生分离相分离现象，这种现象会使卵白蛋白局部聚集在蛋白质含量较高的区域，从而促进网络结构的形成。这种预先形成的结构为后续形成稳定的水凝胶奠定了良好的基础（Zhou等人，2014年）。

基于以上研究基础，我们提出如下假设：在凝胶形成过程中，魔芋葡甘露聚糖和金雀花苷虽然发挥作用的方式不同，但在结构上却是相互关联的——魔芋葡甘露聚糖首先引导卵白蛋白形成相互连接的预组装结构，而金雀花苷则通过共价交联将这些预组装结构固定并压缩成紧密的连接点状结构。为了验证这一假设，我们对比研究了四种基于卵白蛋白的水凝胶体系，通过热动力学建模、流变学分析、多光谱表征、微观结构成像以及体外递送实验，研究了这几种体系的相行为、组装起始阶段、网络形成过程、分子间相互作用以及功能表现。本研究旨在为OVA–KGM–GP水凝胶的凝胶化机制建立理论框架，为设计用于输送疏水性营养物质的食品级水凝胶载体提供理论指导。

章节节选

材料

卵白蛋白、硫黄荧光素T、胃蛋白酶和胰蛋白酶均购自Sigma-Aldrich公司（美国密苏里州圣路易斯市）。魔芋葡甘露聚糖的纯度大于95%，平均分子量约为500 kDa，粘度大于15,000 mPa·s，这些参数均符合供应商提供的规格要求，该物质购自上海Rhawn公司。金雀花苷和白藜芦醇则由上海Aladdin公司提供。二硫苏糖醇则购自中国合肥的Biosharp Life Sciences公司。氯化钠、十二烷基硫酸钠和尿素则从其他供应商处获取

OVA–KGM–GP系统的相行为

相图可以直观地展示凝胶形成的成分范围，同时也能揭示卵白蛋白和魔芋葡甘露聚糖如何共同影响该系统的宏观相行为。如图1a所示，当金雀花苷的浓度固定在4 mg/mL时，即便不添加卵白蛋白，无论魔芋葡甘露聚糖的浓度如何，都不会形成自支撑凝胶。而当卵白蛋白的浓度为25 mg/mL时，即便魔芋葡甘露聚糖的浓度在0–4 mg/mL之间，样品也不会发生凝胶化反应；只有当魔芋葡甘露聚糖的浓度达到一定值时，才会形成自支撑凝胶

结论

本研究在常温条件下成功制备出了基于生物聚合物的OVA–KGM–GP水凝胶，通过对比研究卵白蛋白、OVA–GP、OVA–KGM以及OVA–KGM–GP四种体系，明确了该水凝胶的凝胶化机制。研究发现，魔芋葡甘露聚糖和金雀花苷虽然发挥作用的方式不同，但在结构上却是相互关联的：魔芋葡甘露聚糖负责引导卵白蛋白形成相互连接的预组装结构，而金雀花苷则通过共价交联将这些预组装结构固定并压缩成紧密的连接点状结构。这种“桥接-锁定”式的组装机制使得OVA–KGM–GP水凝胶能够形成稳定的凝胶结构

CRediT作者贡献说明

Shuhan Yong：负责原始稿件的撰写、可视化处理、方法设计、实验研究以及数据整理工作。Zhiyang Du：负责稿件的审阅与编辑、实验结果的验证、研究工作的监督以及项目资金的筹集工作。Shanglin Li：负责相关软件的使用、方法设计以及实验研究工作。Ting Zhang：负责研究工作的监督以及所需资源的协调工作。Jingbo Liu：负责稿件的审阅与编辑、实验结果的验证、研究工作的监督、项目管理工作以及项目资金的筹集工作

未引用参考文献

Wang等人，2021年；Zhang等人，2026年；Zhang等人，2025年；Zhang等人，2023年。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

关于写作过程中是否使用人工智能辅助技术的声明

在准备本文的过程中，作者使用了ChatGPT来协助语言润色、语法修正以及提升句子的表达清晰度。作者对AI生成的文本进行了仔细审核和修改，对本文的内容负全部责任。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划的资助（项目编号：2022YFD2101002）。

Shuhan Yong|Shanglin Li|Ting Zhang|Jingbo Liu|Zhiyang Du

中国吉林省长春市130062，吉林大学食品科学与工程学院，吉林省营养与功能性食品重点实验室