《Food Hydrocolloids》：Utilization of zein as a hydrophobic barrier in hydrophilic-hydrophobic core-shell microgels for sustained betanin delivery
编辑推荐：
摘要通过将亲水性的海藻酸钙核心包裹在疏水性的玉米醇溶蛋白壳中，制备出了核壳结构微凝胶，以此调控被困在核心内的亲水性生物活性物质（甜菜红素）的质量传递。亲水核心微凝胶是通过挤出法离子凝胶化制备的，而厚度可变的疏水玉米醇溶蛋白壳则是通过浓乙醇进行反溶剂沉淀法形成的。显微镜分析证实了核
摘要
通过将亲水性的海藻酸钙核心包裹在疏水性的玉米醇溶蛋白壳中，制备出了核壳结构微凝胶，以此调控被困在核心内的亲水性生物活性物质（甜菜红素）的质量传递。亲水核心微凝胶是通过挤出法离子凝胶化制备的，而厚度可变的疏水玉米醇溶蛋白壳则是通过浓乙醇进行反溶剂沉淀法形成的。显微镜分析证实了核壳微凝胶的形成。随着玉米醇溶蛋白浓度的增加，核壳微凝胶的直径也随之增大，当玉米醇溶蛋白浓度为0%、1%、2%和4%（重量/体积比）时，微凝胶直径分别约为350、380、420和450微米，由此可推算出1%、2%和4%浓度下壳层厚度分别约为13、35和50微米。玉米醇溶蛋白壳降低了干燥微凝胶的膨胀程度（最高可达73.3%），并提升了其热稳定性，这得益于聚合物活动性的受限以及界面相互作用的增强。在水中，经过玉米醇溶蛋白处理的微凝胶释放速率降低，最高壳层厚度的微凝胶中甜菜红素的累积释放量从未处理微凝胶的82.4%降至30.4%。在模拟胃肠道环境中，玉米醇溶蛋白壳在胃阶段限制了甜菜红素的释放（120分钟时释放率为22-35%），但在肠道阶段会被胰酶逐渐分解，从而增加甜菜红素的释放量（300分钟时释放率为67-80%）。通常情况下，更厚的玉米醇溶蛋白壳会导致更低的累积释放量。pH值滴定实验表明，玉米醇溶蛋白中的肽键会迅速断裂，这说明其释放机制是由酶触发的。这些研究结果表明，在海藻酸微凝胶外层形成疏水性的玉米醇溶蛋白壳，能够提升亲水性生物活性物质的稳定性并实现可控释放。
引言
在食品工程领域，递送系统已成为一种重要手段，可用于提升敏感生物活性物质在复杂环境中的分散性、稳定性、生物利用度以及可控释放性能（Kyriakoudi等人，2021年，第1238页；Rezagholizade-shirvan等人，2024年）。许多天然亲水性色素，比如水溶性的甜菜红素，很容易在pH值变化、高温、光照和氧气等环境因素作用下发生降解（Castro-Enríquez等人，2019年；El Magdoub等人，2020年）。尽管这类色素具有优异的光学特性和抗氧化功效，但其不稳定性却限制了其在食品领域的应用（Cao等人，2026年；Stintzing & Carle，2004年）。因此，人们越来越需要开发有效的包封策略，既能保护这些亲水性生物活性物质，又能让它们在不同环境条件下实现可控释放（Castro-Enríquez等人，2019年；McClements，2015年）。
在各类包封技术中，微凝胶因能够形成结构与功能均可调控的柔软水合胶体，而备受关注（Agrawal & Agrawal，2018年；McClements，2015年）。微凝胶是一种尺寸在微米级（1-1000微米）的氢凝胶材料，本质上是含有水合交联聚合物网络的小颗粒。与块状氢凝胶不同，微凝胶以独立颗粒的形式存在，这使其特别适合用于包封和可控递送应用。通过调整微凝胶的外形尺寸、孔径以及聚合物与包封材料的相互作用，可以控制其包封物质的释放行为。海藻酸钠是一种天然阴离子多糖，因其生物相容性以及在钙离子等二价阳离子存在下能发生离子凝胶化的特性，被广泛用于微凝胶的制备（Murthy等人，2026年；Z. Zhang等人，2016年）。这一过程能形成具有多孔水核的坚固氢凝胶珠粒，因此海藻酸钠非常适合用于包封甜菜红素这类亲水性物质（Colin等人，2025年）。然而，海藻酸微凝胶的多孔性和亲水性会导致其吸水率与渗透性过高，进而引发过度膨胀以及包封物质因扩散作用而快速释放（Peanparkdee等人，2025年）。对于易吸湿的分子来说，这种特性十分不利，因为它会降低物质的保留率，影响其在加工和储存过程中的稳定性。从微凝胶工程的角度来看，这些缺陷凸显出需要通过结构改良来调节质量传递，同时又不影响包封效率。一种可行的策略是制备核壳结构微凝胶，即在海藻酸核心外层包裹一层基于生物聚合物的壳层。在这种结构中，核心作为生物活性物质的储存库，而壳层则起到保护屏障的作用，能够控制包封物质与外界的相互作用以及其扩散速度（Hu等人，2022年）。已有研究充分证明了壳层材料在海藻酸基核壳系统中的关键作用——壳层的组成不仅决定了其作为保护屏障的功能，还影响着包封生物活性物质的释放动力学，包括防止氧化、限制挥发性物质的蒸发，以及实现靶向或持续释放的效果（Bennacef等人，2023年）。同样，也有研究表明，麦芽糊精、明胶、壳聚糖、阿拉伯胶和黄原胶等多种包封材料，都会显著影响海藻酸微凝胶的物理化学性质，以及其在模拟胃肠道消化过程中的酚类物质释放情况（Martinovi?等人，2023年）。总体而言，核壳结构微凝胶的性能取决于壳层的厚度、孔隙率、相互作用、物理化学性质以及结构完整性。
玉米醇溶蛋白是一种来自玉米的疏水性醇溶蛋白，由于其两亲性、强烈的自组装倾向以及出色的成膜性能，作为一种阻隔材料在递送系统配方中具有诸多优势（Luís等人，2019年；Singh等人，2012年）。由于含有大量非极性氨基酸，玉米醇溶蛋白的水溶性很低，能够形成致密且紧密的结构，从而有效降低水分和氧气的渗透率（Corradini等人，2014年）。此前，这些特性使得玉米醇溶蛋白被广泛用于开发疏水性物质的包封系统，通常作为核心材料用来制备蛋白质纳米粒子（Khanal等人，2026年；Yan等人，2022年）。不过，这类基于玉米醇溶蛋白的纳米粒子在其疏水蛋白核心中只能包封相对少量的亲水性物质。有研究人员发现，玉米醇溶蛋白可以用来制备具有亲水性多糖核心和疏水玉米醇溶蛋白壳的核壳结构微粒，这类微粒可用于包封和可控释放小型亲水性分子（Hu等人，2022年；X. Zhang等人，2021年）。然而，玉米醇溶蛋白壳层厚度对其结构、热性能、膨胀特性以及保留/释放性能的影响目前尚不明确。此外，这种策略也尚未被用于保护易变性的亲水性生物活性色素甜菜红素，并实现其在胃肠道中的递送。
玉米醇溶蛋白的成膜能力已被广泛用于制备可食用涂层和生物降解包装材料，它能形成连续的疏水层，起到扩散屏障的作用，限制水分渗透和溶质传输（Hu等人，2022年）。这一特性对于包封水溶性化合物尤为有利，因为控制水分进入对于维持这类物质的保留率和稳定性至关重要。在本研究中，我们探讨了海藻酸-玉米醇溶蛋白核壳微凝胶在包封、保护及释放一种模型亲水性生物活性物质（甜菜红素）方面的潜力。选择甜菜红素是因为它是一种相对较小的亲水性色素，容易在高温、氧气、光照以及pH值变化的作用下发生降解，从而导致颜色严重褪去且生物活性下降（Sadowska-Bartosz & Bartosz，2021年）。我们选择海藻酸-玉米醇溶蛋白核壳结构，是因为它既具备海藻酸核心对亲水性物质的高负载能力，又拥有玉米醇溶蛋白壳层对这些物质的良好阻隔效果。此外，我们还研究了玉米醇溶蛋白浓度对微粒形成、壳层厚度以及微凝胶功能的影响。我们推测，玉米醇溶蛋白壳层的厚度会影响微粒在模拟胃肠道环境下的稳定性以及甜菜红素的释放速率。
因此，本研究旨在探索设计海藻酸-玉米醇溶蛋白核壳微凝胶这一策略，以此提升某种模型亲水性物质（甜菜红素）的稳定性及其可控释放性能。我们首先通过挤出法离子凝胶化制备海藻酸核心，然后再通过凝胶网络限制型的反溶剂沉淀法在核心外层形成玉米醇溶蛋白壳层。同时，通过调整微凝胶的制备条件来改变壳层的厚度。本研究的主要目的是探究玉米醇溶蛋白壳层的厚度如何影响该系统的结构、膨胀特性、热性能以及释放行为。期望通过这项研究能够开发出性能可调控的核壳结构微凝胶，用于包封和释放亲水性生物活性物质。
章节节选
材料
海藻酸钠和二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）购自美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市的赛默飞世尔科技公司。玉米醇溶蛋白购自美国密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司。甜菜红素（来自红甜菜提取物）购自美国密苏里州的森森特色彩公司。99.9%的无水乙醇购自德国达姆施塔特的默克公司。钙荧光白染料（CWS；购自美国密苏里州圣路易斯的西格玛-奥德里奇公司）和罗丹明B（购自美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市的赛默飞世尔科技公司）被用作
基于包封效率的海藻酸钠浓度效应
在形成海藻酸核心后立即测量了甜菜红素的包封效率，以此评估海藻酸基质在微凝胶形成过程中保持这种亲水性色素的能力（见表1）。随着多糖浓度的升高，包封效率也有所提升，当海藻酸钠浓度分别为1.0%和1.5%（重量/体积比）时，包封效率分别为51.7%和65.2%。这种提升是由于在较高的生物聚合物浓度下形成了更为致密、紧凑的凝胶网络，从而增强了
结论
本研究表明，通过结合离子挤出法和反溶剂沉淀法，可以利用食品级生物聚合物成功制备出核壳结构微凝胶。这类微凝胶由亲水性的海藻酸核心和疏水性的玉米醇溶蛋白壳层构成。亲水核心的存在使得模型亲水性物质（甜菜红素）可以被包封，而疏水壳层则有助于提高该物质的保留率并实现可控释放。
我们的研究结果表明
CRediT作者贡献说明
Asmita Khanal：概念构思、数据整理、正式分析、资金获取、研究实施、方法设计、初稿撰写。Tian Ma：概念构思、研究实施、论文审阅与修改。Sarawut Cheunkar：概念构思、资金获取、论文审阅与修改。Sukunya Oaew：概念构思、资金获取、论文审阅与修改。David Julian McClements：概念构思、论文审阅与修改。
利益冲突声明
作者声明在本次研究中不存在任何利益冲突。
致谢
我们衷心感谢彭克拉·普拉·宗劳博士奖学金以及泰国吞武里王蒙固大学提供的经济支持，包括差旅费用资助（资助编号为54/2565）。
Asmita Khanal|Tian Ma|Sarawut Cheunkar|Sukunya Oaew|David Julian McClements
泰国曼谷10150，吞武里王蒙固大学生物资源与技术学院生物技术系
