利用冲击气溶胶与干凝胶技术将没食子酸封装于藻酸盐复合微凝胶中

《Food Hydrocolloids》：Encapsulation of Gallic Acid in Alginate Composite Microgel by Impinging Aerosol and Xerogel Technique

　　

摘要本研究旨在评估通过喷雾冲击气溶胶和干凝胶技术对没食子酸（GA）（一种水溶性多酚的模型）进行包埋的情况。制备了两种类型的包埋物，即预负载 GA 的干凝胶（LX）和浸渍 GA 的干凝胶（IX）。制备了海藻酸钠（S）与乳铁蛋白（L）、结晶纳米纤维素（C）或豌豆蛋白（P）在固体基础比例为 2:1 (2S1L) 和 2:3 (2S3C 和 2S3P) 的组合。观察了包埋效率（EE）、负载容量（LC）、抗氧化活性和干凝胶微结构。结果表明，在海藻酸复合干凝胶中掺入 L、C 和 P 提高了干凝胶的 EE、LC 和抗氧化活性。与纯海藻酸干凝胶相比，它们具有更小的粒径分布和更少的颗粒团聚。LX 比 IX 表现出更高的 EE、LC 和抗氧化活性。在其他基质中，2S1L LX 具有最高的 EE (68%)、LC (16.02±1.56 mgGAE/g) 和抗氧化活性 (78.5%)。

引言多酚是存在于植物产品（如水果、蔬菜、茶、咖啡和可可）中的生物活性化合物（Zhang 等，2024）。其特征是具有多种生物活性，包括作为抗氧化剂和抗炎剂，从而降低糖尿病、高胆固醇、心血管疾病和癌症的风险（Silva 等，2020；Zhang 等，2021）。多酚通常作为膳食补充剂添加到食品中，以增强食品的功能特性（Wilcox 等，2021；Zhang 等，2024）。然而，将多酚作为提取物直接添加到食品产品中可能无法提供最佳的抗氧化益处，因为多酚热不稳定且对酸性条件敏感，使其在加工和消化过程中不稳定。此外，多酚令人不快且通常苦涩的味道阻碍了其消费（Pravilovi? 等，2019；Ramdhan 等，2021）。这些缺点可以通过应用包埋技术来解决。

包埋是一种旨在提高多酚的治疗有效性和生物利用度的方法（?orkovi? 等，2021；Faber 等，2024；Kim 等，2024；Liu 等，2018；Zhang 等，2023）。一种常用的包埋剂是海藻酸水凝胶。海藻酸盐是天然产生的、水溶性多糖，存在于褐藻和某些细菌中（Norcino 等，2022；Tao 等，2022）。其化学结构由 L-古洛糖醛酸和 D-甘露糖醛酸残基组成，形成线性 1,4-连接的共聚物。海藻酸盐与 Ca2+ 等二价阳离子之间的相互作用，可以通过离子凝胶化过程形成 3D 网络凝胶（Li 等，2022；Lin 等，2021）。海藻酸水凝胶在一定程度上可以截留水分，因为这种生物聚合物富含亲水基团，例如羧基和羟基，使其能够与水溶性化合物进行适当的相互作用（Hilbig 等，2020；Li 等，2021）。

由于其亲水基团，海藻酸具有高生物相容性和与水溶性多酚的高亲和力，这有利于多酚的截留（Silva 等，2020）。然而，它有几个局限性，例如高孔隙率和低保水性，导致水分扩散和水凝胶网络中亲水化合物不受控制的释放（脱水收缩）（Girón-Hernández 等，2021；Ramdhan 等，2022；Siqueira 等，2019）。通过将海藻酸与其他生物聚合物（包括蛋白质和多糖）结合形成二元结构，可以改善海藻酸水凝胶的物理性质和保水性（Derkach 等，2020；Gomez-Mascaraque 等，2022；Siqueira 等，2019）。

海藻酸与共聚合物之间的分子间相互作用决定了其物理性质和稳定性。Siqueira 等（2019）报告称，海藻酸 - 结晶纳米纤维素（CNC）颗粒相互作用降低了水凝胶的孔隙率。CNC 在海藻酸 -CNC 水凝胶网络中充当活性填料，这导致更致密的结构和更高的网络密度，从而减少化合物从水凝胶中的扩散。另一方面，海藻酸与蛋白质的相互作用主要由系统的 pH 值控制。带负电荷的海藻酸可以与带正电荷的蛋白质进行离子相互作用，从而产生更强的键，改善水凝胶结构和稳定性（Bastos 等，2018；Wang 等，2017）。乳铁蛋白和豌豆蛋白（PP）是一些有前景的海藻酸共聚合物，作为包埋剂，因为它们对多酚具有亲和力。带正电荷的乳铁蛋白可以通过静电相互作用和氢键与带负电荷的多酚引发非共价复合物，而海藻酸和 PP 结合可以提供具有更好孔隙率、凝胶强度和保水性的凝胶系统（Wang 等，2023；Yang 等，2014）。这种相互作用有助于控制释放以及多酚在热处理过程中抗氧化性质的稳定性（Faber 等，2024；Liu 等，2018）。

已经设计了几种基于海藻酸水凝胶的多酚包埋方法，其中挤压是最常被描述和最广泛利用的技术之一（Gomez-Mascaraque 等，2024；Wang 等，2022；Yue 等，2019）。然而，这些技术产生大尺寸的凝胶（毫米级凝胶），这可能会限制其在食品产品中的应用。很少有研究评估喷雾冲击气溶胶方法作为一种产生平均大小为 50 μm 的微凝胶颗粒的包埋技术（Ching 等，2015, 2017；Ramdhan 等，2022）。喷雾冲击气溶胶是一种通过雾化海藻酸溶液来制造海藻酸微凝胶的方法，使用压缩空气驱动的气动喷嘴（Bhandari, 2009）。雾化海藻酸溶液的即时凝胶化是通过从反应室中对向喷嘴喷出的交联溶液引发的，然后新形成的海藻酸微凝胶流出反应室（Bhandari, 2009；Ching 等，2017）。喷嘴大小和气流速度会影响所获得微凝胶的物理性质。据 Ramdhan 等（2022）报告，这种方法允许高包埋效率（EE）和更好地控制由果胶、乳蛋白浓缩物和蜡质淀粉作为复合材料组成的基于海藻酸的微凝胶中茶多酚的释放。Bokkhim 等（2016）的另一项研究表明，由喷雾冲击气溶胶技术产生的海藻酸微凝胶珠内部牛乳铁蛋白的高 EE (68%) 以及在模拟肠道消化过程中超过 30 分钟的受控释放。喷雾冲击气溶胶方法也已成功应用于通过海藻酸微凝胶包埋脂质乳液，且不改变物理行为（Ching 等，2015）。由喷雾冲击气溶胶技术产生的海藻酸复合微凝胶可以干燥，以便在食品配方中更广泛地使用、方便处理和储存（Niknia & Kadkhodaee, 2017）。与其他技术（如传统挤压和喷雾干燥）相比，在冲击气溶胶连续方法中，改变喷嘴大小以便利更小颗粒的生成具有灵活性，且不使用温度变化；因此，该方法适合包埋热敏性化合物，如多酚。然而，应进行适当的干燥技术以防止微凝胶结构的降解，这可能导致化合物不受控制的扩散。

作为一种包埋生物活性化合物的方法，干凝胶技术最近受到了极大的关注。干凝胶是通过蒸发存在于微凝胶网络中的液体来合成的，从而产生一种定义明确的、结构化但多孔的干燥材料，该方法通过用气相取代截留的液体而不破坏多孔固体结构（Khattab 等，2019；Mummaleti & Kong, 2023）。它可以通过在环境或冷冻温度下干燥来生产。冷冻干燥过程可以是创造负载多酚的海藻酸 - 复合干凝胶的一种有前景的技术（da Silva Haas 等，2019；Sahraeian 等，2024）。在冷冻干燥过程中，湿微凝胶中的水分蒸发发生在水的冰点以下温度，因此冰晶会在降低压力后升华，然后获得干凝胶（Niknia & Kadkhodaee, 2017；Rodríguez-Dorado 等，2019）。与致密的块状材料不同，干凝胶将具有多孔基质、大比表面积、轻量化以及更高的液体和气体渗透性，这类似于超临界干燥气凝胶的结构，但具有更好的密度和机械稳定性（Khattab 等，2019；Mummaleti & Kong, 2023；Yamasaki 等，2019）。这可能是一种包埋多酚的有前景的方法。基于海藻酸的复合干凝胶的物理性质，如复水性能、凝胶强度、孔隙结构和稳定性，将受到形成干凝胶的海藻酸与共聚合物之间相互作用的影响（Khattab 等，2019；Sornkamnerd 等，2017）。

成功使用基于海藻酸的复合微凝胶进行多酚包埋不仅取决于壁材料包埋多酚的能力，还取决于包埋方法。这两个因素将影响多酚的 EE 及其在干凝胶中的负载容量（LC）。然而，尚未有研究观察由喷雾冲击气溶胶技术制成的干凝胶及其性质。尚未有关于通过浸渍通过海藻酸复合干凝胶包埋多酚的报告。因此，本研究强调了海藻酸复合微凝胶的性质与其材料组成在干凝胶包埋过程中的潜在关系。三种海藻酸钠与乳铁蛋白、豌豆蛋白和结晶纳米纤维素的组合已被用作凝胶复合材料，因为它们已被发现与海藻酸相容，用于开发作为包埋剂的复合水凝胶（Harlen 等，2024；Harlen 等，2025）。选择结晶纳米纤维素是因为其作为海藻酸基质填料的能力（Harlen 等，2024；Siqueira 等，2019），而选择乳铁蛋白是因为其与海藻酸和多酚的静电相互作用（Bokkhim 等，2015；Harlen 等，2025）。作为植物基蛋白质，豌豆蛋白也因其对多酚的亲和力而被提名。选择没食子酸（GA）作为干凝胶中亲水包埋多酚的模型。本研究提供了对由冲击气溶胶技术制成的微凝胶生产的基于海藻酸的干凝胶的潜力的更深入理解，该微凝胶专门用于包埋多酚。

章节片段
材料
用于制备复合干凝胶的材料是海藻酸钠（GRINSTED Alginate FD155, Danisco, 澳大利亚；M/G 比 1:5，分子量 140 kDa），结晶纳米纤维素/CNC（CelluForce NCCO NCV100-NASD90, 加拿大），乳铁蛋白（Bega-Bio Lactoferrin, 项目编号 1203011, 代码：11012504, Bega Bionutriens, 澳大利亚），豌豆蛋白/PP 分离物（Bulk Nutrients, 澳大利亚）。使用去离子（DI）水作为稀释剂。氯化钙（纯度>70%，食品级，Pacific Water Technology,

材料组合和包埋技术对产品回收率和粒径分布的影响
在生产 BX 和 LX 期间，不同配方的海藻酸复合混合物在冷冻干燥过程后导致 39.32-68.32% 的产品回收率，其中 2S3C 和 2S3P 的产量比 2S 和 2S1L 高（表 1）。这些结果可能与包埋过程前海藻酸复合混合物的总固体含量有关。2S3C 和 2S3P 配方具有更高的固体含量，因为混合物中使用了更大量的 S、C 和 P 粉末

结论
本研究展示了多酚包埋的潜力，以 GA 作为水溶性多酚的代表，通过冲击气溶胶方法制备的海藻酸复合干凝胶随后进行冷冻干燥过程。在预负载的海藻酸复合干凝胶中掺入乳铁蛋白（L）、结晶纳米纤维素（C）和豌豆蛋白（P）能够提高多酚的 EE、LC 和抗氧化活性。以负载 GA 的干凝胶（LX）形式，海藻酸 -L 提供了最高的 EE，

CRediT 作者贡献声明
Sri Yuliani: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，资源。Bhesh Bhandari: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Winda Christina Harlen: 写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Sangeeta Prakash: 写作 – 审查与编辑，验证，监督，资源

未引用的参考文献
Adnan and Sreejith, 2022; Chen et al., 2024; Faber et al., 2024; Gomez-Mascaraque et al., 2023; Li et al., 2022a; Li et al., 2022b; Li et al., 2021; Lin et al., 2024; Ramdhan et al., 2022b; Zhang et al., 2023; Zhang et al., 2023.

利益声明
作者声明无利益冲突

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术声明
在本工作的准备过程中，作者使用 Quillbot 进行释义和语法检查句子。使用该工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了输出内容，并对发表文章的内容承担全部责任。图形摘要是使用 BioRender 在机构 - 学术协议（协议编号：GB293FJIZZ）下创建的。

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利益冲突声明? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的经济利益/个人关系：
Winda Christina Harlen 报告称获得了印度尼西亚教育基金会（Indonesia Endowment Fund for Education）的资金支持。Bhesh Bhandari 拥有专利 #US 2011/0008293 A1，已许可给美国专利商标局。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能看似......的竞争性经济利益或个人关系。
致谢：作者谨此感谢印度尼西亚教育基金会（LPDP）提供的研究资金支持。
Winda Christina Harlen|Sangeeta Prakash|Sri Yuliani|Bhesh Bhandari
昆士兰大学农业与食品可持续学院，布里斯班，昆士兰 4072，澳大利亚