喷雾干燥蛋白质-碳水化合物体系中维生素B12的基质驱动包埋与释放行为

《Food Hydrocolloids》：Matrix-driven encapsulation and release behaviour of vitamin B 12 in spray-dried protein–carbohydrate systems

　　

摘要

维生素B12是一种必需微量营养素，但其在食品加工和胃肠道消化过程中的不稳定性限制了其在食品强化中的应用。尽管喷雾干燥已被广泛用于封装敏感生物活性化合物，但蛋白质–碳水化合物基质组成与功能性改性剂对维生素B12封装和释放的协同影响仍缺乏充分了解。本研究考察了添加氧化锌（ZnO）、二氧化钛（TiO₂）和纤维素纳米晶（CNC）的喷雾干燥乳清蛋白分离物（WPI）–麦芽糊精（MD）基质，评估其对加工性能、理化特性、体外胃肠道释放及细胞相容性的影响。混合WPI–MD基质（2:1、1:1和1:2）表现出优异的加工性能，粉体收率约为80%，维生素B12保留率为80–85%，优于相应的单一载体体系。ZnO对粉体特性和胃肠道释放行为影响较小，而TiO₂提高了粉体的白度，并与CNC共同将胃中释放率降至20%以下，同时实现约60%的肠道持续释放。CNC还将玻璃化转变温度提高了约4 °C，表明基质稳定性增强。所有配方均表现出低水分含量（<5%）、低水分活度（<0.4）、以球形颗粒为主，且对Caco-2细胞无细胞毒性。这些结果表明，蛋白质–碳水化合物基质设计可以有效定制维生素B12的保护与释放，为开发用于食品强化和功能食品应用的稳定喷雾干燥递送系统提供了实用策略。

引言

维生素B₁₂（钴胺素）是一种必需的水溶性微量营养素，具有复杂的化学结构，参与DNA合成、红细胞生成和神经功能的正常维持。其缺乏可导致巨幼细胞性贫血和神经病变（Zhou等，2025）。根据与中心钴原子结合的配体不同，维生素B₁₂存在四种形式：甲基钴胺素、5′-脱氧腺苷钴胺素、羟钴胺素和氰钴胺素。其中，氰钴胺素是一种合成的、更稳定的形式，因此广泛用于补充剂中（Eitenmiller等，2008；Zhou等，2025）。

每日维生素B₁₂需求量因国家、性别、生命周期阶段以及饮食模式而异，素食者或患有影响吸收的胃肠道疾病的个体需求量更高。因此，研究人员探索了将氰钴胺素添加到食品产品中的应用，包括糖类、小麦粉、米基挤压物、茶、开菲尔和米糠面包（Magallanes等，2025）。

封装已成为一种有效的策略，通过在食品加工、储存和胃肠道消化过程中保护敏感生物活性化合物免受降解，从而提高其稳定性、保留率和生物利用度。在现有的封装技术中，喷雾干燥尤为引人注目，因为其具有可扩展性、成本效益高、产量高以及与多种食品级壁材（包括蛋白质和多糖）的兼容性（Baldelli等，2025；Pratap-Singh和Leiva，2021；Weng等，2023，Weng等，2023）。近期研究表明，合理选择和设计封装基质可以显著提高生物活性化合物的稳定性和功能性。例如，Zhang等人通过优化壁材组成提高了喷雾干燥蜜柚精油的封装效率和储存稳定性（Zhang等，2024），而He等人证明多糖基共封装剂显著提高了维生素B12和D3的封装效率、稳定性和胃肠道释放（He等，2024）。此外，Putra等人强调了适当的稳定策略在加工和储存过程中保护不稳定食品生物活性物质方面的重要性（Maisarah Tuan Putra等，2025）。综上所述，这些研究展示了载体选择对封装性能和后续功能性的关键作用。尽管取得了这些进展，但目前的研究主要集中于优化单一壁材或特定共封装系统。对于蛋白质–碳水化合物基质组成和功能性改性剂如何共同影响维生素B12的喷雾干燥性能、理化特性、热稳定性和胃肠道释放，系统性的理解仍然有限。填补这一知识空白对于建立具有更高稳定性和可控释放特性的喷雾干燥维生素递送系统的合理设计原则具有重要意义。

除传统壁材外，还探索了额外组分以定制封装系统和粉体特性。选择乳清蛋白分离物（WPI）是因为其两亲性、成膜能力和营养价值（Tontul和Topuz，2017）；选择麦芽糊精（MD）作为碳水化合物载体是因为其优异的喷雾干燥性能、成膜能力、高溶解度以及作为食品级封装基质的广泛应用，为评估所研究改性剂的影响提供了合适的基准（Magallanes等，2025）。此外，还掺入了氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）等改性剂以修改粉体特性（Das等，2018；Vatandoust等，2023），它们对颗粒结构和堆积特性有潜在影响，但其在干燥过程中的作用仍有待进一步探索。纤维素纳米晶（CNC）虽然目前尚未获得美国食品药品监督管理局（FDA）或欧洲食品安全局（EFSA）等主要监管机构批准作为食品原料使用（Qin等，2024），但表现出剪切变稀行为、因羟基而具有的高表面反应性以及干燥后形成致密结构的能力（Mu等，2019）。CNC还被报道可以改善封装系统中生物活性化合物的稳定性（Baek等，2021；Weng等，2026），并且在带有互补电荷的体系中，可作为大离子交联剂和基质中的结构组分，有助于形成更刚性的微胶囊（Na等，2026；Wang等，2017）。

尽管具有实际应用价值，但基质组成和功能性改性剂对喷雾干燥维生素B₁₂系统理化特性的综合影响仍缺乏充分探索。特别是，有限的研究评估了蛋白质–碳水化合物相互作用与改性剂掺入如何共同影响同一配方中的加工性能和释放行为。此外，尽管对食品强化系统的设计具有重要意义，但在单一框架中整合加工收率、B₁₂分析保留率和胃肠道释放的研究仍然稀缺。

因此，本研究旨在系统考察蛋白质–碳水化合物基质组成及所选功能性改性剂（ZnO、TiO₂和CNC）对喷雾干燥维生素B12颗粒的封装效率、理化特性、热稳定性、胃肠道释放行为和细胞相容性的影响。与以往主要关注优化单一载体体系的研究不同，本研究在统一的实验框架内对单一载体系统、混合蛋白质–碳水化合物基质和含改性剂配方进行了系统比较，为食品强化应用中的基质驱动封装和释放行为提供了新的见解。

章节摘要

材料

食品级维生素B₁₂（氰钴胺素，货号V2876，纯度≥98%）、麦芽糊精DE 17和氧化锌（ZnO，货号96479）购自Sigma-Aldrich（澳大利亚新南威尔士州悉尼市）。乳清蛋白分离物（WPI，蛋白含量约88%）购自Bulk Nutrients（澳大利亚）。二氧化钛（TiO₂，食品级，E171）购自Bake Boss（澳大利亚新南威尔士州韦瑟里尔公园市），直接使用。纤维素纳米晶（CNC 100P）由CelluForce（加拿大）提供。

分析级试剂

固形物浓度对加工性能的影响

首先对各配方进行了筛选，以评估总固形物浓度和蛋白质–碳水化合物比例对加工性能（包括粉体收率和维生素B₁₂保留率）的影响。基于这些结果，选取部分配方进一步研究额外改性剂（包括ZnO、TiO₂和CNC）对理化特性、稳定性和释放行为的影响。

结论

基于WPI和MD的喷雾干燥蛋白质–碳水化合物基质是维生素B₁₂封装的有效载体，其性能受基质组成和配方变量控制。进料固形物浓度显著影响加工结果，固形物含量增加（5–25%，w/w）可提高粉体收率和维生素保留率。混合WPI–MD体系进一步提高了性能，收率和保留率均高于单一载体基质，且无显著影响

CRediT作者贡献声明

Karen Magallanes：撰写—初稿、可视化、调查、形式分析、数据整理。Yilun Weng：撰写—审阅与编辑、监督。Hung Hong：撰写—审阅与编辑、软件。Anjana Jayasree：撰写—审阅与编辑、验证、资源。Kunhao Liu：撰写—审阅与编辑、资源。Alberto Baldelli：撰写—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、调查、经费获取、概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢澳大利亚政府教育部和昆士兰大学通过澳大利亚食品与饮料加速器（FaBA）提供的支持。

Karen Magallanes|Yilun Weng|Hung Hong|Anjana Jayasree|Kunhao Liu|Sanstuti Prasad|Alberto Baldelli

昆士兰大学农业与食品可持续学院，布里斯班，昆士兰州，4072，澳大利亚