含壳聚糖-油酸复合颗粒的层级结构明胶凝胶用于疏水性营养素递送

《Food Biophysics》：Hierarchically Structured Gelatin Gels Incorporating Chitosan–Oleic Acid Complex Particles for Hydrophobic Nutrient Delivery

　　

本研究开发了一种负载壳聚糖-油酸（CHI-OA）复合细颗粒的明胶（GL）水凝胶，作为疏水性营养素递送的潜在载体材料。所得体系形成了一种复合凝胶，具有层级结构，涉及油酸烷基链的缔合、通过壳聚糖络合形成的颗粒，以及其在GL基质中的分散。结构特征通过粒径分布、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和小角X射线散射（SAXS）进行分析。凝胶化和熔融行为通过黏度测量和差示扫描量热法（DSC）评估，表明CHI-OA颗粒与GL基质之间的相互作用改变了凝胶化温度和热性能。压缩测试进一步揭示颗粒掺入显著影响了力学性能，包括变形和断裂行为。作为模型疏水性营养素，α-生育酚（αTP）被封装于CHI-OA颗粒中并整合入GL凝胶。封装的αTP在阴凉避光条件下储存20天期间保持稳定。研究人员发现所开发的复合水凝胶是一种有前景的载体平台，可将疏水性营养化合物整合入明胶水凝胶中。

研究背景方面，从常规饮食摄取均衡营养成分对维持健康至关重要，而功能性营养素的有效吸收依赖消化过程。婴幼儿、咀嚼吞咽功能退化的老年人及胃肠疾病患者等物理消化受限人群，难以从普通膳食获取足量功能成分。水基水凝胶因生物相容性和可调性成为功能食品候选，但亲水体系难以稳定负载低水溶性疏水生物活性物质（如脂溶性维生素）。传统策略多依赖乳液或脂质体，存在脂质依赖结构与配方复杂等问题。为此，研究人员提出以聚电解质复合颗粒——壳聚糖（CHI，含伯氨基多糖）与油酸（OA，植物油代表性脂肪酸）自组装形成的亚微米CHI-OA复合颗粒为疏水分子载体，并将其嵌入明胶（GL，胶原衍生的热可逆蛋白凝胶基质）网络中，构建层级结构 edible soft material，服务于功能食品设计。

主要关键技术方法包括：通过激光衍射粒度仪分析CHI-OA颗粒粒径分布；利用CLSM（尼罗红染疏水域，561 nm激发）观察颗粒在GL基质中的分散状态；在KEK光子工厂BL-6A光束线进行SAXS（q=4π sinθ/λ，d=2π/q）以解析OA烷基链聚集的纳米周期结构（q≈1.5 nm^?1，d≈4.2 nm）；采用音叉振动黏度计监测冷却过程表观黏度变化以指示凝胶起始；DSC（5 ℃平衡后5 ℃/min升温）提取熔融峰温T_peak、累积熔融25%/50%/75%对应温度T_25%/T_50%/T_75%及>30 ℃熔融焓占比φ_{>30 ℃}；万能试验机轴向压缩（0.5 mm/s）获取断裂应变、杨氏模量与断裂应力；紫外分光光度法（292 nm）定量αTP载荷与保留率。样本为实验室制备的CHI-OA分散液及5–20 wt% GL掺混凝胶，无外部临床队列。

研究结果部分，“CHI-OA-GL凝胶的配方与表征”显示，CHI-OA颗粒（平均直径~0.83 μm）与GL溶液混合后粒径不变，冷却至4 ℃形成均匀浑浊凝胶，CLSM证实尼罗红标记的颗粒以红色点状单分散嵌入基质，无大聚团；SAXS在q=1.5 nm^?1处检出宽峰，对应OA烷基链d间距4.2 nm的纳米有序结构在凝胶化后保留，证明层级组织自纳米分子组装、亚微米颗粒至宏观凝胶贯通。“CHI-OA-GL凝胶的物理性质”中，黏度曲线表明颗粒-GL间氢键/静电作用提高预凝胶黏度并略升凝胶起始温，但螺旋结区生长受抑使后续增黏放缓；DSC显示T_75%由29.68 ℃降至27.83 ℃（p<0.05），φ_{>30 ℃}由22.53%降至11.19%，即颗粒选择性削弱高有序热稳GL网络组分；压缩测试表明随GL浓度升高断裂应变与杨氏模量上升，掺颗粒后同载下变形抗力增强、模量趋增，而断裂应力呈GL浓度依赖——7.5 wt%时增强、10.0 wt%时减弱，且CHI/GL比过高（0.25）反致断裂应力下降，反映颗粒可强化亦可干扰网络，机制类比乳滴对WPI凝胶的双面效应。“αTP在CHI-OA-GL凝胶中的封装”表明，αTP添加≤0.25 g/L时封装效率近100%，超出则游离油滴析出；初始0.5 g/L的αTP在5 wt% GL凝胶4 ℃避光贮20天保留率>95%，颗粒粒径始终~0.77 μm无沉降相分离，但研究未设自由αTP对照、未直接测抗氧化活性，7天质量损失~4.4%源于水分迁移而非定量析水。

讨论部分指出，CHI-OA颗粒均匀俘获于GL网络且纳米疏水微结构在凝胶化后存续，是层级凝胶功能核心；颗粒通过氢键/静电与GL相互作用，且其尺寸与GL异质三维网络孔隙匹配关系决定强化或干扰效应，该浓度依赖性力学响应拓宽了传统乳液/脂质体凝胶外的可食用软物质设计空间。结论部分翻译如下：本研究制备了含CHI-OA复合颗粒的可食用凝胶并表征其结构与物理性质。CHI-OA复合颗粒均匀分散并俘获于GL凝胶基质中，SAXS证实其微结构在嵌入GL凝胶后得以保持。压缩测试评估了凝胶断裂与变形性质，CHI-OA复合颗粒在GL网络中的存在显著影响凝胶物理性质，研究人员提出两方面因素：其一为CHI-OA复合颗粒与GL的相互作用，其二为三维凝胶网络尺寸与CHI-OA复合颗粒尺寸的匹配关系。此外，研究人员制备了封装αTP的CHI-OA-GL凝胶并考察储存稳定性，αTP以高保留率（>95%）稳定封装20天，储前储后颗粒粒径分布几乎一致。研究结果为开发含疏水生物活性分子的新功能食品提供见解，所提出的层级结构凝胶以少量脂质经简便工艺即得且具高储存稳定性，可作为传统乳液与脂质体凝胶之外的新可食用凝胶平台。进一步理解含CHI-OA复合颗粒与其他凝胶剂的体系将拓展其应用，体外消化研究对阐明凝胶与颗粒结构变化及封装物释放行为、评估其在老年与消化障碍功能食品中的潜力尤为重要。论文发表于《Food Biophysics》。