基于pH响应性壳聚糖纳米粒子稳定的姜黄素和柠檬烯油包埋Pickering乳液的对比研究：结构、流变学特性及控释性能

《Food Hydrocolloids》：Comparative Study of Curcumin- and Limonene Oil-Encapsulated Pickering Emulsions Stabilized by pH-Responsive Chitosan Nanoparticles: Structural, Rheological, and Controlled Release Properties

　　

摘要：姜黄素和柠檬油是具有治疗潜力的生物活性化合物，对人体健康至关重要，但受限于其溶解度低、稳定性差和生物利用度有限。壳聚糖（CS）是一种具有pH响应特性的天然多糖，可作为Pickering乳液（PEs）中的有效稳定剂，从而提高其递送效率。本研究重点采用pH响应自组装方法制备稳定的壳聚糖纳米颗粒（CSNPs），用于包封生物活性化合物。在pH 6时观察到CSNPs具有最佳稳定性，较高的接触角反映了其疏水性增强。在pH 6.5时，由于形成了大而不稳定的聚集体并沉降析出，接触角降低，导致CS的疏水性下降。在pH 6下制备的姜黄素负载PEs表现出均匀的液滴尺寸和分布，这可归因于CSNPs的强疏水相互作用。在pH 6以下，CSNPs变为亲水性，导致PEs发生相分离。增加CSNPs浓度和油含量促进了相互连接网络的形成，从而在35°C下形成稳定的弹性凝胶。在高温（70°C）下，CSNPs动能增强，诱导了凝胶向半凝胶的转变，而较高的离子强度则使PEs进一步液化。柠檬油包封的PEs在pH 5.5和6.0下保持稳定，与姜黄素体系不同，这是由于柠檬烯较低的粘度以及CSNPs的pH敏感行为所致。本研究表明，CSNPs的pH微小变化对生物活性物质的包封和稳定性有显著影响。姜黄素和柠檬烯负载的PEs具有高包封效率、高负载量和可控释放特性，为改善食品及药物体系中生物活性物质的递送提供了一种通用的方法。

引言：生物活性化合物来源于植物、动物、微生物和海洋生物等天然来源，在人类健康和生物功能中发挥重要作用（Karim等，2022；Zhang等，2024）。在这些来源中，柠檬油是一种具有芳香特征的挥发性单萜，是从柑橘皮中提取的知名精油。柠檬油展现出广泛有益特性，包括抗菌、抗氧化、治疗和化疗作用（Jafari, He, & Bhandari, 2007）。同样地，姜黄素是一种天然生物活性多酚化合物，表现出显著的生物活性，包括抗炎、抗糖尿病、抗致癌、抗菌和抗病毒特性（Sun等，2026；Ya-Nan等，2026）。尽管这两种生物活性化合物（柠檬油和姜黄素）在食品、化妆品、药物和香料领域有工业应用，但它们面临着重大挑战，包括水溶性差、稳定性低、生物利用度有限以及易受氧化降解（Ahmed Bhutto等，2024；Alehosseini, Jafari, & Shahiri Tabarestani, 2021）。

为克服这些局限性，包封技术已成为增强生物活性化合物稳定性、生物利用度和可控释放的领先策略（Karim等，2022）。乳液是一种由表面活性剂稳定的不混溶液体（油和水）的混合物，常用于包封，也称为传统乳液。然而，传统乳液容易不稳定，包括乳析、沉降、凝聚和相分离，导致保质期缩短和潜在功效问题。此外，高能耗的生产工艺和不可降解材料引发了环境问题（Ahmed Bhutto等，2024；Ahmed等，2021；Cheng等，2024）。作为一种替代方案，Pickering乳液（PEs）由固体颗粒而非表面活性剂稳定，具有更高的稳定性、较低的毒性和更强的包封效率。在PEs中，生物活性化合物被困在乳液液滴中，颗粒作为保护层屏障防止降解。与传统乳液不同，PEs减少了表面活性剂的使用，同时提高了生物活性化合物的保留和可控释放（Ahmed Bhutto等，2024；Sun等，2026；Ya-Nan等，2026）。

各种颗粒，包括无机和有机材料，已被探索用于稳定PEs（Ahmed等，2021；Bhutto等，2026；Chen等，2026）。例如，姜黄素已被利用脂质颗粒（Song等，2023）、纳米晶体（Wang等，2023）、金属有机框架（Ma等，2021）包封在PEs中，姜黄素还被包封在巯基化果胶稳定的类凝胶乳液中，从而提高了包封效率、改善了保留性并实现了可控的结肠靶向释放（Ya-Nan等，2026）。最近，姜黄素也被包封在自聚集壳聚糖颗粒稳定的Pickering乳液中，这不仅提高了乳液稳定性，还实现了可调节的包封和可控释放（Ahmed Bhutto等，2024）。同样地，许多研究集中于包封柠檬油，使用表面活性剂（Jafari等，2007）、电纺纳米纤维（Carlos Alberto Fuenmayora, 2013）和纤维素纳米晶体（ChunxiaWen, 2014）进行稳定化。然而，这些体系通常表现出低保留效率、结构缺陷（如裂纹）以及由于Ostwald熟化引起的不稳定性，限制了柠檬油和姜黄素的工业应用（Carlos Alberto Fuenmayora, 2013；Castel等，2023；ChunxiaWen, 2014；Jafari等，2007；Ma等，2021；Song等，2023）。

此外，pH响应自组装颗粒，特别是基于壳聚糖的颗粒，为PEs的稳定化提供了一种有前景的策略。壳聚糖是一种从甲壳素衍生的阳离子多糖，由于其氨基（–NH3+）的质子化和去质子化，在其pKa（约6.5）附近发生可逆的溶胶-凝胶转变。这种pH依赖行为使自组装结构的形成成为可能，并在无需高压均质化等能耗密集型加工方法的情况下提供可调节的乳液稳定化。pH响应自组装颗粒的一个关键优势是它们能够随周围pH环境的变化而可逆地改变其结构和功能（Ahmed Bhutto, Hira Bhutto, Wang, Iqbal, & Yi, 2024；Ahmed等，2021；Chen等，2026；Rodríguez-Rodríguez等，2025）。多项研究报告了在pH 6.5至9.0的水溶液中自组装壳聚糖聚集体的形成（Asfour等，2017；Lim等，2020；Mwangi等，2020；Philippova等，2001；Rinaudo等，1993；Sharkawy等，2020；Babak, 1999）。随着质子化程度降低，这些聚集体形成，促进分子间疏水相互作用和链的缔合。相比之下，壳聚糖通常仅在酸性条件下（pH < 6）可溶，而某些甲壳素衍生物在较宽的pH范围内保持可溶性。这一区别显著拓展了甲壳素基材料的潜在应用，特别是作为增稠剂、稳定剂和螯合剂（Babak等，1999）。尽管壳聚糖在接近中性pH时溶解度有限，但其形成自组装聚集体的倾向为开发颗粒稳定系统提供了独特机遇。因此，利用壳聚糖颗粒在pH 6左右自发形成的特性，提供了一种简单且可持续的PEs制备方法，无需额外的颗粒生成过程，如超声处理或均质化。此外，这些自组装颗粒可以作为有效载体用于包封和递送生物活性化合物，包括柠檬油和姜黄素，从而拓展了它们在食品、药物和生物医学系统中的潜在应用。

我们此前的工作仅展示了壳聚糖稳定PEs中姜黄素的包封，但缺乏对壳聚糖浓度、油相比以及在热处理和应力下粘弹性的全面分析（Ahmed Bhutto等，2024）。本研究旨在通过分析剪切粘度与剪切速率的关系、粘弹性以及在加热-保持-冷却循环中复数剪切模量的变化，来表征不同油浓度和壳聚糖颗粒浓度下的PEs。本研究还探讨了姜黄素和柠檬油的包封。此外，还包括在pKa附近或以上的pH范围内检查和比较壳聚糖的自聚集行为。优化了pH、浓度和壳聚糖接触角等参数。利用壳聚糖颗粒的pH响应特性来优化影响液滴尺寸、粘弹性行为（从低温到高温）、盐浓度、壳聚糖浓度、油比、pH范围和整体外观的因素，并控制姜黄素负载PEs的流变和结构特性。此外，通过研究体外释放行为评估了壳聚糖颗粒作为姜黄素载体的潜力。

此外，柠檬油也作为生物活性化合物被包封在PEs中，并评估了其负载效率和释放动力学。最后，对含有柠檬油的PEs和含有姜黄素的PEs进行了比较。这些发现可能提供了一种新方法，即选择最佳壳聚糖pH以有效调节食品及药物应用中生物活性化合物的流变特性、微观结构和宏观结构特性。

材料：本研究使用中等分子量的壳聚糖，制造商报告的脱乙酰度为81%，溶液粘度为598 cP。通过使用Ubbelohde型悬浮式玻璃毛细管粘度计进行稀溶液毛细管粘度测定，实验测定壳聚糖的粘度平均分子量为286 ± 8.4 kDa，详见补充信息。壳聚糖购自中国西格玛奥德里奇公司。盐酸（HCl），二甲基亚砜

pH对接触角和Zeta电位的影响：首先，在不同pH水平下表征了CS颗粒的吸收、接触角和稳定性（图1）。随着pH升高（pH 3.0至6.0），CS颗粒的接触角从31.4° ± 2.1增加到49.5° ± 3.3，表明从原始的亲水表面转变为疏水表面（Zhu等，2021）。这一转变与氨基的逐步去质子化一致，减少了CS链之间的静电排斥，改变了它们的

结论：总之，在pH 6.0下制备了稳定的CSNPs。然后利用CSNPs开发了油包水（O-W）柠檬油和姜黄素包封的PEs。由于CSNPs较高的接触角，姜黄素包封的PEs在pH 6.0下保持了90天的稳定性。在pH 6.0以下，由于CSNPs的亲水性质，发现了相分离现象。流变学结果表明，所有PEs的粘度、弹性行为和复数剪切模量随油比和CS的增加而增加。

CRediT作者贡献声明：Florian J. Stadler：撰写——审阅与编辑，数据整理，形式分析，调查研究。：可视化，监督，资源，调查研究，资金获取。Shahid Iqbal：撰写——审阅与编辑。RIZWAN AHMED BHUTTO：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，方法学，形式分析，数据整理，概念构思。NOOR UL AIN HIRA BHUTTO：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化。

未引用参考文献：Ahmed Bhutto等，2024；Alberto Fuenmayora等，2013；ChunxiaWen等，2014；McClements, 2004；Cong等，2015；Cong等，2015；Esfandiarpour-Boroujeni等，2017；Hossein Noureddini和Davis Clements, 1992；Iqbal等，2013a；Iqbal等，2013b；Iqbal等，2019b；Kun-Ho Liu等，2008；Perrin等，2014；Ribeiro等，2020；Tse-Ying Liu等，2006；Tzoumaki等，2010；Tzoumaki等，2011；Tzoumaki等，2011；Zhu等，2020。

利益冲突：作者声明无竞争性经济利益。

声明：作者声明本手稿为原创作品，此前未发表，目前也未在其他地方考虑出版。所有作者已审阅并批准了修订后的手稿，包括作者身份变更，并同意将其提交至《食品胶体》期刊。

利益冲突声明：作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。所有作者已阅读并批准了手稿的最终版本。已获所有合著者批准。

致谢：我们感谢中国国家自然科学基金（32572491）、新疆维吾尔自治区重点研发计划（资助号：2024B02025、2024B02025-3和2025B04019-001）、广东省基础与应用基础研究基金（资助号：2025A1515012971）以及深圳市科技计划（资助号：JCYJ20230808104918038）的资助。

Noor ul Ain Hira Bhutto | Rizwan Ahmed Bhutto | Shahid Iqbal | Yuting Fan | Jiang Yi | Florian J. Stadler

中国深圳大学化学与环境工程学院食品科学与工程系，广东深圳，518060