纳米乳液填充的藻类水凝胶结构对体外消化性及β-胡萝卜素生物可及性的影响

《Food Hydrocolloids》：Impact of Nanoemulsion-Filled algal hydrogels structure on the in vitro digestibility and β-carotene bioaccessibility

　　

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  凝胶化机制和聚合物浓度调节脂肪水解和生物可及性。
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  琼脂填充纳米乳液的水凝胶形成了限制脂肪水解的最坚固的物理屏障。
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  藻酸盐填充纳米乳液的水凝胶显示出对游离脂肪酸释放的浓度依赖性效应。
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  填充纳米乳液的水凝胶成功减少了β-胡萝卜素的降解。

引言

水凝胶是由三维聚合物网络组成的复杂胶体系统，能够在保持其三维网络结构不溶解或崩解的同时保留大量水分 (Batista 等，2019)。这些水凝胶结构可以使用食品级多糖形成，其中源材料独特的理化性质会影响凝胶化行为和功能特性 (J. Li 等，2020; Lin 等，2020)。在这方面，海洋来源的亲水胶体由于其独特的凝胶性能和天然来源而受到了显著关注。琼脂、藻酸盐和卡拉胶等多糖属于海洋亲水胶体家族，在食品工业中作为有效的增稠剂、稳定剂和凝胶剂 (Sepe 等，2025)。这些多糖中的每一种都通过特定的凝胶化机制赋予独特的结构特性：例如，琼脂通过氢键驱动形成刚性、热可逆网络，而藻酸盐通过与二价阳离子 Ca²⁺ 的离子交联创建耐热"蛋箱"结构。卡拉胶提供了进一步的通用性，将热可逆凝胶化与特定离子相互作用相结合，例如κ-卡拉胶，在冷却时经历螺旋至线圈转变，并通过钾离子（K⁺）稳定，形成刚性和脆性凝胶 (Okuro 等，2021; Saha & Bhattacharya, 2010)。

亲水胶体凝胶的结构和渗透性受聚合物浓度和离子环境的影响，这会影响结区密度、凝胶强度和网孔尺寸。在琼脂系统中，冷却促进琼脂糖双螺旋的形成及其聚集为物理交联网络，其中较高的聚合物浓度主要增强氢键结构 (Martínez-Sanz 等，2020)。在藻酸盐系统中，凝胶化受古洛糖醛酸块之间 Ca²⁺ 介导的相互作用控制，形成"蛋箱"结区，其密度取决于藻酸盐浓度和钙的可用性 (Sikorski 等，2007)。在κ-卡拉胶系统中，凝胶化通过 K⁺ 离子促进的线圈至螺旋转变和螺旋聚集发生，使网络对离子强度和离子竞争敏感。这些网络架构的差异预计会通过控制凝胶溶胀、侵蚀、液滴释放以及胆汁盐、脂肪酶和辅脂酶向脂质界面的扩散来影响消化行为 (W. Liu 等，2018; Okuro 等，2021)。

使用多糖配制纳米乳液（NE）填充水凝胶代表了一种超越质地设计的技巧。NE 填充水凝胶系统提高了嵌入式 NE 液滴的理化稳定性，并通过增加连续相粘度和将液滴固定在其聚合物网络内来防止乳析和聚结沉降以及絮凝等失稳现象 (Q. Liu 等，2019; Z. Zhang, Zhang, & McClements, 2016)。然而，这些系统的功能不止于增强理化稳定性，因为水凝胶网络的结构特性在决定其在胃肠道（GI）条件下的行为方面起着关键作用。它可以改善生物活性物质稳定性并从而影响其消化命运 (H. Chen 等，2020; Demisli 等，2020; Lu 等，2020)。

先前的研究报告表明，NE 填充水凝胶结构的理化性质和完整性通过多种理化机制影响 GI 消化期间的脂质水解和生物活性物质的生物可及性（BA），例如：(i) 更硬的凝胶在脂质液滴上形成保护层，阻碍脂肪酶接触油滴或延迟凝胶基质在胃中的崩解，从而改变脂肪水解速率；(ii) 改变脂质液滴聚集，从而改变暴露给脂肪酶的表面积；(iii) 隔离参与脂质消化的胃肠道液体成分；以及 (iv) 通过增加食糜粘度或限制通过水凝胶网络的扩散来修改消化成分的质量传输 (Chang & McClements, 2016; Velderrain-Rodríguez 等，2023a; R. Zhang 等，2015)。因此，多糖发挥作用的机制取决于其组成和理化性质 (Espinal-Ruiz 等，2014; Fontes-Candia 等，2022)。因此，需要进一步研究以比较不同的藻类来源亲水胶体和初始聚合物浓度如何影响 GI 条件下的脂质消化和生物活性化合物的 BA。深入了解这些相互作用将为优化其在功能性食品系统中的应用提供有价值的见解，最终增强营养益处并改善食品产品性能。

尽管 NE 填充多糖水凝胶已作为亲脂性生物活性物质的递送系统进行研究，但大多数先前的研究集中在个别亲水胶体系统或聚合物浓度和凝胶强度的影响上。因此，亲水胶体凝胶化机制在控制脂质消化和β-胡萝卜素 BA 中的具体作用尚未得到系统研究。因为氢键结合琼脂网络、Ca²⁺ 交联藻酸盐网络和 K⁺ 稳定κ-卡拉胶网络在结区的网络架构和稳定性方面存在差异，它们将表现出不同的渗透性，以及对 GI 条件下溶胀、侵蚀或结构破坏的敏感性。预计这些结构差异将调节脂质液滴的限制和释放，以及胆汁盐、胰脂肪酶和辅脂酶向油 - 水界面的传输，从而调节脂肪水解和β-胡萝卜素掺入混合胶束。因此，本研究专注于对三种通过根本不同机制形成凝胶网络的海洋亲水胶体进行系统的并列比较，同时保持消化条件和最终脂质负载量可比。这种方法允许将亲水胶体凝胶化机制评估为影响水凝胶结构演变、液滴限制和释放、脂质消化率以及半动态胃肠道消化期间β-胡萝卜素胶束化的配方变量。

因此，本研究旨在评估具有不同凝胶化机制的 NE 填充水凝胶中海洋藻类来源亲水胶体的类型和浓度对半动态体外 GI 条件下脂质消化率和β-胡萝卜素 BA 的影响。选择这些亲水胶体是因为它们通过不同的凝胶化机制形成凝胶网络。NE 填充水凝胶在两种亲水胶体浓度下制备，0.5% 和 1.0%（w/w），以获得琼脂、藻酸盐和κ-卡拉胶的可比较自支撑凝胶基质。选择 0.5%（w/w）水平作为允许三种多糖系统形成凝胶的最低实用浓度，而使用 1.0%（w/w）是为了增加聚合物含量，并在网络密度和基质渗透性方面提供明显的对比。胃阶段通过包括诸如逐渐酸化、胃肠道液体和酶分泌以及应用五个胃排空（GE）阶段等动力学因素来模拟。分析每个 GE 阶段的 NE 和 NE 填充水凝胶的粒径、粒径分布和共聚焦显微镜图像。此外，评估每个 GE 阶段小肠阶段期间的脂质消化率和β-胡萝卜素 BA。

章节片段

材料

玉米油购自当地超市（Bonpreu，西班牙莱里达），β-胡萝卜素（C9750）纯度≥93% 及聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯（吐温 80）来自 Lab Scharlab（西班牙巴塞罗那）。琼粉和κ-卡拉胶来自 Teixidor（西班牙瓜尔迪亚）。藻酸钠（MANUCOL? DH）由 FMC Biopolymers Ltd.（英国苏格兰）提供。猪胃蛋白酶（Sigma-Aldrich，P7012，美国密苏里州圣路易斯），牛胆汁（Sigma-Aldrich，B3883，美国密苏里州圣路易斯），胰酶来自

粒径和粒径分布

在整个体外半动态消化过程中监控 NE 和 NE 填充水凝胶的粒径和粒径分布，结果在 0.5%（w/w）和 1.0%（w/w）下制备并显示在图 1 中。对于消化后的 NE，SLS 数据代表油滴、液滴聚集体和消化衍生结构。对于 NE 填充水凝胶，SLS 数据代表表观水凝胶食糜粒径，主要对应于凝胶碎片和基质相关结构。

结论

本研究证明，由琼脂、藻酸盐或卡拉胶形成的纳米乳液（NE）填充藻类水凝胶可以在半动态胃肠道条件下有效调节脂肪消化和β-胡萝卜素生物可及性（BA）。

粒径分析，由 CLSM 观察支持，证实琼脂 NE 填充水凝胶 1%（w/w）在整个 GE 阶段（GE1–GE5）期间保持了最均匀且耐消化的微观结构。相比之下，藻酸盐系统显著降解

CRediT 作者贡献声明

Olga Martín Belloso: 写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，资源，方法学，资金获取。Laura Salvia-Trujillo: 写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，资源，项目管理，方法学，资金获取。Anali Parsi: 写作 – 初稿，可视化，验证，方法学，调查，形式分析，数据整理，构思

未引用参考文献

Chen 等，2020; Matsuo 等，n.d.; Rice 等，n.d.; Zhang 等，2016; Zhang 等，2016。

数据可用性

支持本研究结果的数据可供通讯作者在合理请求下提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢

这项工作由 MCIU 通过项目 PID [grant number 2022-137838OB-I00] 以及由 Agrotecnio 和 IRBLleida 通过项目 AgroHealth [grant number AGRHLTH24-1] 支持，以及 Generalitat de Catalunya [grant number 2021SGR01242]。

Anali Parsi|Olga Martin-Belloso|Laura Salvia-Trujillo