通过适度水解调节金枪鱼皮胶原蛋白基乳液凝胶的性能：物理特性、稳定性及番茄红素的释放

《Food Hydrocolloids》：Modulating the properties of tuna skin collagen-based emulsion gels by moderate hydrolysis: Physical characteristics, stability, and lycopene delivery

本研究通过调节水解时间（0-40 min）探究胶原蛋白基乳液凝胶（EGs）的稳定性和番茄红素（LP）释放特性。发现水解时间延长导致EGs粒径增大、zeta电位降低，EG40稳定性最差。而LP的生物可及性随水解时间增加显著提升，EG20在肠道 phase 60 min即可释放超6%的LP。研究证实水解时间可调控EGs结构特性与控释性能，为海洋副产品高值化利用提供新策略。

　　

刘玉刚|王冉冉|卢亚鹏|张浩天|杨云珂|冯欣|孙康婷|马亮|张宇豪

中国重庆市西南大学食品科学学院，邮编400715

摘要

本研究探讨了水解时间（0-40分钟）对金枪鱼皮胶原蛋白（TSC）基乳液凝胶（EGs）稳定性及封装番茄红素（LP）释放的影响。TSC通过胶体磨制备后，使用木瓜蛋白酶进行水解。以TSC作为稳定剂，葵花籽油（体积分数为75%，含0.1%的LP）作为油相，制备了这些乳液凝胶。所有乳液凝胶均为O/W型，并在4°C时形成凝胶。水解时间延长会导致乳液凝胶颗粒增大，ζ电位降低。经40分钟水解的TSC稳定乳液凝胶（EG40）在25°C下3天后出现水相分离，且油损失最大，表明其储存和离心稳定性较差。所有乳液凝胶均表现出类似固体的流变行为（G′ > G′′），但其粘弹性随TSC水解时间的增加而降低。界面膨胀流变学和石英晶体微天平耗散监测（QCM-D）结果表明，EG0由连续相中的凝胶网络结构稳定，而EG10-EG30则由粘弹性界面膜和残余凝胶网络共同稳定。过度水解会导致界面层变弱和凝胶网络松散，从而使EG40不稳定。在模拟的胃肠道（GIT）消化过程中，经水解的TSC基乳液凝胶增强了油脂的消化和LP的释放。EG20在小肠阶段60分钟后LP的生物利用率超过6%，而EG30和EG40仅需30分钟。这些发现为海洋副产品的升级利用提供了有前景的策略，并为脂溶性生物活性物质的封装输送系统设计提供了原理。

引言

生物活性物质容易降解，因此需要乳液、水凝胶、纳米颗粒和微胶囊等保护性输送系统来实现其有效封装和靶向释放（Li, Cui, & Hu, 2023）。乳液因其多样的形式和可调的结构特性而受到广泛关注，尤其是在生物活性物质的封装和控释方面（Dickinson, 2010; Liu et al., 2020; Zhu, Yang, Li, Wu, & Zhang, 2022）。与传统表面活性剂形成的乳液相比，由天然生物分子稳定的乳液具有更好的长期稳定性，这得益于空间位阻效应和强界面膜。此外，它们还具有生物降解性和环境可持续性的优势（Hossain, Deeming, & Edler, 2021）。然而，某些天然蛋白质不溶于水且容易聚集，这不仅影响其功能特性（如乳化、凝胶化和持水能力），也限制了其在食品工业中的应用（Asaithambi, Singha, & Singh, 2023）。可以通过物理、化学或酶修饰来提高蛋白质的溶解性和消化性，同时赋予其所需的乳化、凝胶化和发泡性能（Wei et al., 2024; Zheng, San, Xing, & Regenstein, 2024）。由于成本效益高、处理时间短和特异性强，酶修饰通常优于物理或化学方法（Olatunde et al., 2023）。

胶原蛋白是一种具有三螺旋结构的天然蛋白质，其独特的结构域限制了胃蛋白酶的消化作用，因为该酶只能切割末端肽区域的交联分子而不破坏螺旋结构。这一特性使胶原蛋白与膳食纤维类似，能够抵抗胃酸的消化，从而更好地保护生物活性物质（Sun et al., 2025）。理想的输送系统应能抵抗胃酸消化，并在肠道中分解以释放其内容物。与其他蛋白质相比，胶原蛋白具有抗胃酸消化的独特优势，并可通过可控水解进行修饰以满足这些要求。此外，水解可以促进胶原蛋白氨基酸侧链的暴露，改变其与水/油界面的相互作用，从而影响其乳化能力（Phee et al., 2025）。因此，通过调节胶原蛋白的水解时间，可以调整其对肠道消化酶的敏感性和乳化性能。这种可调性对于构建实现生物活性物质靶向释放的乳液基载体非常有益。然而，关于这些胶原蛋白衍生物结构及其作用机制的信息仍然很少。

研究表明，基于胶原蛋白（如明胶）的乳液输送系统可以形成粘弹性界面膜，从而更好地抵抗变形和破裂（Dai et al., 2024）。此外，胶原蛋白独特的热可逆凝胶化特性使其在食品工业中具有广泛应用潜力（Uriarte-Montoya et al., 2011）。这些特性使基于胶原蛋白的乳液成为生物活性物质的理想输送系统。近年来，一些专家专注于基于胶原蛋白的乳液研究。例如，基于胶原蛋白的高内相乳液（HIPEs）因其良好的凝胶化性能可用于改善鱼糜的质地（Lu et al., 2024）。经TGase修饰的基于胶原蛋白的HIPEs具有较好的热稳定性（X. Tian, Li, Li, & Wang, 2022）。Ma等人（2024）构建了一种由胶原蛋白和Lycium barbarum L.叶类黄酮（LBLF）复合物稳定的乳液，发现该乳液对叶黄素的保护和消化稳定性有所提高。总体而言，基于胶原蛋白的乳液不仅稳定性良好，而且在生物活性物质的输送方面也具有巨大潜力。然而，关于基于胶原蛋白的乳液用于输送生物活性物质的研究仍相对有限。

海洋资源因其可获得性、高产量和较低的文化/宗教接受度而受到广泛关注（Farouk et al., 2015; Felician, Xia, Qi, & Xu, 2018）。金枪鱼加工会产生大量副产品（头部、骨骼、皮肤、鳍和内脏），占未加工生物量的52%-54%（Hernández et al., 2013）。金枪鱼皮含有20%-36%的蛋白质，其中约80%为胶原蛋白（Cutajar et al., 2022; Karunarathna & Attygalle, 2010）。目前，关于水解鱼皮胶原蛋白的研究主要集中在抗氧化活性、促进伤口愈合、预防皮肤老化和改善关节健康等方面（Chang et al., 2024; Ilie et al., 2022; Kuprina et al., 2023; Li et al., 2024）。关于利用水解鱼皮胶原蛋白制备乳液的研究较少。Chen等人（2021）的研究发现，通过特定酶处理提取的鱼皮胶原蛋白具有更好的乳化活性指数，并减少了产品异味。Feng等人（2025）也发现，用微波处理从大眼金枪鱼皮中提取的明胶的乳化性能得到了改善。因此，有必要进一步研究水解对鱼皮胶原蛋白性质和形成机制的影响。

在本研究中，我们提出了一种自上而下的可调蛋白质界面工程乳液控制释放系统，以TSC为原料用于LP的封装和输送。通过调整TSC的水解时间，制备了一系列具有不同性质的TSC基乳液凝胶，以实现LP的控释。首先，研究了水解TSC基乳液凝胶的外观、微观结构、颗粒大小、ζ电位及流变性能。随后，利用界面膨胀流变学和QCM-D分析了TSC的界面分子动力学，以探讨乳液凝胶的稳定机制。最后，研究了TSC基乳液凝胶在小肠阶段对LP生物利用率的影响。

材料

金枪鱼皮（胶原蛋白含量：32.41%）由山东中鲁源阳食品有限公司（中国烟台）提供。蔗糖脂肪酸酯（食品级）来自河南盛斯特实业有限公司（中国河南）。木瓜蛋白酶（200,000 U/g）购自北京索莱博科技有限公司（中国北京）。番茄红素（纯度≥98%）来自安徽泽生科技有限公司（中国安徽）。葵花籽油从当地超市购买。Nile Blue A和Nile Red（分析试剂）

乳液凝胶的形成验证：储存稳定性和LP保留

图1A显示了不同水解时间下制备的TSC基乳液凝胶的外观。所有TSC基乳液凝胶在4°C下倒置时均形成稳定的非流动体系，表明其具有优异的低温凝胶化性能。水解时间较长的乳液凝胶在均质化过程中粘度较低，这是由于水解后胶原蛋白凝胶性质发生降解（Z. K. Zhang, Li, & Shi, 2006）。图1B展示了4°C和25°C下的储存稳定性。所有乳液凝胶在4°C下保存14天后仍保持完整，无水分流失

结论

本研究开发了基于木瓜蛋白酶水解的TSC基O/W乳液凝胶，用于LP的封装。通过调节TSC的水解时间，系统比较了不同TSC基乳液凝胶与LO之间的LP输送和释放动力学。TSC表现出水解依赖性：水解时间延长会导致乳液凝胶稳定性降低。EG40的油损失显著高于EG0-EG30（1.64%）。随着水解时间从0分钟增加到40分钟，d_{4,3从17.5微米增加到49.6微米，ζ电位降低}

CRediT作者贡献声明

刘玉刚：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法设计、实验研究、数据分析。王冉冉：验证、项目监督、项目管理。卢亚鹏：软件开发、概念构思。张浩天：方法设计、数据分析。杨云珂：方法设计、概念构思。冯欣：可视化、数据分析。孙康婷：可视化、方法设计。马亮：项目管理。张宇豪：项目监督、资源协调、项目管理、方法设计

未引用的参考文献

Chen et al., 2025; das Neves et al., 2009; Li et al., 2025; Li et al., 2025; Li et al., 2025; Wang et al., 2025; Zhang et al., 2023; Zhang et al., 2025; Zhang et al., 2006.

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2023YFD2100205）、国家自然科学基金（32372353）、中央高校基本科研业务费（编号SWU XJPY202310）、重庆市农业科技研发计划（NW-CSTB2025NYKJGGXM-NCPJGLXMX0003）、重庆市技术创新与应用发展专项（CSTB2025TIAD-KPX0071）以及科学和技术研究计划的支持