W 1/O/W 两种由genipin交联的壳聚糖/蛋白质复合物稳定的乳液凝胶：揭示蛋白质结构对其分层微结构、流变学以及藻蓝蛋白和虾青素控制释放的影响

《Food Chemistry》：W 1/O/W 2 emulsion gels stabilized by genipin-crosslinked chitosan/protein conjugates: Unveiling the impact of protein structure on their hierarchical microstructure, rheology, and controlled release of phycocyanin and astaxanthin

提高虾青素与藻蓝蛋白稳定性和生物利用度的W1/O/W2乳液凝胶通过基因肽交联壳聚糖-动物源蛋白复合物制备，不同蛋白结构调控交联度、结晶指数和界面特性，影响凝胶流变性和强度，证实复合设计对提升双水相乳液凝胶性能的协同作用。

　　

Jiao Yu|Ya Zhao|Li Li|Mohammad Molaveisi|Qilong Shi

山东工业大学农业工程与食品科学学院，中国山东省淄博市 255000

摘要

虾青素和藻蓝蛋白在稳定性和生物利用度方面存在挑战，这限制了它们在食品中的应用。本研究开发了W₁/O/W₂乳液凝胶，该凝胶通过栀子苷交联（G）壳聚糖（CS）与三种动物来源的蛋白质——卵白蛋白（OVA）、丝素（SF）和贻贝粘附蛋白（MAP）共包封这两种化合物。每种蛋白质的结构决定了共轭物的关键性质，包括交联程度、结晶指数（Crl）和界面特性，从而影响了凝胶的性能。G-CS-SF表现出最高的交联度和最低的Crl值，制备出的凝胶具有优异的流变性能（G′ = 46.85 Pa，粘度 = 144.7 Pa·s）和凝胶强度（338.03 g·mm）。G-CS-OVA具有最佳的接触角（89.20°），形成了致密的凝胶，并具有最高的包封效率。G-CS-MAP则表现出较低的交联度和较差的界面性能，导致凝胶性能最弱。由复合共轭物稳定的凝胶相比仅由交联CS或蛋白质稳定的凝胶具有更高的稳定性、更小的颗粒尺寸以及更低的水分迁移。本研究为多功能食品递送系统建立了结构-性能-应用的关系模型。

引言

随着消费者对低脂、天然和健康促进型食品需求的增加，提高功能性配方中生物活性化合物的稳定性和递送效率已成为研究重点（Han等人，2025；Molaveisi等人，2026）。藻蓝蛋白和虾青素因其抗氧化、抗炎和抗衰老特性而在食品工业中具有巨大潜力（Zhang等人，2024）。然而，这两种化合物都极易受到光、氧气和热的影响而降解（Molaveisi等人，2025），而虾青素的疏水性进一步限制了其生物利用度，从而限制了它们的实际应用。因此，迫切需要开发高效的食品级共递送系统来提高这两种化合物的稳定性和生物利用度（Liu等人，2022）。

用于共递送亲水性和疏水性生物活性物质的常见载体系统包括脂质体、油包水包油（O₁/W/O₂）双乳液、水包油包水（W₁/O/W₂）双乳液和乳液凝胶（Molaveisi等人，2025；Zhi等人，2023）。虽然脂质体具有良好的生物相容性，但它们容易通过氧化或水解发生降解，还存在聚集和融合等问题，可能导致封装的生物活性成分泄漏（Molaveisi等人，2026）。O₁/W/O₂双乳液主要适用于包封疏水性化合物，但对亲水性化合物的效果较差（Liu等人，2022）。相比之下，W₁/O/W₂双乳液可以同时包封这两种类型的生物活性物质并通过空间分离实现控释。然而，它们仍然容易发生液滴聚合并相分离（Tenorio-Garcia等人，2022）。通过物理或化学交联将W₁/O/W₂双乳液转化为凝胶系统已成为一种有前景的方法。通过物理交联形成的凝胶依赖于可逆的非共价相互作用，导致机械强度较低且对环境敏感（Xie等人，2024）。而化学交联的凝胶形成了共价网络，提供了更好的机械完整性和稳定性（Chuang等人，2024）。由于传统的交联剂如戊二醛和甲醛具有潜在的毒性风险，来自Gardenia jasminoides Ellis的天然交联剂栀子苷被认为是一种更安全的替代品，可用于构建稳定的共价交联凝胶（Xu等人，2024）。

栀子苷是一种天然存在的低毒性交联剂，因其能与一级胺基形成稳定的共价键而受到广泛研究（Lin等人，2020）。在生物聚合物中，壳聚糖（CS）因其丰富的活性氨基而常用于栀子苷交联。然而，单独使用栀子苷交联的CS共轭物溶解度低、乳化能力有限，活性化合物的包封效率（EE）也较低，限制了其在功能性食品中的应用（Meng等人，2024）。为了克服这些限制，引入蛋白质作为功能性共聚物，以增强栀子苷交联多糖共轭物的化学稳定性、界面性能和机械性能（Cui等人，2025；Sha等人，2025）。最近的研究 strongly 支持这一方法。例如，栀子苷已成功用于交联壳聚糖和酪蛋白磷酸肽，生成了具有增强稳定性的纳米复合物，适用于递送应用（Jiang等人，2023；Jiang等人，2023）。此外，栀子苷还用于通过交联明胶和壳聚糖制备双网络水凝胶，展示了其在构建坚固生物材料网络中的实用性（Ata等人，2025）。蛋白质的结构和疏水/亲水特性为共轭物提供了多样的功能。然而，关于这些结构特性如何影响CS-栀子苷共轭物的结构和功能的系统研究仍然有限。此外，CS-蛋白质共轭物的结构和功能特性对W₁/O/W₂乳液凝胶性能的影响仍不甚清楚。

本研究选择了三种代表性的蛋白质：卵白蛋白（OVA）、丝素（SF）和贻贝粘附蛋白（MAP），因为它们具有不同的功能特性。具体来说，OVA是一种高度有序的水溶性膳食蛋白质，具有很强的乳化性能（Chen等人，2024；Fu等人，2020）。SF富含β-折叠片层，具有出色的成膜性能（Sarkar & Kandasubramanian，2023）。MAP结构较为无序，富含酪氨酸和粘附基序，能够实现灵活的网络组装和有效的界面吸附（Ou等人，2020）。基于这些特性，我们假设将不同结构的蛋白质引入CS-蛋白质系统中可以调节共轭物的交联程度，从而改变它们的结构和功能特性，以及W₁/O/W₂乳液凝胶的性能。为了验证这一假设，本研究旨在：（i）阐明不同蛋白质对CS-栀子苷基共轭物的微观结构、结晶指数（CrI）、交联程度及其界面行为的影响；（ii）研究蛋白质结构如何影响W₁/O/W₂乳液凝胶的微观结构、流变性能和储存稳定性；（iii）评估不同蛋白质对模拟胃肠道条件下藻蓝蛋白和虾青素包封效率（EE）和释放行为的影响。本研究不仅提供了关于蛋白质如何驱动具有层次化微观结构、流变性能和功能特性的栀子苷交联CS-蛋白质共轭物的新见解，还为设计同时装载亲水性和疏水性生物活性化合物的多层乳液系统提供了有价值的参考。

材料

壳聚糖（分子量：50–200 kDa，脱乙酰度≥80%，纯度≥99%）购自西安美鲜儿生物技术有限公司（中国西安）。卵白蛋白（纯度98%）和栀子苷来自Macklin生化技术有限公司（中国上海）。丝素（纯度98%）由Boxu生物技术有限公司（中国上海）提供。贻贝粘附蛋白（纯度85%）购自山西正和医药生物技术有限公司（中国西安）。大豆油来自北大荒食品集团

光学性质

图1展示了栀子苷交联壳聚糖（G-CS）、栀子苷交联三种动物来源蛋白质（G-OVA、G-SF和G-MAP）以及栀子苷交联CS-蛋白质共轭物（G-CS-OVA、G-CS-SF和G-CS-MAP）的交联机制和UV–Vis吸收特性。栀子苷通过与CS或蛋白质上的可访问的一级胺发生亲核加成反应，随后通过自由基聚合形成取代的吡咯交联和蓝色杂环色素（图1A–C）。UV–Vis

结论

本研究通过开发由栀子苷交联CS-蛋白质复合共轭物稳定的W₁/O/W₂乳液凝胶，解决了虾青素和藻蓝蛋白的稳定性和生物利用度问题。这种复合设计克服了单个组分的固有局限性。单独的交联蛋白质无法形成连续的网络，且G-CS的界面活性较差；因此，它们都不适合稳定复杂的W₁/O/W₂乳液。通过协同作用

CRediT作者贡献声明

Jiao Yu：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究、数据分析、数据管理。Ya Zhao：方法论、概念化。Li Li：研究、数据分析。Mohammad Molaveisi：撰写——审稿与编辑。Qilong Shi：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了山东省留学计划（资助编号：202501017）的支持。