由κ-卡拉胶调控的乳液水凝胶，用于β-胡萝卜素的持续释放

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《Journal of Food Engineering》：κ-Carrageenan-regulated emulsion hydrogels for sustained delivery of β-carotene

【字体：大中小】 时间：2026年02月09日 来源：Journal of Food Engineering 5.8

编辑推荐：

　　本研究利用Fu砖茶多糖-壳聚糖复合乳化剂和κ-角叉藻胶制备乳液水凝胶，发现角叉藻胶含量增加可增强氢键和静电作用，提升水凝胶的机械性能、热稳定性和缓释效果，β-胡萝卜素模型释放验证了其肠道靶向潜力，为功能性食品载体开发提供新策略。

郑文秀|高毅|邓伟|张俊丽|陈妍

安徽大学生命科学与医学工程学院，中国安徽省合肥市230601

摘要：

乳液水凝胶已成为疏水性生物活性物质的理想载体。在本研究中，使用富砖茶多糖衍生物与羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（FBTPC-HACC）作为复合乳化剂，以及κ-卡拉胶（KC）作为水凝胶基质，制备了乳液水凝胶。研究了KC含量对乳液水凝胶的相互作用力、结构与功能特性、流变性能、持水能力、水分分布以及冻融稳定性的影响。此外，以β-胡萝卜素为模型化合物，进一步探讨了其在体外消化过程中的行为和释放机制。结果表明，强烈的氢键作用和静电相互作用促进了坚固且致密的三维网络的形成。较高的KC含量显著提升了乳液水凝胶的流变性能、机械强度、热稳定性、持水能力（WHC）和冻融稳定性。所有样品均表现出较高的β-胡萝卜素包封效率（>94%）和长期储存稳定性。较高的KC含量还导致了更缓慢且持续的释放行为。视觉观察和荧光显微镜实验进一步证实了这些发现。所有乳液水凝胶的释放动力学均符合Korsmeyer-Peppas模型。本研究表明，KC作为结构和功能调节剂起着关键作用。通过调整KC含量，该系统可以精确调控以实现持续的肠道释放行为，满足功能性食品应用中的各种输送需求。

引言

乳液水凝胶是一种复杂的、功能性的软固体材料，它将乳化后的油滴包裹在三维水凝胶网络中（Chen等人，2025；Duan等人，2025；Farjami & Madadlou，2019）。这类材料被开发为具有良好口感和物理特性的脂肪替代品，可通过三维（3D）打印技术用于构建复杂的食品结构，并作为类胡萝卜素、脂溶性维生素、益生菌和酚类生物活性物质的有效输送系统（Jiang等人，2021；Shi等人，2025；Li等人，2025；Lu等人，2019）。这种双相结构结合了乳液输送疏水性生物活性物质的优点，以及水凝胶框架所提供的储存稳定性、机械强度和可控释放特性（Funami等人，2025；Lu等人，2019）。然而，设计同时具备坚固结构、胃肠道稳定性和可调释放特性的食品级输送系统仍具有挑战性。

水凝胶基质的选择对乳液水凝胶的结构和功能具有重要影响。根据基质类型，乳液水凝胶通常分为多糖基、蛋白基和蛋白-多糖混合基质（Lu等人，2019）。尽管目前关于乳液水凝胶的研究报告较多，但进一步深入研究各组分之间的相互作用、内部结构构建原理及其功能特性仍然具有价值。特别是需要建立“结构-功能-释放”之间的精确调控策略，以实现疏水性生物活性物质的稳定、高效和可定制的输送。天然多糖中的功能性基团使其能够通过氢键、静电相互作用、疏水相互作用或化学交联等方式与其他多糖或蛋白质发生相互作用。这些不同分子之间的相互作用有助于形成更强的水凝胶网络结构，从而精细调节其物理性质、机械性能和释放行为。

κ-卡拉胶（KC）是一种源自红藻的阴离子硫酸化多糖，在冷却过程中从无序卷曲状态转变为有序螺旋状态并发生聚集（Shu等人，2023；Li等人，2025）。然而，其固有的冻融稳定性差、高水蒸气渗透性和机械脆性通常需要与其他多糖和蛋白质结合使用，以增强水凝胶的弹性、机械强度和长期稳定性（Shu等人，2023；Guo等人，2025）。富砖茶是一种自19世纪60年代以来在中国传统饮用的特色红茶（Du等人，2022）。从富砖茶中提取的FBTPC不仅具有抗氧化和益生元作用，还可作为胶体改善微凝胶的结构强度、热稳定性和生物活性（Sun等人，2024）。此外，我们发现FBTPC具有两亲性（强亲水性和弱疏水性），尽管其单独的乳化能力有限。羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（HACC）是一种带正电荷的水溶性壳聚糖衍生物，常用于口服输送系统的稳定剂和吸收促进剂（Ding等人，2025）。FBTPC和HACC可通过静电和氢键相互作用自组装成新型复合乳化剂，从而提高界面稳定性。因此，假设将KC与FBTPC-HACC复合乳化剂结合使用，可以创建一种协同网络结构，其中KC作为结构调节剂来增强水凝胶的完整性和调控释放性能。通过调整KC含量（1%、1.5%和2%），系统地探讨了KC含量对乳液水凝胶的结构、流变性能、热稳定性、持水能力、水分分布、冻融稳定性、储存稳定性和释放行为的影响。选择β-胡萝卜素作为代表性模型化合物，进一步研究了乳液水凝胶在模拟胃肠道条件下的释放行为和机制。本研究不仅拓宽了茶源性功能性多糖在乳液水凝胶输送中的应用范围，还为设计针对结肠的疏水性生物活性物质缓释载体提供了可扩展的食品级策略。

材料

FBTPC是根据Sun等人（2024）的方法从富砖茶（益阳茶叶有限公司，湖南）中提取的。它含有两种平均分子量分别为15.4 KDa和38.1 KDa的成分，其中碳水化合物含量为51.99 ± 1.06%，蛋白质含量为8.31 ± 0.63%，单糖组成为阿拉伯糖、半乳糖、葡萄糖和鼠李糖，摩尔比为9.66:5.08:3.43:1。FBTPC的总氨基酸含量为18.177 mg/g，由16种典型氨基酸组成。

ζ电位分析

ζ电位可以反映溶液颗粒表面的电荷特性，是评估系统稳定性的重要指标。FBTPC-HACC乳液、KC水凝胶以及含1% KC、1.5% KC和2% KC的FHKEHs的ζ电位如图S1所示。由于HACC的阳离子性质，FBTPC-HACC复合乳液呈现正电荷；而KC水凝胶和FHKEHs均呈负电荷，其中KC水凝胶的ζ电位最低。