《Food Chemistry》：Carotenoid bioaccessibility in food-grade Bigels: Impact of hydrogel:Oleogel ratio and 3D printing
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研究人员为克服天然类胡萝卜素稳定性与生物可及性低的局限，开发了可3D打印的食品级双重凝胶（bigel）作为递送系统。研究评估了不同水凝胶:油凝胶（H:O）比例（80:20至20:80）以及3D打印过程对来自钝顶节旋藻（Arthrospira platensis）和斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）的复杂类胡萝卜素提取物的体外消化稳定性、胶束化和生物可及性的影响。结果表明，富含叶黄素的系统表现出更高的消化稳定性、胶束化效率和生物可及性，且3D打印能显著调节类胡萝卜素的消化行为，使部分配方的最终生物可及性提升最高达12%。该研究为设计个性化功能食品递送系统提供了新策略。
大自然为我们的食物赋予了绚丽的色彩，从金黄的南瓜到鲜红的番茄，这些色彩背后的功臣是一类名为类胡萝卜素的天然色素。它们不仅是重要的着色剂，更在人体健康中扮演着关键角色，包括作为维生素A的前体、抗氧化以及预防多种慢性疾病。然而，这些宝贵的分子却相当“娇贵”——它们是脂溶性的，在消化过程中需要借助油脂和胆盐才能形成可被肠道吸收的胶束；同时，它们对光、热、氧气和酸性条件又非常敏感，容易降解，导致其生物利用度大打折扣。传统的食物加工和消化过程常常让这些有益成分“折损”在到达人体细胞的路上。如何有效“护送”它们穿过复杂的消化道，并确保它们能被高效吸收，成为了食品营养和加工领域的一大挑战。
为此，研究人员将目光投向了新兴的凝胶递送系统。其中，双重凝胶（bigel）因其独特的双相结构（水凝胶与油凝胶相结合）而备受关注，它既能包埋亲脂性成分，又具有良好的流变学特性，适合新兴的3D打印技术，可用于定制个性化功能食品。然而，双重凝胶作为天然、复杂类胡萝卜素提取物（而非单一标准品）的载体，其结构组成（尤其是水凝胶与油凝胶的比例，H:O ratio）以及3D打印加工过程会如何影响这些生物活性物质的命运——即它们在模拟消化过程中的稳定性、被胶束化的效率以及最终的生物可及性——仍是一个未解之谜。
为了回答这个问题，发表在《Food Chemistry》上的这项研究，由来自巴西圣保罗联邦大学的研究团队Andrêssa Silva Fernandes等人完成。他们选择两种微藻——富含胡萝卜素的钝顶节旋藻（Arthrospira platensis， AP）和富含叶黄素的斜生栅藻（Scenedesmus obliquus， SO）——作为天然类胡萝卜素来源，制备了以琼脂为基的水凝胶和以巴西棕榈蜡为基的油凝胶，并按不同比例（H:O分别为80:20， 60:40， 40:60， 20:80）混合制成双重凝胶。研究团队不仅评估了这些双重凝胶作为递送载体的表现，还特别探索了3D打印过程如何改变凝胶的微观结构，进而影响类胡萝卜素的消化和吸收行为。
本研究采用了几个关键的技术方法来探究上述问题。首先是双重凝胶的制备与3D打印：研究人员开发了基于琼脂（5%）和黄原胶（1%）的水凝胶以及基于巴西棕榈蜡（15%）和卵磷脂（2%）的油凝胶，并按预设比例混合制备了四种不同H:O比的双重凝胶，将其装载于3D打印机料筒中，使用设定的打印参数（喷嘴直径0.6毫米，打印速度60毫米/秒）打印出特定形状的样品。其次是体外模拟消化：严格遵循INFOGEST 2.0标准化静态体外消化方案，模拟口腔、胃和肠道三个阶段的消化环境，以评估类胡萝卜素在消化液中的稳定性。然后是类胡萝卜素的分析与鉴定：利用配备有大气压化学电离源的高分辨飞行时间质谱联用液相色谱技术（HPLC/APCI-HRQqTOF-MS），对消化前后的类胡萝卜素进行精准定性和定量分析，共鉴定出21种类胡萝卜素。最后是数据处理与统计：所有体外消化实验均进行六次重复，数据以均值±标准差表示，并使用Statistica 7.0软件，通过方差分析（ANOVA）和Tukey检验来评估不同处理组之间的显著性差异。
3.1. 消化前双重凝胶中的类胡萝卜素组成
分析表明，源自AP的凝胶（包括纯油凝胶和所有比例的双重凝胶）中，胡萝卜素（63–71%）的含量显著高于叶黄素（27–37%），其中最主要的是全反式β-胡萝卜素（(all-E)-β-carotene）。相反，源自SO的凝胶中，叶黄素（72–77%）占据主导地位，最主要的是全反式叶黄素（(all-E)-lutein）。重要的是，研究结果表明，无论是H:O比例还是加工方法（如3D打印前的凝胶制备过程），都不会改变最终凝胶载体中的类胡萝卜素组成。同一个提取物来源的各类凝胶，其类胡萝卜素谱基本保持一致。
3.2. 不同递送系统中类胡萝卜素的体外消化稳定性
消化过程后，AP提取物中的九种类胡萝卜素有八种能够抵抗消化，而SO提取物中的十二种则有五种未能抵抗消化。通过计算消化稳定性（消化液中类胡萝卜素含量占原始材料含量的百分比），研究发现：
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水凝胶:油凝胶比例的影响：对于两种提取物，总体趋势一致——当油凝胶比例增加时，类胡萝卜素的消化稳定性下降。例如，对于AP系统，总类胡萝卜素回收率在AP80:20（非打印）中最高（约69%），而在AP20:80中最低（约45%）。这表明水凝胶相在保护类胡萝卜素免受消化环境降解方面发挥了关键作用。
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类胡萝卜素类型的影响：无论在AP还是SO系统中，叶黄素（xanthophylls） 的消化稳定性普遍高于胡萝卜素（carotenes）。这与其化学结构和极性有关，叶黄素通常更稳定。
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3D打印的影响：3D打印对两类提取物的影响不同。对于AP提取物，打印过程显著提升了多种类胡萝卜素（特别是叶黄素和总类胡萝卜素）的消化稳定性，在AP80:20系统中提升幅度最大（总类胡萝卜素稳定性提升约12%）。然而，对于SO提取物，3D打印并未带来一致的积极效果，在某些配方中甚至略微降低了稳定性。这可能是由于两种提取物的化学成分差异以及打印过程对不同凝胶微观结构的影响方式不同所致。
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与纯油凝胶的比较：与纯油凝胶（OG）相比，大多数双重凝胶系统（特别是那些水凝胶比例较高的）都表现出更好的类胡萝卜素保护能力，进一步证实了水凝胶-油凝胶双相结构在提高消化稳定性方面的优势。
3.3. 不同递送系统中类胡萝卜素的胶束化率
胶束化率（混合胶束中类胡萝卜素含量占消化液中含量的百分比）是评估类胡萝卜素能否被肠道吸收的关键步骤。研究发现：
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无论提取物来源如何，叶黄素的胶束化率始终远高于胡萝卜素。这归因于叶黄素分子中含氧官能团（如羟基）使其更具亲水性，更容易被整合到由胆汁盐和磷脂形成的混合胶束中。
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对于AP提取物（富含胡萝卜素），胶束化过程更依赖于油凝胶的比例。W/O型双重凝胶（即油凝胶比例高的AP20:80和AP40:60）显示出最高的总胡萝卜素和全反式β-胡萝卜素的胶束化率（最高达61%）。这表明，对于疏水性强的胡萝卜素，更高的油相含量有助于其在消化脂质环境中的溶解和释放，从而促进胶束化。
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对于SO提取物（富含叶黄素），由于其较强的亲水性，胶束化过程受H:O比例的影响较小，在各种配方中都保持着很高的胶束化率（>83%）。
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3D打印的影响：打印过程对AP系统中胡萝卜素的胶束化有显著调节作用，例如在AP60:40和AP20:80中提升了约12%。但对SO系统中叶黄素的胶束化影响相对较小。
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与纯油凝胶相比，双重凝胶（特别是W/O型）显著提高了胡萝卜素的胶束化效率，表明水凝胶相的存在对于促进类胡萝卜素在消化液中的分散和与胆汁成分的相互作用至关重要。
3.4. 类胡萝卜素的生物可及性
生物可及性（混合胶束中类胡萝卜素含量占原始材料含量的百分比）综合了消化稳定性和胶束化效率，代表了最终可供肠道吸收的类胡萝卜素比例。研究的主要结论包括：
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提取物成分的决定性作用：总体而言，富含叶黄素的SO系统比富含胡萝卜素的AP系统具有更高的生物可及性。这主要是由于叶黄素本身更高的消化稳定性和胶束化效率。
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H:O比例的优化：对于AP系统，富含胡萝卜素的提取物在油凝胶比例较高（W/O型，如40:60） 的双重凝胶中获得了最佳生物可及性。因为更高的油相有助于疏水性胡萝卜素的溶解和胶束化，弥补了其稳定性较低的不足。对于SO系统，富含叶黄素的提取物则在水凝胶比例较高（O/W型，如80:20） 的双重凝胶中表现最佳，因为水凝胶相为极性更强的叶黄素提供了更有利的释放环境。
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3D打印的积极调控作用：一个关键发现是，3D打印能通过改变凝胶的微观结构（如相分布、界面面积），进一步优化生物可及性。特别是在AP80:20系统中，打印后总类胡萝卜素的生物可及性提升了约12%。这表明，3D打印不仅仅是一种成型技术，更是一种可以主动调控营养物释放性能的加工手段。
本研究系统揭示了食品级双重凝胶作为天然复杂类胡萝卜素提取物递送载体的巨大潜力。研究证实，类胡萝卜素的最终生物可及性强烈依赖于其化学性质（叶黄素vs胡萝卜素）和递送系统的结构（水凝胶与油凝胶的比例）。具体而言，富含叶黄素的提取物在富含水凝胶的O/W型双重凝胶中表现更佳，而富含胡萝卜素的提取物则在富含油凝胶的W/O型双重凝胶中更具优势。更重要的是，研究首次明确了3D打印作为一种后处理手段，能够通过物理重构凝胶的微观结构，显著调节类胡萝卜素的消化命运，为特定类胡萝卜素提取物“定制”最佳配方和加工工艺以提高其生物利用度提供了科学依据。这突破了传统递送系统仅通过调整配方来优化的局限，将“配方设计”与“加工结构化”结合起来，为开发下一代个性化营养和功能性食品，尤其是利用3D打印技术定制具有特定健康益处和视觉吸引力的食品，开辟了新的技术路径。该工作标志着在理解和利用结构化食品材料来精确控制生物活性化合物递送方面迈出了重要一步。
