通过大豆蛋白纤维-高内相皮克林乳液提高β-胡萝卜素的稳定性和生物利用度：胰蛋白酶水解的作用

《International Journal of Biological Macromolecules》：Improvement of β-carotene stability and bioaccessibility by soybean protein fibrils-high internal phase Pickering emulsions: Trypsin hydrolysis contribution

β-胡萝卜素通过大豆蛋白纤维高内相乳液封装，胰蛋白酶水解时间影响其稳定性，30分钟水解时封装效率最高，乳液具备最佳粘弹性、3D打印性能及80天储存稳定性。

　　

王英汉|赵梦梦|谭海童|吴晓娟|吴伟

中南林业科技大学食品科学与工程学院，中国湖南长沙，410004

摘要

本研究使用大豆蛋白纤维-高内相皮克林乳液（SPFs-HIPPEs）作为β-胡萝卜素（BC）的载体，评估了胰蛋白酶水解时间对包封性能的影响。随着胰蛋白酶水解时间的增加（0–120分钟），装载了BC的SPFs-HIPPEs（BC-HIPPEs）的包封效率、粘度、粘弹性和游离脂肪酸释放率最初有所提高，随后又下降，在水解30分钟时达到最大值。同时，SPFs在水解30分钟时表现出最佳的三相接触角（86.7°）、粘度和粘弹性。BC-HIPPEs在储存过程中表现出优异的性能（80天），具有3D打印特性，并且在体外消化过程中滴液尺寸最小。过度的胰蛋白酶水解（>30分钟）会降低BC的保留率。总体而言，适度的胰蛋白酶水解（30分钟）通过调节SPFs的构象，增强了BC-HIPPEs的稳定性，从而进一步提高了BC的稳定性和生物可利用性。

引言

β-胡萝卜素（BC）是一种经典的脂溶性营养素，具有多种功能性，包括抗氧化和保护视力的作用[1]。然而，BC在光照、热和氧气的影响下不稳定且容易降解，这导致其生物可利用性较低，限制了其在营养食品中的应用[2]。因此，通过基于乳液的递送系统对BC进行包封、保护并提高其生物可利用性被认为是一种有前景的策略[3]、[4]。

高内相皮克林乳液（HIPPEs）由于其高油相比例、优异的乳液稳定性和粘弹性，在递送亲脂性生物活性物质方面表现出色[5]。然而，传统皮克林乳液稳定剂中无机颗粒的界面稳定性不足以及食品安全问题显著限制了HIPPEs在食品工业中的应用[6]、[7]。基于蛋白质的颗粒作为一种可生物降解且环境可持续的食品级颗粒[8]、[9]，由于其两亲性质、增强的乳液稳定性和在油水界面的高效吸附能力，显示出稳定HIPPEs的潜力[10]、[11]。然而，利用蛋白质纤维颗粒来稳定HIPPEs，特别是用于递送生物活性化合物，在递送系统研究中的探索尚不充分。

蛋白质纤维（PFs）通过蛋白质的控制水解和自组装生成，由于其高比表面积、丰富的官能团和递送特性而被广泛用于稳定HIPPEs[12]。PFs具有较高的长径比和表面疏水性，形成粘弹性乳液网络结构，拥挤的滴液环境通过空间阻力抑制了滴液聚集[13]、[14]。目前，制备PFs的主要方法依赖于对天然蛋白质进行酸热处理以生成肽，这些肽随后自组装。然而，生成的肽片段通常量有限且分子量较高，导致PFs的形成效率低下[15]。为了克服这些缺点，酶法修饰成为一种有前景的替代方法。与酸热方法相比，酶水解可以精确控制水解程度，提高蛋白质的溶解性、乳化活性和乳液稳定性[12]、[16]。PFs的形成、形态、柔韧性和界面性质以及乳化性能在很大程度上取决于酶水解的程度，这最终决定了PFs的结构特性和HIPPEs的稳定性[17]、[18]。因此，经过酶修饰的PFs特别适合用于高级食品制造应用，如3D打印。由PFs稳定的HIPPEs具有较高的物理稳定性，在3D打印过程中防止了相分离，并且在沉积后能够快速保持形状，这归功于其高的屈服应力和凝胶强度[19]、[20]。

我们之前的研究表明，胰蛋白酶水解（2500 U/g，30分钟）暴露了大豆蛋白水解物（SPH）的疏水基团，促进了SPH纤维聚集体（SPHFA）的形成，并提高了由SPHFA稳定的HIPPEs的稳定性，为递送生物活性成分提供了基础[21]。然而，胰蛋白酶水解时间对大豆蛋白纤维-高内相皮克林乳液（SPFs-HIPPEs）的装载特性和稳定性的影响尚不清楚。因此，本研究调查了胰蛋白酶水解时间对SPFs-HIPPEs装载特性的影响，并全面评估了其对BC的保护效果。具体来说，该研究确定了最佳的胰蛋白酶水解时间，以增强SPFs-HIPPEs中BC的包封能力和稳定性，随后阐明了水解时间通过调节SPFs的界面性质和流变行为对BC保留率和生物可利用性的影响。同时，通过3D打印功能验证展示了SPFs-HIPPEs递送系统的实际应用潜力，从而为开发高效、稳定的活性成分递送系统提供了机制见解和实际证据。本研究开发了一种高效稳定的BC递送系统，为推进功能性食品中的SP应用提供了指导。

材料

β-胡萝卜素（BC）（96%）购自麦克莱恩生物技术公司（上海，中国）。脱脂大豆粉来自哈尔滨宾贤宇旺植物蛋白公司（黑龙江，中国）。胃蛋白酶（250 U/mg）和胰酶（250 U/mg）购自美国西格玛-奥德里奇公司。脂肪酶（20,000 U/g）购自索莱宝科技有限公司（北京，中国）。胰蛋白酶（>250 NFU/mg）来自北京生物锐智科技有限公司。

SPFs的制备

根据Tan等人的方法[21]，大豆蛋白被...

SPFs的表面润湿性

SPFs的润湿性在油水界面的吸收过程中起着关键作用，三相接触角反映了SPFs的润湿性[30]。如图1A所示，随着胰蛋白酶水解时间的增加，SPFs的接触角先增加后减少。在水解30分钟时，接触角达到86.7°，最接近90°，增强了SPFs的疏水性[31]。与Lv等人的研究结果一致[32]，酶解产物表现出高的表面...

相关性分析

为了研究胰蛋白酶水解对SPFs-HIPPEs装载特性、流变特性、3D打印特性、消化特性和BC-HIPPEs稳定性的影响，分析了SPFs的结构特性（表2）。SPFs的结构数据（硫黄素T（THT）荧光强度、粒径、ζ-电位和表面疏水性）来自我们之前的工作[21]。BC-HIPPEs储存后的粒径...

结论

SPFs-HIPPEs是一种高效的乳液系统，能够装载BC并增强BC的稳定性。水解时间影响了SPFs-HIPPEs的包封特性。在胰蛋白酶适度水解（30分钟）时，SPFs表现出最佳的三相接触角、粘度和粘弹性，增强了油水界面的吸收和密集的界面网络形成。当胰蛋白酶水解30分钟后，BC-HIPPEs在储存80天后仍然稳定，具有最佳的粘度...

CRediT作者贡献声明

王英汉：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。赵梦梦：撰写——初稿、方法学、研究、数据分析、概念化。谭海童：撰写——初稿、软件使用、方法学、研究、数据分析。吴晓娟：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、方法学、概念化。吴伟：撰写——审稿与编辑...

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

本研究得到了中国科技兵团科学技术计划（项目编号：2025AB015）的资助。