乙醇诱导的香菇β-葡聚糖乳液凝胶用于姜黄素包封：物理化学性质、微观结构及体外消化性能

《International Journal of Biological Macromolecules》：Ethanol-induced Lentinus edodes β-glucan emulsion gels for curcumin encapsulation: Physicochemical property, microstructure and in vitro digestive property

姜黄素包封乙醇诱导灵芝β-葡聚糖凝胶乳液研究显示，优化乙醇浓度（30% v/v）、油相比例（50%）和葡聚糖含量（1.5% w/v）可获得包封效率87.2%且储存稳定的凝胶，其三维网络结构抑制了姜黄素和游离脂肪酸的快速释放，适用于热敏性脂溶性活性物质的递送。

　　

Xijin Zhang|Huiying Cai|Zhongwei Guan|Yi Zhao|Xiang Liu|Wei He|Yuyuan Zhou|Huanhuan Liu|Qiaomei Zhu|Qingbin Guo

中国天津市天津科技大学食品科学与工程学院食品营养与安全国家重点实验室，300457

摘要

姜黄素的低溶解度和不稳定性严重限制了其在功能性食品中的广泛应用。在本研究中，制备了一种新型的乙醇诱导的Lentinus edodes β-葡聚糖（LEBG）乳液凝胶，用于姜黄素的包封和递送。乙醇的体积分数影响了LEBG的凝胶化能力，在30%（体积比）时形成了具有致密三维网络结构的固体LEBG凝胶。当乙醇体积分数超过30%时，LEBG的β-构象结构倾向于过度折叠，导致无序聚集并进而削弱凝胶结构。此外，LEBG浓度和油体积分数显著影响了乳液凝胶的物理化学性质和流变性质以及包封姜黄素的稳定性。在1.5%（重量比）LEBG和50%油体积分数下，乳液凝胶实现了最佳的姜黄素包封效率（87.2%），并在50°C下储存2小时后保留率超过80%。同时，体外消化实验也表明，含有1.5% LEBG和50%油体积分数的LEBG基乳液凝胶表现出最慢的姜黄素和游离脂肪酸（FFA）释放速率，这归因于增强的乳液凝胶结构。乙醇诱导的β-葡聚糖乳液凝胶为包封和保护醇溶性及热敏感的营养保健品提供了一种有前景的策略。

引言

乳液凝胶是一种复杂的半固态胶体系统，其中同时存在乳液滴和凝胶结构。乳液滴可以固定在三维凝胶基质中，通过防止滴的聚合并絮凝来有效提高乳液的稳定性[1]。与传统乳液相比，乳液凝胶在储存稳定性和机械性能（如质地属性和粘弹性）方面具有明显优势，因此能够有效包封生物活性化合物并实现控释效果。此外，各组分的独特物理化学性质对乳液凝胶的结构稳定性有显著调控作用。因此，作为一种新兴的递送系统，乳液凝胶在食品科学、化学工程、化妆品和制药行业得到了广泛应用[2]。根据油滴在连续相中的空间分布，乳液凝胶通常分为两种类型：滴填充型和滴聚集型[3]。在滴填充型凝胶中，油滴被机械地包裹在三维凝胶网络中，并均匀分散在凝胶孔隙中，滴与滴之间的相互作用最小，从而形成刚性或半刚性结构。与聚集型相比，滴填充型乳液凝胶具有更好的控释性能[4]。通过合理选择凝胶剂，可以精细调节水相中的凝胶化和网络结构，实现胃肠道特定区域和时间段的目标释放，从而成为高效的缓释载体。

生物聚合物，包括蛋白质和多糖，被广泛用作乳液凝胶的基质，应用于控释递送、脂肪替代和食品质地改善等领域[5]。基于多糖的乳液凝胶是一种胶体分散体系，其中天然多糖形成连续相基质。它们的功能性质主要源于多糖的乳化、增稠、稳定和可修饰特性以及生物相容性[6]。与基于蛋白质的系统相比，基于多糖的乳液凝胶对消化酶具有更强的抗性，特别适合用于需要长时间消化的生物活性化合物的递送。例如，通过Ca²⁺诱导海藻酸钠和咖啡樱桃多糖交联形成的乳液凝胶能够承受胃部剪切力，保持高粘弹性，并有效保护包封物质[7]。同样，基于甜菜果胶、单宁酸和壳聚糖的高内相乳液凝胶已被证明可以延缓脂质消化并提高姜黄素的生物利用度[8]。此外，多糖分子上的表面活性官能团（如羟基、羧基和氨基）为结构修饰提供了巨大潜力。通过物理交联或酯化、醚化等化学方法可以有针对性地调节凝胶性能[9]。此外，某些多糖材料本身具有生物活性，如调节肠道微生物群[10]、抗炎[11]和自我修复特性[12]，从而为乳液凝胶递送系统带来额外的健康益处或生物功能属性。总的来说，这些特性突显了基于多糖的乳液凝胶在开发先进生物活性递送系统方面的巨大潜力。

Lentinus edodes β-葡聚糖是从Lentinus edodes中提取的主要活性多糖，具有多种生物活性，包括抗炎、抗肿瘤、抗氧化、抗病毒和调节肠道微生物群的作用[13]。从结构上看，它是一种线性长链多糖，由β-(1→3)-连接的主链组成，每隔三到四个葡萄糖残基有一个β-(1→6)分支[14]。这种独特的键合模式赋予了Lentinus edodes β-葡聚糖独特的流变性质。研究表明，侧链中的葡萄糖残基通过氢键与水分子相互作用，形成刚性凝胶结构，从而显著提高诱导乳液凝胶的粘弹性[15]。然而，需要注意的是，单独的β-葡聚糖在室温下的凝胶化能力较弱，其网络结构通常需要通过冻融循环、高温处理或添加外部诱导剂来增强[16]。基于多糖的乳液凝胶通常通过离子交联（如Ca²⁺）、热诱导凝胶化（如琼脂的溶胶-凝胶转变）或酶促交联来制备。尽管这些传统方法应用广泛，但它们常常存在显著缺点，包括在高温度条件下包封的生物活性化合物降解以及产生的凝胶结构对环境扰动非常敏感[17]。相比之下，乙醇诱导的凝胶化能够稳定地包封纳米到微米级别的油滴，在常温条件下有效保护热敏化合物，并在干燥后保持其原始粒径[18]。

乙醇会改变溶液中多糖的初始分子构象，从而驱动凝胶形成。先前的研究表明，向果胶体系中添加乙醇、酸或其他诱导剂可以调节溶剂极性，破坏果胶-水相互作用，并在低浓度乙醇条件下促进凝胶化，显著增强凝胶的机械强度[19],[20]。与燕麦β-葡聚糖相比，Lentinus edodes β-葡聚糖的水溶性较低，需要更高的浓度才能形成凝胶。特别是在没有外部诱导剂的情况下，β-葡聚糖形成的只是弱聚集的悬浮液，而不是坚固稳定的三维凝胶网络结构[21]，这极大地限制了其实际应用。尽管已经研究了乙醇对果胶和卡拉胶等多糖凝胶化的影响[22]，但乙醇通过分子构象变化诱导Lentinus edodes β-葡聚糖凝胶化的潜力尚未得到充分探索。填补这一知识空白可以为在温和条件下诱导β-葡聚糖凝胶化提供新策略，并拓宽其应用范围。

姜黄素是从姜科植物Curcuma longa的根茎中提取的一种天然多酚化合物。由于其β-二酮基团在不同pH条件下会发生酸碱异构化，其稳定性较差，而其低水溶性导致其在胃肠道（GI）中的生物利用度低于1%[23],[24]。即使在乙醇中溶解，姜黄素也容易在环境压力下降解，尤其是在胃肠道中[25]。与蛋白质纳米粒子和脂质体相比，基于多糖的乳液凝胶提供了更好的稳定性和生物相容性，使其成为功能性食品和药品中姜黄素的理想载体[26]。在本研究中，从Lentinus edodes中提取了高纯度的β-葡聚糖（LEBG），并使用乙醇诱导其形成凝胶。系统地研究了乙醇浓度、油相比例和LEBG含量对凝胶形成的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）检查了干燥凝胶的微观结构，特别关注了凝胶基质的孔隙率和网络完整性。随后制备了新型的乙醇诱导LEBG乳液凝胶，并系统地探讨了其物理化学性质、流变性质和稳定性。随后将姜黄素包封在该系统中，并使用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察了其分布和嵌入状态。体外消化实验评估了不同乳液凝胶配方中姜黄素的释放性质和生物可利用性。本研究旨在设计乙醇诱导的Lentinus edodes β-葡聚糖（LEBG）乳液凝胶作为疏水性生物活性化合物的新递送系统，从而扩展其在功能性食品开发中的潜在应用。

材料

本研究中使用的Lentinus edodes（808）是从中国天津的当地市场购买的。玉米油来自上海的Yihai Kerry集团。姜黄素（纯度>95%，C799233）由天津的Macklin Biotech公司提供。Calcofluor White和Nile Red染料购自上海的Sigma-Aldrich公司。α-淀粉酶（10,000 U/g，CAS: 9000-90-2）来自北京的Solarbio Science & Technology有限公司。所有其他使用的化学品均为分析级。

从Lentinus edodes蘑菇中提取β-葡聚糖

LEBG的化学组成

LEBG在高效液相色谱（HPLC）图谱中显示出一个单一的洗脱峰（图1A），表明所得组分纯度很高。如表1所示，LEBG的提取产率为2.05%。成分分析显示，中性多糖、蛋白质和总酚的含量分别为83.72±1.6%、3.75±0.15%和0.25±0.11%。未检测到葡萄糖酸，其中存在的少量蛋白质可能来源于糖蛋白

结论

本研究表明，乙醇可以有效诱导β-葡聚糖的凝胶化，形成稳定的三维网络，能够包封亲脂性生物活性物质。在30%乙醇浓度下获得了质量最佳的凝胶，此时氢键和疏水相互作用达到了最佳平衡，形成了致密均匀的网络结构。当将其纳入乳液体系时，姜黄素的物理化学性质和释放行为受到强烈影响

CRediT作者贡献声明

Xijin Zhang：撰写——原始草稿、软件、方法学、数据分析。Huiying Cai：验证、方法学、调查、数据分析。Zhongwei Guan：撰写——审阅与编辑、数据分析。Yi Zhao：撰写——审阅与编辑。Xiang Liu：撰写——审阅与编辑。Wei He：数据分析。Yuyuan Zhou：数据分析。Huanhuan Liu：撰写——审阅与编辑、概念构思。Qiaomei Zhu：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构思。

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号32572752和32572574）、天津市企业科技 commissioner项目（编号24YDTPJC00040）以及成都大学国家新抗生素菌株管理中心（资助编号CCSIIA202502）的支持。