姜黄素与多种来源的I/II型明胶之间的分子相互作用：在皮克林乳液体系中的复杂制备与应用

《Food Hydrocolloids》：Molecular Interactions Between Curcumin and Diverse-Source Type Ⅰ/II Gelatins: Complex Fabrication and Utilization in Pickering Emulsion Systems

　　

杨哲顺|谢子琪|肖思丽|张一玲|白卫东|刘桥宇

佛山大学，中国佛山，518000

摘要

本研究系统地比较了来自不同胶原来源（鱼胶和牛胶，分别对应I型和II型胶原）的明胶与姜黄素（Cur）之间的相互作用，重点关注了所得复合物的结构和界面特性。通过pH循环法制备了四种明胶-Cur复合物（鱼胶/I型和II型以及牛胶/I型和II型），所有复合物的包封效率均超过80%。粒径和ζ电位分析表明，I型明胶（FGI：632.51 nm，?18.53 mV；BGI：664.47 nm，?17.22 mV）的粒径更小，绝对ζ电位更高，而II型明胶（FGII：747.13 nm，?16.69 mV；BGII：764.13 nm，?15.02 mV）则相反。与姜黄素结合后，这些明胶-Cur复合物的界面接触角（80.28°–89.26°）和平衡表面张力（56.28–63.61 mN/m）增加，而动态油水界面张力持续降低并在300秒内达到平衡。姜黄素对明胶的荧光淬灭遵循静态机制，复合物的形成主要由疏水相互作用、氢键和静电作用驱动。结合亲和力（Ka）的顺序为：FGI/Cur（7.59×10⁶ L/mol）> BGI/Cur（7.44×10⁶ L/mol）> FGII/Cur（6.91×10⁶ L/mol）> BGII/Cur（6.42×10⁶ L/mol），这与分子对接结果一致。姜黄素优先结合在I型明胶的Ser129–Glu135区域和II型明胶的Asn179–Ser183区域。所得的明胶-Cur颗粒有效稳定了Pickering乳液。储存后，明胶-Cur稳定的乳液的TBARS值至少比明胶稳定的乳液低50.82%。流变分析显示G' > G''（以弹性为主），并且具有剪切稀化行为，姜黄素的添加进一步提高了弹性模量。这些发现为将副产物明胶与姜黄素结合使用提供了理论基础。

引言

在肉类和水产品的工业加工过程中会产生大量富含胶原的副产物，其中皮肤、骨骼和软骨组织是主要的废弃物。从结构角度来看，I型胶原是皮肤和骨骼基质的主要成分，而II型胶原则大量存在于软骨组织中，是软骨的主要结构胶原（Alcaide-Ruggiero等人，2021年）。因此，高效回收和转化这些胶原资源已被广泛认为是废物增值和减轻环境负担的可持续策略（Luo等人，2025年）。在这种背景下，基于胶原的材料开发在食品科学、生物医学和材料科学领域受到了越来越多的关注。在胶原富集副产物的增值途径中，将其转化为具有两亲性、生物相容性和界面稳定性的功能性生物聚合物是一种特别有吸引力的方法（Ahmad & Benjakul，2011年；Karim & Bhat，2009年）。明胶作为胶原的关键衍生物，具有独特的物理化学和功能特性，使其与其天然前体不同，包括出色的凝胶化、成膜和乳化能力（Peng等人，2025年）。与其他食品级生物聚合物相比，明胶在包封生物活性物质方面具有明显优势。它可以在不发生化学交联的情况下形成稳定的界面层。此外，来自不同胶原来源的明胶表现出依赖于来源的物理化学和结构特性，这可能使得基于母体胶原来源的生物活性化合物具有不同的结合和应用方式（Gómez-Guillén等人，2011年；Rezazadeh等人，2025年）。尽管明胶在食品配方、生物医学和组织工程中有广泛的应用，但其生物相容性、分子特性和功能性能本质上取决于其来源和类型（Yang等人，2022年）。这些生物相容性和分子特性的差异可能会对胶原与天然生物活性化合物之间的相互作用产生显著影响，从而限制了它们在各个领域的实际应用。

姜黄素（Cur）是一种从植物中提取的天然生物活性成分，具有显著的抗氧化和抗炎特性（T?nnesen & Karlsen，1985年）。值得注意的是，姜黄素的分子结构中含有酚羟基和β-二酮基团，这使得其溶解度强烈依赖于环境pH值（Priyadarsini，2014年；T?nnesen & Karlsen，1985年；Wang等人，1997年）。在碱性条件下，姜黄素会发生脱质子化，从而有效加速其水溶性并提高其分子分散性。这种pH驱动的溶解度增强促进了姜黄素与蛋白质分子之间的充分接触和分子间相互作用，为随后的pH驱动的包封过程奠定了有利基础。然而，姜黄素极低的水溶性严重影响了其生物利用度，从而阻碍了其在各种生物应用中的有效开发（Kan等人，2024年）。为了解决这些问题，提出了多种包封策略，包括基于乳液的系统和生物聚合物复合物（Wang & Heuzey，2016年）。在这些方法中，基于蛋白质的纳米复合化已成为提高姜黄素分散性和稳定性的有效策略（Fu等人，2022年）。传统的蛋白质-Cur复合化通常依赖于有机溶剂来促进分子分散，这限制了其在食品系统中的应用（Ding等人，2019年）。

最近，开发了一种pH驱动的包封方法，作为一种无溶剂的替代方案，该方法在碱性条件下促进蛋白质和姜黄素之间的疏水相互作用，随后在中性pH下发生结构重组（Peng等人，2020年）。此外，I型明胶和II型明胶之间的固有差异可能会显著影响姜黄素的包封效率和界面吸附行为，从而改变复合物的乳液稳定性能（Gaspar-Pintiliescu等人，2019年；Toniciolli Rigueto等人，2022年）。值得注意的是，虽然单独的明胶可以作为水溶性乳化剂形成常规乳液，但明胶-Cur复合物可以稳定水包油Pickering乳液。这种Pickering机制依赖于胶体颗粒在油水界面的不可逆吸附，与传统的蛋白质稳定系统中的分子吸附有根本不同（Albert等人，2019年）。这种独特的结构增强了抗滴合并Ostwald熟化的能力，从而显著提高了长期稳定性（Hu等人，2016年）。此外，Pickering系统避免了合成表面活性剂的使用，从而具有更好的生物相容性和更低的毒性（Wu & Ma，2016年），而由颗粒形成的刚性界面层还起到了保护作用，提高了封装生物活性物质在储存和消化过程中的化学稳定性（Wu & Ma，2016年）。尽管已有相关研究报道了基于明胶的包封和递送系统（Ding等人，2019年；Kan等人，2024年），但对于不同来源和类型的明胶制成的复合物的结构特性、界面行为和乳液稳定效果的系统研究仍然很少。

因此，在本研究中，通过pH循环法成功制备了明胶-Cur复合物，并系统地研究了姜黄素与四种明胶系统（鱼胶和牛胶I型/II型）之间的相互作用。结合光谱分析、界面表征和计算模拟，阐明了宏观和分子层面的结合机制。此外，还使用油包水乳液评估了明胶-Cur复合物作为Pickering稳定剂的潜在应用。本研究旨在建立胶原来源/明胶类型与明胶-Cur系统性质之间的全面关系，并为明胶基平台的合理设计提供理论指导。需要注意的是，本研究中使用的pH循环制备方法需要pH变化，这可能限制其工业应用。未来的工作应进一步评估这种方法的可扩展性和长期稳定性。

章节片段

材料和化学品

I型鱼胶（FG I）、I型牛胶（BG I）、II型鱼胶（FG II）和II型牛胶（BG II）均购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）。这些明胶的物理化学性质，包括布卢姆强度、分子量分布和等电点（pI），详见表S1。NaOH、NaCl、HCl和姜黄素购自Aladdin Reagent Co., Ltd.（中国上海）。鱼油也购自Aladdin Reagent Co.,

不同类型明胶-Cur的鉴定

采用扫描电子显微镜（SEM）观察了明胶和明胶-Cur复合材料的表面微观结构。如图1(A1-D2)所示，明胶表现出紧凑且均匀的表面形态，具有光滑平坦的质地，没有明显的颗粒聚集或表面不规则性。这种形态与纯明胶基质的典型结构一致（Zhao & Sun，2018年）。相比之下，明胶-Cur复合材料显示出

结论

系统地表征了姜黄素与四种明胶类型之间的相互作用，并证明了明胶-Cur复合物作为Pickering稳定剂的可行性。姜黄素成功包封在所有明胶基质中，增强了表面疏水性并形成了稳定的蛋白质-多酚复合物。荧光光谱表明，结合主要通过静态淬灭发生，接近1:1的化学计量比。分子对接和自由能分析显示

CRediT作者贡献声明

刘桥宇：监督、资源提供。张一玲：软件支持。肖思丽：方法学、实验设计、资金获取、数据分析。白卫东：资源提供、数据分析。谢子琪：数据管理、概念构思。杨哲顺：项目管理、方法学、实验设计

未引用参考文献

Ahmad & Benjakul, 2011; Gaspar-Pintiliescu et al., 2019.

利益冲突

我们确认参与者同意参与并使用他们的信息。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：32101951）和中国广东省关键建设学科研究能力提升计划（编号：2022ZDJS022）的财政支持。