自适应封装凝胶可提升生物活性物质的体外稳定性

《Journal of Food Engineering》：Adaptive Encapsulation Gels Enhance Bioactives Stability in vitro

　　本研究利用小肽（AcTFFNH2、YAFAF）和藻酸钠开发新型凝胶封装体系，通过流变测试和SEM表征发现，不同配方的凝胶（如TSG、YSE）在模拟消化环境下保持高稳定性（释放效率达91.07%-96.52%），其释放机制由扩散与聚合物降解协同驱动，为靶向递送生物活性物质提供了理论依据。

　　

杜恒|高金红|杨红燕|卢奎

食品科学与工程，国家小麦和玉米深加工工程技术研究中心，河南工业大学，连华路100号，郑州450001，河南省，中华人民共和国

摘要

本研究旨在提高生物活性物质的稳定性，并实现具有不同溶解度的生物活性物质（茶多酚，TP；β-胡萝卜素，βC）的靶向释放。通过使用小肽（AcTFFNH₂，YAFAF）和海藻酸钠制备了包胶凝胶。通过流变测试和扫描电子显微镜（SEM）表征了凝胶的性能和生物活性物质的保留情况。具体制备的凝胶类型包括肽水凝胶（THG，YHG）、复合水凝胶（TSG，YSG）、乳液凝胶（TEG，YEG）和复合乳液凝胶（TSE，YSE），它们表现出不同的载药能力。生物活性物质的浓度显著影响了包封效率和凝胶强度，其中TP@TSG表现出最佳的包封效果（包封效率91.07±0.03%，凝胶强度5410±178 Pa），而βC@YSE也表现出优异的性能（包封效率96.52±0.22%，凝胶强度4120±84 Pa）。在生理相关压力（pH值、温度、金属离子）下孵育4小时后，所有凝胶仍保持其保护作用。包胶凝胶的释放行为显示出依赖于环境的变化。使用多种数学模型对释放动力学进行分析表明，生物活性物质的释放受到扩散-溶解/侵蚀机制的共同控制，这种机制受到聚合物膨胀和降解的协同作用。

引言

全球对天然和促进健康食品的市场需求持续增长，反映了人们日益追求健康生活的趋势（Cao等人，2024年）。食品中的生物活性物质，如黄酮类、多酚类、多糖类、功能性油脂和益生菌，具有增强免疫力、清除自由基和调节肠道微生物群平衡等健康益处（Song等人，2020年；Oyen等人，2017年）。在食品、制药和化妆品行业中，最大化生物活性物质的功能潜力对于提升产品性能至关重要（Zhao等人，2024年）。茶多酚（TP）和β-胡萝卜素（βC）这两种强效生物活性物质，由于其出色的抗氧化和抗菌特性，在食品保鲜和疾病预防方面具有巨大潜力（Pap N.等人，2021年）。茶多酚中的表儿茶素、表儿茶素没食子酸酯、表没食子儿茶素和表没食子儿茶素没食子酸酯是主要的活性成分，具有抗氧化和降脂作用（Zhou等人，2025年）。β-胡萝卜素作为维生素A的前体，具有抗氧化和增强免疫力的作用，被广泛用于营养强化和治疗应用（Feng等人，2025年）。然而，这些化合物固有的不稳定性和不可预测的释放动力学常常限制了它们的实际应用效果（Tavasoli等人，2022年；Yu等人，2022年；Rezaei等人，2019年）。凝胶包封技术已成为解决这些问题的关键策略，但仍面临诸多挑战（Zhao等人，2024年；Liao等人，2022年）。

物理/化学不稳定性和不可控的释放特性是凝胶包封技术中的关键瓶颈（Zhou等人，2023年）。在实际应用中，保持凝胶载体在复杂环境中的结构完整性非常困难，常常导致活性物质过早泄漏或功能失效（Khalesi等人，2020年）。此外，对活性成分释放速率和量的精确时空控制仍然难以实现，无法满足多样化的应用需求（Santos等人，2021年）。进一步的研究揭示了载体存在的显著局限性。首先，凝胶的机械强度与活性物质载药浓度之间存在根本的权衡，高载药量往往会损害凝胶的结构稳定性（Zhang等人，2021年；Guedes等人，2020年）；其次，对于环境因素（如pH值波动、Cu²⁺浓度、温度变化）对凝胶稳定性的协同影响了解不足，这阻碍了环境适应性包封系统的设计（Li等人，2021年；Semenova等人，2021年）。

目前，已经开发出多种策略来解决这一问题，包封技术被证明是有效、安全的，并被广泛使用。越来越多的研究表明，包封技术可以保护活性成分免受降解，提高口服生物利用度，并确保在作用部位实现精确和持续的释放（Lin等人，2025年；Gómez-Guillén & Montero，2021年）。由于消化环境和载体结构显著影响活性成分的释放部位和机制（He等人，2024年；Mescheryakova & Novopashin，2022年），研究结构参数与消化性能之间的关系对于设计基于肽的低分子量水凝胶和复合水凝胶作为递送系统也非常重要。

基于上述背景和挑战，本研究主要关注生物活性物质分散浓度对包胶凝胶性能和释放动力学的影响，特别是肽基和复合水凝胶负载TP和βC时的微观形态、凝胶强度和载药能力。通过DPPH自由基清除试验研究了包封的保护效率。在体外模拟消化条件下，研究了生物活性物质-包胶凝胶的释放行为和机制。关于释放动力学，单一数学模型无法充分描述TP与βC在凝胶基质中的差异释放行为，因此需要分阶段进行模型拟合。本研究期望为推进生物活性物质包胶凝胶技术的应用提供基础理论指导和实际技术支持，以实现靶向释放。生物材料的持续创新推动了多种生物蛋白及其衍生物在凝胶包封系统中的应用（Amiri等人，2025年；G?khan等人，2025年），这基于对材料结构和释放机制的深入理解。这些研究为满足现代消费者的多功能需求（包括食品功能、安全性和营养性）奠定了基础（Ahmadreza等人，2025年；Zhou等人，2025年）。

样本和化学品

设计的肽（Ac-Thr-Phe-Phe-NH₂，简称AcTFFNH₂，分子量M_w = 454.52 g/mol，纯度>92.6%；Tyr-Ala-Phe-Ala-Phe，简称YAFAF，分子量M_w = 617.69 g/mol，纯度>95.8%）是在我们的实验室合成的（Du, H.等人，2022a；Du, H.等人，2022b）。大豆油（Arawana品牌，Yihai Kerry Arawana Holdings Co., Ltd.，900 mL）从当地杂货店购买。茶多酚（TP，纯度>98%，CAS：84650-60-2；等级：HPLC）和β-胡萝卜素（βC，纯度>97%，CAS：7235-40-7；等级：

包胶凝胶的制备与表征

在制备水凝胶和乳液凝胶的过程中，加入了生物活性小分子以构建包封系统。生物活性物质的浓度显著影响了包胶凝胶的形成、物理性质和释放动力学。亲水性的TP和亲脂性的βC被用作包封的模型化合物。这些化合物被配制成不同浓度的分散体系，以研究它们对

结论

为了提高稳定性并实现生物活性物质的靶向释放，本研究采用了先前研究中开发的自组装肽基水凝胶和复合水凝胶作为材料，在消化过程中实现控制释放。通过筛选制备条件、表征微观结构形态、评估茶多酚和βC在极端环境条件（pH梯度、温度梯度、金属离子暴露）下的抗氧化稳定性，我们制备出了具有

CRediT作者贡献声明

杜恒：撰写初稿、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。卢奎：审稿与编辑、数据可视化、资源协调、项目管理和资金获取、概念构思。高金红：实验研究、数据分析。杨红燕：结果验证、资源协调

未引用的参考文献

Du等人，2022年；G?khan等人；Guedes Silva等人，2020年；Li等人，2021年；Ritger和Peppas，1987年；Santos和Garcia-Rojas，2021年；Song等人，2013年；Wang等人，2022年；Xu等人，2019年；Zhou等人，2024年。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了河南省自然科学基金（项目编号：252300420658）的支持。本文受版权保护。所有权利保留。