姚曉琳,聶 珂,陳 玉,張 琨,方亞鵬,*
(1.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北 武漢 430068;2.華中科技大學同濟醫學院公共衛生學院,湖北 武漢 430030;3.福格森(武漢)生物科技股份有限公司,湖北 武漢 430056)
復合界面對食品乳液中脂肪消化的影響
姚曉琳1,2,3,聶 珂1,陳 玉1,張 琨3,方亞鵬1,*
(1.湖北工業大學生物工程與食品學院,湖北 武漢 430068;2.華中科技大學同濟醫學院公共衛生學院,湖北 武漢 430030;3.福格森(武漢)生物科技股份有限公司,湖北 武漢 430056)
以中鏈甘油三酯為油相制備乳液,將天然高分子與小分子表面活性劑復配,構建阿拉伯膠(gum arabic,GA)或乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)與吐溫80(T80)的復合乳液界面。采用逐層添加或混合添加的方式,調控界面組分的吸附次序,構建不同界面結構的乳液體系。采用體外模擬小腸消化模型和界面流變技術等手段剖析乳液界面結構對脂肪消化速率的影響。結果表明:對于GA、WPI和T80形成的單一乳液體系,GA和WPI的界面彈性模量高于T80界面,黏彈性好。三者抗膽鹽取代和延緩脂肪消化能力依次為GA<WPI<T80。在大分子GA或WPI與小分子T80形成的復合乳液體系中,由T80吸附占主導的界面,其延緩脂肪消化和界面抗膽鹽取代的能力優于GA或WPI與T80共同吸附的界面結構。
乳液;脂肪消化;復合界面;界面特性
人體對脂質的吸收高達95%,脂質吸收過量是導致肥胖、心血管疾病、Ⅱ型糖尿病、動脈粥樣硬化等營養代謝性疾病的主要原因[1-2]。正常人每日膳食所含的脂類中,甘油三酯占90%以上,其消化吸收需經過口腔、胃和小腸途徑。脂肪的消化場所主要發生在小腸里[3]。為了使脂肪在十二指腸內被水溶性胰脂肪酶消化,脂肪在胃內可被預乳化成脂肪液滴。當脂滴進入小腸,來自膽囊的膽汁酸鹽及磷脂類的表面活性物質能夠有效地乳化脂肪顆粒,并吸附在脂滴表面,形成較小的脂肪顆粒。脂肪酶吸附在脂肪顆粒界面可發生酶解,生成甘油二酸酯、甘油一酸酯、脂肪酸和甘油。腸液中的離子(如Ca2+),可將脂質消化產物沉淀,由膽汁酸鹽/磷脂膠束從界面上移除,為脂肪酶進一步消化提供吸附位點[4-6]。因此,脂質消化主要是由小腸腸液中的膽汁酸鹽、胰脂肪酶和礦物質離子等在乳滴界面共同作用的結果[1,7-8]。目前,國內外研究熱點主要集中在設計乳液的精細界面結構,來調控在模擬小腸環境中乳液脂肪的消化過程[9-13]。
食品膠體是一類動植物及微生物由來的多糖和蛋白質等天然高分子。由于其高安全性、生物體相容性、生理功效性等優點,可作為食品原料和添加劑廣泛應用于各類食品,在食品結構設計中發揮重要作用。單一的多糖或蛋白吸附在界面上,由于其界面層較薄,極易被膽汁酸鹽和胰脂肪酶取代,從而發生脂質快速消化[10-12]。因此,本研究擬將天然高分子與小分子表面活性劑復配,構建阿拉伯膠(gum arabic,GA)/吐溫80(T80)或乳清分離蛋白(whey protein isolate,WPI)/T80復合乳滴界面。采用逐層添加或混合添加的方式,調控界面組分的吸附次序,構建相同界面組分但不同界面結構的乳液體系[13-15]。采用模擬體外小腸消化模型和界面流變技術等手段來剖析乳液界面結構對脂肪消化速率的影響,為設計降脂食品結構和脂溶性營養素遞送體系提供理論依據。此外,依據食物吞咽流變學原理,隨著液體稠度的增加,吞咽障礙患者誤吸風險明顯降低。因此可采用食品乳液復合界面調控技術設計具有不同流體力學特性(稀流質、濃流質、流動凝膠等)的模型食品體系,為開發適宜吞咽障礙人群的功能食品提供理論參考[16]。
GA 日本三榮源公司;WPI 美國戴維斯柯公司;T80 汕頭市西隴化工廠有限公司;胰脂肪酶(Type II L3126) 美國Sigma公司;中鏈甘油三酯(medium-chain triglyceride,MCT) 馬來西亞KLK食品有限公司;膽汁酸鹽3號、NaOH、NaCl、CaCl2(均為分析純) 國藥集團化學試劑有限公司。
PT-MR 2100高速剪切乳化機 瑞士Kinematica公司;M-110L高壓納米均質機 美國Microfluidics公司;DELTA320 pH計 梅特勒-托利多儀器有限公司;Titrino907 pH-stat全自動電位滴定 瑞士萬通有限公司;Mastersizer 2000激光粒度儀 英國Malvern公司;Tracker氣泡/液滴輪廓分析儀 法國泰克里斯公司。
1.3.1 溶液配制和乳液制備
采用Tris-HCl緩沖液(10 mmol/L,pH 7.0)配制一定質量分數的GA溶液、WPI溶液和T80溶液,調節pH 7.0,室溫條件下滾軸混合過夜,使其溶脹完全。在上述溶液中加入MCT,高速剪切乳化機預乳化3 min(26 000 r/min),采用高壓納米均質機均質,75 MPa一次循環,得到水包油型乳液,整個實驗過程在冰水浴條件下完成。
1.3.2 乳液粒徑測定
使用Mastersizer 2000型激光粒度儀分別測定不同質量分數的GA乳液、WPI乳液和T80乳液的粒徑。為防止多重散射,需要逐滴加入乳液至折光度略高于10%,并在實驗過程中持續攪拌。為與配制乳液的溶劑保持一致,在測量乳液粒徑時使用超純水作分散劑。GA-MCT的折光率為1.47,WPI-MCT的折光率為1.54,T80-MCT的折光率為1.08。
1.3.3 復合乳液的制備
對于GA-T80乳液體系,在GA溶液中加入MCT,高速剪切乳化3 min(26 000 r/min),采用高壓納米均質機均質,75 MPa一次循環,得到水包油型乳液,整個實驗過程在冰水浴條件下完成。在新制得的乳液中加入T80溶液,磁力攪拌至少3 h,得到終質量分數為10% GA、0.2% T80和20% MCT的復合乳液。采用T80先乳化均質再添加GA吸附可得到T80-GA乳液體系。將GA和T80溶液混合,加入MCT乳化均質,得到GA+T80乳液體系。3 種制備方法條件下乳液終質量分數均為10% GA、0.2% T80和20% MCT。WPI/T80復合乳液體系制備方法參照GA/T80復合乳液體系。
1.3.4 消化動力學測定
取1 mL乳液用Tris-HCl(10 mmol/L,pH 7.0)緩沖液稀釋40 倍,取30 mL,調節pH 7.0,在37 ℃條件下水浴振蕩30 min。隨后加入NaCl、CaCl2、膽鹽、脂肪酶,終體積為37.5 mL,得到終濃度為150 mmol/L NaCl、20 mmol/L CaCl2、5 mg/mL膽鹽、胰脂肪酶1.6 mg/mL的體外模擬小腸環境[17]。最后用pH-stat全自動電位滴定儀在恒定pH 7.0條件下測定消化動力學曲線。通過消耗的NaOH量可計算得到乳液體系中游離脂肪酸(free fatty acids,FFA)的釋放率,從而可評價小腸中脂肪消化的程度。FFA釋放率按公式(1)計算:

式中:V(NaOH)為消耗NaOH的體積/mL;m(NaOH)為NaOH濃度/(mol/L);wLipid為消化反應中最初的油脂的質量(194 mg);MLipid為中鏈甘油酸酯的摩爾質量(500 g/mol)。
1.3.5 界面張力和模量測定
用界面流變儀測量各乳化劑在油-水界面吸附時引起的界面張力和界面彈性模量的變化。采用帶有U型針頭的微量注射器(內徑0.56 mm),全自動泵控制油滴體積。測定界面張力時,采用恒定油滴表面積14.0 mm2。測定界面彈性模量時,采用周期控制油滴表面積(14.0±1.4)mm2(即振幅10%),振蕩周期為0.05~0.1 Hz的模式。整個實驗在37 ℃水浴條件下控溫進行。
通過CCD相機高速采集油滴輪廓信息,通過Laplace方程計算得到界面張力,通過監測油滴表面積發生變化時界面張力的變化值,計算得到界面彈性模量[18-19],按公式(2)、(3)計算:

式中:π界面壓/(mN/m);γ0是純油-水界面的張力值/(mN/m);γ為溶液界面張力的變化/(mN/m);A為界面面積/mm2;ε為界面彈性模量/(mN/m)。
1.3.6 界面分步吸附
乳化劑和膽鹽在界面上分步吸附引起的界面張力和界面彈性模量變化的測定方法按1.3.5節[19]。對于GA-T80體系,向樣品池中加入10 mL含有10 mmol/L Tris-HCl緩沖液(pH 7.0)、150 mmol/L NaCl、20 mmol/L CaCl2的GA溶液, 280 r/min持續攪拌。待GA在油-水界面上吸附平衡后,在12 000 s時加入含有相同水相的T80溶液,待其吸附平衡后,在24 000 s時加入膽鹽(終質量濃度0.125 mg/mL),待其吸附平衡。對于T80-GA體系,先加入T80溶液吸附平衡,在12 000 s處再加入含相同水相的GA溶液,待吸附平衡后在24 000 s時加入終質量濃度為0.125 mg/mL的膽鹽。對于GA+T80體系,將GA和T80混合溶液加入樣品池使其吸附平衡,在24 000 s處加入相同質量濃度的膽鹽,待其吸附平衡。WPI和T80復合體系的界面分步吸附操作參照GA和T80復合體系。
各實驗均重復3 次以上,結果以±s表示。
2.1.1 單一乳液的粒徑分布
乳液粒徑大小是評價乳液物理特性的重要指標之一,可判斷乳化劑的乳化活性。在脂肪消化過程中,乳液的比表面積決定了膽鹽、脂肪酶在油-水界面的吸附位點,因此乳液粒徑大小對脂肪消化速率影響顯著[3]。如圖1所示,10% GA、1% WPI和0.2% T80制備乳液的粒徑分布基本一致,可保證乳液液滴的比表面積一致,消除乳液粒徑對脂肪消化速率造成的影響。后續實驗均采用此乳化劑質量分數。

圖1 10% GA、1% WPI和0.2% T80制備乳液的粒徑分布Fig. 1 Particle size distribution of emulsions stabilized with 10% GA,1% WPI and 0.2%T80
2.1.2 單一乳液的消化動力學

圖2 單一乳化劑乳液消化動力學曲線Fig. 2 Kinetics of lipid digestion of emulsions stabilized with 10% GA,1% WPI and 0.2% T80
由圖2可知,GA乳液的脂肪消化速率最大,其次為WPI,T80乳液的脂肪消化速率最低。由于GA是大分子鏈狀多糖,分子中的阿拉伯半乳聚糖蛋白(arabinogalactan protein,AGP)約含12%,是主要的提供界面活性的部分[20-21]。AGP中的疏水蛋白部分吸附在界面上,外凸的親水多糖鏈部分則提供了空間斥力來抑制乳液顆粒的絮凝和聚集。GA分子中僅有小部分吸附在乳滴界面上,吸附位點少而弱,在模擬腸液中極易被膽鹽取代。WPI是球形蛋白質分子,可憑借分子中疏水基團全部吸附在界面上,且蛋白質分子能與膽鹽結合,限制膽鹽的活動能力,從而降低了消化速率。T80為小分子表面活性劑,可吸附在脂滴界面上形成整齊致密的界面結構,因此可有效阻礙膽鹽和脂肪酶在界面上的吸附[22-25]。
2.1.3 單一乳液的界面流變特性
由圖3A可知,GA和WPI界面的彈性模量值基本一致,比T80界面的彈性模量值高很多。說明此質量分數條件下GA和WPI形成的界面相對T80有更好的界面黏彈性。這是由于大分子GA和WPI具有較強的空間位阻,在乳滴界面可形成較厚的吸附層,乳滴空間穩定性較好,可在一定程度上抵御外力造成的變形。T80屬于小分子表面活性劑,在界面吸附致密整齊,但乳滴的空間穩定性較差,易發生變形和聚集。圖3B表明,在加入膽鹽后,GA界面的界面張力降低值ΔT為8.42 mN/m,T80界面的界面張力基本不變,WPI界面的界面張力降低值ΔT為1.09 mN/m,由此證明T80的抗膽鹽取代能力最優,其次為WPI和GA[19,26-27]。3 種乳化劑所呈現的界面特性與3 種乳液的消化動力學規律相吻合。采用界面流變技術可有效評價乳化劑的界面特性,腸液組分對乳滴界面特性造成的影響以膽鹽取代最為顯著。因此,通過評價膽鹽在界面的取代能力,可在一定程度上判斷乳液的脂肪消化動力學規律。

圖3 單一乳液界面條件下的界面彈性模量(A)和界面張力(B)Fig. 3 Interfacial dilatational modules (A) and tensions (B) of single oil-water interfacial layer coated with 0.25% GA, 0.025% WPI and 0.005% T80
2.2.1 復合乳液的粒徑分布
采用大分子GA或WPI與小分子表面活性劑T80設計大分子和小分子復合乳液界面,通過不同的乳液制備方法,調控界面結構組成,以此來評價復合乳液界面對脂肪消化速率的影響。前期研究表明,采用逐層添加的方法制備乳液,二次添加的乳化劑為原位吸附,不會影響到初始乳液的粒徑[13]。因此,采用具有相同粒徑分布的單一乳化劑質量分數制備逐層吸附或混合吸附乳液,其粒徑分布可保持一致。
2.2.2 GA和T80復合乳液
由圖4可知,采用GA乳化均質再添加T80吸附的乳液(GA-T80),其消化動力學曲線出現明顯的延滯期和加速期[13]。而采用T80乳化均質再添加GA吸附的乳液(T80-GA)以及將GA和T80混合后乳化均質制備的乳液(GA+T80),其乳液消化動力學曲線與GA-T80乳液消化曲線中的延滯期速率相重合,乳液的FFA釋放程度依次為GA-T80>GA+T80>T80-GA。研究表明,在多糖或蛋白乳液中加入非離子型表面活性劑,會出現消化動力學曲線的延滯期和加速期[17,28-29],推測脂肪酶在乳滴界面的吸附需要一定的時間是造成延滯期的主要原因[29]。而T80-GA乳液和GA+T80乳液具有和GA-T80乳液類似的延滯期,是由其界面結構所決定的。

圖4 逐層吸附或混合吸附法制備的GA和T80復合乳液體系的脂肪消化動力學曲線Fig. 4 Kinetics of lipid digestion of complex emulsions stabilized with 0.25%GA and 0.005% T80 using layer-by-layer adsorption or mixed adsorption

圖5 GA和T80復合體系條件下不同吸附次序的界面彈性模量(A)和界面張力變化(B)Fig. 5 Interfacial dilatational modules (A) and tensions (B) of complex oil-water interfacial layer coated with 0.25% GA and 0.005% T80
如圖5A所示,GA-T80體系的界面彈性模量值在加入T80后明顯下降,但略高于GA+T80和T80-GA兩種體系條件下的界面彈性模量值。T80-GA體系的界面彈性模量在加入GA后未發生任何變化,與GA+T80體系的界面彈性模量值基本一致。由圖5B可知,GA-T80體系條件下的界面張力值在加入T80后大幅度降低,加入膽鹽后也有一定程度的降低(ΔT約為0.91 mN/m)。T80-GA體系的界面張力值在加入GA后未發生變化,與GA+T80體系的界面張力值幾乎完全重合,2 種體系在加入膽鹽后界面張力值下降程度一致(ΔT約為0.74 mN/m)。由此可推測,GA-T80體系中T80取代了界面上部分GA,形成了GA/T80的混合吸附界面。GA+T80和T80-GA兩種體系的界面結構相似,可能為T80主導的界面結構。T80主導的界面結構其抗膽鹽取代能力優于GA/T80的混合吸附界面。
對于GA-T80體系,由于GA是鏈狀大分子多糖,僅AGP中的疏水蛋白部分吸附在界面,界面結構較為松散。小分子表面活性劑T80能夠填補界面上GA分子間空隙或取代部分GA,形成較為致密的界面結構。對于T80-GA體系,由于T80優越的乳化活性,T80可在界面上整齊排列形成致密界面結構,GA難以找到界面吸附位點,也無法取代已在界面吸附平衡的T80,因此形成以T80主導的界面結構。對于GA+T80體系,將二者共同加入后,GA和T80在界面上競爭性吸附,GA的界面吸附位點較少,乳化活性顯著低于T80,難以在界面占據,因此也形成了以T80主導的界面結構[19,26-27]。界面上的T80在一定程度上阻礙或延緩了脂肪酶吸附,即脂肪酶的吸附需耗費一定時間,酶解反應無法立即啟動。因此3 種乳液的脂肪消化動力學曲線中均出現了延滯期。不同的是,GA-T80乳液界面為GA和T80共同吸附,與T80相比,GA較易被膽鹽取代而使脂肪酶吸附,因此在GA-T80乳液的延滯期后會出現加速期。而以T80為主導的乳液界面,測定時間內未見到明顯的加速期。
2.2.3 WPI和T80復合乳液

圖6 逐層吸附或混合吸附法制備的WPI和T80復合乳液體系的脂肪消化動力學曲線Fig. 6 Kinetics of lipid digestion of complex emulsions stabilized with 0.025% WPI and 0.005% T80 using layer-by-layer adsorption or mixed adsorption
由圖6可知,采用WPI乳化均質再添加T80吸附的乳液(WPI-T80),其消化速率和FFA釋放程度最大,其次是將WPI和T80混合后乳化均質制備的乳液(WPI+T80),T80乳化均質再添加WPI吸附的乳液(T80-WPI)消化速率最慢。
由圖7A可知,WPI-T80體系中的界面彈性模量在加入T80后大幅度降低,但遠高于WPI+T80和T80-WPI體系的界面彈性模量值。T80-WPI體系的界面彈性模量在加入WPI后未發生變化,與WPI+T80體系的界面彈性模量值基本重合。由圖7B可知,WPI-T80體系在12 000 s時加入T80后界面張力值顯著降低,在24 000 s時加入膽鹽后界面張力值降低值ΔT為0.65 mN/m。而T80-WPI體系在加入WPI后界面張力無任何變化,與WPI+T80體系界面張力曲線完全重合。膽鹽的加入對二體系的界面張力值也無任何影響。由此可推測,WPI-T80體系中,界面上的WPI界面被T80部分取代,形成了WPI/T80的混合吸附界面[30]。對于T80-WPI體系,由于T80優越的乳化活性,在界面吸附致密,WPI幾乎無法取代已在界面吸附平衡的T80,因此形成了以T80主導的界面結構。對于WPI+T80體系,WPI和T80在界面上競爭性吸附,T80呈現出在界面吸附顯著的優勢。由于本實驗為單滴吸附,WPI+T80體系測定的界面彈性模量與界面張力均與T80-WPI接近,乳滴界面以T80吸附為主,不排除有極少量WPI吸附在界面。這是由于,WPI相對于GA具有良好的乳化活性,在乳液形成中很可能存在少量WPI吸附在乳滴界面形成WPI單獨包覆乳滴或同一乳滴界面上吸附少量WPI的情況。在乳液消化過程中,WPI吸附界面相對于T80較易被膽鹽取代,因此WPI+T80混合吸附體系呈現出比T80-WPI體系更快的消化速率(圖6)。同時,也證明T80主導的界面結構的抗膽鹽取代能力優于WPI/T80的混合吸附界面[19,26-27]。

圖7 WPI和T80復合體系條件下不同吸附次序的界面彈性模量(A)和界面張力變化(B)Fig. 7 Interfacial dilatational modules (A) and tensions (B) of complex oil-water interfacial layer coated with 0.025% WPI and 0.005% T80
脂質在體內消化是個復雜的過程,但其實質是腸液組分(膽鹽、脂肪酶、礦物離子等)在乳滴界面共同作用的結果,膽鹽的界面取代是影響脂質消化速率的關鍵因素,可將膽鹽對界面上乳化劑的取代能力作為評價其消化難易程度的重要指標。對于由多糖或蛋白組成的單一界面結構,由于其界面層較薄,較易被膽鹽取代而完成消化。采用小分子表面活性劑進行修飾的復合界面,會使界面結構更為致密而厚實,可在一定程度上延緩或阻礙膽鹽的界面取代。本實驗采用天然高分子GA或WPI與小分子表面活性劑T80設計復合乳液界面結構,構建了大分子和小分子的復合乳液界面體系。采用體外模擬小腸消化模型和界面流變技術,評價了界面結構對脂肪消化速率和抗膽鹽取代能力的影響。
對于GA、WPI和T80形成的單一乳液界面,GA和WPI的界面彈性模量高于T80界面,黏彈性好。三者抗膽鹽取代和延緩脂肪消化的能力依次為GA<WPI<T80。
對于大分子和小分子形成的復合乳液界面,GA-T80體系中的T80取代了界面上部分GA,形成了GA/T80的混合吸附界面,GA+T80和T80-GA兩種體系的界面結構相似,可能為T80主導的界面結構。T80主導的界面結構其抗膽鹽取代能力優于GA/T80的混合吸附界面,呈現出良好的延緩脂肪消化的能力。同理,WPI-T80體系中,T80取代了界面上部分WPI,形成了WPI/T80的混合吸附界面。T80-WPI體系中T80在界面吸附致密,形成以T80主導的界面結構。對于WPI+T80體系,T80呈現出顯著的界面吸附優勢。但在乳液形成中可能存在少量WPI吸附在乳滴界面形成WPI單獨包覆乳滴或同一乳滴界面上吸附少量WPI的情況。在乳液消化過程中,WPI吸附界面相對于T80較易被膽鹽取代,因此WPI+T80混合吸附體系呈現出比T80-WPI體系更快的消化速率。
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Effect of Complex Interface on Lipid Digestion in Food Emulsion
YAO Xiaolin1,2,3, NIE Ke1, CHEN Yu1, ZHANG Kun3, FANG Yapeng1,*
(1. College of Bioengineering and Food Science, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China;2. School of Public Health, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430030, China;3. Ferguson (Wuhan) Biotechnologies Co. Ltd., Wuhan 430056, China)
In this study, emulsion was prepared with medium-chain triglyceride (MCT) as oil phase, and gum arabic (GA),whey protein isolate (WPI) and Tween 80 (T80) as emulsifiers to design complex emulsion interface. The interfacial structure of emulsions was varied by controlling the sequence of adsorption of the components at the interface using layerby-layer adsorption or mixed adsorption. The effect of interfacial structure on the rate of lipid digestion was evaluated using a simulated intestinal lipolysis model by interfacial rheology. The results showed that individual GA or WPI interface presented higher interface modulus than T80 interface along with good viscoelasticity, and the ability to resist bile salt displacement and delay lipid digestion was as follows: GA < WPI < T80. In complex emulsions, the interface dominated by T80 showed a better ability to delay lipolysis and resist of bile salt displacement than the interface composed of GA (WPI) and T80.
emulsion; lipid digestion; complex interface; interfacial structure
10.7506/spkx1002-6630-201802001
TS20
A
1002-6630(2018)02-0001-07
姚曉琳, 聶珂, 陳玉, 等. 復合界面對食品乳液中脂肪消化的影響[J]. 食品科學, 2018, 39(2): 1-7.
10.7506/spkx1002-6630-201802001. http://www.spkx.net.cn
YAO Xiaolin, NIE Ke, CHEN Yu, et al. Effect of complex interface on lipid digestion in food emulsion[J]. Food Science,2018, 39(2): 1-7. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201802001. http://www.spkx.net.cn
2016-11-24
國家自然科學基金面上項目(31470096);中國博士后科學基金項目(2017M612464)
姚曉琳(1982—),女,副教授,博士,主要從事食品膠體功能化應用研究。E-mail:yaoxiaolin1113@163.com
*通信作者簡介:方亞鵬(1977—),男,教授,博士,主要從事食品膠體研究。E-mail:fangypphrc@163.com