蛋白質-多糖自組裝對白藜蘆醇乳液性質的影響

閆曉佳，劉美辰，劉夫國

（西北農林科技大學食品科學與工程學院，陜西 楊凌 712100）

白藜蘆醇是一種多酚類化合物，多存在于花生、葡萄皮和其他植物中[1]，因具有豐富的生物和藥理活性，如抗炎、抗氧化、減肥、預防糖尿病、保護心血管系統和神經系統等，而受到人們的廣泛關注[2-5]。然而，由于白藜蘆醇存在易降解、水溶性差和生物利用度低等問題，在食品中的應用受到了極大的限制[1]。膠體遞送系統的開發可以有效提高活性成分的理化穩定性和生物利用率，尤其是水包油乳液特別適合用于疏水性活性成分封裝遞送[6]。傳統的水包油乳液由小分子表面活性劑通過降低界面自由能制備而成。然而，由于小分子表面活性劑在水油界面處的熱運動，其吸附、解吸處于一個動態平衡，這就導致它們穩定的乳液很容易發生絮凝、奧式熟化和相分離等[7]。同時，大量表面活性劑的使用會帶來一定的安全隱患，因此由表面活性劑穩定的乳液并不廣泛適用于食品和醫藥領域。為提高乳液的穩定性和應用范圍，生物相容性良好的蛋白質和多糖作為乳化劑受到科研工作者的普遍關注，它們具有較好的乳化性，同時能夠有效提高乳液的穩定性。

較多研究表明，乳液建立的遞送體系能改善白藜蘆醇的水分散性、化學穩定性和生物利用率[8]。采用生物大分子在油水界面逐層沉積可能是增加乳液穩定性和保護白藜蘆醇的合適策略[9]。此外，油滴表面包覆的界面層結構和組成也是影響乳液理化穩定性的重要因素之一[10]。因此，本文利用不同的食物蛋白質[玉米醇溶蛋白（zein）和乳鐵蛋白（lactoferrin，LF）]和羧甲基殼聚糖（carboxymethyl chitosan，CMCS）來制備具有不同界面組成和結構的水包油乳液，并對其中所負載的白藜蘆醇的生物可給率進行探究。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳鐵蛋白：上海普洛欽國際貿易有限公司；羧甲基殼聚糖：浙江澳興生物科技有限公司；玉米醇溶蛋白、黏蛋白（Ⅱ）、豬胃蛋白酶（≥250 units/mg固體）、胰脂肪酶（來自豬胰腺，8×USP）：西格瑪奧德里奇貿易有限公司；豬膽鹽（膽酸含量≥60%）、中鏈甘油三酯（medium chain triglyceride，MCT）：上海源葉生物科技有限公司；吐溫-20：天津市致遠化學試劑有限公司；溴化鉀（純度>99.9%）：天津市科密歐化學試劑有限公司；2，2-聯苯基-1-苦基肼基（2，2-diphenyl-1-picrylhydrazyl，DPPH，純度>97%）：阿拉丁公司；其他化學試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

AUW120D電子天平、UVmini-1240紫外可見分光光度計：日本島津公司；LGJ-25C真空冷凍干燥機：北京四環儀器廠；84-1A多頭磁力攪拌器：浙江金壇區西城新瑞儀器廠；101-00AB電熱鼓風干燥箱：天津市賽得利斯實驗分析儀器制造廠；T25高剪切分散機：德國IKA公司；AH-BASIC高壓均質機：蘇州安拓思納米技術有限公司；HC-3018R高速冷凍離心機：安徽中科中佳科學儀器有限公司；LS55-熒光分光光度計：美國PE公司；MPA-傅里葉變換紅外光譜：德國布魯克儀器有限公司；DZKW-4電子恒溫水浴鍋：北京市中興偉業儀器有限公司；DHR-1流變儀：美國TA儀器公司；ZEN3600納米粒度儀：英國馬爾文儀器有限公司；ST300便攜式pH計：美國奧豪斯儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 玉米醇溶蛋白納米顆粒的制備

利用反溶劑沉淀法制備玉米醇溶蛋白納米顆粒[11]。首先將一定質量的玉米醇溶蛋白粉末溶解于75%（體積分數）乙醇水溶液中，磁力攪拌使其分散完全。然后將不同體積的玉米醇溶蛋白分散液分別注射到含有0.2%（體積分數）吐溫-20的去離子水中。通過旋轉蒸發除去分散液中的乙醇，形成含玉米醇溶蛋白顆粒濃度為 0.1、0.2、0.5、0.8、1.0、1.2 g/100 mL 和 1.5 g/100 mL的分散液。

1.3.2 白藜蘆醇單層乳液的制備

油相的組成：將一定質量的白藜蘆醇溶解于無水乙醇（0.04 g/mL）后，分散于MCT，渦旋2 min以獲得含有0.25 g/100 mL白藜蘆醇的油相。其中，無水乙醇作為共溶劑促進白藜蘆醇在MCT中的溶解。

通過高能乳化法制備得到白藜蘆醇單層乳液。將不同濃度的玉米醇溶蛋白顆粒分散液或乳鐵蛋白水溶液（0.1、0.2、0.5、0.8、1.0、1.2 g/100 mL 和 1.5 g/100 mL）與油相混合，高速剪切2 min（10 000 r/min）形成粗乳液，然后通過高壓均質機在50 MPa下循環5次以獲得不同蛋白質穩定的水包油乳液。其中，油相與蛋白質水相的體積比為5∶95。

1.3.3 白藜蘆醇雙層乳液的制備

通過馬爾文粒度儀測定單層乳液液滴的粒徑和表面電荷，確定蛋白質作為乳化劑的最優濃度。在此基礎上，采用不同濃度的羧甲基殼聚糖（0.1、0.2、0.5、0.8、1.0 g/100 mL）沉積在蛋白質穩定的液滴表面，即將單層乳液和不同濃度羧甲基殼聚糖水溶液混合，在10 000 r/min的條件下剪切2 min，然后通過高壓均質機在50 MPa下循環5次，最終獲得蛋白質-多糖穩定的雙層乳液。其中，油相、蛋白質水相和羧甲基殼聚糖溶液的體積比為5∶47.5∶47.5。

1.3.4 乳液液滴的粒徑和電位的測定

通過馬爾文粒度儀測定液滴的粒徑分布和電位。利用去離子水將新鮮制備的乳液稀釋100倍進行測量，所有測量均在25℃條件下進行，重復3次，測定結果取其平均值。

1.3.5 流變學性質分析

為了探究羧甲基殼聚糖濃度對乳液流變學性質的影響，采用流變儀確定新鮮制備的雙層乳液的流變參數，包括儲能模量（G′）、損耗模量（G′′）和剪切黏度（η）。由固定應力下（1 Pa）的頻率掃描確定乳液的模量，其角頻率范圍設置為0.1 rad/s ～100 rad/s。根據流動掃描確定乳液表面黏度隨剪切速率的變化，剪切速率設置為 0.1 s-1～100 s-1。

1.3.6 傅里葉變換紅外光譜（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）分析

利用FTIR分析乳液界面處蛋白質與多糖之間的相互作用。采用溴化鉀壓片法，對凍干樣進行掃描以獲得紅外光譜。將溴化鉀粉末研細之后，置于烘箱中過夜。將凍干的樣品與溴化鉀按1∶100的質量比混合，然后用瑪瑙研缽研成均勻粉末狀。掃描條件設置為：光譜范圍為400 cm-1～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1。采用溴化鉀作為空白對照，每個樣品的光譜采集需在相同條件下重復3次。

1.3.7 白藜蘆醇包埋率的測定

利用紫外可見分光光度計測定不同乳液中白藜蘆醇的包埋率[12]。首先，將3.6 mL甲醇與0.4 mL新鮮乳液混合，渦旋1 min，然后在10 000 r/min的條件下離心10 min，取上清液，在307 nm處測其吸光度值Abs。根據測得的標準曲線回歸方程（y=0.173 9x+0.003 3，R2=0.999 1）計算不同乳液中白藜蘆醇的質量濃度（mg/L）。

包埋率計算公式：包埋率/%=C1/C2×100。

式中：C1為不同乳液中白藜蘆醇的質量濃度，mg/L；C2為白藜蘆醇的總質量濃度，mg/L。

1.3.8 白藜蘆醇的生物可給率

由上述各項指標篩選出最優的多糖濃度制備雙層乳液，并將其應用于體外胃腸道消化模擬實驗中。

進行體外模擬實驗前提前配制人造口腔原液（artificial saliva stock solution，ASSS）。將 1.594 g NaCl、0.328 g NH4NO3、0.636 g KH2PO4、0.202 g KCl、0.308 g K3C6H5O7·H2O、0.021 g C5H3N4O3Na、0.198 g H2NCONH2、0.146 g C3H5O3Na加入少量去離子水中，待其充分溶解后用去離子水定容至1 L，即制得ASSS，該溶液可長期存放于4℃冰箱中。取20 mL ASSS與0.6 g黏蛋白混合，在磁力攪拌器作用下攪拌過夜，制得模擬口腔工作溶液（artificial saliva work solution，ASWS）。

口腔消化：取15 mL新鮮制備的雙層乳液與15 mL的ASWS混合，在磁力攪拌作用下，使用0.1 mol/L NaOH或HCl將pH值調節至7.0，保持10 min[13]。

胃消化：將上述反應后的溶液轉移至100 mL燒杯中，與30 mL含有0.003 2 g/mL胃蛋白酶的模擬胃液（simulated gastric fluid，SGF）混合，使用0.1 mol/L的 HCl將pH值調節至1.5，在磁力攪拌作用下處理1 h[14]。

小腸消化：將20 mL上述胃消化液轉移至另一100 mL燒杯，將pH值調節至7.0。此后，在持續攪拌下將40 mL含有10 mg/mL膽汁鹽和0.4 mg/mL胰酶的模擬腸液（simulated intestinal fluid，SIF）加入到反應容器中。再次調節pH值至7.0并將樣品在磁力攪拌作用下處理2 h[14]。

將經過小腸消化后的液體轉移至離心管中，在15℃、10 000 r/min的條件下離心30 min，收集上清液（膠束相）。用80%的乙醇適當稀釋，使得測定吸光度數值在0.2～0.8之間。在307 nm處測定吸光度值，根據白藜蘆醇標準曲線，計算膠束相中白藜蘆醇含量。用下式計算白藜蘆醇生物可給率[15]，并比較兩種不同界面結構組成對白藜蘆醇生物可給率的影響。

白藜蘆醇生物可給率/%=膠束相中白藜蘆醇含量/白藜蘆醇總添加量×100

1.3.9 數據分析

試驗中獲得的所有數據均為3次測定的平均值。使用SPSS 18.0軟件對試驗結果數據的方差進行統計分析。通過Duncan檢驗的單因素方差分析（ANOVA）確定統計學差異，對數據進行顯著性分析，p<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 蛋白質濃度對乳液液滴大小和電位的影響

圖1為不同濃度的玉米醇溶蛋白和乳鐵蛋白穩定的乳液液滴的粒徑大小和ζ電位。

對于玉米醇溶蛋白顆粒穩定的乳液來說，隨著蛋白質的濃度從0.1 g/100 mL增加到1.5 g/100 mL，乳滴大小表現為先降低后趨于恒定（圖1A）。在0.1g/100mL的低蛋白質濃度下，乳滴平均粒徑高達846.5 nm，這可能是由于油滴表面沒有完全被玉米醇溶蛋白顆粒覆蓋，液滴之間帶相反電荷的區塊發生橋連絮凝，從而導致液滴的平均粒徑較大[16]。隨著玉米醇溶蛋白濃度的增加，玉米醇溶蛋白顆粒緊密排列于油滴表面，通過顆粒之間的靜電斥力和空間位阻維持乳液的穩定性，其平均粒徑保持在210 nm ～240 nm。乳鐵蛋白分子穩定的傳統水包油乳液中表現出相似的粒徑變化趨勢（圖1C）。此外，玉米醇溶蛋白和乳鐵蛋白穩定的單層乳液的多分散指數（polydispersity index，PdI）維持在0.1 ～0.35之間，表明粒徑分布較為均勻。

圖1 不同濃度的玉米醇溶蛋白、乳鐵蛋白（LF）對單層乳液液滴平均粒徑（A、C）和ζ電位（B、D）的影響Fig.1 Influence of different concentrations of zein，LF on the average particle size（A，C）and ζpotential（B，D）of the monolayer emulsion droplets

表面電荷能反映液滴之間的靜電斥力大小，是衡量乳液物理穩定性的重要參數之一。根據文獻報道，依靠靜電斥力穩定的體系ζ電位絕對值應至少為30mV，依靠空間排阻穩定的體系ζ電位絕對值應大于20 mV，才能獲得較為穩定的懸浮液[17]。如圖1B和圖1D所示，油滴本身帶負電，在0.1 g/100 mL的低玉米醇溶蛋白濃度下，液滴仍帶負電荷（-8.8 mV），因此認為玉米醇溶蛋白納米顆粒沒有完全覆蓋油滴表面。該結果與低濃度下玉米醇溶蛋白穩定的乳液粒徑較大相一致。然而，乳鐵蛋白穩定的乳液液滴在整個蛋白質濃度范圍內（0.1 g/100 mL ～1.5 g/100 mL）均帶正電，且電位值逐漸增大。這種差異可能是由于兩種蛋白質不同的分子量及在油水界面處不同的分子結構造成的。當乳鐵蛋白濃度高于0.5 g/100 mL，液滴表面的電位值趨于穩定，表明此時油滴表面已完全被乳鐵蛋白分子覆蓋。

綜合考慮兩種蛋白質穩定的乳液液滴的平均粒徑和ζ電位，選擇1.0 g/100 mL的蛋白質濃度進行后續蛋白質-多糖雙層乳液的制備。

2.2 羧甲基殼聚糖濃度對雙層乳液液滴大小和電位的影響

羧甲基殼聚糖是一種陰離子多糖，它通過靜電相互作用沉積在蛋白質穩定的液滴表面。羧甲基殼聚糖濃度對雙層乳液液滴大小和電位的影響見圖2。

圖2 不同濃度的羧甲基殼聚糖（CMCS）對玉米醇溶蛋白（zein）雙層乳液和乳鐵蛋白（LF）雙層乳液液滴的平均粒徑（A、C）和ζ電位（B、D）的影響Fig.2 Influence of different concentrations of CMCS on the average particle size（A，C）and ζ potential（B，D）of zein-bilayer emulsion droplets and LF-bilayer emulsion droplets

如圖2A和圖2C所示，隨著多糖濃度從0.1g/100mL增加到1.0 g/100 mL，兩種雙層乳液的液滴粒徑在200 nm ～280 nm的范圍內變化。同時，隨多糖濃度增加，玉米醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖穩定的雙層乳液液滴表面的電位值逐漸增大（圖2B），這表明越來越多的羧甲基殼聚糖分子吸附到了玉米醇溶蛋白包覆的液滴表面。而在乳鐵蛋白-羧甲基殼聚糖穩定的雙層乳液中，當羧甲基殼聚糖的濃度為0.5 g/100 mL時，液滴表面所吸附的多糖已經接近飽和（圖2D），這可能是由于蛋白質濃度為1.0 g/100 mL所穩定的單層乳液的液滴大小不同造成的。過剩的羧甲基殼聚糖分子會增加連續相的黏度，限制液滴的移動，降低液滴之間碰撞聚集的可能性，從而提高乳液的穩定性。

2.3 多糖濃度對雙層乳液流變學特性的影響

黏度是反映乳液穩定性的重要指標，連續相的黏度越大，其中分散粒子的沉降速度越慢，乳液體系就越穩定。本試驗探究了不同雙層乳液黏度與剪切速率的關系，見圖3。

如圖3A和圖3C所示，所有乳液的黏度隨剪切速率的增加急劇降低，表現出剪切稀化行為。這是因為流體內的粒子原本為無序分布，剪切阻力較大，表現為黏度較大；隨著剪切速率增大，粒子在剪切場的作用下被拉長，發生位置重排，呈現定向排列，使內摩擦減少，表現為黏度降低；而隨著剪切速率進一步增大，流動阻力變小，直到趨于穩定[18]。隨著多糖的濃度增加，樣品黏度呈現出先增大后減小的趨勢。玉米醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖雙層乳液和乳鐵蛋白-羧甲基殼聚糖雙層乳液分別在0.8 g/100 mL和0.5 g/100 mL的多糖濃度下表現出最大的黏度。然而，與1.0 g/100 mL羧甲基殼聚糖穩定的雙層乳液的黏度相比，無明顯差異。

圖3 不同濃度的羧甲基殼聚糖（CMCS）對玉米醇溶蛋白（zein）雙層乳液和乳鐵蛋白（LF）雙層乳液黏度（A、C）和G′/G′（B、D）的影響Fig.3 Effect of different concentrations of CMCS on viscosity（A，C）and G′/G′（B，D）of the bilayer emulsion stabilized by zein nanoparticles and LF

圖3B和圖3D闡釋了羧甲基殼聚糖濃度對乳液損耗角正切值（tan δ=G′/G′）隨頻率變化的影響。損耗角正切值能夠間接反映乳液的流動性，損耗角正切值越大，流動性則相對較差。乳液的tanδ曲線與黏度變化趨勢相似。當羧甲基殼聚糖濃度較高（≥0.8g/100mL）時，tanδ均高于其它低濃度組，表明隨著羧甲基殼聚糖濃度增加，乳液的tanδ增大，黏度特性顯著，不易流動。因此，通過調節多糖的濃度可以改善乳液的流變性能和穩定性。

結合2.1與2.2乳液液滴的粒徑大小與表面電荷，確定了蛋白質-多糖雙層乳液的最優配方為1.0g/100 mL的玉米醇溶蛋白/乳鐵蛋白和0.8 g/100 mL的羧甲基殼聚糖。

2.4 FTIR分析

為解析蛋白質與羧甲基殼聚糖之間的相互作用，利用FTIR光譜儀分析了各組分的吸收峰，見圖4。

圖4 羧甲基殼聚糖（CMCS）、玉米醇溶蛋白（zein）、乳鐵蛋白（LF）及其復合物的傅里葉變換紅外光譜Fig.4 FTIR spectra of CMCS，zein，LF，zein-CMCS and LF-CMCS

如圖4所示，羧甲基殼聚糖在3 439.54、1 599.45、1 060.48 cm-1出現特征吸收峰，分別為O-H，C=O，C-O鍵的伸縮振動[19]。在玉米醇溶蛋白的光譜中觀察到了蛋白質特有的酰胺鍵，它是由C-O酰胺Ⅰ帶（1650cm-1）和N-H酰胺Ⅱ（1 541 cm-1）的伸縮振動產生的，但玉米醇溶蛋白在2 958 cm-1處也有伸縮振動，這可能是由于玉米醇溶蛋白的強疏水性引起的。與純玉米醇溶蛋白相比，玉米醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖復合物中O-H基團的特征吸收峰從3407.30cm-1移動至3448.63cm-1，且吸收強度增大，這說明玉米醇溶蛋白與羧甲基殼聚糖之間發生了氫鍵結合。同時值得注意的是，復合物在2 958 cm-1處的吸收峰弱于純玉米醇溶蛋白，表明與羧甲基殼聚糖結合后，玉米醇溶蛋白的疏水性減弱。此外，復合物中酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶的位置和吸收強度均發生了變化，揭示了玉米醇溶蛋白與羧甲基殼聚糖之間存在靜電相互作用[20]。

與單一乳鐵蛋白的光譜相比，乳鐵蛋白-羧甲基殼聚糖復合物在酰胺A帶的吸收峰發生了位移，這是由于乳鐵蛋白的-NH2與羧甲基殼聚糖的-COOH發生了靜電作用，同時二者之間會形成氫鍵。另外，與羧甲基殼聚糖的復合使乳鐵蛋白的酰胺I帶的吸收峰從1 659.79 cm-1轉移到1 631.69 cm-1，且峰面積明顯增加，酰胺II帶的特征峰消失，這表明羧甲基殼聚糖的加入導致乳鐵蛋白的二級結構發生了變化：α-螺旋結構增加和β-折疊結構增加[21]。同時，酰胺I帶的吸收峰變得寬而強，表明乳鐵蛋白與羧甲基殼聚糖之間形成了氫鍵。紅外光譜結果表明羧甲基殼聚糖與兩種蛋白質通過氫鍵、靜電相互作用結合。

2.5 白藜蘆醇的包埋率

白藜蘆醇在不同乳液中的包埋率見圖5。

圖5 白藜蘆醇在不同乳液中的包埋率Fig.5 Encapsulation efficiency of resveratrol in the different emulsions

如圖5所示，不同界面組成對乳液中白藜蘆醇的包埋率有顯著影響，其中以乳鐵蛋白-羧甲基殼聚糖穩定的乳液中白藜蘆醇包埋率最高，達到94.81%，乳鐵蛋白穩定的乳液中白藜蘆醇的包埋率達到了73.77%，而以玉米醇溶蛋白穩定的單層和雙層乳液中白藜蘆醇的包埋率較低，僅為47.41%和54.45%，這主要是因為乳化劑的分子結構不同。玉米醇溶蛋白表面的強疏水性導致其很容易在水溶液中發生絮凝沉淀，穩定油水界面的能力較差[22]，因此對負載于油相的白藜蘆醇的包埋效果較差。此外，羧甲基殼聚糖的加入有效提高了白藜蘆醇的包埋率，這可能是由于界面層厚度的增加導致對內部油相及其負載的白藜蘆醇有更好的穩定效果。

2.6 白藜蘆醇的生物可給率

通過體外模擬胃腸道環境，探究不同界面組成對白藜蘆醇生物可給率的影響。通過計算消化后膠束相中白藜蘆醇含量與消化前樣品中白藜蘆醇的添加量的比值來確定白藜蘆醇的體外生物可給率，見圖6。

圖6 白藜蘆醇在不同乳液中的生物可給率Fig.6 Bioaccessibility of resveratrol in the different emulsions

如圖6所示，游離白藜蘆醇、玉米醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖和乳鐵蛋白-羧甲基殼聚糖穩定的雙層乳液中白藜蘆醇的生物可給率分別為（21.65±0.71）%、（62.87±0.34）%與（70.97±0.84）%。結果表明，通過構建乳液遞送載體可以有效提高白藜蘆醇的生物可給率。這主要歸因于蛋白質-多糖界面層的保護作用。蛋白質與多糖的存在限制了胃腸道中膽汁鹽和脂肪酶在脂滴表面的反應，從而抑制白藜蘆醇釋放到水相中被消化降解[23]。相較于玉米醇溶蛋白，乳鐵蛋白穩定的雙層乳液對白藜蘆醇生物可給率有更好的提升效果，這可能是由于乳鐵蛋白優異的乳化性能使其所形成的乳液表現出更好的穩定性。

3 結論

本文采用層層自組裝技術制備了玉米醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖、乳鐵蛋白-羧甲基殼聚糖穩定的雙層乳液。傅里葉變換紅外光譜結果表明，玉米醇溶蛋白和乳鐵蛋白與羧甲基殼聚糖之間的氫鍵、靜電相互作用是形成雙層界面的主要驅動力。玉米醇溶蛋白和乳鐵蛋白與羧甲基殼聚糖穩定的雙層乳液顯著提高了白藜蘆醇的生物可給率。本研究表明界面層的組成和結構對乳液的性質和所負載活性成分的功能性質有著至關重要的影響。