瓦文強,秦娟娟,楊敏,魏彥明,*,袁子文,紀鵬,甄晨波
1(甘肅農業大學 理學院,甘肅 蘭州,730070)2(甘肅農業大學 動物醫學院,甘肅 蘭州,730070)
酪蛋白是牛乳中含量最高的蛋白質,是一類結構相近且磷酸化的蛋白總稱,主要包括αs1-、αs2-、β-和κ-酪蛋白4種單體。牛乳中,4種酪蛋白單體通過疏水、靜電等相互作用形成直徑大小為80~400 nm的近球形粒子,稱為酪蛋白膠束[1]。酪蛋白膠束結構獨特,內部由αs-、β-酪蛋白及礦物元素組成,形成多個疏水空腔,κ-酪蛋白覆蓋在膠束表面形成毛發層,具有較好的親水性;因此,酪蛋白膠束具有疏水內部和親水表面,易溶于水,且結構較為穩定[2]。酪蛋白膠束可通過膜分離技術提取,其來源廣泛、成本低廉、營養價值高,且具有可降解和生物相容性高等優點。
果膠是一種天然水溶性陰離子多糖,其中半乳糖醛酸含量超過65%,結構多樣,來源廣泛,價格低廉[3]。果膠具有降低膽固醇和血糖水平等功效,其抗結腸癌的效果尤為明顯[3]。在食品工業領域中,果膠作為一種食品添加劑,可用于改善食品的口感、質地、外觀等特性。近年來,眾多研究發現,果膠作為天然大分子親水性多糖,可以用來提高乳液的穩定性[4]。
乳液凝膠是一類具有特殊三維網絡結構的凝膠,內部具有乳液的O/W或W/O結構,甚至可以是多相乳液結構,外觀表現為凝膠。乳液凝膠不僅給予產品順滑的口感,還可以用于負載活性分子,將其均勻分散在凝膠質地中,實現功能成分靶向輸送[5]。乳化劑是乳液及乳液凝膠制備的關鍵成分之一。目前,食品工業用乳化劑多為化學合成的小分子物質,其食用安全性及添加量備受消費者關注。因此,選用具有一定乳化功能的天然大分子作為基質,是乳液及乳液凝膠的研究熱點,其中以蛋白質-多糖復合物為基質的乳液及乳液凝膠制備倍受研究者青睞[6]。果膠不僅具有優良的乳化性,而且黏度較高,可通過位阻效應、靜電斥力等作用穩定油滴,可顯著提高乳液的穩定性,因此成為制備乳液及凝膠的常用多糖[7]。另外,還可通過Ca2+交聯以促使果膠凝膠,提升其穩定性[3]。有研究指出,以玉米醇溶蛋白-果膠復合物為基質制備的O/W乳液穩定性高于單一基質制備的乳液[8]。酪蛋白具有較好的乳化性和凝膠性,是乳液及凝膠制備的主要蛋白質基材之一[5]。酪蛋白在乳液凝膠制備過程中不僅可用于乳化油滴,還可作為凝膠基質用于制備酸誘導和酶誘導凝膠[9]。另外,添加一定量的多糖可縮短酪蛋白凝膠時間[5]。然而,以酪蛋白膠束-果膠復合物為基質的乳液凝膠制備及性質研究鮮為報道。
乳液及乳液凝膠不僅可作為食品原料,賦予食品特殊質地和品質,還可用于活性分子負載和遞送,提高其生物利用度。有研究指出,將姜黃素負載于以酪蛋白-大豆可溶性多糖為基質的O/W型乳液中,有效減緩了其降解,且乳劑組的姜黃素口服生物利用度比姜黃素/吐溫-20混懸液組的生物利用度高11倍[10]。而且,酪蛋白酸鈉-果膠復合基質的乳劑可用于負載表沒食子兒茶素,有效減少了唾液黏蛋白誘導的乳液聚集,實現了對表沒食子兒茶素的保護[11]。大黃素是一種從植物中提取的天然藥物分子,具有多種藥理活性,如抗炎、抗腫瘤、抗應激等[12]。還有研究表明,大黃素可以通過抑制HIF-1α、VEGF-α、EphA2、MMP-2蛋白的表達,抑制前列腺癌的血管擬態形成,從而抑制前列腺癌的發生[13]。然而,大黃素的水溶性較差,在加工、儲藏和胃腸道環境中易氧化降解,因此口服大黃素的生物利用度很低。近年來,有研究表明,經脂質納米粒負載后,大黃素穩定性提高[14]。另外,聚乳酸微球負載的大黃素肝腎毒性降低,緩釋效果顯著[15]。然而,乳液凝膠對大黃素的負載研究鮮有報道。
本文以膠束態酪蛋白-果膠復合物為基質,以溶解了姜黃素的大豆油作為油相,采用均質法制備出不同酪蛋白-果膠比例的乳液凝膠,系統分析了乳液凝膠的結構、理化性質及穩定性,通過體外模擬消化評價了凝膠中大黃素的釋放過程,并研究了凝膠載體中大黃素的細胞毒性。研究結果可為大黃素凝膠劑型的開發提供參考依據。
酪蛋白膠束:巴氏滅菌牛乳,蘭州天天鮮乳制品有限責任公司,采用離心機于4 000×g離心脫脂20 min后過100 kDa有機膜濃縮4倍;濃縮液經冷凍干燥即得膠束態酪蛋白。經測定,酪蛋白膠束中蛋白質質量分數為(83.26±1.87)%。
果膠、大黃素、脂肪酶(10萬U/g)、胃蛋白酶(15 000 U/mg)、胰蛋白酶(2 500 U/mg)、豬膽鹽、尼羅紅、羅丹明B,上海麥克林生化科技有限公司;Cell Counting Kit-8,北京索萊寶科技有限公司;其余試劑均為分析純。
AD500S-H均質機,上海昂尼儀器儀表有限公司;Bettersize 2000激光粒度分布儀,丹東百特儀器有限公司;Nicolet iS50 FTIR紅外光譜儀,美國賽默飛世爾科學公司;XD3 X射線多晶衍射儀,北京浦肯氏通用儀器有限公司;STA 449 F5 TG-DSC熱分析儀,德國耐馳儀器制造有限公司;H1850離心機,湖南湘儀有限責任公司。
1.2.1 乳液凝膠的制備
參考寧雪瑩等[16]的方法并稍做修改。將果膠溶解分散至pH 6.86、0.5 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液中,37 ℃恒溫水浴下充分攪拌過夜至完全溶解(約15 h),質量濃度為0.2 g/L,備用。
將酪蛋白膠束溶解于pH 6.86、0.5 mol/L的磷酸鹽緩沖溶液中,使酪蛋白膠束質量濃度為0.4 g/L。添加質量濃度0.2 g/L的疊氮化鈉,備用。
將配制好的酪蛋白溶液和果膠溶液分別按照5∶5、6∶4、7∶3、8∶2、9∶1的體積比混合,在37 ℃恒溫水浴鍋內攪拌3 h,備用[不同體積比的酪蛋白-果膠復合物下文分別用M-P(5/5)、M-P(6/4)、M-P(7/3)、M-P(8/2)、M-P(9/1)表示]。將大黃素分散至食用大豆油中,室溫下充分攪拌過夜至完全溶解(約15 h),使大黃素質量濃度為0.5 mg/mL,備用。取9 mL酪蛋白-果膠混合液與21 mL油相于燒杯中,均質機探頭伸至液面下2/3處,室溫下以14 000 r/min的轉速均質3 min,之后儲藏于4 ℃冰箱待用[不同比例的酪蛋白-果膠復合物所制備的乳液凝膠下文分別用M-P-O(5/5)、M-P-O(6/4)、M-P-O(7/3)、M-P-O(8/2)、M-P-O(9/1)、M-P-O(10/0)表示]。
1.2.2 乳液凝膠的CaCl2處理
在制備好的凝膠中添加適量0.05 mol/L的CaCl2溶液,使乳液凝膠完全浸泡其中靜置6 h,之后將CaCl2溶液倒出,蒸餾水清洗凝膠表面,備用。
1.2.3 熒光顯微鏡觀察
于酪蛋白-果膠混合液中添加0.1 μg/mL羅丹明B并攪拌均勻,油相中添加0.1 μg/mL尼羅紅并攪拌均勻,采用1.2.1的方法制備凝膠,在熒光顯微鏡下觀察微觀結構。
1.2.4 粒徑測量
采用激光粒度分布儀分別測定酪蛋白膠束溶液、果膠溶液以及不同配比下酪蛋白-果膠復合物的粒徑,使用前儀器進行清洗和校零,水作為分散劑,平衡時間120 s,樣品折射率1.35,介質折射率1.33。
乳液凝膠無法在水中均勻分散,故粒徑測量采用光學顯微鏡觀察并且拍照,然后使用軟件ImageJ對顯微鏡照片中的油滴進行粒徑統計分析。
1.2.5 傅里葉變換紅外光譜(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)測量
使用衰減全反射(attenuated total refraction,ATR)模式單元的紅外光譜儀,記錄各樣品的紅外光譜。
1.2.6 X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)測量
使用X射線多晶衍射儀在Cu Ka輻射下連續掃描,掃描速率為5 °/min,分別記錄各樣品的X射線衍射譜圖。
1.2.7 熱穩定性分析
用TG-DSC熱分析儀測定各樣品的熱穩定性。稱量樣品15~20 mg,置于氧化鋁坩鍋中,以5 ℃/min的升溫速率從25 ℃加熱至500 ℃,用空坩堝作空白對照。
1.2.8 貯藏穩定性
將制備好的乳液凝膠貯藏于4 ℃冰箱中,每隔一定時間取出觀察并拍照記錄;在光學顯微鏡下觀察微觀結構。
1.2.9 大黃素體外模擬釋放分析
參考MOHAMMADIAN等[17]的方法并稍作修改。將1 g凝膠樣品(或與凝膠中所含大黃素等量標品)置于3 mL pH 1.2模擬胃液(simulated gastric fluid,SGF)中(由2 g/L NaCl、7 mL/L HCl、3.2 g/L胃蛋白酶和5 g/L脂肪酶組成,最終pH值為1.2),裝于透析袋(截留分子質量1 kDa)中。將透析袋置于含有150 mL釋放介質的燒杯中,釋放介質由75 mL乙醇和75 mL無酶SGF組成。在37 ℃、100 r/min下振蕩2 h。將溶液的pH調至7.5,加入6 mL模擬腸液(simulated intestinal fluid,SIF),由6.8 g/L KH2PO4、10 g/L胰蛋白酶、5 g/L脂肪酶和12 g/L豬膽鹽組成,最終pH為7.5。然后將透析袋置于含有150 mL釋放介質的燒杯中,釋放介質由75 mL乙醇和75 mL無酶SIF組成,并在37 ℃、100 r/min下振蕩4 h。在每個特定時間點收集3 mL透析袋外溶液,并添加等體積新鮮介質。采用紫外-可見分光光度計在311 nm處測定透析液的吸光值,以同一釋放介質中繪制的大黃素標準曲線為依據計算大黃素濃度,進而計算釋放率。
1.2.10 細胞毒性評價
將大黃素標品及酪蛋白-果膠復合凝膠M-P-O(7/3)制備成不同質量濃度(5、10、20、40、80 μg/mL,培養基稀釋)備用。在96孔板中配制100 μL的293T細胞懸液。將培養板在培養箱預培養24 h(37 ℃,5% CO2的條件下)。向培養板加入10 μL不同濃度的樣品,在培養箱培育6 h。向每孔加入10 μL CCK-8溶液。在加CCK-8之前更換新鮮培養基(除去培養基,并用培養基洗滌細胞2次,然后加入新的培養基),去除藥物影響。將培養板在培養箱內培育4 h后用酶標儀測定450 nm處的吸光度,計算細胞活力,如公式(1)所示。

(1)
式中:A加藥,具有細胞、CCK-8溶液和藥物溶液的孔的吸光度;A空白,具有培養基和CCK-8溶液而沒有細胞的孔的吸光度;A0加藥,具有細胞、CCK-8溶液而沒有藥物溶液的孔的吸光度。
1.2.11 數據統計分析
所有實驗重復3次,數據以平均值±標準偏差表示。采用SPSS 26進行單因素方差分析,P<0.05差異顯著。采用Origin 9軟件進行作圖。
圖1-a為采用粒度儀測定的不同比例下酪蛋白-果膠復合物粒徑。酪蛋白膠束平均粒徑為(190.72±6.04)nm,果膠平均粒徑為(5 180.66±136.09)nm。當酪蛋白膠束與果膠以一定比例混合后,復合物粒徑隨著果膠添加量的增加逐漸增大,但依然為納米級粒子。由此可見,與酪蛋白膠束混合后,果膠結構改變,粒徑減小。果膠上的羧基基團pKa為3.5,酪蛋白膠束等電點為4.6,果膠與酪蛋白在不同pH條件下相互作用不同,形成的復合物類型不同[18]。研究指出,當體系pH接近中性時,酪蛋白膠束和果膠均帶負電荷,二者發生排斥作用,可能形成相容的單相體系,2個大分子分布均勻,體系穩定;也可能形成兩相,互不相容;二者形成的體系類型與其濃度有關[3]。本研究中,果膠濃度較低,當與酪蛋白膠束溶液混合時,在靜電斥力作用下,果膠分子結構變化,形成粒徑較小的粒子,充斥在酪蛋白膠束粒子之間,從而形成穩定的單相體系。因此,復合物粒徑顯著低于果膠粒徑。隨著果膠添加量的增大,混合物中果膠粒子數量增加,而果膠粒徑大于酪蛋白膠束粒徑,所以混合體系粒徑隨果膠添加量的增加而增大。

a-酪蛋白-果膠復合物粒徑;b-乳液凝膠中油滴粒徑分布;c-乳液凝膠M-P-O(7/3)熒光顯微結構圖1 酪蛋白-果膠復合物及乳液凝膠油滴粒徑和顯微鏡照片Fig.1 Particle size of casein-pectin mixture and oil droplets in emulsion gels and optical micrographs of emulsion gels
圖1-b為不同比例酪蛋白-果膠復合物乳液凝膠中油滴的粒徑分布圖。凝膠中油滴粒徑隨著果膠添加量的增加而減小。其中,酪蛋白膠束乳液凝膠油滴粒徑為80 μm,當酪蛋白-果膠體積比為9∶1時,油滴粒徑減小至60 μm,酪蛋白-果膠體積比為7∶3時,粒徑降至40 μm,這與酪蛋白-果膠復合物的粒徑變化趨勢相反,說明酪蛋白-果膠復合體系的乳化性較單一酪蛋白膠束好,可以更好地降低油水界面的表面張力[19]。當酪蛋白-果膠體積比為5∶5、6∶4時,復合物黏度過大,難以與大豆油形成均一穩定的凝膠,因此后續實驗不再考慮該比例。研究指出,油滴粒徑減小不僅有利于增加乳液的穩定性,而且可縮短油滴間距離,從而增加乳滴間相互作用,進而賦予乳液更高的黏度[16]。因此,適量添加果膠可提升酪蛋白膠束乳液凝膠的穩定性。
乳液凝膠M-P-O(7/3)的熒光顯微鏡照片如圖1-c所示,乳液類型為O/W,油滴粒徑分布較為均勻。由于果膠濃度較小,且與酪蛋白膠束間形成靜電斥力;而且果膠的乳化活性較酪蛋白差,因此酪蛋白膠束覆蓋在油滴表面,果膠粒子充斥在油滴之間。酪蛋白膠束與果膠在靜電斥力作用下,油滴粒徑有所減小,有利于乳液穩定。另外,果膠增加了凝膠的黏度,從而提高了凝膠的穩定性。由此推斷,酪蛋白膠束-果膠復合乳液凝膠穩定性高于酪蛋白膠束乳液凝膠。
酪蛋白、果膠及其不同比例復合物的紅外光譜如圖2-a所示。

a-酪蛋白-果膠復合物;b-乳液凝膠圖2 酪蛋白-果膠復合物及乳液凝膠的紅外光譜圖Fig.2 FTIR spectra of casein-pectin mixture and emulsion gels

酪蛋白、果膠及復合物的XRD圖如圖3-a所示。酪蛋白、果膠為大分子,沒有特征衍射峰,這與文獻報道一致[22]。酪蛋白和果膠混合后,復合物的衍射峰有所偏移,說明果膠和酪蛋白膠束之間產生了物理作用,果膠結構發生改變,與粒徑研究結果一致(圖1-a);但復合物依然表現為大分子特征。酪蛋白-果膠復合物乳液凝膠的XRD圖如圖3-b所示。

a-酪蛋白-果膠復合物;b-乳液凝膠圖3 酪蛋白-果膠復合物及乳液凝膠的XRD圖Fig.3 X-ray diffraction spectra of casein-pectin mixture and emulsion gels
凝膠衍射峰與油的衍射峰位置基本一致,說明油滴均勻分布于凝膠內部。與大黃素標品XRD圖譜相比,凝膠中大黃素的特征衍射峰消失,表明大黃素被完全包裹在乳液凝膠之中,處于內相,再次證實了乳液的O/W結構。
酪蛋白膠束、果膠及大豆油的熱重(thermogravimetric,TG)曲線如圖4-a所示。油的熱穩定性最高,其主要失重出現在350~450 ℃,為油的汽化和分解溫度。果膠和酪蛋白膠束第一失重階段在70~100 ℃,為水分蒸發階段。果膠第二失重階段出現在200~300 ℃,為果膠的分解所致[23]。酪蛋白膠束的第二失重階段為250~350 ℃,為膠束解離及酪蛋白分解階段。可見,酪蛋白膠束熱穩定性高于果膠。乳液凝膠的TG曲線如圖4-b所示,乳液凝膠的失重曲線相似,說明各凝膠微觀結構相似。乳液凝膠的第一失重階段出現在70~100 ℃,主要原因為凝膠中水分汽化。隨著果膠添加量的增加,第一階段失重率增大,這是因為果膠濃度低于酪蛋白,所以水分含量增加,因此水分汽化引起的失重率隨著果膠添加量的增加而增大。當溫度升高至350~450 ℃,食用豆油開始汽化和分解,酪蛋白和果膠也開始分解,此時凝膠質量迅速降低。溫度高于450 ℃之后,質量損失速度減緩,剩余殘渣碳化,這與曹慶龍等的研究結果一致[24]。綜上所述,酪蛋白-果膠復合乳液凝膠具有較高的熱穩定性。

a-酪蛋白、果膠和大豆油的TG曲線;b-乳液凝膠的TG曲線圖4 酪蛋白-果膠乳液凝膠的熱穩定性Fig.4 Thermal stability of casein-pectin emulsion gel
由圖5-a可以看出,貯藏7 d后,乳液凝膠M-P-O(10/0)發生輕微分層現象,底層有少量水相析出;貯藏90 d后,乳液凝膠M-P-O(9/1)也出現乳析,而M-P-O(8/2)、M-P-O(7/3)尚未分層。貯藏240 d后,乳液凝膠M-P-O(8/2)、M-P-O(7/3)依舊未分層,說明這2個樣品穩定性較高。由此可見,添加果膠提高了乳液凝膠的穩定性。

a-外觀照片;b-顯微鏡照片圖5 貯藏期間酪蛋白-果膠乳液凝膠外觀和顯微鏡照片Fig.5 Apperance and optical micrographs of casein-pectin emulsion gel
酪蛋白膠束帶有負電荷,形成乳液時膠束粒子覆蓋在油滴表面,使其表面帶上負電荷,在乳滴間形成靜電斥力,起到穩定油滴的作用;添加果膠后,果膠充斥在油滴之間,與油滴表面酪蛋白膠束間形成靜電斥力,進而增加油滴間斥力;另外,果膠黏度較大,也有利于阻止油滴聚集。因此,添加果膠后,乳液凝膠穩定性提升,且其穩定性隨果膠添加量增加而增大。呂思伊等[4]研究證實,添加果膠有利于提高核桃蛋白乳液的穩定性,與本文研究結果一致。
由圖5-b可以看出,酪蛋白膠束乳液凝膠油滴粒徑大于酪蛋白-果膠復合乳液凝膠中油滴粒徑,且油滴大小隨著果膠添加量的增大而減小。貯藏7 d后,酪蛋白膠束乳液凝膠中油滴粒徑略微增大,該現象在貯藏30 d時更加明顯。貯藏90 d后,乳液凝膠M-P-O(9/1)的油滴粒徑明顯增大,這是由于小分子的油滴聚集所致。貯藏240 d后,乳液凝膠M-P-O(8/2)、M-P-O(7/3)的油滴粒徑仍然未發生明顯改變,這與凝膠的外觀變化一致。由此可見,添加適量果膠后,酪蛋白膠束乳液凝膠穩定性顯著提高,酪蛋白-果膠復合乳液凝膠的貯藏期較長,可用作藥物載體。
如圖6所示,在模擬胃液中,大黃素溶解性差,釋放率極低,而將其分散于凝膠中有利于提高其分散性和溶解性,因此凝膠中大黃素釋放率高于游離大黃素。在模擬腸道消化中,隨著消化時間的延長,大黃素的釋放率呈上升趨勢。累積消化240 min后,凝膠中大黃素釋放率大于游離大黃素,這是因為凝膠中大黃素分散較好,溶解性增大,更易于擴散,而游離大黃素溶解性差,在腸液中難以分散,其擴散速率較低。腸液環境中,未添加果膠的凝膠中大黃素釋放最快,因為其黏度較低,大黃素在凝膠內部擴散較快。

圖6 酪蛋白-果膠乳液凝膠中大黃素的胃腸模擬釋放曲線Fig.6 Simulated gastrointestinal release of emodin from casein-pectin emulsion gels
就CaCl2處理的凝膠而言,當果膠含量較低時,凝膠中大黃素釋放速率與未交聯凝膠相當。然而,當酪蛋白與果膠體積比達到8∶2時,大黃素釋放率顯著降低,且低于游離大黃素的釋放率。當消化時間為360 min時,游離大黃素的釋放率為(53.97±4.42)%,而CaCl2交聯的M-P-O(8/2)和M-P-O(7/3)中大黃素的釋放量分別為(50.21±4.14)%和(38.40±6.89)%。由于Ca2+可交聯果膠,形成致密的網絡結構,不僅提升了乳液凝膠系統的穩定性,而且減緩了大黃素在凝膠網絡中的擴散速率。因此,乳液凝膠中大黃素的釋放速率減緩[20,25]。綜上所述,適宜的Ca2+交聯有利于延緩酪蛋白-果膠復合凝膠中大黃素的釋放。
如圖7所示,當大黃素質量濃度低于20 μg/mL時,細胞活力均大于90%,這說明低濃度大黃素標品對細胞的毒性較小。當大黃素質量濃度為40 μg/mL時,細胞活力下降至45%以下,且隨著大黃素濃度的繼續升高,細胞活力逐漸降低,表明高濃度大黃素對細胞有明顯毒性。當大黃素被負載于乳液凝膠后,大黃素質量濃度≤80 μg/mL時,細胞活力均在85%以上。由此可見,酪蛋白-果膠復合乳液凝膠體系負載可顯著降低大黃素的細胞毒性。

圖7 乳液凝膠中大黃素的細胞毒性分析Fig.7 Cell cytotoxic analysis of emodin in emulsion gel注:不同字母代表差異顯著,P<0.05
以不同配比酪蛋白-果膠復合物為基質,將大黃素負載于油相,制備了含油量70%的乳液凝膠。通過顯微鏡觀察發現,乳液凝膠為O/W型;添加適量果膠,降低了乳液凝膠中油滴粒徑。而且,果膠與酪蛋白膠束間產生靜電斥力作用,提高了乳液凝膠的穩定性。果膠-酪蛋白膠束體積比為8∶2和7∶3時,凝膠在貯藏240 d時依舊穩定,其油滴粒徑未發生明顯改變。熱重分析發現,乳液凝膠具有較高的熱穩定性。經負載后,大黃素在模擬腸液環境中釋放速率發生改變,適量Ca2+交聯有利于延緩大黃素的釋放。細胞毒性實驗表明,負載于酪蛋白膠束-果膠復合乳液凝膠中的大黃素細胞毒性顯著低于游離大黃素。綜上所述,酪蛋白-果膠復合乳液凝膠制備簡單,凝膠穩定性高,可實現大黃素的有效負載,并有利于降低其細胞毒性。