姜黄素(CUR)是一种从姜黄根茎中提取的天然亲脂性多酚,具有抗氧化、抗炎和抗癌等多种生物活性。然而,CUR水溶性差、环境稳定性弱以及口服生物利用度低等问题,严重限制了其在食品领域的进一步应用[1]。为提升姜黄素的稳定性与生物可及性,已开发出多种递送系统[2]。

在各类递送载体中,乳液体系因可有效改善姜黄素的分散性与稳定性,已被广泛应用于姜黄素的包埋研究中,其中包括纳米乳液、双层乳液及Pickering乳液等类型[3-5]。然而,此类体系的稳定性主要依赖于界面稳定机制,在长期贮存或环境变化情况下易发生液滴聚集、分层及释放控制不足等问题,限制了其实际应用效果。为提升体系的物理稳定性与缓释性能,可选用乳液凝胶,因其兼具乳液的包封能力与凝胶网络的稳定优势。乳液凝胶不仅能有效包埋亲脂性活性成分,还可通过三维凝胶网络结构提供优异的热力学稳定性,实现对芯材的更佳保护[6]。

近年来,研究者进一步将乳液封装于水凝胶珠内,构建具有多层次保护结构的乳液凝胶珠体系[7]。该复合体系可通过水凝胶外壳提供更强的物理屏障,同时利用内部乳液的增溶作用,增强姜黄素的贮存稳定性与缓释特性[8]。在众多凝胶基质中,天然多糖海藻酸钠(SA)因良好的生物相容性、温和的离子凝胶条件以及可控的成膜与释放特性,成为制备乳液凝胶珠的理想材料[9]。

甘油二酯(DAG)不仅具有良好的乳化性能,更被证实具有调节瘦素水平、预防肥胖及相关代谢综合征的功能,可同时作为活性成分载体与营养补充成分[10-11]。与传统甘油三酯相比,DAG在低温下易形成β′晶型,该晶型具有较小的晶体尺寸和较大的比表面积,有利于在界面处形成稳定且有序的晶体网络[12],发挥物理阻隔作用。此外,DAG分子中含有的疏水脂肪酸链与亲水羟基,在乳化过程中可快速吸附至油-水界面,与界面上的蛋白、多糖等大分子产生协同相互作用,进一步增强界面膜的厚度与强度[13]。目前,关于以DAG为油相构建姜黄素乳液凝胶珠,并系统探究其性能与结构特性的研究较为缺乏。基于此,本研究提出如下科学假设:DAG独特的结晶行为与界面特性,可通过调控大豆分离蛋白(SPI)-SA复合凝胶网络交联密度及冰晶缓冲作用,显著改善姜黄素乳液凝胶珠的冻融稳定性与质构特性;同时,这种结构调控效应有望进一步提升姜黄素的包埋效率。

本研究拟以DAG为油相,采用SPI-海藻酸钠复合体系作为包埋基质,制备负载姜黄素的乳液凝胶珠。系统评估凝胶珠的理化性质与结构特征,重点阐明DAG对凝胶网络形成、姜黄素包埋效率及凝胶珠内部结构的影响。希望为揭示DAG调控乳液凝胶珠结构-性能关联的内在机制提供理论依据,并为开发兼具高功能性与高稳定性的乳液凝胶复合系统提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

猪背部脂肪取自饲养180 d的长白杂交猪。原料运抵实验室后,立即用流水冲洗表面,并用洁净纱布吸干水分。随后将脂肪组织切成体积约1 cm3的小块,经加热熔化、过滤去除残渣后制得猪油,待自然冷却至室温,置于-18 ℃条件下冷冻,保存备用。

海藻酸钠、SPI、食品级氯化钙,购于河南万邦科技有限公司;姜黄素购于陕西金康泰生物科技有限公司。Lipozyme RM IM脂肪酶,北京诺维信生物技术有限公司;正己烷、异丙醇、1,1-二苯基-2-苦基肼(DPPH)、2,2-联氮基-双-(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS),Sigma-Aldrich公司;无水乙醇、氯化钙、铁氰化钾、三氯乙酸、过硫酸钾(分析纯),辽宁泉瑞试剂有限公司;磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、铁氰化钾、氯化铁(分析纯),天津市光复科技发展有限公司。

1.2 仪器与设备

SY-1230型恒温水浴槽,上海沪粤明科学仪器有限公司;721N型可见分光光度计,上海精科实业有限公司;LEICA STELLARIS 5型激光共聚焦显微镜,日本 Olympus公司;Allegra64R型冷冻离心机,美国Beckman;T25型数显均质机,德国IKA有限公司;IS-50型傅里叶红外变换光谱,美国尼高力公司;Rieaku Ultima LV型X射线粉末衍射仪,日本理学公司;TA.XT plus型质构仪,英国Stable Micro Systems公司。

1.3 实验方法

1.3.1 乳液制备

参考Diao等[13]的制备方法,以熔化的猪油为底物,与甘油按物质的量比为1∶1混合后加入占底物总质量14%的固定化脂肪酶Lipozyme RM IM,在500 r/min的磁力搅拌速度下进行甘油解反应。反应产物经两步分子蒸馏纯化后,最终获得DAG产品。经分析,该产品中DAG的质量分数为82%,同时含有质量分数为8.9%的甘油单酯与9.1%的甘油三酯。脂肪酸组成(以质量分数计)主要为棕榈酸(C16:0,24.2%)、硬脂酸(C18:0,13.0%)和油酸(C18:1,47.9%)。采用差示扫描量热法测定脂肪酸熔程,为20～45 ℃。

称取100.0 g DAG于烧杯中,在磁力搅拌下加热使其完全融化。缓慢加入0.2 g姜黄素粉末,持续搅拌至完全溶解,制得姜黄素质量分数为0.2%的DAG溶液。取该溶液,按不同比例加入10 g质量分数为8%的SPI溶液中,使SPI溶液与DAG的质量比分别为10∶1、10∶3和10∶5。使用高速均质机在8 000 r/min的转速下对混合液均质处理2 min,将所得乳液分别命名为S-1DC、S-3DC和S-5DC,其中D代表DAG,C代表姜黄素。

1.3.2 乳液凝胶珠的制备

将新配制的乳液(S-1DC、S-3DC、S-5DC)与等体积的、质量分数为6%的SA溶液(该浓度经预实验确定为能形成稳定凝胶珠的最低有效浓度)混合,随后在8 000 r/min的转速下均质处理2 min。混合后的样品分别标记为SS-1DC、SS-3DC和SS-5DC。同时设置对照组,制备方法:将不含姜黄素的S-3D乳液、不含DAG的S-C复合物以及单独的SPI溶液,分别与等体积的、质量分数为6%的SA溶液以相同方式均质处理,所得样品依次标记为SS-3D、SS-C和SS。其中,不含DAG的S-C复合物的制备方法:称取与S-3DC组等量的姜黄素。加入质量分数为8%的SPI溶液中,先用高速均质机将混合物均质处理10 min,使姜黄素分散到溶液中,随后将其置于室温下磁力搅拌过夜。

将各混合液静置除去气泡后,使用内径约7 mm的剪口塑料滴管,在距液面5 cm高度处,以约每3 s 1滴的速度将其挤出,垂直滴入质量分数为10%的CaCl2静态凝胶浴中。形成的凝胶珠在CaCl2溶液中固化30 min后取出,用超纯水反复冲洗3次,以去除表面残留的CaCl2,所有操作均在常温下进行。CaCl2浓度经预实验确定,浓度过低则Ca2+不足导致交联度不够、凝胶珠成型差;浓度过高则可能导致凝胶珠变脆、表面硬化过快。最终,将制备好的凝胶珠浸泡于超纯水中,于4 ℃冰箱内保存备用[14]。

1.3.3 乳液激光共聚焦显微观察

乳液(S-1DC、S-3DC、S-5DC)染色参考Du等[15]的方法,略有修改。将质量分数分别为0.02%尼罗红和0.1%尼罗蓝溶于异丙醇中,配制为混合染料。分别取1 mL 1.3.1制备的乳液,加入10 μL混合染料,充分混匀后,取适量滴加于载玻片上并覆盖盖玻片,密封盖玻片边缘以固定样品。采用激光共聚焦显微镜(CLSM),用40倍物镜进行观察。以488 nm氩激光激发尼罗蓝,633 nm氦氖(He/Ne)激光激发尼罗红。

1.3.4 凝胶珠扫描电镜观察

参考向聪等[16]的方法,略有修改。将制备好的凝胶珠冷冻干燥后,在干燥环境中用锋利刀片沿其中心位置垂直于桌面切开,保持切面平滑。迅速将切开的样品黏附于导电胶上,喷镀金膜30 s,使用扫描电子显微镜在15 kV的加速电压和20×103的放大倍数下观察样品微观形貌。

1.3.5 凝胶珠X射线衍射检测

采用X射线衍射(XRD)对姜黄素及乳液凝胶珠的分子结构进行检测。管电压及电流分别为40 kV和40 mA。扫描范围(2θ)为5°～50°,扫描速度为2°/min[17]。

1.3.6 凝胶珠红外光谱检测

采用KBr压片法进行红外光谱(FTIR)测试。用FTIR光谱仪在透射模式下采集光谱。扫描范围为400～4 000 cm-1,扫描次数为16次。

1.3.7 凝胶珠理化特性测定

1.3.7.1 凝胶珠收缩率的测定

凝胶珠在凝胶化过程中的收缩率测定参考Lin等[18]的方法并稍加修改。将新鲜的乳液滴入CaCl2溶液后,分别在第2、4、6、8、10、20、30 min用相机拍摄凝胶珠的照片。每次拍摄后,随机选取10个凝胶珠,采用图像分析软件(Image J, Version 1.49)测量其粒径。凝胶珠的截面收缩率根据式(1)计算。

截面收缩率

(1)

式(1)中,As0为凝胶化2 min后样品的截面积,As1为凝胶化4、6、8、10、20、30 min后样品的截面积。

1.3.7.2 凝胶珠质构特性的测定

凝胶珠在CaCl2中固化30 min后取出,用滤纸吸干表面水分后采用质构仪进行质构测定。测试时,使用直径为10 mm的圆柱形探头进行压缩试验,探头以0.5 mm/s的速度下压,直至样品达到50%的形变。每组样品随机选取5个凝胶珠进行平行实验[19]。

1.3.7.3 凝胶珠持水性的测定

称取5 g凝胶珠样品置于离心管中,以5 000 r/min的速度离心15 min。离心后取出样品,用滤纸吸干凝胶珠表面多余水分,立即称重,持水性按式(2)计算。

持水性

(2)

式(2)中,W0为初始凝胶珠质量,g;W1为离心后去除多余水分的凝胶珠质量,g。

1.3.7.4 凝胶珠冻融失水率的测定

冻融失水率的测定参考Zhang等[20]的方法并稍加修改。称取约3 g乳液凝胶珠置于离心管中,于1 000 r/min(转子型号为F1010,半径48 mm)离心15 min,记录去除多余水分后乳液凝胶珠的质量。将样品置于-20 ℃条件下冷冻20 h,再于室温下静置解冻4 h。解冻后的样品再次于相同离心条件下离心15 min,去除游离水后称重,记为W1。冻融失水率按式(3)计算。

冻融失水率

(3)

式(3)中,W0为去除多余水分后凝胶珠的质量,g;W1为解冻后去除游离水后的凝胶珠质量,g。

1.3.8 姜黄素包埋率的测定

乳液凝胶珠中姜黄素包埋率的测定参考Mahesh等[21]的方法并稍加修改。将凝胶珠切开,研磨后与一定体积的二甲基亚砜(DMSO)混合,涡旋振荡后置于暗处萃取过夜,离心收集上清液。残渣进行二次萃取,合并萃取液。稀释后加入少量正己烷,旋涡混合后,以500 r/min的转速离心15 min,收集下层的DMSO相。使用紫外可见分光光度计于435 nm处测定吸光度值。利用姜黄素标准品(0.4～2.0 g/mL)绘制标准曲线,所得回归方程为y=0.12x+0.040 9,R2=0.999 2。根据该标准曲线计算乳液凝胶中实际包埋的姜黄素含量。包埋率为凝胶珠中包埋的姜黄素质量与最初添加的姜黄素质量比。

1.3.9 凝胶珠抗氧化活性的测定

凝胶珠制备完成后于4 ℃避光保存3 d,按1.3.8方法处理(切开研磨,DMSO萃取、正己烷纯化,收集DMSO相),测定其抗氧化活性。

还原力的测定参考Zhao等[22]的分光光度法,测定样品吸光度,吸光度越高表明还原能力越强。

DPPH自由基清除率测定参考Coelho等[23]的方法,配制0.1 mmol/L的DPPH-乙醇溶液,DMSO相样品经处理后,于517 nm处测定吸光度,按式(4)计算DPPH自由基清除率。

DPPH自由基清除率

(4)

式(4)中,A为样品的吸光值,A0为空白对照组的吸光值。

ABTS+自由基清除率测定参考Liu等[24]的方法。将ABTS与过硫酸钾溶液混合,反应制得ABTS+自由基储备液,使用前稀释至吸光度0.70±0.01,作为工作液。取DMSO相样品,加入无水乙醇混匀、离心,取上清液与ABTS+自由基工作液混合,避光反应后于734 nm处测定吸光度,以无水乙醇为空白对照。清除率按式(5)计算。

ABTS+自由基清除率

(5)

式(5)中,AS为样品的吸光度值,AC为空白对照组的吸光值。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件对实验数据进行方差分析,Duncan法进行多重比较,P<0.05表示差异显著。每个实验独立重复3次,结果以平均值±标准差表示。图表使用Origin 2023b软件绘制。

2 结果与分析

2.1 乳化液微观结构的变化分析

界面结构和油滴分布在乳液的形成和稳定中起着至关重要的作用[25]。图1通过CLSM显示了不同质量比DAG与SPI复合乳液内部微观结构,其中油相(DAG)和SPI分别经尼罗红和尼罗蓝染色。图1(a)显示,当SPI溶液与DAG质量比为10∶1时,体系中DAG含量较低,连续相中存在大量未吸附的可溶性蛋白分子,乳液呈现均匀的绿色荧光背景。当SPI溶液与DAG的质量比为10∶3时[图1 (b)],油相比例上升,更多油滴分散于蛋白质连续相中。一方面可能是随着油滴的加入,SPI的疏水基团暴露并吸附于油滴表面,通过空间位阻作用抑制了油滴的聚结与絮凝[26]。随着油相比例增加,单位体积乳液中可容纳更多的油滴,有助于提高姜黄素的负载率。随着油相比例的继续增加[图1(c)],油滴发生絮凝,这可能是因为连续相中有限的界面蛋白无法充分覆盖所有油滴,难以在油滴间建立有效的空间与机械屏障,促使油滴发生合并。因此,SPI溶液与DAG的质量比为10∶3时乳化效果最好,选定该质量比制备的乳液,用于后续不添加姜黄素的空白对照凝胶珠的制备。

2.2 凝胶珠结构表征结果

2.2.1 凝胶珠的外观形态分析

采用简单滴定法将不同配方的乳液滴入CaCl2溶液中以制备凝胶珠。在移液器末端,由于液体表面张力的作用,液滴呈现球形。当液滴与CaCl2溶液接触时,SA分子与Ca2+在液滴表层发生瞬时交联,形成初步的“蛋壳”结构[27]。随后,Ca2+逐渐向凝胶珠内部扩散,交联反应由表及里进行,最终形成表面光滑、球形饱满且颜色均匀的凝胶珠。乳液凝胶珠的外观形态如图2所示。图2显示不同配方的凝胶珠呈现出显著的颜色差异。对照组凝胶珠SS呈白色,SS-3D为乳白色。而包埋姜黄素的凝胶珠颜色与其内部微环境pH值密切相关,通常在酸性环境下呈黄色,而在碱性条件下呈橙色或红棕色[28]。由图2看出,SS-C凝胶珠呈橙红色,表明内部环境偏碱性,可能是由于SA与Ca2+交联固化过程中发生的离子交换反应,导致局部pH值升高。相比之下,SS-1DC、SS-3DC和SS-5DC凝胶珠均呈现黄色,可能是添加的DAG引入了脂肪酸[12],从而降低了凝胶珠内部的pH值。

2.2.2 凝胶珠的微观形貌分析

图3 显示了乳液凝胶珠的微观结构差异,但需注意样品冷冻干燥过程本身可能会引起形态变化[29]。从图3看出,图3 (d)和 图3 (f)(不含DAG)均呈现疏松多孔的网络结构。与之对比,含DAG样品的结构明显致密。当SPI溶液与DAG质量比为10∶1时[图3 (a)],凝胶网络结构较松散,孔隙可见;当二者比例增加至10∶3时[图3 (b)],可观察到蛋白质交联形成致密的三维网络结构,油滴作为填充物被有效包裹其中,该结构有助于减小凝胶网络结构的孔隙尺寸,从而提高持水性和姜黄素的包埋率。然而,当SPI溶液与DAG质量比进一步增加到10∶5[图3(c)]时,过量的油滴可能发生聚并,导致蛋白网络出现坍塌。对比图3(b)和图3(e)的扫描电镜图像可知,姜黄素的添加对凝胶的微观结构无明显影响。

2.2.3 凝胶珠晶体结构变化分析

XRD分析通过研究结晶尺寸和晶体形态等特性可了解分子结构的变化,而衍射强度和衍射角(2θ)与晶体尺寸有关[30]。本研究采用X射线衍射分析姜黄素在乳液凝胶递送体系中的物理状态,比较了游离姜黄素以及含有或不含姜黄素的乳液凝胶珠的晶体衍射图谱,分析结果见图4。

由图4可见,姜黄素在8.9°、12.3°、14.5°、17.3°、18.1°、21.2°、23.4°、24.8°和25.6°等处出现尖锐衍射峰,这与Liang等[31]的研究结果一致,表明姜黄素具有高度结晶性,其余微弱衍射峰可能来源于原料中的杂质。在油脂体系中,常见的3种结晶形态为α、β和β′型。SS-1DC、SS-3DC、SS-5DC和SS-3D等样品在19.3°和21.56°处出现的小峰,可能对应DAG的β和β′晶型[32]。随着DAG含量增加,SS-1DC、SS-3DC和SS-5DC在19.3°和21.56°位置的衍射峰强度增强,说明体系中DAG的结晶量不断增加。同时,这两处衍射峰位置向低角度偏移,一种可能是随着油含量的增加,SA大分子部分嵌入晶格,干扰了DAG分子的有序排列,从而引起晶面间距增大。Yang等[30]也报道,随着SA浓度增加,凝胶的衍射峰强度降低,且衍射峰向低角度方向移动。此外,在含有姜黄素的凝胶珠(SS-1DC、SS-3DC、SS-5DC和SS-C)的XRD图谱中,姜黄素的晶体特征峰均消失,表明其以无定形形态被包封于载体内部。这可能是由于离子交联形成了无定形复合物[33],从而抑制了姜黄素的结晶,增强了体系的物理稳定性。

2.2.4 凝胶珠化学结构变化分析

通过FTIR进一步分析了不同乳液凝胶珠的化学结构特征,结果见图5。图5显示,空白凝胶珠(SS)在波数3 425 cm-1附近出现宽而强的吸收峰,归属于O—H键的伸缩振动。添加姜黄素和DAG的实验组也出现了相似的O—H吸收峰,表明体系中形成了以氢键为作用力的水凝胶网络结构。所有样品在波数2 920 cm-1和2 848 cm-1处出现的双峰,源于C—H键的对称与不对称伸缩振动,这主要来自SA分子链[34]。此外,SA的特征吸收峰在1 600 cm-1和1 430 cm-1附近尤为明显,分别对应羧酸根(—COO-)的不对称和对称伸缩振动,这是SA与钙离子发生离子交联形成“蛋盒”结构的特征标志,这与文献报道一致[35]。值得注意的是,在含有DAG的样品(SS-1DC、SS-3DC、SS-5DC、SS-3D)中,于波数1 730 cm-1处观察到一个特征吸收峰,这归因于DAG中酯基的羰基(CO)伸缩振动[36]。在波数1 300～1 000 cm-1范围内的吸收峰则与C—O键的伸缩振动有关。此外,对比不同样品的图谱可以发现,未观察到代表凝胶网络主结构特征峰(O—H、—COO-等)的显著位移或消失。这表明姜黄素和DAG的嵌入未对支撑凝胶珠的氢键和离子交联网络造成明显破坏,即凝胶的基本结构框架保持稳定。

2.3 凝胶珠理化性能分析

2.3.1 凝胶珠的收缩率分析

在凝胶化过程中,伴随网络结构的形成,凝胶珠会发生脱水收缩现象,导致其宏观尺寸减小。水凝胶的脱水作用通常是不利的,水的排出也可能导致包埋的亲水性生物活性物质随之流失,不利于物质的完整递送[37]。图6为不同乳液凝胶珠的收缩率分析结果。图6显示,脱水收缩主要发生在凝胶化过程的前10 min内,随后逐渐趋于平稳。这主要是因为在凝胶形成过程中,海藻酸盐与Ca2+的相互作用导致水从凝胶网络中排出,进而凝胶收缩。添加DAG的凝胶珠收缩率均低于未添加DAG的凝胶珠,且随着含油量的增加,凝胶珠在凝胶化过程中的收缩率降低,这可能是由于DAG作为填充物发挥着抑制网络收缩的物理支撑作用。该发现与Sun等[38]的研究结果一致,他们同样报道了乳液凝胶珠的失水率随含油量(0～40%)的增加而降低。然而SS-5DC样品中过高的DAG含量可能干扰SA与Ca2+的充分交联,导致形成了一个有孔洞的脆弱网络结构。这种结构虽难以产生显著的收缩应力,但其锁水能力下降,使得内部水分更易流失,从而表现为持水性降低。

2.3.2 凝胶珠质构特性分析

质构特性是决定乳液凝胶应用潜力的关键因素,质构直接影响凝胶珠的机械强度及包埋营养物质的控释行为[18]。乳液凝胶的性质主要由凝胶聚合物网络主导,并受油滴分布、界面性质及其与基质相互作用的影响[37]。不同乳液凝胶珠的质构特性参数见表1。表1显示,在其他条件一致的情况下,随着SPI溶液与DAG质量比从10∶1增至10∶5(即油脂比例增加),凝胶珠的硬度逐渐降低;弹性、咀嚼性、黏聚性和胶着性等其他质构参数也呈现下降趋势,表明油脂的加入对凝胶网络本身的机械强度产生了明显的弱化作用。该现象主要原因在于油脂作为惰性填充相,一定程度上阻隔了SA分子与Ca2+之间的交联,导致形成的三维网络结构更为松散,宏观上表现为质构参数的全面下降。这一结构变化在图3的微观图像中得到了直观印证:随着DAG比例的增加,凝胶网络由均匀致密逐渐变得松散,且在DAG比例过高时出现明显的结构不连续性。此外,Lin等[14]的研究也指出,高油载量会降低凝胶体系中SA聚合物的有效密度,从而削弱网络刚性,这与本研究结论一致。

2.3.3 凝胶珠持水性分析

食品的持水力是决定其质量的关键指标之一。具有较高持水能力的凝胶能有效抵抗脱水引起的结构收缩,这直接反映了凝胶的强度与稳定性[39]。不同乳液凝胶珠的持水性分析结果如图7。图7表明,本研究所有乳液凝胶珠的持水率均处于较高水平[(95.52%±0.005%)～(97.19%±0.001%)]。持水性主要受凝胶网络孔径影响,适量油滴的引入可作为填充物,促进形成更为致密、孔径更小的凝胶结构,从而提升持水能力[25]。总体趋势上,持水性能随油脂添加量的增加而呈上升态势,这可能是因为:一方面,均匀分布的油滴作为填充物,有助于形成更致密的凝胶网络,从而提升其物理锁水能力;另一方面,在凝胶总体积不变的情况下,油脂添加量的增加意味着水相的相对占比降低,凝胶网络需要束缚的水量减少,因此持水率表现为升高。然而,油脂添加量最高的SS-5DC组,其持水性反而低于其他含油实验组。这可能是由于过高的油脂比例导致絮凝,破坏了乳液的稳定性[40]。同时,凝胶基质中聚合物的相对浓度被稀释,致使油滴与基质间形成的孔隙增大,整体网络结构变得疏松。在离心外力作用下,本身硬度和弹性就低的SS-5DC凝胶珠因而产生较大变形,其疏松网络极易破裂,最终表现为持水性下降。这一现象与Chen等[41]的研究结果一致,即过高的油相含量可能导致持水性能下降。

2.3.4 凝胶珠的冻融失水率分析

冻融失水率是评估乳液凝胶在冷冻食品中适用性的关键指标,可有效反映其在实际冷冻贮藏与加工过程中的稳定性[37]。不同乳液凝胶珠的冻融损失率分析结果如图8。图8显示,各组凝胶珠的冻融失水率依次为:38.88%±2.33%(SS)、24.42%±1.92%(SS-1DC)、16.36%±1.77%(SS-3DC)、12.14%±1.12%(SS-5DC)、18.60%±1.02%(SS-3D)和40.10%±2.20%(SS-C)。与未添加DAG的对照组(SS和SS-C)相比,添加DAG可显著降低冻融失水率,且随其含量增加,冻融失水率总体呈下降趋势,表明DAG有效提升了乳液凝胶的冻融稳定性。这种提升作用一方面可能是DAG的加入通过其较早的结晶行为,影响了水相结晶的进程与空间分布[42-43];另一方面可能是油相填充于凝胶网络,在一定程度上缓冲了因冰晶生长而产生的机械应力,从而减少了凝胶珠的脱水收缩。这与Li等[37]在Pickering乳液凝胶中的观察结果一致,即冰晶会破坏凝胶网络、增大孔隙从而加速脱水。需要指出的是,DAG提升乳液凝胶冻融稳定性的双重机制仍有待直接的结构与热力学证据支持。因此,未来研究可借助扫描电镜观察冻融前后凝胶网络结构的破坏程度,或通过差示扫描量热法(DSC)解析体系在冻结-融化相变过程中的热力学行为,从而在DAG的结晶特性与宏观冻融稳定性之间建立关联。

2.4 姜黄素的包埋率分析

凝胶珠作为一种具有潜力的营养物质递送载体,在包埋功能活性成分方面表现出显著潜力[44]。不同凝胶珠包埋率测定结果如图9所示。图9表明,所有样品的包埋率均大于80%,表明其整体具备良好的包埋能力[17]。其中,SS-1DC、SS-3DC和SS-5DC三种乳液凝胶珠对姜黄素的包埋率分别为88.90%±0.03%、92.04%±0.03%和92.50%±0.01%,且组间无显著差异(P>0.05)。尽管这3个样品中姜黄素的初始添加量随DAG含量增加而递增,但它们被高效包封的比例是相近的。其原因可能在于各组中SA的浓度保持一致,而SA作为主要凝胶基质,其浓度对包埋行为起主导调控作用[45];也可能是因为SA溶液黏度的增大会抑制凝胶化过程中包埋物质从网络中的扩散[46],这在一定程度上削弱了DAG含量对包埋率的独立影响。值得注意的是,不含DAG的对照组(SS-C)也表现出较高的包埋率(87.52%±0.03%),这可能是由于姜黄素与SPI的疏水区域之间发生的疏水相互作用。在制备过程中,通过均质分散与室温过夜搅拌,姜黄素得以充分嵌入SPI分子内部,从而被有效包埋并提高了其溶解度[36]。

2.5 凝胶珠的抗氧化活性分析

乳液凝胶的抗氧化性能可通过还原力、DPPH自由基清除能力及ABTS+自由基清除能力进行评价。还原力测定基于抗氧化剂提供电子的能力,体现为其将Fe3+还原为Fe2+的转化程度;而DPPH与ABTS法则分别基于抗氧化剂与自由基反应后吸光度的变化来评估其清除活性[47]。姜黄素作为一种酚类抗氧化剂,其活性主要来源于酚羟基通过提供氢原子有效清除自由基[48]。凝胶珠在4 ℃条件下避光贮藏3 d后抗氧化活性的测定结果如图10所示。图10表明,所有负载姜黄素的样品(SS-1DC、SS-3DC、SS-5DC、SS-C)的抗氧化指标均显著高于未添加姜黄素的对照组(SS与SS-3D),证实姜黄素是体系抗氧化活性的主要贡献者。值得注意的是,随着DAG添加量的增加(对应姜黄素负载量的同步提升),样品的ABTS+自由基清除能力呈现上升趋势,可能主要源于其较高的姜黄素初始负载量,以及ABTS法对多种抗氧化物质(包括部分降解产物)相对宽泛的响应特性。然而,反映电子转移效率的还原力指标却表现出不同的变化规律:SS-3DC表现出最高的还原力,而更多DAG添加量的SS-5DC还原力反而显著降低。这一差异表明,尽管增加DAG可提高姜黄素的总负载量,但其对姜黄素活性基团的保护效率并非持续改善。SS-3DC中适量的DAG可能通过形成更均匀稳定的复合凝胶网络[23],在贮藏过程中更有效地保护姜黄素酚羟基的完整性,从而维持其良好的电子供给能力。而在SS-5DC中,过量的DAG可能导致凝胶珠中脂相聚集,加速姜黄素活性基团的降解,削弱了其参与电子转移反应的能力。本研究表明,DAG的添加需在提高负载容量与保持活性效率之间寻求平衡,SS-3DC样品对姜黄素的活性保护最为有效。

3 结 论

本研究以DAG为油相构建了负载姜黄素的乳液凝胶珠,揭示了SPI溶液与DAG添加比例对其结构与性能的调控规律。结果表明,当SPI与DAG质量比为10∶3时(SS-3DC样品),体系可形成水油分布均匀、网络结构致密的稳定凝胶。该配比下,凝胶珠在保持较高姜黄素包埋率与抗氧化活性的同时,显著提升了持水性与冻融稳定性。尽管DAG的添加会适度降低凝胶珠的硬度,但适量引入有助于构建完整性更优的递送载体。后续研究需结合体外消化模型,深入探究凝胶珠在模拟消化环境中姜黄素的释放行为与生物可利用性,并拓展其在共包埋其他脂溶性活性成分方面的应用潜力。

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Effect of Diacylglycerol Addition on Structure and Properties of Curcumin-Loaded Emulsion Gel Beads

DIAO Xiaoqin, TIAN Mei, LI Xi, LI Shulei, GUAN Qiao, LIU Dengyong*, GUAN Haining*

(College of Food Science and Technology, Bohai University/Meat Innovation Center of Liaoning Province, Jinzhou 121013, China)

Abstract： To investigate the effects of diacylglycerol (DAG) addition on the structure and physicochemical properties of curcumin (CUR)-loaded soy protein isolate (SPI)-sodium alginate (SA) emulsion gel beads, these beads were prepared using DAG as the oil phase. Experimental groups were formulated with SPI solution-to-DAG mass ratios of 10∶1, 10∶3, and 10∶5, and denoted as SS-1DC, SS-3DC, and SS-5DC, respectively. Control groups included SS-3D (without CUR), SS-C (without DAG), and SS (without either CUR or DAG). The microstructure, shrinkage ratio, water holding capacity, textural properties, freeze-thaw stability, encapsulation efficiency, and antioxidant activity of the gel beads were systematically evaluated. X-ray diffraction analysis revealed that CUR existed in an amorphous state within the gel matrix. Fourier transform infrared spectroscopy further confirmed that the incorporation of CUR and DAG did not disrupt the fundamental structure of the gel network. Analysis of physicochemical properties indicated that with increasing DAG content, the shrinkage ratio of the gel beads gradually decreased, while their water holding capacity and freeze-thaw stability significantly improved. Texture analysis showed that the introduction of DAG significantly reduced the hardness of the gel beads, with a corresponding downward trend in other textural parameters such as springiness and chewiness. Regarding encapsulation efficiency, the addition of DAG exhibited no significant effect on that of CUR. The evaluation of antioxidant activity revealed that the SS-3DC group possessed superior reducing power. However, no significant difference in DPPH radical scavenging activity was observed between the SS-3DC and SS-5DC groups. In summary, the gel beads prepared with an SPI solution-to-DAG mass ratio of 10∶3 (the SS-3DC group) exhibited the optimal comprehensive performance. This study provided a theoretical reference for the construction of an emulsion gel system with the dual functional properties of DAG and CUR.

Keywords： diacylglycerol; gel beads; curcumin; physicochemical properties; microstructure

doi：10.12301/spxb202500585

文章编号：2095-6002(2026)02-0122-13

引用格式：刁小琴,田美,李曦,等. 甘油二酯添加量对负载姜黄素的乳液凝胶珠结构及其性能的影响[J]. 食品科学技术学报,2026,44(2):122-134. DIAO Xiaoqin, TIAN Mei, LI Xi, et al. Effect of diacylglycerol addition on the structure and properties of curcumin-loaded emulsion gel beads[J]. Journal of Food Science and Technology, 2026,44(2):122-134.

中图分类号： TS225.2

文献标志码： A

收稿日期： 2025-12-09

基金项目： 国家自然科学基金面上项目(32372389);辽宁省重点研发计划项目(创新联合体)(2025JH2/102700010);辽宁省“揭榜挂帅”创新联合体重大专项(2023JH1/11200001); 锦州市科技计划项目(JZ2023B020);渤海大学博士科研启动基金项目(05013/0520bs007)。

Foundation： National Natural Science Foundation of China (32372389);Liaoning Province Key Research and Development Program (Innovation Consortium) (2025JH2/102700010);Liaoning “Unveiling and Commanding” Innovation Consortium Major Project(2023JH1/11200001);Jinzhou City Science and Technology Project (JZ2023B020); Bohai University Doctoral Scientific Research Initiation Fund Project (05013/0520bs007).

第一作者： 刁小琴,女,副教授,博士,主要从事肉品加工、质量安全控制及功能性物质递送方面的研究。

*通信作者： 刘登勇,男,教授,博士,主要从事肉品加工与质量安全控制、食品风味与感知科学方面的研究;关海宁,男,副教授,博士,主要从事肉制品加工与风味感知技术方面的研究。

(责任编辑：叶红波)