乳液凝胶是由乳液分散相和凝胶相结合形成的复杂胶体材料,常将乳液的连续相凝胶化而制得,其兼具乳液和凝胶特性[1]。乳液凝胶是一种常见食品体系,如蛋黄酱是水包油(oil in water, O/W)型乳液凝胶体系[2]。另外,乳液凝胶也多用于模拟脂肪、制作低脂食品[3]。在食品体系中,乳液凝胶的常见基质有3种,即蛋白质、多糖、蛋白质-多糖复合物。单一多糖或蛋白质稳定的乳液凝胶力学性能不足,稳定性不高,而利用蛋白和多糖间的相互排斥或吸引可调节食品凝胶的功能特性[4]。因此,以蛋白质-多糖复合物制备乳液凝胶是研究热点之一。
海藻酸钠(sodium alginate, SA)是一种由α-L-葡萄糖醛酸和β-D-甘露糖醛酸形成的天然来源的线性多糖;因其优良的凝胶性而作为成膜基质、微胶囊壁材等,在食品工业和医药领域中被广泛应用[5]。酪蛋白是乳中含量最高的蛋白质,约占牛乳中蛋白质含量的80%,其钠盐称为酪蛋白酸钠(sodium caseinate, SC)。SC营养价值高,表面活性优异,且具有良好凝胶性,常用作乳液凝胶基质[6]。
近年来,乳液凝胶被广泛用作活性因子的递送系统,以保护活性因子,提高其生物利用度。研究表明,经乳清分离蛋白-壳聚糖基乳液凝胶负载后,番茄红素在胃液中的释放量减少,在肠液中可实现快速释放[7-8]。ZHUANG等[9]用聚甘油聚蓖麻油酸酯、乳清分离蛋白和魔芋葡甘露聚糖制备了乳液凝胶,用于负载原花青素,提高了其生物利用度。另外,经乳液凝胶中负载后,槲皮素溶解度提高,稳定性改善,生物利用度显著提高[10]。可见,乳液凝胶具有负载和递送活性因子的性能。
传统蛋白质基乳液凝胶的制备方法包括乳液的形成和凝胶化,工艺复杂,耗时长,如热诱导、酸诱导、盐诱导、超声诱导、酶法交联等[11-13]。本团队前期开发了一步均质法制备酪蛋白胶束基乳液凝胶,发现添加SA可显著提升乳液凝胶稳定性[14]。进一步研究发现,采用葡萄糖酸-δ-内酯(gluconate-δ-lactone, GDL)酸化可显著改善SA-酪蛋白基乳液凝胶流变性,并显著提升负载的原花青素在胃肠环境中的稳定性[15]。另外,以酪蛋白代替酪蛋白胶束,通过一步均质法形成高内相乳液凝胶,且适量添加SA提升了乳液凝胶的稳定性,并实现了姜黄素的高效负载,提高了其生物可及性[16]。由此可见,酪蛋白与SA复合物可作为基质用于开发高稳定性乳液凝胶,以实现活性因子的负载和递送。
与液态乳液比,乳液凝胶具有更加优异的稳定性,常作为可食用3D打印油墨以及动物脂肪代替物,具有较大的开发潜力[17-18]。研究表明,以蚕豆分离蛋白为乳化剂,制备的油相体积分数为50%的乳液凝胶经热处理后3D打印适应性进一步提高[19]。由亚麻籽蛋白-SA复合物稳定的高内相乳液凝胶封装姜黄素,成功用于3D打印,打印的物体表面光滑,具有自支撑性[20]。由此可见,乳液凝胶在3D打印方面具有一定的潜力。然而,随着油相含量的增加,乳液凝胶热力学不稳定性增强,并且其结构强度难以满足3D打印基材的实际需求,所以提升高含油量乳液凝胶的结构强度和自支撑性是研究热点。
本研究在前期研究的基础上,以SC为基质,通过一步均质法制备了含油量为80%的乳液凝胶,通过添加GDL以提升乳液凝胶的结构强度,并将乳液凝胶用于负载原花青素(proanthocyanidins, PC);系统评价了SA添加顺序对乳液凝胶结构及性质的影响规律,评估了乳液凝胶的3D打印性能,并探讨了模拟消化过程中乳液凝胶对PC的释放规律,以期为SA-SC基乳液凝胶在3D打印功能食品中的应用提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
SC、SA、PC、GDL,合肥博美生物科技有限责任公司。
1.2 仪器与设备
STA449F5同步热分析仪,德国耐驰仪器制造有限公司;GS-1剪切乳化搅拌机,沧州亿轩试验仪器有限公司;XC-SW40光学显微镜,深圳市星辰光学仪器有限公司;HR-1混合流变仪,沃特世科技有限公司;KH19A高速离心机,湖南凯达科学仪器有限公司;UV-1780双光束紫外可见分光光度计,岛津仪器有限公司。
1.3 实验方法
1.3.1 乳液凝胶的制备
将4 g SC分散在pH 6.86、浓度为0.05 mol/L的100 mL磷酸盐缓冲液中,于37 ℃下磁力搅拌2 h,制得SC溶液。将2 g SA溶于pH 6.86、浓度为0.05 mol/L的100 mL磷酸盐缓冲液中,于37 ℃磁力搅拌至溶解,4 ℃下放置过夜至完全水合,制得SA溶液。
乳液凝胶中SA添加过程分为2种,同步添加时,将SC溶液与SA溶液按体积比为8∶2混合,在600 r/min、37 ℃磁力搅拌2 min。取上述混合物6 mL,与24 mL大豆油混合,在14 000 r/min下采用均质机均质3 min,得到总体积30 mL的乳液凝胶,记为M0。分步添加时,将4.8 mL SC溶液先与24 mL油相混合,以14 000 r/min均质3 min,得到初级乳液凝胶;然后将1.2 mL SA溶液加入初级乳液凝胶中,在相同条件下均质制得乳液凝胶,记为S0。在均质之前,向SC溶液中按照15 mg/mL的比例添加GDL,在上述2种方法下制备乳液凝胶,分别记为M15、S15。在SC溶液中加入PC(添加量为4 mg/mL),在上述工艺下制得乳液凝胶,分别记作MP0、MP15、SP0、SP15。
1.3.2 乳液凝胶微观结构分析
参考本团队前期方法,采用光学显微镜于物镜40×、目镜10×下进行观察,并用ImageJ软件对油滴的尺寸进行统计[15]。
1.3.3 乳液凝胶稳定性测定
a)贮藏稳定性
取新制备的乳液凝胶3 mL,装于螺旋盖玻璃瓶中,4 ℃保存,定期拍摄外观。
b)pH稳定性
取新制备的乳液凝胶2 mL,装于螺旋盖玻璃小瓶中,加入3 mL不同pH值(pH 1、3、4、5、7、9)的水溶液,置于25 ℃下放置15 d,然后观察并拍照。
c)热稳定性
取新制备的乳液凝胶3 mL,分别于65、80 ℃加热30 min。加热后的样品于25 ℃下保存24 h,拍照并进行显微镜观察。
d)Ca2+稳定性
取新制备的乳液凝胶2 mL,与3 mL不同质量浓度(0.05、0.075、0.1、0.125、0.15 g/mL)的CaCl2溶液混合;在25 ℃下保存7 d,然后观察并拍照。
e)冻融稳定性
将20 mL新鲜制备的乳液凝胶置于离心管中,在-24 ℃下贮藏22 h,然后在25 ℃下解冻2 h;于4 000×g离心20 min后,收集样品的油相。从乳液凝胶中析出的油相百分比的计算如公式(1)所示:
油相百分比
(1)
式中:V为离心后析出的油相体积,V0为乳液凝胶中油相的原始体积。
f)SC析出程度分析及持水能力(water holding capacity, WHC)测定将新制备的乳液凝胶在8 000×g离心20 min后,取下层水相,用SDS-PAGE分析蛋白质组成[15]。
将离心后的乳液凝胶下层清液移除,测量剩余凝胶的质量,乳液凝胶WHC[16]的计算如公式(2)所示:
(2)
式中:m为离心后乳液凝胶质量,m0为初始乳液凝胶质量。
1.3.4 乳液凝胶热分解性能测定
准确称取8～10 mg乳液凝胶样品置于氧化铝坩埚中,参考本团队前期方法,采用热分析仪对样品的热稳定性进行分析[15]。
1.3.5 乳液凝胶流变性测定
使用混合流变仪测定乳液凝胶的流变性[15]。小振幅振荡剪切试验采用1～100 Hz频率扫描,应变为0.1%;大振幅振荡剪切试验采用0.1%～100%应变扫描,频率为1 Hz[21]。
1.3.6 乳液凝胶3D打印性能评价
乳液凝胶由3D打印机打印,以评价其自支撑性及打印性能。采用1 mm喷嘴挤出,喷嘴移动速度设置为5.2 mm3/s,3D打印形状为心形,高度5 mm,填充率100%[17]。
1.3.7 乳液凝胶中PC的体外模拟释放测定
将1 g乳液凝胶放入截留分子质量为1 kDa的透析袋中,按照本团队前期方法进行模拟消化[15]。取透析液3 mL,测定278 nm下的吸光度,PC释放量通过同介质下绘制的标准曲线(y=0.006 42x+0.015 63)计算。
1.4 统计分析
所有实验重复3次,采用Excel 2010处理数据,用Origin Pro 9.0软件绘图,采用Duncan法进行差异显著性分析,以P<0.05表示差异显著。
2 结果与分析
2.1 乳液凝胶的微观结构
乳液凝胶的光学显微照片和粒径分布如图1所示。由图1可以看出,相同条件下,SA添加顺序对乳液凝胶中油滴平均粒径具有一定的影响。其中,SA分步添加的样品中的油滴粒径略小于同步添加样品。这是因为同步添加时,SC与SA先形成静电斥力,然后乳化油滴;而分步添加过程中,第一次均质使SC在油水界面形成乳化层,之后添加的SA与乳化层SC间形成静电斥力,直接作用于乳化油滴,使其粒径减小[22]。相同制备方式下,添加GDL明显降低了乳液凝胶的油滴粒径。这是因为GDL在放置过程中会发生水解,酸化诱导SC和SA凝胶化并形成更致密的凝胶网络结构;另外,SA在酸的作用下由负电荷变为正电荷,并与SC发生静电吸引,迫使油滴收缩,粒径减小[23]。负载PC后,乳液凝胶中的油滴粒径略有减小,这是由于PC可以在同一SC链上的不同氨基酸残基间,或不同SC上的氨基酸残基间形成非共价交联,使SC结构变得紧凑和致密[15]。另外,PC带有负电荷,与SC结合后使其负电量增加,进而增大了SC与SA间的静电斥力,致使油滴粒径减小。相同油相体积分数下,油滴粒径越小,其数量越多,拥堵效应越明显,乳液凝胶的机械性能可能越强。由此推测,SP15乳液凝胶具有较强的机械性能。
a-M0;b-S0;c-M15;d-S15;e-MP0;f-SP0;g-MP15;h-SP15
图1 乳液凝胶的粒径分布和光学显微照片(标尺:600 μm)
Fig.1 Size distribution of oil droplets and optical microscopy images in emulsion gels (scale:600 μm)
2.2 乳液凝胶的稳定性
2.2.1 贮藏稳定性
图2为乳液凝胶在4 ℃下贮藏150 d的外观。由图2可以看出,乳液凝胶在贮藏期间均保持稳定,没有发生相分离现象。SC与SA之间可形成较强的静电斥力,从而提高了乳液凝胶的稳定性。此外,SA作为增稠剂,在水相中形成致密的网络,从而阻止了油滴的合并与聚集[24]。可见,SA-SC基乳液凝胶贮藏稳定性较高,且其不受SA添加顺序影响。
a-新鲜乳液凝胶正置和倒置的外观;b-贮藏30 d后乳液凝胶正置和倒置的外观;c-贮藏150 d后乳液凝胶正置和倒置的外观
图2 4 ℃下不同贮藏期乳液凝胶外观
Fig.2 Appearance of emulsion gels during storage at 4 ℃
2.2.2 pH稳定性
所有乳液凝胶在不同pH水溶液稀释并静置15 d后均未发生相分离(附图1,https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040499),表明其具有较高的pH稳定性。SA和SC之间的相互作用受pH值影响。当pH大于SC的等电点pI(4.6)时,SA与SC均带负电荷,两者之间形成较强的静电斥力,起到有效稳定乳液凝胶结构的作用。因此,未添加GDL的乳液凝胶在pH为5、7、9的水溶液稀释后保持结构稳定。当水溶液pH低于pI时,SC因乳化油滴而吸附于油滴表面,SA填充于油滴间隙,酸化过程中SA先接触到酸,表面负电荷降低,甚至变为正值,进而与油滴表面的SC产生静电引力而包裹在油滴表面,因此乳液凝胶在pH为1、3、4的水溶液稀释下仍保持稳定。另外,SA能有效增加水相黏度,从而降低油滴的流动性,有效提升了乳液凝胶的稳定性[24]。添加GDL后,乳液凝胶体系pH为酸性,且SC在酸化作用下凝胶,与SA结合,使乳液凝胶网络结构更加致密,在低浓度酸、碱的作用下可保持稳定。除pH=1外,未添加GDL的乳液凝胶均在不同pH值水溶液稀释下发生漂浮现象。GDL酸化使得油滴粒径减小,油滴间隙增大,网络结构较为松散,因此出现飘浮现象。
为了进一步评价乳液凝胶的pH稳定性,对不同pH水溶液稀释后乳液凝胶的油滴粒径进行了统计分析,结果见表1。由表1可知,同一乳液凝胶中油滴粒径随pH值的降低而减小,这主要是由于pH越小,SC与SA之间的静电斥力越小,且可能转变为引力而附着于油滴上,因此迫使油滴收缩。添加PC后,油滴粒径随pH变化的幅度降低,而添加GDL后乳液凝胶中油滴粒径变化幅度更小,这是因为添加PC和GDL迫使样品中乳液凝胶油滴收缩,粒径减小,使其随体系pH的改变而变化不大。另外,同一pH下,分步添加SA的样品中油滴粒径均小于同步添加SA的样品。
表1 不同pH水溶液稀释下乳液凝胶中油滴的平均粒径 单位:μm
Table 1 Average size of oil droplets in emulsion gels after diluting at different pH
pHM0S0M15S15MP0SP0MP15SP15151.25±23.8042.60±10.5138.00±11.4535.45±10.0440.28±12.5138.55±10.0733.98±11.6033.28±12.40353.44±19.6049.07±15.1342.90±12.0540.63±22.1047.21±18.7342.18±12.8641.56±22.9034.66±12.00463.27±20.7350.99±21.1943.27±18.4742.15±16.6647.83±18.0545.07±14.2341.81±16.1535.14±13.72571.37±24.6859.99±26.8644.03±15.6043.40±13.1650.69±15.5547.16±14.5441.88±14.6839.00±15.13773.31±36.0961.30±31.6644.43±18.2144.32±17.0650.72±16.5149.55±15.0742.29±11.5040.48±14.90974.93±30.9861.37±26.8047.64±26.9845.92±24.5857.55±22.2150.18±23.1242.81±11.6340.57±13.14
2.2.3 热稳定性
不同温度(65 ℃和80 ℃)加热30 min后乳液凝胶的表观状态、光学显微照片及粒径分布如图3所示。热处理后,乳液凝胶倒置均未见流动,并且没有出现相分离现象,表明其具有较高的热稳定性。与未加热的油滴粒径相比,热处理后油滴的平均粒径变化不大(附图2,https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040499),这是由于油相体积分数高达80%,形成的拥堵效应较强,而油滴间填充了一定量的SA,其流动性极大程度受限,在热处理下难以流动、聚集合并,因而加热不会显著改变乳液凝胶中油滴粒径。
a-65 ℃热处理后乳液凝胶正置和倒置的外观;b-80 ℃热处理后乳液凝胶正置和倒置的外观
图3 不同温度热处理后乳液凝胶的外观
Fig.3 Appearance of emulsion gels after heat treatment at different temperatures
另外,添加GDL后乳液凝胶粒径随热处理温度变化很小,这是因为GDL酸化进一步强化了凝胶网络结构,且起到固定SC、SA的作用,使油滴更加难以流动。研究表明,SC可吸附于油滴表面,提高乳液凝胶的热稳定性[25]。相同条件下,分步添加SA的样品油滴粒径变化小于同步添加样品,与前文油滴粒径变化趋势一致。可见,分步添加SA有利于减小油滴粒径,提升乳液凝胶稳定性。
2.2.4 Ca2+稳定性
将乳液凝胶置于不同质量浓度(0.05～0.15 g/mL)的CaCl2溶液中并放置7 d后的外观如附图3(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040499)。第1天时,所有样品清液均不透明,这是因为未用于乳化的SC溶出且在Ca2+作用下发生絮凝。有研究表明,添加一定量Ca2+后,乳液凝胶表面粗糙,结构松散,蛋白质出现絮凝[26]。静置7 d后,絮凝的SC沉降,所有样品的清液变为澄清透明;乳液凝胶未分层,也没有出现油相析出。Ca2+通过与SA物理交联诱导SA进一步凝胶,加固了乳液凝胶网络,并防止了SC絮凝析出,因此乳液凝胶在Ca2+中具有较高的稳定性。
2.2.5 冻融稳定性
乳液凝胶经过3次冻融循环后析出的油相百分数如图4所示。结果表明,SA添加顺序对乳液凝胶的冻融稳定性没有显著影响(P<0.05)。不含GDL和PC的乳液凝胶经过3次冻融循环后,90%以上的油相析出,这主要是由于冰晶的形成和未冻水的不足使SC覆盖的界面层破裂,导致油滴聚集[27]。添加PC后,析出的油相百分数减小,主要是因为PC的加入导致油滴表面SC之间及SC与SA交联,且PC的负电荷使油滴表面净电荷增加,静电斥力增加,从而提高了乳液凝胶的抗聚集性。添加GDL后,乳液凝胶经3次冻融后析出的油相百分数小于5%,这归因于GDL为酸化剂,在酸化作用下SC与SA凝胶,形成更加致密的网络结构,限制了冰晶的大小,降低了冰晶对乳液凝胶结构的破坏,因此乳液凝胶冻融稳定性显著提升(P<0.05)。综上所述,GDL和PC可以协同提高乳液凝胶冻融稳定性,赋予乳液凝胶优异的冷冻加工性能。
图4 冻融3次后乳液凝胶析出油相百分比
Fig.4 Separated oil phase percentage from emulsion gels after three freeze-thaw cycles
注:不同小写字母表示样品间差异显著(P<0.05)(下同)。
2.2.6 SC析出程度分析
放置72 h后,对乳液凝胶离心清液进行SDS-PAGE分析,结果如图5所示。由图5可以看出,未添加GDL的乳液凝胶上清液中出现酪蛋白条带,为未参与乳化的SC。添加PC后,酪蛋白条带变化不明显。然而,添加GDL后,酪蛋白条带消失。由于GDL的酸化作用,使SC形成了酸凝胶,因此游离酪蛋白减少。SA添加顺序对游离酪蛋白含量不产生影响。也就是说,GDL添加提高了乳液凝胶的结构稳定性。
图5 乳液凝胶离心清液的SDS-PAGE图
Fig.5 SDS-PAGE images of serum from emulsion gels
2.3 乳液凝胶的持水性(WHC)
乳液凝胶的WHC如图6所示,所有样品均具有较高的持水能力,其WHC在90%以上。PC的加入对乳液凝胶WHC没有显著性影响(P>0.05),而GDL显著提高了样品的WHC(P<0.05),这主要是因为GDL的添加致使凝胶内部pH值降低,形成了均匀致密的凝胶网络结构,水分子通过毛细管力更紧密地固定在网络结构中,且难以在离心力作用下析出[28]。
图6 乳液凝胶的持水能力
Fig.6 Water holding capacity of emulsion gels
2.4 乳液凝胶的热分解特性
乳液凝胶的热重(thermogravimetric analysis, TG)和微商热重(derivative thermogravimetry, DTG)曲线如附图4(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.040499)。由图4可知,乳液凝胶的TG曲线与油的TG曲线相似,因为其含油量高达80%。乳液凝胶的失重可分为2个阶段:第一个失重阶段(80～150 ℃)为水分蒸发;第二失重阶段为360～460 ℃,主要是油的热分解所致。由DTG曲线可以看出,油的分解温度为406 ℃。乳液凝胶中,油的分解温度升高。添加GDL和PC的乳液凝胶热分解曲线与未添加样品相似,这是由于PC添加量较少,而GDL酸化并未形成共价作用,因此对乳液凝胶的热分解特性没有明显影响。此外,SA添加顺序对样品的热分解特性无明显影响,因为不同制备工艺下凝胶微观结构和基质间作用力相同。
2.5 乳液凝胶的流变性
乳液凝胶的流变性、稳定性和3D打印性密切相关。图7-a为乳液凝胶在不同剪切速率下的黏度变化。适合3D打印的材料黏度不宜太高,黏度过高会导致材料与注射器的摩擦力增大,挤出速度会慢于设定值,致使3D打印物表面不光滑,挤压不均匀,甚至打印失败[29]。
a-黏度;b-弹性模量随应变的变化曲线;c-弹性模量随角频率的变化曲线
图7 乳液凝胶的黏度、弹性模量随应变的变化曲线以及弹性模量随角频率的变化曲线
Fig.7 Curves of viscosity, elastic modulus with strain and elastic modulus with angular frequency of emulsion gels
由图7可知,随着剪切速率的增加,乳液凝胶的黏度降低,表现出剪切稀化行为,适合在3D打印过程中通过喷嘴挤出。添加GDL后,乳液凝胶的初始黏度增大,是因为GDL的添加促使SC和SA凝胶,且油滴粒径变小,从而增大了黏度;随着剪切速率的增加,其稀化行为更为明显,更有利于3D打印中的挤压和提高打印精度。此外,与未添加组相比,添加PC后乳液凝胶的初始黏度增大,这归因于PC与SC之间产生的交联作用。
乳液凝胶的储能模量(G′)代表弹性固体行为,损耗模量(G″)与黏性和类液体行为相关[30]。如图7-b所示,当应变较低时,乳液凝胶G′和G″不随应变增大而变化,即线性变化区域;该区域内,所有样品的G′>G″,表明乳液凝胶为弹性材料。G′和G″交叉点为γco,表示凝胶结构破裂,为样品由黏弹性固体行为向黏弹性液体行为转变的开始[31]。当应变值进一步增大时,G′和G″交叉,之后G″大于G′,表明乳液凝胶的结构被破坏。GDL和PC的添加增大了乳液凝胶的G′和G″,延长了线性变化区域范围,推迟了γco的出现,表明PC和GDL使得乳液凝胶的结构变得致密,抗变形能力增强。
乳液凝胶的黏弹性响应与角频率的函数关系如图7-c所示,所有乳液凝胶的G′均大于G″,表明其可以应用于3D打印[32]。在角频率低于200 rad/s时,G′和G″随着角频率的增加而增大,表明弹性行为占主导地位,有利于3D打印物体的形状稳定性。当乳液凝胶的G′>2 000 Pa时,可形成稳定的打印产品[33]。G′和G″随着GDL的添加而增大,表明GDL的酸诱导凝胶化改善了凝胶内部结构,从而形成了更强的网络结构,表现出更强的类固体行为,与乳液凝胶微观结构分析结果一致。加入PC后,乳液凝胶的G′和G″也增大,更有利于3D打印。添加GDL和PC后,SA添加顺序对乳液凝胶强度不产生影响,说明GDL和PC对乳液凝胶黏弹性的影响大于SA添加顺序。综上所述,GDL和PC的添加改善了乳液凝胶的流变性,其中S15、M15、SP15、MP15均可满足3D打印食品对基材的强度要求。
2.6 乳液凝胶的3D打印性能
乳液凝胶的3D打印图形如图8所示,所有乳液凝胶均成功打印成型,且具有良好的自支撑性。添加GDL后的打印产品边缘更加清晰,打印精度显著提高;负载PC后,打印产品的表面更加光滑。同时添加GDL和PC的乳液凝胶3D打印精度最高。另外,SA添加顺序对乳液凝胶的3D打印性能没有明显影响,与流变性分析结果一致。乳液凝胶的3D打印性能主要与其流变性有关,乳液凝胶的剪切稀化行为可以支持其在3D打印中的连续挤出,较高的弹性模量赋予其一定的自支撑性能和良好的打印精度,且G′值越大,打印精度越高[33]。因此,MP15、SP15具有最佳的3D打印性。
图8 乳液凝胶的3D打印图形
Fig.8 3D printing of emulsion gels
2.7 乳液凝胶对PC的体外模拟释放性能
体外模拟胃肠消化过程中PC从乳液凝胶中的累积释放曲线如图9所示。模拟胃液消化2 h后,经乳液凝胶负载后PC的释放率低于游离PC(19.18±1.67)%,这是由于乳液凝胶中PC被结合和包覆,难以扩散到胃液中,而游离PC更易溶出。添加GDL后,PC的释放率进一步降低,其中SP15的释放率最小,为(7.64±3.42)%。可见,GDL添加增强了乳液凝胶网络结构和黏弹性,从而降低了PC的扩散和溶出。
图9 乳液凝胶中的PC在模拟胃肠消化过程中的释放曲线
Fig.9 Release profile of PC during simulated gastrointestinal digestion from emulsion gels
在模拟肠液中,乳液凝胶中PC的释放速率显著高于游离PC,且在消化初期快速释放。PC在酸性条件下稳定,而在中性和碱性条件下稳定性降低,易降解[34]。因此,游离PC在模拟肠液中发生降解,累积释放率低于40%。乳液凝胶负载避免了PC与肠液直接接触,从而保护了其结构稳定,因此释放率较高。就乳液凝胶组而言,模拟消化6 h后,GDL酸化的乳液凝胶中PC释放率大于90%,其在消化8 h时的释放率高达98%以上,未添加GDL的乳液凝胶中PC释放率大于80%。GDL酸化诱导凝胶化,赋予凝胶内部酸性环境,有效降低了消化液的pH,保护了PC的结构稳定。然而,SA添加方式对PC的10 h累积释放率没有明显影响。由此可见,GDL的添加有效保护了PC的稳定性,实现了肠道的靶向释放。
3 结论
以SC和SA为基质,制备了油相体积分数为80%的乳液凝胶。SA与SC分步添加时,乳液凝胶中油滴粒径减小;采用GDL酸化后,油滴粒径进一步减小。SA添加顺序对乳液凝胶的稳定性影响不大,所有乳液凝胶贮藏150 d后结构仍然保持稳定,未见油相析出。在GDL的酸化作用下,乳液凝胶的黏弹性和冻融稳定性显著提高,其3D打印性能显著改善。另外,PC的添加提高了乳液凝胶的黏弹性。乳液凝胶负载有效保护了PC不在胃液环境中释放,使其到达肠道;经GDL诱导酸化后,乳液凝胶中PC在肠液中的累积释放率进一步提升,有利于改善其生物利用度。然而,SA添加顺序对乳液凝胶的3D打印性能及PC的10 h模拟消化累积释放率影响不大。
综上所述,PC经GDL酸化的SA-SC基乳液凝胶负载后,稳定性显著改善,并实现了肠道靶向输送。该体系具有极高的稳定性,可作为3D打印食品基材,开发3D打印功能食品。
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