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FH|东北农业大学:负载槲皮素的核壳结构水凝胶微球的表征及其肠道靶向释放与抗氧化性能

  • 2026-10-29 22:04:01
FH|东北农业大学:负载槲皮素的核壳结构水凝胶微球的表征及其肠道靶向释放与抗氧化性能

 Food Hydrocolloids| 负载槲皮素的核壳结构水凝胶微球的表征及其肠道靶向释放与抗氧化性能

近日,东北农业大学团队在《Food Hydrocolloids》期刊上发表了题为《Characterization of core-shell structured hydrogel spheres encapsulating quercetin and their intestinal-oriented release and antioxidant properties》的研究性论文(一区,IF:12.4)。

该研究以海藻酸钠 / 黄原胶为内核基质、小麦醇溶蛋白为外壳,制备了负载槲皮素的核壳结构水凝胶微球,系统表征了微球的微观结构、理化与热稳定特性,分析了不同体系对槲皮素的包封效果、体外消化释放规律及长期抗氧化活性。研究揭示,槲皮素通过静电作用与氢键以无定形态被包封于微球中,核壳结构显著提升了微球的机械性能与包封效率(最高达 82.83%),可实现槲皮素在胃液中的低释放与肠液中的靶向释放(释放率 77.63%),同时大幅提升了槲皮素的储存期抗氧化活性,为疏水性活性营养物质的递送提供了新策略。

Background

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槲皮素是自然界中分布最广泛的天然黄酮类化合物,具备优异的抗癌、抗菌、抗氧化、抗炎等生物活性,但其易氧化、水溶性差、在加工储存过程中易降解、肠道内吸收效率低的缺陷,严重制约了其在食品领域的应用,亟需开发稳定高效的递送体系以保护其生物活性并提升生物利用度。核壳结构水凝胶微球可有效屏蔽外界不利环境对活性物质的破坏,实现功能成分的可控靶向释放,是极具应用潜力的活性物质递送载体。在载体材料选择上,海藻酸钠(SA)可通过与钙离子螯合形成稳定的 “蛋盒结构”,是制备水凝胶内核的优质材料,但单一 SA 制备的胶囊存在渗透性高、抗逆环境能力弱的问题;黄原胶(XG)与 SA 具有强协同增效作用,二者可通过插层作用形成更致密的网络结构,显著提升体系黏度与稳定性;小麦醇溶蛋白(WG)具备独特的自组装特性、良好的生物相容性与生物可降解性,是构建核壳结构外壳的理想材料,可精准调控活性物质的胃肠道释放行为。目前,针对 SA/XG 复合基质为内核、WG 为外壳构建的核壳结构水凝胶微球负载槲皮素的研究仍较为匮乏,其包封机制、结构特性、胃肠道释放规律与抗氧化活性的构效关系尚未明确,基于此,该研究构建了负载槲皮素的 SA/XG-WG 核壳结构水凝胶微球,系统探究了微球的结构特征、理化性能、包封效果、体外消化释放行为及抗氧化活性,旨在为疏水性生物活性物质的高效包封与靶向递送提供新策略与理论支撑。

Results

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1. 成功制备出结构完整的核壳结构槲皮素负载水凝胶微球

通过滴注法与反溶剂沉淀法,成功制备了 SA@Q、SA/XG@Q 与 SA/XG-WG@Q 三种水凝胶微球,微球外观呈规则球形,粒径约 2 mm,表面致密无孔隙。SEM 与 CLSM 结果显示,WG 成功沉积在水凝胶微球表面,形成了表面光滑、内部致密多孔的完整核壳结构;SA/XG 复合体系形成了比单一 SA 体系更有序致密的内部网络,为槲皮素的负载提供了更优的空间。流变学分析证实,所有水凝胶微球均呈现 G'>G'' 的特征,以弹性行为为主,具备稳定的三维网络结构,其中 SA/XG-WG@Q 的弹性与网络稳定性最优,满足活性物质递送载体的结构要求。

2. 核壳结构显著提升了水凝胶微球的机械性能与槲皮素包封效率

质构分析结果表明,核壳结构的构建使水凝胶微球的机械性能得到显著提升,SA/XG-WG@Q 的硬度达 117.75 g,弹性达 0.53,内聚性达 0.53,均显著高于 SA@Q 与 SA/XG@Q 体系。包封效率检测显示,SA/XG-WG@Q 对槲皮素的包封效率最高,达 82.83%,显著优于单一 SA 体系的 75.68%。FTIR 与 XRD 分析进一步揭示了包封机制,槲皮素与多糖、蛋白分子之间通过静电相互作用与氢键形成分子间结合,其特征结晶峰在微球体系中完全消失,以无定形态成功包封于水凝胶的三维网络结构中,为其生物活性的保留与可控释放奠定了基础。

3. 核壳结构赋予水凝胶微球优异的热稳定性与水分固持能力

TG-DSC 热分析结果显示,纯槲皮素在 322.1℃出现明显的分解峰,而包封后该特征峰消失,SA/XG-WG@Q 的初始降解温度显著高于 SA@Q 与 SA/XG@Q,热分解速率更慢,证实核壳结构的构建显著提升了微球的热稳定性,可有效降低高温条件下槲皮素的热分解风险。LF-NMR 与 MRI 结果表明,水凝胶微球中的水分以不易流动水为主,其中 SA/XG-WG@Q 的不易流动水占比高达 94.86%,为所有体系中最高,同时其内部氢质子密度最大,具备极强的水分固持能力,可有效维持微球的结构完整性,为槲皮素的肠道递送提供了稳定的基质环境。

4. 水凝胶微球可有效延缓槲皮素降解,显著提升其抗氧化活性的储存稳定性

ABTS 与 DPPH 自由基清除试验结果显示,游离槲皮素在 15 天的储存期内,抗氧化活性发生急剧下降,其 ABTS 与 DPPH 自由基清除率分别从初始的 86.3%、84.2% 降至 32.5%、36.3%;而包封于水凝胶微球中的槲皮素,抗氧化活性在储存期内保持稳定,无显著下降。其中 SA/XG-WG@Q 表现最优,储存 15 天后其 ABTS 自由基清除率仍保持 66.7%,DPPH 自由基清除率保持 65.5%,证实核壳结构可有效隔绝氧气、光照等外界不利因素,避免槲皮素与自由基直接接触,大幅提升了槲皮素的储存稳定性与抗氧化活性保留率。

5. 核壳结构水凝胶微球实现了槲皮素的 pH 响应性释放与肠道靶向递送

体外模拟胃肠道消化试验结果表明,三种水凝胶微球均具备优异的胃液稳定性,在模拟胃液中消化 2 h,槲皮素释放率均低于 18%,其中 SA/XG-WG@Q 的释放率仅为 15.27%,可有效避免槲皮素在胃部强酸环境中发生降解与提前释放。而进入模拟肠液环境后,微球的三维网络结构快速溶胀解体,槲皮素实现持续高效释放,经 6 h 模拟肠液消化,SA/XG-WG@Q 的槲皮素累计释放率达 77.63%,显著高于 SA@Q 的 68.13% 与 SA/XG@Q 的 72.60%,成功实现了槲皮素的肠道靶向释放,为提升槲皮素的肠道吸收效率与生物利用度提供了技术支撑。

图文赏析

Graphical abstract

Fig. 1. Macro-appearance of SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG -WG@Q hydrogel beads (A1-A3); SEM images (500 μm) of freeze-dried SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG -WG@Q, showing surface (B1-B3) and cross-section (C1-C3) views of the hydrogel spheres; CLSM(500 μm) image of SA/XG -WG@Q hydrogel sphere (D).

Fig. 2. G″ and G′ of SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG -WG@Q (A); and the loss angle (tanδ = G"/G′) (B); Crystallinity of SA@Q, SA/XG @Q, SA/XG -WG@Q (C) and Q (D) at 2θ values.

Fig. 3. FTIR spectra of SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG -WG@Q hydrogel spheres and Q (A); DSC (B), TG (C) and DTG (D) of Q, SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG-WG@Q.

Fig. 4. Relaxation time diagrams of SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG-WG@Q (A); and moisture peak area percentage diagrams of SA@Q (B), SA/XG @Q (C) and SA/XG-WG@Q (D).

Fig. 5. Proton density images of SA@Q (A), SA/XG @Q (B) and SA/XG-WG@Q (C).

Fig. 6. Antioxidant activity of free Q and SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG-WG@Q against ABTS (A)and DPPH (B) radicals from days 0 to 15. Different uppercase letters indicate significant differences between groups, while different lowercase letters indicate significant differences within groups (n = 3,p < 0.05); Release rates of SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG-WG@Q hydrogel spheres during simulated gastric and intestinal phases (C).

Fig. 7. SEM images of simulated gastrointestinal digestion for SA@Q, SA/XG @Q and SA/XG-WG@Q hydrogel spheres: surface views of SGF-2h (A1-C1); surface (A2-C2) and cross-sectional (A3-C3) views of SIF-3h; and images of SIF-6h (A4-C4).

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2026.112844

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