《食品科学》：中北大学高莉副教授等：植物蛋白基玉米黄色素微胶囊的制备及性能评价

玉米加工副产物玉米皮含有丰富的玉米黄色素（MYP），其由叶黄素、玉米黄质和隐黄素等类胡萝卜素组成。MYP是一种功能性色素，具有重要的生理功能。然而，MYP具有高度不饱和，水溶性较差，对光、热和食品加工条件敏感等缺点。

微胶囊化可以防止被封装的物质接触外部环境，有效保护生物活性，改善被封装物质的物理性能和控制其释放。目前，常用于包埋的天然生物聚合物有碳水化合物类、微生物多糖类、动物蛋白类和植物胶类。以蛋白质-多糖组合作为壁面材料制备的微胶囊在封装效率和稳定性方面具有诸多优势。

中北大学化学与化工学院的高莉、杨俊燕、季海霞*等采用MD与不同植物蛋白（豌豆分离蛋白（PPI）、火麻蛋白（HP）、大豆分离蛋白（SPI））和SA的组合包埋MYP，研究不同组合对微胶囊产物的EE、粒径、热力学行为、结构和微观结构的影响，旨在筛选最佳壁材封装MYP，扩大其在功能性食品工业中的应用。

1 不同壁材对微胶囊EE和LC的影响

微胶囊的LC和EE是评价微胶囊制备性能的最重要指标，它们决定了壁材包埋芯材的潜力。如图1所示，不同的植物基蛋白-SA作为壁材显著影响了微胶囊的EE和LC。当PPI-SA作为壁材时，EE（43.24%）和LC（73%）均高于其他壁材。这与李杨等 的研究结果相似，以PPI和MD混合物为壁材料制备的鱼油微胶囊EE达到87.71%，对鱼油具有更好的保护作用。HP-SA和SPI-SA作为壁材时的EE较低，这可能是由于植物基蛋白与SA的比例或MYP和植物基蛋白-SA的比例不适合，导致EE降低，当MYP添加量过高时包合反应不能完全发生，导致其EE和LC降低。此外，微胶囊的EE和LC与壁材密切相关，不同的壁材具有不同的成膜性能。

2 微胶囊的理化性能分析

水分质量分数是衡量粉末产品稳定性的重要指标，它与干燥效率、流动性、贮存稳定性等有关。此外，低含水量的微胶囊不易发霉和降解，可以提高MYP的贮存稳定性。一般来说，水分质量分数在2%～5%之间的干燥食品具有良好的贮存稳定性。如表1所示，不同壁材微胶囊的水分质量分数范围在3.82%～4.91%之间，有利于维持微胶囊在贮藏过程中的稳定性。PPI-SA-MYP的水分质量分数最高，为4.91%；MD-MYP的水分质量分数最低，为3.82%。结果表明，壁材类型对微胶囊的水分质量分数有显著影响。微胶囊的水分质量分数差异可能与壁材的组成成分（如多糖、蛋白质）和水之间的亲和力以及水通过壁材的扩散系数不同有关。

溶解度是评价粉状产品作为食品成分的关键因素，因为溶解度较差的产品不易进行深加工，其经济效益较低。如表1所示，所有微胶囊的溶解度均较高（60.14%～96.74%），其中MD-MYP溶解度最高。MYP的水溶性差，而壁材的加入可以提高其溶解度。微胶囊组的高溶解度可能是由于壁面材料的高溶解性和高亲水性。

θ可以反映微胶囊的流动性，θ越小表示流动性越好。θ小于30°表示流动性很好，θ在30°～45°之间表示流动性较好，θ在45°～60°之间表示流动性一般，大于60°则表示流动性很差。如表1所示，微胶囊的θ在42.35°～45.12°范围内，表明这些微胶囊具有良好的流动性。以上结果表明，壁材类型对微胶囊的物理性能有显著影响。

3 微胶囊的结构表征

3.1 粒径和Zeta电位分析

粒径是评价微胶囊产品质量的一个重要参数。颗粒粒径越小，封装的生物活性化合物就越容易释放。如图2所示，各微胶囊的粒径范围为222.32～645.40 nm，壁面材料对粒径的影响显著（P＜0.05）。微胶囊的粒径与壁面材料的分子尺寸有关。不同的壁面材料与微胶囊混合具有不同的结构和相互作用力，进一步影响了微胶囊的粒径。在3 种复合壁材制备的微胶囊中，PPI-SA-MYP的微胶囊粒径最小，说明PPI-SA-MYP复合物形成的微胶囊结构较小。由此可见，PPI-SA具有良好的微胶囊封装能力。

Zeta电位是反映颗粒在溶液中稳定性的一个重要参数。Zeta电位绝对值越高表明粒子间产生了较强的相互作用力，使粒子在溶液中保持稳定。不同壁材的Zeta电位范围在-47.91～-96.68 mV，表明所有微胶囊在溶液中均具有良好的均匀性和分散性。

3.2 微胶囊的FT-IR分析

红外光谱可用于分析微胶囊中是否引入了新的官能团和化学键。如图3a所示，与单独MYP和MD红外光谱相比，MD-MYP在2 930 cm -1 处CH 2 的不对称弯曲振动峰变弱；在1 460 cm -1 处的吸收峰为—OH伸缩振动，此处峰强度变小表明MYP和MD之间产生静电相互作用并形成了新的氢键，两处特征峰包封后减弱，表明与苯环有一定程度的疏水和氢键相互作用。MD-MYP在1 029 cm -1 附近产生了更尖锐、更强的吸收峰，代表亚甲基中C—O的拉伸振动。

如图3b所示，与单独PPI、SA和MYP的红外光谱相比，PPI-SA-MYP在3 730 cm-1处氢键的—OH拉伸振动峰明显变弱，表明PPI、SA和MYP之间存在氢键和疏水相互作用。此外，PPI-SA-MYP在3 070 cm-1附近表示C—H拉伸的宽峰强度比PPI、SA和MYP弱，表明所有配合物中都存在—CH。与SA红外光谱相比，PPI-SA-MYP在1 730 cm-1处表示C＝O拉伸振动的特征峰值变弱，表明发生了静电相互作用且包埋形成微胶囊。1 040 cm-1处的峰为CH2面外变形弯曲，表明在复杂凝聚物形成过程中发生静电相互作用。

如图3c所示，与单独HP、SA和MYP的红外光谱相比，HP-SA-MYP在3 730 cm -1 处氢键的—OH拉伸振动峰明显变尖锐，此为MYP和SA的标志峰，变尖锐表明MYP和SA发生一定程度的疏水和氢键相互作用且包埋成功。2 930 cm -1 处为SA的C—H拉伸特征峰，该特征峰变宽变弱表明在微胶囊形成过程中SA发生了结构变化。1 650 cm -1 处HP的酰胺I、II、III带特征峰消失，表明HP与SA发生相互作用形成微胶囊。

如图3d所示，与单独SPI、SA和MYP的红外光谱相比，SPI-SA-MYP在3 720 cm-1处特征峰变强，显示出更强的氢键；在3 445 cm-1处对应—OH拉伸的特征峰消失，表明MYP包埋进微胶囊中。1 755 cm-1处的特征峰对应酰胺I带的C＝O，表明微胶囊中存在MYP和SA。1 633 cm-1处对应酰胺I带的C—O拉伸振动，是蛋白质的特征峰。上述结果证明了SPI的存在以及蛋白质与多糖相互作用诱导的蛋白质结构变化。

这些被削弱的峰证实各壁材包埋进MYP形成了微胶囊，而没有新的峰形成意味着核心和壳层材料之间产生的是物理相互作用，与SA的络合发生在蛋白质的表面疏水结构域。此外，与MYP相比，微胶囊的吸收峰更尖锐，表明更多的MYP被封装在壁材中。综上所述，MYP成功封装在不同的生物聚合物基质中。

3.3 微胶囊的表观结构和微观结构分析

如图4所示，从外观上看，MYP微胶囊为浅黄色粉状体，颜色较为均匀，无异味。SEM结果显示MYP微胶囊具有不同结构，无任何裂纹，这可能与MYP和壁材之间的相互作用有关。此外，微胶囊均出现团聚现象，这可能是MYP的存在所致。由于细胞壁成分的不同，微胶囊的表面微观结构发生了变化，用植物基蛋白-多糖制备的微胶囊呈玻璃状、不规则结构，且表面存在凹痕、结构粗糙，这很大程度上与干燥和冷却过程中的收缩不均匀有关；也可能由于在微胶囊化混合物的预冻融过程中形成了冰晶并进一步经历了水蒸气的升华，形成不规则多孔孔隙。在预冻阶段形成的冰晶破坏了原冰晶，引起溶质聚合，导致不同壁材的结构变化。微胶囊在冷冻干燥过程中的水升华速率也受到壁面材料的影响，导致了不同微胶囊之间的形貌差异，这些变化破坏了材料的原始结构。以上结果与冯志强等通过冷冻干燥方法获得微胶囊的研究结果类似。

3.4 微胶囊的TGA

如图5a所示，MYP微胶囊在连续加热下质量不断损失，与单独的MYP相比，MYP微胶囊使其热稳定性提高，且微胶囊的热性能在很大程度上取决于壁面的组成，PPI/HP/SPI-SA-MYP的热性能变化曲线趋势相同。PPI/HP/SPI-SA-MYP的热降解过程主要有两个阶段：第1阶段在30～95 ℃，质量损失约为4.50%；第2阶段在95～500 ℃，PPI/HP/SPI-SA-MYP的质量损失分别为77.02%、80.38%和76.88%。最后大约有15.72%、12.26%和15.52%的剩余材料在高达800 ℃时不能蒸发。而MDMYP热降解过程的第1阶段在30～93 ℃，其质量损失为6.1%，第2阶段在150～400 ℃，质量损失为74.64%，剩余11.59%在800 ℃时不能蒸发。微胶囊的第1次质量损失主要是微胶囊中游离水的蒸发造成，PPI/HP/SPI-SAMYP比MD-MYP组质量损失小，可能的原因是植物基蛋白-多糖具有更高的热阻，导致传热速度变慢。这表明植物基蛋白-多糖壁材具有良好的热稳定性，可以满足食品的一般加工条件。第2阶段的质量损失严重，主要是由于壁材和MYP的质量损失，化学键断裂，产生CO2和H2O等中间体。

图5b为微商热重（DTG）曲线。PPI/HP/SPI-SA-MYP在216 ℃和324 ℃处出现吸热峰，而MD-MYP在109 ℃和313 ℃处出现吸热峰。这表明微胶囊化对吸热峰向更高温度的置换有影响，可能与壁材料对芯材的保护作用有关。其中，PPI/HP/SPISA-MYP的初始分解温度高于MD-MYP，表明其热稳定性更好。另外，MYP的特征分解峰在微胶囊中完全消失，表明MYP在微胶囊中以无定形形式存在。这是由于微胶囊中的无定形聚合物链主要以结晶形式存在，有利于提高MYP的溶解度。

4 微胶囊的抗氧化活性分析

如图6a所示，未经包埋的MYP组以及不同壁材微胶囊的DPPH自由基清除率都与MYP剂量呈正相关，且无明显减弱，表明MYP微胶囊化没有影响MYP的DPPH自由基清除能力。经计算，半数抑制浓度（half maximal inhibitory concentration，IC 50 ）从大到小分别为SPI-SAMYP＞HP-SA-MYP＞MYP＞MD-MYP＞PPI-SA-MYP＞VC，IC 50 越小表明抗氧化性能力越强，除阳性对照VC外，PPI-SA-MYP的抗氧化能力最高。可能是因为不同壁材包埋形成的微胶囊表面积不同，而与反应溶液接触面积不同所致，比表面积越大，与反应液接触面积越大，导致DPPH自由基清除能力越强。

如图6b所示，未经包埋的MYP组以及不同壁材微胶囊的ABTS阳离子自由基清除率都与MYP的剂量呈正相关，表明MYP的ABTS阳离子自由基清除能力在包封后得以保留。当MYP质量浓度为256 μg/mL时，各组的IC 50 从小到大分别为VC＜SPI-SA-MYP＜HP-SA-MYP＜PPI-SAMYP＜MD-MYP＜MYP，SPI-SA-MYP的抗氧化能力最高。由于微胶囊的溶解度增强，MYP中酚羟基的可用性得到改善，微胶囊将作为电子供体（捕获自由基）增强芯材的抗氧化活性，另外一种原因可能是壁材中不饱和双键结构对芯材的保护作用。

如图6c所示，未经包埋的MYP组以及不同壁材微胶囊的FRAP与MYP剂量呈正相关，表明MYP的FRAP在包封后得以保留。当MYP质量浓度为256 μg/mL时，各组的IC50从小到大分别为HP-SA-MYP＜PPI-SA-MYP＜SPISA-MYP＜MD-MYP＜VC＜MYP。微胶囊比游离的MYP具有更强的体外抗氧化能力。这一结果可能与蛋白-多糖壁材本身也具有抗氧化活性有关，表明微胶囊对MYP的封装有效。

5 体外模拟消化分析结果

微胶囊的形态、粒径分布和包封效率均影响胃肠道MYP的释放。图7a显示了MYP从不同基质中释放的曲线。在胃消化过程中MYP释放缓慢，MYP、MD-MYP、PPI-SA-MYP、HP-SA-MYP和SPI-SA-MYP的平均释放率分别为1.3%、4.64%、2.34%、5.08%和3.53%，在胃消化过程中释放缓慢可能是由于胃蛋白酶和胃酸只水解了部分壁材，这与Su Ya等关于莲籽蛋白基质的研究结果一致。相比之下，SIF中MYP的释放速率远快于SGF，这可能是由于随着pH值的增加，蛋白质中的羧酸基团开始电离，静电排斥力增加，导致聚合物结构松动。此外，pH值和离子强度的变化改变了颗粒之间的静电相互作用，也影响其稳定性。在肠消化过程中，MYP、MD-MYP、PPI-SA-MYP、HP-SA-MYP和SPI-SA-MYP组的MYP释放率分别增加至3.13%、11.91%、5.65%、18.25%和11.56%。核心材料的释放受到各种因素的影响，包括温度、pH值、机械破坏和扩散。因此，即使在稳定的环境（pH 7.4）中，由于物理振荡和酶消化的影响，MYP的保留率也逐渐降低。综上，微胶囊在人体胃液中具有较好的稳定性，可较好地保护MYP，同时也具有很好的肠道靶向释放性，在肠液中可靶向释放MYP，进而使其在肠道中得到吸收利用并发挥生理作用。

如图7b所示，与MYP组（9.65%）相比，微囊化处理使MYP的生物可及性显著增加，MD-MYP、PPI-SAMYP、HP-SA-MYP、SPI-SA-MYP的生物可及性分别为37.87%、20.59%、48.87%、37.28%。结果表明，MD、PPI-SA、HP-SA和SPI-SA可以作为疏水性营养素的载体，增强其体外释放的效果。

6 微胶囊对ARPE-19细胞活力的影响

如图8所示，MYP质量浓度在375～1 500 μg/mL范围内变化时，MYP、MD-MYP和PPI-SA-MYP组的细胞存活率分别从97.65%、99.75%和95.98%降低至91.82%、93.19%和89.84%，证明其对ARPE-19细胞无明显的细胞毒性，具有良好的生物安全性；而HP-SA-MYP和SPISA-MYP组的细胞存活率分别从99.50%和99.38%降低至96.19%和90.91%，当MYP质量浓度为1 312.5、1 500 μg/mL时，HP-SA-MYP和SPI-SA-MYP组的细胞存活率分别降至54.93%、22.10%和20.57%和21.56%。因此，在后续实验中选择1 125 μg/mL作为MYP的质量浓度。

7 微胶囊对ARPE-19细胞氧化损伤的保护作用

在视网膜疾病进展过程中，细胞氧化应激和氧张力（缺氧）的靶标记分子上调较高是视网膜血管生成的主要原因。氧化应激导致的视网膜血管生成以及内源性、外源性因素导致的缺氧会破坏视网膜的正常细胞功能。因此，ARPE-19细胞中氧化应激和缺氧被认为是视网膜疾病进展的主要病理生理机制 。H 2 O 2 是引起脂质过氧化的主要原因之一，可诱导细胞凋亡。如图9a所示，H 2 O 2 对ARPE-19细胞的细胞毒性呈作用时间和浓度依赖性，特别是当H 2 O 2 浓度为1 000 μmol/L条件下共培养3 h后细胞存活率降至53.12%，表明此H 2 O 2 浓度对ARPE-19细胞有较强毒性。因此，以1 000 μmol/L H 2 O 2 培养3 h为条件建立ARPE-19细胞氧化损伤模型，进行后续实验。

如图9b所示，MYP和微胶囊均能有效抑制H2O2对ARPE-19细胞的氧化损伤作用，减少细胞死亡。MYP、MD-MYP、PPI-SA-MYP、HP-SA-MYP和SPI-SA-MYP组的细胞存活率从对照组的34.03%分别提高至49.10%、79.77%、51.09%、48.24%和38.65%。其中MD-MYP、PPI-SA-MYP、HP-SA-MYP可显著抑制H2O2对ARPE-19细胞的氧化损伤作用。微胶囊通过囊壁对囊芯物进行包裹，既可以实现有效成分的保护及缓慢释放，又可以降低药物的毒性。

结论

本研究分别以MD及植物蛋白（PPI、HP、SPI）和SA为壁材，用超声法、复凝聚法与冷冻干燥法结合制备MYP微胶囊，探讨了不同壁材对MYP微胶囊特性的影响。PPI-SA-MYP的包埋效果优于其他壁材，不同的壁材显著影响微胶囊的EE和LC。TGA结果表明，微胶囊化可以提高MYP的热稳定性，可以满足一般食品加工的要求。FT-IR结果表明MYP成功地包裹在壁材中，保证了提取物的保护效果。通过SEM观察发现，4 种微胶囊均具有良好的表面形貌。体外抗氧化结果显示，微胶囊化较好地保留了MYP的抗氧化能力，且其抗氧化能力呈浓度依赖性增长。MYP经微胶囊化后可以实现在肠道中靶向释放，提高MYP的释放速率。不同微胶囊的MYP质量浓度在375～1 125 μg/mL范围内对ARPE-19细胞无明显细胞毒性，且有效抑制H2O2对细胞ARPE-19的氧化损伤作用，其中MD-MYP抑制效果最明显。研究结果显示，微胶囊依据壁材的不同所体现的活性有所不同，而PPI-SA因其在EE、LC、粒径、流动性等方面的优势，在食品工业中可能具有更大应用潜力。本研究可为开发MYP微胶囊作为功能性食品提供更多的数据基础。今后应进一步开展MYP微胶囊在食品中控释的研究。

作者简介

通信作者

季海霞，讲师，博士， 研究方向为中药药效物质挖掘和中药活性成分药理靶点钩钓等方面。

第一作者

高莉，副教授，博士，研究方向为天然产物的提纯及其在食品、医药领域中的应用、分子生物学与生物材料、纳米生物效应与安全性。

本文《 植物蛋白基玉米黄色素微胶囊的制备及性能评价 》来源于 《食品科学》2025年46卷第 5 期 65 - 74 页，作者： 高 莉，杨俊燕，赵英虎，季海霞*，陈佳慧，郝 媛，石 英，郝 瑞 。 DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20240424-223。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑；云南师范大学生命科学学院 母朵银；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

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