《食品科学》：重庆中医药学院吴振研究员等：温度和pH值对荷载β-胡萝卜素的OSβG胶束结构稳定性、抗氧化活性及生物可及性的影响

β-胡萝卜素是一种广泛存在于各种果蔬中的天然色素，在维持及预防机体健康中均起着重要的生理作用。但β-胡萝卜素对氧、热、光敏感，导致其在食品加工、储存和运输中容易降解；更为重要的是，β-胡萝卜素难溶于水，导致其肠道吸收率和生物利用度低，限制了其营养和功能发挥。因此，提高β-胡萝卜素的溶解性和稳定性至关重要。

通常，可采用多层纳米粒、自聚集胶束、聚合物囊泡、乳液等载体封装β-胡萝卜素。与蛋白质和脂质封装载体相比，疏水改性多糖形成的核壳结构胶束在水溶液中具有良好的分散性和稳定性，能够同时增溶、保护、稳定、靶向递送和控释脂溶性功效成分，改善其分散性、稳定性及生物利用度，使其在健康食品中发挥更大作用。在众多的疏水改性多糖中，辛烯基琥珀酸改性多糖具有安全性高、制备成本低、容易合成制备等优点，被广泛用于食源脂溶性成分的增溶及控释。研究发现，辛烯基琥珀酸β-葡聚糖酯（OSβG）胶束具有潜在的结构及应用优势：首先，OSβG分子可抵抗胃液和小肠液的消化，其β-葡聚糖链可被结肠微生物发酵，产生潜在的有益作用；其次，其具有较广的温度（293～370 K）和pH值（2.5～12.5）稳定性；第三，其疏水内核可保护脂溶性成分免受外界干扰，亲水性外壳可促进它们的分散和稳定。载于OSβG胶束中的β-胡萝卜素在胃液中释放量较低、多数在肠液中释放，这有利于β-胡萝卜素在小肠中的吸收，防止其在口服过程中被破坏。因此，OSβG胶束在增溶、递送及控释食品脂溶性功效成分方面具有巨大潜力。

前期研究发现，随着温度和pH值升高，OSβG胶束对β-胡萝卜素的增溶量（即1 mL胶束水溶液荷载β-胡萝卜素的质量）呈抛物线变化，这与温度和pH值对荷载β-胡萝卜素-OSβG胶束（简称荷载胶束）的表面亲水性、内核疏水性和粒径的影响密切相关，但各荷载条件下形成的荷载胶束在实际应用中的热稳定性、贮藏稳定性及其生物活性仍不清楚。因此，重庆市食品药品检验检测研究院的李 红、白亚敏，重庆中医药学院的吴振*等人通过差示扫描量热分析、热重分析（TGA）和微商热重（DTG）分析温度和pH值对荷载胶束热稳定性的影响，通过10 h紫外线照射和30 d常温避光贮藏评价温度和pH值对荷载胶束贮藏稳定性的影响，进一步研究温度和pH值对其抗氧化活性和生物可及性的影响规律，旨在为荷载胶束在功能食品中的应用奠定基础。

1 温度和pH值对荷载胶束热稳定性的影响

差示扫描量热及DTG常用于分析多糖类递送载体材料的稳定性，能够揭示逐步升温过程中热降解行为规律，为深入理解热稳定性特征提供了强有力的数据支持。温度和pH值对荷载胶束差示扫描量热图谱的影响见图1。纯β-胡萝卜素物质显示了一个尖锐的吸热峰，位于178.3 ℃，未荷载OSβG胶束显示了一个较宽的吸热峰；随着温度从298 K升高到313 K、pH值从4.5增至7.5，荷载胶束吸热峰逐渐向高温方向偏移，说明荷载胶束热稳定性呈现增加趋势。但当温度提高到318 K，荷载胶束吸热峰并未进一步增加，这可能是因为较高荷载温度对稳定荷载胶束结构的氢键具有破坏作用，导致较高温度下荷载胶束热稳定性降低。当pH 8.5时，β-胡萝卜素-OSβG胶束的吸热峰温度略有回落，说明其热稳定性有一定程度的降低，这可能与pH值对其粒径分布、结构紧凑性及表面电荷的影响有关。

温度和pH值对荷载胶束热解特性的影响见图2A，其对应一阶导数DTG曲线见图2B。纯β-胡萝卜素在100 ℃范围内，质量损失率仅为1.6%左右，主要归功于其吸附的少量水分；其后开始逐渐氧化降解，其热降解峰值温度位于198 ℃和393 ℃左右。随着温度从298 K升高到313 K，荷载胶束热降解峰值温度（Td）逐渐增加（303→309 ℃），说明热稳定性得到改善；但当温度升高到318 K时，热降解峰值温度却略有降低，即荷载胶束的热降解峰值温度随温度增加呈现“抛物线”形变化。主要原因可能在于：1）通常荷载胶束紧凑结构有利于其稳定性，但是也受到β-胡萝卜素增溶量的影响；前期研究发现，当荷载温度从298 K升至308 K时，β-胡萝卜素增溶量从6.9 μg/mL增至10.5 μg/mL，随着温度继续升高，其降至7.2 μg/mL；说明318 K时，增溶量降低制约了荷载体系结构紧凑性及其热稳定性的提高；2）前期研究发现氢键在维持胶束结构中起着重要作用，但升温不利于维持系统中氢键稳定性。

前期研究发现，随着pH值从4.5增至7.5，β-胡萝卜素增溶量从7 μg/mL增至11.4 μg/mL，随着pH值继续增加，其降至6.6 μg/mL。随着pH值从4.5增加到7.5，荷载胶束热分解的峰值温度从263 ℃增至307 ℃，这主要归因于β-胡萝卜素增溶量的增加，使更多的β-胡萝卜素进入胶束内部，提高了其热稳定性；虽然在该过程中，静电斥力逐渐增强，荷载胶束逐渐溶胀，其紧凑性逐渐降低，但具有疏水性的β-胡萝卜素分子与OSβG分子的辛烯基侧链之间存在较强的疏水作用力对其稳定性的提高发挥了主要作用。但当pH值增至8.5时，荷载胶束辛烯基侧链上的羧基发生了脱质子化，导致荷载胶束体系的静电作用力增强、荷载胶束发生了结构重排，使得β-胡萝卜素增溶量降低，最终导致荷载胶束热稳定性降低。因此，荷载胶束的热降解峰值温度随pH值增加呈现“抛物线”形变化。

综上，荷载胶束的热稳定性与β-胡萝卜素增溶量、胶束的粒径和结构紧凑性、体系内分子间作用力强度等因素均有关。通常，增加增溶量能促进其热稳定性提高，但受到其粒径的制约；增加核壳紧凑性能增加其穿透亲水外壳的阻力，有利于阻止促氧化因子和自由基扩散和浸入胶束疏水核，但受到其分子间作用力的制约。

2温度和pH值对荷载胶束贮藏稳定性的影响

2.1 温度和pH值对荷载胶束在紫外线照射过程中β-胡萝卜素保留率的影响

通常，β-胡萝卜素对光线，特别是对紫外线照射非常敏感，常需避光以保持化学稳定性。不同温度和pH值条件下制备的荷载胶束在紫外线照射过程中β-胡萝卜素降解曲线见图3。纯β-胡萝卜素在紫外线照射过程中快速降解，经过10 h照射后，保留率仅为3.0%。相比之下，封装在OSβG胶束中β-胡萝卜素在照射过程中其含量逐渐下降，而后趋于平稳；且荷载胶束中β-胡萝卜素降解均未出现“迅速下降”区段，说明β-胡萝卜素均匀分散于OSβG胶束疏水核区中，而不是吸附或分散在其表面。随着温度从298 K增至318 K、pH值从4.5增至8.5，经过紫外线照射处理10 h后的β-胡萝卜素保留率均呈现“抛物线”形变化趋势，313 K、pH 7.5时制备的荷载胶束中β-胡萝卜素保留率最大。结果表明各温度和pH值条件下OSβG胶束均能够保护β-胡萝卜素分子，提高其对紫外线照射的耐受力，这主要是因为OSβG分子在水相溶液中能够自发形成保护β-胡萝卜素分子的核壳结构；但这种保护能力受到温度和pH值对OSβG胶束的粒径、表面电荷及其结构紧凑性影响程度的制约。

β-胡萝卜素降解动力学模型对于预测其在加工和贮藏过程中的损失至关重要。采用一级动力学和Weibull模型对荷载胶束在紫外线照射过程中β-胡萝卜素降解数据进行拟合，结果见图3和表1。随着温度从298 K增至318 K、pH值从4.5增至8.5，β-胡萝卜素降解速率常数k和kW均呈现“U”形变化趋势。任一条件下Weibull模型的R2adj均大于一级动力学模型的R2adj，且Weibull模型的RMSE均小于一级动力学模型的RMSE。所以，各条件下β-胡萝卜素降解更符合Weibull模型。尽管如此，一级动力学模型也获得了较好的拟合效果，从一级动力学模型的k值可计算出荷载胶束中β-胡萝卜素在紫外线照射过程中降解的半衰期，能够较好地预测β-胡萝卜素在紫外线照射过程中的降解趋势。此外，Weibull模型的形状参数b值常用于描述脂溶性化合物在整个降解过程中的降解行为，通常b值小于1说明降解速率随着时间延长而降低，其拟合曲线形成具有平台形的“尾”区域；而b值大于1说明降解速率随着时间延长而增加，其拟合曲线形成具有平台形的“肩部”区域。仅纯β-胡萝卜素对照品在紫外线照射过程中降解的Weibull模型拟合曲线的b值大于1，说明其在紫外线照射过程中降解呈现递增趋势；相比之下，不同温度和pH值条件下制备的荷载胶束在紫外线照射过程中β-胡萝卜素降解均为递减趋势，说明β-胡萝卜素降解行为主要发生在贮藏的初始阶段，充分说明在贮藏过程中OSβG胶束能够有效阻止各促氧化因子侵蚀，能够维持长效的保护作用。

2.2 温度和pH值对荷载胶束在30 d常温避光贮藏过程中β-胡萝卜素保留率的影响

30 d常温避光贮藏过程中β-胡萝卜素降解曲线见图4。随着贮藏时间延长，各温度和pH值条件下制备的荷载胶束中β-胡萝卜素含量均逐渐降低，但其降低程度具有温度和pH值依赖性。随着温度从298 K增至318 K、pH值从4.5增至8.5，β-胡萝卜素保留率呈现先逐渐增加再降低的趋势，313 K、pH 7.5时制备的荷载胶束中β-胡萝卜素保留率最大、稳定性最佳。

荷载胶束在常温贮藏过程中β-胡萝卜素降解数据拟合结果见图4和表2。随着温度和pH值逐渐增加时，β-胡萝卜素降解速率常数k和kW均呈现“U”形变化趋势。Weibull模型的R2adj均大于一级动力学模型的R2adj，且Weibull模型的RMSE均小于一级动力学模型的RMSE。所以，降解数据变化趋势更符合Weibull模型。各条件下Weibull模型b值均小于1，说明β-胡萝卜素降解速率随着贮藏时间延长而降低。以上结果均表明OSβG胶束能够明显保护β-胡萝卜素，减缓其氧化降解，这种减缓程度与温度和pH值对荷载胶束结构的调控有关。随着pH值增加，OSβG分子中辛烯基琥珀酸链逐渐发生脱质子化反应，荷载体系中静电斥力逐渐增加，荷载胶束先逐渐溶胀，再裂解重排；在这个过程中荷载β-胡萝卜素的OSβG胶束降解速率kW先逐渐降低再增加。前期研究发现，随着温度和pH值增加，荷载胶束粒径分别呈现递增和抛物线形变化；当pH值从4.5增至7.5，载载体系中静电斥力逐渐增强，但β-胡萝卜素分子与辛烯基琥珀酸链之间的疏水作用力也逐渐增强，这是pH 7.5时稳定性最强的主要原因。

需要强调的是，β-胡萝卜素降解是一个典型自动催化的自由基反应过程，存在3个反应阶段——自由基积累的诱导期、快速降解的主阶段和后续的延迟阶段。因此，30 d低温和/或无光照条件可能不足以加速其自由基的形成，从而诱导β-胡萝卜素的氧化过程，后续需要进一步深入研究荷载胶束在光照和高温贮藏条件下β-胡萝卜素降解行为。

3温度和pH值对荷载胶束抗氧化活性的影响

测定发现，OSβG胶束本身的抗氧化活性较低，在该实验测定条件下其清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的IC50值分别为6.2、5.4 mg/mL。温度和pH值对荷载β-胡萝卜素OSβG胶束清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的IC50的影响见图5，结果发现，随着温度和pH值增加，荷载胶束清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的IC50均呈现“U”形变化趋势，本质在于胶束结构稳定性与控释特性的动态平衡，温度与pH值通过影响OSβG胶束的分子间作用力及相行为，调控β-胡萝卜素的微环境与扩散路径。适宜温度和pH值时，胶束疏水核结构紧凑，OSβG外相有效隔绝热、自由基、溶解氧等氧化应激因子，导致IC50最低。

需要说明的是，纯β-胡萝卜素的抗氧化活性较强，其IC50较低；荷载胶束清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的IC50值均显著高于纯β-胡萝卜素的IC50值，主要原因在于荷载胶束中的β-胡萝卜素增溶量较低；但荷载胶束清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的IC50值均显著低于未荷载OSβG胶束的IC50值，说明荷载后二者还具有协同增效作用。通常，游离态β-胡萝卜素因易被氧化，导致其在实际应用过程中活性下降，胶束封装通过物理屏障作用与控释机制，既保护其稳定性，又优化释放效率，显著改进抗氧化应用性能。该结果为通过制备参数调控功能食品活性成分的生物利用度提供了参考。

4温度和pH值对荷载胶束中β-胡萝卜素生物可及性的影响

β-胡萝卜素在递送载体中的生物可及性可能受到多种因素的影响，如胶束在消化过程中的结构致密性及其被破坏程度、胶束疏水核内β-胡萝卜素的扩散及其随后向消化基质的迁移/运输等，这些均受制备荷载胶束的温度和pH值条件的制约。如图6所示，温度和pH值对荷载胶束中β-胡萝卜素生物可及性影响显著，随着温度和pH值增加，生物可及性均呈现抛物线形变化趋势。荷载温度和pH值分别为313 K、7.5时，胶束疏水核致密性较高、结构稳定，胃环境对其破坏较小，结肠靶向性更好，生物可及性达峰值。因此，通过优化制备条件，可调控胶束结构致密性与释放速率的平衡，实现β-胡萝卜素生物可及性的定向提升。

5 结 论

通过差示扫描量热和TGA/DTG分析发现，荷载胶束的降解峰值温度与温度和pH值等环境因子密切相关，当温度从298 K增至313 K、pH值从4.5增至7.5时，其热稳定性呈现增加趋势；但当温度和pH值分别增加到318 K、8.5时，其热稳定性略有降低。贮藏实验揭示了温度和pH值对荷载胶束中β-胡萝卜素降解的影响，结果发现OSβG胶束能够增强β-胡萝卜素对紫外线照射的耐受能力，且能提高其常温贮藏稳定性；通过一级动力学和Weibull模型拟合发现，各温度和pH值制备条件下荷载胶束中β-胡萝卜素降解更符合Weibull模型，Weibull模型的降解速率随温度和pH值变化均呈现“U”形。随着温度和pH值提高，荷载胶束清除DPPH自由基和ABTS阳离子自由基的IC50值呈现“U”形趋势，生物可及性呈现抛物线形趋势，抗氧化活性与生物可及性变化趋势均与荷载胶束的结构稳定性及紧凑性一致。温度和pH值对荷载胶束稳定性及活性的影响可能与其对体系中分子间作用力影响强度有关，温度313 K、pH 7.5时形成的荷载β-胡萝卜素的OSβG胶束结构更加紧凑，其稳定性更高。后续需要进一步研究荷载胶束在光照结合高温条件下结构特性及降解行为，为其在食品中的应用铺平道路。

作者简介

通信作者

吴振（1985—），男，博士，研究员。主要从事多糖和酚类物质互作的化学机制及营养研究、药食同源功能成分对健康干预作用及机制研究、药食同源中药资源与开发。主持省部级及以上科研项目9 项（其中重点项目2 项），主持重庆市教委重点项目1 项，主研参与国家重点研发计划子课题、省部级科研项目近20 项。在Trends Food Sci Tech、Carbohydr Polym、Food Hydrocolloids、J Agric Food Chem、Food Res Int、食品科学、中草药、食品工业科技等国内外学术期刊上发表论文70余篇（其中SCI/EI收录30余篇），获得国家发明专利授权20余项，获得重庆市科技进步二等奖1 项。

第一作者

李红（1985—），女，硕士，高级工程师。主要研究方向为保健食品理化及功能评价、食品质量与安全、食品分析。

引文格式：

李红, 白亚敏, 李增霞, 等. 温度和pH值对荷载β-胡萝卜素的OSβG胶束结构稳定性、抗氧化活性及生物可及性的影响[J]. 食品科学, 2026, 47(3): 92-100. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250905-033.

LI Hong, BAI Yamin , LI Zengxia, et al. Effects of temperature and pH on the structural stability, antioxidant activity and bioaccessibility of β-carotene-loaded octenylsuccinated β-glucan micelles[J]. Food Science, 2026, 47(3): 92-100. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250905-033.

实习编辑：杨琼；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

为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、皖西学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。

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