蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液及其在食品领域研究进展

高俊炉1,韩雪儿1,虎梦吉1,陈海1,2*,张宇昊1,2*

(1.西南大学 食品科学学院,重庆 400715;2.川渝共建特色食品重庆市重点实验室,重庆 400715)

摘 要:Pickering 乳液是一种由固体颗粒稳定的乳液,因其良好的稳定性和生物相容性,受到了越来越多学者的关注。作为稳定Pickering 乳液的众多固体颗粒之一,蛋白质纳米笼因其独特的笼形空腔结构、良好的结构稳定性、均一的纳米尺度以及可逆自组装特性,在功能性Pickering 乳液领域展现出巨大的应用潜力。该文从稳定Pickering 乳液的固体颗粒类型、蛋白质纳米笼种类、蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液及其应用等方面进行阐述,总结不同类型蛋白质纳米笼的结构特点,介绍蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液的研究进展。基于蛋白质纳米笼的天然笼形结构优势和分子自组装特性,综述蛋白质纳米笼在多腔室乳液递送体系构建及营养成分封装递送等方面的最新研究进展。

关键词:蛋白质纳米笼;Pickering 乳液;多腔室;封装;递送

乳液是典型的热力学不稳定系统,由2 种不混溶的液体组成。其中一种液体以微米或亚微米大小的液滴形式分散到另一种液体中,2 种液体之间的液-液界面通常由具有两亲性的表面活性剂稳定[1]。然而在实际生产应用过程中,表面活性剂稳定的乳液乳化状态不佳,乳化后的液滴尺寸较大,稳定性较差[2]。Pickering乳液中的液-液界面通常由固体颗粒稳定,与传统表面活性剂稳定的乳液相比,固体颗粒稳定的Pickering乳液具有良好的稳定性、低毒性以及优异的生物相容性,在食品营养、生物医药、化妆品、材料等领域均有广泛的应用[3-4]

蛋白质纳米笼是由蛋白质亚基自组装形成的中空笼状纳米结构[5]。随着蛋白质纳米颗粒在乳液领域的应用,笼形蛋白质因其优良的生物降解性、结构稳定性以及易于修饰的表面和天然的纳米空腔结构引起了研究者的广泛关注[6]。蛋白质纳米笼的空腔为输送各类生物活性化合物提供了渠道,其高强度的外壳用于保护活性化合物免受光、热、酸、碱等环境的破坏。此外,由多亚基自组装的蛋白质纳米笼甚至具有可逆的拆卸和重组特性,该特性为分子封装提供了有效的途径[7]。基于蛋白质纳米笼的优点,由蛋白质纳米笼稳定的Pickering 乳液在食品、生物医学领域具有一定的开发潜力以及广阔的应用前景。

本文从稳定Pickering 乳液的固体颗粒种类、蛋白质纳米笼种类、蛋白质纳米笼稳定后Pickering 乳液的理化特性等方面进行介绍,通过相关研究分析蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液的优缺点,总结蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液在食品领域的应用,旨在为后续蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液的机制探究及其在食品领域的深化应用提供参考。

1 Pickering 乳液

Pickering 乳液是由固体颗粒稳定的2 种不混溶液体的混合物。Pickering 乳液之所以稳定,是因为油水界面上的固体颗粒堆积形成了密集的填充层,且油滴被周围的固体颗粒高密度覆盖,在空间上阻碍了油滴的聚结,防止分层[8]

近年来,随着Pickering 乳液研究的深入,越来越多的固体纳米颗粒已被应用于稳定Pickering 乳液,其中包括无机固体纳米颗粒和有机固体纳米颗粒。Wang等[9]利用无机固体纳米颗粒中的SiO2 和TiC 稳定Pickering 乳液用于制备微囊化相变材料;Tian 等[10]将ZnO作为固体颗粒稳定Pickering 乳液制备抗菌生物基聚合物材料。无机固体纳米颗粒作为有效的Pickering 乳液稳定剂具备一定的抗菌能力,然而由于安全性问题,其并未在食品领域得到广泛应用。目前已报道的用于稳定Pickering 乳液的有机纳米颗粒包括多糖纳米颗粒、蛋白质纳米颗粒等。常见的多糖纳米颗粒包括淀粉[8,11]、壳聚糖[12-13]、纤维素[14-15]等。淀粉由于其优良的生物降解性以及低成本、易于生产等优点被广泛用作稳定剂以制备Pickering 乳液。然而,天然的淀粉颗粒疏水性较差,在乳化过程中不易吸附在油水界面[16],故应用受限;壳聚糖是一种线性多糖,其作为各种海洋无脊椎动物外骨骼的主要结构成分[17],具有良好的乳化能力和稳定性,在制备Pickering 乳液过程中应用较为广泛;天然纤维素是一种亲水性多糖,缺乏良好的乳化能力[18]

目前,常见的蛋白质纳米颗粒包括植物来源的玉米醇溶蛋白[19]、大豆分离蛋白[20]、动物来源的明胶[21]、乳清蛋白[22]等。玉米醇溶蛋白颗粒的高疏水性质可以在一定程度上稳定油包水(water-in-oil,W/O)乳液;大豆分离蛋白是大豆中主要存在的蛋白,大量研究表明,大豆分离蛋白是优良的乳液稳定材料,大豆颗粒的两亲性可有效稳定水包油(oil-in-water,O/W)乳液,使其扩散并吸附在油滴界面[23];明胶是胶原蛋白在酸、碱、酶、高温等不同环境条件下的变性产物。胶原蛋白通常存在于动物产品及其副产品中,因其良好的胶凝性能,理论上适合于制备稳定Pickering 乳液的固体颗粒。然而,由于明胶具有较强的亲水性和热溶解性,在实际生产中难以得到可以稳定Pickering 乳液的明胶纳米颗粒[24];源自牛奶的乳清蛋白分离物(whey protein isolate,WPI)具有优异的乳化性、起泡性和高生物利用度。目前WPI 在稳定Pickering 乳液方面的应用研究分为两类:一是将WPI 制备成乳清蛋白微凝胶(whey protein microgel,WPM),并研究其在Pickering 乳液方面的稳定性及刚性,有研究表明,由WPM 稳定的Pickering 乳液均展现出延缓脂质消化的特性,在减少人体热量摄入方面具有较高的潜力,且相比于高浓度的WPM,低浓度的WPM 具有较佳的界面特性,由低浓度WPM 稳定的Pickering 乳液体现出更优的稳定性[22];二是将乳清蛋白与分子/离子交联形成复合颗粒用于Pickering 乳液的稳定探究,Yi 等[25]将Ca2+与WPI交联制备出球形WPI 纳米颗粒用于高内相乳液的稳定以及β-胡萝卜素的递送,研究显示,利用Ca2+诱导的WPI 纳米颗粒能够成功制备出具有高稳定性的高内相乳液,且该乳液显著提高了β-胡萝卜素的化学稳定性及生物利用率。综上,蛋白质纳米颗粒在提高乳液稳定性、提高生物活性成分利用率等方面具有一定的潜力。

2 蛋白质纳米笼

2.1 蛋白质纳米笼的结构及性质

蛋白质纳米笼是一类具有中空内部和多孔壁的新型蛋白质基纳米结构,通常由多个蛋白质亚基组成,这些亚基自组装形成尺寸为12~100 nm 的中空笼状结构[26]。蛋白质纳米笼的结构具有3 个不同的表面:外表面、内表面以及亚基之间的界面。外表面可以引入特定的基团或配体以赋予蛋白质纳米笼所需的性质,例如使食品功能活性分子或者药物能够精确到达至对应位置的靶向功能等;内表面环绕着内腔,形成了一个密封室,通常用于限制所封装的分子,并与外部环境物理隔离;亚基之间的界面在蛋白质纳米笼的组装中起着重要作用。相邻亚基之间的排列和界面中涉及的相互作用直接影响到最终纳米笼结构的形态和稳定性[27]

蛋白质纳米笼具有许多优点[7]:(1)具有可用于小分子负载的固有内腔,蛋白质壳充当界面膜,将生物活性化合物与外部环境分离,有效防止生物活性化合物受到环境中光、热、pH 值等的影响;(2)尺寸较小的载体有利于递送目标化合物,大多数笼状蛋白的大小为5~100 nm,这为生物活性物质的有效运送提供了结构基础;(3)与其他物质相比,蛋白质纳米笼颗粒表现出较为均匀的尺寸分布,可以通过基因工程的方式进行高效的生产和改性;(4) 蛋白质纳米笼具有良好的分散性、结构稳定性、生物相容性以及生物可降解性,在生物医学、食品领域得到了广泛的应用。目前,许多生物活性分子如原花青素[28]、姜黄素[29]等已被成功封装于各种蛋白质纳米笼中,用于改善生物活性分子的性能,提高其稳定性。综上,蛋白质纳米笼在食品营养物质的递送中发挥了重要的作用。

2.2 蛋白质纳米笼的种类

蛋白质纳米笼分为人工设计蛋白质纳米笼和天然蛋白质纳米笼。人工设计蛋白质纳米笼的方法主要包括对天然蛋白质纳米笼的重新设计以及自下而上人工组装蛋白质纳米笼。天然蛋白质纳米笼的重新设计主要通过对蛋白质界面-界面之间的关键氨基酸进行修饰和替换,从而改变蛋白质亚基的相互作用,实现蛋白质结构的调控。自下而上组装蛋白质纳米笼的构建策略通常为选择合适的蛋白质结构基元,利用计算机辅助设计、蛋白质融合等策略,使蛋白质结构基元按照某种对称性自下而上组装,构建蛋白质纳米笼。目前,由于蛋白质纳米笼的分子组装受多界面相互作用和结构对称性等复杂因素的影响,通过自下而上的策略构建蛋白质纳米笼仍然面临巨大挑战。

天然蛋白质纳米笼源自于各类天然动植物产品,蛋白质纳米笼内腔装载物质的功能引起了学者们对于纳米笼封装的兴趣。目前研究较为广泛的蛋白质纳米笼包括热休克蛋白(heat shock proteins,HSPs)、丙酮酸脱氢酶、DNA 结合蛋白(DNA -binding proteins,Dps)、包膜蛋白、铁蛋白等,以上蛋白均在食品营养包埋及递送等方面展现出较大潜力。表1 总结了蛋白质纳米笼的特性。

表1 蛋白质纳米笼特性总结
Table 1 Summary of protein nanocage properties

蛋白质纳米笼名称 内径/nm 外径/nm 对称性 组装形式 生物学功能 参考文献热休克蛋白(HSP16.5) 9 12 八面体 24 个亚基 调控细胞正确表达;赋予细胞耐热性 [30]二氢硫辛酰基乙酰基转基酶(dihydrolipoyl transacetylase,E2)18 24 十二面体 60 个亚基 丙酮酸脱氢酶的亚单位 [31]DNA 结合蛋白(Dps) 5 9 四面体 12 个亚基 铁储存单位;保护细胞免受氧化应激 [7,32]包膜 海栖热袍菌蛋白(Thermotoga maritima) 22 24 二十面体 60 个单体 控制新陈代谢;铁储存单位 [33]蛋白 黄嘌呤黏球菌蛋白(Myxococcus xanthus) 30 32 二十面体180 个单体耐热类芽孢杆菌(Quasibacillus thermotolerans) 40 42 二十面体240 个单体铁蛋白 8 12 八面体 24 个亚基 铁储存单位 [34]

2.2.1 热休克蛋白纳米笼

热休克蛋白(HSPs)是一类主要存在于细菌、植物和动物细胞中的蛋白质,部分来源于食物。HSPs 通过调节蛋白质的折叠结构,能够在环境和细胞压力下进行表达,其具有10~110 kDa 的广泛分子量,并可根据其分子量分为不同的组,包括小热休克蛋白、HSP60、HSP70、HSP90 和HSP110[35]

HSPs 可作为蛋白质纳米笼载体应用于生物医学领域。siRNA 是一类能有效抑制人体肿瘤细胞增殖的RNA,如何将siRNA 有效地定向传递到肿瘤细胞用于抑制其增殖是一个巨大的挑战。在各种纳米载体中,蛋白质纳米笼因其独特的结构和性质引起了广泛关注。目前大多数报道的用于传递siRNA 的蛋白质纳米笼是基于病毒衣壳蛋白设计而成,长期使用可能会引起人体细胞的突变并致癌。Guan 等[30]基于基因工程方法开发了一种由小热休克蛋白(HSP16.5)纳米笼构成的新型siRNA 递送系统,HSPs 纳米笼可以将siRNA浓缩成稳定的复合物,保护其免受人体降解,并通过HSPs 纳米笼的运输,将siRNA 精准递送到人体肿瘤细胞中发挥作用。

2.2.2 丙酮酸脱氢酶纳米笼

丙酮酸脱氢酶是一种大型多酶复合物,在糖酵解代谢途径中,丙酮酸脱氢酶复合物催化丙酮酸氧化脱羧为乙酰辅酶A(acetyl Coenzyme A,CoA),可用于柠檬酸循环。丙酮酸脱氢酶复合物由丙酮酸脱羧酶(pyruvate decarboxylase,E1)、二氢硫辛酰基乙酰基转基酶(dihydrolipoyl acyltransferase,E2)和二氢硫辛酰胺脱氢酶(dihydrolipoamide dehydrogenase,E3)组成。其中E2 亚基的结构作为丙酮酸脱氢酶复合物的核心与E1 和E3 的外周亚基非共价结合[7]。E2 蛋白组分自组装产生具有二十面体对称性的同质60 亚基十二面体纳米笼结构,E2 支架的外径和内径分别为24 m 和18 nm,具有12 个5 nm 的孔[31]

2.2.3 DNA 结合蛋白质纳米笼(Dps)

Dps 来自于微生物,可用于保护细胞免受氧化应激作用[7]。Dps 是一种铁储存蛋白,属于铁蛋白家族。Dps 蛋白结构由12 个相同的亚基组成,这些亚基通过23 点对称的方式自组装形成笼状结构蛋白质。Dps 具有铁氧化酶活性,其内腔可以积聚氧化铁,将环境中有毒的亚铁离子转化为无害的铁纳米粒子。与真核铁蛋白相比,Dps 与Fe2+的结合亲和力高200~2 500 倍[36]

Dps 能够穿过肾小球滤过屏障并进入肾近端小管,将肾脏端的毒性物质封装,具有一定治疗肾脏类疾病的潜力[32]。Dps 内腔可用于装载如具有过氧化物酶样活性的细胞色素C 等活性物质,以增强其抗氧化催化活性,使其具有作为纳米催化反应器的潜力[37]

2.2.4 包膜蛋白纳米笼

包膜蛋白属于囊蛋白家族,是由单个原聚体重复自组装成二十面体壳状结构而形成的纳米隔室,其具有天然的内腔可用于封装各类分子。原聚体结构的决定性基因与HK97 噬菌体中主要衣壳蛋白的GP5 基因同源,原聚体的结构中有3 个保守结构域,第一个是包含几个α-螺旋和β-褶皱片的外围域,第二个是包含几个α-螺旋和β-褶皱片并形成5 倍对称轴的轴向域,第三个是细长环。原聚体的结构对于包膜蛋白的组装十分重要,并且决定了整个复合体的对称性[38]。包膜蛋白可细分为3 种结构,一是在海栖热袍菌(Thermotoga maritima,T.maritima)中发现的最小类型包膜蛋白,由60 个相同的单体(约31 kDa)组成,这些单体形成23~24 nm 宽的笼状结构,具有22 nm 内径的空腔;二是在黄嘌呤黏球菌(Myxococcus xanthus,M.xanthus)中发现的由180 份相同的原聚体组成的包膜蛋白,原聚体由12 个五聚体和20 个六聚体组成,占据二十面体的顶点和面,形成近似球形的结构;三是来自耐热类芽孢杆菌(Quasibacillus thermotolerans,Q.thermotolerans)最大的包膜蛋白,由240 个相同亚基自组装形成的宽42 nm 的二十面体笼壳[33]

2.2.5 铁蛋白纳米笼

铁蛋白的生物学功能是充当铁储存蛋白,调节人体铁的水平并限制氧化应激作用。铁蛋白由24 个具有八面体对称性的亚基组成,其外径和内径分别为12 nm和8 nm[34]。空的铁蛋白外壳通常被称为脱铁蛋白,由于生物铁储存作用,其适用于诊断成像的造影剂的靶向输送以及各类营养物质的包埋。此外,铁蛋白含有14 个离子交换孔,其中8 个是亲水性三重通道,用于铁离子的进入,6 个是疏水性四重通道。孔隙的多样性有效促进多种治疗分子、营养物质的运输与递送,为铁蛋白纳米笼在生物医学、食品等领域的广泛应用提供了一定的结构基础[31]。铁蛋白纳米笼的结构较为坚固,它们可以承受高达80 ℃的温度10 min,pH 值范围为3.0~10.0,并可暴露于高浓度变性剂中[39]。同时,铁蛋白可以从植物和动物组织中提取,也可以通过高产的工程菌株获得。丰富的铁蛋白纳米笼来源使其在蛋白质纳米笼领域的应用较为广泛。

基于铁蛋白纳米笼优异的稳定性和生物相容性,其在封装生物活性营养素方面得到了广泛的应用。黄芩苷是一类具有优异抗氧化性能和营养价值的活性物质,但其较低的生物利用度和溶解度限制了其在食品营养领域的应用。苜蓿铁蛋白纳米笼是一种新型植物铁蛋白,Sun 等[40]利用铁蛋白纳米笼的特性,将水溶性壳聚糖和黄芩苷纳米颗粒封装于铁蛋白纳米笼模拟胃肠道消化中黄芩苷的释放,结果表明,一个脱铁蛋白笼可以包封52 分子黄芩苷,壳聚糖-铁蛋白-黄芩苷蛋白纳米笼延长了模拟胃肠道消化中黄芩苷的释放时间且包封于铁蛋白的黄芩苷在细胞运输中效率更高,体现了铁蛋白纳米笼在提高不溶性生物活性分子的生物利用度方面具有潜在的应用前景。目前,由于铁蛋白独特的笼形结构和自组装特性,使铁蛋白纳米笼内部空腔可以实现姜黄素、胡萝卜素、花青素等各种脂溶性、水溶性小分子的装载,并有效提高生物活性成分的稳定性和细胞吸收效率。蛋白质纳米笼结构见图1 所示。

图1 蛋白质纳米笼结构图
Fig.1 Structure diagram of protein nanocages

A.热休克蛋白;B.E2 蛋白;C.Dps 蛋白;D.包膜蛋白(从左到右依次为T.maritima、M.xanthus、Q.thermotolerans);E.铁蛋白。

3 蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液

由于蛋白质颗粒在构象中的多功能性,蛋白质长期以来被认为是制备Pickering 乳液的优秀天然原料。蛋白质不仅可以通过在液滴之间形成保护层稳定乳液,还可利用油滴间的排斥和静电相互作用来稳定乳液,其良好的界面特性和乳化活性成为稳定Pickering乳液的优势[41]。蛋白质纳米颗粒稳定Pickering 乳液的能力主要取决于其形状、尺寸、颗粒浓度、表面润湿性等特性。

目前已开发出许多不同形状的蛋白质纳米颗粒用于稳定Pickering 乳液,包括球形纳米颗粒、纳米纤维、纳米管、纳米凝胶、板状纳米颗粒和纳米笼[26]。不同形状的纳米颗粒,具有不同的颗粒密度、解吸能力以及相邻颗粒之间的毛细管力,颗粒形状决定颗粒的润湿性行为及其与相邻颗粒之间的相互作用,在一定程度上影响乳液的稳定性[42]。笼形蛋白质因为其外壳具有较强的酸碱稳定性以及良好的可逆自组装特性,在各类形状的蛋白质纳米颗粒中脱颖而出。

传统乳液中乙醇的加入可以调节乳液的流变特性、口感并提高营养活性成分在乳液中的溶解度,然而乙醇会导致乳液连续相的物理性质如黏度、表面张力、密度等发生一系列的非线性变化,大多数乳液在乙醇的存在下并不稳定[43]。南瓜籽蛋白纳米颗粒是一类从脱脂南瓜籽粉中提取出的蛋白,其作为固体颗粒稳定剂,可以有效提高Pickering 乳液的稳定性与乙醇耐受性。一方面,南瓜籽蛋白纳米颗粒的高度亲脂性及较小的静电排斥更易吸附在油滴表面,增加乳液空间层厚度,提高乳液稳定性;另一方面,乙醇的加入不会改变南瓜籽蛋白纳米颗粒的构象和稳定性,纳米颗粒界面处较高的堆积密度足以使纳米颗粒在分散的液滴周围产生屏障,从而获得对乙醇具有高耐受性的乳液,经南瓜籽蛋白纳米颗粒稳定的Pickering 乳液中乙醇与水的体积比最高可达到9∶1,并在室温条件下稳定60 d 左右[44]

铁蛋白可作为微粒乳化剂与不同油相结合制备稳定的Pickering 乳液,并且随着铁蛋白浓度的增加,液滴的平均直径降低,乳化效果更好。经铁蛋白乳化后的液滴可通过内径小于液滴直径的毛细管,该特性使其在食品营养封装领域应用方面具有一定的潜力[45]。然而乳液在实际封装过程中,共溶剂的加入或乳液液滴向极性相同相转移的过程均会导致乳液的稳定性下降。目前解决该问题的有效方法主要是,开发新型的生物纳米颗粒-聚合物杂化材料用于稳定乳液。在铁蛋白笼表面利用2-二甲基马来酰亚胺-N-乙基丙烯酰胺共聚物[2-(dimethyl maleinimido)-N-ethylacrylamide,DMIAAm] 装饰并通过原子转移自由基聚合,形成对极性-非极性界面具有较高亲和力的铁蛋白-DMIAAm 聚合物,其在低浓度下也能非常有效地稳定乳液,并且Pickering 乳液可通过交联自组装的蛋白质-聚合物材料提高其在封装过程中的稳定性[46]

表面电荷对Pickering 乳液的稳定性至关重要,表面电荷量的降低会导致液滴间的静电排斥力增加,从而引发广泛的絮凝和凝结,降低Pickering 乳液的稳定性。E2 蛋白质纳米笼可通过吸附在两种不混溶液相的界面来稳定Pickering 乳液[47],吸附在界面上的E2 蛋白质纳米笼能有效控制乳液液滴的表面电荷并使其在pH 4.0~8.0、储存温度高达50 ℃时仍表现出优异的稳定性,该理化特性进一步证实了蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液的潜力。

4 蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液在食品领域的应用

铁蛋白是自然界中普遍存在的蛋白质,天然的纳米空腔结构可以储存丰富的铁离子。一般而言,天然全铁蛋白(Holoferritin)中铁含量约为3 000 Fe3+/ferritin。最近,本课题组通过铁离子胁迫大肠杆菌,可以高效地合成Holoferritin,且每分子铁蛋白的铁含量约为2 500 Fe3+/ferritin[48]。基于Holoferritin 丰富的铁离子含量,Holoferritin 已经成为一种潜在的天然补铁制剂。而且,Holoferritin 具有均一的纳米尺度,其蛋白质外壳具有独特的两亲性,作为一种Pickering 纳米颗粒,可用于补铁基功能性乳液的制备[49]。此外,铁蛋白天然的纳米笼形结构,还可以封装其他多种矿物元素。例如,Zhu 等[50]提出了一种基于铁蛋白纳米笼和酪蛋白磷酸肽(casein phosphopeptides,CPP)的新型钙输送策略,利用铁蛋白的笼状构象和CPP 的钙结合能力制备了一种具有pH 响应可逆自组装的铁蛋白-CPP 复合物(ferritin-casein phosphopeptides,FC),通过FC 与钙的进一步结合,制备FC-钙复合材料(ferritin-casein phosphopeptides-calcium,FCC) 用于钙的储存与输送。研究结果表明,钙含量相同时,FCC 的钙装载能力明显高于单独使用的铁蛋白和CPP,且FCC 作为运输载体可以延长磷酸钙的沉淀时间,以更持续的方式释放钙,提高钙的生物利用度。因此,基于铁蛋白纳米笼封装各种矿物元素的能力以及天然的纳米尺度和两亲性的蛋白质外壳,蛋白质纳米笼在矿物元素基功能性乳液构建方面展现出一定的应用前景。

除了作为人体矿物元素补充剂,蛋白质纳米笼还可以作为纳米载体封装和递送生物活性化合物。许多生物活性化合物,对人类健康具有一定益处,同时摄入两种或多种生物活性化合物可以在促进人类健康方面发挥协同作用[51]。在简单Pickering 乳液体系中,亲水性生物活性化合物包封在油包水(W/O) 乳液的水滴中,疏水性生物活性物质则被封装在水包油(O/W)乳液的油滴中。传统的Pickering 乳液无法同时封装两种不同类型(亲水性和疏水性)的生物活性化合物。因此,开发一种新型的可同时封装两种不同类型的生物活性化合物,并发挥其协同作用的双腔室双乳液系统至关重要。将亲水分子封装进蛋白质纳米笼的核心,疏水分子封装在乳液的油相中,这种分隔系统可保护纳米笼中的亲水分子在人体胃肠道消化过程中免受物理和化学方式降解,顺利到达体内的作用部位[52]。例如,胰脂肪酶可以被装载到蛋白质纳米笼空腔中,乳液液滴表面含有其底物甘油三酯,通过蛋白质纳米笼表面的特定识别位点可以将胰脂肪酶精准递送到对应部位,当胰脂肪酶从蛋白质纳米笼中释放出来时,其可以发挥作用并消化乳液油滴中的甘油三酯,帮助早产儿和胰腺外分泌功能不全或慢性胰腺炎患者获得生命活动所必需的营养[1]

Chen 等[53]利用虾铁蛋白开发了一种双腔室Pickering 乳液系统,用于亲水和疏水生物活性化合物的共包封。将绿原酸作为亲水分子模型包裹在虾铁蛋白纳米笼腔中,β-胡萝卜素作为疏水分子模型封装在油滴中,通过液滴尺寸分布、微观结构、生物活性化合物保留率等指标分析该双腔室模型的可行性。试验结果表明,虾铁蛋白纳米笼能够吸附在油水界面并形成稳定的O/W 型Pickering 乳液,液滴大小取决于油水比和虾铁蛋白浓度,并且在乳化过程中铁蛋白纳米笼的壳状结构稳定性较佳。两种生物活性化合物的成功共包封提高了生物活性化合物储存稳定性,虾铁蛋白纳米笼稳定的双腔室Pickering 乳液系统在食品生物活性化合物或药物的共递送方面具有巨大潜力。

5 结语

食品中的许多生物活性化合物如多酚、胡萝卜素等具有良好的生理功能,有益于人体健康。然而由于物理化学性质的差异,生物活性化合物在人体消化吸收过程中会产生一定的障碍,限制了生物活性物质在人体中的应用。蛋白质纳米笼由于其独特的结构以及功能特性,在Pickering 乳液领域具有良好的应用前景,蛋白质纳米笼能够有效隔绝外部环境对其封装的生物活性物质的干扰,并精确运输到人体所需部位。然而,目前蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液仍存在一些问题:(1)目前常见的蛋白质纳米笼具有较强的亲水性,单独用于稳定Pickering 乳液效果较差,通常需要进行进一步的物理改性、化学修饰或与多糖等物质复配形成复合物从而提高其乳化能力以及乳液的稳定性;(2)在实际应用过程中,由于蛋白质纳米笼的合成成本较高,目前还未创新出有效的途径实现蛋白质纳米笼的高效合成,难以在工业生产中为功能性乳液的构建提供原料基础。

本文综述了常见的用于稳定Pickering 乳液的有机及无机固体颗粒类型、蛋白质纳米笼种类、蛋白质纳米笼稳定后Pickering 乳液的理化性质及其在食品领域中的应用,总结了蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液的研究现状。未来,对于各种蛋白质纳米笼稳定Pickering乳液的方法、稳定机理、在各个领域的应用以及目前存在问题的解决方案仍有待学者们进一步探索。

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Protein Nanocage-stabilized Pickering Emulsion and Its Application in Food Field:A Review

GAO Junlu1,HAN Xue'er1,HU Mengji1,CHEN Hai1,2*,ZHANG Yuhao1,2*
(1.College of Food Science,Southwest University,Chongqing 400715,China;2.Sichuan-Chongqing Key Laboratory of Characteristic Food,Chongqing 400715,China)

Abstract:Pickering emulsion is an emulsion stabilized by solid particles,and it has gained increasing attention from scholars due to its excellent stability and biocompatibility.Among the various solid particles that stabilize Pickering emulsion,protein nanocages,with their unique cage-like cavity structure,good structural stability,uniform nanoscale size,and reversible self-assembly properties,have shown enormous potential in the field of functional Pickering emulsions.This article elaborated on the types of solid particles that stabilized Pickering emulsion,the varieties of protein nanocages,the protein nanocage-stabilized Pickering emulsion,and the applications,summarized the structural characteristics of different types of protein nanocages,and introduced the research progress in stabilizing Pickering emulsion using protein nanocages.Based on the natural cage-like structure and molecular self-assembly properties of protein nanocages,the latest research progress in constructing multi-compartment emulsion delivery systems and encapsulating and delivering nutritional components using protein nanocages was reviewed.

Key words:protein nanocages;Pickering emulsion;multi-compartment;encapsulation;delivery

DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.20.027

基金项目:国家自然科学基金项目(32201928);重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQ—MSX0515)

作者简介:高俊炉(2002—),男(汉),硕士研究生,研究方向:蛋白质化学与营养因子递送。

* 通信作者:陈海(1993—),男(汉),副教授,博士;张宇昊(1978—),男(汉),教授。

引文格式:

高俊炉,韩雪儿,虎梦吉,等.蛋白质纳米笼稳定Pickering 乳液及其在食品领域研究进展[J].食品研究与开发,2023,44(20):199-206.

GAO Junlu,HAN Xue'er,HU Mengji,et al.Protein Nanocage-stabilized Pickering Emulsion and Its Application in Food Field:A Review[J].Food Research and Development,2023,44(20):199-206.

加工编辑:张昱

收稿日期:2023-04-19