华中农业大学李艳教授：界面工程设计调控油脂基乳液递送体系中脂溶性营养素生物利用率的研究进展

2023-06-14 19:40:14

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膳食中的脂溶性营养素在胃肠道的溶解度低，口服生物利用率。有研究表明，油脂的存在与消化水解能有效提升脂溶性营养素的吸收效率。乳液由油、水两相组成，作为营养素递送载体具有独特的优势。乳液的形成与稳定剂的特性密切相关，乳化剂对乳液界面特性具有重要影响，进而决定其理化性质。因此，可以通过乳液的界面修饰改善其稳定性及对脂溶性营养素的保护与递送效果。乳液界面修饰可以通过多种方式实现，以获得简单或复杂的乳液界面层，这种修饰过程称为界面工程。

华中农业大学食品科学技术学院张盈铢、胡俊杰，李艳^*等人从乳液界面特性的角度，阐述油脂基乳液递送体系的界面工程设计对营养素生物利用率的调控，以期为脂溶性营养素提供有效的递送策略。

1、乳液中营养素体内吸收过程与评价

如图1所示，乳液进入体内胃肠道消化系统后，经历各种生理环境，乳液结构发生瓦解，营养素被释放，进而被体内活性组分再次溶解，被小肠上皮细胞吸收，进入血液循环的营养素，可用于评价营养素的生物利用率。

食物中油脂消化是一个界面反应过程。如图2所示，当乳液进入小肠后，小肠部位的胆盐、磷脂会吸附在油-水界面，改变乳液界面特性，引起乳液结构瓦解。随后胰脂肪酶、辅酶进一步吸附在油-水界面，与胆盐协同水解油脂。水解产物会与胆盐、磷脂等活性物质形成混合型胶束。消化过程中胶束结构的演变会影响营养素吸收效率。因为油脂水解及活性物质的界面吸附，导致乳液载体结构在小肠消化阶段被破坏，营养素被释放。乳液递送有利于脂溶性营养素与人体环境的相容，进而确保营养素有效进入小肠上皮黏膜，穿过黏膜屏障，被人体所吸收，提高营养素的生物利用率。

因此，乳液界面特性的改变不仅影响油脂液滴的尺寸及其比表面积，而且影响胆汁盐和消化酶的作用能力，影响混合胶束的组成，从而决定脂质在胃肠道的消化速率，调控脂溶性营养素的释放及其生物利用率。营养素生物利用率的评价方法包括体外消化模型、细胞模型和体内动物实验评价。相比实验周期长、成本高的体内动物实验，体外消化模型备受关注，包括静态消化模型和动态消化模型。动态消化模型是一个包含计算机控制的模型，相比静态消化模型，能够模拟更复杂的消化过程，比如胃部混合、胃液持续分泌、胃排空等。因此，动态消化模型具有更高的准确性，动态消化模型主要是用于消化过程中的细节行为研究。

二、乳液界面工程的设计策略

乳液属于动力学不稳定体系，因此有必要采用界面修饰方法以提升乳液的稳定性（图3）。已报道的乳液界面修饰方法包括层层沉积、颗粒吸附、物理化学交联、静电吸附等，通过这些修饰可改变乳液的界面性质，比如界面组成、厚度、电荷、流变性、亲疏水性等。经修饰后的乳液界面在此定义为复杂界面，比如采用复合乳化剂同时发挥多种乳化剂的作用，或者对稳定剂进行物理、化学修饰提升其稳定特性，亦或是采用固体颗粒稳定剂等（图3）。

单一稳定剂分子的稳定特性具有局限性，因此可以通过理化分子修饰制备稳定剂的复合物。也可以先形成乳液界面，然后对界面进行理化修饰。由于多层乳液中油滴被多层乳化剂包裹，界面层比普通乳液更厚，故多层乳液在极端pH值、高离子强度和热处理等条件下通常具有更好的物理稳定性。根据聚电解质的特性，多层乳液可能具有较低的脂质消化速率，对生物活性物质有较好的保护作用。

除了分子修饰，还可以通过分子的形态来调节其界面活性。Pickering乳液的形成是利用固态胶体颗粒吸附在油-水界面上，形成固体网状结构来稳定油脂颗粒。与传统乳化剂不同，固体颗粒在油-水界面形成坚硬多孔的外壳结构，提供了更厚的界面屏障。

三、乳液界面工程对营养素体内外生物利用率的影响

不同界面结构对乳液脂水解及营养素生物利用率的影响如表1所示。值得注意的是，当界面相对复杂时，所属界面分类可能存在交叉。

1、简单界面修饰对营养素吸收特性的调控

与单独摄入脂溶性营养素相比，乳液递送可提高营养素在胃肠道内的生物利用率。对于同一稳定剂，影响营养素生物利用率的关键主要在于乳液中的油相成分。油相不仅影响稳定剂的界面行为，且自身水解程度亦影响营养素的溶出与再溶解过程（图1）。当乳液中脂质（如矿物油、精油）较难水解时，脂溶性营养素难以从未水解的油相中释放，同时油脂水解产物减少，不利于混合胶束的形成，从而降低其溶解能力及营养素的生物可给性。与长链脂肪酸相比，短链脂肪酸在消化过程中能迅速向周围的水相迁移，而长链脂肪酸倾向于聚集在油-水界面，因此短链脂肪酸的水解速率高于长链脂肪酸。但脂溶性营养素的生物可给性还与混合胶束的非极性域有关。因此，长链脂肪酸形成的混合胶束具有较大的非极性和更高的增溶能力，有利于提升营养素生物可给性。如果营养素分子尺寸太大而不能被混合胶束的非极性域所容纳，则不能有效提升其生物可给性。

尽管简单界面由单一稳定剂构成，但不同稳定剂的表面活性存在差异，对乳液中油脂的水解及营养素生物可给性也有一定影响。因此，在乳液的结构设计和营养素的递送系统中，选择合适的乳化剂具有重要的意义。

2、复合界面修饰对营养素吸收特性的调控

复合界面由一种或多种稳定剂组合而成，可以是多种稳定剂简单组合，也可以是经物理或化学修饰后的稳定剂。多糖与蛋白质经过物理或化学作用形成复合物，是乳液界面修饰常用的方法。所得复合物不仅赋予多糖、蛋白质新的功能特性，而且也能发挥多糖、蛋白质自身的功效。蛋白质-多糖复合物作为乳化剂可以促进和调节脂质的分解和吸收，还可以通过将颗粒不可逆地吸附到油-水界面来提高亲脂性营养食品的生物可给性。

3、多层界面修饰对营养素吸收特性的调控

与传统乳液相比，多层乳液的特性更多取决于所选择的聚电解质。利用静电沉积，可控制乳液界面的厚度、致密度及流变性，影响营养素在胃肠道中的稳定性、释放性及生物利用率。

4、颗粒界面修饰对营养素吸收特性的调控

Pickering乳液用于封装脂溶性营养素，与单独的表面活性剂或生物聚合物相比，颗粒界面能够有效地抑制脂质消化，减慢营养素的释放，这是由于致密的颗粒结构形成稳固的界面屏障，吸附在液滴表面的颗粒相比传统乳化剂更难被小肠中的胆盐或脂肪酶置换，且颗粒界面具有较强的机械强度，能提高乳液的稳定性。对Pickering乳液进一步结构化修饰可调控营养素的释放与生物可给性。

5、综合界面修饰调控营养素吸收特性

综合界面是同时采用多种方式修饰后的乳液界面，比如采用复合界面、颗粒界面和多层界面耦合联用形成的复杂界面，综合界面的设计可为营养素的递送提供更多策略。

结论

营养素赋予膳食健康功效，有助于改善机体健康状态、增强免疫力等。但营养素在加工和摄食过程中存在一些问题，比如水溶性低、化学稳定性差、加工相容性差等，会限制和降低营养素实际的生物利用率和健康效应，不利于人体对膳食中营养素的摄取与利用。因此，为了改善膳食功效，保证营养素的有效吸收，需要对营养素进行保护与递送。如何有效提升营养素的加工稳定性及生物利用率一直是食品营养与健康领域的研究热点。由于营养素的差异性、加工条件及胃肠道消化条件的复杂性，营养素递送体系的设计也面临诸多挑战。乳液递送体系因其组成优势，广泛应用于脂溶性营养素的递送。通过修饰乳液油相和水相组成、界面特性、界面类型等可调控乳液递送体系对营养素的保护和递送效果，本文主要围绕乳液界面特性调控油脂基乳液递送体系中营养素生物利用率展开。综合目前的研究进展及人体胃肠道消化环境的复杂性，在进行乳液界面设计时，建议从以下几点进行考虑：1）乳液自身属性，尺寸、电荷、类型等；2）乳液稳定性，需要具有良好的贮藏稳定性、抵抗胃肠道消化环境的稳定性；3）稳定剂的特性，需要考虑与消化组分之间的互作、稳定剂自身在消化环境中的特性及结构变化；4）消化后胶体界面特性的演变，包括消化过程中乳液界面结构变化和混合胶束的形成等。在实际应用过程中，还需要综合考虑营养素自身特性与上述因素之间的匹配关系，有利于高营养素生物利用率乳液递送体系的合理设计与构建。

尽管乳液递送体系的设计与构建已日渐成熟，但在实际应用过程中，仍存在一些瓶颈：1）如何针对营养素快速筛选乳液递送体系的组成；2）乳液递送体系的应用对营养素在体内的吸收、代谢及活性的影响仍需更全面地考察；3）乳液递送体系对营养素生物利用率的调控机制还需要更深入的探讨；4）负载营养素乳剂的实际应用效率，即商业可行性有待提升。

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