利用来自红茶菌的细菌纤维素生产负载姜黄素的Pickering乳液：提高稳定性和抗氧化性能

2023-08-23 21:59:36

653

字体 A+ A A-

Introduction

使用纤维素作为乳化剂的Pickering乳液具有较强的稳定性、良好的双相容性和低毒性，可作为功能性食品潜在的递送系统。高压均质处理（HPH）是一种有效的技术，通过有效而简单的破碎力将纤维素原纤维的颗粒尺寸减少到纳米级。红茶菌（KBC）是一种利用细菌和酵母共生联合体生产的微甜酸性发酵饮料，同时，KBC具有高生物降解性、生物相容性、柔韧性、无毒性和机械强度，是一种重要的生物分子，在医药领域、医学领域和食品工业中具有广泛的潜在应用。

本研究假设利用发酵KBC中纯化的细菌纤维素制备的Pickering乳液可以提高姜黄素的稳定性和生物活性。因此，评估包载在Pickering乳液中的姜黄素在太阳光和紫外线（UV）以及不同pH和温度下的稳定性。并对KBC的结构和形貌、粒径分布、姜黄素的稳定性进行综合考察，探讨Pickering乳液作为生物活性分子的前瞻性递送系统的功效。

Results and Discussion

KBC和HPH-KBC的结构和热稳定性

SEM结果显示KBC是由密集排列的超细纤维交织而成的三维网状结构（图1A）。如图1C所示，高压均质的BC呈现疏松的网状结构，部分纤维发生断裂。此外，KBC的纤维带直径分布在10～120 nm，平均直径为（60.97±19.35）nm；HPH-KBC的纤维带直径分布在较低的直径范围（10～40 nm），其平均直径为（19.11±5.68）nm。

图1 发酵KBC的细菌纤维素形态表征（A）及KBC的直径分布（B），HPH-KBC的细菌纤维素形态表征（C）及HPH-KBC的直径分布（D）

KBC和HPH-KBC的TG曲线呈现两个主要失重阶段。KBC的第1个阶段归因于介质和其他杂质在200 °C左右的降解，而HPH-KBC的第1个损失阶段归因于物理吸附水在50～100 °C左右的低温损失。两个样品的第二个失重阶段相似，归因于聚合物部分在较高温度280～380 °C附近的分解。同时，DSC中出现两个吸热峰，分别对应KBC和HPH-KBC的玻璃化转变温度和结晶熔融温度。

KBC和HPH–KBC的FTIR光谱中均发现了与纤维素结构相关的典型特征峰。3340、3342和3232cm^-1处的吸收峰与O-H伸缩有关。此外，在2945、2892和2849cm^-1附近有一个强的吸收峰，对应于典型纤维素I型的C-H键。在1456cm^-1附近的吸收峰与对称的CH₂弯曲振动有关，被称为结晶度带。在1161～999cm^-1附近的其他吸收峰归属于碳水化合物单体连接成聚合物。

KBC和HPH-KBC在有序晶区，XRD谱中发现了四个2θ角约为14.7°、16.5°、22.6°和34.5°的特征峰，分别对应于原生BCI型的（100）、（010）、（002）和（004）晶面。

图2 发酵KBC细菌纤维素和HPH - KBC细菌纤维素的结构表征

高压均质纤维素的颗粒尺寸分布和润湿性

KBC的粒径分布在70～950 nm之间，而HPH-KBC的粒径分布在32～110 nm之间，表明反复高压均质可以破坏BC的网络结构，形成更小更均匀的纳米纤维。未经高压均质的KBC的接触角为（34.2±2.5）°，而HPH-KBC的接触角为（72.7±3.8）°。接触角的增大可能与结晶区在强均质压力下部分降解后形成的疏水区域有关。经高压均质处理后的KBC更适合稳定Pickering乳液。

图3 HPH-KBC中KBC和细菌纤维素的粒径分布（A），KBC（B）和HPH-KBC（C）的接触角，储存1 d的PE和CPE的菌株扫描试验（D），储存1 d的PE和CPE的储存模量和损耗模量（E），储存1 d的PE和CPE的表观黏度（F）

Pickering乳液的形态

如图4A和B所示，在465 nm的激发波长下，代表橄榄油负载姜黄素的绿色液滴分散在连续相中，而刚果红染色的细菌纤维素可以在激发波长为540 nm处发出红光。进一步探究Pickering乳液液滴的微观结构，代表负载姜黄素橄榄油的绿色液滴被很好地包裹在红色的空心圆圈中，说明负载姜黄素具有很好的包裹性（图4C）。

如图4D和E所示，Pickering乳液的液滴均匀分散在连续相中，纯化后的KBC呈丝状，与负载姜黄素的油包覆形成机械和多孔屏障。Pickering乳液的两个液滴通过KBC连接形成桥连现象，可能是由于纯化的KBC的不同长度的纠缠造成的。

图4 负载姜黄素的油（A）、KBC细菌纤维素高压均质（B）和姜黄素Pickering乳液（C）的荧光图像；负载姜黄素Pickering乳液的SEM（D）和液滴之间的架桥现象（E）

乳液的流变学特性

乳液的G'和G''在0.01%～1%的应变范围内保持稳定，表明在此线性黏弹性区域内，PE和CPE样品结构没有发生破坏。因此，选择线性黏弹性区0.1%的应变值进行振荡频率和流动扫描试验。乳液在0.1%应变下的G'和G''均随着频率的增加而增加，如图3E所示。在测试频率范围内，PE和CPE样品的G'值均高于G''值，表现出典型的类凝胶特性。CPE乳液的G'和G''显著高于KBC，这意味着姜黄素的加入增加了乳液体系中的能量。结果进一步表明姜黄素增加了交联CPE乳液的稳定性和结构复杂性。

图3F中的黏度曲线显示了PE和CPE乳液体系液滴间的聚集程度和剪切稳定性。PE和CPE样品均表现出典型的非牛顿流体的特征。

Pickering乳液的粒径分布

CPE样品在pH2、pH4和pH8条件下的平均体积粒径无显著性差异（图5A），但均小于pH 6条件下的CPE。可能是由于液滴的等电点接近pH 6，pH 8时Pickering乳液平均粒径的减小是由于静电斥力的增加。此外，发现温度对CPE体系的粒径变化影响较小。

图5 pH（A）和温度（B）对姜黄素Pickering乳液平均体积粒径的影响

活性物质稳定性

pH稳定性

CPE的姜黄素含量在7 h内从pH 2～6缓慢下降至75%左右，而游离姜黄素下降至55%左右。在pH 2～8范围内，姜黄素在CPE中的稳定性显著高于游离姜黄素，然而，在pH 10和pH 12时，姜黄素在CPE和游离姜黄素中的稳定性均急剧下降，表明KBC对姜黄素没有保护作用。主要是由于BC基乳液在pH超过8.15时稳定性下降以及碱性条件下姜黄素的快速降解。

温度稳定性

0、20、40、60 °C下CPE中保留的姜黄素和游离姜黄素在1 h内无明显变化。CPE在0～40 °C放置7 h后，CPE中保留的姜黄素含量约为85%，与0 °C时的游离姜黄素含量相差不大，但在20～40 °C时，CPE中保留的姜黄素含量高于游离姜黄素，这归因于KBC对姜黄素的保护作用。在80 °C和100 °C下7 h后，姜黄素几乎完全降解，表明KBC在高温下对姜黄素没有保护作用。

紫外稳定性

在UV-365 nm下，包埋在CPE中的姜黄素比游离姜黄素下降缓慢。6 h后，游离姜黄素的保留量从100.00%急剧下降到（6.96±0.95）%，几乎完全降解。而对于CPE，保留6 h后的姜黄素约为（64.86±3.88）%。

光稳定性

结果表明，KBC制备的Pickering乳液平均体积粒径均一，温度范围宽。然而，由于静电斥力和羟基的活化，pH对平均体积粒径有显著影响。总之，包埋在CPE中的姜黄素在酸性环境和低温（0～20 °C）中更稳定。此外，CPE中的姜黄素在日光和UV-365 nm下的稳定性优于溶液中的姜黄素。因此，为了进一步验证Pickering乳液对包埋在KBC中的姜黄素的功能特性是否具有抑制作用，检测了姜黄素的抗氧化活性。

贮存稳定性

姜黄素在CPE中的降解速率显著低于游离姜黄素，包埋在CPE中的姜黄素表现出更好的稳定性，储存15 d后降解不到50%，优于基于糖基化蛋白和壳寡糖的姜黄素Pickering乳液。结果表明，包埋在CPE中的姜黄素表现出更好的稳定性和高保留。

图6 负载姜黄素Pickering乳液和游离姜黄素在不同pH（A）和不同温度（B）条件下姜黄素的保留量，姜黄素Pickering乳液和游离姜黄素在365 nm紫外（C）和太阳光下随时间变化的保留量（D），姜黄素Pickering乳液中姜黄素的保留含量与时间的函数关系（E）

体外抗氧化活性

不同样品的金属离子螯合能力随着姜黄素浓度的增加而增加。与游离姜黄素相比，负载低浓度（1 μg/mL）姜黄素的Pickering乳液显著增强了金属离子螯合能力。相比之下，不含姜黄素的Pickering乳液和游离姜黄素的Pickering乳液的金属离子螯合能力相当，甚至低于负载姜黄素的Pickering乳液。

KBC作为机械屏障并没有降低功能活性，反而提高了姜黄素的抗氧化活性，CPE、PE和游离姜黄素的ABTS自由基清除活性随着浓度的增加而增加。研究表明，包埋在Pickering乳液中的姜黄素即使在低浓度下也保留其抗氧化活性。其抗氧化活性高于游离姜黄素。

图7 负载姜黄素Pickering乳液、Pickering乳液和游离姜黄素的金属离子螯合能力（A）、铁离子还原抗氧化能力（B）和ABTS自由基清除能力（C）

Conclusion

以KBC为原料合成细菌纤维素，用于制备负载姜黄素的Pickering乳液。均质后的KBC在乳滴外部形成机械屏障，保护Pickering乳液不发生聚结、絮凝和重力分离。负载姜黄素的Pickering乳液在较宽的温度范围、较低的pH、阳光和UV-365 nm下的稳定性优于游离姜黄素。此外，姜黄素-Pickering乳液比游离姜黄素和不含姜黄素的Pickering乳液具有最高的体外抗氧化活性。研究表明KBC可作为制备稳定的Pickering乳液体系的优良材料，以提高姜黄素稳定性和抗氧化活性。

The use of bacterial cellulose from kombucha to produce curcumin loaded Pickering emulsion with improved stability and antioxidant properties

Zhiyu Li^a, Wenxiu Hu^a, Jiajia Dong^b, Fidelis Azi^a, Xiao Xu^c, Chuanhai Tu^d, Sijie Tang^a, Mingsheng Dong^a,*

^a College of Food Science and Technology, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

^b College of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China

^cSchool of Life Science, Shaoxing University, Shaoxing 312000, China

^dCollege of Food Science and Pharmacy, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, China

*Corresponding author.

Abstract

Curcumin is a bioactive molecule with limited industrial application because of its instability and poor solubility in water. Herein, curcumin-loaded Pickering emulsion was produced using purified bacterial cellulose from fermented kombucha (KBC). The morphology, particle size, stability, rheological properties, and antioxidant activities of the curcumin-loaded Pickering emulsion were investigated. The fluorescence microscope and scanning electron microscopy images showed that the curcumin-loaded Pickering emulsion formed circular droplets with good encapsulation. The curcumin-load Pickering emulsion exhibited better stability under a wide range of temperatures, low pH, sunlight, and UV-365 nm than the free curcumin, indicating that the KBC after high-pressure homogenization improved the stability of the CPE. The encapsulated curcumin retained its antioxidant capacity and exhibited higher functional potential than the free curcumin. The study demonstrated that the KBC could be an excellent material for preparing a Pickering emulsion to improve curcumin stability and antioxidant activity.

Reference:

LI Z Y, HU W X, DONG J J, et al. The use of bacterial cellulose from kombucha to produce curcumin loaded Pickering emulsion with improved stability and antioxidant properties[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(2): 669-679. DOI:10.1016/j.fshw.2022.07.069.

专题专栏