基于超高甲氧基果胶的食品级纳米乳液形成机制及其生物可及性

Pectin-matrix or pectin-protein complex has attracted rising attentions in recent years. Although pectin is naturally safe and biodegradable, pectin-emulsified emulsion is usually of micrometer level due to its high molecular weight (MW). For this reason, pectin emulsion was both kinetically and thermodynamically unstable. Very recently, our group prepared the ultra-high methoxylation pectin (UHMP), whose number-averaged molecular weight was 15 kDa and the DM (degree of methoxylation) was over 90%. With stable hydrophobic/hydrophilic group ratio (~1:2) and homogeneous hydrophobic moieties distribution, UHMP could overcome the abovementioned shortness of natural pectin. On the basis of current research, this proposal is going to investigate the properties of nanoemulsion prepared by UHMP and the bioaccessibility of the nanoemulsion. Main content includes: (1) Transition of UHMP in aqueous and its molecule assembly on O/W interface, in order to discover the relationship between UHMP structure and interfacial behaviors; (2) Mechanism of UHMP nanoemulsion prepared via low-energy method (emulsion phase inversion), the long-term stability of nanoemulsion and the resistance to environmental factors (pH/temperature/polarity); (3) Bioaccessibiliy of UHMP nanoemulsion both in in vitro digestion simulation and typical gut microorganism degradation, in order to investigate the digestion process of UHMP, to characterize the biological effective of the encapsulated compound released after UHMP emulsion degradation, and to compare UHMP resistance to bio-digestion as the assembled state on interface and the free state in aqueous, respectively.

近年来基于果胶或果胶-蛋白复合物材料开发食品级生物运输载体受到越来越多关注。虽然果胶具有安全和可生物降解的天然优势，但果胶分子量高使制备的乳液粒径往往处于微米水平，容易失稳而限制了其应用范围。课题组最近成功制备了一种超高甲氧基果胶（UHMP），数均分子量为15 kDa，酯化度>90%，具有稳定的疏水/亲水基团比例（~1:2）和均匀的疏水基团分布，因此能克服天然果胶所形成乳液的弱点。在此基础上，本课题研究基于UHMP的纳米乳液的形成机制及其生物可及性，主要研究内容包括：（1）UHMP在水相中迁移及其在O/W界面上的分子组装行为，以揭示其分子结构与界面行为之间关系；（2）相转变低能量方法制备UHMP乳液的形成机理，乳液长程稳定性、对环境（pH/温度/极性）稳定性；（3）体外模拟消化系统和典型肠道微生物分别对UHMP乳液的降解过程及降解后产生的生物效果,以及UHMP化学环境对其生物可及性的影响。

果胶是人类膳食营养中主要的非消化性纤维多糖成分之一，对维持人体健康状态具有重要的作用，同时果胶经过适当分子加工或修饰，可作为高生物安全性的递送系统材料。基于前期研究中对果胶酯化度调节的研究结果，本课题进一步研究了极高酯化度果胶（UHMP）的界面性质、其作为生物递送载体的性能以及在人体消化系统中的生物可及性，取得的主要结论包括：（1）UHMP果胶酯化度91.52±0.11%，本征粘度显著降低至294.9mL/g，临界胶束浓度(CMC)为0.8g/L，表面过剩量为1.69±0.17 μmol/m2，分子占有面积(0.99±0.10 nm2)，AFM观察表明在10 μg/mL和1g/mL浓度下其分别呈现网络状结构和不规则簇状聚集；界面剪切流变学研究表明，UHMP能够形成弹性主导的界面膜来稳定油水界面。（2）酶解UHMP能够得到25~90 kDa分子量范围内的小分子UHMP，由此导致UHMP的表面张力值下降约20%，疏水性也有所下降，分子量低于60 kDa的UHMP不能形成未定的界面膜, 而分子量在60~80 kDa的UHMP界面活性提高。（3）不同分子量的UHMP表现出不同的去油污能力，在0.1% ~ 0.6%内浓度范围内去除率为60~80%，且去油污能力受到温度的显著影响，在45℃时，分子量65kDa的UHMP在标准方法中能够实现去油污率95%。（4）UHMP对模拟胃液（SGF）表现出良好的耐酸性乳液液滴通过疏水相互作用絮凝，但未发生液滴破裂；但由于胰酶催化脱酯化作用，其酯化度在模拟肠液（SIF）中降低，絮体在胆汁的作用下重新分布，这为胰酶的作用提供了空间，因而UHMP的脱酯化反应诱导了油的释放，但通过提高UHMP在界面处的浓度至3%，可以实现制备的乳剂表现出约7%的低FFA释放率。（5）在仿生大肠生物反应器中制备了包埋三丁基甘油酸的UHMP乳液用于体外粪便发酵，并研究了其对肠道微生物群、短链脂肪酸（SCFA）的产生和酰胺氮的影响，结果表明UHMP包裹的三丁基甘油酯增加了肠道微生物群中操作分类单位（OTU）的多样性，并通过增加几种微生物（包括拟杆菌、双歧杆菌和瘤胃球菌）的相对丰度显著调节细菌群落；此外UHMP包埋的三丁基甘油酯显著促进发酵24小时后SCFA的产生。本课题研究结果对于果胶质材料在食品、营养、生物及医学领域的高安全性生物材料开发和应用具有一定参考价值。