蛋白质纳米笼稳定Pickering乳液及其在食品领域研究进展.pdf
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1、食品研究与开发23 年 10 月第 44 卷第 20 期基础研究基金项目:国家自然科学基金项目(32201928);重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQMSX0515)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。DOI:10.12161/j.issn.1005-6521.2023.20.027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
2、 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 Pickerin
3、g 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Protein Nanocage-stabilized Pickering Emulsion and Its Application in Food Field:A ReviewGAO Junlu1,HAN Xueer1,HU Mengji1,CHEN Hai1,2*,ZHANG Yuhao1,2*(1.College of Food Science,Southwest Univ
4、ersity,Chongqing 400715,China;2.Sichuan-Chongqing KeyLaboratory of Characteristic Food,Chongqing 400715,China)Abstract:Pickering emulsion is an emulsion stabilized by solid particles,and it has gained increasing attentionfrom scholars due to its excellent stability and biocompatibility.Among the var
5、ious solid particles that stabilizePickering 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 offunctional Pickering emulsions.This article elabo
6、rated on the types of solid particles that stabilized Pickeringemulsion,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
7、 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 constructingmulti-compartment emulsion delivery systems and encapsulating and delivering nutritional components
8、 usingprotein nanocages was reviewed.Key words:protein nanocages;Pickering emulsion;multi-compartment;encapsulation;delivery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 Xueer,HU Mengji,et al.Protein Nanocage-stabilized Pickering Emulsion and Its Appl
9、ication in Food Field:A ReviewJ.Food Research and Development,2023,44(20):199-206.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。然而在实专题论述199食品研究与开发23 年 10 月第 44 卷第 20 期基础研究际生产应用过程中,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
10、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
11、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。1Pickering 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
12、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
13、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
14、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
15、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 proteinisolate,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(wheyprotein 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 Pi
16、ckering 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-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-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
17、自组装形成尺寸为 12100 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:专题论述200食品研究与开发23 年 10 月第 44 卷第 20 期基础研究外表面、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
18、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 5100 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
19、。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
20、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 1Summary of protein nanocage properties蛋白质纳米笼名称内径/
21、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)912八面体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)1824十二面体 60 个亚基丙酮酸脱氢酶的亚单位31DNA 结合蛋白(Dps)59四面体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)2224二十面体 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)3032二十面体 180 个单体耐热类芽孢杆菌(Q
22、uasibacillus thermotolerans)4042二十面体 240 个单体铁蛋白812八面体24 个亚基铁储存单位342.2.1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 10110 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 HSP11035。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
23、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
24、丙酮酸氧化脱羧为乙酰辅酶 A(acetyl Coenzyme A,CoA),可用于柠专题论述201食品研究与开发23 年 10 月第 44 卷第 20 期基础研究檬酸循环。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
25、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。2.2.3DNA 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 2002 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,
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