納米醫學與納米外科學

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研究文章
玉米醇溶蛋白/殼聚糖雙層結構的穩定性和控釋封裝維生素C的研究

方圓董1易王1、2、3,*

1香港理工大學應用生物及化學科技學係,香港九龍香洪
2香港理工大學深圳研究院食品安全與技術研究中心,深圳
3.香港保利大學深圳研究院,深圳市食品生物安全控製重點實驗室

*通訊作者:王毅,香港理工大學應用生物及化學技術學係,香港九龍香洪,電話:852-34008673;傳真:852 - 23649932;電子郵件:yi.wy.wang@polyu.edu.hk


摘要

在食品、製藥和化妝品工業中,封裝結構對藥物遞送和控釋用途很感興趣。本研究利用玉米醇溶蛋白/殼聚糖雙層結構封裝維生素C (VC)。首先用殼聚糖(CS)和交聯劑三聚磷酸鈉(STPP)對VC進行了包覆。然後加入玉米醇溶蛋白包裹形成的vc包被的CS納米顆粒。所製備的vc包覆的玉米醇溶蛋白/玉米糖漿微球具有良好的球性,粒徑範圍為720 ~ 1100 nm。雙層塗層對VC的降解有很大的保護作用,室溫保存10天後僅5%的VC被氧化。與單純CS製備的納米顆粒相比,雙層結構具有更好的抑製VC在模擬胃液(SGF, pH 1.2)中的釋放和在模擬腸液(SIF, pH 7.4)中的控釋性能,為人體進一步利用營養物質提供了一種方法。

關鍵字

維生素C;殼聚糖;玉米蛋白;封裝;控製釋放

簡介

維生素C(抗壞血酸,VC)是一種弱糖酸,是人體必需的營養物質,已被證實與人和動物的許多生理過程有關[1,2]。它是人體組織中最重要的抗氧化劑之一,具有多種生物學功能,如增強免疫係統[3]、致癌微生物棲居、預防自由基損傷[4]等。此外,VC的這些功能可能與其降低癌症發病率的潛力有關[5,2]。但由於缺乏l -古龍內酯氧化酶[6],VC無法在人體內合成。每天攝取外源VC是保證人體生理過程正常進行的必要條件。VC的補充麵臨的挑戰來自於VC在正常食品加工和人體攝入過程中的不穩定性。VC可溶於水,對氧、光和熱非常敏感。在中性或堿性條件下容易發生分解。為了克服這些問題,延長VC的保質期,增強其在人體的有效吸收,研究了微膠囊噴霧幹燥、噴霧冷卻、脂質體等不同的技術和配方。例如,VC被囊化成脂質體,在遊離溶液[8]中保質期比VC長。 In recent years, gum arabic was used as shell material to encapsulate VC by spray drying and the result showed that the encapsulated VC was as stable as the crystallized VC under normal conditions [9]. Later, VC-loaded microcapsules were formed by different methods, such as melt dispersion, solvent evaporation, and thermal phase separation. Those formed capsules could successfully prevent VC from color change, improve its taste, and decrease its release rate [10].

微膠囊化是將固體、液體或氣體成分融合在微尺度膠囊中,使核心材料與周圍環境隔離,增強穩定性和延緩蒸發的過程。它還有助於治療成分在人體的可控釋放[11,12]。近年來,該技術在食品和製藥行業受到重視。廣泛的塗層材料已經開發出來。例如,殼聚糖是一種低毒的親水多糖,在三聚磷酸鈉(STPP)的輔助下,已被證實可用於VC的微膠囊化,以供口服。然而,在磷酸鹽緩衝鹽水中觀察到含有vc的CS納米顆粒的快速釋放特性[13-15]。因此,建議在CS上再塗一層玉米醇溶蛋白,以獲得更好的VC保護效果。

玉米醇溶蛋白是貯存在玉米胚乳中的一種脯胺蛋白,由於其良好的生物相容性和生物利用度,在食品和製藥工業中有著廣泛的應用。玉米醇溶蛋白可以自組裝形成生物基薄膜、疏水表麵和封裝,並在食品包裝、電子設備和口服給藥增強[16]方麵有潛在的應用。玉米醇溶蛋白是一種兩親性蛋白,可溶於75%乙醇水溶液[17]。經溶劑蒸發後可自組裝形成微球。研究證明,在蒸發誘導自組裝(EISA)過程中發生了從α-螺旋到β-片的構象轉變,而EISA是一種促進納米結構自組織的技術[18,17]。EISA是一個涉及二元或三溶劑的過程。隨著其中一種溶劑的優先蒸發,溶液的極性發生變化,從而驅動溶質的自組裝。由於其自組裝能力,玉米醇溶蛋白被廣泛研究用於封裝生物活性化合物,如精油[19],亞麻油[20],維生素D3 [21], α-生育酚[22],檸檬醛和石灰石[23]。與其他壁材相比,玉米醇溶蛋白塗層大大提高了包封物的控釋功能,包括緩釋和防胃液。然而,核心材料的選擇和輸送粒子的尺寸仍然是其廣泛應用的限製。

用於玉米醇溶蛋白封裝的核心材料通常是疏水或兩親性的。這與EISA過程中玉米醇溶蛋白在這些材料周圍聚集的內在傾向有關。玉米醇溶蛋白在核心材料周圍聚集後可引發自組裝球的形成。然而,這一過程不太適用於高度親水物質,如肝素[24],5-氟尿嘧啶[25]和pDNA[26]。上述非疏水包覆的玉米醇溶蛋白微/納米顆粒雖然有直接製備的實驗報道,但產物的形貌並不令人滿意,不可避免地影響了包封效率和給藥。此外,在這些微納米封裝的研究中,凝聚法被廣泛采用以獲得更小的尺寸。微/納米顆粒是通過突然加入水溶液使玉米醇溶蛋白脫溶而獲得的,同時進行劇烈的均質或攪拌。但也指出了這種高能方法[22]的缺點,即可能導致不穩定封裝成分的損失。

本研究的目的是利用殼聚糖和玉米醇溶蛋白製備VC的雙層封裝。利用掃描電鏡(SEM)對顆粒形貌進行表征,利用ZETASIZER測量包封物的粒徑及粒徑分布。采用高效液相色譜(HPLC)和電噴霧質譜(ESI-MS)測定了VC的含量,並考察了VC的穩定性。並進行體外胃腸道研究,研究VC的zein-CS膠囊的釋放譜,並與僅用CS膠囊的釋放譜進行比較。

材料和方法
材料

VC (l -抗壞血酸,純度99.7%)和三聚磷酸鈉(STPP)購自天津達貿化工有限公司(中國天津)。脫乙酰度為80%,分子量為65 kDa的殼聚糖(CS)、胃蛋白酶(來自豬胃粘膜)和胰蛋白酶(來自豬胰腺)來自Sigma-Aldrich化學有限公司(聖路易斯,密蘇裏州)。Zein來自Wako Pure Chemical Industries, Ltd (Tokyo, Japan)。乙醇(96% v/v)來自廣東光華科技有限公司(廣州,中國)。其他試劑均為分析級。所有化學品都按收到的標準使用。

vc封裝的CS納米顆粒的製備

將CS (2.0 mg/ml)溶於1% (w/v)醋酸溶液中,連續攪拌20 min,使溶液均質。將VC水溶液(1.0 mg/ml)緩慢加入CS乙酸溶液中,室溫下以1000轉/分攪拌30分鍾。然後滴加STPP溶液(0.5 mg/ml)到上述混合溶液中,1000rpm攪拌30分鍾,形成vc封裝的CS納米顆粒懸浮液。溶液容器一直用鋁箔覆蓋,以避免VC降解。采用超離心(2.18 × 104g)和冷凍幹燥。

vc包封玉米醇溶蛋白/玉米糖漿微球的製備

為了製備vc包封的玉米醇溶蛋白/CS微球,在製備的vc包封的CS納米顆粒懸液中加入一定量的乙醇,製成乙醇:水70:30 (v/v)的濃醇溶液。然後在連續攪拌下分別滴加1,1.5,2,2.5,和3ml玉米醇溶蛋白溶液(10 mg/ml溶解於70%乙醇水中)。將混合後的溶液以1000轉/分的速度攪拌30分鍾,然後倒在蒸發盤上。在室溫(25℃)下通過EISA法獲得vc包封的玉米醇溶蛋白/ CS微球粉末。製備的樣品在4℃保存,待進一步分析。

粒徑評價與形態觀察

使用Malvern ZETASIZER 3000HSA (Malvern Instrument, London, England)測定vc封裝的CS納米顆粒的粒徑。利用掃描電子顯微鏡(SEM)對vc包封的玉米醇溶蛋白/玉米糖漿微球的粒徑進行了測定。利用Image J軟件對所選vc封裝的玉米醇溶蛋白/CS微球的SEM圖像進行統計處理。

樣品顆粒重新懸浮在去離子水中,並在室溫下在箔上澆鑄幹燥一夜。鋁箔被切成小片粘附在碳帶上。然後,整個磁帶用Edwards S150B濺射塗布機塗金(300Å),以幫助提高樣品表麵的導電性。掃描電鏡圖像是由JEOL JSM-6490掃描電鏡(日本東京)獲得的。在一定分辨率的顯微鏡下,在隨機區域內測量微球的尺寸。在每個樣品中隨機選取6個區域獲得平均直徑,並用Image j對數據進行處理。同時利用SEM對vc包封的玉米醇溶蛋白/CS微球進行形貌分析。

封裝效率

通過測定超離心獲得的上清液中遊離VC的含量,並與固質比計算得到的VC總量進行比較,分析VC包封的CS納米顆粒的包封效率(EE)。計算了VC加載效率(LE)。采用反相高效液相色譜法測定VC釋放量,紫外檢測波長為245 nm[13]。ODS色譜柱(LiChrospher RP-18 5u, 250 × 4.6 mm)進行分離。單位流動相為甲醇,流速設置為0.5 ml/min。藥物EE和LE由公式1和2計算:

$ $ EE \ = {{{rm \{總}}\,rm {VC}} {\ \, - rm{自由}}{\ \ {\ rm {VC}}} \ / {{\ rm總}{}\,{\ rm {VC}}}} \乘以100 ............( 1) $ $

$ $ LE \ = {{{rm \{質量}}\,rm的{}}{\ \,rm {VC}} {\ \, {\ rm在}{}\,rm{粒子}}{\ \,{\ rm{(毫克)}}}\ / {{\ rm{質量}}\,rm的{}}{\ \,rm{粒子}}{\ \,{\ rm {(g )}}}}............( 2) $ $

譜分析

利用ESI-MS檢測了玉米醇溶蛋白/CS微球中VC的存在和穩定性。將製備好的vc包封的玉米醇溶蛋白/CS微球1 mg(製備10天後室溫25℃保存)先懸浮在去離子水中。將溶液在4℃下10000 g離心15分鍾,丟棄上清液,去除微球表麵殘留的VC。將殘留在底部的微球重懸在200µL的甲醇:水80:20 (v/v)中,超聲5 min。然後離心1 min,沉澱固體粉末殘渣。上清液在負離子模式下用ESI-MS直接分析。

模擬胃腸液釋放試驗

在37℃恒定攪拌條件下,分別在模擬胃液(SGF, pH1.2,含胃蛋白酶)和模擬腸液(SIF, pH7.4,含胰蛋白酶)中進行VC包封釋放試驗。10 mg微球粉懸浮於5 ml的SGF/SIF中,置於透析膜袋中,分子量在10 kDa切斷。然後將透析膜袋置於100 ml無胃蛋白酶/胰素的SGF/SIF中。整個體係保持在恒定37℃,持續攪拌。在選定的時間間隔內,收集透析膜袋外的1ml溶液,並向釋放係統中補充1ml新鮮溶液。從釋放係統中取出1ml溶液,先用0.45 μL Acrodisc過濾器過濾,去除懸浮蛋白聚集物,然後用反相高效液相色譜法直接測定VC釋放量。HPLC條件與2.5節所述相同。

統計分析

所有實驗均為3個重複,數據以均數±標準差(SD)表示。采用方差分析(ANOVA)和土耳其檢驗分析組間差異。檢驗的顯著性水平設為0.05。

結果與討論
顆粒尺寸和形貌

不同顆粒的平均直徑見表1,所選微球的SEM圖像見圖1。在製備條件下,vc包覆的CS納米顆粒直徑約為240 nm。玉米醇溶蛋白的進一步封裝增大了顆粒尺寸。CS具有與STPP等多胺凝膠形成微球的能力,這一過程被稱為電離凝膠化。在稀酸性溶液(1%醋酸,pH = 2.8)中,CS (pKa = 6.3)被質子化,其葡萄糖胺單位轉化為R-NH3.+。添加的反陰離子STPP可迅速與CS形成分子間交聯,並將其沉澱成納米顆粒。Alishsahi和同事[13]通過將VC與CS-STPP混合來研究VC的封裝。vc包覆的玉米醇溶蛋白/玉米醇溶蛋白微球的形成可以用玉米醇溶蛋白和玉米醇溶蛋白在溶劑蒸發過程中的不同行為來解釋。CS凝膠在乙醇溶液中的溶解度和彈性很大程度上取決於溶液的極性。有證據表明,當乙醇濃度大於50%時,CS凝膠的溶解度幾乎為零[27]。認為在溶劑蒸發過程中玉米醇溶蛋白與CS凝膠之間存在對比相變。玉米醇溶蛋白自組裝成規則的球形,而殼聚糖凝膠在較差的可溶性狀態下仍保持彈性。凝固的玉米醇溶蛋白殼在低乙醇溶液中包裹殼聚糖,凝膠彈性降低。這樣,VC可以很好地封裝在粒子內部。

形成的玉米醇溶蛋白/CS微球的粒徑與玉米醇溶蛋白濃度無線性關係。玉米醇溶蛋白/CS質量比為2:1時,粒徑最小(720 nm)。SEM圖像(圖1)也顯示,zein/CS質量比為1.5:1、2:1、2.5:1的微球球球完整性較好。在玉米醇溶蛋白/CS的低、高比值條件下,顆粒變形趨勢相似。當玉米醇溶蛋白濃度較低時(玉米醇溶蛋白/CS質量比<1.5:1),顆粒融合在一起形成大團聚塊。這是由於玉米醇溶蛋白的含量不足以在CS-STPP納米顆粒上形成一個完全被包裹的殼層,當溶劑極性增大時,半被包裹的顆粒會通過疏水相互作用相互吸引,這也解釋了顆粒的尺寸分布更寬。隨著玉米醇溶蛋白濃度的增加,顆粒的球度增大,粒徑分布均勻。這是因為在每個CS-STPP納米粒子上提供了足夠數量的聚合物來形成殼結構。而當玉米醇溶蛋白/CS質量比達到3:1時,則達到成膜閾值。分散球形是由CS納米顆粒周圍的玉米醇溶蛋白和溶液基質[17]中過量的玉米醇溶蛋白融合形成的。 It indicated that the particles, which showed the most balanced tendency of particle merging and film extension, had the smallest particle size and largest particle density.

表1:不同顆粒的平均粒徑

圖1:不同質量比(a) 0.5:1, (b) 1:1, (c) 1.5:1, (d) 2:1, (e) 2.5:1, (f) 3:1的玉米醇溶蛋白/CS微球的SEM圖像。

圖2:vc封裝的玉米醇溶蛋白/CS微球的負離子ESI-MS譜。

玉米醇溶蛋白/CS微球負載VC的穩定性

vc封裝的玉米醇溶蛋白/CS微球樣品(玉米醇溶蛋白/CS質量比為2:1製備)在室溫下保存10天,用ESI-MS檢測其光譜如圖2所示。ESIMS光譜顯示一個與VC (m/z 175)相對應的優勢峰,說明VC是樣品的主要化學成分。除主峰外,還檢測到一個小峰,對應於脫氫抗壞血酸(m/z 173),這是抗壞血酸氧化的產物,該峰強度約為VC的5%。串聯質譜分析(MS/ MS)進一步證實了在m/ z173處的峰值(圖3)。因此穩定性測試表明,經過10天的儲存,至少95%的封裝VC具有良好的抗氧化性。在ESI-MS測試中也可能產生5%的脫氫抗壞血酸,這是VC的氧化產物。以上結果表明,我們的封裝結構對內部的VC起到了很好的保護作用。

不同地層對在體外發布的風險

用微球釋放液中檢測到的VC與被封裝VC的質量之比計算VC的釋放率。封裝VC的量可以用加入VC的量乘以EE來計算。根據2.5節計算,每克微球EE和LE分別為51.9%和51.2 mg VC。圖4顯示了CS納米顆粒(含0.87±0.12%水分)和zein/CS微球(以zein/CS質量比為2:1製備)在37℃條件下在SGF中體外釋放VC的情況。在前60分鍾可以觀察到CS納米顆粒的VC快速爆發,約17%的VC被釋放。而玉米醇溶蛋白/CS微球在前240 min的釋放速率較低,隻有約5%的VC從微球中被洗脫,隨後釋放速率逐漸增加。此外,在420 min時,CS納米顆粒釋放的VC總量接近26%,是玉米醇溶蛋白/CS微球釋放VC總量的兩倍多。釋放速率的變化可以用釋放機製來解釋。VC包被的CS納米顆粒的形成是由VC的陰離子反離子與CS[14]的氨基之間的離子相互作用所驅動的。VC分子在形成的納米顆粒中分布均勻。因此,對於VC封裝的CS納米顆粒,最初的快速釋放歸因於VC容易通過交聯聚合物基質擴散到顆粒表麵[28]。 And the gradually decreased rate in the later stage was mainly attributed to the degradation of CS, which cost more time. Furthermore, in acidic environment, the CS and STPP were strongly associated and thus prevented the matrix from degradation. On the other hand, for VC-encapsulated zein/CS microspheres, owing to the well-sealed zein shell, the slow degradation of zein played a principal role and thus an extremely low releasing rate was observed in the first 60 min. The later increased release rate of VC from zein/CS microspheres could be attributed to the change of release mechanism. A considerable extent degradation of zein shell was achieved after four hours of digestion and the CS core was exposed. Since then, the diffusion of VC molecules began to appear, presenting a trend of increased release.

圖3:負離子的ESI-MS/MS譜為m/ z173離子

圖4:分別研究了VC包封的CS納米顆粒和VC包封的玉米醇溶蛋白/CS微球在SGF中的體外釋放曲線

玉米醇溶蛋白/CS微球在不同模擬流體中的VC釋放

分別研究了玉米醇溶蛋白/CS微球在SGF和SIF中的累積釋放。發布配置文件如圖5所示。SIF在前10min出現VC爆發性釋放,釋放量為20%。之後釋放率逐漸下降,最終占總釋放量的65%,遠高於SGF的26%。上述兩種酶對玉米醇溶蛋白的作用不同,其釋放譜存在明顯差異。Hutrado等[29]認為,胃液中的胃蛋白酶隻能消化α-玉米醇溶蛋白,而腸道中的胰蛋白酶可以同時消化α-玉米醇溶蛋白和α-玉米醇溶蛋白二聚體,導致玉米醇溶蛋白球分解更快。從圖5可以看出,外部的玉米醇溶蛋白塗層可以在10 min內被消化,VC從暴露的CS顆粒表麵被快速洗脫。然而,由於胃蛋白酶消化玉米醇溶蛋白的能力有限,在SGF的早期觀察到相對較低的釋放率。此外,由於高pH值降低了CS納米粒子內部的靜電相互作用,也影響了SIF整體釋放速率的提高。玉米醇溶蛋白和CS的侵蝕均導致VC在腸內的較高洗脫水平。

圖5:分別研究了VC包封的玉米醇溶蛋白/ CS微球在SGF和SIF中的體外釋放曲線

結論

VC被玉米醇溶蛋白和CS的雙層結構包裹。研究了玉米醇溶蛋白與CS的比例對雙層封裝的形成和優化,並利用掃描電鏡(SEM)對其結構進行表征。ESI-MS結果表明,玉米醇溶蛋白和殼聚糖成功地包裹和保護了VC。采用模擬胃腸液進行控釋研究。通過在凝膠化的VC包被CS納米顆粒中增加一個額外的玉米醇溶蛋白殼來雙包封VC,成功地保護了藥物的降解,延緩了藥物在胃中的釋放,並促進了藥物在腸道中的釋放。結果表明,這種雙層包封具有應用於其他極性藥物控釋的潛力。

確認

本研究得到國家自然科學基金(項目編號:51303153)和香港理工大學(項目編號:1-ZVA9, 5-ZDAJ, G-UC07, G-YK99)的資助。我們非常感謝香港理工大學材料研究中心的幫助。

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條信息

文章類型:研究文章

引用:董峰,王豔(2016)提高穩定性和控釋的玉米醇溶蛋白/殼聚糖雙層結構包封維生素C。Int Nanomed Nanosurg 2(1): doi http://dx.doi.org/10.16966/2470-3206.109

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出版的曆史:

  • 收到日期:2016年1月20日

  • 接受日期:2016年1月23日

  • 發表日期:2016年1月28日