多孔淀粉的酶法包覆及其在姜黄素缓释中的应用

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多孔淀粉(Porous starch granules,PSGs)是一种具有中空结构的变性淀粉,可作为小分子营养素的稳态化载体,在食品领域中具有广泛的应用前景。但鉴于其微孔化结构特征,目前PSGs在应用中尚存在环境隔绝性差、机械强度低等缺陷,无法实现客体小分子稳定化装载及可控释放。本课题以PSGs为考察对象,借助淀粉蔗糖酶(NpAS)的糖基转接作用对其进行包覆,构建生物酶法改性PSGs(mPSGs)并以此负载姜黄素纳米颗粒,进而实现姜黄素(Curcumin,Cur)的缓释。主要研究结果如下:明确了NpAS糖基转接作用构建mPSGs的催化反应模式。蜡质玉米淀粉经淀粉转葡萄糖苷酶水解处理后,制备的PSGs颗粒表面呈现出0.5μm-2.0μm孔洞,且孔洞连接至颗粒内部。在PSGs浓度为2.0%(w/v),蔗糖浓度0.80 mol/L,酶活0.40 U/mg PSGs,温度35°C的反应条件下,研究NpAS改性修饰PSGs的动态反应过程。当反应时间由8h增至48 h,反应体系中的蔗糖含量由0.75 mol/L降至0.36 mol/L,而果糖的含量则由0.04 mol/L增至0.33 mol/L,松二糖的含量由4.59 mmol/L增至57.18 mmol/L。此外,当反应进行至16 h,反应体系中出现微量麦芽三糖(1.42μmol/L)。在8 h、16 h、24 h、36 h和48 h反应时间点制备mPSGs,并利用高效体积排阻色谱表征其精细结构。结果显示,NpAS的改性修饰显著地延长了mPSGs的分支链长。上述研究结果表明,NpAS改性修饰PSGs的反应模式是以支链延长修饰为主,同时在反应过程中伴随蔗糖异构化以及直链合成副反应。阐明了NpAS糖基转接作用表观固化mPSGs的分子机理。淀粉颗粒结构表征结果显示,NpAS的糖基转接作用使mPSGs的微孔化结构特征逐渐消失,且经过NpAS改性处理48 h后,mPSGs的颗粒相貌为球形或多边形,表面光滑平整。固态核磁共振分析表明,随着反应时间的增加,mPSGs的双螺旋含量及单、双螺旋总量逐渐增加,与PSGs相比,48 h mPSGs的双螺旋含量由29.30%增至36.02%,单、双螺旋总量由34.86%增至39.55%。晶体特性分析表明,短时间改性处理(8 h、16 h和24 h)后,mPSGs仍属A型淀粉,长时间改性处理(36 h和48 h)使mPSGs转变为A型+B型淀粉。经过48 h改性处理,mPSGs的相对结晶度(RC)由37.42%增至41.26%。与PSGs相比,mPSGs的糊化温度呈现升高趋势,说明NpAS改性修饰使得淀粉链延长,进而使mPSGs具有热稳定性更好的结晶结构。随着反应时间的增加,mPSGs的α-1,4-糖苷键/α-1,6-糖苷键的比值明显增加,且淀粉颗粒表面的比值明显高于内部结构。体外模拟消化结果表明,随着改性处理时间的增加,以36 h为转折点,mPSGs的快消化淀粉(RDS)含量呈现先上升后下降的趋势,抗性淀粉(RS)含量则呈现相反的趋势。其中48 h改性处理后,mPSGs的RDS含量由34.92%降至33.40%,RS含量由6.73%增至8.99%。消化动力学拟合结果表明,48 h mPSGs的消化过程以20 min为转折点,可分为两个阶段,第一阶段的反应速率常数(k)为5.1×10-2 min-1,是第二阶段速率常数的2.8倍。其余样品则呈现出恒定的水解速率,k值介于1.5×10-2 min-1-2.4×10-2 min-1之间。上述结果表明,短时间的改性处理使mPSGs的无定型结构增加,结构松散的无定型区抗酶解能力较差;而长时间改性处理使mPSGs含有更多紧密的结晶结构,对消化酶的抗性更强。探明了mPSGs包载姜黄素纳米颗粒及Cur的可控释放规律。在大米蛋白(RPs)浓度为1.0%(w/v)、Cur浓度0.15%(w/v)的条件下,利用pH循环法制备Cur-RPs纳米颗粒,其颗粒粒径为160.1 nm,Cur载量达139.4 ug/mg RPs。在此基础上,利用PSGs、mPSGs包载Cur-RPs,并考察Cur在模拟胃肠道体系中的缓释效果。结果显示,以PSGs为载体的Cur释放过程较快,其中Cur在消化前20 min的保留率仅为18.7%;以mPSGs为载体(改性处理48 h)的Cur释放过程较为平缓,经120 min模拟消化处理后,Cur的保留率仍高达51.9%。上述结果表明,NpAS的糖基转接作用能够调控PSGs的颗粒结构,进而实现客体小分子的靶向递送。
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