经过疏水改性的海藻酸钠，用于叶黄素的包封和控释

《Food Hydrocolloids》：Hydrophobically-modified sodium alginate for the encapsulation and controlled release of lutein

钠alginate衍生物通过引入不同长度的烷基链形成两亲性结构，自组装为球形胶束，显著提高包封率及环境稳定性，且细胞毒性低。

　　

韩凌宇|翟瑞怡|彼得·A·威廉姆斯|董诺|杨金鑫|胡冰

中国辽宁省大连市大连民族大学生命科学学院，邮编116600

摘要：

通过用不同长度的烷基链进行酰化反应，制备了海藻酸钠的两亲性衍生物。这些衍生物保留了海藻酸钠的柔性链结构，并能在水溶液中通过疏水相互作用自组装成球形胶束。在相似的取代度下，随着疏水链长度的增加，胶束的聚集临界浓度和水合直径均有所降低；同时，更长的烷基链长度提高了包封效率和载药能力。载有叶黄素的胶束在暴露于温度、紫外线和可见光辐射时表现出显著的环境稳定性。叶黄素从胶束中的释放遵循非Fickian扩散模型。MTT实验表明，在1000 μg/mL浓度下，这些胶束对RAW 264.7细胞没有明显的细胞毒性。以叶黄素为模型，评估了这类胶束作为疏水载体的潜力，发现叶黄素的释放量与烷基链长度之间存在相关性。这些发现表明，具有可调结构和性质的海藻酸钠两亲性衍生物在食品工业中具有应用潜力。

引言

叶黄素是一种天然类胡萝卜素，存在于蛋黄和绿叶蔬菜中，是重要的膳食成分（Hao等人，2022年）。然而，它在环境中容易降解，导致颜色变化和活性降低（Xu等人，2023年）。叶黄素的结构含有10个共轭双键，因此具有很强的疏水性，这阻碍了其在肠道中与囊泡或胶束的混合，从而限制了其生物利用度和吸收（Zhang等人，2024年）。当与脂质、脂肪和脂蛋白一起摄入时，叶黄素的生物利用度和吸收会得到改善（Bhat等人，2020年）。然而，肥胖症的蔓延以及食品工业中高能耗乳化设备的高成本，促使人们越来越关注低脂递送系统的开发（Li等人，2020年）。因此，需要新的递送系统来包裹叶黄素，并保护其免受光照、温度等有害环境因素的影响，以便用于食品加工。

在多糖的活性功能基团上引入新的疏水分子可以生成两亲性多糖衍生物（Han等人，2024年）。由于疏水相互作用，这些衍生物在水溶液中倾向于聚集形成类似胶束的结构（Zhang等人，2024年）。基于天然多糖的类似胶束的结构由于兼具生物聚合物和胶束的特性而成为有用的生物材料（Atanase，2021年）。这些结构通常具有生物降解性、无毒性和非免疫原性，并且具有较高的载药能力，使其成为活性物质的理想载体（Wu等人，2022年）。例如，先前的研究（Han等人，2022年）报告称，辛酰琥珀酰化菊粉制成的载有多柔比星胶束在包裹、溶解和特异性递送疏水性药物（尤其是抗癌剂）方面表现出显著效果。Liu等人（2024年）通过Schiff碱的还原胺化酰化反应，制备了氧化海藻酸钠的两亲性衍生物，旨在提高β-胡萝卜素的生物利用度。Zhang等人（2024年）报道了用硬脂酸修饰的牛蒡多糖，形成了载有叶黄素的聚集体，以增强其在膜中的传输能力。海藻酸钠作为一种天然阴离子多糖，具有优异的生物相容性和生物降解性，但其高亲水性限制了其在递送脂溶性营养物质方面的应用。尽管如此，关于用疏水烷基链修饰的海藻酸钠两亲性衍生物在递送功能性物质方面的潜力研究还很少。通过引入不同长度的烷基链，我们旨在开发一种可调节的两亲性系统，能够形成稳定的类似胶束的聚集体，并实现叶黄素的控释。将探讨链长度与功能性能之间的结构-活性关系，特别是在基于海藻酸盐的递送系统中。这种方法不仅提高了叶黄素的环境稳定性，还消除了对高脂肪添加剂的需求，从而满足了人们对低脂功能性食品产品的日益增长的需求。

本研究描述了通过用不同长度的烷基链酰化海藻酸钠来制备自组装的类似胶束聚集体的方法。使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、¹H核磁共振（¹H NMR）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）对不同烷基链长度的疏水修饰海藻酸钠的结构进行了表征。此外，还研究了这些衍生物的溶液和界面行为，以及它们在小肠中递送和维持叶黄素释放的效果。结果表明，叶黄素的环境稳定性和肠道吸收得到了提高。这项研究表明，用不同长度的烷基链修饰海藻酸钠是一种有前景的叶黄素递送系统开发策略，为其在食品生产中的应用提供了潜在的参考。

材料

海藻酸钠（分子量9 kDa）的制备和表征方法如先前报道（Han等人，2024年）。辛酰氯（C8）、癸酰氯（C10）、十二酰氯（C12）、肉豆蔻酰氯（C14）、甲酸、3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物（MTT）、叶黄素和Tween 80均购自Macklin Biochemical Co., Ltd.（中国上海）。

海藻酸钠衍生物的合成与分析

通过在海藻酸钠主链上引入不同长度的烷基链，成功合成了具有相同取代度（DS）的衍生物。合成细节见图1a。

海藻酸钠及其衍生物的¹H核磁共振（¹H NMR）信号如图1b所示。海藻酸钠的谱图中在3.2-4.0 ppm范围内出现峰，表明了化学位移

结论

本研究中，¹H-NMR和FTIR表征证实了具有不同烷基链长度的两亲性海藻酸钠衍生物的成功合成。随着侧链长度的增加（在相似的取代度下），这些衍生物的CAC值和尺寸均有所减小。透射电子显微镜（TEM）观察到的类似胶束的聚集体形态均匀，呈珠状结构。此外，这些聚集体成功包裹了疏水性食品成分叶黄素

CRediT作者贡献声明

翟瑞怡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，研究。彼得·A·威廉姆斯：撰写 – 审稿与编辑，方法学，形式分析，概念化。董诺：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法学，概念化。杨金鑫：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念化。胡冰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，方法学，概念化。韩凌宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿

未引用参考文献

Liu等人，2024年；Zhang等人，2024年。

利益冲突声明

彼得·A·威廉姆斯教授是《Food Hydrocolloids》杂志的主编，因此该手稿应归功于Fang Zhong教授。

致谢

本文得到了国家自然科学基金（项目编号32202232）、中央高校基本科研业务费（044420250051）和辽宁省重点研发项目（2024JH2/102400055）的支持。