食品级壳聚糖-叶酸-海藻酸钠纳米凝胶的动态交联策略：用于靶向输送维生素B12

《Food Chemistry》：Dynamic crosslinking strategy of food-grade chitosan-folate acid-sodium alginate nanogels for targeted vitamin B 12 delivery

本研究通过多阶段交联构建了五种壳聚糖基纳米凝胶，探究了结构修饰与维生素B12递送协同机制。结果表明，壳聚糖-三聚磷酸钠纳米凝胶呈球形（231.83 nm），经傅里叶变换红外光谱证实叶酸与壳聚糖形成相互作用。稳定性分析及体外消化显示，壳聚糖-叶酸-三聚磷酸钠-藻酸钠纳米凝胶具有缓慢释放特性。

　　

Xumei Feng|Lijia Li|Yanwei Zou|Chunjie Liu|Yang Li|Fei Teng

东北农业大学食品科学学院，中国哈尔滨150030

摘要

本研究通过多阶段交联技术，使用壳聚糖（CS）、叶酸（FA）和海藻酸钠（SA）制备了五种纳米凝胶，分别为CS–TPP、CS–FA–TPP、SA–Ca²⁺–CS–FA、CS–FA–TPP–SA和SA–Ca²⁺，旨在探讨结构修饰与维生素B₁₂释放之间的协同作用机制。结果表明，CS–TPP通过–NH₃⁺和–PO₄^3?的离子交联形成了直径为231.83纳米的球形颗粒。傅里叶变换红外光谱显示，CS–FA–TPP中叶酸的特征峰（1694.45 cm^?1）消失，表明叶酸与壳聚糖发生了相互作用。X射线光电子能谱分析显示，SA–Ca²⁺–CS–FA和CS–FA–TPP–SA的N1s信号减弱，证实了氨基和羧基之间的静电相互作用。稳定性测试和体外消化实验表明，CS–FA–TPP–SA具有缓释特性。

引言

维生素B₁₂（钴胺素）是唯一含有金属离子的水溶性维生素，对维持人体生理功能至关重要，它在保持造血功能、神经髓鞘完整性和DNA生物合成方面发挥着不可替代的作用（Liao等人，2025年）。研究表明，全球约有39.4%的人口缺乏维生素B₁₂，由此导致的巨幼红细胞性贫血、周围神经病变和高同型半胱氨酸血症已成为重要的公共卫生问题（Passarelli等人，2024年）。尽管膳食补充和食品强化是预防缺乏的主要策略，但维生素B₁₂的理化性质给其应用带来了三大挑战：首先，其核心的钴环在光照、热处理和胃酸环境下极易降解；其次，胃酸环境会加速维生素B₁₂的降解，这给传统包封材料在保护胃部的同时实现肠道释放带来了困难；第三，内源性吸收机制导致其生物利用度普遍较低，因此需要开发具有跨膜增强和靶向识别功能的智能递送系统（Santos等人，2023年）。

为应对这些挑战，纳米凝胶因其结构可设计性而成为研究热点。纳米凝胶结合了水凝胶的三维网络优势和纳米材料的尺寸效应特性（D. Wang等人，2025年）。其独特的交联网络结构不仅可以通过引入pH敏感氨基、温度敏感的N-异丙基丙烯酰胺和可降解键来智能控制活性成分，还能提供足够的反应位点，用于叶酸和RGD肽等靶向配体的修饰（Xing等人，2019年）。值得注意的是，由壳聚糖、透明质酸和硫酸软骨素等天然多糖制成的纳米凝胶在食品级递送中具有独特优势，因为它们含有高水分、与生物组织具有良好的相容性、可控的酶促降解性以及丰富的功能基团（Blagojevic & Kamaly，2025年）。

壳聚糖（CS）就是一个典型例子，由于其阳离子性质，在纳米递送领域受到了广泛关注，这种性质不仅赋予了其黏膜粘附能力，还能通过氨基的质子化形成pH响应性网络（Luckanagul, Pitakchatwong, & Bhuket，2018年）。通过离子交联制备壳聚糖纳米凝胶具有条件温和、操作简单的优点。目前最常用的多阴离子交联剂是三聚磷酸钠（TPP），这是一种无毒的多价阴离子，其带负电的磷酸基团通过与壳聚糖的阳离子氨基发生离子相互作用形成纳米凝胶（Shitrit & Bianco-Peled，2021年）。自该技术首次报道以来，已被广泛用于蛋白质和多酚等活性成分的递送（P.等人，1997年）。例如，Wu、Wang、Yang和Lu（2017年）开发的CS–TPP纳米凝胶通过离子凝胶化成功封装了白藜芦醇，表现出良好的长期储存稳定性和紫外线稳定性。López（2020年）使用N-琥珀酰化壳聚糖和TPP制备了用于封装表没食子儿茶素-3-没食子酸酯、丙基没食子酸和没食子酸的纳米凝胶，封装效率分别为65%、27%和88%。然而，传统的离子交联壳聚糖纳米凝胶在中性环境中容易因氨基脱质子而使网络解体。这表明单一材料难以满足食品加工-消化过程中的稳定性要求，涂层可以增强递送系统的稳定性。例如，Luo、Zhang、Cheng和Wang（2010年）制备的CS–TPP纳米凝胶在模拟胃酸消化条件下2小时内释放了93.37%的硒，而在模拟肠道消化条件下，经过玉米醇溶蛋白涂层处理后释放率降至53.49%。引入海藻酸钠（SA）为这一问题提供了创新解决方案。有趣的是，SA的G单元（α-L-葡糖醛酸）与Ca²⁺通过高能配位键形成的蛋盒结构具有较高的机械强度和pH稳定性（Chu等人，2025年），但其肠道靶向释放效率受到过度稳定的配位网络和缺乏主动靶向性的限制。

为此，我们尝试通过功能性配体修饰来增强纳米凝胶的靶向性能，并提出了一种动态稳定响应释放的协同策略。本研究系统分析了多阶段交联与纳米凝胶递送性能之间的协同机制，揭示了基于天然多糖的递送系统在维生素B₁₂靶向递送中的关键调控作用。这项研究为开发具有高稳定性、环境适应性和精确靶向性的纳米凝胶提供了技术支持，对促进维生素B₁₂的有效递送具有重要意义。

材料

壳聚糖（CS，C_6nH_11nNO_4n）和海藻酸钠（SA，C_6nH_7nO_6nNa_n）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。壳聚糖的脱乙酰化程度超过90%，粘度为100 mPa·s；海藻酸钠的M/G比为1:2，粘度为250 mPa·s。三聚磷酸钠（TPP，Na₅P₃O₁₀）和叶酸（FA，C₁₉H₁₉N₇O₆，纯度97%）购自上海宇源生物科技有限公司（中国上海）。氯化钙（CaCl₂）也用于实验。

ζ电位、粒径和PDI

纳米凝胶的理化性质见图1a和b。CS–TPP的ζ电位为35.66 mV，粒径为231.83 nm，PDI为0.30，表明壳聚糖的质子化氨基（–NH₃⁺）与TPP的磷酸基团（–PO₄^3?）之间发生了成功的离子交联。这一结果与Wu等人（2017年）的研究一致，他们同样使用离子交联技术制备了负载白藜芦醇的纳米颗粒，其粒径范围为172至

结论

本研究成功制备了CS–TPP、CS–FA–TPP、SA–Ca²⁺–CS–FA、CS–FA–TPP–SA和SA–Ca²⁺纳米凝胶，克服了单一多糖载体在稳定性和靶向性方面的局限性。该策略无需复杂的化学修饰，利用天然多糖的固有性质实现了多功能协同。结构表征结果表明，叶酸成功与壳聚糖骨架结合

CRediT作者贡献声明

Xumei Feng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，方法学设计，实验实施，数据管理。Lijia Li：数据验证，形式分析，概念构思。Yanwei Zou：软件使用，方法学设计。Chunjie Liu：数据验证，方法学设计。Yang Li：项目监督，资金筹集。Fei Teng：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“十四五”时期国家重点研发计划（2021YFD2100302?02）的资助。