白藜芦醇负载的海藻酸钠/结冷胶/CaCO3微凝胶：模拟胃肠条件下的稳定性增强与控释行为

《Journal of Agriculture and Food Research》：Resveratrol-loaded alginate/gellan gum/CaCO 3 microgels: Enhanced stability and controlled release under simulated gastrointestinal conditions

　　

专业术语翻译的论文摘要 白藜芦醇（Resveratrol, RES）是一种天然多酚化合物，因其健康功效而备受关注，但其口服应用受到化学不稳定性、低生物利用度以及在胃肠道（gastrointestinal, GI）中快速代谢的限制。本研究开发了由海藻酸钠（alginate, Alg）、结冷胶（gellan gum, GG）和碳酸钙（CaCO3）组成的微凝胶（microgels），旨在提高RES的稳定性和实现其控制释放。研究人员采用离子凝胶化法制备了四种类型的RES负载微凝胶，并对其封装效率、理化性质、化学稳定性、抗氧化活性以及在模拟口腔、胃、小肠和结肠阶段（simulated colonic medium, SCM）中的释放行为进行了表征。结果表明，与单独的Alg微凝胶相比，含有GG和CaCO3的微凝胶显著提高了封装效率（高达92.2%）和负载量（高达11.8%）。傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）证实了RES的成功封装及各组分间的相互作用。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）显示，加入GG后形成了更致密的基质。热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）表明，GG和CaCO3的加入增强了微凝胶的热稳定性。在模拟消化过程中，Alg/GG-CaCO3微凝胶表现出最高的RES保留率（约75%）和最强的抗氧化活性。更重要的是，这些微凝胶在上消化道阶段延缓了RES的释放，并在最终的SCM阶段实现了更高的累积释放（约75%）。此外，微胶囊化显著提高了RES在紫外线（UVA）胁迫、热处理和储存过程中的稳定性。因此，Alg/GG-CaCO3微凝胶是一种很有前景的递送体系，可用于改善RES等疏水性生物活性化合物的胃肠道稳定性和控制释放。

论文解读文章

研究背景与研究目的

白藜芦醇（Resveratrol, RES）是一种存在于葡萄、浆果和花生中的天然多酚化合物，具有抗炎、抗氧化和抗癌等多种潜在健康益处。然而，RES的口服应用面临严峻挑战：其化学性质不稳定、生物利用度低，并且在胃肠道（gastrointestinal, GI）转运过程中会迅速代谢和降解，导致能够到达作用靶点的完整RES数量大幅减少。为解决这些问题，迫切需要开发创新的递送系统，能够在储存期间以及通过胃肠道的过程中保护RES，尤其是在上消化道保持其稳定性，同时在消化的后期阶段实现可控释放。

基于微凝胶的包封技术是一种极具潜力的策略。微凝胶由交联的生物聚合物网络构成，可以包裹大量溶剂（通常是水），从而用于包封、保护和释放生物活性成分。海藻酸钠（alginate, Alg）因其低毒性、高生物相容性和良好的凝胶形成特性而被广泛研究，但单纯的钙离子交联海藻酸盐水凝胶网络孔隙较大，对某些生物活性成分的保留和保护不足。将Alg与其他天然聚合物复配可以改善其性能。结冷胶（gellan gum, GG）是一种阴离子多糖，能与Alg形成协同增效的水凝胶基质，增强包封效率、酸稳定性和控释特性。此外，在微凝胶中共包封不溶性抗酸剂，如碳酸钙（CaCO₃），可以帮助中和扩散进入微凝胶的胃酸，从而保护酸敏感的生物活性物质。已有研究表明，将CaCO₃掺入微凝胶可有效保护益生菌免受胃酸侵害，并展现出pH响应性释放特性。

基于上述背景，研究人员提出假设：将RES和CaCO₃共同包封于Alg和GG构成的生物聚合物微凝胶基质中，可以提高RES的保护效果并调节其在连续模拟胃肠条件下的释放行为。据研究人员所知，此前尚未有研究探索由Alg、GG和CaCO₃构成的微凝胶系统用于增强RES稳定性和实现其在胃肠道中控制释放。因此，本研究旨在开发并表征一种Alg/GG/CaCO₃微凝胶系统，评估其包封性能、理化性质、化学稳定性、抗氧化活性以及在模拟口腔、胃、小肠和简化模拟结肠介质（simulated colonic medium, SCM）阶段的释放行为。研究的首要目标是增强RES在储存和模拟胃肠道转运过程中的稳定性，同时限制其在上消化道的过早释放，并在模拟消化后期（包括最终的SCM阶段）实现更大程度的释放。

关键技术方法

1. 1.
   微凝胶制备：采用离子凝胶化法，使用自动化包封装置（BüCHI Encapsulator B-390）通过振动喷嘴将含有Alg、GG、CaCO₃和RES的混合液滴入氯化钙（CaCl₂）溶液中，形成四种类型的微凝胶：Alg、Alg-CaCO₃、Alg/GG和Alg/GG-CaCO₃。
2. 2.
   理化性质表征：利用Zetasizer分析仪测量多糖溶液的Zeta电位；使用流变仪测定溶液的表观粘度；通过静态光散射仪器测量微凝胶的粒径和球形度因子（Sphericity Factor, SF）；运用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析化学组成和分子间相互作用；采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察微凝胶形态；利用热重分析（Thermogravimetric Analysis, TGA）和差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）评估热稳定性。
3. 3.
   In vitro 消化实验：遵循标准INFOGEST方案，并稍作修改，进行包含口腔相（pH 7, 2分钟）、胃相（pH 3, 2小时）、小肠相（pH 7, 2小时）和最终简化模拟结肠介质（SCM, pH 7.4, 6小时）的连续模拟消化。
4. 4.
   稳定性和释放研究：通过测量消化各阶段后RES的保留率评估胃肠道稳定性；分别通过UVA光照（365 nm, 4小时）和高温（90°C, 4小时）处理评估紫外和热稳定性；在4°C下储存28天评估储存稳定性；在模拟消化过程中定时取样测定RES的累积释放量，并利用零级、一级、Higuchi和Korsmeyer-Peppas动力学模型拟合释放数据。
5. 5.
   抗氧化活性测定：采用DPPH自由基清除实验评估消化各阶段后RES的抗氧化活性。

研究结果

3.1. 含白藜芦醇的多糖溶液的性质

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  Zeta电位：所有多糖溶液均呈强负电性（约-60 mV），表明系统高度带电，静电排斥力强。添加RES或CaCO₃略微降低了负电荷的绝对值，表明存在相互作用或电荷屏蔽效应。加入GG也降低了表面负电荷，可能与聚合物间相互作用有关。
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  流变学性质：所有溶液均表现出强烈的剪切稀化行为（非牛顿流体）。加入GG显著增加了溶液的表观粘度和剪切稀化程度，归因于额外的分子链缠结和相互作用。CaCO₃的加入对粘度影响不大，表明其大部分保持不溶状态，未释放大量Ca²⁺交联多糖。

3.2. RES负载微凝胶的性质

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  包封效率与负载量：Alg、Alg-CaCO₃、Alg/GG和Alg/GG-CaCO₃微凝胶的包封效率分别为约55.7%、63.8%、89.6%和92.2%，负载量分别为约7.3%、7.8%、11.5%和11.8%。结果表明，结合GG和/或CaCO₃显著改善了包封性能。这归因于GG促进了更致密互穿聚合物网络的形成，减小了孔径；而CaCO₃颗粒作为无机填料和局部交联增强剂，进一步强化了网络结构，减少了孔隙率。
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  理化特性：
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    粒径与球形度：Alg和Alg-CaCO₃微凝胶的平均粒径约为525 μm，呈椭圆或梨形（SF≈0.92）；Alg/GG和Alg/GG-CaCO₃微凝胶粒径更大（约630-650 μm），球形度更高（SF≈0.96）。GG的加入增加了溶液粘度，抑制了小珠形成并有助于保持球形。含CaCO₃的微凝胶图像中可见细小颗粒，证实了不溶性矿物的成功掺入。
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    FTIR分析：FTIR光谱证实了RES的成功包封（观察到~1148和~831 cm^-1特征峰）。COO^-对称伸缩峰向低波数移动，表明Alg和GG被Ca²⁺离子交联形成“蛋盒”结构。CaCO₃的特征峰（~875 cm^-1）及其引起的O-H伸缩带位移表明其与多糖基质的相互作用。FTIR强度比（I₈₃₁/I₂₉₅₀）的增加趋势与包封效率结果一致，进一步证明GG和CaCO₃提高了微凝胶中RES的含量。
  • •
    SEM分析：脱水后的微凝胶呈皱缩球体。纯Alg微凝胶表面相对粗糙多孔；含GG的微凝胶表面更致密光滑，归因于形成了更紧密的聚合物基质；含CaCO₃的微凝胶表面可见细小异质性颗粒。
  • •
    热特性：TGA/DTG分析显示，微凝胶的热降解分为三个阶段（水分挥发、多糖分解、残余有机物分解）。含GG和/或CaCO₃的微凝胶最大降解温度升高（从Alg的281.3°C升至Alg/GG-CaCO₃的302.1°C），表明热稳定性增强。DSC分析也显示出相似的趋势，含GG和CaCO₃的微凝胶具有更高的热阻。

3.3. In vitro 消化

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  粒径变化：经口腔相后粒径无显著变化；胃相后所有微凝胶轻微收缩，归因于羧基质子化导致的静电排斥减弱和网络收缩；小肠相后粒径增大，归因于羧基去质子化引起的静电排斥增强和溶胀。在SCM中，微凝胶随时间逐渐崩解，其中Alg/GG-CaCO₃稳定性最高（4小时后仍可检测到），而纯Alg微凝胶在1小时内完全崩解。崩解可能源于高pH下的静电排斥以及磷酸盐螯合Ca²⁺削弱离子交联。
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  化学稳定性：游离RES在胃相后保留率降至约60%，而Alg/GG-CaCO₃微凝胶中的RES保留率高达约83%。在整个消化过程中，Alg/GG-CaCO₃始终表现出最高的RES保留率（最终约75%），远高于游离RES（低于40%）。这表明由Alg和GG形成的双网络结构以及CaCO₃的pH缓冲作用有效地保护了RES免受酸和酶的降解。
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  抗氧化活性：在所有消化阶段，经浓度归一化后，包封RES的DPPH自由基清除活性普遍高于游离RES，其中Alg/GG-CaCO₃配方始终保持最高活性。这表明微囊化有助于在胃肠道暴露过程中维持RES的抗氧化功能。

3.4. 释放研究

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  微凝胶在胃相中RES释放最少，因为酸性环境使网络收缩并可能通过氢键作用抑制释放。进入小肠相后，释放速率增加，尤其是纯Alg微凝胶，归因于中性pH下的溶胀效应。而含GG和CaCO₃的微凝胶显著延缓了RES的释放，归因于其更致密坚固的基质结构。在最终的SCM阶段，所有微凝胶的释放继续增加并趋于平台。Alg/GG-CaCO₃微凝胶在480分钟模拟消化后实现了最高的累积释放率（约75%），这主要得益于其出色的化学稳定性，使得更多活性RES得以保存并在后期释放。
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  释放动力学：Korsmeyer-Peppas模型对Alg-CaCO₃、Alg/GG和Alg/GG-CaCO₃微凝胶的释放数据拟合度最高（R²最高），而Higuchi模型对Alg微凝胶拟合略优。由于实验涉及连续的介质和pH变化，动力学模型主要用于比较描述而非确定单一释放机制。

总结与结论

本研究中，研究人员成功开发并表征了一种新型的Alg/GG/CaCO₃复合微凝胶系统，用于包封和保护白藜芦醇（RES）。研究表明，GG和CaCO₃的协同作用显著提升了微凝胶的包封效率（高达92.2%）、热稳定性、结构致密性以及在上消化道条件下对RES的保护能力。Alg/GG-CaCO₃微凝胶在模拟胃和小肠环境中有效延缓了RES的释放，并在后续的简化模拟结肠介质（SCM）阶段实现了更高的累积释放（约75%），同时在整个消化过程中保持了最高的RES保留率和抗氧化活性。此外，微囊化还显著增强了RES在UVA胁迫、热处理和长期储存期间的稳定性。

研究结论明确指出，这种Alg/GG-CaCO₃微凝胶平台在改善疏水性生物活性化合物（如RES）的胃肠道稳定性和实现控制释放方面展现出巨大潜力。然而，研究者也谨慎指出，本研究所用的SCM是一个简化的静态pH/缓冲液筛选阶段，并非对人体结肠环境的完整模拟。因此，该研究结果提供了有用的物理化学基础，但要证明其结肠特异性靶向、体内生物利用度或治疗效果，还需要未来开展包含微生物群、发酵、黏液相互作用和动态胃肠模型的更生理相关性研究，以及生物可及性、渗透性和in vivo评价。