原位构建淀粉-脂肪酸盐复合水凝胶用于维生素D与钙离子的共包封及靶向递送

《Gels》：In Situ Fabrication of Starch-Based Hydrogels for Co-Encapsulation and Delivery of Vitamin D and Calcium

研究人员开发了基于淀粉-脂肪酸盐复合物的水凝胶用于靶向物质递送。X射线衍射（XRD）分析证实，所有复合物均表现出典型的V型结晶结构。差示扫描量热法（DSC）结果显示，复合物之间存在结构差异：普通玉米淀粉（NMS）-月桂酸钠（SL）复合物形成有序性较低的VI型结构，而玉米淀粉-棕榈酸钠（SP）样品则呈现VI型与VII型包合复合物共存的现象。这种差异可能归因于月桂酸钠与棕榈酸钠之间疏水性的不同。钙离子（Ca²⁺）诱导凝胶化后，振荡频率扫描测定表明，所有水凝胶样品的储能模量（G′）均超过损耗模量（G″），指示水凝胶在整个检测过程中保持以弹性网络为主的结构。在模拟胃肠道消化过程中，研究人员观察到大量释放的钙离子与维生素D出现于肠相阶段，提示该基于淀粉-脂肪酸盐复合物的水凝胶系统有潜力成为食品应用中生物活性化合物靶向递送的可行载体。

维生素D（Vitamin D，VD）缺乏已成为全球性的主要健康挑战，其成因涵盖膳食摄入不足、防晒用品使用、机体衰老以及阳光暴露不充分等。然而，游离态的VD分子在胃内酸性环境及消化酶作用下极易发生降解，因此开发能够增强其在食品基质中稳定性的递送系统成为该领域的关键科学问题。近二十年来，基于天然来源聚合物（如纤维素、淀粉、果胶）和软聚合物材料的水凝胶因其固有的可再生性、生物降解性与生物相容性，被广泛视为口服营养递送的理想载体。其中，淀粉基水凝胶在生物活性化合物的包埋与缓释方面展现出广阔应用前景，但传统天然淀粉水凝胶往往存在持水能力与力学性能欠佳的不足。近期研究发现，淀粉-脂肪酸盐复合物（属于聚电解质，Polyelectrolytes）水凝胶具有更为优异的流变学特性，然而关于阳离子对该类体系凝胶性能与营养递送行为的影响尚未得到系统研究，这限制了其在功能食品领域的进一步拓展。

基于充足VD是高效钙吸收前提这一认识，研究人员提出假设：基于淀粉-脂肪酸盐复合物的水凝胶载体可实现钙离子与VD的协同递送。为此，研究人员选用月桂酸钠（Sodium Laurate，SL）和棕榈酸钠（Sodium Palmitate，SP）两种脂肪酸盐构建普通玉米淀粉（Normal Maize Starch，NMS）复合物，系统考察聚电解质特性与水凝胶性质之间的构效关系。通过多尺度结构表征、流变学分析及体外模拟胃肠道消化实验，研究人员证实所有水凝胶在检测频率范围内均保持以弹性网络为主的结构；钙离子与VD均在肠相实现大量释放。该研究为淀粉基水凝胶在营养强化食品中的靶向递送应用提供了理论依据与可行方案。

在关键技术方面，研究人员首先通过糊化-络合法制备NMS与不同浓度梯度（2%、5%、10%，基于淀粉干重）的脂肪酸钠盐复合物，同时构建NMS-VD包合物。随后，利用钙离子（Ca²⁺）原位交联结合D-（+）-葡萄糖酸-δ-内酯（GDL）酸化作用，促使复合物原位凝胶化形成三维水凝胶网络。在表征手段上，综合运用X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）、差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）与扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）解析复合物结晶结构、热力学行为及微观形貌；借助旋转流变仪开展应变扫描与频率扫描，测定储能模量（Storage Modulus，G′）与损耗模量（Loss Modulus，G″）；最后通过体外模拟胃肠道静态消化模型，分别采用模拟胃液（Simulated Gastric Fluid，SGF）与模拟肠液（Simulated Intestinal Fluid，SIF）处理，并运用高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography，HPLC）与离子色谱（Ion Chromatography，IC）对消化产物中的VD与Ca²⁺进行定量，计算累积释放率。

2.1. Characterization of Complex：通过XRD与络合指数（Complexing Index，CI）测定，研究人员发现NMS与SL、SP均形成V型结晶包合物，且相对结晶度（Relative Crystallinity，RC）与CI值随脂肪酸盐浓度升高而增大。其中，NMS-SP复合物的RC与CI始终高于NMS-SL，这主要归因于SP更强的疏水性。

2.2. Morphology of Samples：SEM观察显示，NMS-VD呈块状形貌，而NMS-SL/SP复合物则呈现厚度不一的块状聚集体，且随脂肪酸盐含量增加团聚现象加剧，佐证了主-客体包合物的形成。

2.3. Thermal Properties：DSC分析表明，NMS-SL复合物形成有序性较低的VI型晶体复合物，而NMS-SP样品则呈现VI型与VII型包合复合物共存的热行为，说明游离态SP干扰了有序晶体结构的形成，且SP的强疏水性促进了更稳定的结晶。

2.4. Analysis of Viscoelastic Characteristics of Hydrogel：应变扫描确定线性粘弹区（Linear Viscoelastic Region，LVR）后，频率扫描结果（0.1%应变，0.1–10 Hz）显示所有水凝胶样品的G′均高于G″（tanδ<1），证实其在测试范围内维持弹性主导的凝胶态。NMS-SL水凝胶的G′值随SL浓度增加而升高，表明网络中连接区密度增大。

2.5. Ca²⁺ Release from Hydrogel：体外模拟消化显示，所有水凝胶在胃相仅释放约10%的Ca²⁺，大部分Ca²⁺在肠相才大量溶出，表明该体系具备肠道靶向释放特性。

2.6. VD Release：胃相中仅释放少量VD，约80%的VD在肠相释放。碱性肠环境促使胆汁盐竞争V型直链淀粉螺旋空腔，同时胰淀粉酶逐步降解淀粉骨架，导致包合物解体与VD释放。

2.7. Substance Delivery and Release Mechanism of Hydrogel：研究人员指出，胃相中水凝胶网络保持完整，作为物理扩散屏障滞留VD复合物；进入肠相后，环境pH升高使脂肪酸负电荷再生，静电排斥恢复，网络逐渐解体，从而同步释放Ca²⁺与VD。

讨论与结论部分，研究人员总结认为，该工作成功构建了一种基于淀粉-脂肪酸盐复合物的新型水凝胶体系，用于Ca²⁺与VD的共递送。NMS与SL、SP均形成V型包合物并提供必需负电荷基团用于后续凝胶化；CI随浓度增加而提高，证实复合物形成增强。值得注意的是，NMS-SP同时存在较少有序的VI型与明确有序的VII型结晶结构，而NMS-SL主要形成VI型，此差异源于两种脂肪酸盐疏水性的不同。钙离子诱导凝胶化后，所有水凝胶在检测频率范围内G′均高于G″，形成稳定弹性网络；NMS-SL的G′随SL浓度增加而增大，反映连接区密度提升。体外胃肠道研究表明，模拟胃条件下仅有少量Ca²⁺释放，而大部分Ca²⁺与VD于肠相释放。综上，该淀粉-脂肪酸盐复合物基水凝胶系统是一种具有生物相容性和高效性的靶向肠道递送载体，在营养强化食品开发领域展现出良好的应用前景。