高鲁棒性银耳多糖稳定化硒纳米颗粒：通过避免多糖自聚集

《Food Chemistry: X》：Highly robust Tremella polysaccharides stabilized selenium nanoparticles via avoiding polysaccharides self-aggregation

　　

摘要：本研究利用硒纳米颗粒（SeNPs）的生长曲线，揭示了银耳多糖（TP）浓度影响SeNPs的机制。在TP浓度为0.25–3.0 mg/mL范围内，采用1.5 mg/mL TP制备的TP稳定化SeNPs（TP-SeNPs）具有最小粒径（56.8 nm）和最优稳定性，因为该浓度足以限制Se⁰物种和晶核的扩散。当TP浓度升至3.0 mg/mL时，粒径增大（71.8 nm），其原因在于TP发生自聚集，这一结论通过黏度与流体力学直径的显著升高以及原子力显微镜检测到的聚集体得到证实。该聚集现象可能与TP的糖醛酸含量（17.1%）及刚性构象有关。热重分析、Zeta电位和储能模量进一步证实，自聚集会削弱包覆效果。本研究为SeNPs制备中稳定剂浓度的确定提供了理论依据。此外，TP-SeNPs在模拟胃肠道消化条件下仍保持稳定、单分散的球形结构，展现出作为低毒性、高生物利用度硒补充剂的巨大潜力。

**论文解读：银耳多糖浓度对硒纳米颗粒形成的影响机制研究**

**1. 研究背景与科学问题**

硒（Se）是人体必需的微量元素，其必需浓度与毒性浓度之间的安全窗口极为狭窄。相较于无机硒和有机硒，零价态元素硒纳米颗粒（SeNPs）因其较低的毒性而成为最具应用前景的硒补充形式。然而，裸露SeNPs在水性悬浮液及生理摄入环境中极易发生聚集，严重限制了其生物利用度。因此，需要引入稳定剂以维持其胶体状态，其中多糖（PS）因具有高比表面积和丰富的羟基基团，能够通过非共价键作用降低SeNPs的表面自由能，从而防止其聚集，常被用作SeNPs的稳定剂。

已有研究表明，多糖的分子量、构象和官能团是影响其稳定SeNPs效果的主要因素，但由于多糖结构的复杂性，尚未形成统一的认识。在前期研究中，研究人员发现限制Se⁰物种和Se晶核的扩散可能是多糖稳定SeNPs的潜在机制，这要求多糖与SeNPs之间具有足够强的相互作用。此外，多糖浓度同样影响SeNPs的形成。普遍共识认为，稳定剂浓度过低时，不足以分散和阻止SeNPs的碰撞聚集，导致粒径增大；然而，对于高稳定剂浓度导致SeNPs粒径增大的原因，现有解释包括稳定剂包覆层过厚、分子桥接作用以及过量稳定剂在SeNPs表面聚合等，但均缺乏直接证据。值得注意的是，随着多糖浓度升高，多糖分子间可通过氢键、疏水相互作用、离子相互作用和范德华力发生自聚集，导致黏度增加并最终形成强凝胶网络。尽管已有研究利用多糖的三螺旋自组装体或聚集体作为纳米材料稳定剂，但这些聚集体往往会遮蔽与SeNPs相互作用的活性位点、降低其空间可及性，从而削弱其诱导SeNPs成核和生长的能力，最终导致粒径增大和稳定性下降。因此，避免浓度诱导的稳定剂自聚集可能有利于制备高稳定性的SeNPs。基于此，本研究以银耳多糖（TP）为稳定剂，系统考察其浓度对SeNPs生长的影响，并表征TP浓度对其自身流体力学性质的影响，旨在阐明多糖浓度调控SeNPs形成的机制，为稳定剂浓度的确定提供理论支持。

**2. 主要技术方法**

本研究采用多种技术手段对TP的结构与性质进行了表征。利用凝胶渗透色谱-多角度激光光散射-在线黏度-示差折光检测器联用系统（GPC-MALLS-VS-RI）测定了TP的重均分子量（M_w）、特性黏数（[η]）、回转半径（R_g）和流体力学半径（R_h）等分子参数；通过原子力显微镜（AFM）观察了不同浓度下TP在水溶液中的分子链形貌；采用透射电子显微镜（TEM）、紫外-可见分光光度法（UV-Vis）和动态光散射（DLS）对TP-SeNPs的形貌、粒径及Zeta电位进行了表征；利用热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）分析了TP与Se之间的相互作用；通过流变学测量获取了储能模量（G'）；并采用模拟胃肠道消化模型测定了Se的释放率。所有实验均重复至少三次，数据以平均值±标准差表示。

**3. 研究结果**

**3.1 稳定剂浓度对SeNPs形貌的影响**

TEM观察显示，以0.25 mg/mL TP制备的TP-SeNPs单分散性差且粒径较大；随着TP浓度逐渐升高至1.5 mg/mL，所得TP-SeNPs的分散性逐步改善，粒径相应减小，在1.5 mg/mL时达到最小粒径（56.8 nm）和最优单分散性；然而当TP浓度进一步升高至3.0 mg/mL时，TP-SeNPs再次开始聚集，粒径增大。粒径分布高斯拟合结果与UV-Vis光谱蓝移/红移现象一致，均证实了上述粒径变化规律。

**3.2 稳定剂浓度对SeNPs稳定性的影响**

在不同温度（4 °C和25 °C）储存条件下，TP-SeNPs_0.25表现出最显著的不稳定性，其粒径、多分散指数（PDI）和Zeta电位变化幅度最大，表明稳定剂不足是导致显著聚集的主要原因。TP-SeNPs_1.5在两种温度条件下均表现出最小的参数变化和最高的耐高温能力。在pH 2–7、乙醇浓度5–21%（vol）和NaCl浓度50–400 mM的环境中，TP-SeNPs_1.5表现出最优的耐受性，这与其表面TP提供的强空间位阻效应密切相关。

**3.3 稳定剂浓度对SeNPs生长模型的影响**

生长曲线分析显示，TP-SeNPs_0.25的半径增长遵循R ∝ t^0.55，近似于t^1/2，属于反应限制生长模式；而TP-SeNPs_1.5和TP-SeNPs_3.0分别遵循R ∝ t^0.24和t^0.26，近似于t^1/3，属于扩散限制生长模式。这表明TP浓度达到1.5 mg/mL时已足以完全阻碍Se⁰物种和Se晶核的扩散与碰撞，而TP-SeNPs_0.25因TP分子数量不足，无法有效限制扩散和碰撞，导致大粒径颗粒的形成。

**3.4 稳定剂浓度对其与Se相互作用的影响**

TGA结果表明TP-SeNPs_1.5的总失重率最高（59.4%），表明其表面TP包覆量最大。FT-IR分析显示TP主要通过羟基（OH）、亚甲基（CH）和C-O-C基团与SeNPs发生氢键相互作用（OH?Se和CO?Se），且三种TP-SeNPs的吸收峰位移无明显差异，表明TP浓度不影响TP与SeNPs之间的结合亲和力。XPS结果证实Se（IV）被完全还原为Se⁰，且TP浓度不影响Se 3d峰的位移。综上，TP浓度不影响TP与SeNPs的亲和力，但影响TP在SeNPs表面的包覆量，1.5 mg/mL TP时包覆量最高。

**3.5 稳定剂浓度影响SeNPs的机制**

随着TP浓度从0.25 mg/mL增加至1.5 mg/mL，溶液黏度从3.7 mPa·s缓慢升至43.7 mPa·s；而当浓度从1.5 mg/mL进一步升至3.0 mg/mL时，黏度急剧上升至266.3 mPa·s。流体力学直径的测定显示，TP在0.25 mg/mL时为6.6 nm，1.5 mg/mL时仅略微增至9.7 nm，表明此浓度范围内TP分子主要以自由分散状态存在；但在3.0 mg/mL时急剧增至47.3 nm，并出现少量大颗粒（913.7 nm），表明发生了显著的分子缠结和聚集。AFM观察进一步证实，3.0 mg/mL TP溶液中出现了明显的大尺寸聚集体，颗粒高度从1.5 mg/mL时的38.17 nm急剧增至161.44 nm。TP的聚集行为与其结构特征密切相关：高糖醛酸含量（17.1%）通过羧基介导的氢键作用赋予TP较强的聚集倾向，形状因子ρ（=Rg/Rh）为2.6、构象参数ν为0.90，表明TP呈现延伸的刚性构象，较高的特性黏数（[η]=517.0 mL/g）也与此一致。Zeta电位和储能模量（G'）测量进一步证实，TP-SeNPs_1.5具有最高的Zeta电位绝对值（?19.3 mV）和最高的储能模量，表明其表面TP包覆量最大，能够提供最强的静电排斥和空间位阻效应。

**3.6 体外消化过程中SeNPs的释放率**

在模拟口腔消化阶段，B-SeNPs和TP-SeNPs的Se释放量均极少。在模拟胃液（SGF）中120 min时，B-SeNPs的Se释放量急剧增加至12.28%，而TP-SeNPs仅为3.83%。在模拟肠液（SIF）中250 min时，B-SeNPs的Se释放率达到24.12%，而TP-SeNPs总体释放量仅为10.14%。TEM图像显示，经模拟胃肠道消化后，TP-SeNPs仍保持单分散的规则球形结构，而B-SeNPs则出现边界模糊和聚集加剧现象，表明TP的保护作用使TP-SeNPs能够抵抗胃肠道消化。

**4. 结论**

本研究以TP为稳定剂，系统考察了稳定剂浓度对SeNPs形态形成的影响。结果表明，稳定剂浓度存在最优范围：浓度过低无法有效抑制Se⁰物种和Se晶核的扩散与碰撞，导致纳米颗粒尺寸增大；浓度过高则加速多糖自聚集并显著增加溶液黏度，虽然能够限制Se⁰物种和Se晶核的扩散，但高黏度降低了搅拌效率并产生桥接效应，促使Se初级晶核聚集，生成更大尺寸的纳米颗粒。TG分析、Zeta电位和储能模量进一步证实，过高的稳定剂浓度并不能使TP-SeNPs获得最大包覆量，表明多糖的自聚集减少了可用于纳米颗粒形成的有效多糖数量。综上所述，多糖稳定剂的浓度应选择在发生严重自聚集之前，并与亚硒酸根阴离子保持适当的比例。在此条件下，可获得具有最小粒径和最优稳定性的TP-SeNPs，通过静电排斥和空间位阻实现协同稳定。本研究为优化SeNPs制备中的稳定剂浓度提供了理论依据。此外，所制备的TP-SeNPs能够耐受模拟胃肠道消化并保持稳定、单分散的球形结构，展现出作为低毒性、高生物利用度、高生物活性硒补充剂的巨大潜力。通过动物实验验证其体内生物活性值得在未来研究中关注。