甘招娣,彭海龍,2,*,熊 華

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047;2.南昌大學(xué)化學(xué)工程系,江西南昌 330031)

甘招娣1,彭海龍1,2,*,熊 華1

(1.南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西南昌 330047;2.南昌大學(xué)化學(xué)工程系,江西南昌 330031)

以玉米淀粉為原料,采用α-淀粉酶和糖化酶復(fù)合酶解與三偏磷酸鈉交聯(lián)改性相結(jié)合的方法制備了一系列具有不同交聯(lián)度的交聯(lián)多孔淀粉。通過(guò)各種表征手段考察了原玉米淀粉、多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的形態(tài)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),并應(yīng)用于負(fù)載紅景天苷研究。該方法制備的交聯(lián)多孔淀粉具有良好的蜂窩狀中空結(jié)構(gòu),有利于淀粉顆粒對(duì)目的物質(zhì)的吸附。相比原淀粉和未交聯(lián)多孔淀粉,交聯(lián)多孔淀粉的吸油率有較大提高,對(duì)紅景天苷的包封率為58.89%。經(jīng)過(guò)交聯(lián)反應(yīng)后的交聯(lián)多孔淀粉不但晶型沒(méi)有發(fā)生改變,還具有更高的總孔面積、平均孔直徑和孔隙率值,其分子結(jié)構(gòu)也更加緊湊,更具剛性和更高的糊化溫度,說(shuō)明交聯(lián)改性提高了多孔淀粉的結(jié)構(gòu)性能。體外釋放結(jié)果表明載藥交聯(lián)多孔淀粉具有一定的緩釋性能,能夠提高紅景天苷的生物半衰期和生物利用度。

酶解法,三偏磷酸鈉,交聯(lián)多孔淀粉,紅景天苷,體外釋放

多孔淀粉作為一種新型變性淀粉,具有中空蜂窩狀顆粒結(jié)構(gòu),其微孔依靠毛細(xì)作用對(duì)目的物質(zhì)形成物理吸附,可用于易氧化、見(jiàn)光易分解以及揮發(fā)性強(qiáng)的功能性成分的包埋保護(hù)和緩控釋。多孔淀粉除具有天然淀粉本身的特性外,還具有較大的比孔容和比表面積,較低的堆積密度和顆粒密度以及良好的吸附性能;在干燥狀態(tài)下具有良好的機(jī)械強(qiáng)度;分散在水及其他溶劑中能保持明顯的結(jié)構(gòu)完整性;加工過(guò)程安全無(wú)毒,使用劑量不受限制等諸多優(yōu)良特性[1-2]。多孔淀粉作為一種新型有機(jī)吸附劑、微膠囊芯材及脂肪替代物,可廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域。然而淀粉成孔以后,它的物理性能如機(jī)械強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等會(huì)有一定程度的降低,同時(shí)對(duì)吸附物質(zhì)的承載能力也會(huì)降低。對(duì)多孔淀粉進(jìn)行交聯(lián)改性,則可以在很大程度上改善這些缺陷,并進(jìn)一步提高多孔淀粉的吸附性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,擴(kuò)大多孔淀粉的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)有關(guān)高交聯(lián)非糊化交聯(lián)淀粉的機(jī)理、特性及應(yīng)用報(bào)道逐漸增多[3-4],但目前尚無(wú)全面針對(duì)三偏磷酸鈉高、低不同交聯(lián)度,全面分析和表征的報(bào)道。為此,本文通過(guò)以普通的玉米淀粉為原料,采用α-淀粉酶和糖化酶復(fù)合酶解與三偏磷酸鈉交聯(lián)改性相結(jié)合的方法制備不同交聯(lián)度的交聯(lián)多孔淀粉,通過(guò)考察其顆粒形貌、性能結(jié)構(gòu)和藥物吸附能力等方面,全面分析三偏磷酸鈉交聯(lián)多孔淀粉的理化性質(zhì),為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

紅景天苷[(對(duì)-羥基苯乙基)-β-D-吡喃葡萄糖苷,salidroside],作為紅景天屬(Rhodiola)植物中廣泛存在的酚苷類(lèi)化合物,是紅景天中的天然抗氧化劑也是最重要的有效成份之一,具有多種藥理活性,包括抗疲勞、抗輻射、抗癌、抗氧化、抗衰老、抗病毒、抗腫瘤、抗菌、抗缺氧、鎮(zhèn)痛、保肝作用等,對(duì)心肌細(xì)胞死亡和缺氧/復(fù)氧損傷具有保護(hù)作用,也可以對(duì)中樞神經(jīng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)進(jìn)行雙向調(diào)節(jié),且具有很小的副作用[5],通常用作評(píng)價(jià)紅景天的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)之一。早在1991年,衛(wèi)生部就批準(zhǔn)紅景天為新食品資源,也被收錄在2005版《中華人民共和國(guó)藥典》附錄中,主要以復(fù)方口服液、注射液、膠囊、顆粒劑和浸膏的形式被廣泛地應(yīng)用在保健食品和醫(yī)療行業(yè)[6]。由于在食品加工或制藥的過(guò)程中受光線、空氣和溫度等的影響限制了紅景天苷的應(yīng)用,且在已有的傳統(tǒng)應(yīng)用形式中,往往具有血藥濃度波動(dòng)大,沒(méi)有緩釋功效,口服次數(shù)頻繁,生物利用度低以及生物半衰期短等缺陷。為了克服以上問(wèn)題,越來(lái)越多的研究者致力于紅景天苷的包埋技術(shù)研究,如脂質(zhì)體[7-8]和二氧化硅納米粒子[9]包埋。但由于傳統(tǒng)的和聚合的脂質(zhì)體合成方法復(fù)雜且在體內(nèi)/體外不穩(wěn)定而受到限制,二氧化硅納米粒子則不適合用于功能性食品中。本文通過(guò)制備交聯(lián)多孔淀粉用于包埋紅景天苷是克服上述問(wèn)題的一種有效方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉(NS) 山東鑫源淀粉公司,食品級(jí);紅景天苷(HPLC≥98%,批號(hào):JZ140908)CAS:10338-51-9;三偏磷酸鈉(STMP) 南京鴻瑞化工進(jìn)出口有限公司,分析純;α-淀粉酶(酶活:4 unites/mg)、糖化酶(酶活:≥100 unites/mg) 北京奧博星生物科技有限公司,生化試劑;胃蛋白酶(酶活≥250 unites/mg,CAS:9001-75-6) Sigma;胰蛋白酶(酶活≥250 unites/mg,CAS:9002-07-7) 上海源葉生物科技有限公司,生物試劑;無(wú)水Na2CO3、冰醋酸、HCl 西隴化工股份有限公司,分析純;NaCl 上海焱晨化工實(shí)業(yè)有限公司,分析純;醋酸鈉 南昌市湖濱化學(xué)試劑廠,分析純;NaOH 天津市福晨化學(xué)試劑廠,分析純;硝酸銀 天津元立化工有限公司,分析純;磷酸二氫鉀 天津市永大化學(xué)試劑開(kāi)發(fā)中心,分析純。

環(huán)境掃描電鏡 美國(guó)FEI公司;LD5-10型低速離心機(jī) 北京醫(yī)用離心機(jī)廠;酸度計(jì) 上海偉業(yè)儀器;數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱 上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;循環(huán)水式真空泵 鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;傅立葉變換紅外光譜儀 日本島津公司;壓汞儀 Micromeritics儀器公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 STMP交聯(lián)淀粉的制備 交聯(lián)淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的制備參考Gao等[10]人的方法,另作修改。稱(chēng)取4份玉米淀粉(NS)各50.0 g置于錐形瓶中,加入100 mL含有1.0 g Na2CO3(2 g/100 g干淀粉)和2.5 g NaCl(5 g/100 g干淀粉)的蒸餾水配成淀粉漿;再分別加入不同質(zhì)量的STMP,以制備四個(gè)不同交聯(lián)度(2%、4%、6%、8%,w/w)的交聯(lián)淀粉樣品。然后,在50 ℃的恒溫水浴中振蕩反應(yīng)80 min,反應(yīng)結(jié)束后用1 mol/L HCl調(diào)節(jié)pH至6.5,抽濾,洗滌多次,直至濾液用AgNO3溶液檢驗(yàn)不出游離Cl-的存在,最后將固體沉淀置于45 ℃烘箱中干燥,直至恒重,粉碎,過(guò)100目篩,即得不同交聯(lián)度的交聯(lián)淀粉(文中簡(jiǎn)稱(chēng)分別為CL-2、CL-4、CL-6、CL-8)。

1.2.2 STMP交聯(lián)多孔淀粉的制備 將上述制備的各交聯(lián)淀粉樣品,分別加入到pH4.6的醋酸鈉-醋酸緩沖溶液中配成25%(w/v)的淀粉漿,然后置于40 ℃恒溫水浴中預(yù)熱20 min。根據(jù)交聯(lián)淀粉的重量,加入1%的α-淀粉酶與糖化酶(其中,α-淀粉酶與糖化酶質(zhì)量比為1∶4),將所稱(chēng)復(fù)合酶全部轉(zhuǎn)移到淀粉漿中,于40 ℃下水浴振蕩14 h進(jìn)行酶解反應(yīng),之后加入20 mL NaOH溶液(4%,w/w)將酶失活,終止水解反應(yīng),將得到的水解淀粉懸浮液離心(3000 r/min,5 min),棄上清,將沉淀洗滌3～4次,以除去任何非淀粉雜質(zhì),最后將沉淀置于25 ℃烘箱干燥12 h,粉碎,過(guò)100目篩,即可得到交聯(lián)度為2%、4%、6%、8%的交聯(lián)多孔淀粉樣品(文中分別簡(jiǎn)稱(chēng)為:ScPS-2、ScPS-4、ScPS-6、ScPS-8)。按照同樣的方法制備僅酶解的多孔淀粉(簡(jiǎn)稱(chēng)PS),只是沒(méi)有交聯(lián)步驟。

1.2.3 吸附性能實(shí)驗(yàn) 以吸油率的測(cè)試作為多孔淀粉吸附性能測(cè)試的評(píng)價(jià)指標(biāo)。精確稱(chēng)取一定量的交聯(lián)多孔淀粉樣品于錐形瓶中,加入適量大豆色拉油,在一定的溫度下電磁攪拌30 min,后置于已知質(zhì)量的G4型砂芯漏斗中抽濾,直至沒(méi)有油滴滴下,稱(chēng)量砂芯漏斗與淀粉總質(zhì)量,計(jì)算吸油率A。計(jì)算公式如下:

A(%)=(m2-m1-m0)/m1×100

其中,m0是砂芯漏斗的質(zhì)量(g);m1是干淀粉的質(zhì)量(g);m2是吸附后砂芯漏斗與淀粉的總質(zhì)量(g)。

1.2.4 膨潤(rùn)力的測(cè)定 膨潤(rùn)力的測(cè)定是按照質(zhì)量增益的方法來(lái)確定[11]。分別稱(chēng)取一定量的具有不同交聯(lián)度的多孔淀粉樣品加入到已知重量的50 mL離心管中,加入25 mL去離子水,分別在45、70、90 ℃加熱5 h,之后離心(10000 r/min,10 min),棄上清,使用吸墨紙除去離心分離淀粉樣品的表面水分,稱(chēng)量樣品和離心管的總質(zhì)量。膨潤(rùn)力的計(jì)算公式如下:

膨潤(rùn)力(%)=(Ws-We)/Wd×100

其中,Ws是溶脹狀態(tài)下的交聯(lián)多孔淀粉和離心管的總質(zhì)量(g);We是干質(zhì)量的交聯(lián)多孔淀粉與離心管的總質(zhì)量(g);Wd是交聯(lián)多孔淀粉的干質(zhì)量(g)。

1.2.5 掃描電鏡(SEM)觀察 對(duì)多孔淀粉的表面形貌進(jìn)行觀察是衡量多孔淀粉成孔情況的最佳手段,因此本實(shí)驗(yàn)采用環(huán)境掃描電鏡(SEM)觀察交聯(lián)多孔淀粉、交聯(lián)淀粉、原淀粉樣品的微觀形態(tài)。將雙面膠帶貼在環(huán)境掃描電鏡的載物臺(tái)上,取少許干燥的淀粉樣品粘在雙面膠上,然后用洗耳球吹散使其分布均勻,經(jīng)表面真空鍍金制樣,然后在15.0 kV的工作電壓下對(duì)樣品顆粒的表面形貌進(jìn)行觀察,分別在10000倍和1600倍下進(jìn)行拍照。

1.2.6 X-射線衍射(XRD)分析 淀粉的X-射線衍射圖譜采用X-射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定。設(shè)置掃描速率為1 °/min,發(fā)散狹縫0.02 °,掃描角度(2θ)范圍為10 °～40 °的條件下對(duì)樣品進(jìn)行掃描。然后在電壓為36 kV、電流為20 mA的條件下,采用鎳過(guò)濾的Cu靶(λ=1.5406 ?)輻射,對(duì)樣品進(jìn)行X-射線粉末衍射分析。

1.2.7 傅立葉變換紅外光譜(FTIR)分析 使用KBr壓片法進(jìn)行FTIR掃描實(shí)驗(yàn),獲得交聯(lián)多孔淀粉樣品的紅外光譜,并與原淀粉、交聯(lián)淀粉及未交聯(lián)多孔淀粉的光譜進(jìn)行比較。測(cè)量范圍為400～4000 cm-1,光譜分辨率為4 cm-1,信號(hào)掃描累加16次。實(shí)驗(yàn)時(shí),將干燥后的2 mg淀粉樣品與200 mg KBr充分混勻,在壓片機(jī)中壓片,放入樣品室,在相同條件下測(cè)定不同交聯(lián)度的多孔淀粉的紅外吸收光譜圖。

1.2.8 孔隙度測(cè)試 樣品的孔隙度測(cè)試使用自動(dòng)壓汞儀進(jìn)行測(cè)定。1 g淀粉樣品于105 ℃下干燥后,放置在附有孔隙率的膨脹計(jì)上,然后在高真空下進(jìn)行脫氣。在壓力范圍為0.0036～413 MPa下對(duì)脫氣樣品的孔隙度進(jìn)行水銀填充?；趫A柱形孔的假設(shè),我們根據(jù)公式(1)來(lái)計(jì)算多孔淀粉的平均孔半徑(R),每個(gè)樣品進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn),以確定各淀粉樣品的平均孔直徑。

式(1)

其中,γ是水銀的表面張力(0.48 J/m2),θ為接觸角(140 °),p為施加的壓力(MPa)。

1.2.9 吸附紅景天苷的性能測(cè)定

1.2.9.1 包封率 該步驟選擇成孔效果最好的交聯(lián)多孔淀粉樣品(ScPS-4)用于紅景天苷的吸附測(cè)試,將1 g ScPS-4淀粉樣品加入到25 mL 10 mg/mL的紅景天苷溶液中(紅景天苷溶于0.05 mol/L,pH7.0的磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中),37 ℃下振蕩吸附24 h。之后離心,上清液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中,沉淀重復(fù)水洗3次,離心,水洗液也轉(zhuǎn)移至容量瓶中(以除去表面游離的紅景天苷),最后將容量瓶定容至100 mL。高效液相色譜法(HPLC)測(cè)定上清液中游離紅景天苷的含量,按公式EE=(紅景天苷總加入量-未包埋的紅景天苷量)/紅景天苷總加入量×100%計(jì)算包封率。

色譜條件:色譜柱:Waters Symmetry-C18柱(5 μm,4.6 mm×150 mm);流動(dòng)相:甲醇/水(20∶80,v/v);流速:1.0 mL/min;檢測(cè)波長(zhǎng):275 nm;進(jìn)樣量:20 μL;柱溫:25 ℃。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制:精密稱(chēng)取紅景天苷對(duì)照品50.00 mg,至于50 mL容量瓶中,按(1)項(xiàng)下配制1 mg/mL的紅景天苷對(duì)照品溶液作為儲(chǔ)備液。精密吸取上述儲(chǔ)備液1、3、5、7、9 mL分別置于10 mL容量瓶中,用PBS稀釋至刻度,配制成質(zhì)量濃度分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 mg/mL的對(duì)照品溶液。在HPLC條件下,測(cè)定紅景天苷的峰面積,以進(jìn)樣量X(μg)對(duì)峰面積進(jìn)行回歸,得回歸方程:Y=155264X-23617(R2=0.9997)。紅景天苷在0.1～0.9 mg/mL的濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

1.2.9.2 體外釋放 一定量的載藥交聯(lián)多孔淀粉樣品分別置于模擬胃液(SGF),磷酸鹽緩沖液(PBS)和模擬腸液(SIF)中,在(37±0.1) ℃下進(jìn)行釋放實(shí)驗(yàn),在特定時(shí)間內(nèi),取1 mL釋放介質(zhì),同時(shí)補(bǔ)充相同體積新鮮釋放介質(zhì)以保持體積恒定。用HPLC法測(cè)定紅景天苷的累積釋放量。

釋放介質(zhì)的配制[12]:SGF(pH1.2):氯化鈉(2.0 g),鹽酸(7 mL),胃蛋白酶(3.2 g),調(diào)節(jié)pH至1.2;SIF(pH7.4):KH2PO4(6.8 g),0.2 mol/L NaOH(190 mL)和胰蛋白酶(10.0 g);PBS(pH7.0):0.2 mol/L KH2PO4(250 mL),0.2 mol/L NaOH(145.5 mL)和H2O(604.5 mL)。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0方差分析法(ANOVA)和Origin 8.5對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖,每組實(shí)驗(yàn)或分析重復(fù)數(shù)為3次。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出,各淀粉樣品的吸油率大小依次為:交聯(lián)多孔淀粉(ScPS)>多孔淀粉(PS)>交聯(lián)淀粉(CL)>原淀粉(NS),這是因?yàn)槎嗫椎矸劬哂休^大的比孔容和比表面積,因而具有更好的吸附性。而交聯(lián)多孔淀粉的吸油率比多孔淀粉大,說(shuō)明交聯(lián)反應(yīng)可以進(jìn)一步提高多孔淀粉的吸油性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。其中ScPS-4的吸油率最高,從某個(gè)方面反映了其成孔效果最好。

表1 各淀粉樣品的吸油率(%)Table 1 Oil absorption rate of each starch sample(%)

注:不同上標(biāo)字母表示在p<0.05水平下差異顯著。

2.2 膨潤(rùn)力測(cè)定結(jié)果

該步驟主要研究交聯(lián)多孔淀粉的膨潤(rùn)力,并以原淀粉和多孔淀粉作為對(duì)照。從表2中可以看出,隨著溫度的增加,各淀粉樣品的膨潤(rùn)力均顯著增加,表明溫度是影響淀粉樣品膨潤(rùn)力的重要因素。45 ℃時(shí),多孔淀粉的膨潤(rùn)力比原淀粉高,這是因?yàn)榈矸垲w粒經(jīng)酶解后具有大量孔洞,可以容納更多的水分,導(dǎo)致更好的膨潤(rùn)力;也可能是直鏈淀粉含量(非晶區(qū)域)減少。早前就有文獻(xiàn)報(bào)道,含有較低程度的直鏈淀粉的淀粉顆粒,受熱時(shí)更容易膨脹[13]。交聯(lián)多孔淀粉的膨潤(rùn)力比多孔淀粉低,這是由于淀粉分子和STMP交聯(lián)后提高和加強(qiáng)了氫鍵的強(qiáng)度,限制了STMP交聯(lián)多孔淀粉的膨潤(rùn)力[14]。當(dāng)溫度升高到70 ℃和90 ℃時(shí),原淀粉的膨潤(rùn)力比多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的明顯更高,這是因?yàn)殡S著溫度的升高,原淀粉發(fā)生糊化,吸收大量的水分,導(dǎo)致膨潤(rùn)力明顯增大;而多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉樣品則因?yàn)槎嗫捉Y(jié)構(gòu)的存在以及分子間的交聯(lián)使得糊化溫度提高,不容易發(fā)生糊化。另外,高溫下交聯(lián)多孔淀粉樣品的膨潤(rùn)力隨著交聯(lián)度的增加而逐漸降低。這是因?yàn)榻宦?lián)密度的增加,阻礙了水分子滲入淀粉分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致膨潤(rùn)力降低。Hirsch和Kokini等人研究[15]表明,隨著交聯(lián)程度增加,交聯(lián)淀粉變得更硬且淀粉顆粒變得更緊湊。

表2 原淀粉、多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的膨潤(rùn)力(%)Table 2 The degree of swelling of native starch(NS),porous starch(PS)and crosslinked porous starch(ScPS)samples(%)

注:不同上標(biāo)字母表示在p<0.05水平下差異顯著。

2.3 淀粉顆粒的形貌

圖1是在10000倍和1600倍下觀察到的原淀粉、交聯(lián)淀粉、未交聯(lián)多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的環(huán)境掃描電鏡圖。從SEM顯微照片中可以看出,原淀粉(NS)和交聯(lián)淀粉(CL-4)的顆粒形狀和表面比較類(lèi)似，均有圓形和多角形幾種形狀,表面比較光滑,這與早期ZHANG B等人[16]觀察到的結(jié)果一致。而在未交聯(lián)多孔淀粉(PS)和具有不同交聯(lián)度的交聯(lián)多孔淀粉(ScPS)中，淀粉顆粒表面均存在大量的孔洞，且不同的交聯(lián)程度其孔的數(shù)量和大小是不同的?？梢园l(fā)現(xiàn)，未交聯(lián)多孔淀粉的顆粒表面出現(xiàn)明顯的裂痕，這是因?yàn)樵诿附膺^(guò)程中淀粉顆粒的剛性結(jié)構(gòu)不強(qiáng)，容易坍塌和崩解，而交聯(lián)多孔淀粉則很好的保持了原淀粉的顆粒形狀且具有良好的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，說(shuō)明交聯(lián)可以提高多孔淀粉的剛性結(jié)構(gòu)。其中,ScPS-4的孔徑尺寸最小,且孔的數(shù)目最多,說(shuō)明其酶解效果最好,這與上述吸附測(cè)試結(jié)果保持一致;ScPS-8中的孔則相對(duì)較淺,這可能是由于交聯(lián)程度過(guò)高,不利于淀粉酶水解。從交聯(lián)多孔淀粉顆粒的高度多孔結(jié)構(gòu)可以推斷,這種淀粉相比原淀粉將具有更好的吸附能力。因此,交聯(lián)多孔淀粉可優(yōu)選用作各種用途的吸附劑。

圖1 原淀粉、交聯(lián)淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的SEM顯微照片F(xiàn)ig.1 SEM micrographs of native starch(NS),crosslinked starch(CL-4)and crosslinked porous starch(ScPS)samples

2.4 X-射線衍射分析

該步驟也主要研究交聯(lián)多孔淀粉(ScPS)的XRD圖譜,同時(shí)以原淀粉(NS)和未交聯(lián)多孔淀粉(PS)作對(duì)照,得到圖2所示圖譜。從圖中可以看出,NS和各ScPS樣品在衍射角2θ為15.3°、17.1°、18.2°和23.5°處均有四個(gè)特征峰,為典型的A型結(jié)晶性結(jié)構(gòu)[17],這與Zobel H F[17]得出的結(jié)論一致,說(shuō)明交聯(lián)以后淀粉的晶型沒(méi)有發(fā)生改變。多孔淀粉(PS)也表現(xiàn)出類(lèi)似的A型結(jié)晶圖案,具有更高的強(qiáng)度和更尖銳的峰型,表明酶水解并沒(méi)有改變淀粉的物理結(jié)構(gòu),說(shuō)明水解反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的無(wú)定型區(qū)[10],這一觀察結(jié)果與Gallant等人[18]早期的研究結(jié)果是一致的。與原淀粉相比,未交聯(lián)多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉樣品的衍射強(qiáng)度則明顯增強(qiáng),這可能是由于STMP和淀粉分子之間的交聯(lián)反應(yīng)主要發(fā)生在淀粉顆粒的結(jié)晶區(qū)域[10]。

圖2 各淀粉樣品的X衍射圖譜Fig.2 X-ray diffractograms of each starch sample

2.5 紅外圖譜分析

淀粉的晶型,鏈構(gòu)象和螺旋結(jié)構(gòu)的變化均可以改變紅外能量的吸收[19]。因此,紅外光譜可以用來(lái)進(jìn)一步考察STMP交聯(lián)多孔淀粉樣品的結(jié)構(gòu)變化。

原淀粉、多孔淀粉和STMP交聯(lián)多孔淀粉(ScPS)的紅外光譜圖如圖3所示。其中,3400 cm-1處的峰值對(duì)應(yīng)的是O-H的伸縮振動(dòng),1248 cm-1處的峰值對(duì)應(yīng)于O-H的彎曲振動(dòng),1365～1413 cm-1區(qū)域的吸收帶是由C-H彎曲振動(dòng)引起的,2945 cm-1處觀察到的吸收帶是由于C-H的伸縮,1160 cm-1處的吸收峰是由于C-O的彎曲[20-21],而在1025 cm-1處,則表示為P-O-C的特征吸收,1242 cm-1處對(duì)應(yīng)的是P=O的特征吸收[22]。從圖中可以看出,交聯(lián)多孔淀粉和原淀粉的紅外圖譜圖相似,沒(méi)有新峰產(chǎn)生,可以初步確定此交聯(lián)反應(yīng)除有磷酸酯基團(tuán)產(chǎn)生外,無(wú)其他新的化學(xué)鍵生成。各淀粉樣品的O-H、C-H和C-O鍵的振動(dòng)帶之間不存在顯著性差異,說(shuō)明各淀粉樣品的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)相似。交聯(lián)多孔淀粉在3400 cm-1處的吸收峰變窄,這是由于-OH鍵發(fā)生了締合,5位上的淀粉顆粒的羥基伸縮振動(dòng)減少,即發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng),-OH鍵正逐漸以交聯(lián)鍵取代,-OH振動(dòng)的種類(lèi)減少,使得振動(dòng)更趨向于某種特定類(lèi)型。而原淀粉中2、3、5位上的羥基都可以產(chǎn)生伸縮振動(dòng),由于羥基位置的不同,在譜圖上表現(xiàn)為3200～3600 cm-1范圍內(nèi)的平緩寬峰。奇怪的是,所有淀粉樣品中并沒(méi)有出現(xiàn)P-O-C的特征吸收峰,但在1242 cm-1處均存在一個(gè)小峰,且強(qiáng)度相差不大,這可能是因?yàn)榻宦?lián)淀粉樣品中結(jié)合的磷含量較低,導(dǎo)致交聯(lián)反應(yīng)連接上的磷酸酯基團(tuán)和玉米淀粉中天然存在的磷酸基團(tuán)在紅外圖譜上所產(chǎn)生的峰互相重疊[23],因此在紅外圖譜上看不出明顯的差異。

圖3 原淀粉、多孔淀粉和交聯(lián)多孔淀粉樣品的紅外光譜圖Fig.3 The FTIR spectra of native starch(NS),porous starch(PS)and crosslinked porous starch(ScPS)samples

2.6 孔隙度分析

酶水解會(huì)造成總孔面積、平均孔徑以及孔隙率的明顯增加,為了更好地考察各淀粉酶解后的成孔效果,我們進(jìn)行了孔隙度的測(cè)試。原淀粉和具有不同交聯(lián)度的交聯(lián)多孔淀粉的總孔面積、平均孔直徑以及孔隙率測(cè)試結(jié)果如表3所示,從表中可以看出,交聯(lián)多孔淀粉相比原淀粉具有明顯更高的總孔面積、平均孔直徑和孔隙率值,表明交聯(lián)多孔淀粉表面含有較多的孔洞。同樣還可以發(fā)現(xiàn),不同交聯(lián)度的交聯(lián)多孔淀粉其孔隙度測(cè)試結(jié)果也存在較大差別,說(shuō)明交聯(lián)度對(duì)淀粉酶解效果存在很大的影響。在所有樣品中,ScPS-4具有最高的孔隙度值,說(shuō)明其成孔效果最好,這與SEM表征和吸附性能測(cè)試結(jié)果相一致。

表3 原淀粉和交聯(lián)多孔淀粉的孔隙度測(cè)試結(jié)果Table 3 The porosity test of the native starch(NS) and crosslinked porous starch(ScPS)samples

注:不同上標(biāo)字母表示在p<0.05水平下差異顯著。

2.7 包封率

多孔淀粉微球?qū)ι锘钚晕镔|(zhì)的吸附是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。由于多孔淀粉微球表面存在大量微孔,相互之間可以形成傳質(zhì)通道。在滲透壓作用下,生物活性物質(zhì)可通過(guò)傳質(zhì)通道進(jìn)入淀粉微球內(nèi)部;另外還可能存在淀粉微球和生物活性物質(zhì)之間的靜電吸附作用。交聯(lián)多孔淀粉的高度多孔結(jié)構(gòu),使其具有較大的比表面積,從而提高對(duì)活性物質(zhì)的吸附量。為了較好的看出交聯(lián)多孔淀粉對(duì)活性物質(zhì)的吸附能力,本文選擇成孔效果最好的ScPS-4淀粉樣品用于包封率的測(cè)定,通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液浸漬法進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn),利用HPLC法測(cè)得ScPS-4對(duì)紅景天苷的包封率為58.89%。該吸附過(guò)程簡(jiǎn)單,吸附條件溫和,但吸附量一般,這可能是由于交聯(lián)多孔淀粉對(duì)紅景天苷的吸附僅為物理吸附而不是化學(xué)吸附。

2.8 體外釋放

圖4 紅景天苷在不同釋放介質(zhì)中的累積釋放曲線Fig.4 Cumulative release profiles of salidroside in different release media

圖4是載藥多孔淀粉微球在模擬胃液(SGF)、PBS和模擬腸液(SIF)中的體外釋放結(jié)果。從圖中可以明顯看出,紅景天苷從交聯(lián)多孔淀粉中的釋放速率隨著pH降低而降低,且三種環(huán)境下的釋放曲線類(lèi)似,都是前6 h快速釋放,在第12 h時(shí)趨于穩(wěn)定,之后則一直維持釋放平衡。前一個(gè)階段快速釋放的原因可能是微球表面粘附的藥物快速進(jìn)入釋放介質(zhì);第二個(gè)階段,藥物釋放度隨時(shí)間延長(zhǎng)呈緩慢增長(zhǎng)直至平衡,這是因?yàn)樗幬镝尫朋w系逐漸達(dá)到飽和或濃度差減小,使得釋放過(guò)程變緩。在釋放48 h后,紅景天苷在SGF、PBS和SIF溶液中的最大累積釋放量分別為81%、88%和92%?？梢?jiàn),載藥交聯(lián)多孔淀粉微球具有一定的緩釋性能,能夠提高紅景天苷的生物半衰期和生物利用度。相比在胃酸和中性條件下,載藥多孔淀粉微球在腸液中的釋放更加完全,這很可能是因?yàn)樗鼈兯鈾C(jī)理的不同所導(dǎo)致的。在胃液和腸液中對(duì)淀粉微球發(fā)揮主導(dǎo)作用的分別是酸水解和淀粉酶水解,而淀粉作為淀粉酶的作用底物,在其作用下可以有效水解,因此腸道環(huán)境下可以有效的使其包埋的紅景天苷得到完全的釋放;而中性條件下則更多的是表現(xiàn)為溶脹擴(kuò)散。

3 結(jié)論

本研究以玉米淀粉為原料,采用α-淀粉酶和糖化酶復(fù)合酶解與三偏磷酸鈉交聯(lián)改性相結(jié)合的方法制備了一系列具有高、低不同交聯(lián)度的交聯(lián)多孔淀粉,經(jīng)SEM證實(shí)這些交聯(lián)多孔淀粉顆粒表面均存在大量孔洞,且孔的數(shù)量和大小是不同的,其中ScPS-4的成孔效果最好,具有良好的蜂窩狀中空結(jié)構(gòu);相比原玉米淀粉的光滑表面,這種高度多孔的結(jié)構(gòu)有利于淀粉顆粒對(duì)目的物質(zhì)的吸附,具有良好的吸附性能,其最高吸油率為28.15%,對(duì)紅景天苷的包封率也達(dá)到了58.89%。孔隙度測(cè)試結(jié)果也證明了該交聯(lián)多孔淀粉相比原淀粉具有明顯更高的總孔面積、平均孔直徑和孔隙率值。在膨潤(rùn)力測(cè)定結(jié)果中我們還證實(shí)了該淀粉相比原淀粉具有更剛性的結(jié)構(gòu)以及更高的糊化溫度。在利用紅外光譜和XRD對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征時(shí)發(fā)現(xiàn),淀粉進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)后晶型并沒(méi)有發(fā)生改變。最后在對(duì)紅景天苷進(jìn)行體外釋放實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),載藥多孔淀粉微球在模擬腸液中紅景天苷的累積釋放量達(dá)到了92%,且具有較好的緩釋效果,能夠提高紅景天苷的生物半衰期和生物利用度。交聯(lián)多孔淀粉作為天然無(wú)毒的生物載體,在緩控釋輸送領(lǐng)域具有很好的發(fā)展空間。

[1]聶麗紅,羅志剛,王穎,等. 酶法制備多孔玉米淀粉及其顯微結(jié)構(gòu)的研究[J]. 現(xiàn)代食品科技,2009,25(12):1427-1430.

[2]張忠,吳居吾,熊華,等. 秈米多孔淀粉制備及微藻油DHA微膠囊化的研究[J]. 食品工業(yè)科技,2012,33(1):211-213,216.

[3]梁勇,張本山,楊連生,等. 三偏磷酸鈉高交聯(lián)玉米淀粉非糊化特征研究[J]. 中國(guó)糧油學(xué)報(bào),2003,18(6):62-65.

[4]梁勇,張本山,楊連生,等. 三偏磷酸鈉交聯(lián)玉米淀粉顆粒膨脹歷程及結(jié)構(gòu)特征[J]. 無(wú)錫輕工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,20(6):564-567.

[5]李鳳林. 紅景天苷藥理作用的研究現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代食品科技,2013,29(4):916-920,893.

[6]范明輝. 紅景天苷納米脂質(zhì)體的研制[D]. 無(wú)錫:江南大學(xué),2008.

[7]Fan M,Xu S,Xia S,et al. Effect of different preparation methods on physicochemical properties of salidroside liposomes[J]. J Agric Food Chem,2007,55(8):3089-3095.

[8]Peng H,Li W,Ning F,et al. Amphiphilic chitosan derivatives-based liposomes:synthesis,development,and properties as a carrier for sustained release of salidroside[J]. J Agric Food Chem,2014,62(3):626-633.

[9]Peng H,Dong R,Wang S,et al. A pH responsive nano-carrier with mesoporous silica nanoparticles cores and poly(acrylic acid)shell-layers:fabrication,characterization and properties for controlled release of salidroside[J]. Int J Pharm,2013,446(1-2):153-159.

[10]Fei G,Dong L,Chong-hao B,et al. Preparation and characterization of starch crosslinked with sodium trimetaphosphate and hydrolyzed by enzymes[J]. Carbohydrate Polymers,2014,103:310-318.

[11]Lin W,Yu D,Yang M. pH-sensitive polyelectrolyte complex gel microspheres composed of chitosan/sodium tripolyphosphate/dextran sulfate:swelling kinetics and drug delivery properties[J]. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2005,44(2-3):143-151.

[12]Feng C,Wang Z G,Jiang C Q,et al. Chitosan/o-carboxymethyl chitosan nanoparticles for efficient and safe oral anticancer drug delivery:Invitroandinvivoevaluation[J]. International Journal of Pharmaceutics,2013,457(1):158-167.

[13]Wang Y,Wang L. Physicochemical properties of common and waxy corn starches oxidized by different levels of sodium hypochlorite[J]. Carbohydrate Polymers,2003,52(3):207-217.

[14]Lee K Y,Rowley J A,Eiselt P,et al. Controlling mechanical and swelling properties of alginate hydrogelsn dependently by cross-linker type and cross-linking density[J]. Macromolecules,2000,33(11):4291-4294.

[15]Hirsch J B,Kokini J L. Understanding the mechanism of cross-linking agents(POCl3,STMP,and EPI)through swelling behavior and pasting properties of cross-linked waxy maize starches[J]. Cereal Chemistry,2002,79(1):102-107.

[16]Zhang B,Cui D,Liu M,et al. Corn porous starch:Preparation,characterization and adsorption property[J]. International Journal of Biological Macromolecules,2012,50(1):250-256.

[17]Zobel H F. Molecules to granules:A comprehensive starch reciew[J]. Starch/Sta?ke,1988,40(2):44-50.

[18]Gallant D,Mercier C,Guilbot A. Electron microscopy of starch granules modified by bacterial alpha-amylases[J]. Cereal Chemistry,1972,49(3):354-365.

[19]Wu Y,Seib P A. Acetylated and hydroxypropylated distarch phosphates from waxy barley:Paste properties and freeze-thaw stability[J]. Cereal Chemistry,1990,67(2):202-208.

[20]Peng H L,Xiong H,Wang S Q,et al. Soluble starch-based biodegradable and microporous microspheres as potential adsorbent for stabilization and controlled release of coix seed oil[J]. European Food Research Technology,2011,232(4):693-702.

[21]Silva-junior A A,Scarpa M V,Pestana K C,et al. Thermal analysis of biodegradable microparticles containing ciprofloxacin hydrochloride obtained by spray drying technique[J]. Thermochimica Acta,2008,467(1-2):91-98.

[22]普雷士(瑞士)等著. 宋國(guó)斌譯. 有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析[M]. 上海:華東理工大學(xué)出版社,2002.

[23]季佳佳. 三偏磷酸鈉交聯(lián)玉米淀粉的理化性質(zhì)研究[D]. 天津:天津科技大學(xué),2010.

Preparation of crosslinked porous starch by enzymatic hydrolysis combined with crosslinking modification to encapsulate salidroside

GAN Zhao-di1,PENG Hai-long1,2,*,XIONG Hua1

(1.State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China;2.Department of Chemical Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China)

A series of crosslinked porous starch with different crosslinking degree were prepared from corn starch by using compound enzymes ofα-amylase and glucoamylase combined with sodium trimetaphosphate as crosslinking agents. The morphological structure and physicochemical properties of corn starch,porous starch and crosslinked porous starch were investigated by various characterization methods and applied to the study of encapsulate salidroside. The crosslinked porous starch prepared by this method had a good honeycomb hollow structure,which was favorable for the adsorption of starch granules to the target substance. Compared with the raw starch and uncrosslinked porous starch,the oil absorption capability of crosslinked porous starch had improved significantly,and the entrapment efficiency of salidroside was 58.89%. The crosslinked porous starch remained the same crystal form of corn starch after crosslinking reaction,and had higher values of total pore area,average pore diameter and porosity. Its molecular structure was more compact,more rigid and had a higher gelatinization temperature. All these results indicated that crosslinking modification enhanced the structural properties of porous starch. The results ofinvitrorelease indicated that the crosslinked porous starch had a good sustained release effect on salidroside,which could improve the biological half-life and bioavailability of salidroside.

enzymatic hydrolysis;sodium trimetaphosphate(STMP);crosslinked porous starch;salidroside;invitrorelease

2016-08-19

甘招娣(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：功能性食品，E-mail：zhaodigan@163.com。

*通訊作者:彭海龍(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：功能性食品和食品安全，E-mail：peng_hailong@aliyun.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目(31160317)；江西省自然科學(xué)基金(2014BAB213003和20151BAB203029)。

TS235.1

A

:1002-0306(2017)03-0068-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.005