王云鵬,張曉苗,謝衛(wèi)紅,張 毅,
(1.湖北工業(yè)大學(xué)生物工程與食品學(xué)院,湖北武漢 430068;2.發(fā)酵工程教育部重點實驗室,湖北武漢 430068)
艾葉為菊科草本植物艾蒿(Artemisia argyiLevl.et Vant.)的干燥葉,臨床用于溫經(jīng)止血、宮冷不孕等[1]。艾蒿的資源分布是主要在北溫帶地區(qū),特別是亞洲、歐洲和北美[2]。艾葉在我國分布也十分廣泛,主要分布于湖北、河南、湖南、安徽、山東、河北等地[3]。目前從艾葉中發(fā)現(xiàn)多種天然成分,包括精油、黃酮、酚酸及多糖[4?8]。艾葉多糖是艾葉的主要功能活性成分之一,并被證實具有多種藥理功效,包括抗氧化[9]、調(diào)節(jié)免疫[10?11]、降血糖[12]、抗腫瘤[13?14]等藥理作用,具有極大的開發(fā)潛力。但艾葉多糖易吸收水分,從而導(dǎo)致潮解、流動性降低等變化限制了其應(yīng)用[15]。因此可通過將其微囊化,改善其粉體學(xué)性質(zhì),提高穩(wěn)定性和生物利用度,拓展艾葉多糖的應(yīng)用。
多糖的微囊化已得到了廣泛的應(yīng)用。鐘誠等[16]以海藻酸鈣作為壁材包埋枸杞多糖,利用靜電液滴法制備出枸杞多糖凝膠微球,發(fā)現(xiàn)與單獨的枸杞多糖相比,經(jīng)包埋后的枸杞多糖對骨質(zhì)疏松小鼠起到更好的治療作用,延緩枸杞多糖在胃腸道的時間,提高了生物利用度,進(jìn)而提高藥效。Niu 等[17]以麥芽糖糊精和乳清蛋白為壁材包埋銀耳多糖,利用噴霧干燥法制備了銀耳多糖微囊,不但改善了銀耳多糖的吸濕性和結(jié)塊情況,提高了其穩(wěn)定性,而且未影響其治療糖尿病的功效。
明膠是由膠原部分水解而得到的一類蛋白質(zhì),大多用于緩釋載體材料[18]。以明膠為載體的微球劑的制備,可提高藥物的穩(wěn)定性并且具有緩釋作用,具有很好的應(yīng)用前景[19]。本課題組研究表明,從艾葉中提取的多糖具有良好的抗氧化活性,具有抑制α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的活性[20]。目前,國內(nèi)外未見以明膠作為包材將艾葉多糖微囊化的相關(guān)研究?;诖?,本研究以乳化-化學(xué)交聯(lián)固化法將艾葉多糖制成明膠微球,以期提高其穩(wěn)定性,開發(fā)成具有緩釋作用,腸溶性良好,生物利用度高的新產(chǎn)品。利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化制備工藝,表征其結(jié)構(gòu),驗證其緩釋性能,為艾葉多糖調(diào)節(jié)血糖功能產(chǎn)品的開發(fā)提供理論依據(jù)。
干燥艾葉 湖北蘄陽河蘄艾科技有限公司;DEAE 纖維素-52 柱層析,上海源葉生物科技有限公司;明膠 分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司;蒽酮 分析純,上海麥克林生化科技有限公司;三氯乙酸 分析純,上海源葉生物科技有限公司;span85 分析純,上海旭碩生物科技有限公司;液體石蠟、無水乙醇(均為分析純)、25%戊二醛(生化試劑)國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
R-1001VN 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 鄭州長城科工貿(mào)有限公司;F-020S 超聲儀 深圳福洋科技集團(tuán)有限公司;EPOCH 超微量分光光度計 美國伯騰儀器有限公司;JSM-6390LV 掃描電子顯微鏡 日本電子株式會社;Mastersizer3000 激光粒度儀 英國馬爾文儀器有限公司;RC806D 溶出儀 天津天大天發(fā)科技有限公司。
1.2.1 艾葉總多糖提取工藝 稱取一定量的艾葉,以1∶30(g/mL)的質(zhì)量比加入去離子水,攪拌后置于4 ℃冰箱內(nèi)12 h,以使水溶性成分更充分的溶出。然后將混合物超聲30 min,功率為200 W。水浴80 ℃加熱2 h,經(jīng)紗布粗濾后再抽濾,收集濾液進(jìn)行旋蒸濃縮得到粗提物,加入4 倍體積的無水乙醇,4 ℃醇沉12 h 后6000 r/min 離心10 min 取沉淀,用少量去離子水溶解沉淀,再加入等體積的10%三氯乙酸脫蛋白,離心后取上清液再醇沉后用2000 Da 透析袋透析36 h,冷凍干燥后得到艾葉總多糖[20]。
1.2.2 艾葉多糖的分離純化 稱取一定量的艾葉總多糖在去離子水中溶解,用0.45 μm 微孔濾膜過濾,采用DEAE 纖維素-52 層析柱(200×10 mm)分離純化,分別用去離子水、0.1、0.3 和0.5 mol/L 的NaCl溶液逐級洗脫,流速為1.0 mL/min[21]。純化樣品經(jīng)濃縮后用2000 Da 透析袋透析48 h 并凍干。四種組分命名為AAP1、AAP2、AAP3、AAP4。實驗室前期研究表明AAP4 相較于其他組分對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶抑制活性較好[20],所以選擇AAP4 作為包封對象。
1.2.3 艾葉多糖(AAP4)-明膠微球的制備 釆用乳化交聯(lián)法制備微球[22],即稱取一定量的明膠溶于適量去離子水中,加入艾葉多糖溶液充分混勻制成水相溶液并加熱至60 ℃充分混勻。滴加少量span85 于液體石蠟中制成油相,轉(zhuǎn)速900 r/min 的條件下,將水相加到油相中,30 min 充分乳化后冷卻至4 ℃以下攪拌,加入1%戊二醛固化2 h 后離心,用乙醇洗滌沉淀殘留的液體石蠟和交聯(lián)劑,60 ℃恒溫干燥即得微球。以上方法可加入等量去離子水代替多糖樣品作為實驗的空白對照。
1.2.4 單因素實驗
1.2.4.1 多糖濃度對微球包封率及載藥量的影響 稱取4 份1.00 g 明膠,分別溶于10 mL 水中使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,再分別加入10、50、100、150、200 mg艾葉多糖,使多糖濃度分別為1、5、10、15、20 mg/mL,并攪拌均勻制成水相。在液體石蠟中加入1.4%的乳化劑制成油相,以4:1 的油水比混合兩相。依據(jù)1.2.3 工藝固化洗滌后,考察微球的包封率和載藥量的變化。
1.2.4.2 明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微球包封率及載藥量的影響 稱取0.8、1.0、1.2、1.4 g 的明膠分別溶于10 mL的去離子水中,使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%、10%、12%、14%。并加入100 mg 艾葉多糖使其濃度為10 mg/mL。在液體石蠟中加入乳化劑濃度為1.4%,依據(jù)1.2.3 的工藝,按照油水比為4:1 的比例進(jìn)行油相水相的混合、交聯(lián)固化、洗滌后,考察微球的包封率和載藥量的變化。
1.2.4.3 油水比對微球包封率及載藥量的影響 固定10%明膠和10 mg/mL 的艾葉多糖,60 ℃下混合制成水相。液體石蠟中加1.4% span85 制成油相并按照油水比2:1、3:1、4:1、5:1 的比例混合,依據(jù)1.2.3 的工藝固化洗滌后,考察油水比對制備微球的包封率和載藥量的影響。
1.2.4.4 乳化劑濃度對微球包封率及載藥量的影響 固定10%明膠和10 mg/mL 的艾葉多糖,60 ℃下混合制成水相。液體石蠟中分別加入0.8%、1.0%、1.2%、1.4% span85 制成油相、按照油水比4:1 的比例混合,依據(jù)1.2.3 的工藝固化洗滌后,考察乳化劑濃度對微球包封率和載藥量的影響。
1.2.5 響應(yīng)面試驗 依據(jù)單因素實驗,以包封率、載藥量為響應(yīng)值,選擇影響較為顯著的三個因素,即多糖濃度、明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)、油水比。采用Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化制備工藝[23]。因素與水平設(shè)計見表1。
1.2.6 包封率與載藥量測定 稱取100 mg 艾葉多糖-明膠微球,加入10 mL 去離子水超聲60 min,90 ℃加熱回流5 h,取上清液用0.22 μm 微孔濾膜過濾,利用蒽酮-硫酸法[24]測定多糖含量,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=3.71806x+0.00827,R2=0.9962,求出艾葉多糖含量,為消除干擾,以空白微球做對照,利用公式計算多糖含量、包封率和載藥量,其公式如下:
式中:C 為標(biāo)曲計算多糖濃度,mg/mL;V 為溶解多糖溶劑體積,mL;m 為稱取多糖質(zhì)量,mg;C1為標(biāo)曲計算微球中多糖濃度,mg/mL;V1為分散微球溶劑體積,mL;n 為檢測微球中多糖含量時稀釋倍數(shù);m1為稱取微球中多糖的理論質(zhì)量,mg;m2為稱取微球質(zhì)量,mg。
1.2.7 艾葉多糖明膠微球表征
1.2.7.1 微球形貌觀察 取適量微球,加入無水乙醇超聲分散10 min。吸取適量混懸液在硅片上,揮干后進(jìn)行噴金處理后掃描電鏡觀察,加速電壓為15 kV。
1.2.7.2 微球粒徑測定 取少量微球加入無水乙醇超聲10 min 分散均勻,使用激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑測定明膠微球平均粒徑和粒度分布,折射率為1.38,溫度25 ℃。
1.2.8 體外釋放度測定 依據(jù)2020 版《中國藥典》進(jìn)行溶出度與釋放度測定[25]。稱取適量艾葉多糖明膠微球,以pH2.5 和pH7.4 磷酸鹽緩沖液為釋藥介質(zhì),在37 ℃,轉(zhuǎn)速100 r/min 條件下進(jìn)行體外釋放度實驗。在0.5~12 h 內(nèi)取樣。釆用蒽酮-硫酸法測定不同時間多糖的含量。
1.2.9 微球釋放多糖對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性的抑制效果 稱取30 mg 微球,參照1.2.8 方法,分別取釋放上清液過0.45 μm 的微孔濾膜。參照文獻(xiàn)[26?27]的方法測定釋放的艾葉多糖對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率,并以1.5 mg/mL 的艾葉多糖作為對照組。
平行實驗均重復(fù)3 次,采用Excel 和IBM SPSS Statistics 26 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用Origin 2019b 和Design-Expert 13 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。
用DEAE 纖維素-52 色譜柱純化多糖,NaCl 溶液濃度梯度(0~0.5 mol/L)洗脫粗多糖。如圖1 所示,觀察到4 個峰,表明成功分離了4 個不同的組分。
圖1 艾葉多糖DEAE-52 纖維柱色譜圖Fig.1 The DEAE-52 cellulose column chromatograms of Artemisia argyi polysaccharide
2.2.1 多糖濃度對微球包封率及載藥量的影響 由圖2 可知,1~15 mg/mL 時包封率和載藥量逐漸增加。當(dāng)多糖濃度達(dá)到15 mg/mL 時,微球的包封率和載藥量達(dá)到了最高分別為64.14%和9.56%。當(dāng)在20 mg/mL 時,包封率出現(xiàn)下降,載藥量保持升高,分別為60.33%和12.06%。而在15 和20 mg/mL 時包封率已無顯著性差異(P>0.05),這是由于當(dāng)多糖濃度達(dá)到一定濃度時,多糖的量相對于明膠過量,明膠包覆能力有限,使得包封率下降[28]。選擇多糖濃度5、10、15 mg/mL作為響應(yīng)面考察水平。
圖2 多糖濃度對微球包封率、載藥量的影響Fig.2 Effect of polysaccharide concentration on encapsulation efficiency and drug loading of microspheres
2.2.2 明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微球包封率及載藥量的影響 由圖3 可知,當(dāng)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時,微球的包封率和載藥量分別為39.33%和4.92%。隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,包封率和載藥量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時,微球的包封率和載藥量分別為56.41%和5.64%。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%時出現(xiàn)下降,且包封率已無顯著性差異(P>0.05),與14%有顯著性差異(P<0.05)。原因可能是明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高,使粘度增大導(dǎo)致微球球形變差,進(jìn)而微球的包封率和載藥量下降[29]。明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對工藝中微球的成形有較大程度的影響,由于在8%時包封率與載藥量過于偏低,因此選擇10%、12%、14%作為響應(yīng)面考察水平。
圖3 明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對微球包封率、載藥量的影響Fig.3 Effect of gelatin mass fraction on encapsulation efficiency and drug loading of microspheres
2.2.3 油水比對微球包封率及載藥量的影響 如圖4所示,隨著油水比值的增加,包封率和載藥量逐漸上升。當(dāng)油水比為2:1 時,微球的包封率和載藥量分別為45.76%和3.74%。當(dāng)油水比為4:1 時達(dá)到最大值,包封率和載藥量分別為56.41%和5.64%。當(dāng)油水比達(dá)到5:1 時,包封率和載藥量顯著下降(P<0.05)。原因可能是油相體積越大,乳滴分散情況越充分,油相較多時導(dǎo)致樣品未能與明膠結(jié)合使包封率和載藥量降低[30]。選擇油水比3:1、4:1、5:1 作為響應(yīng)面考察水平。
圖4 油水比對微球包封率、載藥量的影響Fig.4 Effect of oil-water ratio on encapsulation efficiency and drug loading of microspheres
2.2.4 乳化劑濃度對微球包封率及載藥量的影響 如圖5 所示,當(dāng)乳化劑濃度為0.8%時微球的包封率和載藥量分別為49.18%和4.92%。隨著乳化劑濃度的增高,包封率與載藥量逐漸增加。當(dāng)濃度為1.2%時達(dá)到極值,包封率和載藥量分別為58.12%和5.81%,隨后包封率隨濃度增加而下降。推測乳劑用量過高會增大藥物在外水相中的溶解度[29],導(dǎo)致包封率下降。當(dāng)乳化劑用量少時,乳液體系形成的界面膜不飽和,導(dǎo)致乳液體系不穩(wěn)定,包封率降低。確定其最佳濃度為1.2%。由于乳化劑濃度的影響的顯著性小于其他因素,所以不作為響應(yīng)面試驗的考察因素。
圖5 乳化劑濃度對微球包封率、載藥量的影響Fig.5 Effect of emulsifier concentration on encapsulation efficiency and drug loading of microspheres
根據(jù)單因素實驗結(jié)果,選取對艾葉多糖明膠微球性質(zhì)影響較為顯著的3 個因素即多糖濃度、明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)、油水比。利用軟件Design-Expert 13 對選取的3 個因素進(jìn)行分析。試驗的設(shè)計及結(jié)果見表2。并以表2 建立回歸模型擬合得的回歸方程為:
表2 響應(yīng)面因素設(shè)計及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis
S1=?257.355+5.811A+37.31625B+28.745C?0.41AB?0.281AC+0.9725BC+0.0493A2?1.51937B2?4.6125C2(R2=0.9316,P<0.0001)
S2=?20.4245+1.30265A+2.22175B+2.6125C?0.0745AB?0.0175AC+0.0775BC+0.0113A2?0.090437 B2?0.41925C2(R2=0.9981,P<0.0001)
由表3、表4 可知,兩個擬合方程中一次項中A(多糖濃度)、B(明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù))均為極顯著因素(P<0.01),C(油水比)為不顯著因素(P>0.05);二次項中S1(包封率)擬合方程A2為顯著(P<0.05)、B2和C2為極顯著(P<0.01),S2(載藥量)擬合方程A2、B2和C2均為極顯著(P<0.01);S1和S2中AB 交互作用均為極顯著(P<0.01)。S1中BC 交互作用極顯著(P<0.01)、AC 交互作用顯著(P<0.05),S2中AC 和BC 交互作用不顯著(P>0.05)。S1、S2方差分析表中的模型P<0.0001,失擬項P值分別為0.4165 和0.0520,皆大于0.05,不顯著,說明模型擬合度較好。由表中回歸系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果可知,對S1和S2的影響大小順序如下:多糖濃度、明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)、油水比。
表4 載藥量回歸模型方差分析結(jié)果Table 4 Results of variance analysis of drug loading regression model
通過Design-Expert13 軟件利用包封率和載藥量為響應(yīng)值得出各個因素交互作用的三維響應(yīng)面圖(圖6)。如圖6a 所示,當(dāng)固定油水比時,隨著多糖濃度的升高響應(yīng)值出現(xiàn)逐漸升高的趨勢,隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高響應(yīng)值呈先上升后下降的趨勢,從等高線可知多糖濃度的影響最大。圖6b 顯示,當(dāng)明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定時,隨著多糖濃度的升高響應(yīng)值出現(xiàn)逐漸升高的趨勢,隨著油水比的升高響應(yīng)值呈先上升后下降的趨勢,從等高線上可以看出多糖濃度相比油水比對總評值的影響高。圖6c 顯示,當(dāng)多糖濃度固定時,隨著明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)和油水比升高響應(yīng)值呈先升高后下降的趨勢,但從等高線上可以看出明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比油水比對響應(yīng)值的影響更高。因此對響應(yīng)值影響最高的是多糖濃度,其次是明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù),油水比的影響相對不顯著,這與回歸方程顯著性檢驗結(jié)果相同。通過軟件模擬,最終篩選出的最優(yōu)處方為:艾葉多糖濃度15 mg/mL、明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.20%、油水比3.77:1;考慮到實際情況,將油水比修改為3.8:1,其余因素按最優(yōu)處方制備艾葉多糖明膠微球,按照最佳工藝重復(fù)3 次實驗,結(jié)果顯示包封率和載藥量分別為63.80%和9.38%。包封率和載藥量的預(yù)測值分別為63.67%和9.50%,預(yù)測定值相比誤差均小于0.05,表明模型具有較好的預(yù)測能力。
圖6 各因素交互作用響應(yīng)面圖Fig.6 Response surface diagram of interaction of various factors
依據(jù)最優(yōu)的制備工藝制備的艾葉多糖微球為棕黃色粉末。由圖7 所示,微球形態(tài)圓整,表面相對光滑。圖8 為微球粒徑分布圖,微球平均粒徑為59.593 μm,跨距(span)為1.755,粒徑跨度較小。相比于費文玲等[31]制備的綠原酸明膠微球粒徑為36 μm 較大,其攪拌速度為1220 r/min,可能是由于本實驗轉(zhuǎn)速過低引起的粒徑較大[32]。
圖7 艾葉多糖明膠微球掃描電鏡圖Fig.7 Scanning electron microscopy of Artemisia argyi polysaccharide gelatin microspheres
圖8 粒徑分布圖Fig.8 Particle size distribution map
由表5、表6 可知,在零級、一級、Higuchi 模型擬合中,艾葉多糖明膠微球的釋放與一級動力學(xué)模型擬合度高。累積釋藥曲線如圖9 所示,艾葉多糖-明膠微球在酸性條件下(pH2.5)釋放較緩;在酸性條件下艾葉多糖明膠微球0.5 h 藥物釋放達(dá)30%以下,4 h 后藥物釋放達(dá)60%以上,而在pH7.4 條件下0.5 h藥物釋在40%左右,4 h 后藥物釋放達(dá)80%以上,即明膠微球?qū)Π~多糖具有一定的緩釋作用并具有良好腸溶性。
圖9 艾葉多糖明膠微球體外釋藥曲線Fig.9 In vitro drug release curve of Artemisia argyi polysaccharide gelatin microspheres
表5 在pH2.5 釋放介質(zhì)中釋藥曲線擬合結(jié)果Table 5 Release curve fitting results in pH2.5 release medium
表6 在pH7.4 釋放介質(zhì)中釋藥曲線擬合結(jié)果Table 6 Release curve fitting results in pH7.4 release medium
由圖10 可知,在pH7.4 中釋放介質(zhì)中抑制活性要高于在pH2.5 的釋放介質(zhì)中。這可能是由于在pH7.4 的釋放介質(zhì)中釋放的多糖含量更高[33],這可以進(jìn)一步說明艾葉多糖明膠微球具有一定的腸溶性。同時取pH7.4 的釋放上清液,測其最終多糖釋放含量約為1.5 mg/mL。單獨稱取1.5 mg/mL 的艾葉多糖作為對照,在pH7.4 釋放介質(zhì)中,微球釋放多糖對α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶的抑制率分別為31.31%和17.15%,多糖對兩種酶抑制率分別為34.13%和18.05%,抑制活性無顯著性差異(P>0.05)。說明艾葉多糖被明膠包覆后不會影響其活性。
圖10 α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性抑制實驗結(jié)果Fig.10 Experimental results of α-glucosidase and α-amylase activity inhibition
通過DEAE-52 纖維素分離得到的4 種多糖組分(AAP1、AAP2、AAP3、AAP4),以AAP4 作為包封對象。利用明膠為載體,結(jié)合乳化-化學(xué)交聯(lián)法制備艾葉多糖明膠微球,采用單因素與響應(yīng)面分析法進(jìn)行工藝優(yōu)化,利用掃描電鏡和粒度儀對微球進(jìn)行了初步表征并進(jìn)行了釋放度的測定。得到艾葉多糖明膠微球的最佳制備工藝:艾葉多糖濃度為15 mg/mL、油水比為3.8:1、乳化劑濃度為1.2%、明膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.20%,其包封率和載藥量分別為63.80%和9.38%。并且球表面形態(tài)顯示微球光滑圓整,平均粒徑為59.593 μm。體外釋放度結(jié)果表明在pH 為2.5和7.4 的釋放介質(zhì)中12 h 累積釋放率約為60%和80%,即艾葉多糖明膠微球具有較好緩釋作用與腸溶性。通過α-葡萄糖苷酶和α-淀粉酶活性抑制實驗發(fā)現(xiàn),在pH7.4 釋放介質(zhì)中其與單一艾葉多糖抑制活性相比無顯著性差異。
綜上所述,本研究為艾葉多糖調(diào)節(jié)降血糖相關(guān)功能食品開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)。但目前還有些許問題尚未解決,微球粒徑較大,可能是由于乳化過程中的攪拌速度太低引起的,需要通過后續(xù)實驗探究攪拌速度對制備工藝的影響。且關(guān)于微球的表征只停留在初步,需要通過紅外光譜、差示掃描熱量分析、X 射線衍射等手段,對微球的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性進(jìn)行進(jìn)一步的探究。