多孔淀粉在食品藥品中的應(yīng)用進(jìn)展

陶 利，渠廣民，李兆明，林振廣**

（1. 濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院，山東 濟(jì)南 250031；2. 山東省藥學(xué)科學(xué)院 山東省化學(xué)藥物緩釋制劑工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250101）

多孔淀粉（porous starch，PS）是利用物理、化學(xué)或是生物方法對(duì)原生淀粉進(jìn)行改性而形成的一種新型淀粉，其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)特征成為多孔材料方面的研究熱點(diǎn)。多孔淀粉相比較于普通原生淀粉，除了具備淀粉安全性高、可生物降解等特點(diǎn)外，還有顯著的吸附性能，在食品藥品領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更廣泛。拓展多孔淀粉應(yīng)用領(lǐng)域已成為目前重要的研究方向和前沿課題。本文就近年多孔淀粉在食品和藥品中的研究和應(yīng)用研究方面進(jìn)行總結(jié)，為今后多孔淀粉研究提供參考。

1 多孔淀粉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

多孔淀粉作為一種新型的改性淀粉，其特點(diǎn)體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在結(jié)構(gòu)上與原生淀粉不同；另一方面，多孔淀粉突破原生淀粉自身特性局限性，具備了不同于天然淀粉的特殊性能，應(yīng)用范圍拓寬，更適于食品藥品工業(yè)。

從結(jié)構(gòu)上看，多孔淀粉最大的特征是：結(jié)構(gòu)上豐富的孔洞使整個(gè)淀粉組織形成中空結(jié)構(gòu)，極大地提高了多孔淀粉的孔隙率和比表面積?；诓煌闹苽浞椒ê妥饔脵C(jī)制，多孔結(jié)構(gòu)也有較大差異。如，由球磨或超聲方法制備的多孔淀粉，只是通過(guò)物理作用在顆粒表面呈現(xiàn)一些凹坑或者裂縫，和原淀粉相比，增加的孔隙率和比表面積有限。溶劑交換法則利用淀粉的糊化和回生性質(zhì)，使淀粉形成一種網(wǎng)狀的含水膠體，再通過(guò)溶劑置換，制備得到呈三維網(wǎng)絡(luò)狀的多孔淀粉。這種多孔淀粉骨架類似海綿狀結(jié)構(gòu)（圖1），孔洞貫穿整個(gè)淀粉組織，有極高的比表面積和孔隙率。而酸水解或酶解的原理是通過(guò)控制原淀粉水解程度制備多孔淀粉。酸或酶先附著于淀粉表面，由外到內(nèi)優(yōu)先水解淀粉的不規(guī)則區(qū)及無(wú)定形區(qū)，并形成孔道，從而在淀粉顆粒上形成由表面通向核心的孔洞。這種水解方式制備的多孔淀粉具備一種蜂窩狀中空結(jié)構(gòu)，直徑約為 1 μm的小孔布滿整個(gè)淀粉顆粒表面，并由表面向中心深入，孔洞的容積約占整個(gè)顆粒體積約50%（圖2）。

多孔淀粉有與原淀粉同樣的物理化學(xué)特征和性能。雖然多孔淀粉本質(zhì)上不是一種新的物質(zhì)，如早期有學(xué)者觀察到動(dòng)物食用含生淀粉的食物后，排泄出來(lái)未完全消化的淀粉粒也是多孔淀粉，但多孔淀粉除了在結(jié)構(gòu)上有多孔特征外，很多性質(zhì)已改變，如結(jié)晶度、黏度、直鏈淀粉和直鏈淀粉的比例等。

圖1 95 ℃糊化后經(jīng)過(guò)3次乙醇置換后多孔淀粉形貌[1]

圖2 玉米淀粉顆粒經(jīng)糖化酶處理6 h后的掃描電鏡圖像[2]

2 多孔淀粉在食品中的應(yīng)用

2.1 在日用食品中的應(yīng)用

楊圣崠[3]將制備豆腐所用的凝固劑吸附到多孔淀粉里，只有在高于淀粉糊化溫度時(shí)，才能緩慢釋放凝固劑，從而促進(jìn)豆?jié){的蛋白質(zhì)凝聚，形成口感嫩滑的豆腐。將多孔淀粉用于制備粉末醬油，解決了粉末醬油流動(dòng)性差、易黏附問(wèn)題，同時(shí)多孔淀粉還能較好地保存醬油中的氨基酸態(tài)氮，形成優(yōu)質(zhì)的粉末醬油[4-5]。為避免嗜酸性乳桿菌被機(jī)械擠壓破壞、胃酸分解破壞等不適條件，順利到達(dá)腸道發(fā)揮益生作用，馬嫄等[6]以多孔淀粉為壁材制備包埋嗜酸性乳桿菌的微膠囊，有效提高了腸道中嗜酸性乳桿菌的存活率。作為一種營(yíng)養(yǎng)性的高分子物質(zhì)，多孔淀粉還可用于食品中替代脂肪。朱仁宏[7]用多孔淀粉部分代替貢丸中的肥膘，保持貢丸原有的口感品質(zhì)同時(shí)，降低貢丸脂肪含量，減少人體脂肪攝入量。

2.2 在保健食品中的應(yīng)用

多孔淀粉常用于易氧化、見光易分解及揮發(fā)性強(qiáng)的功能性食品成分，如維生素A、維生素E、維生素C、魚肝油、薄荷油等的包埋保護(hù)和緩控釋。紫蘇籽油有降低膽固醇，提高免疫力，平喘止咳作用。但是紫蘇籽油容易受到氧氣、光線和溫度的影響，導(dǎo)致α-亞麻酸被破壞。江慧娟等[8]利用多孔淀粉的物理吸附特點(diǎn)制備粉末紫蘇籽油，能顯著減少紫蘇籽油與外界氧氣和光線的接觸，從而達(dá)到較好的抗氧化效果。蠶蛹油有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，但易酸敗、氧化。邱英華等[9]以木薯多孔淀粉為芯材，吸附蠶蛹油制成粉末蠶蛹油，再以玉米醇溶蛋白為壁材制成的蠶蛹油微膠囊，可以直接食用并長(zhǎng)期穩(wěn)定貯存。

3 多孔淀粉在醫(yī)藥中的應(yīng)用

3.1 止血材料

多孔淀粉因其良好的生物相容性和可降解性，且在體內(nèi)可完全吸收，因此，許多學(xué)者致力于多孔淀粉在止血領(lǐng)域的研究。在國(guó)外，TraumaDEX是以多孔馬鈴薯淀粉為材料制備的止血?jiǎng)?，在吸收血液水分同時(shí)能阻止血小板進(jìn)入其多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)，有利于血小板聚集[10]。另一個(gè)以多孔淀粉制備的止血?jiǎng)〢rista已被美國(guó)和德國(guó)藥品管理部門批準(zhǔn)用于人類外科手術(shù)[11]。在國(guó)內(nèi)，劉成程等[12]以玉米淀粉為原料，采用酸解和酶解結(jié)合方法制備高吸水性玉米多孔淀粉，在兔耳中央動(dòng)脈出血和肝臟創(chuàng)面出血兩個(gè)出血模型的完全止血時(shí)間分別為129±65 s，70±55 s，均明顯優(yōu)于云南白藥。席朝運(yùn)[13]將氨甲環(huán)酸負(fù)載于多孔淀粉中，結(jié)合多孔淀粉的物理止血效果和氨甲環(huán)酸化學(xué)止血效果，協(xié)同增強(qiáng)止血能力。

3.2 藥物載體

難溶性藥物由于溶解度小，導(dǎo)致極低的生物利用度，臨床應(yīng)用受到限制。如何提高難溶性藥物的溶解度，改善藥物的吸收，提高藥物的生物利用度是藥劑學(xué)領(lǐng)域的重要的研究課題。

多孔淀粉以其自身穩(wěn)定的孔道結(jié)構(gòu)，高孔容積和比表面積等優(yōu)點(diǎn)，是難溶性藥物的良好固體分散載體。多孔淀粉負(fù)載藥物后，由于其自身孔道的空間抑制效應(yīng)，在多孔淀粉結(jié)構(gòu)內(nèi)，藥物分子以無(wú)定形或無(wú)序的形式存在，而不是有序的晶體形態(tài)，通過(guò)降低藥物的結(jié)晶度同時(shí)減少藥物的粒徑，從而提高藥物的溶解度。Nagata等[14]將萘普生負(fù)載到多孔淀粉后，溶解度明顯提高?？R西平溶解后吸附到多孔淀粉中制備卡馬西平片，有明顯的突釋作用，其釋放常數(shù)是普通卡馬西平片的8.6倍[15]。徐杰等[16]將達(dá)比加群酯載入多孔淀粉泡沫納米孔道，制備達(dá)比加群酯多孔淀粉泡沫，其體外溶出實(shí)驗(yàn)表明，達(dá)比加群酯的溶出速率顯著提高。Jadhav等[17]利用超臨界技術(shù)制備納米孔淀粉，比表面積高達(dá)180 m2/g，負(fù)載非諾貝特后，體外藥物釋放研究表明，與普通非諾貝特藥物相比，溶解顯著增強(qiáng)，且體內(nèi)藥效學(xué)研究表明，其生物利用度也極大提高。

應(yīng)雪肖等[18]將氨茶堿藥物吸附到多孔玉米淀粉中制成緩釋片，藥物隨淀粉消化緩慢釋放，延長(zhǎng)藥物作用效果。甘招娣等[19]先用三偏磷酸鈉交聯(lián)改性多孔淀粉，提高多孔淀粉的結(jié)構(gòu)性能。隨后，用交聯(lián)多孔淀粉制備載紅景天苷多孔微球，對(duì)紅景天苷的包封率高達(dá) 58.89%。體外釋放實(shí)驗(yàn)表明，在模擬腸液中，紅景天苷多孔淀粉微球具有很好的緩釋效果，能提高紅景天苷的生物半衰期和生物利用度。

將多孔淀粉分散在淫羊藿總黃酮乙醇溶液中，蒸干溶劑后淫羊藿總黃酮以無(wú)定形形式分散于多孔淀粉中，形成淫羊藿總黃酮多孔淀粉固體分散體。體外溶出度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，分散體中淫羊藿苷在水中的溶出速率顯著提高[20]。

3.3 增加穩(wěn)定性

多孔淀粉利用其內(nèi)部孔道的毛細(xì)作用可產(chǎn)生吸附力，能將目的物質(zhì)牢固地吸附到淀粉結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而阻止外界條件對(duì)不穩(wěn)定物質(zhì)的影響。因此，多孔淀粉可對(duì)易氧化、見光易分解及揮發(fā)性強(qiáng)的物質(zhì)起到穩(wěn)定作用。如在大氣中易被氧化或分解的二十二碳六烯酸（DHA），二十碳五烯酸（EPA）)，維生素E，維生素A，胡蘿卜素和番茄紅素被吸附到多孔淀粉內(nèi)后，穩(wěn)定性得到極大提高[21]。王煜等[22]以多孔淀粉為吸附劑，制備姜黃色素微膠囊，在增加難溶性姜黃色素水溶性的基礎(chǔ)上，由于多孔淀粉的包埋隔阻作用，增強(qiáng)姜黃素耐高溫、耐光和耐強(qiáng)酸性能力。紫蘇籽油中α-亞麻酸易氧化導(dǎo)致過(guò)氧化值超標(biāo)，液態(tài)的紫蘇籽油需在避光、隔氧、低溫苛刻條件下保存放置才能符合要求。交聯(lián)酯化葛根多孔淀粉包埋紫蘇油后，包埋的紫蘇籽油過(guò)氧化值變化一直較緩慢，經(jīng)過(guò)4天加速氧化后仍可達(dá)到國(guó)家食用油要求，而未包埋處理的紫蘇籽油過(guò)氧化值急速增加[8]。吳超[23]將洛伐他?。↙V）負(fù)載到多孔淀粉泡沫膜（porous starch foam film, PSF）和多孔淀粉泡沫微球（porous starch foam microspheres, PSM）兩種多孔淀粉藥物載體上，藥物以分子狀態(tài)或微細(xì)的結(jié)晶狀態(tài)分散于PSF和PSM中，體外溶出和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)載到多孔淀粉中的LV與原料藥及市售LV膠囊相比，LV在兩種載體中穩(wěn)定存在并且溶出速率明顯得到提高。

3.4 緩釋作用

多孔淀粉對(duì)易揮發(fā)，易釋放的物質(zhì)有緩釋作用，達(dá)到防止其散失和緩慢釋放的目的。其原理是：多孔淀粉的內(nèi)部孔道貫穿整個(gè)淀粉結(jié)構(gòu)，因此，能將吸附物吸入內(nèi)部的孔道結(jié)構(gòu)中，吸附較牢固，吸附物不易脫離。除了孔隙體積大小外，吸附量還取決于藥物和淀粉之間的吸附力作用大小。侯曉蘋等[24]通過(guò)維生素C、茶堿和牛血清白蛋白三種藥物的吸附/釋放動(dòng)力學(xué)對(duì)多孔淀粉緩釋性能進(jìn)行研究，藥物的釋放過(guò)程受到載體多孔淀粉擴(kuò)散和溶蝕的共同作用影響，從而形成具有良好的吸附能力和緩釋性能。盧曉霆[25]為了提高葡萄多酚的穩(wěn)定性和強(qiáng)化緩釋效果，采用玉米多孔淀粉為材芯載體復(fù)合凝聚法制備葡萄多酚微膠囊，在腸液中有較好的緩釋效果。

4 研究展望

多孔淀粉雖可直接應(yīng)用到食品醫(yī)藥衛(wèi)生化工工業(yè)等領(lǐng)域，但是，多孔淀粉本身的應(yīng)用具有一定的局限性。如，在結(jié)構(gòu)方面，多孔淀粉不同的制備方法其成孔質(zhì)量、孔隙率和孔隙穩(wěn)定性差異較大，對(duì)孔徑大小、形狀分布等的精確控制方法值得更加深入研究；在制備多孔淀粉的效率、規(guī)模和成本方面有待加強(qiáng)研究，使之逐步成為成熟的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)；在組織工程應(yīng)用方面，孔隙率與強(qiáng)度的關(guān)系相互影響，孔隙率高的多孔淀粉強(qiáng)度性能有限，為了提高應(yīng)用效果，結(jié)合應(yīng)用對(duì)象的特性基礎(chǔ)上，對(duì)所制備的多孔淀粉進(jìn)行進(jìn)一步改性，開發(fā)更有效的應(yīng)用技術(shù)。多孔淀粉分子中存在大量的羥基，為表面化學(xué)修飾提供了活性位點(diǎn)。特別是多孔淀粉的結(jié)構(gòu)功能基團(tuán)可進(jìn)一步改性，提高其在藥物傳遞中的應(yīng)用。改性方法有酯化法、接枝法、交聯(lián)法、醚化法、包埋法和雙改性法。這些改性能增加多孔淀粉的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)也能為藥物傳遞、靶向治療、控制釋放等領(lǐng)域提供了新的研究思路。