疏水化多糖自聚集系統(tǒng)的制備方法及其形成機制分析

李紅,唐新,汪小剛,王勇德,趙博,吳振*

1(重慶市食品藥品檢驗檢測研究院,國家市場監(jiān)管重點實驗室(調(diào)味品監(jiān)管技術),重慶,401121) 2(重慶市中藥研究院,中藥健康學重慶市重點實驗室,重慶,400065)

通過將具有生物相容性的疏水性化合物及其聚合物的加工能力和適應性與生物大分子(如多糖、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素等)的易改性、組裝和結構功能控制能力相結合可用于構建結腸靶向遞送載體材料。與其他聚合物相比,天然多糖具有安全性高、可降解、低免疫原性、可修飾性強和良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢,但其缺點在于分子質(zhì)量和結構的高異變性、偶聯(lián)位點難以控制及封裝率較低等。近年來,疏水化多糖聚合物(hydrophobized polysaccharides, HPs)因其在溶液中、薄膜中或在各種天然納米材料中,表現(xiàn)出自組裝能力而受到越來越多的關注[1]。HPs分子能通過自聚集形成聚合物膠束、聚合物囊泡、水凝膠、反膠束、納米囊、納米纖維、納米管、納米粒及其他聚集體等各種自聚集系統(tǒng),通常其疏水鏈均能形成疏水微區(qū),可用于封裝、穩(wěn)態(tài)化、靶向遞送和控釋各種疏水活性物質(zhì)(如食品脂溶性活性和難溶性藥物等)及提高其化學穩(wěn)定性和生物利用率;其碳水化合物鏈均可作為親水端,在穩(wěn)定自聚集系統(tǒng)的空間結構及其與周圍水相環(huán)境的相互作用中起著關鍵作用(如分散、溶解和水合效應等),也可調(diào)節(jié)腸道菌群,改善腸道微環(huán)境,此外部分親水端也能用于水溶性活性成分的應用[2-3]。其中聚合物膠束、聚合物囊泡、水凝膠和反膠束常被推薦用于各種活性成分的高效封裝、靶向遞送及控釋,特別是他們在結腸靶向遞送食品活性成分及抗癌成分方面取得了一定成效。

考慮到制備策略對HPs自聚集系統(tǒng)的形成過程、微觀結構及其應用特性的巨大影響,該文系統(tǒng)梳理了近5年HPs及其自聚集系統(tǒng)的發(fā)展情況,在簡要梳理制備HPs的起始多糖和疏水試劑的基礎上,總結了制備HPs自聚集系統(tǒng)(圖1)方法,分析了各種制備路徑的影響,提出了其前提條件及分子機制,為設計、合成和制備性能更佳的多糖基結腸靶向遞送材料提供依據(jù),為食品加工對HPs自聚集系統(tǒng)應用的影響提供預判和參考。

1 疏水化多糖自聚集系統(tǒng)的構建策略

植物多糖側鏈上的羥基、氨基或羧基等活性基團可與疏水性化合物或其聚合物反應,生成各種HPs,具體見表1。根據(jù)化學結構決定性質(zhì)原理,可選擇食品中常見的淀粉類和非淀粉類多糖作為合成HPs的起始多糖端原料,常見的疏水試劑包括(但不限于)辛烯基琥珀酸酐、十二烯基丁二酸酐、脫氧膽酸、膽固醇、姜黃素、生育酚、脂肪酸、聚乳酸、聚ε己內(nèi)酯[poly(ε-caprolactone),PCL]和聚乳酸-羥基乙酸等。鄭榮等[4]詳細綜述了多糖疏水化改性方法,WANG等[5]詳細綜述了淀粉疏水化改性方法,主要包括酯化、醚化、交聯(lián)、開環(huán)聚合、還原胺化、疏水藥物接枝等。

圖1 疏水化多糖形成的各種自聚集系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of various systems self-assembled from hydrophobized polysaccharides

表1 常見用于合成兩親性HPs的代表性多糖和疏水試劑Table 1 Representative polysaccharides and hydrophobic reagents commonly used for the synthesis of amphiphilic HPs

對于已合成或選定的HPs材料,制備方法及后續(xù)應用環(huán)境對其自聚集體系影響很大,可通過選擇合適的制備方法得到目標產(chǎn)物。通常HPs自聚集系統(tǒng)的制備可分為化學方法和物理方法,但化學方法引入了新的化學鍵,通常不適用于食品工業(yè);物理方法主要是通過HPs分子在水溶液中自組裝形成聚合物納米系統(tǒng),再通過疏水相互作用和/或氫鍵等分子作用力將疏水性功能成分裝載于疏水微區(qū)中,物理方法具有簡單、通用性強,并能夠應用于食品體系的特點。常見的制備HPs自聚集系統(tǒng)的方法見圖1,主要包括直接攪拌溶解法、透析法、自組裝溶劑揮發(fā)法、薄膜水化法、超聲波輔助法、自乳化-溶劑揮發(fā)法、熱誘導法和聚合誘導自組裝(polymerization-induced self-assembly,PISA)等[6]?？筛鶕?jù)HPs分子的結構特性、溶解性、親水親油平衡值(hydrophile-lipophile balance,HLB)及應用對象要求選擇合適的制備方法。制備方法通過影響其自聚集體系的熱力學和動力學平衡過程,從而改變其結構,同時在制備過程中可通過調(diào)節(jié)HPs結構參數(shù)(如親疏水端材料、親疏水性、親疏水鏈長及比例、多糖分子質(zhì)量和HPs濃度等)及其所處的環(huán)境條件(如溫度、pH值、溶劑、鹽和離子強度等因素)調(diào)節(jié)其聚集形態(tài)。

1.1 HPs膠束的構建方法

1.1.1 直接攪拌溶解法

直接攪拌溶解法適用于溶解性較高的HPs,例如辛烯基琥珀酸-多糖酯[7]、JEFFAMINE-b-羥丙基甲基纖維素[8]、硬脂酸-g-燕麥β‐葡聚糖[9]和羥丙基甲基纖維素-b-PCL[10]等,當濃度大于其臨界膠束濃度(critical micelle concentration, CMC)值時,溶解于水或其它水相介質(zhì)(如磷酸鹽緩沖液)中的HPs分子在適當溫度和攪拌的幫助下能夠逐漸自組裝形成膠束,該法優(yōu)勢在于所得膠束及荷載膠束的分散性較好,其缺點是對疏水功效成分的封裝效率較低。

1.1.2 透析法

透析法適用于溶解性較低的HPs,例如硬脂酸-ss-白芨多糖共聚物[11]和殼聚糖-g-PCL[12]。該方法中溶劑的選擇對聚合物膠束的穩(wěn)定性有較大影響,所用的有機溶劑需與水混溶,且體系中除了形成聚合物膠束還存在其他團聚集。透析法也常與其他方法結合用于制備HPs膠束,采用透析法和超聲波輔助溶解法結合用于制備半纖維素-g-脂肪酸膠束[13];采用透析法(溶劑交換)和溶劑輔助溶解[二甲基亞砜(dimethyl sulfoxide,DMSO)和四氫呋喃(tetrahydrofuran,THF)]結合用于制備脫氧膽酸聚酯-b-右旋糖苷膠束[14]。

1.1.3 薄膜水化法

將HPs(如當歸多糖-小檗堿聚合物膠束[15]和肝素-膽固醇共軛物膠束[16])溶解在選定的有機溶劑中,在減壓下使之蒸發(fā)形成聚合物薄膜,再利用超聲波和渦旋等機械手段使薄膜在水相中重新分散形成膠束。選擇合適的有機溶劑至關重要,該法適用于小量和批量生產(chǎn),具有無溶劑殘留、實用性強和載藥率高等特點,但其局限性在于僅適合具有較低HLB值的HPs;在其制備過程中,由于圓底燒瓶和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器容量尺寸的限制導致其可擴展性較差,難以批量生產(chǎn)。

1.1.4 自乳化-溶劑揮發(fā)法

先將HPs水溶液溶于有機溶液(如甲醇、氯仿等)中,在加熱條件下攪拌使之乳化,繼續(xù)加熱使有機溶劑揮發(fā),待溶劑揮發(fā)后,即得HPs膠束水溶液,例如右旋糖酐-g-PCL[17]和羥乙基淀粉-g-聚乳酸[18]均可通過該法制備膠束,該法具有可擴展性和較好工藝參數(shù)控制性,但難于完全去除有機溶劑及游離疏水功效成分,也難以控制所得膠束的精確尺寸和構象。

1.1.5 超聲波輔助法

超聲波輔助法的優(yōu)勢在于超聲波處理有利于形成體積小、粒徑均勻和Zeta絕對電位較高的納米顆粒,例如槲皮素-g-殼聚糖膠束[19]和殼聚糖-g-聚乳酸納米粒[20],該法就是將聚合物在室溫下連續(xù)攪拌使其分散在蒸餾水中,通過超聲波使其形成自組裝膠束。

1.1.6 納米沉淀法

溶解的HPs分子通過動力學控制步驟(如過飽和、成核、生長和聚集)而組裝的過程,包括常規(guī)間歇、閃速和微流控納米沉淀法,通常將HPs溶于有機溶液[如DMSO、二甲基甲酰胺(dimethylformamide,DMF)等)]中,然后將其逐漸懸滴到蒸餾水中,并不斷快速攪拌,再去除有機試劑;該法適合大量制備,但耗時較長,容易形成不均勻系統(tǒng)。例如可用于制備右旋糖酐-聚乳酸-羥基乙酸共聚物膠束[20]和硫酸軟骨素-b-聚乳酸膠束[21]。

1.1.7 pH/熱誘導法

通常,pH可通過影響HPs親疏水鏈的質(zhì)子化或脫質(zhì)子化、溶解性及兩親鏈分離導致其發(fā)生膠束化或解膠束化。MA等[22]研究發(fā)現(xiàn),pH可誘導羥丙基纖維素-g-聚甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯(HPC-g-PDMAEMA)膠束化;在pH值為3時,其HPC主鏈在加熱時坍塌形成膠束內(nèi)核,質(zhì)子化PDMAEMA側鏈起穩(wěn)定作用;在pH值為8.1時,HPC主鏈和PDMAEMA側鏈在加熱時均發(fā)生坍塌,形成不穩(wěn)定聚集體;在pH值為12.3時,PDMAEMA側鏈發(fā)生坍塌形成膠束內(nèi)核,HPC主鏈起穩(wěn)定作用。對于某些HPs而言,低于臨界膠束溫度(lower critical solution temperature, LCST)時,其難以自聚集形成膠束;當溫度加熱至其LCST及以上時(如羥丙基纖維素-g-聚4-乙烯基吡啶[23]),其熱敏性片段在水溶液中逐漸聚集形成膠束。該法具有操作簡單、可擴展性好、不需要有機溶劑(或所需有機溶劑少),但該法僅限于pH或熱敏型HPs。

1.1.8 聚合誘導自組裝一鍋法

上述傳統(tǒng)方法制備的膠束體系其濃度較低(通常質(zhì)量分數(shù)<1%),可能需要多步驟或純化處理;而PISA一鍋法(圖2)是近年來在極性和非極性溶劑中制備具有不同形態(tài)的聚合物納米結構的一種高效方法,PISA制備的膠束體系中溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高達50%,且無需其他純化步驟。IKKENE等[24]研究了4種制備方法(納米沉淀、乳化-溶劑揮發(fā)法、薄膜水化法和PISA法)對右旋糖酐-g-PHPMA自聚集的影響,結果發(fā)現(xiàn)乳化-溶劑揮發(fā)法和薄膜水化法導致右旋糖酐-g-PHPMA在水相中發(fā)生沉淀,說明這2種方法不適于制備該種膠束;光誘導PISA(室溫)導致其在室溫條件下形成球狀和蠕蟲狀混合膠束,光誘導PISA(60 ℃)和納米沉淀法使其形成球狀膠束,說明HPs自聚集過程對制備方法很敏感,可能主要與PHPMA弱疏水性及親疏水區(qū)域體積比有關。

圖2 利用PISA一鍋法制備HPs膠束示意圖Fig.2 The schematic diagram of one step polymerization-induced self-assembly for preparation HPs micelles

1.2 HPs聚合物囊泡的構建方法

制備HPs聚合物囊泡的常規(guī)方法主要有溶劑置換法和薄膜水化法,此外還有直接攪拌溶解法、納米沉淀法、自乳化-溶劑揮發(fā)法和PISA等。

1.2.1 溶劑置換法

溶劑置換法制備聚合物囊泡需要2個階段:首先將HPs溶解在有機溶劑中,緩慢滴入水中,使其形成聚合物囊泡;再采用透析或真空蒸發(fā)去除有機溶劑。

1.2.2 薄膜水化法

薄膜水化法制備聚合物囊泡的步驟:將HPs溶解在有機溶劑中,在減壓條件下緩慢去除有機溶劑使其形成聚合物薄膜,再將其溶解即得聚合物囊泡;可采用凍融循環(huán)和超聲波輔助法制備納米級的HPs聚合物囊泡,使獲得的體系更加均勻。ALIBOLANDI等[25]采用直接攪拌溶解法結合超聲波輔助制備右旋糖酐-聚乳酸-羥基乙酸聚合物囊泡,其對胰島素的包封率高達90%。ROSSELGONG等[26]研究了3種制備方法對脂肪酸-b-木聚糖在水相中自聚集構象的影響,結果發(fā)現(xiàn)油酸甲酯-b-低聚木糖和蓖麻油酸甲酯-b-低聚木糖在水相中直接攪拌能夠形成聚合物囊泡,該法雖然制備簡單,但其多分散指數(shù)較高、封裝效率較低;采用薄膜水化法結合擠壓可使其形成納米級聚合物囊泡,該法具有高效封裝親水和疏水功效成分的潛力;采用微流控技術可得到具有低多分散指數(shù)和高重現(xiàn)性的聚合物囊泡。

1.2.3 其他方法

IKKENE等[27]通過PISA一鍋法制備了右旋糖酐-g-聚2-羥基丙烷基丙烯酸酯聚合物囊泡,該囊泡中的溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)范圍很廣(2.5%～13.5%),并且囊泡膜厚度隨聚合度增加而增加。NISHIMURA等[28]發(fā)現(xiàn)普魯蘭多糖-g-聚環(huán)氧丙烷通過冷卻-加熱循環(huán)能形成聚合物囊泡,所形成的囊泡大小與初始聚合物濃度有關。

1.3 HPs水凝膠的構建方法

通常水凝膠可分為物理、化學或雜化(半互穿與全互穿網(wǎng)絡)水凝膠,HPs水凝膠主要是指HPs分子通過自聚集形成物理水凝膠網(wǎng)絡結構,其制備方法主要包括注射法、熱/酸誘導法和超聲波輔助法,此外還有直接攪拌溶脹法、凍融法、透析法和冷凍干燥法等。

1.3.1 注射法

將HPs水溶液注入氣相/油相/凝膠溶液中,依靠溶液-空氣界面張力,其能形成水凝膠,即為注射法,可分為直接擠壓、噴霧和微流控芯片等。其中微流控芯片技術是一種很有前途的水凝膠制備策略,其可在微流體裝置中對水凝膠的制備過程進行精確操作(圖3),通過調(diào)節(jié)HPs形成凝膠過程(如添加疏水功能成分及試劑、改變流速和流動相比例等),精確控制水凝膠形態(tài)及其尺寸,從而有效降低其多分散性系數(shù),這些特性使其成為一種成本較低、可重復性和可擴展的水凝膠制備技術。KODZISKA等[29]采用該技術制備了辛烯基琥珀酸酐-透明質(zhì)酸水凝膠,并將其作為抗菌生物膜材料。

圖3 利用微流控芯片技術制備HPs水凝膠示意圖Fig.3 The schematic diagram of microfluidic chip technology used to prepare HPs hydrogels

1.3.2 熱/酸誘導法

由于HPs水凝膠能夠響應內(nèi)源性刺激(如pH、生物酶、生物分子識別等)和外源性刺激(如溫度和光等),當其暴露于這些物理或生化信號時,其結構將發(fā)生改變,說明其能作為遞送材料,且對其結構進行修飾,可作為雙重或多重刺激響應材料。酸和(或)熱處理能誘導HPs分子中多糖鏈結構的改變,促進其疏水微區(qū)及水凝膠網(wǎng)絡結構的形成。FENG等[30]研究發(fā)現(xiàn),酸化(pH 4.8)處理的大豆β-球蛋白-右旋糖酐共軛物在95 ℃加熱50 min后可形成水凝膠,原因在于等電點時體系靜電斥力較低,其主要靠疏水作用力構建結構穩(wěn)定的納米水凝膠網(wǎng)絡。PILIPENKO等[31]合成了聚(N-異丙基丙烯酰胺)-g-肝素和聚(N-異丙基丙烯酰胺)-g-硫酸軟骨素,其能通過聚(N-異丙基丙烯酰胺)鏈的非共價相互作用在適當加熱條件下(>35 ℃)自組裝成有序的納米水凝膠。SETAYESH等[32]研究發(fā)現(xiàn)十八烷胺-g-硫酸軟骨素可在弱酸性條件下(pH 5.5)自聚集形成水凝膠,可用于增溶和靶向遞送姜黃素。BORAH等[33]研究發(fā)現(xiàn),將葉酸功能化支鏈淀粉-白蛋白交聯(lián)物在80 ℃攪拌加熱60 min,再冷卻到室溫,可得到具有疏水內(nèi)核和親水外殼的納米水凝膠,其能高效增溶和遞送姜黃素。

1.3.3 超聲波輔助法

采用超聲波處理HPs溶液能促進其親疏水鏈先分散,進一步使其依靠疏水作用力自聚集形成疏水微區(qū),最終形成復雜的水凝膠網(wǎng)絡結構。SAWADA等[34]采用該方法(30 W,15 min)制備了膽固醇-木葡聚糖自組裝納米水凝膠。

1.3.4 凍融法

凍融法是通過冷凍-融溶循環(huán)操作,使其內(nèi)部產(chǎn)生物理網(wǎng)絡交聯(lián)點并交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡結構,該法優(yōu)勢在于不需要使用有機溶劑。在凍結過程中,液相分離并形成微晶區(qū),同時聚合物鏈聚集導致氫鍵和結晶的形成;而解凍過程促進了剩余聚合物之間的相互作用和結晶區(qū)域的形成,導致水凝膠網(wǎng)絡的逐漸形成,此外冰晶在水凝膠形成過程中起到交聯(lián)劑的作用,并為水凝膠留下多孔結構。

1.4 HPs反膠束的構建方法

傳統(tǒng)表面活性劑丁二酸二異辛酯磺酸鈉等在有機溶劑(如異辛烷、辛醇)中能形成穩(wěn)定的反膠束,但其不適合應用于食品體系。對HPs在液體介質(zhì)中的自組裝現(xiàn)象的研究大多集中于其在水中的膠束行為,而對其在非水介質(zhì)中的“反膠束”行為報道較少。ZEPON等[35]采用直接攪拌溶解法將麥芽七糖-b-聚甲基丙烯酸甲酯溶于丙酮獲得了反膠束。此外,通過控制反膠束制備的加水量、離子強度及添加物等,可有效調(diào)控反膠束體系的理化特性及其應用,但需進一步研究。

2 疏水化多糖形成各種自聚集系統(tǒng)的前提條件及其分子機制分析

由于HPs具有兩親性,其能通過分子內(nèi)/間的締合形成大量的自聚集系統(tǒng),所形成的聚集體形態(tài)結構主要取決于HPs自身因素[如糖鏈和疏水鏈分子結構及其比例、親疏水性、疏水化程度(接枝率和嵌段率)、極性、溶解性和濃度等]和外界環(huán)境條件(如pH、溫度、離子強度和共存添加物等)及其二者互作[36],這些內(nèi)外因素及其互作可從各個方面影響最終形成的自聚集系統(tǒng)結構:(1)HPs疏水端材料性質(zhì)(如疏水性、鏈長、聚合度、結晶度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等)及其結構(如立體規(guī)整性和構象等)對所形成的自聚集系統(tǒng)最終結構起著決定性作用;(2)HPs親水端多糖起始材料性質(zhì)(如親水性、鏈長、主支鏈比、聚合度、羧基或氨基數(shù)量及所帶電荷等)及其結構(如糖鏈柔韌性和空間構象等)也會影響其自聚集特性;(3)多糖與疏水材料間的連接方式[嵌段(block,b)或接枝(graft,g)]和反應類型(如側鏈酯化、醚化、交聯(lián)、聚合、美拉德反應或化學點擊反應等)決定了HPs的分子結構,進一步影響其形成的自聚集體結構;(4)外界環(huán)境條件可通過影響HPs自聚集系統(tǒng)的形成過程(即自聚集程序和制備路徑),從而間接影響所形成的自聚集系統(tǒng)結構及其特性,該影響可體現(xiàn)在時間(形成過程)和空間(立體結構)水平上。根據(jù)Discher和Eisenberg建立的線性兩親性共聚物自聚集的經(jīng)驗定律,親水體積分數(shù)(fraction,f)大于45%和小于25%的兩親性共聚物通常自組裝分別形成膠束和反膠束,而親水體積分數(shù)為25%～45%兩親性共聚物通常自組裝形成聚合物囊泡[37]。盡管如此,由于多糖結構的復雜性,上述內(nèi)外因素和制備策略均會影響該定律。此外,堆積參數(shù)和聚集度也常用于預測HPs自聚集構象。

2.1 疏水化多糖自聚集形成聚合物膠束分析

研究發(fā)現(xiàn),擁有高比例親水嵌段或長鏈疏水接枝的HPs能在水相環(huán)境中形成典型的“核-殼”或“核-殼-冠”結構膠束,其疏水鏈聚合形成疏水內(nèi)核,親水鏈包裹在外形成親水外殼,嵌段共聚物(如脫氧膽酸聚酯-b-右旋糖苷[14]和纖維素-b-JEFFAMINE[8]等)和接枝聚合物(如殼聚糖-g-PCL[12]和脂肪酸-g-半纖維素[13]等)均能在水溶液中自發(fā)形成聚合物膠束(圖1-a)。擁有高接枝率和短疏水鏈的HPs(如辛烯基琥珀酸-葡聚糖酯[38]和維生素E-g-殼聚糖[39])也能在水溶液中自發(fā)形成具有親水結構域與疏水結構域相混合的“殼-核”樣聚集體結構,通常也稱為膠束(圖1-b)。例如EENSCHOOTEN等[40]采用透射電鏡測定了辛烯基琥珀酸-透明質(zhì)酸膠束的微觀結構,揭示了其在水溶液中能夠自發(fā)形成帶負電荷的球形納米膠束結構(圖4-a)。

a-辛烯基琥珀酸-透明質(zhì)酸膠束[40];b-荷載胰島素-右旋糖酐-b- 聚乳酸-羥基乙酸聚合物囊泡[25];c-卵清蛋白-普魯蘭多糖自聚集 水凝膠[41];d-麥芽七糖-b-聚甲基丙烯酸甲酯反膠束 (a～c為透射電鏡圖,d為原子力顯微鏡圖)[35]圖4 代表性疏水化多糖自聚集形成各種聚集 系統(tǒng)的構象示意圖Fig.4 Conformational diagram of representative HPs self-aggregation systems

上述2類HPs形成膠束的濃度均需大于其CMC值;但當其濃度過高時,可能會形成亞穩(wěn)態(tài)水凝膠體系。綜合分析大量文獻可知,HPs在水相自聚集形成膠束主要驅(qū)動機制如下所示:(1)疏水作用力驅(qū)動,嵌段聚合物(如右旋糖酐-b-脫氧膽酸聚酯[42])均可通過疏水作用力自聚集形成膠束;(2)疏水作用力和氫鍵共同驅(qū)動,接枝聚合物(如辛烯基琥珀酸-羧甲基可德膠[43])常通過疏水作用力和氫鍵共同維持穩(wěn)定的膠束結構;(3)空間效應和范德華力驅(qū)動(如酪蛋白-右旋糖酐共軛物[44]);(4)空間立構復合作用,如右旋糖酐-b-L-/D-聚乳酸(PLA)可通過L-和D-PLA之間的空間立構復合作用形成膠束[45],與“右旋糖酐-b-全同立構PLA膠束”相比,通過空間立構復合作用形成的膠束具有更好的動力學穩(wěn)定性和再分散性;(5)pH、溫度、光等外界因素誘導膠束化。在食品應用中,HPs聚合物膠束可作為運載體和配料,用于脂溶性成分的封裝、靶向遞送和控釋等,其在保健食品和膳食補充劑中具有重要的應用潛力。

2.2 疏水化多糖自聚集形成聚合物囊泡分析

兩親性HPs自組裝形成的聚合物囊泡是結構類似于脂質(zhì)體的多聚囊泡,通過HPs分子在一定溶劑中自組裝形成,其在水相中組成由疏水雙分子層包圍水的迷人形態(tài)(圖1C)。聚合物囊泡的這種雙層膜結構與生物細胞膜非常類似,但由于HPs分子質(zhì)量較高,其形成的聚合物囊泡表現(xiàn)出較強的理化穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性、良好的膜柔韌性和較低的滲透性,使得其能作為親水和疏水活性成分(如胰島素、酶、多肽、葉黃素等)靶向遞送和控釋載體;同時可作為微反應器封裝生物酶,用于將底物轉(zhuǎn)化為所需的產(chǎn)物。

通常,擁有適中疏水嵌段比例HPs(如右旋糖酐-b-聚丙交酯乙交酯共聚物[25])或擁有低接枝率HPs(如透明質(zhì)酸-g-PCL[46])均可通過疏水作用力形成聚合物囊泡,構象分別如圖1C和圖1D所示。與傳統(tǒng)脂質(zhì)體相比,聚合物囊泡具有更好的化學穩(wěn)定性,但其與聚合物囊泡的囊泡壁厚度和其尺寸、性質(zhì)、制備方法和存儲條件等有關。通常,可通過改變HPs種類、分子結構、親疏水鏈比例、濃度和制備方法等控制囊泡的形成路徑,進一步調(diào)控聚合物囊泡的囊泡壁厚度和尺寸,HPs聚合物囊泡的可調(diào)厚度為調(diào)控降解時間和控制被封裝功效成分的釋放提供了可能。ALIBOLANDI等[25]研究發(fā)現(xiàn),右旋糖酐-b-聚乳酸-羥基乙酸聚合物能形成聚合物囊泡,其在模擬胃腸道條件下能夠控釋胰島素(圖4-b)。此外,聚合物囊泡可在特殊條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槟z束結構。

2.3 疏水化多糖自聚集形成水凝膠分析

用于制備水凝膠的起始材料可以是天然或改性的聚合物,形成的水凝膠具有三維網(wǎng)絡結構,其結構柔軟、有彈性,可用于裝載、靶向遞送和控釋親水性活性成分和疏水性活性成分,同時還可作為食品安全風險監(jiān)測工具、食品包裝材料和改善食品品質(zhì)載體等。高疏水嵌段比例或接枝率導致HPs水溶性降低,而過低疏水嵌段比例或接枝率導致HPs黏度降低。因此,高疏水嵌段比例或接枝率HPs、適中疏水嵌段比例或接枝率且具有高黏度和濃度HPs,在鏈聚集自組裝過程中可通過氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用、大分子纏結或主-客體相互作用等機制形成水凝膠網(wǎng)絡(圖1E和圖1F),其具有可逆響應特性。例如ZENG等[41]采用美拉德反應和熱處理相結合的方法制備了卵清蛋白-普魯蘭多糖聚合物,發(fā)現(xiàn)其能夠在水溶液中自聚集形成球形納米水凝膠結構(粒徑約100 nm)(圖4-c)。研究發(fā)現(xiàn),HPs水凝膠基質(zhì)能夠吸水和膨脹的主要原因在于其含有大量的親水基團(如COOH、NH2、SO3H、OH、CONH和CONH2等)、多糖鏈網(wǎng)絡擴散和松弛機制及滲透壓和毛細管作用。此外,帶有羧基HPs分子在微酸性溶液中多糖鏈之間易形成氫鍵導致凝膠化,添加金屬離子會導致聚電解質(zhì)類HPs分子之間形成離子相互作用也能進一步使之形成凝膠網(wǎng)絡,長鏈多糖(如海藻酸鹽、瓊脂和卡拉膠等)的HPs在低溫下能發(fā)生螺旋狀聚集和凝膠化。

2.4 疏水化多糖自聚集形成反膠束分析

當HPs濃度大于其CMC時,可在有機溶劑中自組裝形成反膠束,反膠束結構與膠束相反,其親水鏈朝內(nèi)、疏水鏈朝外排列,形成親水內(nèi)核,稱為“水池”。嵌段和接枝HPs均可用于制備反膠束(圖1G和圖1H),但其形成過程受其化學性質(zhì)、濃度、溶劑類型和比例,甚至水添加量的影響。徐成[47]研究發(fā)現(xiàn)在異辛烷/正辛醇溶劑中兩親性淀粉辛酸酯和淀粉月桂酸酯均能形成反膠束。ZEPON等[35]采用原子力顯微鏡觀察了麥芽七糖-b-聚甲基丙烯酸甲酯在丙酮中自聚集形成的反膠束結構,見圖4-d。HPs反膠束可用于靶向遞送活性成分和提取分離蛋白質(zhì)類活性物質(zhì)及作為微反應器,其在油脂制品中具有巨大的應用潛力,但目前缺乏相關研究。

需要說明的是,同一種HPs由于其自身結構或環(huán)境差異可形成不同的自聚集系統(tǒng),例如辛烯基琥珀酸-淀粉酯在水溶液中可形成膠束或聚合物囊泡[48],辛烯基琥珀酸-透明質(zhì)酸在水溶液中可形成膠束、聚合物囊泡或水凝膠,主要與其接枝率、濃度、環(huán)境條件和制備方法有關。通常,脂溶性成分可通過疏水作用力、氫鍵、范德華力和(或)靜電作用與HPs自聚集系統(tǒng)互作,實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)化應用?？傊?一方面,HPs通過自組裝形成各種自聚集系統(tǒng),以減小不溶性片段的界面面積,從而降低其界面自由能;另一方面,伴隨著HPs分子參與自組裝數(shù)量的增加,其疏水區(qū)域的尺寸也增加,導致相連的親水區(qū)域更加致密以保證其熱動力穩(wěn)定性;同時,HPs分子組裝過程明顯降低了其構象熵。因此,界面自由能降低與構象熵損失之間的平衡最終決定了其形成自聚集載體的熱力學穩(wěn)定性。

3 結論與展望

很多天然多糖具有良好的生物相容性、低毒、低免疫原性等特征,其側鏈上的羥基、氨基或羧基能夠與眾多的疏水試劑發(fā)生化學反應生產(chǎn)HPs,具有這些特性的多糖適合作為遞送材料制備載體。兩親性HPs形成的自聚集系統(tǒng)具有良好的再修飾性、多功能性和遞送能力,在食品和醫(yī)藥工業(yè)中具有應用前景。目前,HPs自聚集系統(tǒng)已廣泛應用于體外活性成分封裝、食物活性成分結腸靶向遞送等領域。通常HPs自聚集系統(tǒng)的自組裝主要依靠其分子間的弱作用力,如疏水作用力、氫鍵、靜電作用力、范德華力等,避免了任何有害于食品及醫(yī)藥應用的有毒交聯(lián)的可能性。通過揭示HPs形成各種自聚集系統(tǒng)的制備路徑及其相應分子機制,可通過選擇HPs種類及其制備方法定制其自聚集體的表面化學、大小、形狀和結構,改善其理化特性,以期符合特定場所應用及實現(xiàn)特定的應用目標,能夠為HPs自聚集系統(tǒng)的設計及其應用奠定基礎。考慮到HPs自聚集系統(tǒng)在食品中的應用,后續(xù)需要重點研究改善其結構穩(wěn)定性的方法,尋求適合食品應用的制備策略,探究適合工業(yè)化應用的大規(guī)模制備方法?？傊?希望該文能為HPs設計及其高效應用提供依據(jù)和參考。