果胶在pH 智能响应型运载系统中的应用

王胜男，邵国强，曲丹妮，赵贺开，杨立娜，李 君，何余堂，朱丹实，刘 贺

（渤海大学 食品科学与工程学院，生鲜农产品贮藏加工及安全控制技术国家地方联合工程研究中心，辽宁 锦州121013）

0 引言

近年来，随着“精准营养”理念的兴起，越来越多的功能活性物质通过载体被递送至靶位器官，以期提高生物利用率.随着对运载系统的深入研究，人们发现构建一种稳定的运载系统，可以有效的保护功能活性物质，避免其进入人体内因体液环境的变化而失去活性，进而提高功能活性物质的生物利用率.有研究表明，影响功能活性物质生物利用度的关键外部因素是载体的类型［1-3］.载体不仅对活性物质的加工贮藏产生影响，还在体内消化道吸收前活性物质的稳定性、溶解性、分子构象、释放特性、界面特性、传质过程、胃肠道动力以及跨膜转运等生物化学方面均可能产生影响.而这些变化及相互作用也对功能活性物质的吸收代谢行为产生特定的影响［4-9］.

果胶作为一类位于植物细胞壁上的基质线性高分子化合物，其主要结构是由D-半乳糖醛酸以α-1，4-糖苷键连接而成的多糖［10］. 此外，还包含一些中性糖，如，阿拉伯糖，半乳糖，鼠李糖等. 果胶的结构较为复杂，原料和提取工艺的不同，都会对果胶的结构造成差异. 目前，果胶的结构主要分为三种类型（图1）［11］. 第一种类型的果胶链为半乳糖醛酸聚糖（Homo-galacturonan，HGA），约占果胶的65%［12］；第二种类型的果胶链为鼠李半乳糖醛酸聚糖I（Rhamno-galacturonan-I，RG-I），约占果胶的20%～35%；第三种是由4种不同的同型半乳糖醛酸聚糖组成骨架的鼠李半乳糖醛酸聚糖II（Rhamnogalacturonan-Ⅱ，RG-Ⅱ），RG-Ⅱ以多种键合方式连接，其中包含多种单糖，约占果胶的10%.此外，还可以通过酯化度（Degree of esterification，DE）或半乳糖醛酸残基上的甲氧基取代羧基（-COOH）的数目对果胶多糖进行分类，可分为高甲氧基果胶（High methoxy，HM）和低甲氧基果胶（Low methoxy，LM）.果胶的DE值则反映了其在凝胶机理方面的特性［13-15］.对于高DE值的果胶多糖，已经开发出以水凝胶形式作为药物的运载系统［16］.而含有单价盐的低DE值果胶多糖呈现较好的水溶性，仅在极低溶液pH或二价阳离子存在的条件下出现凝胶.具有低DE值高酰胺化的果胶多糖在结肠特异性活性物质递送系统的开发中受到了极大的关注［17-19］.

果胶类多糖具有复杂的分子结构，被广泛地应用于食品、生物制药和化妆品等行业［20-25］.同时，果胶类多糖因其功能的多样性，还被用于纺织工程、外伤敷料、基因工程、药物运载以及癌症的靶向治疗等方向［26-30］.此外，果胶类多糖因具有良好的生物相溶性、生物降解性、安全无毒，也可用作稳定剂、胶凝剂、乳化剂、重金属吸附剂等.近年来，将果胶类多糖构建为功能活性物质运载系统的研究日益广泛，但由于果胶类多糖的高水溶性、易溶胀，这些性质降低了其运载活性物质输送到特定部位的能力［31，32］.鉴于果胶的胶凝特性，研究者们已构筑多种载体实现药物及功能活性物的运载，这些载体可以根据人体消化道pH的变化，智能地做出响应，并调整其微观结构，实现药物的溶出或释放［33］.这些智能响应型载体极大地丰富了运载系统的种类，也为本文探讨了果胶在pH智能响应型运载系统中的应用及特点，对其发展前景进行了总结和展望.

1 凝胶化果胶类多糖运载系统

近年来，利用果胶类多糖的凝胶特性制备功能活性物质运载系统的研究非常广泛［31，32］.将天然果胶类多糖凝胶化制备而成的结肠靶向pH智能响应型运载系统，能够在低酸性条件下保持凝胶结构的稳定性，使功能活性物质在穿过胃肠道的过程中损失减少，提高活性物质在结肠靶位的释放率和生物利用率.Itoh等［34］研究了高甲氧基果胶（31%）和低甲氧基果胶（9%）在不同pH（1.2～5.0）范围内的凝胶化和活性物质释放特性.研究发现在低pH（＜2.5）条件下，Ca2+可以使果胶半乳糖醛酸链交联形成凝胶网络.但随着pH的升高，凝胶效果显著降低.通过调控果胶类多糖与钙离子的交联程度，可以控制凝胶的溶解和溶胀，进而克服体液环境的变化使其具有pH响应的特性.

Itoh等［35］进一步研究了胃液pH值在1.0～3.0范围内的变化对果胶类多糖凝胶化和凝胶中活性物质对乙酰氨基酚和氨溴索在体内及体外释放特性的影响.由1.5%（w/v）的果胶类多糖溶液在pH 1.0～2.0形成的凝胶具有坚固的网络结构，可以保持圆柱形；但随着体系pH的升高（1.5～4.5），形成的凝胶不足以保持其圆柱形状，显示出较差的凝胶状态（图2）.1.5%（w/v）DE值为9%和DE值为31%的果胶凝胶在经过模拟胃液（pH 1.2或3.0）1 h和pH 6.8的模拟肠液时，凝胶显示出pH智能响应型缓释特性.这是由于果胶类多糖分子中存在大量的羧基，当体系pH值较低时，羧基的离子化反应被抑制，果胶类多糖分子的电势增大，分子间排斥力减弱，加上氢键的作用，交联成酸性果胶凝胶.随着体系pH值的增大，当超过果胶类多糖分子的PKa值时，完全离子化的羧基提供大量的负电荷，使果胶类多糖分子间静电斥力加强，凝胶网络变得松弛，凝胶不稳定，内含活性物质便可以实现智能响应释放.

2 二价阳离子-果胶凝胶运载系统

向果胶类多糖溶液中加入Ca2+、Mg2+等二价阳离子，可以使果胶类多糖分子交联形成果胶凝胶网络.形成的凝胶网络表现出明显的粘性和抗剪切压力，进而影响凝胶强度和活性物质的释放.经Ca2+诱导的果胶类多糖分子在低pH溶液中具有一定的稳定性，并能够抵抗消化道内的水合作用.Fell等［28］优选了最佳钙离子浓度制备的钙化果胶运载系统，在功能活性物质溶出实验中证实钙化果胶运载系统对活性物质起到很好的保护作用.Morris等［36］利用圆二色谱法和计量化学表征了Ca2+与果胶凝胶中的聚半乳糖醛酸相互作用对链构象的影响.此外，许多果胶酶的活性受Ca2+的影响，钙盐与果胶类多糖基质的结合可以增强人体大肠菌群对果胶多糖的降解，促进功能活性物质的释放与吸收.Wang等［37］研究了由果胶类多糖和钙离子制备的凝胶球负载大豆异黄酮的释放行为.结果表明，凝胶球根据体外模拟消化液pH的变化智能地调节凝胶网络的大小，控制大豆异黄酮的释放，实现pH响应型释放.碱性金属离子和果胶配位结合形成的凝胶网络可以在低pH条件下保持紧密排列，从而保护功能因子不受外界环境的影响.当外界pH突然发生改变时，金属离子与果胶的亲和力降低，凝胶网络结构逐渐塌陷，进而实现功能因子的智能释放.

3 果胶凝胶粒子运载系统

钙化果胶凝胶虽然可以抑制凝胶网络的松弛，保持凝胶结构的完整性，但并不能够抑制水溶性活性物质的溶出［31，38］.当水分子迁移到凝胶基质中时，会产生一些细小的网孔，随着溶剂运动到凝胶中，孔径缓慢增加，致使更多的水溶性活性物质溶出，保留率降低.将果胶类多糖制备成凝胶粒子可以很好的解决这一问题，且制备的凝胶粒子具有缓释和pH响应特性［39，40］.Dutta等［30｝以奥沙利铂为目标物，利用Ca2+交联制备出了含有Fe3O4的100～200 nm果胶磁性纳米粒子，通过调节磷酸盐缓冲液pH（PBS，pH 5.5和7.4）进行活性释放研究，发现纳米粒子对负载活性物质具有明显的智能缓控释放作用，其中活性物质释放曲线满足扩散和溶胀控制机制.Elena等［41］通过离子凝胶化方法制备了负载美沙拉嗪的果胶钙和果胶钙-硅凝胶粒子.结果显示，Na2SiO3的浓度和反应时间显著影响凝胶粒子的表观形态和表面粗糙度，而造成这些现象的原因可能是由于果胶类多糖和二氧化硅之间存在的氢键和共价相互作用［41-43］.体外释放研究表明，部分封装美沙拉嗪的凝胶粒子不能抵抗胃环境，在模拟胃液中全部释放.而表面平整光滑的凝胶粒子可以产生屏障效应，减少凝胶粒子的溶胀，降低活性物质在胃液中的释放.

功能活性物质的释放与多种因素有关，包括水的渗透作用、体液pH的变化、凝胶层的溶胀、活性物质的溶解性等多种作用［31］.Das等［44］设计了一种用于结肠靶向递送白藜芦醇的多颗粒钙-果胶酸盐凝胶粒子.通过在交联溶液中加入聚乙烯亚胺（PEI）和控制交联的时间形成了大约直径1 mm的球形颗粒，同时还发现向交联溶液中加入PEI、控制Ca2+浓度和交联时间可以影响白藜芦醇在结肠靶位特异性释放.Günter等［42］探究了不同来源的低甲酯化果胶作为一种负载泼尼松龙结肠给药的果胶钙凝胶粒子载体.研究发现，较低的甲酯化度、鼠李半乳糖醛酸含量以及较高的果胶分子量和线性度是维持凝胶强度和控制活性物质释放的关键.Prezotti等［45］通过将吲哚美辛分散在果胶类多糖溶液中，再将分散液滴入氯化钙溶液中来制备负载吲哚美辛的果胶酸钙凝胶粒子（CPG），液滴通过凝胶作用瞬间形成凝胶粒子.研究发现果胶类型、硬化剂等几种因素显著影响CPG的粒径、包埋率、和活性物质释放. 通过制备粒径更小的凝胶粒子或引入其他功能分子，不仅可以实现载体的pH智能响应释放，还可以实现二重响应，甚至多重响应释放.

4 果胶类多糖聚合物复合运载系统

果胶类多糖可以与天然或合成的聚合物复合制备具有pH响应性和缓释作用的运载体系［31，32］.通过构建聚合物网络结构，既可以保留果胶类多糖自身的功能特点，又可以产生新的特性，同时还能够帮助活性物质顺利到达靶位器官，延长在靶向部位的停留时间，以达到控制释放和高效吸收的目的［6］.

4.1 果胶-多糖复合载体

将果胶与其他多糖分子交联，可以制备出性能优良的运载系统，提高功能活性物质的生物利用率.Sriamornsak等［46］通过离子交联法以果胶和结冷胶为材料，在交联剂Al3+的作用下制备了粒径为728 nm的纳米微球，并对酮洛芬进行包封运载.通过研究酮洛芬在人工胃肠液中的释放，发现制备的果胶-结冷胶纳米粒子具有明显的pH响应性，酮洛芬能够在pH 7.4肠液中释放持续360 min.在低酸环境下，由于体系内较高的H+浓度，不仅对凝胶的形态、强度、屈服值等力学性质产生影响，还对凝胶中的氢键、柔性结构和吸附性能等产生影响，进而控制功能活性物质的溶出和释放.Ji等［47］基于果胶和壳聚糖之间的静电相互作用制备了一种负载盐酸多柔比星的纳米微囊.这种果胶-壳聚糖纳米微囊具有高载药量，易于被细胞吸收并且响应细胞内低pH环境而快速释放盐酸多柔比星（图3）.当体系的pH为7.4时，壳聚糖分子中部分氨基去质子化，而果胶分子链上的羧基电离程度加强，分子间静电引力增大，结合的更加紧密，形成的凝胶壳层收缩，因此只有少部分的盐酸多柔比星释放出来；当体系pH为5.0时，果胶的羧基电离程度减弱，壳聚糖分子质子化带正电，但多糖分子间静电引力减弱，形成的凝胶壳层溶胀，致使大部分的活性物质释放出来.这些将果胶和多糖结合构建的载体不仅能够实现pH响应，还可以利用多糖良好的生物相溶性，提高功能因子的负载量.

4.2 果胶-蛋白复合载体

蛋白质通过氢键，疏水结合和静电耦合等分子间相互作用与疏水性活性物质结合，提高封装率.果胶类多糖可以在一定程度上保护蛋白质免受上消化道中的酶解作用，并保持载体结构在酸性条件下的稳定性，提高功能活性物质的生物利用率.Lin等［48］通过自组装制备了粒径分布均匀、直径约109 nm，负载甲氨蝶呤（MTX）的溶菌酶-果胶纳米凝胶（图4）.纳米凝胶呈球形，负表面电荷，MTX在纳米凝胶中的负载量高达17.58%，而纳米凝胶的粒径和形态无变化.负载MTX的纳米凝胶表现出pH响应型释放特性，pH从7.4降低到5.3时MTX加速释放.此外，纳米凝胶还具有良好的生物相溶性和低细胞毒性等优点.Zhou等［49］通过Ca2+或Fe3+离子凝胶化的方法成功地制备了负载姜黄素的低密度脂蛋白/果胶纳米凝胶的藻酸盐水凝胶粒子.由预先包封在纳米凝胶中的姜黄素所制备的水凝胶粒子显示出pH响应型释放特性.通过扫描电子显微镜证实纳米凝胶成功掺入海藻酸盐水凝胶粒子中，FI-IR光谱和溶胀分析证明纳米凝胶的掺入不影响水凝胶粒子的物理化学性质，透射电镜表征了纳米凝胶在模拟肠液消化过程中从海藻酸盐凝胶粒子中逐渐解离，进而释放负载的姜黄素.与仅包封在纳米凝胶或海藻酸盐凝胶粒子中的姜黄素相比，纳米凝胶与海藻酸盐凝胶粒子形成的复合运载系统中的姜黄素具有更高的生物利用率.此外，刘敬然等［50-54］通过低能量法利用超高甲氧基果胶（DE＞90%）制备得到纳米级的乳液，其长期稳定性、透明度、对热和酸的抗性均好于普通果胶乳液，具有潜在pH响应型载体开发的应用前景.

5 展望

随着“精准营养学”的发展，人们对特异性功能活性物质消化与吸收的要求更加精准、个性化.一个良好的功能活性物质运载系统不仅可以起到输送的作用，还可以实现靶位释放、促进活性物质吸收、提高生物利用率.果胶类多糖由于其具有胶凝、成膜、耐酸等特性，在食品工业，生物医药，材料科学等领域具有非常广泛的应用.此外，随着对果胶类多糖的深入研究，人们发现果胶类多糖还具有良好的生物相容性、无或低细胞毒性等，是一种良好的载体材料，在结肠靶向给药等领域已有非常广泛的应用，但将果胶类多糖用作功能活性物质递送控释载体的研究和应用仍处于起步阶段.特别是果胶类多糖pH智能响应型控释运载系统在“精准营养学”方面的专题研究不足.一方面是因为功能活性物质种类繁多，各成分间天然差异较大，较难研究分析；另一方面，果胶类多糖pH智能响应型控释运载系统的构建、结构表征及释放机制等仍有许多工作需尽快开展和推进.通过深入研究果胶类多糖结构与功能的关系，对于开发果胶类多糖pH智能响应型控释运载系统，推动结肠靶向“精准营养”等方面的研究意义重大，也是未来研究果胶类多糖的热点之一.