玉米醇溶蛋白-壳聚糖纳米营养递送粒子的制备及性质

李书红，周军君，陈桂芸，秦邵爽，李赫宇，陈 野

玉米醇溶蛋白-壳聚糖纳米营养递送粒子的制备及性质

李书红1，周军君1，陈桂芸1，秦邵爽1，李赫宇2，陈 野1※

（1. 天津科技大学食品科学与工程学院，国家食品营养与安全重点实验室，天津 300457；2. 天津市益倍建生物技术有限公司，天津 300457）

利用蛋白质和多糖构建纳米营养递送载体，是提高食品活性物质稳定性及利用率的重要手段。为了构建具有缓释特性的纳米营养递送体系，该研究以玉米醇溶蛋白（zein）为基材，构建玉米醇溶蛋白-壳聚糖纳米营养递送体系，以姜黄素（Curcumin，Cur）为营养模型，探究了壳聚糖分子量、zein与壳聚糖质量比对纳米粒子及其负载Cur性能的影响，通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）等方法表征其结构，阐明复合纳米粒子形成机制，探讨其稳定性和缓释性能。结果表明：不同分子量的壳聚糖对纳米粒子的粒径、多分散性指数和zeta电位有影响。高分子量壳聚糖的加入可使纳米粒子粒径减小，且更加稳定。在zein与高分子量壳聚糖质量比为8∶1时，制备的纳米粒子粒径较小（80.13 nm），其zeta电位为46.18 mV；在此条件下，当姜黄素添加量为1.0%时，其包封率和负载量分别为82.93%和8.29%；通过SEM观察，纳米粒子呈球形，分布均匀；氢键及静电相互作用是组装该纳米粒子的作用力；壳聚糖的引入提高了纳米粒子的pH值、离子及储藏稳定性，扩展了其应用范围；与游离的姜黄素相比，纳米营养递送粒子呈现明显的缓释特性。研究结果为构建具有缓释特性的营养递送体系提供了理论基础。

营养；模型；玉米醇溶蛋白；壳聚糖；纳米粒子；缓释性能

0 引 言

随着消费者健康意识的增强，食品中的许多活性物质受到广泛关注。然而，部分活性物质存在水溶性差、化学性质不稳定和代谢速率高等问题，限制了食源性活性物质相关产业的高质量发展，对食品工业和消费者都产生了巨大影响。利用蛋白质和多糖构建纳米营养递送载体，是提高食品活性物质稳定性及利用率的重要手段。纳米营养递送载体是一种直径小于1 000 nm、可以输送营养物质的纳米体系，主要包含纳米粒子、纳米乳液、胶束、水凝胶、脂质体和纳米聚合物等类型[1]，纳米营养递送体系与其他营养递送系统相比具有巨大的优势：1） 具有尺寸效应和体内分布特异性。纳米载体体积更加微小，能够直接作用于体内某些蛋白质和细胞，控制营养物质的释放位置，提高营养物质的生物利用率[2]。2） 具有缓释效果，改善胃肠道吸收。通过设计纳米递送体系的结构，可控制营养成分的释放速度，满足人体对营养物质的持续需求[3]。3）可以增强营养物质的透过性，进而充分发挥营养成分的功能活性[4]。目前，研究报道的纳米营养递送体系存在包封率和负载量较低、突释现象显著等问题[5]，这限制了纳米营养递送载体的实际应用。

玉米醇溶蛋白（zein）含有大量的疏水性氨基酸，且缺少带电的氨基酸，该组成导致其不溶于水、无水醇类，而可溶于醇-水溶液、强碱、丙二醇以及多种有机溶剂混合液[6]。Liu等[7]通过小角度X-衍射研究zein的单元结构发现，1个zein含有9个同系物的重复单位，以氢键形成反平行结构。zein在自组装特性方面表现突出，溶剂极性变化能够诱导zein分子构象发生改变，最终形成纳米球形粒子。因为独特的分子结构及自组装特性，zein成为制备纳米粒子的理想材料。由于zein的等电点在6.2左右，zein纳米粒子在中性条件下不稳定并会发生聚集。此外，zein纳米粒子在旋转蒸发过程中会出现大量沉淀，干燥后无法复溶。解决这一问题的主要方法就是在制备zein纳米粒子的过程中加入多糖、脂类及其他蛋白作为稳定剂，阻止其在外界条件变化时的进一步聚集[8]。

壳聚糖（chitosan，CS）为天然高分子，来源丰富，价格低廉，其分子结构独特，具有无毒、抑菌性、生物相容性和可降解等优点，并且具有良好的成膜性。有研究表明，CS是zein纳米粒子优良的稳定剂，可提供空间位阻作用及静电稳定效应，有效防止zein在中性条件及干燥后的聚集[9]。Chen等[10-11]报道，CS载体不仅能够吸附在特定组织表面，而且可以延长载体在某一特定位置的停留时间，通过包埋物和粘膜的紧密接触来增加物质在该位置的有效浓度。

近年来，关于蛋白多糖营养递送体系的研究多集中在蛋白浓度、多糖种类、蛋白与多糖比例等对纳米粒子性质的影响。Hu等[12]发现添加果胶的玉米醇溶蛋白纳米粒子之间通过空间位阻作用和静电排斥作用来提高粒子稳定性。Chang等[13]研究了玉米醇溶蛋白和三种多糖（果胶、羧甲基纤维素和阿拉伯胶）制备的蛋白质多糖复合物纳米粒子的交联效率。研究发现，果胶和羧甲基纤维素更有利于形成粒径更小，包埋率更高的纳米粒子。Luo等[14]用玉米醇溶蛋白复合壳聚糖纳米粒子成功地荷载了生育酚，并考察了玉米醇溶蛋白与壳聚糖比例对生育酚的包埋率和释放动力学的影响。但少有文章深入探究关于多糖不同分子量对蛋白多糖纳米粒子的性质及负载机制的影响。

姜黄素（Curcumin，Cur）主要来源于姜科姜黄属植物姜黄的根茎，具有抗炎、抗氧化、降血脂、抗动脉粥样硬化和抗肿瘤等多种功能。然而，Cur是一种脂溶性的色素，其水溶性差，仅为11 ng/mL，大部分进入人体后从粪便排出，在血液中浓度低。此外，Cur易受光和热的影响，在光照条件下易分解为阿魏酸和香草醛，生物利用率低和不稳定性限制了它在食品中的应用。

因此，本研究以姜黄素为模型营养成分，围绕纳米营养递送体系中包封率和负载量较低、突释现象显著的问题，通过反溶剂沉淀法构建zein-CS纳米粒子。考察CS分子量、zein与CS质量比对纳米粒子及其负载Cur性能的影响，表征纳米粒子结构、稳定性和缓释性能，以期揭示其释放机理，为构建纳米营养递送体系提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米醇溶蛋白（纯度98.13%），日本和光纯药工业株式会社；壳聚糖（相对分子质量为5×104Da与1×105Da），天津索罗门生物技术有限公司；壳聚糖（相对分子质量为3.4×105Da），浙江金壳药业有限公司。

无水乙醇（分析纯），天津市津东天正试剂公司；冰乙酸（分析纯），天津市津东天正化学试剂厂；去离子水，天津科技大学。

1.2 仪器与设备

电子分析天平：RS-232，丹纳赫传感工业控制有限公司；离心机：TDL-5-A，上海安亭科学仪器厂；磁力搅拌器：HJ-6A，常州市凯航仪器有限公司；真空冷冻干燥机：FD-1，北京德天佑科技发展有限公司；超纯水系统：Milli-Q，美国Millpore公司；纳米激光粒度仪：BT-90，丹东市百特仪器有限公司；zeta电位仪：Nano-ZS，英国Malvem公司；扫描电子显微镜：SU1510，日本日立株式会社；傅里叶红外光谱：TENSOR 27，布鲁克仪器公司。

1.3 zein-CS纳米粒子的制备

准确称量1.0 g的zein粉末，溶于体积分数为70%乙醇水溶液，配制浓度为10 mg/mL，用作母液。准确称量不同分子量的CS（相对分子质量为5×104、1×105和3.4×105Da，分别命名为LC、MC、HC）粉末，分散于体积分数为1%醋酸水溶液中，充分溶解，配制成不同浓度CS溶液（0.1～0.5 mg/mL）。在磁力搅拌下，使用5 mL规格的注射器将1 mL母液，以2滴/s的速度滴加到10 mL上述CS溶液中，使得最终的zein/CS质量比分别为2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1。搅拌30 min，形成zein-CS纳米粒子。根据粒子中CS分子量的差异，命名为zein-LC，zein-MC，zein-HC纳米粒子。

1.4 负载Cur的zein-CS纳米粒子的制备

首先，将1.0 g zein和0.1 g Cur分别加入到50 mL体积分数为70%乙醇水溶液中，搅拌至充分溶解。在磁力搅拌下，将Cur的乙醇溶液迅速滴加zein溶液中（保证蛋白最终浓度为10 mg/mL），持续搅拌1 h，离心（3 000 r/min，10 min）除去不溶性杂质，配置成荷载Cur的蛋白母液，为橙黄色溶液，4 ℃储存备用。使用5 mL规格的注射器将1 mL荷载Cur的蛋白母液以2滴/s的速度滴加到10 mL不同浓度CS溶液（0.1～0.5 mg/mL）中，使得最终的zein/CS质量比分别为2∶1，4∶1，6∶1，8∶1，10∶1。搅拌30 min，形成zein-CS纳米粒子。荷载Cur的zein、zein-LC，zein-MC，zein-HC纳米粒子，分别命名为Cur/zein，Cur/zein-LC，Cur/zein-MC，Cur/zein-HC。

1.5 zein-CS纳米粒子的表征

1.5.1 粒径与zeta电位

使用纳米激光粒度仪测定纳米粒子的粒径分布和多分散指数（Polydispersity Index，PDI）。使用zeta电位仪测定zeta电位。试验条件为（25±0.1）℃，每个样品平行测定3次，取平均值。

1.5.2 包封性能

采用冻干复溶法[15]对不同粒子的包封率（Encapsulation Efficiency，EE，%）及负载量（Loading Capacity，LC，%）进行了测定。包封率表示zein包裹Cur的含量，负载量以zein计，表示相同量的zein所包封的Cur的含量。参照Chen等[16]的研究方法，Cur的加入量为1.0%（以zein计），准确量取4 mL新制备的纳米粒子悬浮液，冻干后复溶于一定量的纯乙醇中，涡旋震荡1 min，随后，使用离心机10 000 r/min离心20 min，取上清液进行适当稀释，用紫外-可见分光光度计于428 nm测定游离Cur的吸光度（），通过姜黄素标准曲线公式=0.346 3-0.010 2（2=0.999 8）计算得出游离的Cur含量，Cur的EE和LC通过以下公式计算：

式中总为被包埋的Cur总量，mg；游为游离Cur的含量mg；Cur为Cur的总量mg；粒子为粒子中zein的总质量mg。

1.5.3 扫描电子显微镜

使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）进行纳米粒子形貌观察。操作方法：将一定量纳米粒子悬浮液滴加到1 cm2的小玻璃板上，平铺在桌子上，自然风干后将玻璃板贴到导电胶上，真空喷金处理。处理后的纳米粒子于扫描电子显微镜上观察，电压为15 kV。

1.5.4 傅立叶红外光谱

取1.0 mg纳米粒子冻干粉末与150 mg溴化钾混合，置于研钵内充分研磨，压片。使用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）仪扫描，得到样品FTIR图。检测条件：室温、干燥的环境。扫描范围：400～4000 cm-1，分辨率：4 cm-1，累加16次，以空气为背景，每次扫描前扣除背景。

1.6 zein-CS纳米粒子的稳定性

1.6.1 pH值对纳米粒子的影响

将新制备的纳米粒子和去离子水1∶1等体积混合，混合后，调节胶体悬浮液pH值为3.0～7.5，用0.1 mol/L NaOH或者HCl溶液对混合液pH值进行调整。用BT-90激光粒度仪和zeta电位仪检测溶液纳米粒子性质在不同pH值条件下的变化。

1.6.2 离子强度对纳米粒子的影响

将新制备的纳米粒子与不同浓度的NaCl溶液等体积混合，使样品的氯化钠最终浓度分别为0、100、200和300 mmol/L，调节pH值为7.0。用粒度仪和zeta电位仪检测溶液纳米粒子性质在不同pH值（离子强度）条件下的变化。

1.6.3 纳米粒子的长期储存稳定性

将制备的纳米粒子分散液在25℃环境中放置60 d。用粒度仪和zeta电位仪检测放置前后纳米粒子性质的变化。

1.7 zein-CS纳米粒子的缓释动力学分析

精确称取一定量的Cur，用乙醇溶解，用磷酸盐缓冲盐溶液（PBS，Phosphate Buffered Saline）定容，得到100g/mL的Cur溶液，系列稀释成1～10g/mL溶液，以用 PBS 缓冲液做空白对照，在最大吸收波长428 nm处，以浓度为横坐标，吸光度（）为纵坐标，建立标准曲线=0.1916-0.0251（2=0.998）。

取10 mL新制备的载Cur纳米粒子悬浮液，置于截留分子量为3 500 Da的透析袋中，随后将透析袋浸入200 mL PBS缓冲溶液（pH值 7.4）中。将载有透析袋的锥形瓶放置于37 ℃恒温水浴摇床中，控制摇床速率为100 r/min。在设定的时间点，取出3 mL透析袋外的缓冲溶液，同时添加相同体积的空白缓冲液。

式中为某时刻缓释溶液释放Cur的浓度，mg/mL；为某时刻下缓释溶液体积，mL；为其中包含Cur的总质量，mg。

2 结果与分析

2.1 zein-CS纳米粒子特性分析

采用反溶剂沉淀法制备纳米颗粒，zein从乙醇相转移到了水相，环境极性的改变引发了zein分子的自组装，而逐滴加入可以减缓zein液滴之间的聚集而致局部浓度过高的情况，从而可以得到粒径较小、分布均一的 zein纳米粒子。为了优化纳米粒子的制备条件，本试验考察了CS的种类和zein-CS的质量比对纳米粒子粒径、PDI和zeta电位的影响，如表1所示。

表1 CS分子量、zein与CS质量比对zein-CS纳米粒子的影响

注：不同小写字母表示同一指标有显著差异（<0.05）。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences in the same index(<0.05).

平均粒径是通过对粒径分布加权平均得到的一个反映胶束平均粒子直径的参数。对于分子量较小的LC来说，当zein-LC质量比为2∶1时，所制备的纳米粒子的平均粒径最大，在此条件下，CS浓度较高，能够完全包裹住蛋白分子并与周围蛋白分子吸附聚集，导致粒径有所增加；随着zein-LC质量比的增加，制备zein-LC纳米粒子的平均粒径从139.00减小到92.37 nm，这可能是由于CS量的减少从而更少的吸附在zein内核的表面，减少蛋白分子吸附聚集。Liang等[17]的报道表明静电相互作用可能会引起CS与zein之间作用更加紧密而导致粒径减小。此外，Luo等[18]的报道表明，由于zein的疏水相互作用，所制备的EGCG-CS/zein 纳米颗粒更致密，粒径减小。而对于MC、HC来说，随着zein-CS质量比的增加，所制备纳米粒子的平均粒径也呈现降低的趋势。但MC和HC所制备的纳米粒子，其平均粒径总体上低于LC所制备的纳米粒子。陈世兰等[19]研究表明，CS分子量对其分子缠绕能力存在影响，即CS分子量越大，分子之间的缠绕程度越大。Zein-MC粒径相对较小可能与MC分子的长度和缠绕能力有关，从而与zein分子之间相互结合更加紧密，导致其结构致密。纳米粒子粒径越小，在水溶液中有更好的分散性，越不易聚集产生沉淀[20]。为了继续筛选出性能更好的纳米粒子，需通过在后续试验工作中进行验证。

PDI用来表明颗粒粒径的均一性，PDI的值越小，代表颗粒粒径的分散程度越小，其均一性越好，在PDI值低于0.060时，可以认为颗粒的粒径是近似均一的。由表 1可以看出，所有样品的PDI都在0.036～0.049之间，其互相之间的绝对值也相差较小，可以初步认为以上质量比制备出的纳米粒子都是比较均一的。

zeta电位可以用来表征纳米颗粒的表面电荷，一般认为，水相体系中分散体zeta电位大于30 mV或小于-30 mV是比较稳定的，即绝对值越大，颗粒的稳定性就越高。zein粒子的zeta电位仅为20.86 mV，稳定性较低，这是因为zein在水中不溶解，体系稳定性差。在加入CS之后，LC和HC所制备的纳米粒子的zeta电位均明显增加，而MC所制备的纳米粒子并没有明显增加，大多数仍保持在20.84～44.98 mV之间，这表明LC和HC所制备的纳米粒子更加稳定。随着zein-LC与zein-HC中zein∶CS质量比增加，zeta电位均呈现先增加后降低趋势，且在zein-LC和zein-HC质量比为6∶1时达最大值，分别为64.41与62.94 mV。这可能是因为随着zein含量增加，CS含量减少，zein表面暴露电荷逐渐增多，zeta电位随之增加。但随着zein浓度逐渐增加，在zein与CS质量比为8∶1时，蛋白浓度过高会发生聚集，掩盖内部电荷，电位产生先增加后降低趋势[21]。研究表明，zein-CS质量比变化，会引起蛋白质和多糖上所携带电荷密度的比值改变，进一步会影响到二者之间的相互作用，从而制备出的纳米颗粒的粒径、PDI和zeta电位都会随之改变[22]。随着zein与不同分子量CS质量比变化，zeta电位变化趋势不同可能是因为zein-CS复合物是疏松的，不同分子量CS形成的网络空隙不同，为了进一步筛选出具有高包封率和负载量的纳米粒子，后续对载Cur的纳米粒子进行测定分析。

2.2 载Cur的纳米粒子特性分析

先将zein和Cur分别溶于体积分数为70%乙醇水溶液，并用磁力搅拌器搅拌均匀，再将二者等体积混合搅拌约2 h，此时zein和Cur发生特异性相互作用，Cur进入到zein的疏水空隙中[23]，随着zein的自组装过程，把Cur包裹在了zein内部。然后将zein和Cur的混合液滴加到不同质量比的CS醋酸水溶液中，搅拌过程中CS扩散到水和乙醇的界面，此时CS和zein发生静电、氢键、疏水等相互作用，与Cur、zein形成复合纳米颗粒[15、24]。为了制备出特性更好的载Cur纳米粒子，首先对不同CS分子量、不同质量比的载Cur纳米粒子的粒径进行测定，如图1所示。

从图1中可以看出，空白组平均粒径为121 nm且均一性较差。图1a中，zein与LC质量比对纳米粒子的粒径分布影响较大，zein与LC质量比为2∶1的粒子的平均粒径最大，为131 nm，但均一性差；随着zein与LC质量比增加，载Cur纳米粒子的平均粒径呈现先降低后增加的趋势，在质量比为8∶1时达到最小值85.2 nm。图1b中，zein与MC质量比对纳米粒子的粒径分布影响不大，其平均粒径分布在70.5～82.2 nm之间。图1c中，zein与HC质量比对纳米粒子的粒径分布影响较大，且与图1a有相同的变化趋势，即随着质量比增加，载Cur纳米粒子的平均粒径呈现先降低后增加，在质量比为8∶1时达到最小值65.9 nm，与其他质量比例的粒子相比，粒径最小，均一性也最好。

为了进一步筛选出CS分子量、zein与CS质量比较优的粒子，计算包封率、负载量结果如图1d、1e所示。以Cur/zein为空白组，空白样品的包封率为82.5%，由图可知，随着Cur/zein-CS质量比的增加，Cur/zein-LC、Cur/zein-MC与Cur/zein-HC纳米粒子对Cur的包封率和负载量总体均呈先增加后降低的趋势，包封率、负载量最大可分别达到81.92%、8.19%（此时，zein-LC质量比为8∶1）；Cur/zein-MC为80.26%、8.03%（此时，zein-LC质量比为4∶1）；Cur/zein-HC为82.93%、8.29%（此时，zein-HC质量比为8∶1）。比较不同CS分子量、zein-CS质量比的粒子包封性能可知，zein与壳聚糖的比例为8∶1时，负载量最高为8.29%，对Cur的包埋效果较佳。因此，选用zein与壳聚糖的比例为8∶1的Cur/zein-HC纳米粒子进行后续表征试验。

2.3 Cur/zein-HC纳米粒子的表征

2.3.1 SEM分析

由图2可以看出，zein-HC与Cur/zein-HC纳米颗粒均为规则的球形，且分布较为均匀。Cur的加入并没有引起粒子形态上的改变，大多数颗粒的粒径范围为80 nm～100 nm，也存在着少数粒径更小的粒子。由于用纳米激光粒度仪测其粒径时粒子存在于溶液中，而使用SEM时，待测溶液已被自然风干，粒子存在于干燥的状态下，因此激光粒度仪测出的粒径要比SEM稍大。这种现象被称为粒径收缩现象，当粒子存在于溶液中，表面被一层水化层所覆盖，在自然干燥的过程中，表面水分挥发到空气中，纳米粒子会出现明显的失水皱缩现象[25-27]。

2.3.2 FTIR分析

如图3所示，3 423 cm-1处观察到了zein的特征峰，这是由于羟基伸缩振动引起的[28]。在zein中加入HC后，特征峰偏移到3 323 cm-1，这表明zein和HC之间存在着氢键相互作用，这一结果与Sun等[29]的研究结果一致。向zein中加入Cur后，特征峰偏移3 316 cm-1，说明zein和Cur之间也存在着氢键。在1 639 cm-1和1 540 cm-1处观察到zein的主要特征峰，分别归属于酰胺Ⅰ带和酰胺Ⅱ带[30]。C-O基团和C-N基团的伸缩运动主要引起了酰胺Ⅰ带[31]，N-H基团弯曲运动、C-N基团伸缩运动引起酰胺Ⅱ带[32]。加入HC后，zein-HC特征峰偏移到1 655 cm-1和1 534 cm-1，这是zein与HC间静电相互作用导致的，相同的结果在李春亮等[33]的研究中出现。向zein中加入Cur后，特征峰均为1 655 cm-1和1 515 cm-1。这些结果表明，纳米粒子的形成过程中，zein与HC之间不仅存在氢键，还存在静电相互作用。

2.4 Cur/zein-CS纳米粒子的形成推测

根据结构表征结果，绘制了Cur/zein-CS纳米粒子生成机制示意图。如图4所示，壳聚糖的添加使玉米醇溶蛋白的性质和结构发生改变，粒径的大小和载样量取决于壳聚糖的分子量、玉米醇溶蛋白与壳聚糖之间的质量比。首先，姜黄素穿插在玉米醇溶蛋白疏水区域。其次，壳聚糖通过氢键、静电相互作用围绕在玉米醇溶蛋白的四周，防止其进一步聚集。

2.5 zein-HC纳米粒子的稳定性分析

图5为纳米递送粒子在不同pH值和离子强度下的稳定性结果。由图5a中可以看出，在pH值为3.0～4.0时，颗粒的粒径在80～120 nm内。zein的等电点约为6.2[34]，HC是一种阳离子多糖，等电点约为8.2。由图5a中可以看出，在pH值为3.0～6.0时，zein带有大量的正电荷使得zeta电位为正值，zein与HC之间存在着静电互斥的作用。pH值为4.5时，粒径为440 nm，此时溶液较为浑浊，随着pH值的降低，复合颗粒zeta电位升高，粒径减小。pH值为3.0～4.0时，颗粒的粒径在80～120 nm内，表现出良好的稳定性。当pH值大于6.5时，zein表面携带负电荷，zein与HC之间静电吸引作用使得纳米粒子聚集，复合颗粒的zeta电位值急剧下降。pH增加至7.5时，粒子的zeta电位同样急剧降低，这是由于zein带有较多的负电荷，与HC之间的静电互斥作用使溶液趋于稳定，纳米粒子最大粒径为2 229 nm。综合粒径与zeta电位的数值得出，纳米粒子在酸性条件下更稳定。

由图5b看出，未添加NaCl时，颗粒粒径为94 nm，zeta电位为-55 mV，此时颗粒粒径较小，且溶液稳定。NaCl浓度为100 mmol/L时，粒径为275 nm，zeta电位为-38 mV，此时溶液出现少量的絮沉，整体较为稳定。NaCl浓度上升至300 mmol/L时，颗粒粒径增大至309 nm，变化较小，说明此时zein与HC之间具有较强的静电相互作用，这种作用能抵抗在一定浓度范围内的NaCl所引起的电荷之间的中和作用。但zeta电位变化较大，为-16 mV，由此看出，随着NaCl浓度的不断升高，粒子的稳定性逐渐降低。当NaCl浓度继续增大至400 mmol/L、500 mmol/L时，此时溶液中几乎全部絮沉，超出仪器测量范围，zeta电位数值也较小，溶液稳定性变差。

长期贮存对Cur/zein-HC纳米颗粒稳定性的影响如表 2所示，新制备的粒子的粒径为80.7 nm，PDI为0.042，常温下存储60 d后，所测粒子粒径为79.3 nm，PDI为0.025。在60 d常温存储的过程中，颗粒粒径仅降低了1.73%，且粒径分布更加集中，粒子具有较好的均一性和贮存稳定性。从zeta电位数据进行分析，新制备的粒子电位为46.2 mV，经过60 d的存储后，zeta电位降低至41.8 mV，zeta电位降低了9.52%，但其绝对值仍然大于30 mV，说明利用HC与zein之间的相互作用制备出的纳米颗粒，可以满足商业应用对于粒子稳定性的要求。

表2 长期贮存对Cur/zein-HC纳米颗粒稳定性的影响

2.6 Cur/zein-HC纳米粒子的缓释性能分析

不同纳米粒子在PBS中的缓释曲线如图6所示，纯的Cur在PBS缓冲液中形成突释，2 h后，药物释放量高达到79.65%；15 h后，几乎达到完全释放。而包裹了Cur的纳米粒子，2 h后仅有34.27%的释放量；15 h后，达到75.32%的释放。经过48 h，有76.90%的Cur从Cur/zein-HC纳米粒子释放出来。从纯Cur和Cur/zein-HC纳米粒子的结果对比可以看出，载姜黄素的纳米粒子显示出了明显的缓慢释放特性。这种特性主要由2个原因引起：第一，Cur和zein之间疏水的相互作用力较强，这种作用在一定程度上可以阻止Cur从粒子内部释放出来，从而延长了释放时间[35]。第二，HC作为稳定剂，包被在纳米粒子的表面，对粒子形成了第二层保护，进一步地延缓了Cur的释放[36]。

3 结 论

在玉米醇溶蛋白与壳聚糖（相对分子质量为3.4×105Da）质量比为8∶1时，制备的纳米粒子粒径较小（80.13 nm），其zeta电位为46.18 mV。在此条件下，当姜黄素添加量为1.0%时，其包封率和负载量分别为82.93%和8.29%。纳米粒子呈球形，且分布均匀。静电相互作用及氢键是组装该纳米粒子的作用力。壳聚糖的引入提高了纳米粒子的pH值、离子及储藏稳定性，扩展了其应用范围。与游离的姜黄素相比，营养递送纳米粒子呈现明显的缓释特性。

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Preparation and properties of zein-chitosan nano-nutrient delivery particles

Li Shuhong1, Zhou Junjun1, Chen Guiyun1, Qin Shaoshuang1, Li Heyu2, Chen Ye1※

(1.,,,300457,;2..,.,300457,)

Low oral bioavailability has posed a great challenge on some active substances such as curcumin (Cur) in functional food. Therefore, it is highly demanding for the high water solubility, chemical stabilities, absorption rate, but low metabolic rate in the active substances for the high-quality development of food industries. Currently, the protein and polysaccharide can be expected to construct nano-nutrient delivery, where the complex particles with the diameter of 100-1 000 nm can be considered as an important way to improve the stability and utilization of food-active substances. Zein can also be used to form nano-size spherical particles, thereby embedding into the active substances during antisolvent precipitation in the polar solvent. However, zein nanoparticle is prone to aggregation and precipitation in the dispersion solution. Alternatively, polysaccharides can serve as stabilizers in the preparation of zein nanoparticles. In this study, chitosan with different molecular weights was complexed with zein to fabricate zein-chitosan nanoparticles, in order to achieve the delayed-release capability by the anti-solvent precipitation. An investigation was also made on the effects of chitosan molecular weight (LC: 5×104Da, MC: 1×105Da, HC: 3.4×105Da), while the mass ratio of zein and chitosan (2:1, 4:1, 6:1, 8:1, 10:1) on the particle distribution, zeta potential, the loading Cur performance of zein-chitosan nanoparticles. SEM and FT-IR were selected to characterize the microstructure, morphology, and phase composition, further to elucidate the formation mechanism of composite nanoparticles. Moreover, the slow-release performance and the stability of Cur-loaded composite nanoparticles were evaluated at different pH, ionic strengths, and storage time. The results showed that the Cur-loaded composite nanoparticles presented the smaller particle size of 80.13 nm with a high zeta potential of 46.18 mV, when the mass ratio of zein to chitosan (HC) was 8:1. The encapsulation rate and the loading capacity were 82.93% and 8.29% under the optimal condition, respectively. SEM observation showed that most nanoparticles were in a regularly spherical shape and even distributed in the dispersion solution. FTIR revealed that hydrogen bonding and electrostatic interaction were the main forces for assembling nanoparticles. The formation mechanism of nanoparticles was that the Cur was scattered in the hydrophobic region of zein, whereas, chitosan surrounded the zein via the hydrogen bond and electrostatic interaction to prevent further aggregation. The chitosan greatly contributed to improving the pH, ion, and storage stability of nanoparticles for the extending application, such as nutrition and drug delivery. Specifically, optimal zeta potentials (46.2 to 41.8 mV) were achieved, as the dispersity index (0.042 to 0.025) decreased significantly during 60 days of storage at room temperature. At the same time, there were no significant changes in the particle size. It indicated that the prepared nanoparticles behaved better homogeneity and storage stability, suitable for the requirements of commercial application in the particles. The release results showed that the Cur-loaded composite nanoparticles presented a low release rate of 34.27% at the first 2 hours, while the release rate increased to 75.32% after 15 hours, and finally, 76.90% of Cur was found to be released after 48 h. Sustained-release properties were found in the Cur-loaded nanoparticles for the phosphate-buffered saline (PBS), compared with the free Cur. Consequently, the prepared zein-chitosan nanoparticles with excellent properties can be expected to serve as broad application prospects for nano-nutrient delivery in functional food and medicine.

nutrition; models; zein; chitosan; nanoparticles; sustained release performance

李书红，周军君，陈桂芸，等. 玉米醇溶蛋白-壳聚糖纳米营养递送粒子的制备及性质[J]. 农业工程学报，2021，37(16)：279-286.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.034 http://www.tcsae.org

Li Shuhong, Zhou Junjun, Chen Guiyun, et al. Preparation and properties of zein-chitosan nano-nutrient delivery particles[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(16): 279-286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.034 http://www.tcsae.org

2021-04-07

2021-08-14

国家青年科学基金项目（31701526）；天津市自然科学基金（18JCZDJC98100）

李书红，博士，副教授，研究方向为食品营养递送体系、面制品加工技术。Email：lsh@tust.edu.cn

陈野，博士，教授，研究方向为植物蛋白凝聚机制、农产副产物的高值化利用技术。Email：chenye@tust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.16.034

TS201. 4

A

1002-6819(2021)-16-0279-08