殼聚糖-葉酸微膠囊的制備及其特性評價

彭雅萱,丁振江,李旭燕,楊宗玲,劉金洋,王俊, 陸偉,馮煦洸,夏凱*,周志橋*

1(中國食品發酵工業研究院有限公司,北京,100015)2(功能主食創制與慢病營養干預北京市重點實驗室,北京,100015) 3(河北工程大學 生命科學與食品工程學院,河北 邯鄲,056000)4(寧波御坊堂生物科技有限公司,浙江 寧波,315012)

B族維生素是根據其水溶性和相互關聯的細胞輔酶功能進行分類而得到的一組維生素。其中維生素B9作為主要的甲基攜帶者,參與人體的葉酸循環并與蛋氨酸循環共同構成一碳代謝,在DNA、RNA的合成、修復,神經管的閉合,髓鞘的發育等方面發揮了不可或缺的作用[1]。尤其是生命的“前1 000天”,充足的葉酸可以預防神經管缺陷、促進兒童的認知發育等[2-3]。因此,維生素B9的有效補充對于孕婦和兒童至關重要。研究表明,我國預計有30%的孕婦存在葉酸缺乏現象,尤其北方地區的孕婦[4]。其原因一方面在于富葉酸食物的攝入量不足;另一方面食物中的維生素B9多以多聚谷氨酸形式存在,而小腸細胞僅能轉運單谷氨酸形式的維生素B9[5],造成了食物中維生素B9的低生物可及性,進而影響其生物利用度,所以進行額外的補充劑攝入是有必要的。葉酸常被用于指代一種合成的氧化形式的維生素B9,即蝶酰谷氨酸,相對于天然維生素B9來說,由于它具有更好的穩定性和生物利用度,且生產工藝成熟、價格低廉,因此常被用于膳食補充劑或食品添加劑。但葉酸的酸不穩定性導致其進入胃部后易產生損耗,因此,對葉酸進行一定的包埋有利于提高其生物可及性。

國外已有包括凝聚、電噴霧、靜電紡絲、脂質體等[6]技術應用于葉酸包埋以提高其儲存、消化過程中的穩定性,但存在工藝復雜、設備昂貴、引入較多非食品原料、生物可及性不高等問題,而國內研究大部分致力于使葉酸功能化攜帶藥物達到靶向治療癌癥作用,較少關注葉酸的包埋,且已有的研究通常采用相分離法,同樣存在類似問題[7],而市面上已有的葉酸補充劑大多直接與輔料混合壓片,無法在胃部達到保護作用,少數采用薄膜包衣技術,但成分復雜。因此,制備一款工藝簡單、無需過多非食品原料且生物可及性良好的葉酸補充劑非常有必要。

殼聚糖在遞送方面,是應用最廣泛的聚合物之一。因其分子質量適中、毒性低、生物可降解性以及酸性條件下富含的質子化氨基,能實現pH響應型體系的可控釋放[8]。其中常用方法包括共價交聯法、離子交聯法、復凝聚法、噴霧干燥法[9]。其中共價交聯法是利用分子鏈上的氨基或羥基等與一些化學交聯劑發生化學交聯反應,產物穩定性好,但交聯劑往往具備一定毒性。離子交聯法通常是利用三聚磷酸鈉與殼聚糖進行離子間靜電吸附誘導膠凝化,該法反應條件溫和。復凝聚法是通過混合帶相反電荷的聚電解質溶液調節pH而自發形成微囊。噴霧干燥法是使流體樣品與干燥氣流間形成最大表面積,促使有效快速霧化。前2種方法相對共價交聯法均具有更高的安全性,但相對噴霧干燥法存在步驟較為復雜,工業生產條件要求較高等缺點。

綜上所述,本研究采用噴霧干燥法,以殼聚糖為壁材,制備葉酸微膠囊,之后分析評價其粉體顆粒的大小和粒度分布是否均勻,觀察其顆粒微觀形態;然后通過模擬體外消化,采用HPLC方法對其生物可及性進行評價,并選取市售4種葉酸補充劑進行生物可及性對比。最后,為進一步探究殼聚糖微膠囊的動力學溶出特性,測定了該微膠囊在水中的溶出過程,并選取5種動力學模型進行非線性擬合,將殼聚糖的溶出過程數字化,為緩釋產品的設計和其他微膠囊系統的設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

葉酸、殼聚糖、唾液淀粉酶、胃蛋白酶、胰酶,美國Sigma化學公司;膽鹽,上海麥克林生化科技股份有限公司;其他試劑均為國產分析純;除塵罐,上海展途化工有限公司;葉酸補充劑,市售。

1.2 儀器與設備

PL203型分析天平,梅特勒-托利多儀器有限公司;T25基本型ULTRA-TURRAX分散機,德國IKA公司;S3500激光粒度分析儀美國麥奇克有限公司;B-290小型噴霧干燥機,瑞士步琦實驗室儀器公司;Phenom ProX型臺式能譜掃描電鏡,荷蘭Delmic公司;Spectra Max i3酶標儀,美國MD公司;2695液相色譜儀,美國Waters公司;ChromCore AR C18液相色譜柱(5.0 μm,250 mm×4.6 mm),納譜分析技術(蘇州)有限公司;ZRS-8G藥物溶出儀,天津鑫洲科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 殼聚糖-葉酸微膠囊制備工藝

在ESTEVINHO等[10]的基礎上,通過預實驗得到以下工藝流程:

殼聚糖→溶解→加入葉酸→剪切→噴霧干燥→葉酸微膠囊

將殼聚糖溶于2%(體積分數)的醋酸溶液得到2%(質量分數)殼聚糖溶液,加入葉酸,在6 500 r/min下剪切15 min得到含0.5%(質量分數)葉酸的壁芯材懸濁液,之后在入口溫度150 ℃,4 mL/min流速下進行噴霧干燥,得到殼聚糖-葉酸微膠囊。

1.3.2 殼聚糖-葉酸微膠囊的粉體特性

1.3.2.1 殼聚糖-葉酸微膠囊的粒度分析

將一定量的樣品加入至無水乙醇中,經超聲波分散30 s后,滴入至粒度分析儀中,檢測得到樣品的平均徑、中位徑(D50)、跨度[(D90-D10)/D50]和粒度分布。

1.3.2.2 殼聚糖-葉酸微膠囊的電鏡觀察

取少量微膠囊粉末置于導電膠上,使用除塵罐吹去浮粉,將樣品放于置物臺上,于電鏡中分別在4 000×、7 000×、12 000×倍數下進行觀察。同時,對未包埋葉酸進行觀察對比。

1.3.3 殼聚糖-葉酸微膠囊的生物可及性

1.3.3.1 葉酸含量測定

采用HPLC法,參照高桂花等[11]的方法稍作修改。梯度洗脫程序如表1所示,進樣量10 μL,流速0.8 mL/min,檢測波長254 nm,檢測時間30 min。

表1 HPLC方法測定葉酸的梯度洗脫流程Table 1 HPLC gradient elution process of folic acid

稱取3 mg葉酸標品溶解于0.5%(體積分數)氨水中,并定容至25 mL,稀釋得到一定濃度梯度的葉酸標準溶液,過0.22 μm濾膜后進入HPLC測定峰面積,并繪制標準曲線。通過在一天中的3個不同時間和連續3 d測量同一樣品,檢測日內精密度和日間精密度,每次重復注射3次,并計算峰面積之間的相對標準偏差。通過將不同樣品與已知標準溶液混合測定并計算回收率,以檢查HPLC方法的可靠性。

1.3.3.2 殼聚糖-葉酸微膠囊的負載量測定

在確定生物可及性之前確定微膠囊及市售產品的負載量。將5 mg微膠囊及一片市售產品溶于0.5%(體積分數)的氨水溶液中,在25 mL容量瓶中定容,過0.22 μm的濾膜后,按照1.3.3.1節的方法測定葉酸含量。并根據公式(1)計算出負載量:

(1)

1.3.3.3 殼聚糖-葉酸微膠囊的生物可及性探究

體外模擬消化模型是參考文獻[12-13]的方法并略有調整。所需各溶液配制如表2所示。每次試驗前通過預試驗確定調節胃液和腸液pH所需1 mol/L HCl或1 mol/L NaOH溶液的量。

表2 體外消化液的配制Table 2 Configuration of in vitro digestion solution

除本研究制備的殼聚糖-葉酸微膠囊外,還任意選取了市面上已有的4種葉酸補充劑探究生物可及性。測量時,稱取50 mg微膠囊,以及含相同葉酸量的市售產品,用水稀釋至5 mL,與口腔電解質按1∶1(體積比)混合,并加入唾液淀粉酶。在2 min內加入1 mol/L HCl溶液調節pH值為2.0并渦旋混勻以停止口腔模擬消化,再用胃液以1∶1(體積比)的比例稀釋口腔消化物,然后在pH 3.0、200 r/min下攪拌2 h。然后于消化體系中立即加入1 mol/L NaOH溶液調節pH值到7.0以停止胃模擬消化,再用腸液1∶1(體積比)稀釋胃消化液,然后在pH 7.0、200 r/min條件下攪拌2 h。分別在胃消化階段和腸消化階段的30、60、90和120 min取500 μL樣品,加入到4倍體積的無水乙醇中,然后加入5 mL的0.5%(體積分數)氨水溶解穩定葉酸。通過0.22 μm濾膜過濾,進入HPLC檢測葉酸含量。葉酸釋放率的計算如公式(2)所示:

(2)

1.3.4 殼聚糖-葉酸微膠囊的溶出特性評價

1.3.4.1 酶標儀法測定殼聚糖-葉酸

考慮到溶出特性研究側重于芯材釋放的整體變化過程,且研究過程中取樣點密集,因此選取檢出限更高,但無需前處理且檢測速率快的酶標儀法對葉酸進行快速、高效的測定。

首先稱取3 mg葉酸標品分散于水中并定容至25 mL,再稀釋成一定濃度梯度的標準溶液,在360 nm處測定吸光值,并繪制標準曲線。

1.3.4.2 殼聚糖-葉酸微膠囊溶出釋放率的測定

取5 mg樣品加入500 r/min攪拌的100 mL水中,在10、30、60 s處取1 mL溶液,之后再間隔60 s取樣,并用等量水補齊,之后利用酶標儀測定葉酸含量。根據公式(3)計算葉酸溶出率:

(3)

1.3.4.3 溶出模型擬合[14-17]

結合該微膠囊的粉體特性,通過文獻調研,選出與之相符的動力學模型,共5種動力學模型,利用SPSS軟件進行非線性擬合,得到不同參數的最大似然估計值。

(a)Weibull模型

該模型適用于比較基質類藥物的釋放曲線,如通過噴霧干燥獲得的微膠囊。具體如公式(4)所示:

(4)

式中:Mt,t時葉酸的釋放量;M∞,時間趨于無窮時葉酸的釋放量;α,比例參數,定義了過程的時間尺度,即時間依賴性;Ti,位置參數,指開始釋放的滯后時間,通常為0。形狀參數β描述了溶解曲線的形狀。當β=1時,曲線為指數曲線,其中常數K=1/α;當β>1時,曲線為S形。當β<1時,其形狀顯示為拋物線曲線,顯示了使用復合曲線得出的數據的陡峭程度,這基本上顯示了特定部位的雙相釋放動力學。

(b)Korsmeyer-Peppas模型

該模型用于分析藥物在膨脹和非膨脹聚合物輸送系統中的Fick擴散和non-Fick擴散的經驗公式。如公式(5)所示:

(5)

式中:KK,Korsmeyer速率常數,它與物質的結構和幾何特征相關,包括微膠囊、薄膜、片劑等。n,釋放指數,不同的n值范圍可用于描述不同的釋放機制。

(c)Baker-Lonsdale模型

該模型用于描述類球形膠囊的釋放,線性化微囊制劑的釋放數據。如公式(6)、公式(7)所示:

(6)

(7)

式中:釋放率常數k與斜率相對應,而Cs為葉酸在壁材溶液中的溶解度;D,擴散系數;r0,微膠囊的半徑、C0,單位體積所含有的初始葉酸量。且滿足C0?Cs。

(d)Gompertz模型

Gompertz模型由公式(8)表示,更適合于比較具有較好溶解度和中等釋放率的藥物的釋放曲線。

Xt=Xmaxexp(-αeβ lgt)

(8)

式中:Xt,時間t的溶解百分比除以100;Xmax,最大溶解度;α,時間t=1時未溶解的比例,描述為位置或比例參數;β,單位時間的溶解率,描述為形狀參數。

(e)Hixson-Crowell模型

該模型描述的是顆?；蚱瑒┤芙忉尫艜r表面積和直徑隨時間發生的變化,如公式(9)所示。

(9)

式中:W0,微膠囊中葉酸的初始量,Wt,時間t時微膠囊中剩余的葉酸量。K,常數,結合了表面與體積關系。

1.3.4.4 擬合優度分析

赤池信息準則(Akike information criteria,AIC)和貝葉斯信息準則(Bayesian information criterion,BIC)是評估所選模型擬合質量的指標,其計算按公式(10)、公式(11)所示:

(10)

(11)

式中:RSS,殘差平方的總和;p,模型中參數的數量;n,試驗數據點的數量。

1.3.5 數據統計

所有試驗均進行3次,并通過Excel 2021計算平均值。通過SPSS Statistics 25進行溶出曲線的模型擬合。圖表由Origin 2019 b繪制。

2 結果與分析

2.1 殼聚糖-葉酸微膠囊的粉體特性

2.1.1 粒度分析

殼聚糖-葉酸微膠囊平均徑、中位徑(D50)、跨度[(D90-D10)/D50]和粒度分布的峰值如表3所示,粒度分布曲線如圖1所示?？傮w可以看出,制備的微膠囊粒度分布均勻,且加入葉酸后,微膠囊的平均粒徑及中位徑均減小。其中平均徑包括體積平均徑[D(4,3)]和比表面積平均徑[D(3,2)],2種粒徑相差越小,說明顆粒越接近球形,由表3中可以看出,空膠顆粒的D(4,3)、D(3,2)相差不大,說明顆粒接近球形,但加入葉酸后兩值相差變大,說明包埋后存在不規則顆粒。由跨度變化可以看出加入葉酸后粒度分布均勻度降低,反映在粒度分布曲線上為峰寬變寬。且加入葉酸后,顆粒粒度整體前移,峰值由36.12 μm降至20.62 μm。

表3 殼聚糖-葉酸微膠囊的粒度分析結果Table 3 Particle size of chitosan-folic acid microcapsules

圖1 殼聚糖和殼聚糖-葉酸微膠囊的粒度分布圖Fig.1 Particle size distribution of chitosan and chitosan-folic acid microcapsules

2.1.2 電鏡觀察

葉酸、殼聚糖空膠以及殼聚糖-葉酸微膠囊的電鏡圖見圖2。

a-葉酸(7 000×);b-葉酸(12 000×);c-殼聚糖(7 000×); d-殼聚糖(12 000×);e-殼聚糖-葉酸微膠囊(7 000×); f-殼聚糖-葉酸微膠囊(12 000×)

葉酸呈長片狀結構,而殼聚糖空膠接近球狀結構,且表面非常粗糙,有類似于大腦表面結構的褶皺,呈多孔狀結構,即使在加入葉酸后,形成的微膠囊表面也有類似的褶皺和小孔,此外,加入葉酸后,受葉酸長片狀結構影響,微膠囊存在不規則顆粒,部分變成梭狀結構。綜上所述,電鏡結果與粒度分析結果均說明殼聚糖-葉酸微膠囊存在不規則顆粒。

2.2 殼聚糖-葉酸微膠囊的生物可及性

2.2.1 HPLC測定結果

HPLC方法測定葉酸的出峰時間為9.25 min,對修改后的方法進行驗證,不同濃度標準溶液色譜圖如圖3所示,得到的標準曲線回歸方程為y=15 465.788x+2.973,R2=1,回歸的標準誤差Sy/x=2.277,斜率的偏差Sa=22.896,截距的偏差Sb=1.295。斜率的置信區間為(15 402.219,15 529.356),截距的置信區間為(-0.622,6.569)。計算出的檢測限為0.053 μg/mL,定量限為0.162 μg/mL。加標回收率為(103.69±0.41)%,相對標準偏差為0.39%。日內精密度為0.44%,日間精密度為0.92%,說明方法重復性好。

圖3 葉酸標準溶液色譜圖Fig.3 Chromatogram of folic acid standard solution

2.2.2 生物可及性

由表4中可以看出,單獨葉酸在經過胃腸道消化時會發生損失,由于葉酸對酸性環境的敏感性,葉酸在胃部2 h共損失32.31%,且主要發生在前30 min內,而在腸道損失較少。經過噴霧干燥法包埋后,微膠囊在胃腸道消化過程中的損失減少,尤其在胃部極端酸性條件下的損失減小,2 h僅損失12.08%,且葉酸分解速率降低。其原因可能有2點,一是殼聚糖的包埋使葉酸在胃部被緩慢釋放,在1 h左右葉酸才被完全釋放,縮短了葉酸與酸性環境的接觸時間;二是殼聚糖的包裹減少了葉酸與酸性環境的接觸面積,所以在1 h后葉酸的損失增加。而從市售產品消化過程中葉酸釋放率變化可以看出,葉酸發生損失同樣主要在胃部,同時相對于未包埋葉酸,胃部損失率更大,說明這些產品的生產方式并未對葉酸起保護作用甚至不利于葉酸在胃部的穩定性。此外,葉酸釋放率在腸部的增加現象可能是部分葉酸在胃部未完全溶解或部分葉酸在酸性條件下分解后,再轉入中性條件下時,產物可能會重新形成葉酸,但目前還未有相關研究報道。

表4 葉酸、殼聚糖-葉酸微膠囊和市售產品體外消化的葉酸釋放率Table 4 Folic acid release rates from folic acid, chitosan-folic acid microcapsules, and commercial products digested in vitro

由于葉酸在小腸的空腸近端及十二指腸處被吸收,因此其在小腸部位的釋放率體現了微膠囊的生物可及性。微囊化的葉酸在經過4 h的胃腸道消化后其生物可及性由73.95%增加到85.04%,而4種產品生物可及性在51%～53%,說明該殼聚糖-葉酸微膠囊生物可及性良好。PENALVA等[18]制備了酪蛋白納米顆粒,測定了其在pH=1.2的胃部消化2 h和pH=6.8的腸部消化20 h的葉酸釋放量,發現該納米膠囊在胃部沒有釋放,而在腸部時,一開始釋放較快,但在消化4 h時釋放率僅為70%,之后釋放極為緩慢,直到10 h時釋放率才達到約90%,但在人體體內環境中,大部分攝入葉酸無法在小腸前端停留10 h,因此,本文制備的葉酸微膠囊生物可及性更高。FATHIMA等[19]同樣選取了殼聚糖作為壁材制備葉酸納米膠囊,但采用的方法是離子交聯法,通過殼聚糖伯氨基上的陽離子與三聚磷酸鈉的陰離子在適宜的條件下交聯,得到的葉酸納米膠囊生物可及性高,經過10 min pH 6.8的口腔消化、2 h pH 2.0的胃部消化以及3 h pH 7.0的腸部消化后,生物可及性達到90%,但該法操作復雜,不適用于工業生產。因此,總體來說,殼聚糖適合作為葉酸微囊化的壁材,在胃部可保護葉酸減少損失,提高生物可及性,但制備過程中應注意葉酸與殼聚糖溶液的接觸時間,避免時間過長造成葉酸在制備過程中的大量損耗。

2.3 殼聚糖-葉酸微膠囊的溶出特性

在本研究對殼聚糖-葉酸微膠囊體外釋放進行了研究。由釋放過程可看出(圖4),殼聚糖-葉酸微膠囊的釋放可以分為3個階段,第一個階段是快速釋放階段,由于制備過程中,包埋的親水性化合物會吸附在界面上,從而可能會變成生物活性物質的飽和狀態,再加上未被包埋的化合物,使其在水中發生快速釋放;第二階段是持續釋放階段,葉酸隨殼聚糖的溶脹緩慢漏出;第三階段是平穩階段,殼聚糖的溶脹到達極限,無法釋放更多葉酸,釋放率趨于平緩。由釋放的時間可以看出,殼聚糖在水中進行極為緩慢的溶脹現象,超過200 min仍未完全溶解,且葉酸釋放量趨于不變,超過20%(質量分數)的葉酸未被釋放,其原因是殼聚糖的酸性溶解性使其在水中無法完全溶解。

圖4 殼聚糖-葉酸微膠囊溶出曲線及不同模型擬合曲線Fig.4 Dissolution curves of chitosan-folic acid microcapsules and fitting curves of different models

表5 不同模型擬合參數及擬合優度分析結果Table 5 Dissolution curves of chitosan-folic acid microcapsules and fitting curves of different models

3 結論

本研究采用噴霧干燥法制備了一款殼聚糖-葉酸微膠囊,該法操作簡單,無廢水廢物產生,制得的殼聚糖-葉酸微膠囊粒度均勻,表面呈多孔結構,形狀不規則。該微膠囊還提高了葉酸在胃部酸性環境的穩定性,延緩了其在胃部的釋放,大大減少了其在胃部的損失,最終在腸道的生物可及性可達到85.04%,比市售的幾種產品均更高。因此,制備的該微膠囊可考慮作為營養補充劑使用。另外對微膠囊在水中的溶出特性研究發現,其在水中緩慢釋放葉酸,可作為某些產品的營養強化劑,如面粉等需要進一步加工的產品,可避免其在加工過程中提前釋放葉酸,影響其穩定性。此外,通過與5種動力學模型擬合的結果,發現微膠囊溶解釋放曲線與Baker-Lonsdale模型的擬合曲線最相符,在往后的研究中可通過改變其參數,設計出目標溶出過程,制備出目標產品。