杏鑫娱乐网页版登录_纳米结构食品蛋白作为生物活性化合物封装的有效体系

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责任编辑:食品科学

由于纳米载体系统具有可以提高生物活性物质的生物利用度和溶解度,以及增强其在胃肠道内的停留时间,因其纳米级的尺寸能够进入并渗透到活体组织和细胞中,在胃肠道中的恶劣条件下具有较高的稳定性等特殊优势,迅速得到了普及和发展,并引起了广泛的关注。伊朗德黑兰大学的Mehdi Mohammadian、Zahra Emam-Djomeh等在本综述介绍了纳米结构食品蛋白在生物活性化合物封装中的应用,以及制造纳米载体的主要技术,并且讨论了不同纳米结构食品蛋白对生物活性化合物的封装、保护和释放。

不同类型的食品生物聚合物,包括多糖、脂类、蛋白质及其共轭物已被用于开发各种纳米载体,用于生物活性化合物和保健品的保护、截留、封装和控制输送。脂质载体可分为纳米乳液、固体脂质纳米颗粒、纳米结构脂质载体、纳米脂质体、胶束和纳米悬浮液。多糖基纳米载体还包括聚合物纳米颗粒、聚合物胶束和包合物。如图1所示,食品蛋白来源的纳米载体也可以分为不同的结构,包括纳米颗粒、中空纳米颗粒、纳米水凝胶、热诱导纳米纤维聚合体、电纺纳米纤维和管状纳米结构。此外,大多数蛋白质即使在其原生状态下,也有很大的潜力通过形成纳米复合物作为生物活性分子的纳米载体。由于食品蛋白具有特殊的功能和生物学特性,如能形成不同的结构、两亲性、表面活性、生物降解性、生物相容性,丰富的可再生资源,较高的营养价值、抗氧化活性,以及优良的乳化、成膜能力、发泡和凝胶化等,受到各行业的关注。此外,由于蛋白质分子表面存在不同的功能基团,使其很容易被修饰,这使得食品蛋白能够有效地与不同的生物活性成分、药物和营养保健品相互作用。众所周知,食品蛋白在消化酶的作用下水解,可形成具有不同生理特性的生物活性肽,如抗氧化、抗糖尿病、抗高血压、抗癌、抗微生物活性等。根据这些特性,从动物和植物中提取的食物蛋白,如乳清蛋白、大豆蛋白、鸡蛋蛋白、玉米蛋白、明胶、牛血清白蛋白(BSA)等已被成功地用于制造纳米载体,用于输送疏水性和亲水性的生物活性成分。

纳米粒子

目前已采用去溶剂化、凝聚、乳化、纳米沉淀、纳米喷雾干燥、自组装、电喷雾、盐析、交联等不同技术生产食品蛋白纳米颗粒。纳米颗粒的制备方法选择取决于不同的方面,如作为纳米载体的蛋白质的氨基酸成分和理化性质,以及被纳米胶囊化的生物活性分子的特性。图2所示为常用的食品蛋白基纳米颗粒制备方法—去溶剂化的技术机理。该技术是一种快速、简单的方法,没有加热和高剪切速率等破坏因素的参与。简而言之,去溶剂化方法是在搅拌条件下,向蛋白质水溶液中逐滴加入脱溶剂,如丙酮或乙醇,导致蛋白质脱水,其构象由拉伸变为卷曲。最后,通过柠檬酸、戊二醛、京尼平、转谷氨酰胺酶等不同试剂的交联,可使生成的纳米颗粒僵化稳定。该方法生产的纳米颗粒的性质(如粒径和表面属性)取决于不同的因素,如初始蛋白浓度、搅拌速率、脱溶剂的种类及其添加速率、交联剂的种类、pH值和温度等。据报道,蛋白质纳米颗粒中内容物的释放有不同的机制,包括聚合物降解或侵蚀、从聚合物表面释放,或由于应用声波或振荡磁场而释放。

图2 通过去溶剂化方法制备蛋白质纳米颗粒


空心纳米颗粒

中空纳米/微粒子是一种新型的给药系统,内部具有空隙空间的结构,与固体对应物相比,具有一些明显的优势,包括更高的封装能力和效率、更低的密度、更好的隔热性能,以及更大的比表面积。这些突出的特点促进了它们在不同研究领域的应用,尤其是在保健品输送和生物封装领域。中空颗粒的制备通常采用牺牲模板,去除模板后在颗粒内部形成空隙。一般来说,生物聚合物中空颗粒的合成过程包括以下步骤:1)制备模板,模板可以是软的或硬的;2)通过不同的方法,如逐层组装和化学吸附,在模板表面涂覆生物聚合物外壳;3)选择性地去除模板。不同的食品生物聚合物,包括多糖、脂类和蛋白质等,已被用于制造中空的微颗粒和纳米颗粒。在不同的食品蛋白中,玉米醇溶蛋白(图3)、酪蛋白和胶原蛋白被用来设计空心纳米颗粒和空心球体。

图3 中空玉米醇溶蛋白纳米粒子制备过程的示意图


纳米
水凝胶

纳米水凝胶或纳米凝胶是由交联聚合物网络制成的纳米尺寸的三维水凝胶颗粒,具有很强的保水或生物流体的能力以及高膨胀率。纳米凝胶可由不同的天然和合成聚合物(如可食用蛋白)制成。据报道,可食用蛋白基纳米凝胶具有一些特性,如由于具有足够的内部空间来夹带客体材料而具有高负载能力、能够渗透到活体组织中、多价生物结合能力强、高生物亲和力和生物相容性,可将其用于设计保健品和生物活性化合物的输送系统,用于食品和药物配方。此外,天然积累的生物聚合物如食用蛋白由于具有许多功能基团,能够被功能化。与合成聚合物相比,这种优势使食品蛋白成为设计具有特定应用和可定制功能的纳米凝胶的有利候选物。一般来说,蛋白质纳米凝胶的制备方法是基于蛋白质通过物理(两亲和静电联合)或化学(共价)相互作用进行自组装。

研究人员利用蛋白质等电点自组装技术,制造了水动力直径约90 nm的大豆β-伴大豆球蛋白-葡聚糖纳米凝胶(图4)。根据纳米凝胶的配方不同,核黄素在这些大豆蛋白-葡聚糖纳米凝胶中的最大封装效率为65.9%。

图4
β-伴大豆球蛋白和葡聚糖纳米凝胶的制备过程



纳米纤维聚集体

热诱导形成的纳米纤维聚集体可以被认为是一个自组装过程,在pH 2.0时形成的变性蛋白或肽是最终的有序纳米结构的构建单元。由于所形成的纳米纤维具有突出的技术功能和生物学属性,引起了食品科学、医学和纳米技术等不同研究领域的广泛兴趣。目前已有多种植物或动物来源的食物蛋白,如牛奶、大豆、豌豆、大米、肉类、蛋清蛋白等被用于制备纳米纤维。

在纳米纤维化过程中,蛋白质的表面疏水性增加,因此提出所形成的纤维与疏水性生物活性分子的结合能力较强。为此,有研究人员采用乳清蛋白纳米纤维作为载体,在pH 3.2的条件下,模拟普通食品饮料的条件,提高姜黄素的水溶性和抗氧化活性(图5)。据报道,通过与纳米纤维的结合,姜黄素的水溶性提高了约1 200 倍,而与非纤维化乳清蛋白的结合则使其水分散性提高了180 倍。与非纤维蛋白和姜黄素的复合物相比,纤维素-姜黄素纳米复合物在模拟胃肠道条件下也表现出更高的抗氧化活性和更低的释放量。

图5 乳清蛋白纳米纤维作为姜黄素的载体


纳米管

食品蛋白制成的中空管状纳米结构或纳米管是一类新的纳米载体,已被用于负载和传递生物活性化合物。此外,由于这些纳米结构具有高长径比、相对刚度、纳米空腔,以及能形成透明强韧的凝胶等具体特点,还被用于其他食品应用,如增黏和凝胶化。主要采用两种方法来制造蛋白质基纳米管,第一种是将蛋白质和多肽自组装成管状纳米结构,第二种方法是在模板上逐层静电沉积。

关于自组装方法,据报道,α-乳清蛋白作为乳清蛋白,是唯一具有有限酶解后形成纳米管能力的食品蛋白。如图6所示,α-乳清蛋白在中性pH下形成生物纳米管主要有3个步骤,包括1)利用地衣芽孢杆菌或金黄色葡萄球菌V8的丝氨酸蛋白酶对蛋白质进行部分水解;2)在适当的二价阳离子(如Ca2+)的作用下,形成超过二聚体构件的浓度,在构件之间形成桥梁,生成由5 个构件组成的稳定核;3)拉长管状纳米结构。

图6 Ca
2+存在下,水解的
α-乳清蛋白自组装成管状纳米结构的示意图






该文章《Nanostructured food proteins as efficient systems for the encapsulation of bioactive compounds》于2020年5月11日在线发表于Food Science and Human Wellness。翻译:梁安琪;编辑:袁月;责编:张睿梅。图片来源于文章原文

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