華南理工大學婁文勇團隊建立氧化高直鏈澱粉凝膠新型遞送體系用於包埋傳送益生菌和生物活性物質
Food Hydrocolloids (JCR 1區，IF：7.053)
2020年12月30日，華南理工大學食品科學與工程學院婁文勇教授、宗敏華教授課題組在Food Hydrocolloids (JCR 1區，IF：7.053) 發表了題為Oxidized High-amylose Starch Macrogel as a Novel Delivery Vehicle for Probiotic and Bioactive Substances的文章。該論文先通過TEMPO氧化高直鏈澱粉，再與多種金屬離子交聯製備氧化高直鏈澱粉凝膠，最後用以包埋遞送益生菌和生物活性物質，為設計適用於食品工業中封裝各種營養物質的潛在載體提出了一個有吸引力的策略。
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研究背景
如類黃酮、多糖、功能性油脂和益生菌等生物活性化合物具有增強人體免疫力、清除自由基、調節腸道菌群平衡等益處。然而，由於水溶性差、消化環境敏感性和體內吸收率低等不穩定的性質，生物活性很容易喪失，這嚴重限制了這些生物活性化合物在食品和醫藥工業中的應用。目前，解決生物活性敏感性的策略有多種，如篩選優良基因、優化下遊加工條件、採用微膠囊技術等等。其中，微膠囊技術是一種有效、安全、應用廣泛的技術。越來越多的研究表明，微膠囊技術對生物活性物質的保護和持續釋放具有重要意義。
澱粉作為自然界來源豐富的多糖，由於其良好的生物相容性和生物降解性，在許多領域得到了廣泛的應用。天然澱粉基本上不溶於水，這嚴重限制了其在生產和加工中的應用。氧化被認為是提高澱粉水溶性的有效途徑。尤其TEMPO作為碳水化合物氧化的催化劑，可選擇性地、高效地將醇和羥基轉化為醛、酮和羧基，並吸引了人們對多糖改性用於生物活性物質的封裝和緩釋的興趣。然而，使用TEMPO氧化澱粉的遞送系統的製造過程複雜，並且含有營養物質的顆粒或乳液只是物理性地吸附在改性澱粉上。此外，吸附條件相對苛刻，很難包封如益生菌等極敏感的物質。
相比之下，凝膠在製備封裝材料方面更具吸引力，因為凝膠在廣泛的pH條件下具有穩定性和高效性。據我們所知，TEMPO氧化澱粉是否具有與金屬離子形成大凝膠的能力尚未見報導。因此，本文選用一種具備益生元功效的抗性澱粉—高直鏈澱粉，通過TEMPO氧化製備氧化高直鏈澱粉，開發一種具有益生元功效的新型氧化高直鏈澱粉的包埋壁材，並建立一種由氧化高直鏈澱粉和金屬離子交聯製備的氧化高直鏈澱粉凝膠緩釋系統，以保護和控制生物活性物質和益生菌緩釋的規律。
研究思路
研究顯示表明直鏈澱粉內部有一個疏水性空腔，可容納其他分子或配體的極性部分，再加上空腔外部的親水層，可誘導水合和凝膠化。最重要的是，高直鏈澱粉的鏈狀螺旋結構在氧化後可能仍然保留較長多糖鏈。由此，本文通過TEMPO氧化製備不同氧化度的氧化高直鏈澱粉，分別與不同濃度的Ca2+, Al3+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+和Ba2+交聯製備氧化高直鏈澱粉凝膠，製備的DO90- Zn2+凝膠用於包埋β-胡蘿蔔素、茶多酚和副乾酪乳桿菌。
如圖1A所示，DO90-Zn2+大凝膠在模擬胃液中浸泡2 h 以後，再轉移進入模擬腸液後仍能保持完整的形態，表明其具有較好的抗模擬胃腸液消化特性。本文選用副乾酪乳桿菌、β-胡蘿蔔素和茶多酚作為芯材，將其分別包封於DO90-Zn2+大凝膠，包封率分別為88.8%、62.4%和77.9%。結果表明，DO90-Zn2+大凝膠對副乾酪乳桿菌、β-胡蘿蔔素和茶多酚均有較好的保護和緩釋效果（圖1B）。
Fig 1. DO90-Zn2+ macrogel was suitable for encapsulating multiple types of bioactive substances, such as hydrophobic β-carotene, hydrophilic tea polyphenols and probiotics, exhibiting outstanding pH-responsiveness and resistance to gastric acid, bile salt and digestive enzymes in vitro. Right (A): Images of DO90-Zn2+ macrogel in their dry states and swelling states in SGF and SIF at different times. Right (B): The viable count of Lactobacillus paracasei after immersion in SGI for 5 h, as well as release files of β-carotene and tea polyphenols from sodium alginate, DO90-Zn2+, and DO90-Zn2+ and chitosan macrogels in SIF (pH 7.5) after immersion in SGF for 2 h, respectively.
研究結論
利用氧化高直鏈澱粉凝膠的優點，建立了DO90-Zn2+大凝膠體外給藥系統。DO90-Zn2+大凝膠具有較高的包封率和模擬胃腸液耐受性，對益生菌（副乾酪乳桿菌）具有良好的控釋性能。與殼聚糖複合後，DO90-Zn2+和殼聚糖大凝膠不僅對疏水性生物活性物質（β-胡蘿蔔素）有良好的保護和釋放作用，而且對親水性生物活性物質（茶多酚）也有良好的保護和釋放作用。總的來說，這些物質的成功封裝和遞送緩釋證明了DO90-Zn2+大凝膠作為食品載體的可行性。本研究對澱粉在食品和生物製藥工業中的應用具有一定的參考價值。
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2020.106578
婁文勇，教授，博士生導師，華南理工大學食品科學與工程學院副院長，國家食藥同源產業科技創新聯盟食藥發酵產業專業委員會名譽主任委員，中國食品科學技術學會傳統釀造食品分會理事會常務理事；全國百篇優秀博士學位論文獲得者、國家優秀青年學科基金獲得者（首屆優青）、教育部新世紀優秀人才，廣東省「千百十工程」國家級培養對象、「百千萬工程」領軍人才，獲廣東省自然科學類二等獎、中國輕工業聯合會「十一五」科技創新先進個人獎，國際遺傳工程機器大賽（iGEM）獎金（指導老師）以及中國石油和化學工業協會青年科技突出貢獻獎。2005年獲華南理工大學生物化工專業博士學位，2007年赴英國Warwick大學從事合作研究。研究方向為食品生物技術、生物催化過程調控與應用、食品功能因子的挖掘及生物製造、腸道健康維護產品的研發等。承擔過國家十三五重點研發計劃，國家自然科學基金、廣東省重點研發計劃、廣東省自然科學基金重點項目、校企合作項目等30餘項。在Nat. Commun., Coordin. Chem. Rev., Green Chem.，ChemSusChem，Biotechnol. Bioeng., Bioresour. Technol., CEJ, JAFC, ACS Synth. Biol等著名刊物上發表了SCI論文120餘篇（封面論文8篇, ESI高被引論文2篇，熱點論文1篇）,他引3300餘次，h因子33；擔任Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Frontiers in Microbiology等刊物的副主編，Bioresources and Bioprocessing的編委；獲授權中國發明專利32件，申請國際PCT專利（美國）5件，轉讓專利6件；主編中文專著2本，參編英文專著3本；多項科技成果在無限極、仙樂製藥、環亞集團、維汝堂、麥林食品科技等知名企業進行轉化及產業推廣，且聯合開發出一系列產品。
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