以多糖和蛋白质为基质利用静电纺丝技术 构建生物活性物质递送体系的研究进展

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(东北农业大学食品学院,黑龙江哈尔滨 150030)

近年来,随着人们生活水平的提高以及健康饮食习惯的需要,许多植物化学成分、矿物质、蛋白肽以及益生菌等诸多生物活性物质被应用于食品中。目前,将生物活性物质添加到食品中开发功能性食品已经成为食品领域新的研究方向[1]。然而,生物活性物质在实际的食品加工和储藏条件以及人体消化道环境中具有稳定性差、活性低、生物利用率低等缺陷[2]。因此,亟需开发一种高效的包埋技术或者递送体系对生物活性物质进行保护和可控释放。

递送体系是一种将小分子的生物活性物质包裹在生物聚合物中从而达到保护目的的有效递送方式。该方法不仅可以保护生物活性物质免受加工条件(高温等)和胃部环境(胃酸等)的影响,还可以实现准确的控制释放,从而提高消化期间的生物利用率。目前,用于递送活性物质的技术或方法主要包括喷雾干燥、冷冻干燥、乳化法、静电纺丝等[3]。在这些方法中,喷雾干燥技术是比较常用的递送方式,但是该过程涉及高温处理容易使生物活性物质发生热降解,从而影响热不稳定性的生物活性物质的包埋率及其生物活性[3]。冷冻干燥技术设备投资大、能源消耗以及生产成本较高,这导致其推广受到极大的限制[4]。乳化法也是常用方法之一,但是对于不溶于水的生物聚合物来说难以形成乳液,不能对小分子物质起到很好的包裹作用。随着材料科学以及纳米技术的快速兴起,用静电纺丝技术制备纳米纤维作为生物活性物质的递送体系成为近几年的研究热点。静电纺丝技术是一种用于生产微米级或纳米级纤维的通用方法,其操作过程无需高温,非常适合对热敏感性物质进行包覆;其次,由于静电纺丝技术易于操作、成本低廉、作用条件温和以及具有较高的载药率等诸多优点,而使其成为生物活性物质的理想递送体系[5-6]。

早在20世纪30年代,Anton等[7]将醋酸纤维素通过静电纺丝技术成功构建了纳米纤维递送体系,开创了静电纺丝制备纳米纤维递送体系的新领域。近年来,随着纳米技术的快速兴起,国内外对于利用静电纺丝技术制备纳米纤维产生浓厚的兴趣,研究内容主要包括纤维壁材的筛选、纺丝工艺条件(电压、流速、接收距离)的优化、所得纤维的结构性能以及添加辅助活性物质对纤维的影响等等[8]。目前,国内对于静电纺丝在食品科学领域的应用主要集中于包埋功能活性物质、固定化酶、抗菌包装材料以及可食性膜的开发利用等。在包埋递送应用中,纳米纤维可以用于掩盖不良风味、保护功能活性成分、提高生物利用度,可用于活性酚酮类物质、蛋白肽、益生菌、维生素A、维生素E等物质的递送[2]。本文章主要介绍了静电纺丝的原理和类型,同时对天然多糖和蛋白质为基质的静电纺丝构建的生物活性物质递送体系及其应用进行了系统综述。

1 利用静电纺丝技术制备纳米纤维过程及静电纺丝技术种类

1.1 静电纺丝技术及纳米纤维制备过程

静电纺丝是一种利用高压电场产生的静电力形成射流并快速固化制备纳米纤维的技术。典型的静电纺丝装置一般包括高压静电发生器、注射器(挤出泵)、喷丝头、接收装置四部分,如图1所示[9-10]。高压电源输出电压1～30 kV,注射器中的溶液在静电场的作用下开始充电,并形成“泰勒锥”。当静电作用力能够克服液体表面张力的束缚时“泰勒锥”流体开始喷出,形成射流。在静电作用力、表面张力注射器推力以及重力等相互作用下,射流开始拉伸并发生旋转。随着溶剂的快速挥发,射流射向收集板并固化形成纳米纤维[9-11]。

图1 静电纺丝装置图Fig.1 Schematic illustration of the basic setup for electrospinning

就溶液的可纺性、纤维形态、直径分布而言,静电纺丝过程主要受到以下几个方面因素的影响[12]:

a、聚合物的分子量、分子量分布和分子结构(分支、线性等结构);

b、溶液性质(浓度、粘度、电导率、表面张力、液体流量等);

c、电动势大小;

d、注射器针尖和收集装置之间的距离;

e、环境参数(温度、湿度和室内空气流速);

f、收集装置的运动规律;

g、喷丝口针头的形状等。

1.2 静电纺丝的种类

目前,静电纺丝的种类主要有单轴静电纺丝、乳液静电纺丝、同轴静电纺丝以及其他类型的静电纺丝。单轴静电纺丝是目前常用方法,该方法虽然操作简便,但是在药物释放过程中容易发生突释现象。乳液静电纺丝所需设备简单,为药物释放提供更多途径。同轴静电纺丝可以将不能单独电纺的物质包覆到聚合物壁材中制备“核-壳”结构的纳米纤维,避免了混合壁材纳米纤维引起的突释现象。

1.2.1 单轴静电纺丝 单轴静电纺丝是指将一种或者几种不同的聚合物配制成均一的溶液,将其置于同一个注射器中进行静电纺丝的过程。Drosou等[13]将普鲁兰多糖与乳清分离蛋白混合配制成均一溶液后通过单轴静电纺丝的方法成功制备纳米纤维,研究结果表明随着共混物中普鲁兰多糖含量的增加,能够得到直径约为231 nm的连续且均匀的纤维,而普鲁兰多糖含量少于30%时,得到具有珠状缺陷的纳米纤维。因此,普鲁兰多糖与乳清分离蛋白共混有利于纺丝过程,并且能够提高纤维的热稳定性。Neo等[14]以玉米醇溶蛋白为原料,利用单轴静电纺丝技术,成功制备出形貌良好的纳米纤维,为其在食品递送中的应用奠定一定的理论基础。Aceituno-Medina等[15]将苋菜分离蛋白与普鲁兰多糖共混后,利用单轴静电纺丝技术制备纳米纤维,以期将其应用于食品中生物活性物质的包埋递送,为具有高附加值的功能性食品的开发奠定基础。由此可见,通过静电纺丝制备的复合材料各功能性质均有所提高,在递送生物活性物质方面具有潜在应用价值。

1.2.2 乳液静电纺丝 乳液可以分为水包油(oil-in-water,O/W)和油包水(water-in-oil,W/O)两种类型的体系。在O/W乳液中,油滴分散在连续的水相中,而W/O乳液是水滴分散在油相中。乳液中形成液滴的部分称为“分散相”,而周围的液体物质称为“连续相”[16]。

乳液静电纺丝是一种新型简单的用于生产“核-壳”型纳米纤维的静电纺丝方法。由于其制备的纤维更“稳定”,从而受到广泛关注。由于乳液静电纺丝使亲水性聚合物递送亲脂性化合物成为可能,并且避免了使用食品中高度受限的有机溶剂,因此与传统的静电纺丝技术相比,基于乳液的静电纺丝是一种更加具有发展前景的方法[17]。此外,据相关研究表明,基于乳液的静电纺丝在递送过程中可以保护被包埋的生物活性物质不受环境条件、生产工艺、控制释放速率以及高负载效率的影响,具有良好的生物活性以及功能有效性[18]。以乳液作为电纺溶液生产的电纺纳米纤维广泛应用于生物活性物质和药品的递送体系中,主要涉及生物制药和食品领域。影响纤维性能的因素主要包括乳液类型、乳液组成、电场强度、溶液电导率、溶液表面张力、温度、流速以及电极配置等,因此在制备过程中应充分考虑上述参数的影响以获得最佳结果[19]。Li等[20]通过乳液静电纺丝成功将水溶性的蛋白酶K包裹到疏水性聚(乙二醇)-聚(L-丙交酯)纳米纤维中,观察到蛋白酶K可持续释放7 d,成功包埋后其活性并未受到影响。Wang等[19]通过乳液静电纺丝将牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin,BSA)包埋到疏水性聚苯乙烯纳米纤维中,实现了蛋白质的持续释放过程,研究结果表明较高分子量的聚苯乙烯产生的纳米纤维直径较大,并且蛋白质的释放速率也明显提高,可能是BSA或者纤维表面之间发生聚集造成的。

1.2.3 同轴静电纺丝 同轴静电纺丝是指将两种溶液通过同轴的孔芯制备成一种“核-壳”结构纤维的技术。一般,可纺生物聚合物构成整个纤维的“外壳”,被包埋的活性物质构成纤维的“核芯”。与单轴静电纺丝相比,同轴静电纺丝优势在于可以更好的实现控制释放过程,并避免了初始突释现象的发生[21-23]。同轴静电纺丝过程的主要影响因素包括“外壳”溶液和“核芯”溶液的相容性、溶剂的挥发性以及溶液的表面张力等。Lpez-Rubio等[24]利用同轴静电纺丝技术以聚乙烯醇作为“外壳”材料,将双歧杆菌成功包覆其中制备出“核-壳”结构的纳米纤维,研究结果表明与未被包覆的菌相比其活力明显提高。另外,复合同轴静电纺丝对活性物质的控制释放具有明显增强的效果。例如,Zhang等[25]利用同轴静电纺丝技术将BSA作为“核芯”成分包覆于W/O乳液中,研究结果表明以乳液作为“外壳”利用同轴静电纺丝技术制备的纳米纤维极大地改善了BSA的初始释放,而且可以通过改变乳液中聚合物的组成来控制BSA的释放过程。上述研究结果充分证明,同轴静电纺丝技术产生较少初始突释,并且可以将乳液作为“外壳”部分或“核芯”组分应用到纳米纤维的制备中。同轴静电纺丝对于样品的处理更加多样化以便生产不同类型的纳米纤维,但是同轴静电纺丝对设备有特殊要求,对操作参数要求严格,否则不能制备出理想的纳米纤维。另外,其对“核芯”聚合物溶液和“壳”聚合物溶液的溶剂也有特殊要求,需“核芯”溶剂的挥发性低于“壳”溶剂挥发性才能达到理想效果[26-27]。

1.2.4 其他类型静电纺丝技术 纳米颗粒静电纺丝是指先将材料制备成纳米粒,然后将该纳米粒与和它不相溶的纺丝液混合制备具有“核-壳”结构的纳米纤维,其优点在于可用于多组分药物的控制释放。气流辅助熔融静电纺丝是一种增加了气路系统的静电纺丝方法,在静电力和气流的共同作用下射流拉伸形成纤维。李罡等[28]用高压静电纺丝和气流辅助高压静电纺丝成功制备蚕丝蛋白纳米纤维,研究结果表明气流辅助高压静电纺丝有助于获得更细的纳米纤维。纳米颗粒静电纺丝与其它类型的纺丝方法相比,不仅显著提高了膜的拉伸性能,还增强了膜的亲水性,有利于抗菌膜的开发应用于食品包装。气流辅助熔融静电纺丝的优势在于其降低了纤维与纤维之间粘结问题,并且制备的纳米纤维呈现出更加纤细的状态,有利于包埋递送小分子生物活性物质应用于食品体系。

2 天然多糖和蛋白质为基质的静电纺丝递送体系及其应用

近年来,由于天然多糖和蛋白质具有无毒性、生物相容性、可降解性以及其可再生性等优点而被广泛应用于食品行业。因此,目前主要研究以天然多糖和蛋白质为基质,通过静电纺丝技术构建的纳米纤维递送体系[29]。生物聚合物溶液必须具有一定高的分子量和浓度才可以使其缠结从而进行电纺,但是太高的分子量和浓度会对电场产生阻力而影响纤维的形成[30-31]。下面将对几种常见的多糖和蛋白质在静电纺丝过程中遇到的问题以及如何更好的形成纳米纤维进行详细论述。

2.1 多糖

目前已有大量关于多糖静电纺丝的研究,但是用多糖制备纳米纤维的过程中仍然存在一些限制因素,导致其形成的纳米纤维无论是形态还是性能方面都不理想。这主要是因为多糖容易形成较强的氢键作用,从而导致电纺溶液粘度极高或产生胶凝作用无法进行静电纺丝[32]。因此,下述总结了几种多糖在静电纺丝过程中容易产生的问题以及如何更好的将多糖制备形成纳米纤维。

多糖的浓度和溶剂的组成是影响多糖静电纺丝的两大重要因素[31]。例如,壳聚糖的聚阳离子特性在酸性水溶液中会明显增强从而导致溶液表面张力变大,因此壳聚糖难以通过静电纺丝技术形成纤维结构,但是如果用多种不同的溶剂(三氟乙酸、乙酸等)可以成功制备出不同直径的纳米纤维[31-32]。另外,壳聚糖的静电纺丝还会受到浓度、摩尔质量和脱乙酰度的影响。与壳聚糖静电纺丝类似,纤维素静电纺丝因其溶解度低、分子内及分子间氢键作用其可纺性受到极大的限制,因此选择合适的溶剂对纤维结构的形成至关重要[33]。目前只筛选了几种适用于纤维素静电纺丝的溶剂,如氢氧化钠/尿素、离子液体、三氟乙酸/亚甲基氯化物等[34]。另一种改善多糖可纺性的有效方法是将其与其它聚合物(如聚环氧乙烷、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等)和生物聚合物(如玉米醇溶蛋白、明胶等)按一定比例混合后通过静电纺丝制备纳米纤维递送体系。由于这些聚合物具有灵活的线性结构链,可以起到定点链接作用并可以促进链结构缠结以诱导纤维的形成。例如,将聚环氧乙烷和高度脱乙酰的壳聚糖混合可以纺出直径为60～120 nm的纳米纤维。适宜的温度条件(40～70) ℃有利于高壳聚糖含量的壳聚糖/聚环氧乙烷纳米纤维的形成,主要原因是溶剂的快速挥发和链缠结作用的增加[35]。此外,研究表明随着壳聚糖含量的增加纳米纤维直径呈明显下降趋势,可能与壳聚糖比重的增加导致整个溶液粘度降低以及电导率增加有关。醋酸纤维素和聚环氧乙烷混合电纺可产生新型结构和性质的纳米纤维,研究结果表明纳米纤维的形态和性质主要取决于聚合物链长度、溶液浓度和混合物比率[34]。

天然多糖是用于递送生物活性物质的最佳载体。以纤维素为基质的碳水化合物纳米复合材料已经被广泛应用于多个领域。与蛋白质和脂质相比,多糖表现出较高的热稳定性。多糖可以通过将其修饰或者利用其官能团与生物活性物质的相互作用而将功能性物质完美包裹[30-31]。许多多糖如纤维素、壳聚糖、普鲁兰多糖、葡聚糖、淀粉、海藻酸盐和果胶等已被用作包埋生物活性物质的“外壳”材料。以多糖为壁材通过静电纺丝技术制备纳米纤维应用于食品行业,其目的是提高生物活性物质的稳定性和生物利用率,这对于新型功能性食品的开发是非常重要的;另一方面可以掩盖食品加工过程中产生的不良气味以提高产品的可接受度[2]。由于壁材组成多样化、灵活性,纳米纤维也可作为载体用于营养物质或药物在胃肠道中的递送和持续释放。此外,纳米纤维也可用于制备具有控制微生物生长或抑制氧化降解等作用的生物活性包装材料。而电纺纳米纤维作为滤膜和生物传感器在食品和饮料加工中应用尚未发掘。基于上述应用,下面将对几种多糖静电纺丝研究进展进行详细概述。

2.1.1 纤维素 纤维素是食物和农业领域中资源最丰富和成本比较低廉的生物副产物。然而由于其自身的化学性质,纤维素静电纺丝受到限制。研究表明纤维素通过用特定的有机溶剂或与其它聚合物混合或采用纤维素衍生物(如Cellulose Acetate,CA)的方法可以实现纤维素静电纺丝。电纺纤维素已经用于递送生物活性物质。Viswanathan等[36]用肝素静电纺丝成功制备出抗凝血纳米纤维。Suwantong等[37]在电压为17.5 kV的恒定电场下成功制备包埋有姜黄素的CA纳米纤维,研究发现在电纺结束后被包埋的姜黄素的化学完整性和抗氧化活性保持不变,因此纤维素静电纺丝可以用于生物活性物质的递送且效果显著。此外,纤维素纳米纤维曾被用于研究酶的固定化以提高改善其生物活性。Huang等[38]将脂肪酶固定在CA纳米纤维上,通过对氧化条件进行优化发现被固定后的酶表现出比游离酶更高的热稳定性和存活率。Chen等[39]利用再生纤维素膜将脂肪酶固定化并进行脂肪水解,在最佳操作条件下酶活力高达9.83×104U/m2。Fung等[40]利用大豆副产物等材料的可溶性膳食纤维对嗜酸乳杆菌进行微胶囊化,用8%的聚乙烯醇对膳食纤维进行修饰后利用静电纺丝技术成功生产出纳米纤维,整个纺丝溶液偏弱酸性,粘度适中,研究结果表明嗜酸乳杆菌成功包覆于纤维材料内部,纳米纤维对益生菌具有良好的热保护作用。

2.1.2 壳聚糖 壳聚糖,又称脱乙酰甲壳素,由几丁质经过脱乙酰得到，由于其具有生物相容性、生物可降解性和抗菌性而备受关注。相关研究表明通过改变壳聚糖的物理化学性质、静电纺丝条件(电压、流速、接收距离)以及将其与聚合物或蛋白质混合等方法可以将壳聚糖成功电纺制备纳米纤维。研究表明壳聚糖纳米纤维是某些小分子生物活性物质的良好载体。

Mendes等[41]将混合均匀的壳聚糖和磷脂通过静电纺丝技术成功制备包埋有姜黄素的壳聚糖/磷脂纳米纤维,研究结果显示姜黄素的释放过程可持续7 d并且没有明显的突释现象产生。钴胺素(维生素B12)也可由壳聚糖/磷脂纳米纤维进行递送,研究发现钴胺素释放曲线在第一天内发生并在第二天达到最大值。Wongsasulak等[42]将载有维生素E的玉米醇溶蛋白-壳聚糖混合溶液利用静电纺丝成功制备复合纳米纤维,研究结果表明由此方法制备的纳米纤维表现出良好的胃黏膜粘附性,在模拟胃环境中维生素E的释放由扩散引发,玉米醇溶蛋白-壳聚糖复合纳米纤维在胃中的递送可以改善疏水性化合物的生物利用度。Wen等[43]以海藻酸钠和壳聚糖为壁材以BSA为“核芯”,利用同轴静电纺丝技术制备负载BSA的“核-壳”结构的纳米纤维,研究结果表明通过傅里叶红外光谱和圆二色谱分析发现BSA的二级结构几乎没有改变,因此这种“核-壳”结构的纳米纤维可以用于结肠靶向控释过程中生物活性蛋白的递送,而且在功能性食品开发应用中具有广阔前景。Poornima等[44]同样利用同轴静电纺丝技术以壳聚糖-聚己内酯作为“外壳”,以阿魏酸和白芦藜醇为“核芯”,成功制备纳米纤维将其用于体内抗炎和促进血管生成,体外释放结果表明阿魏酸和白芦藜醇释放率可分别高达48%和55%并且可持续释放120 h,基于纳米纤维表现出的良好生物相容性可将其用于慢性伤口的治疗。因此,壳聚糖可以通过与其它蛋白或者多糖共混的形式形成纳米纤维来包覆像姜黄素、钴胺素、维生素E等这样的小分子生物活性物质。

研究表明,纳米纤维直径大小与溶液的浓度、有机盐的添加量有关。Chen等[45]利用静电纺丝技术首次开发出壳聚糖-胶原蛋白纳米纤维并成功探索出壳聚糖-胶原蛋白复合物的适宜溶剂,研究发现电纺纤维的直径随着溶液浓度的增加而变大,随着壳聚糖比例的增加而变小,原因可能是三氟乙酸与壳聚糖上的氨基结合生成有机盐类增加了聚合物电荷密度从而减小纳米纤维的直径。Subbiah等[46]曾分析了由于电荷密度的增加引起射流不稳定的原因,但其最终结果都是纤维直径的减小。Zeng等[47]提出电纺溶液中添加少量有机盐类可使纳米纤维直径变小的观点。由此可以看出,壳聚糖纳米纤维的直径大小不仅与溶液溶度有关而且还与聚合物电荷密度以及有机盐的添加量有关。因此,可通过调节溶液浓度或者适量添加有机盐来对壳聚糖纳米纤维直径进行调控,从而适用于递送不同尺寸大小的生物活性物质。

2.1.3 普鲁兰多糖 普鲁兰多糖是一种水溶性的胞外微生物多糖,具有良好的生物相容性和可降解性。通常将其与苋菜分离蛋白(Amaranth Protein Isolate,API)结合后制备纳米纤维,可以增强被包埋生物活性物质的稳定性和功能特性。在静电纺丝过程中,普鲁兰多糖可以通过氢键作用与蛋白质结合,从而通过改变聚合物溶液的性质而改善蛋白质的可纺性,有利于形成纳米纤维。例如,将乳酸链球菌素包埋于普鲁兰多糖/苋菜分离蛋白纳米纤维内可以保持其抗菌能力,纳米纤维的平均直径随着乳酸链球菌素含量的增加而减小,当乳酸链球菌素含量为20 mg/mL时,纳米纤维包覆率高达95%[48],可用于食品行业可食性膜等包装材料的开发利用。另外,根据此前大量相关研究表明,普鲁兰多糖/苋菜分离蛋白纳米纤维还可递送叶酸、槲皮素、姜黄素、阿魏酸等生物活性物质,并且在体外消化过程中其活性保持不变。由于普鲁兰多糖可塑性强、成膜性好及安全可食用等优点而被用作制备纳米纤维的优良天然材料。因此,普鲁兰多糖可以作为生物活性物质的载体应用于食品中。

2.1.4 淀粉 淀粉是自然界中储量最为丰富的多糖之一,一般由直链淀粉和支链淀粉组成。近年来,以淀粉作为原料递送生物活性物质的研究越来越多。基于之前相关研究,总结发现,为了改善淀粉的可纺性以及增强纤维的性能,可以将淀粉溶于有机酸或者将其与聚合物共混后电纺。Lancušk等[49]利用同轴静电纺丝成功制备包覆有副干酪乳杆菌的淀粉-甲酸酯/甘油纳米纤维,4 ℃下被包覆的益生菌表现出稳定的存活能力,室温下储存可达21 d,研究结果表明淀粉-甲酸酯/甘油纳米纤维可用于益生菌的递送,在生物治疗领域具有潜在应用。

2.1.5 海藻酸盐 海藻酸盐是一种从棕色海藻中提取的阴离子多糖。由于海藻酸盐具有刚性结构导致其在静电纺丝过程中面临极大的挑战。将海藻酸盐与其它聚合物(如聚环氧乙烷)共混并添加甘油可以促进海藻酸盐的可纺性。在最近的一项研究中,Wen等[43]利用静电纺丝技术成功制备包覆有BSA的海藻酸钠纳米纤维,实现了蛋白质的控制释放。Zheng等[50]通过控制Ca2+的释放,开发了乙二胺四乙酸-钙-藻酸盐纳米纤维用于对鼠李糖乳杆菌的控制释放,基于pH敏感性,在酸性条件下,整个纤维结构保持密闭状态,鼠李糖乳杆菌得以保护;在中性肠道环境中,整个纤维结构因Ca2+的释放而逐渐分解,从而将鼠李糖乳杆菌释放出来,在肠道内发挥其有益作用。

2.2 蛋白质

对于蛋白质来说,其静电纺丝过程相对比较困难,主要是因为蛋白质具有复杂的二级和三级结构。在纺丝过程中,球状蛋白由于彼此之间的相互作用力太小而不能缠结在一起。但当它们以无规则卷曲结构溶解时是可以在静电力的作用下形成纤维的,比如加热使其变性或者与其它聚合物共混。此外,通过改变温度或者溶液的pH也可提高其递送生物活性物质的能力。相关研究表明,乳清蛋白在酸性条件下其电纺溶液更容易形成[51]。室温下,用水作为溶剂制备明胶电纺溶液一直是存在问题的,因为在室温下明胶表现为无规则卷曲状聚合物,而明胶在高温条件下即可获得静电纺纤维[52]。

为了改善蛋白质的可纺性,通常会将其与某些天然或合成聚合物混合后进行静电纺丝。目前使用较多的聚合物有聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙烯吡咯烷酮以及聚乳酸共聚物等,天然聚合物包括壳聚糖和透明质酸等[30-31]。研究发现,大多数关于蛋白质的静电纺丝几乎都用到了与聚合物共混的方法。Suganya等[53]用胶原蛋白与聚己内酯共混后制备纳米纤维进行皮肤组织再生工程,并通过添加芦荟提取物的方法实现对皮肤修复的增强。丝素蛋白(Silk Fibroin,SF)与聚己内酯(Polycaprolactone,PCL)通过乳液静电纺丝成功制备出“核-壳”结构的纳米纤维,聚己内酯的添加使得整个纤维结构机械强度大幅提高,SF/PCL在组织工程应用中表现出明显的优势[31]。天然生物聚合物也可以与蛋白质混合制备纳米纤维。Wongsasulak等[54]将蛋清蛋白(Egg Albumen,EA)与CA混合静电纺丝制备纳米纤维,蛋清蛋白是一种由于其具有较高的表面张力和导电性而不易被纺丝的生物聚合物,向其中添加一定量的CA和吐温-40后可以降低表面张力并有效促进EA/CA纳米纤维的形成。因此,将蛋白质与聚合物共混后制备的纳米纤维其性能具有明显增强的趋势。

蛋白质由于其具有两亲结构、多个结合位点以及各种作用机制(包括静电吸引力、疏水相互作用、氢键和共价键)而表现出对生物活性物质的高负载能力。因此,以蛋白质为基质的纳米纤维由于其具有生物降解性、生物相容性、体内安全性以及良好的功能特征等优势,更适合于营养物质递送系统。目前用于制备纳米纤维的蛋白质主要包括:玉米醇溶蛋白、大豆分离蛋白、乳清浓缩蛋白、乳清分离蛋白、苋菜分离蛋白以及其他蛋白质。

2.2.1 玉米醇溶蛋白 玉米醇溶蛋白(Zein),旧称米朊,是一种广泛存在于玉米中的食物蛋白质,其占胚乳蛋白总量的一半,对玉米蛋白营养特征起决定性作用。因其具有高耐热性等优点而被应用于生物活性物质的递送。利用静电纺丝技术可以将多种活性物质包埋于玉米醇溶蛋白内,如姜黄素、鱼油、单宁、β-胡萝卜素等。Fernandez等[55]将对光敏感的生物活性抗氧化剂β-胡萝卜素包埋于玉米醇溶蛋白中利用静电纺丝技术制备纳米纤维,研究结果表明,β-胡萝卜素在玉米醇溶蛋白纳米纤维内部稳定分散,与未包埋组相比,其光稳定性显著提高。Yang等[22]以玉米醇溶蛋白和聚乙烯吡咯烷酮混合物为壁材,以鱼油作为“核芯”,利用同轴静电纺丝技术成功制备出具有“核-壳”结构的纳米纤维,透射电子显微镜分析表明,所得同轴纳米纤维的平均直径为560 nm,并可观察到清晰的“核-壳”结构,与单轴静电纺丝制备的纳米纤维相比,同轴电纺纳米纤维中的鱼油稳定性显著增强,并获得了较高的包埋率,研究结果表明,同轴电纺得到的纳米纤维中的鱼油的保质期比单轴静电纺丝得到的纳米纤维长达65 d,因此,同轴静电纺丝制备的纳米纤维具有更强的保护作用,在控制释放过程中也表现出良好的性能。

2.2.2 大豆分离蛋白 大豆分离蛋白(Soy Protein Isolate,SPI)由于其低廉的成本被广泛应用于纳米纤维的制备。而纯大豆分离蛋白在静电纺丝过程中不易形成纤维,通常需要与聚合物共混后来增强其分子之间的缠结。电纺SPI/聚环氧乙烷纳米纤维在食品领域具有广阔的应用前景。例如,Vega-Lugo等[56]利用静电纺丝技术成功制备包埋有天然抗菌剂的SPI/聚环氧乙烷纳米纤维,研究结果表明,随着超声处理时间的延长溶液粘度降低,超声混合1 min效果最佳,通过调整溶液的组成可以改善SPI/聚环氧乙烷纳米纤维,这种纳米抗菌纤维在食品包装领域具有广阔的应用前景。

2.2.3 乳清浓缩蛋白 乳清浓缩蛋白(Whey Protein Concentrate,WPC)是一种生产干酪副产品的水溶性蛋白质,具有明显的胶凝、增稠等作用。由于乳清浓缩蛋白是一种两性大分子,因此在食品工业中起着至关重要的作用。López-Rubio等[57]证明了用乳清浓缩蛋白和普鲁兰多糖包埋双歧杆菌是可行的,研究结果表明乳清浓缩蛋白作为保护益生菌壁材要优于普鲁兰多糖。另外,有研究证明葡聚糖、乳清浓缩蛋白和壳聚糖可以通过乳液静电纺丝用于番茄红素的递送壁材,所得纤维可以减少番茄红素发生热降解,使得番茄红素的稳定性得到提高,有利于其发挥积极作用[30]。

2.2.4 乳清分离蛋白 乳清分离蛋白(Whey Protein Isolation,WPI)是一种从牛奶中提取的蛋白质,其不仅具有易于消化吸收的优点而且营养价值也较高,在食品工业中具有重要的作用。Zhang等[58]将壳聚糖与乳清分离蛋白混合后制备递送有儿茶素的纳米颗粒并对其控制释放过程做进一步研究,研究结果表明,儿茶素的体外释放过程取决于包埋率和基质与生物活性物质之间的相互作用。壳聚糖-乳清分离蛋白纳米颗粒在营养物质的递送中具有广阔的应用前景。Sullivan等[59]将乳清分离蛋白及其主要成分β-乳球蛋白与聚环氧乙烷通过静电纺丝制备纳米纤维,研究结果表明,乳清分离蛋白可纺比例高达WPI∶聚环氧乙烷=3∶1,纳米纤维直径范围取决于聚合物溶液组成和浓度,实验发现当溶液2≤pH≤3时可以成功制备纳米纤维,另外,研究发现添加聚环氧乙烷可以减少“串珠”纤维的形成,之所以出现“串珠”可能是由于蛋白质聚集造成的。

2.2.5 苋菜分离蛋白 苋菜分离蛋白(Amaranth Protein Isolate,API)可以作为生物活性物质的递送基质用于开发功能性食品。Adriana等[60]以苋菜分离蛋白和普鲁兰多糖的混合物作为壁材利用静电纺丝技术对姜黄素进行包埋,并对电纺后的纳米纤维的物理化学性能进行表征,同时评估了姜黄素在体外消化条件下的抗氧化能力,研究结果表明,与未被包埋的姜黄素相比,纳米纤维中的姜黄素表现出更高的抗氧化活性,姜黄素被包埋于纤维内部后,整个结构依然具有热稳定性。此外,纤维壁材组成不同会出现不同的释放结果,随着API添加量的增加姜黄素的释放速率会呈现下降趋势,因此合理控制API的比例对于释放过程非常重要。Marysol等[61]基于静电纺丝技术用苋菜分离蛋白对槲皮素和阿魏酸进行包埋,通过表征电纺纳米纤维的性能,评估两种生物活性物质在纳米纤维内的分布和包埋率以及研究了体外消化过程中生物活性物质的控制释放,最终确定最佳组分构成和最佳装载量,研究结果表明与游离活性物质相比,被包埋于纳米纤维内的生物活性物质的活性明显提高。

2.2.6 其他蛋白质 许多天然蛋白质(如酪蛋白)不能单独制备成纳米纤维,通常需要添加一种聚合物来改善蛋白质的结构从而将其顺利电纺制备纳米纤维。Xie等[62]利用静电纺丝技术将酪蛋白与聚环氧乙烷/聚乙烯醇混合后制备纳米纤维膜,纤维直径在100～500 nm之间,研究发现被包埋于纳米纤维膜中的脂肪酶表现出较高的水解橄榄油的催化活性,因此添加了聚环氧乙烷/聚乙烯醇的酪蛋白纳米纤维是酶的良好递送体系。Wang等[63]研究了大麦醇溶蛋白和麦胶蛋白在乙酸溶液中的可纺性,并与玉米醇溶蛋白纳米纤维进行比较,研究结果表明,蛋白质构象的变化对蛋白质的可纺性和纳米纤维的机械性能有显著的影响,此外,与麦胶蛋白和玉米醇溶蛋白纤维相比,大麦醇溶蛋白纳米纤维表现出更低的细胞毒性和良好的生物相容性。经过浓度优化后,大麦醇溶蛋白和麦胶蛋白经过电纺制备的纳米纤维形态与玉米醇溶蛋白纳米纤维形态基本相似。蛋白质构象和蛋白质聚集对纳米纤维特性的影响具体表现在以下几个方面。首先,在乙酸溶液中,大麦醇溶蛋白分子逐渐展开并进行重组形成延展的柔性构象,通过分子间氢键作用结合在一起,但是这种构象的转变可能会中断大麦醇溶蛋白中固有强分子间的相互作用,导致纤维机械强度下降。其次,麦胶蛋白和玉米醇溶蛋白在乙酸溶液中结构紧凑,主要的二级结构依然完整存在,静电纺丝过程中,蛋白质分子被压缩以便于获得具有更高的机械性能的连续性纳米纤维,由于麦胶蛋白谷氨酸含量相对较高,与玉米醇溶蛋白相比具有更强的分子间作用力,从而形成的纤维结构也更加稳定。另外,疏水作用力的存在会导致蛋白质聚集,醇溶蛋白分子间的相互作用受到抑制,阻断了连续电纺纤维的形成。

3 展望

静电纺丝是一种新兴的生物活性物质包埋技术,与其它包埋方式相比,静电纺丝不涉及任何苛刻的条件,在包埋递送领域具有广阔的应用前景。利用该技术制得的纳米纤维直径一般在数十纳米到数百纳米之间,且具有连续性结构、高比表面积、适宜孔隙率以及可调纤维直径和形态等诸多优点。基于这些优点,静电纺丝纳米纤维表现出较高的包埋率、较强的对生物活性物质的保护能力以及有针对性的控制释放能力。目前对于静电纺丝技术的研究及应用主要集中在医疗卫生、材料化学、催化敏化等相关领域,而在食品科学领域尚处于研究初始阶段,如何制备直径均匀、表面光滑以及具有高附加值高功能特性的纳米纤维是目前研究焦点,同时仍然需要从生物聚合物(蛋白质和多糖)出发,考虑对不同类型生物活性物质(疏水性和亲水性小分子、酶、活性蛋白、益生菌等)的包埋并有目的性地应用到食品中,使功能性食品的开发和生物活性包装材料的生产成为可能。此外,针对静电纺丝产率低的问题可以在其装置上做适当改善,比如增加注射器的数量等;为确保得到的纤维形态是应用所需,要全面考虑壁材和电纺溶液的性质,从修饰聚合物的结构角度解决此类问题。包埋有生物活性物质的电纺纳米纤维在食品科学领域中发挥着至关重要的作用,未来在充分考虑食品安全性的基础上可以将纳米纤维和微胶囊共纺,实现一张纤维垫上包埋有两种生物活性物质的可能,以便于更好地应用到食品中发挥两种生物活性物质的协同作用。另外,要加强体内模拟实验的研究,基于生物聚合物和活性物质的作用,利用pH、酶、光等条件实现生物活性物质的控制释放(顺利经过胃部,在肠道中释放)。