玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的制備及應用研究進展

楊易俗，張 訊，胡楚桓，高志明，曹際娟，楊 楠,*，胡 冰,*

（1.湖北工業大學生物工程與食品學院，湖北省食品膠體國際科技合作基地，湖北 武漢 430068；2.大連民族大學生命科學學院，生物技術與資源利用教育部重點實驗室，遼寧 大連 116600）

核殼結構微粒是由不同化學成分的內核材料和外殼材料組裝而成的復合顆粒[1]。該結構的顆粒通過整合內核和外殼材料獨特的結構特征從而表現出新穎的功能特性[2-3]。核殼結構微粒具有的新穎物理和化學性質使其在材料[4]、醫藥[5]、生物工程[6]、食品[7-8]等眾多領域得到廣泛的關注。玉米醇溶蛋白是玉米中天然存在的兩親性蛋白質，具有生物降解性、生物相容性、無毒性、成本低等優點。基于其獨特的溶解特性及自組裝特性，玉米醇溶蛋白被廣泛應用于制備殼核結構微粒[9]。本文通過綜述玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的不同制備方法及其功能特性，以期為玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的制備及其在食品領域的應用提供參考。

1 玉米醇溶蛋白概述

1.1 玉米醇溶蛋白的結構

玉米醇溶蛋白是一種來自玉米的儲存蛋白，大部分玉米醇溶蛋白存在于玉米胚乳中，少部分分布在玉米胚芽中，其大約占玉米蛋白總量的35%～60%[10]。Argos等通過分析α-玉米醇溶蛋白的重復氨基酸序列單元和分布廣泛的α-螺旋（50%～60%）提出玉米醇溶蛋白分子螺旋輪狀結構模型[10]。該模型是9個相鄰且反方向平行的螺旋通過谷氨酰胺殘基聯接形成的圓柱形結構，如圖1A所示，整個結構通過范德華力及分子間的氫鍵作用穩定[10]。Matsushima等通過研究發現，α-玉米醇溶蛋白在體積分數70%乙醇溶液中以長度約為13 nm、長徑比約為6∶1的不對稱粒子形式存在，其提出的模型是11個相鄰且反方向平行的螺旋通過上下端的谷氨酸鹽橋聯接形成的兩端親水，側面疏水的棱柱狀結構[11]，如圖1B所示，整個結構也是通過分子間氫鍵穩定。Wang Qin等認為玉米醇溶蛋白的兩親性與其結構相關，即同時具有由螺旋外表面堆集而成的位于側面的疏水表面，以及富含谷氨酰胺的位于頂部和底部的親水表面[12]。

圖1 玉米醇溶蛋白結構模型Fig. 1 Zein structure models

1.2 玉米醇溶蛋白的溶解性

玉米醇溶蛋白共由18種氨基酸組成，富含谷氨酰胺（21%～26%）、亮氨酸（約20%）、脯氨酸（約10%）和丙氨酸（約10%），但是缺少酸性氨基酸和堿性氨基酸，特別是賴氨酸和色氨酸[13]。高比例的非極性氨基酸和低比例的堿性、酸性氨基酸導致玉米醇溶蛋白有獨特的溶解性：玉米醇溶蛋白不可直接溶解于純水中，但可溶解于乙醇-水、丙酮-水等二元體系，pH值為11.3～12.7的堿性水溶液，一定濃度的乙酸溶液，高濃度尿素溶液，以及陰離子表面活性劑等溶液[10]。

1.3 玉米醇溶蛋白的自組裝特性

自組裝過程是指無序結構在沒有外加因素的條件下自發形成有序結構的過程[14]。范德華力、疏水相互作用、氫鍵和靜電相互作用是該過程的主要驅動力[15]。通過分析圓二色光譜、透射電子顯微鏡圖像可得到玉米醇溶蛋白蒸發自組裝的過程：1）玉米醇溶蛋白溶劑的極性隨有機相的蒸發而增大，使玉米醇溶蛋白分子中α-螺旋轉為β-折疊；2）由β-折疊兩側的疏水相互作用驅動反方向的β-折疊并排形成一條β-折疊鏈；3）β-折疊鏈緩慢卷曲形成圓環；4）圓環層層堆積形成納米微球顆粒[16]。基于玉米醇溶蛋白獨特的自組裝特性，可構建多種玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的制備方法，本文將重點介紹幾種制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的常用方法。

2 玉米醇溶蛋白核殼結構微粒制備方法

迄今為止，科研人員通過多種方法成功制備了多種具有新穎功能特性的核殼結構微粒。常見的玉米醇溶蛋白核殼結構微粒制備方法包括溶劑蒸發法、噴霧干燥法、化學法、反溶劑沉淀法。

2.1 溶劑蒸發法

溶劑蒸發法是通過旋轉蒸發除去乳液中的溶劑，改變體系的極性，進而誘導玉米醇溶蛋白自組裝，從而制備核殼結構微粒的方法，制備原理如圖2所示。Dai Lei等基于溶劑蒸發法成功制備了可用于穩定Pickering乳液的玉米醇溶蛋白-海藻酸丙二醇鈉核殼結構微粒，該顆粒有望成為食品級Pickering乳液的乳液穩定劑[17]。Karthikeyan等基于溶劑蒸發法成功制備得到醋氯芬酸鈉-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒。該玉米醇溶蛋白核殼結構微粒延緩了醋氯芬酸鈉的釋放，從而降低了胃損傷的可能性。這種核殼結構微粒不僅具有預期的止痛效果，而且顯著地減緩了非甾體抗炎藥引起的胃功能障礙，并且能夠通過改變交聯劑的濃度控制遞送系統的藥物釋放速率[18]。Wei Yang等基于溶劑蒸發法制備了玉米醇溶蛋白-丙二醇海藻酸鈉核殼結構微粒，玉米醇溶蛋白-丙二醇海藻酸鈉核殼結構微粒改善了β-胡蘿卜素在光、熱環境條件下的理化穩定性，實現了β-胡蘿卜素的在胃腸環境中的緩慢釋放[19]。

圖2 溶劑蒸發法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的原理圖[17]Fig. 2 Flow chart for the preparation of zein core-shell microparticles by solvent evaporation[17]

2.2 噴霧干燥法

噴霧干燥法是溶劑通過霧化器分散成極細的霧狀液滴，霧狀液滴與熱空氣均勻混合后，瞬時進行熱質交換使溶劑快速蒸發，從而改變體系的極性，誘導玉米醇溶蛋白自組裝，進而制備核殼結構微粒的方法。噴霧干燥法制備原理圖如圖3所示。Zhong Qixin等基于噴霧干燥法制備了負載百里酚的溶菌酶-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒[20]。該核殼結構微粒可以實現抗菌藥物的長期緩釋，從而提高抗菌藥物對病原微生物和腐敗菌的殺菌抑菌效果，有利于延長食品貨架期。負載百里酚的溶菌酶-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒大小與玉米醇溶蛋白-百里酚質量比有關（玉米醇溶蛋白-百里酚質量比為50∶1時顆粒最大，質量比為10∶1時顆粒最小）。Xiao Dan等基于噴霧干燥法制備乳酸鏈球菌素-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，該玉米醇溶蛋白核殼結構微粒可以減少乳酸鏈球菌素與食品成分之間的相互作用，并提高乳酸鏈球菌素在食品中的抗菌性能[21]。乳酸鏈球菌素-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒包封性能與入口溫度有關，在入口溫度為95 ℃時，對乳酸鏈球菌素包封性能最好。

圖3 噴霧干燥法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的原理圖[22]Fig. 3 Schematic illustration of the preparation of zein core-shell microparticles by spray drying method[22]

2.3 化學法

化學法是利用偶聯劑將玉米醇溶蛋白分子鏈上大量可反應的羥基、氨基、羧基等官能團與藥物進行化學偶聯，從而制備核殼結構微粒的方法，其包括一步法和兩步法。在體內酶的作用下，玉米醇溶蛋白核殼結構微粒中玉米醇溶蛋白與荷載藥物連接的化學鍵緩慢斷裂，可以實現靶向運輸、緩慢釋放及提高藥物溶解性等目的[23]。Matsuda等分別利用一步法和兩步法制備了云芝多糖-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，發現一步法最大載藥量為7.5%，而兩步法的最大載藥量為35.6%，兩步法可以大大提高玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的載藥量[24]。Suzuki等分別將玉米醇溶蛋白與霉素硫酸鹽、鹽酸柔紅霉素和有絲裂霉素3種抗癌藥物進行偶聯制備出適合巨噬細胞吞噬作用或化學栓塞的荷載藥物的玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，發現玉米醇溶蛋白不僅能與有絲裂霉素等疏水性藥物偶聯，還可以通過一定的改進方法將玉米醇溶蛋白與鹽酸柔紅霉素和霉素硫酸鹽等親水性藥物偶聯[25]。親水性和疏水性藥物都可以采用化學法制備核殼結構微粒，但是有機溶劑和偶聯劑的殘留會導致毒副作用，甚至會產生有毒或非活性的藥物衍生物[26]。工業生產中因為需要除去毒副產物或者衍生物，大大提高了工業生產成本，因此無法基于化學法大規模工業生產玉米醇溶蛋白核殼結構微粒。

2.4 反溶劑沉淀法

反溶劑沉淀法是通過向溶液中加入反溶劑或者將溶液加至反溶劑中誘導溶質溶解度降低，驅動溶質析出從而實現反溶劑沉淀[27-28]。根據用于生產核殼結構微粒的生物聚合物或化合物的性質，需要恰當地選擇良溶劑和反溶劑[29]。基于反溶劑沉淀法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的方法包括水反溶劑法、超臨界CO2（supercritical CO2，ScCO2）反溶劑法和pH值循環反溶劑法。

2.4.1 水反溶劑法

水反溶劑法是基于玉米醇溶蛋白在乙醇-水二元體系中的溶解特性，以乙醇水溶液作為良溶劑，水作為反溶劑，向玉米醇溶蛋白乙醇水溶液中加入水或者將水加入至玉米醇溶蛋白乙醇水溶液中，降低玉米醇溶蛋白溶解度，誘導其反溶劑沉淀從而制備核殼結構微粒的方法。Chen Jiafeng等基于水反溶劑法制備得到藻油-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，并發現可以通過改變藻油-玉米醇溶蛋白比例控制藻油-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒殼厚。該核殼結構微粒可大大降低脂質氧化的影響，從而實現緩慢釋放所包封的香蘭素類揮發性親脂化合物，大大提高所包封的香蘭素類揮發性親脂化合物的生物利用度[30]。Filippidi等通過乙醇水溶液體系基于水反溶劑法制備得到大豆油-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒。該核殼結構微粒有利于實現大豆油在腸道的緩慢釋放[31]。McClements發現相比單一親水、疏水和兩親性材料作為壁材包封食品功能因子制備的核殼結構微粒，采用親水-疏水核殼結構壁材制備的核內外兩殼結構微粒能夠通過整合種材料的親水、疏水特性，達到性能互補和協同增效的作用，從而進一步豐富和增強核殼結構微粒的功能特性，在食品功能因子的荷載-輸送特性上能夠表現出比單一親水或疏水壁材核殼結構微粒更強的優勢[32]。Hu Bing等基于多糖凝膠網絡改進了水反溶劑法，用于制備親水-疏水核殼結構微粒[33]。親水-疏水玉米醇溶蛋白核殼結構微粒水反溶劑法制備步驟如下：1）海藻酸鈉、卡拉膠或瓊脂等多糖溶液乳化形成油包水乳液；2）固化誘導多糖形成凝膠；3）將凝膠顆粒加入至玉米醇溶蛋白水-乙醇溶液；4）離心過濾洗滌回收微粒。基于多糖凝膠網絡的水反溶劑法制備親水-疏水玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的原理如圖4所示，多糖膠體顆粒通過凝膠網絡自限反溶劑法與玉米醇溶蛋白溶液進行交互，可在短時間內利用滲透壓的原理將溶液中的玉米醇溶蛋白析出并均勻地自組裝在膠體顆粒表面，直至內外相乙醇濃度達到一致，從而在多糖凝膠顆粒表面形成一層均勻、致密的玉米醇溶蛋白外殼。研究表明，包封了玉米醇溶蛋白外殼的微粒相較水凝膠微粒具有更優良的抗吸水能力、阻濕性及韌性。

圖4 基于多糖凝膠網絡的水反溶劑法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的原理[33]Fig. 4 Preparation of zein core-shell microparticles by water anti-solvent method based on polysaccharide gel network[33]

2.4.2 超臨界CO2反溶劑法

ScCO2反溶劑法是通過利用ScCO2與溶劑互溶，而溶質不溶于ScCO2的溶解特性，ScCO2迅速帶走溶液中的溶劑，降低玉米醇溶蛋白溶解度，誘導玉米醇溶蛋白反溶劑沉淀從而制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的方法[34]。ScCO2反溶劑法的裝置制備原理如圖5所示[35]。核殼結構微粒形態、平均粒徑、載藥量和包封率可以通過改變ScCO2反溶劑法的工藝參數（壓力、溫度、內核材料/外殼材料的比例和溶液流速）進行調控。較低的溫度和較低的溶液流速以及較高的壓力有利于形成粒徑較小、形狀規則的球體，合適的內核材料/外殼材料比例有利于提高核殼結構微粒的載藥量和包封率。Hu Daode等基于ScCO2反溶劑法制備了葉黃素-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，研究發現在壓力10 MPa、溫度45 ℃、溶液流速1.0 mL/min、葉黃素/玉米醇溶蛋白質量比1∶18的條件下制得的玉米醇溶蛋白核殼結構微粒具有較高的載藥率和包封率，并且實現了葉黃素的緩慢釋放[36]。Zhong Qixin等基于ScCO2反溶劑法制備溶菌酶-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，研究發現在pH值為7～8的中性條件和加入NaCl的離子條件下所制備得到的溶菌酶-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒能實現溶菌酶的長期持續釋放[37]。

圖5 ScCO2反溶劑法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的裝置原理圖[35]Fig. 5 Preparation of zein core-shell microparticles by supercritical CO2 anti-solvent method[35]

2.4.3 pH值循環反溶劑法

pH值循環反溶劑法是基于玉米醇溶蛋白在堿性水溶液（pH 11.3～12.7）中的溶解特性，以pH 12的堿性溶液作為良溶劑，酸性溶液作為反溶劑，向玉米醇溶蛋白堿性溶液中加入酸性溶劑，降低玉米醇溶蛋白溶解度，誘導其反溶劑沉淀從而制備核殼結構微粒的方法[38]。Pan Kang等通過HCl酸化的pH值循環法制備了玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，但在酸化過程中由于氫離子分散不均勻導致蛋白質顆粒發生了聚集[39]。D-葡萄糖酸-δ-內酯（glucono-dalta-lactone，GDL）在水解過程中緩慢釋放葡萄糖酸從而逐漸降低溶液pH值，Sun Cuixia等利用GDL酸化改進了pH值循環法（圖6），研究表明，采用GDL酸化法所制備的玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸鈉核殼結構微粒比采用HCl酸化法所制備的玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸鈉核殼結構微粒粒徑更小、分布更均勻[40]。Sun Cuixia等利用GDL酸化制備了玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸鈉-海藻酸丙二醇酯三元核殼結構微粒，研究發現該核殼結構微粒可用于穩定含油量為80%的高內相Pickering乳液[41]。

圖6 pH值循環法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒原理示意圖[40]Fig. 6 Preparation of zein core-shell microparticles by pH cycle method[40]

玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的制備方法及其優缺點總結如表1所示。

表1 玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的制備方法Table 1 Comparison of preparation methods of zein core-shell microparticles

3 玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的應用

3.1 生物活性物質的遞送

生物活性物質如姜黃素、槲皮素以及白藜蘆醇因具有較好的抗氧化性以及提高人體免疫力的功能特性而受到廣泛關注，但容易被環境因素（光、熱輻射）或機體因素（pH值或酶）影響從而降解并導致其生物利用度降低，因此其在食品領域的應用受到限制[15]。采用玉米醇溶蛋白核殼結構微粒封裝技術能有效避免這些問題[42]。Hu Bing等制備了海藻酸鈉-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒，通過該微粒致密的玉米醇溶蛋白殼層及海藻酸鈉凝膠結構保護內部的功能因子，避免其受到胃酸等身體因素的影響，并且通過改變殼層厚度和凝膠網絡強度還能夠控制其緩釋時間。此外，該核殼結構微粒還被認為具有一定能力保護揮發性食品功能因子免受環境因素影響，對其進行控制釋放及活性保護[33]。Chen Shuai等制備了透明質酸-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒用于遞送姜黃素，該微粒能很好地保護姜黃素免受環境因素影響，使姜黃素表現出較好的抗光降解穩定性，并且可以實現姜黃素在模擬胃腸的消化實驗中的緩慢釋放，大大提高了姜黃素的生物利用度[43]。基于玉米醇溶蛋白核殼結構微粒對疏水性的生物活性物質有增溶和保護作用，Dai Lei等發現鼠李糖脂-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒能顯著提高對姜黃素的包封率，使其由17.64%提高到98.48%。并且加入鼠李糖脂后，姜黃素能更好地免受環境因素影響，熱穩定性和紫外輻射穩定性也得到了提高[44]。玉米醇溶蛋白核殼結構微粒在生物醫藥方面的應用如表2所示。通過玉米醇溶蛋白核殼結構微粒遞送生物活性物質，能夠有效避免生物活性物質受到環境因素（光、熱輻射）或機體因素（pH值或酶）的影響而降解，從而顯著提高生物活性物質的理化穩定性和生物利用度，并且核殼結構微粒對疏水性的生物活性物質有增溶和保護作用，使生物活性物質在食品領域的應用潛力得到了大幅度的開發。

表2 玉米醇溶蛋白核殼結構微粒在生物醫藥方面的應用[16]Table 2 Application of zein core-shell microparticles in biomedicine[16]

3.2 乳液穩定劑

Pickering乳液是由固體顆粒代替表面活性劑形成的穩定乳液體系，由于其固體顆粒從界面上解吸需要大量能量導致該乳液體系能保持長期穩定。生物來源的固體顆粒因為選擇性廣、安全性高、生物相容性好等優勢，近年來已成為Pickering乳液顆粒乳化劑的研究熱點。玉米醇溶蛋白核殼結構微粒由于其較好的乳化性和較強的貯存穩定性以及良好的生物相容性而被廣泛應用于穩定Pickering乳液[38]。Wang Lijuan等制得的殼聚糖-玉米醇溶蛋白核殼結構微粒能顯著提高Pickering乳液穩定性，可使Pickering乳液在常溫狀態下保持9個月以上的穩定狀態[49]。Dai Lei等發現玉米醇溶蛋白-阿拉伯膠核殼結構微粒吸附在油滴表面形成穩定的界面結構，防止了油滴聚結和奧斯瓦爾德熟化，有利于穩定Pickering乳液[50]。Soltani等發現玉米醇溶蛋白-甜菜果膠核殼結構微粒增強了空間位阻和疏水作用，明顯提高了Pickering乳液的穩定性[51]。Feng Yiming等發現玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸鈉核殼結構微粒也可用于穩定Pickering乳液，并且該核殼結構微粒在較寬的pH值范圍內和一定的離子強度下具有更高的穩定性[52]。玉米醇溶蛋白核殼結構微粒可作為乳液穩定劑用于穩定Pickering乳液，并在食品行業有著廣闊的應用前景。

3.3 靜電紡絲技術領域的應用

靜電紡絲法制備的核殼結構納米纖維有較強透氣性、較大比表面積及柔韌性，玉米醇溶蛋白核殼結構在靜電紡絲法制作納米纖維領域有著廣闊的應用前景。張浩等利用靜電紡絲法制備了玉米醇溶蛋白-聚環氧己烷殼核結構納米纖維，發現玉米醇溶蛋白-聚環氧己烷殼納米纖維的熱穩定性、拉伸強度和黏附性均比單一玉米醇溶蛋白所制得的納米纖維強，能適用于更廣泛的負載要求[53]。李娟等發現利用靜電紡絲法制備的負載蛋百里香酚的玉米醇溶蛋白-阿拉伯膠核殼結構納米纖維水蒸氣透過性、疏水穩定性良好；同時玉米醇溶蛋白-阿拉伯膠核殼結構微粒還對功能因子有很好的保護作用，可以實現對百里香酚的緩慢釋放，提高其生物利用率[54]。通過靜電紡絲法制備的玉米醇溶蛋白核殼結構納米纖維材料有利于提高纖維水蒸氣透過性、疏水穩定性、熱穩定性、拉伸強度等多種性能，并能實現對百里香酚等疏水物質的緩慢釋放，提高其生物利用率，在生物醫藥行業有廣泛的應用前景。

4 結 語

基于玉米醇溶蛋白在不同溶劑體系的溶解特性和自組裝特性，可采用多種方法制備玉米醇溶蛋白核殼結構微粒。如在55%～90%的乙醇-水二元體系中，常采用溶劑蒸發法、噴霧干燥法、化學法、水反溶劑法以及ScCO2反溶劑法；在pH 11.3～12.7的堿性水溶液體系中，可采用pH值循環反溶劑法。但目前玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的制備方法應用于工業生產都具有一定限制，根據用于生產玉米醇溶蛋白核殼結構微粒的生物聚合物或化合物的性質，需要選用特定的方法進行制備。玉米醇溶蛋白還可以溶解于一定濃度的乙酸溶液以及高濃度尿素溶液，依據其溶解特性，可構建新的適用性更廣的玉米醇溶蛋白核殼結構微粒制備方法。

玉米醇溶蛋白核殼結構微粒不僅能顯著提高生物活性物質的理化穩定性及生物利用度，還可以作為乳液穩定劑用于制備高內相Pickering乳液，并且通過靜電紡絲技術制備核殼結構納米纖維可以提高纖維水蒸氣透過性、疏水穩定性、熱穩定性及拉伸強度等多種性能，因此玉米醇溶蛋白核殼結構微粒在食品工業和醫藥領域具有廣泛的應用前景。未來還需要系統、深入地探究核殼結構微粒提高生物活性物質理化穩定性的作用機制，同時需要闡明利用玉米醇溶蛋白核殼結構微粒形成的高內相Pickering乳液的穩定機理，最后還需要深入探究核殼結構納米纖維良好性能的構效關系，為玉米醇溶蛋白核殼結構微粒在食品工業中的應用提供理論基礎。