《Food Chemistry》：Pepsin and trypsin coronas on starch nanoparticles: size-dependent modulation of curcumin release and bioactivity
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姜黄素负载淀粉纳米颗粒的尺寸依赖性蛋白冠形成及其对酶活性和生物利用度的影响。通过SEM、AFM、FTIR、荧光光谱和QCM-D等技术，发现小粒径纳米颗粒（<300 nm）与胃蛋白酶和胰蛋白酶形成更密集的蛋白冠，表面负电荷增强，且胰蛋白酶活性随纳米颗粒尺寸增大而升高。蛋白冠形成不破坏姜黄素封装稳定性，但显著改变其与酶的相互作用，为优化纳米递送系统提供理论依据。
张志恒|大卫·朱利安·麦克莱蒙茨|季航燕|金正宇|邱超
国家食品科学与资源重点实验室，食品科学与技术学院，江苏省食品安全与质量控制协同创新中心，江南大学国际食品安全联合实验室，中国江苏省无锡市214122
摘要
本研究探讨了不同粒径的姜黄素负载淀粉纳米颗粒对蛋白质冠层形成的影响及其与胃蛋白酶和胰蛋白酶的相互作用。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）的结果显示这些纳米颗粒呈球形。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和荧光光谱的结果表明，酶冠层的形成主要由疏水作用和氢键驱动。X射线衍射（XRD）结果显示姜黄素被封装在纳米颗粒内部，而酶冠层的形成并未影响姜黄素的稳定封装。质谱共振光谱（QCM-D）的结果表明，较小粒径的纳米颗粒更有利于消化酶的紧密吸附，从而促进蛋白质冠层的形成。蛋白质冠层形成后，胃蛋白酶的相对活性保持稳定，而胰蛋白酶的相对活性随纳米颗粒粒径的增加而增加，这表明酶存在特定的构象适应性。这些发现揭示了基于多酚的纳米颗粒与消化酶之间的复杂纳米-生物界面，为设计旨在提高生物利用度的递送系统提供了关键见解。
引言
姜黄素（CUR）是一种从姜黄中提取的天然植物多酚，由于其抗氧化、抗炎、抗癌和抗衰老特性而备受关注（Zhou等人，2024年）。然而，姜黄素的化学不稳定性、水溶性差和生物利用度低限制了其在功能性食品和饮料中的应用。为了提高姜黄素的水分散性、稳定性、控释性和生物利用度，人们广泛采用了封装策略（Chao、Li等人，2024年；Li等人，2021年）。纳米颗粒常被用作疏水性生物活性化合物的递送载体（Han等人，2024年）。淀粉资源丰富、价格低廉、生物相容性好、可生物降解且易于改性，已被广泛用于构建基于纳米颗粒的递送系统（Qin等人，2019年）。例如，有研究表明将水杨酸（>90%）和芸香苷（>85%）封装在淀粉纳米颗粒中后，其保留率显著提高（Remanan & Zhu，2024年）。另有研究证实，生物素酯化的支化淀粉纳米颗粒能有效提高白藜芦醇的热稳定性和抗氧化活性（Wang、Yang等人，2024年）。
尽管许多研究报道了淀粉纳米颗粒在封装和递送生物活性分子方面的潜力，但它们仍存在一些局限性。例如，胃肠道环境可能影响姜黄素负载淀粉纳米颗粒的化学稳定性、保留率和控释性，进而影响其生物利用度和生物活性（Wang等人，2022年）。在胃肠道条件下，淀粉纳米颗粒的物理化学性质可能会发生变化，例如它们可能被口腔、胃、小肠和结肠中的消化酶（淀粉酶）水解。此外，生物分子，尤其是蛋白质，可能会吸附在淀粉纳米颗粒表面并形成类似冠层的结构，这种现象通常被称为“蛋白质冠层”（Mahmoudi等人，2016年；Wang、Duan等人，2024年）。纳米颗粒的组成、粒径、形态、表面电荷和界面特性，以及胃肠道液体的pH值、离子强度和酶活性都会影响蛋白质冠层的形成（Guo等人，2024年；Yu等人，2022年）。蛋白质冠层的形成可能会调节封装生物活性化合物的释放行为，从而导致生物利用度和生物活性的变化（Guo等人，2024年）。尽管淀粉纳米颗粒在姜黄素递送方面具有潜力，但在消化过程中胃蛋白酶和胰蛋白酶参与形成的蛋白质冠层及其背后的尺寸依赖性调控机制仍不明确。
因此，本研究的目的是深入了解由消化酶在尺寸可控的姜黄素负载淀粉纳米颗粒上形成的蛋白质冠层的形成及其性质，以及它们对姜黄素释放、生物利用度和生物活性的影响。具体来说，本研究旨在阐明相关机制，以指导具有提高生物利用度的纳米颗粒递送系统的合理设计。
材料
蜡质玉米淀粉（支链淀粉含量>95%，来自中国杭州的STARPRO Starch Co. Ltd.），姜黄素（纯度≥98%，来自中国北京的WOKA Biotechnology Co. Ltd.），普鲁兰酶（4000 U/g，由Bacillus licheniformis发酵产生）来自中国天津的Novozymes Investment Co. Ltd.，胃蛋白酶（≥1200 U/g，猪胃黏膜来源）和胰蛋白酶（≥50,000 U/g，牛胰腺来源）来自中国上海的Sinopharm Chemical Reagent Co. Ltd.
纳米复合物的表征
表1显示了姜黄素负载淀粉纳米颗粒（CURStNPs）在与消化酶孵育前后的平均粒径、多分散指数和ZETA电位。三种CURStNPs（CURStNP1、CURStNP2和CURStNP3）的平均粒径分别为247.3 nm、280.7 nm和318.5 nm，表面电荷分别为-15.73 mV、-10.81 mV和-9.32 mV。较小粒径的纳米颗粒具有更强的负表面电荷，这与更大的比表面积和更多的暴露面积相关。
结论
本研究表明，姜黄素负载淀粉纳米颗粒表面蛋白质冠层的形成取决于粒径，并显著影响其物理化学性质、酶相互作用和生物活性。通过多种表征技术证实，较小粒径纳米颗粒表面形成的蛋白质冠层更为致密和稳定。值得注意的是，蛋白质冠层的形成会导致吸附酶（尤其是胰蛋白酶）的构象变化。
作者贡献声明
张志恒：撰写——初稿，方法学设计，数据整理。大卫·朱利安·麦克莱蒙茨：撰写——审稿与编辑。季航燕：软件支持。金正宇：撰写——审稿与编辑。邱超：撰写——审稿与编辑，验证。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32402171）、江苏省食品安全与质量控制协同创新中心（编号：SFST2023-KY-13）以及江南大学国家食品科学与资源重点实验室研究计划（编号：SKLF-ZZB-202507）的支持。
