高直链淀粉冷冻凝胶的解体机制：作为膳食补充剂片中替代羧甲基淀粉的“清洁标签”选择

《Food Hydrocolloids》：Disintegration Mechanism of High-Amylose Starch Cryogel as a Clean-Label Alternative to Carboxymethyl Starch in Dietary Supplement Tablets

绿色可溶分散性淀粉替代化学改性淀粉的研究，发现高 amylose 玉米淀粉经冷冻干燥形成多孔非晶结构，通过吸水膨胀实现高效崩解，避免传统羧甲基淀粉凝聚问题，释放动力学符合菲克扩散规律。

　　

朱慧娟|李星|李海腾

中国科学院成都生物研究所，中国成都

摘要

开发化学改性淀粉的绿色替代品已成为工业界和消费者追求“清洁标签”的主要焦点。本研究开发了HS-Cryogel作为膳食补充剂片剂的崩解剂，它可以替代广泛用于片剂的化学改性淀粉（例如羧甲基淀粉），同时利用HS本身的营养价值。通过使用不同直链淀粉含量的淀粉，制备并表征了冷冻凝胶和羧甲基淀粉衍生物。HS-Cryogel由于其多孔和非晶态结构，表现出更强的崩解能力；这种结构避免了羧甲基淀粉在释放过程中出现的聚集现象。羧甲基淀粉通过亲水膨胀促进持续释放，但会导致颗粒聚集。动力学分析表明，释放过程遵循Fickian扩散定律，主要受浓度梯度驱动，具有相对可预测的释放动力学。这种崩解机制为开发绿色和创新的物理改性淀粉提供了途径。

引言

淀粉作为最丰富的天然聚合物之一，由于其广泛的可用性、低成本和生物相容性，被广泛用作食品中的成分和添加剂。然而，天然淀粉往往无法满足功能性应用的要求，特别是在活性成分的控制释放系统中（例如缓释片剂或崩解剂），因为其溶解性较差（Elgaied-Lamouchi等人，2021年；Onofre、Wang和Mauromoustakos，2009年）。此外，普通淀粉容易被人体消化酶降解，这限制了其在消化道低段的的应用（Prado、Matulewicz、Bonelli和Cukierman，2009年；Warren、Zhang、Waltzer、Gidley和Dhital，2015年）。这些局限性促使人们选择和开发具有优良物理化学和结构特性的改性淀粉衍生物，如增强的热稳定性和糊化性能、更高的膨胀能力和酶抗性（Huang、Zhou、Jin、Xu和Chen，2016年；Konowa?、Sulej-Chojnacka和Prochaska，2024年；Liu、Ramsden和Corke，1999年；Loisel、Maache-Rezzoug、Esneault和Doublier，2006年）。

在天然淀粉品种中，高直链淀粉（直链淀粉含量通常>50%）具有独特的功能优势，包括更高的热稳定性和抗性淀粉含量。目前，高直链淀粉已成为膳食补充剂和功能性食品中有前景的成分，旨在调节餐后血糖水平、调节肠道微生物群和支持体重管理。其衍生物也被用作益生元底物，有助于代谢和肠道健康（Li、Dhital和Gidley，2023年；Li、Dhital等人，2019年）。

为了进一步提高高直链淀粉的功能性和应用潜力，特别是作为片剂系统中的崩解剂，采用了多种改性策略。化学改性（例如羧甲基化）可以引入增强亲水性、膨胀能力和pH依赖性释放特性的功能基团（例如羧基）。因此，羧甲基淀粉被广泛用于片剂中，包括膳食补充剂（Assaad、Wang、Zhu和Mateescu，2011年；Hong、Liu和Gu，2016年；Jiang等人，2019年；Lemieux、Gosselin和Mateescu，2009年）。另一方面，物理改性方法（如糊化和冷冻干燥）可以生产出低密度、高比表面积和改善包封能力的多孔淀粉基冷冻凝胶（Bagri、Bajpai和Bajpai，2011年；Wu等人，2024年；Zhu、Schutyser、Boom和Zhang，2024年）。研究表明，预糊化淀粉的溶解性和压缩性能优于天然淀粉（Peerapattana、Phuvarit、Srijesdaruk、Preechagoon和Tattawasart，2010年）。羧甲基淀粉被广泛用作活性成分的载体。例如，在一项研究中，将冻干的E. coli粉末与羧甲基高直链淀粉混合后直接压制成片剂；这些片剂在酸性模拟胃液中保持完整，但在模拟肠道环境中迅速溶解和扩散，从而有效释放细菌（Calinescu、Mulhbacher、Nadeau、Fairbrother和Mateescu，2005年）。淀粉衍生物的控制释放特性取决于其分子特性（例如直链淀粉/支链淀粉比例）和改性功能基团（Hong等人，2016年；Lemos、Marcelino、Cardoso、Souza和Druzian，2021年；Onofre和Wang，2010a）。HS-Cryogel通过膨胀过程促进分散，同时防止湿润碎片的聚集，使其成为化学改性淀粉的可持续替代品。然而，基于淀粉的冷冻凝胶在崩解特性方面的结构基础尚不完全清楚。本研究提出，HS-Cryogel的崩解特性取决于其分子结构，特别是其形成多孔和非晶态结构的能力；这种结构为化学改性淀粉（例如羧甲基淀粉）的绿色替代品的设计提供了新的可能性。

因此，本研究的主要目的是探讨淀粉分子结构与片剂系统中淀粉衍生物（天然淀粉、羧甲基淀粉和冷冻凝胶）释放特性之间的关系。通过选择不同的直链淀粉含量（蜡质淀粉、普通淀粉和高直链淀粉），研究了直链淀粉含量变化对结构、物理化学特性和释放特性的影响，以填补关于淀粉结构特性如何调节片剂崩解的知识空白。本研究进一步通过体外模拟释放试验和释放动力学分析探讨了崩解机制。

材料

根据之前的研究方法（Li、Dhital等人，2019年），通过碘比色法选择了高直链玉米淀粉（HS，直链淀粉含量67.1%）、普通玉米淀粉（RS，直链淀粉含量25.0%）和蜡质玉米淀粉（WS，直链淀粉含量11.1%）。购买的试剂包括：来自上海Macklin生化科技有限公司的氯乙酸、冰醋酸、碘和碘化钾；来自Jinklong生物科技有限公司（中国）的对乙酰氨基酚；以及来自上海Y的硬脂酸镁。

淀粉分子结构

三种天然淀粉（HS、RS和WS）的分子量分布（图1A）显示了它们在直链淀粉和支链淀粉组成上的差异。高直链淀粉（HS）的直链淀粉峰位于12.4 nm R_h（没有明显的支链淀粉峰），而低直链淀粉含量的WS显示出较窄的支链淀粉分子范围（峰位于215.7 nm R_{h, 支链淀粉），并且没有明显的直链淀粉峰。RS在18.0 nm Rh, 直链淀粉和130.9 nm Rh处有两个明显的峰。}

淀粉分子结构与片剂释放动力学系数之间的关系

羧甲基淀粉（CMS）被广泛用作具有控制释放动力学的片剂中的崩解组分。现有研究表明，CMS通过快速吸水和膨胀，在胃肠道中促进组分的快速释放。天然形式的淀粉由于稳定的有序颗粒结构，溶解速度较慢。CMS中较高的支链淀粉/直链淀粉比例导致了

结论

总之，本研究表明，高直链淀粉冷冻凝胶可以用作膳食补充剂片中化学改性淀粉（例如羧甲基淀粉）的清洁标签崩解剂。HS-Cryogel通过膨胀过程促进崩解，而不会导致湿润碎片的聚集。HS-Cryogel为工业规模生产提供了一种清洁标签的成分替代品，提供了一种简单的加工方法，避免了消费者对化学改性成分的担忧。

CRediT作者贡献声明

李星：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究。朱慧娟：撰写——初稿，研究。李海腾：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，概念化

未引用参考文献

Li等人，2019年；Wang等人，2012年；Wu等人，2014年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

该项目得到了国家重点研发计划（2025YFF1108000）和四川省科学技术厅（2026NSFSC1029）的支持。