阿魏酸/β-环糊精包合物的功能特性与生物可利用性：分子动力学模拟与实验验证

本研究通过实验与计算结合的方法，系统考察了不同摩尔比（1:2、1:1、2:1）β-CD/白藜芦醇包合物的结构、稳定性和功能特性，揭示了摩尔比对包合物性能的影响规律，为工业应用提供了理论指导。

　　

吕俊丽|任志龙|邹家莉|王楠

内蒙古科技大学生命科学与技术学院，中国包头

摘要

阿魏酸（FA）具有显著的治疗潜力，但其水溶性差和稳定性不稳定严重限制了其应用。尽管β-环糊精（β-CD）包合物化是一种有前景的策略来克服这些限制，但客体-主体摩尔比对复合物性质的影响仍不够清楚。本研究通过整合实验-计算方法，系统地研究了三种摩尔比（1:2、1:1、2:1）下的FA/β-CD复合物，包括结构表征、分子动力学（MD）模拟和全面的物理化学评估。X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜和¹H NMR光谱分析证实了所有比例下复合物的成功形成。MD模拟表明，范德华力是复合物形成的主要驱动力，而氢键对结构稳定性有显著贡献。2:1比例的复合物表现出最高的装载效率（21.5%）和5.03倍的水溶性提升，同时具有更强的抗氧化活性，DPPH的IC₅₀值为0.024?mg/mL，ABTS自由基的IC₅₀值为0.042?mg/mL。1:2比例的复合物具有最高的包封效率（93.3%）和最佳的光稳定性，暴露六天后仅损失8.53%，并且在肠道消化后实现了最高的体外生物利用度（93.6%）。相反，1:1比例的复合物具有最佳的热稳定性，加热后保留率为95.18%，并对大肠杆菌具有最高的抗菌活性，抑菌圈直径为18.7?mm。这些发现为根据食品保存、包装材料和药物制剂的具体应用要求选择合适的FA/β-CD摩尔比提供了全面的理论指导。

引言

阿魏酸（4-羟基-3-甲氧基肉桂酸，FA）是一种在谷物（Kumar & Pruthi, 2014）、当归（Chan et al., 2014）、水果和蔬菜（Pandi et al., 2025）中丰富的酚类化合物，具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎、抗菌和神经保护作用（Kumar et al., 2025; Laddomada et al., 2015）。然而，其实际应用受到其水溶性差（25?°C时为0.78?g/L）（Mota et al., 2008）和在生理条件下稳定性有限（Rezaei et al., 2019）的严重限制。

环糊精（CD）包封技术作为一种有前景的策略，克服了这些限制，在生产简便性、法规接受度和工业可扩展性方面优于基于纳米粒子的系统（Nicolaescu et al., 2025; Siva et al., 2020; Zou et al., 2024）。这种方法已有效应用于各种植物衍生化合物。例如，通过超声辅助方法制备的香芹醛/HPβCD和丁子香酚/HPβCD复合物表现出增强的水溶性、热稳定性和抗氧化能力（Cui et al., 2019; Siva et al., 2019）。这些研究为制备和表征含有生物活性分子的CD包合物提供了重要的方法基础。在各种CD中，选择了β-CD，因为它具有食品级安全性、适合芳香酚酸的理想腔体尺寸、简单的制备程序以及比脂质体和纳米粒子系统更低的成本（Gonzalez-Mondragon et al., 2016）。尽管许多研究证实β-CD包合物化可以提高FA的溶解度和稳定性（Rezaei et al., 2019），但大多数研究仅关注单一的化学计量比，通常是1:1，而没有系统地探索其他客体-主体配置（Li et al., 2020; Mic et al., 2024）。

这种狭隘的关注忽略了新兴证据，即CD复合物可以采用多种化学计量比，每种比例可能赋予不同的物理化学特性（Li et al., 2022）。化学计量比主要受客体疏水性和形状以及主体腔体尺寸的影响（Hirayama & Uekama, 1999）。最近的研究表明，客体分子与CD之间的化学计量比并不总是1:1，不同的摩尔比显著影响包合物的包封效率、装载能力和生物活性（Bermúdez-Oria et al., 2024; Rubio-Senent et al., 2024）。然而，在FA/β-CD系统中仍存在关键的知识空白。尽管Li et al.（2022）证明了不同的客体与主体摩尔比可以产生不同的晶体结构，但尚未系统地建立摩尔比与关键功能性质（包括抗氧化能力、热稳定性和光稳定性以及抗菌效果）之间的定量关系。此外，虽然分子动力学（MD）模拟阐明了各种CD包合物的形成机制（Lv et al., 2024; Mostefai et al., 2024），但尚未进行MD模拟来比较不同FA/β-CD化学计量配置下的稳定性差异的机制基础。解决这些空白对于开发针对工业应用的定制FA输送系统至关重要。

本研究系统评估了三种化学计量比下制备的FA/β-CD包合物：1:2（主体过量）、1:1（等摩尔）和2:1（客体过量）。我们结合了物理化学表征（包括水溶性、包封效率（EE）、抗氧化能力、热稳定性和光稳定性、抗菌活性以及生物利用度）和MD模拟，以阐明形成机制和结构-功能关系。据我们所知，这是首次通过整合实验和计算方法结合系统化学计量比较和多维功能评估的全面研究。这种方法能够确定最佳的化学计量配置，从而为FA输送系统的工业配方提供基于证据的指导。

材料

阿魏酸（纯度99%）、β-环糊精（≥98.0%）、猪胃蛋白酶（≥2500?U/mg）、猪胰酶（4?×?USP）、猪胆盐、猪胰α-淀粉酶（≥1000?U/mg）、2,2-二苯基-1-吡啶肼（DPPH）和2,2′-偶氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸）（ABTS）均购自中国上海的Aladdin Industrial Co., Ltd。氯化钾（KCl）、六水合氯化镁（MgCl?·6H?O）、磷酸二氢钾（KH?PO?）、碳酸氢钠（NaHCO?）、氯化钠（NaCl）等。

XRD分析

图1A展示了不同摩尔比下制备的FA/β-CD包合物的X射线衍射图谱。纯FA粉末显示出典型的晶体特征，在2θ值为9.00°、12.82°、15.62°和17.42°处有尖锐的衍射峰，以及几个次要峰，表明其晶体性质。β-CD显示出在9.00°、10.64°、12.66°和18.76°处的特征衍射峰，与其笼状晶体结构一致（Li et al., 2022）。

结论

这项全面的研究通过XRD、FTIR、SEM和¹H NMR光谱证实了FA在β-CD腔体内的成功包封。MD模拟显示，范德华力主导了复合物的形成，而氢键网络提供了额外的稳定性。摩尔比显著影响了FA/β-CD包合物的物理化学性质和功能性能。2:1比例的复合物实现了最高的装载效率（LE）和最大的水溶性提升。

CRediT作者贡献声明

吕俊丽：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法学，资金获取，正式分析，概念化。任志龙：正式分析，数据管理。邹家莉：项目管理。王楠：项目管理。

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

本研究得到了国家自然科学基金（32360574）、内蒙古自治区自然科学基金（2023MS03037）、内蒙古自治区高校科技研究计划（NJZZ23057）和内蒙古科技大学基础研究基金（2023QNJS152）的资助。