《International Journal of Biological Macromolecules》：Simple construction of starch-lipid-protein complexes for enhancing the encapsulation and delivery performance of mesalazine-loaded Pickering emulsions
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机械活化制备的木薯淀粉-棕榈酸-zein三元复合物（CPZc）具有三维海绵状结构和V型II结晶结构，可有效稳定水溶性药物负载的Pickering乳液，兼具高储存稳定性和胃酸降解耐受性。氢键和物理陷阱协同增强药物保留率，为口服靶向递送提供新策略。
Xing Cao|Xiaohua Huang|Junning Wei|Chen Liang|Yanjuan Zhang|Zuqiang Huang|Huayu Hu|Tao Gan
广西大学化学与化学工程学院，中国南宁市，510004
摘要
Pickering乳液因其稳定性、多功能性和环境相容性而在口服药物递送中具有吸引力。然而，设计能够有效包裹亲水性药物的稳定剂仍然具有挑战性。本文通过简单的机械活化（MA）工艺制备了一种具有三维海绵状和VII型晶体结构的木薯淀粉-棕榈酸-醇溶蛋白复合物（CPZc）。MA促进了棕榈酸嵌入淀粉螺旋结构中，而部分展开的醇溶蛋白通过氢键和静电相互作用与淀粉-脂质表面交联，形成了网状壳层。作为乳化剂，CPZc稳定了载有美沙拉嗪的Pickering乳液，表现出优异的储存稳定性（乳液指数：91.8%，D?,?：17.1?μm）和高药物保留率（28天后为92.4%）。值得注意的是，在模拟胃消化后仍有72.9%的美沙拉嗪残留。CPZc的多尺度网络实现了双重药物装载机制：蛋白质极性基团与美沙拉嗪之间的氢键结合以及亲水层内的物理包裹。这项工作提供了一种简单且可持续的方法来构建淀粉-脂质-蛋白质三元复合物，并展示了它们作为亲水性药物胃肠道靶向递送的有效载体的潜力。
引言
炎症性肠病（IBD）是一种慢性、复发性疾病，具有广泛的病变和长期的病程，在临床治疗中面临重大挑战。美沙拉嗪是一种亲水性氨基水杨酸类抗炎药物，已被证明可以显著缓解结肠炎症并减少肠道刺激[1]，[2]。然而，它在上消化道的快速吸收限制了其向结肠炎症部位的递送，从而显著限制了其局部治疗效果[3]，[4]。近年来，Pickering乳液因其优越的物理稳定性、多功能性和安全性而在口服药物递送系统中受到了广泛关注[5]。然而，构建能够在胃肠道酸性条件下稳定药物并有效将其递送到病变结肠区域的Pickering乳液，同时确保控制释放仍然是一个重大挑战[6]，[7]，[8]。
在用于制药应用的Pickering稳定剂的开发中，基于生物的颗粒因其可生物降解性、环境友好性和可再生性而受到了广泛关注[8]，[9]，[10]。其中，淀粉-脂质和蛋白质-多糖等二元复合物在亲脂性和亲水性药物的口服Pickering递送系统中显示出巨大潜力[11]，[12]。然而，由于淀粉的亲水性和脂质的疏水性，高极性或具有特殊分子结构的亲水性药物难以有效融入Pickering乳液网络[13]，[14]，[15]。在淀粉-蛋白质复合物中，蛋白质富含极性官能团，如羧基和氨基，这些官能团可以通过氢键和静电相互作用与亲水性药物相互作用，从而提高药物吸附和递送效率[16]。然而，淀粉-蛋白质复合物对温度、离子强度和pH等恶劣条件敏感，通常对胃肠道环境耐受性差，容易聚集，并且容易被消化酶降解，导致药物过早释放[17]，[18]。为了解决上述问题，最近的研究表明，由蛋白质、多酚和多糖组成的三元复合物相比二元复合物具有更好的稳定性和药物递送性能[19]。
与二元淀粉-脂质或淀粉-蛋白质复合物相比，淀粉-脂质-蛋白质三元复合物表现出协同的结构和功能优势。这种三元系统结合了脂质的疏水屏障效应、蛋白质的吸附和结合能力以及淀粉的结构完整性，从而增强了对抗酶降解的抵抗力并提高了热稳定性[20]。此外，蛋白质的极性官能团增强了药物的吸附能力和颗粒的两亲性，从而增强了Pickering乳液的界面稳定性，提高了药物包封效率，并增加了对胃肠道降解的抵抗力[21]，[22]。尽管淀粉-脂质-蛋白质三元复合物在稳定Pickering乳液和递送亲水性药物方面具有巨大潜力，但其制备仍面临一些挑战，如由于极性差异导致的组分兼容性差、难以控制蛋白质构象以及加工窗口狭窄[23]。三元复合物通常通过物理混合、化学交联和酶法制备[23]，[24]。化学交联在食品和制药应用中受到限制，因为可能存在化学残留。酶法虽然有效，但成本高昂且复杂，难以扩大规模。物理混合方法非常安全，因为它避免了有害化学试剂的引入，操作简单，在温和条件下进行，有助于保持天然生物活性物质的结构完整性，因此更适用于食品和制药应用。然而，传统的物理方法往往无法完全展开蛋白质链，导致脂质、淀粉和蛋白质的分散效果较差，从而使得所得复合物的相互作用较弱，稳定性有限[25]。因此，有必要开发一种简单高效的物理方法来制备淀粉-脂质-蛋白质三元复合物。
机械活化（MA）是一种绿色高效的聚合物物理改性技术，在淀粉改性应用中取得了快速进展[26]，[27]。与传统热处理、溶剂辅助处理和化学改性相比，MA是一种简单环保的工艺，因为它使用简单廉价的设备，并且操作过程中不使用溶剂和化学试剂。在机械力的作用下，机械能逐渐转化为淀粉颗粒的内能，导致颗粒破裂、分子间相互作用减弱、结晶度降低，从而提高了淀粉的反应性[28]。在之前的研究中，发现MA可以有效破坏淀粉颗粒并改善脂肪酸在淀粉中的分散均匀性，促进了具有V型晶体结构的淀粉-脂肪酸复合物的形成[29]。MA主要依赖于高速球磨介质产生的机械剪切力。机械力可以破坏淀粉或蛋白质的晶体结构，增强分子反应性。此外，MA可以有效地减弱淀粉、脂质和蛋白质分子之间的空间阻碍，从而便于脂质分子插入淀粉的螺旋结构中。因此，在机械力的作用下，蛋白质的疏水残基可以通过疏水相互作用、氢键、静电相互作用甚至酰胺化与脂肪酸的羧基相互作用。同时，淀粉-脂质复合物上暴露的羧基可以作为蛋白质结合的活性位点，从而促进淀粉和蛋白质之间的进一步相互作用。这三组分之间的协同作用有望提高Pickering乳液的结构稳定性，改善亲水性药物的吸附和包封效果，并增加其生物利用度。
在本研究中，使用MA对木薯淀粉进行改性，加入脂肪酸和蛋白质，制备了木薯淀粉-脂质-蛋白质复合物（CPZc）。这些复合颗粒被用作乳化剂，用于构建水包油（W/O）Pickering乳液，以稳定载有美沙拉嗪的系统，从而评估其包封效率和递送性能。使用SEM、XRD、FTIR、DSC、LF-NMR、接触角、粒径分布、ζ电位、光学显微镜和流变性能对三元复合材料的表面形态和结合机制进行了表征。使用微光学成像系统在不同条件（pH、离子强度、颗粒浓度和油水比）下检测了Pickering乳液的稳定性，并通过模拟消化在体外测试了稳定Pickering乳液的药物递送效率。本研究提出了一种简单、绿色且可扩展的策略来构建淀粉-脂质-蛋白质三元复合物，为功能性食品和生物活性化合物的口服递送系统的发展提供了新的见解和实际潜力。
材料
木薯淀粉（食品级，HS1108140000，直链淀粉含量为19.1%（碘显色法），重量平均分子量为3.28?×?107?g/mol（凝胶渗透色谱法，GPC）由广西明阳生化科技有限公司（中国南宁市）提供。醇溶蛋白购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。棕榈酸（FA16，99%）和α-淀粉酶（40,000?U/g）来自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。
复合物颗粒的形态和接触角分析
使用SEM、激光粒径分析和接触角测量法分析了样品的形态、粒径和两亲性。如图1A和E所示，原始木薯淀粉（RCs）颗粒表面光滑，呈不规则的球形。CPc颗粒表现出严重的破碎和断裂，形成了光滑的、不规则堆叠的块状结构（图1B和F）。CZc颗粒显示出粗糙的块状断裂，并有许多不规则的颗粒突起
结论
总之，通过简单的MA方法成功制备了具有三维海绵状结构的CPZc，并对其包封和递送性能进行了评估。在高能机械力的作用下，淀粉和蛋白质内部的氢键被破坏，促进了分子链的展开。同时，棕榈酸的羧基通过氢键和静电相互作用促进了稳定三元复合物的形成
CRediT作者贡献声明
Xing Cao：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学、研究、数据分析。Xiaohua Huang：研究、数据分析。Junning Wei：验证、研究、数据分析。Chen Liang：研究、数据分析。Yanjuan Zhang：研究。Zuqiang Huang：指导。Huayu Hu：指导。Tao Gan：撰写 – 审稿与编辑、指导、资源管理、方法学。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：22268005）和广西科技计划项目（资助编号：AB23075132）的支持。
