壳聚糖稳定羟基氧化铁纳米颗粒：一种用于高效肠道铁递送的食品兼容载体

《Journal of Future Foods》：Chitosan-Stabilized Ferric Oxyhydroxide Nanoparticles: A Food-Compatible Vehicle for Efficient Intestinal Iron Delivery

　　

缺铁性贫血是全球最常见的微量营养素缺乏病之一，影响近二十亿人，尤其在孕妇、婴幼儿及非妊娠妇女中患病率较高。传统水溶性二价铁盐（如硫酸亚铁、葡萄糖酸亚铁、乳酸亚铁）及三价铁螯合物虽生物利用度高，但在食品加工与储存过程中易与其他成分反应，稳定性差，限制了长期应用。非血红素三价铁在从胃酸性环境进入肠道弱碱性环境时易水解沉淀为胶体羟基氧化铁，降低溶解度和生物可及性。已有研究表明，在内源性或膳食铁结合剂存在下，非血红素铁可形成分散的三价铁纳米颗粒（主要为羟基氧化铁），仍可通过内吞途径或二价金属转运蛋白1（DMT1）依赖的方式被肠道吸收。基于此，研究人员利用多种膳食阴离子生物模板（如肽、磷脂、多糖、DNA）构建了新型纳米结构三价铁复合物，兼具良好生物利用度与低食品成分反应性，成为下一代铁强化剂的候选。然而，阳离子生物模板在此类合成中的应用研究较少。壳聚糖（Ch）是自然界中仅次于纤维素的第二大天然多糖，由β-(1→4)连接的D-氨基葡萄糖与N-乙酰-D-氨基葡萄糖组成，具有生物可降解性、无毒、生物相容性、抗菌性及成膜性，广泛用于食品保鲜、包装及加工领域。其正电性使其可作为表面涂层材料，在药物载体及微胶囊中具有应用潜力。已有研究报道壳聚糖包覆可提升氧化铁纳米颗粒的稳定性与生物相容性，但其与三价铁的相互作用机制尚未完全明确。本研究在温和酸性条件下通过壳聚糖介导三价铁水解制备羟基氧化铁纳米颗粒（FeONPs），分析其结构特征，验证其作为铁强化剂的胶体稳定性、加工稳定性及促氧化性，并在Caco-2细胞模型及大鼠模型中评估其肠道吸收机制与口服生物利用度，结果表明该体系具有优良的食品兼容性与高效肠道铁递送性能。

研究背景与意义

缺铁性贫血已成为全球范围内重要的公共卫生问题，现有铁强化剂存在加工稳定性差、易引发脂质氧化及生物利用度受膳食基质干扰等问题。针对这些问题，研究人员开发了基于壳聚糖（Ch）的三价铁纳米递送系统，旨在实现高效、稳定且食品兼容性良好的铁补充方案。该研究发表于《Journal of Future Foods》，为下一代食品级铁强化剂的开发提供了理论与实验依据。

主要关键技术方法

研究人员采用动态光散射（DLS）、透射电子显微镜（TEM）及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征纳米颗粒的粒径、形貌与结构；在不同pH、温度及冻融条件下测试胶体稳定性；通过喷雾干燥与冷冻干燥评估粉末复溶性能；在三油酸甘油酯乳液中测定促氧化性；利用Caco-2细胞模型分析铁的吸收途径与转运机制；在大鼠模型中开展单次灌胃药代动力学研究，比较在水溶液与全脂牛奶基质中的相对生物利用度。实验动物为7周龄雄性Sprague–Dawley大鼠，随机分为六组，分别给予去离子水、含FeSO₄或壳聚糖稳定羟基氧化铁纳米颗粒（Ch-FeONPs）的水溶液或全脂牛奶。

研究结果

3.1 纳米颗粒的制备与表征

在pH 6.0的MES缓冲液中，壳聚糖可有效抑制三价铁水解沉淀，形成稳定的透明胶体，具有明显丁达尔效应。紫外-可见光谱显示特征吸收带，滤膜过滤后吸光度无明显下降，证实形成了可溶性羟基氧化铁复合物。DLS与TEM结果显示，颗粒平均流体力学直径约为21 nm，呈正电性（+34.2 mV）。脱乙酰度≥95%、分子量30 kDa的壳聚糖具有最高的铁负载能力（约90.6 mg Fe/g），摩尔比Fe:Ch≈1:4.35。FT-IR光谱未出现新的配位峰，表明壳聚糖主要通过空间位阻作用稳定纳米颗粒，而非直接与铁离子配位。

3.2 胶体稳定性

Ch-FeONPs在pH 6.0–7.5范围内保持稳定，仅在pH 8.0时出现沉淀，且可在酸性条件下重新分散，经历两次碱沉-酸溶循环后仍保持纳米尺度。乙醇沉淀与再分散实验表明颗粒具有良好的再分散性。热处理（100℃）及冻融循环（-20℃、-80℃）仅引起轻微粒径增加，不影响胶体稳定性。喷雾干燥与冷冻干燥所得粉末在复水后仍维持纳米尺寸与正电性。

3.3 促氧化性

在三油酸甘油酯乳液中，Ch-FeONPs的TBARS值显著低于FeSO₄，表明其促脂质氧化能力较弱，这归因于纳米颗粒表面活性位点有限及壳聚糖的自由基清除作用。

3.4 口服生物利用度

大鼠灌胃实验显示，Ch-FeONPs的血铁浓度上升较FeSO₄缓慢，但在水溶液与全脂牛奶中的相对生物利用度分别为153%与130%，高于FeSO₄。牛奶基质对两种铁剂的吸收均有延迟与抑制作用，但Ch-FeONPs受影响较小。

3.5 Caco-2细胞铁吸收机制

钙黄绿素荧光淬灭实验表明，Ch-FeONPs的铁吸收同时依赖DMT1途径与内吞作用。阿米洛利（macropinocytosis抑制剂）与叠氮化钠（能量代谢抑制剂）显著降低铁吸收，Dyngo 4a（dynamin抑制剂）亦抑制吸收，而Pitstop 2无显著影响。细胞外Fe(II)水平高于FeSO₄，提示纳米颗粒更易被还原。跨上皮转运实验显示，wortmannin（PI3K抑制剂）、氯喹（溶酶体抑制剂）与槲皮素（下调ferroportin）均显著降低基底侧铁输出，表明Ch-FeONPs经内吞后部分通过转胞吞作用转运，部分在溶酶体降解释放铁，再由ferroportin输出。

结论与讨论

本研究成功构建了基于壳聚糖的阳离子三价铁纳米递送体系，其在宽pH范围及加工条件下表现出优异的胶体稳定性与低促氧化性。与FeSO₄相比，Ch-FeONPs具有更高的口服生物利用度，且受膳食基质干扰较小。其肠道吸收机制包括DMT1介导的转运与能量依赖的内吞途径，并在细胞内经转胞吞或溶酶体降解后释放铁。该研究为开发食品兼容、高效且缓释的新型铁强化剂提供了实验基础，具有重要的应用前景。