CN109172541A

CN109172541A - 一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法

Info

Publication number: CN109172541A
Application number: CN201810791642.6A
Authority: CN
Inventors: 姚晓琳; 舒蒙; 姚晓雪
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2019-01-11
Anticipated expiration: 2038-07-18
Also published as: CN109172541B

Abstract

本发明公开了一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，属于多糖铁制备领域。本发明基于λ‑卡拉胶铁与三价铁离子的特异性结合制备了一种新型纳米级凝胶微球，通过搅拌滴入法制备的多糖铁纳米凝胶微球，呈现出良好的分散稳定性，并显著降低了铁离子的细胞毒性；同时对凝胶微球进一步进行表面疏水化修饰，提高了多糖铁粉末的储存稳定性，以及其胃肠道水解稳定性，为开发新型铁强化剂提供了理论支撑和技术指导，且制备的λ‑car‑Fe³⁺复合物能够隔绝水分，抑制褐变，大大改善了贮存稳定性和胃肠水解稳定性，作为一种安全的铁强化剂将具有很大的应用潜力。

Description

一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法

技术领域

本发明属于多糖铁制备领域，具体涉及一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，更具体的说是一种改善多糖铁分散性和储存稳定性的制备方法。

背景技术

铁是人体最重要的矿物质之一，是制造血红素和肌血球素的主要元素。据WHO报道，全世界有四分之一的4-14周岁儿童和孕妇患有贫血，而大部分贫血症是由于铁缺乏引起的。由于膳食中铁含量不足、吸收不良以及铁元素的过度损失，缺铁性贫血是现代社会常见的全球营养疾病。口服补铁剂是治疗和预防缺铁性贫血的常用方法。但是，常用口服补铁剂存在很多弊端，如在消化道内易与植酸等阴离子发生反应，形成不溶性矿物盐，这些盐类不易被吸收，且生物利用度低；而亚铁盐类性质不稳定，极易被氧化，从而影响食品的感官品质；也可导致患者产生腹痛，腹泻或便秘等不良反应。因此，开发易于吸收、副作用小、感官品质好的铁强化剂是非常必要的。

最新研究表明，大分子与铁离子螯合形成的铁复合物的生物相容性与硫酸亚铁相当，是一种有潜力的铁强化剂。以多糖铁为代表的大分子螯合铁，在生理条件下呈现高铁含量的无毒形式，可作为铁补充剂有效治疗缺铁性贫血。铁纳米颗粒也是一类前景广阔的补铁基质，但其易氧化聚集限制了其在食品工业上的应用。

卡拉胶是一类典型的阴离子多糖，作为凝胶剂、稳定剂、增稠剂等在食品、化妆品、医药等领域应用极为广泛。卡拉胶能与金属离子特异性结合，形成凝胶。就与离子的特异性结合而言，一价金属离子（K⁺、Rb⁺、Cs⁺）能与卡拉胶重复单元中含有1个硫酸酯基团的κ-卡拉胶发生特异性结合；二价金属离子（Ca²⁺）能与重复单元中含有2个硫酸酯基团的τ-卡拉胶发生特异性结合；三价铁离子（Fe³⁺、Al³⁺）能与重复单元中含有3个硫酸酯基团的λ-卡拉胶发生特异性结合，形成弱凝胶。因此，在此基础上，研究λ-卡拉胶螯合铁的制备方法，旨在制备出一种分散性和稳定性好的新型多糖铁复合物。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种新型的多糖铁复合物的制备方法。本发明在磁力搅拌下，将一定量的氯化铁母液滴入到λ-卡拉胶母液中，形成纳米凝胶微球；并进一步在纳米凝胶λ-car-Fe^{3 +}微球进行表面疏水化修饰，将zein沉积在纳米凝胶微球表面，使其具备良好储存稳定性和胃肠水解稳定性，提高了卡拉胶铁复合物的生物利用度。

一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）将λ-卡拉胶样品分散于超纯水中并在70-90 ℃下搅拌1 h，得到质量浓度为1.0-4.0% 的λ-卡拉胶母液；加热温度优选为75-85 ℃，λ-卡拉胶母液的浓度优选为2.0-3.0%；

（2）在磁力搅拌下，配置FeCl₃母液并将其滴加到步骤（1）的λ-卡拉胶母液中，然后加水使λ-卡拉胶溶液的质量终浓度为0.5-2%，FeCl₃的终浓度为1-20mM，调节pH至2.0-2.5，磁力搅拌过夜，过夜后离心、水洗，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球分散液，保存备用；

或：过夜后离心、水洗、真空冷冻干燥，获得固体样品，保存备用；

所述的磁力搅拌转速为500-1200 rpm，优选500-800 rpm。

优选地，如上所述的一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，步骤（2）中FeCl₃的终浓度优选为5-15 mM。

优选地，如上所述的一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，该制备方法还包括λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球表面疏水化修饰，具体方法为：玉米醇溶蛋白（zein）溶液在300-500rpm的磁力搅拌下，滴加到步骤（2）的λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球分散液中，在室温下搅拌1小时，然后冷冻干燥，获得稳定的纳米凝胶多糖铁；

所述玉米醇溶蛋白溶液与λ-car-Fe^{3 +}分散液的质量比为1:3--1:9，玉米醇溶蛋白溶液与λ-car-Fe^{3 +}分散液的优选质量比为1:5--1:7。

优选地，如上所述的一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，所述玉米醇溶蛋白（zein）溶液为：溶解于65-85％乙醇溶液中，其质量体积终浓度为0.5-3％，优选玉米醇溶蛋白（zein）溶液的终浓度为1-2%。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1、采用搅拌滴入法制备多糖铁复合物，使其形成纳米凝胶微球，可有效改善其分散性。

2、在纳米凝胶微球进行表面疏水化修饰，将zein沉积在纳米凝胶微球表面，使其具备良好的储存稳定性和胃肠水解稳定性，提高了铁复合物的生物利用度。

3、λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球作为一种新型铁强化剂，副作用小且感官品质好，可扩大其使用范围。

附图说明

图1为pH=2.3，λ-卡拉胶溶液终浓度为1%，FeCl₃浓度为10mM时，形成的λ-car-Fe³⁺复合物的TEM图和外观图，右边为外观图，左边为TEM图。

图2为λ-car-Fe³⁺复合物的细胞毒性测定图。

图3为λ-car-Fe³⁺复合物凝胶微球粉末和zein吸附的λ-car-Fe³⁺复合物粉末的储存稳定性测定图。

图4为λ-car-Fe³⁺复合物凝胶微球和zein吸附的λ-car-Fe³⁺复合物的胃肠水解稳定性图。

具体实施方式

为能清楚说明本发明方案的技术特点，下面结合具体实施例，对本发明进行阐述。但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

实施例1

（1）将λ-卡拉胶样品分散于超纯水中并在85 ℃下搅拌1 h，得到质量浓度2.0 %的λ-卡拉胶母液。

（2）配制浓度为200 mM FeCl₃母液；将一定量的FeCl₃母液滴入到λ-卡拉胶母液中，并加入一定量的水使λ-卡拉胶溶液的最终质量浓度为1%（w/w），FeCl₃的终浓度为1 mM；为了防止金属离子的水解，将样品调节pH到2.3，样品在800 rpm不断磁力搅拌下搅拌24 h，后于1000 g离心15 min，水洗三次，充分洗掉游离的铁离子，真空冷冻干燥，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球固体，保存备用。

实施例2

（1）将λ-卡拉胶样品分散于超纯水中并在85 ℃下搅拌1 h，得到质量浓度为2.0 %的λ-卡拉胶母液。

（2）配制浓度为200 mM FeCl₃母液，将一定量的FeCl₃母液滴入到λ-卡拉胶母液中，后加入一定量的水使λ-卡拉胶溶液的最终浓度为1%（w/w），FeCl₃的终浓度为5 mM；为了防止金属离子的水解，样品调节pH到2.3，样品在800 rpm不断磁力搅拌下搅拌24 h，后于1000g离心15 min，水洗三次，充分洗掉游离的铁离子，真空冷冻干燥，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球固体，保存备用。

实施例3

（2）配制浓度为200 mM FeCl₃母液，将一定量的FeCl₃母液滴入到λ-卡拉胶母液中，后加入一定量的水使λ-卡拉胶溶液的最终浓度为1%（w/w），FeCl₃的终浓度为10 mM；为了防止金属离子的水解，样品调节pH到2.3，样品在800 rpm不断磁力搅拌下搅拌24 h，后于1000g离心15 min，水洗三次，充分洗掉游离的铁离子，真空冷冻干燥，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球固体，保存备用。

我们观测该实施例制备的λ-car-Fe³⁺凝胶微球的微观形态和外观特性，其结果见图1。具体方法为：将λ-卡拉胶螯合铁的浓度稀释至万分之二，滴一滴样品在铜网上，用1%的磷钨酸染色剂对样品进行染色，用滤纸吸去多余的样品和染色剂，于室温下干燥，然后在透射电子显微镜（JEM2100，日本）下观察，拍照。加速电压200kV。

由图1可知，该制备条件下形成的凝胶微球是表面光滑、粒径均匀、分散性好的的纳米凝胶微球。

实施例4

（1）将λ-卡拉胶样品分散于超纯水中并在85 ℃下搅拌1 h，得到质量浓度为2.0%的λ-卡拉胶母液。

（2）配制浓度为200 mM FeCl₃母液，将一定量的FeCl₃母液滴入到λ-卡拉胶母液中，后加入一定量的水使λ-卡拉胶溶液的质量最终浓度为1%（w/w），FeCl₃的终浓度为15 mM；为了防止金属离子的水解，样品调节pH到2.3，，样品在800 rpm不断磁力搅拌下搅拌24 h，后于1000 g离心15 min，水洗三次，充分洗掉游离的铁离子，真空冷冻干燥，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球固体，保存备用。

实施例5

（2）配制浓度为200 mM FeCl₃母液。将一定量的FeCl₃母液滴入到λ-卡拉胶母液中，后加入一定量的水使λ-卡拉胶溶液的最终浓度为1%（w/w），FeCl₃的终浓度为20 mM；为了防止金属离子的水解，样品调节pH到2.3，样品在800 rpm不断磁力搅拌下搅拌24 h，后于1000g离心15 min，水洗三次，充分洗掉游离的铁离子，真空冷冻干燥，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球固体，保存备用。

实施例6

（1）同实施例3。

（2）同实施例3，制备成λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球分散液，保存备用。

（3）将玉米醇溶蛋白溶解在75％（v/v）的乙醇溶液中至最终浓度为2％（w/v），并在500 rpm的磁力搅拌下将其滴加到步骤（2）λ-car-Fe^{3 +}复合物的凝胶球分散液中，室温下搅拌1 h，然后冷冻干燥；其中玉米醇溶蛋白溶液与λ-car-Fe^{3 +}分散液的混合比为1:7。

我们对实施例1-6制备的样品，测定了λ-car-Fe³⁺复合物的粒径、电位及螯合率，具体结果见表1。具体检测方法如下：

（1）λ-car-Fe³⁺螯合率的测定：

采用透析法测定纳米凝胶多糖铁的螯合率，取样品2 mL移入透析袋中，将透析袋没于500 mL去离子水中，在不断磁力搅拌的条件下透析24h，得到透析后样品，取同样量的未透析样品与透析后样品一起置于电炉上碳化2h，后在马弗炉中于550 ℃灰化3 h，得到灰分。将灰化后的样品取一定量加入适量水溶解，移入50 mL容量瓶中，依次加入1 mL 6 mol/LHCl、2 mL 10%盐酸羟胺、5 mL 1 mol/L NaAC和1 mL 0.15%邻菲罗啉显色定容后，用邻非罗啉比色法于510 nm处测定灰分中的铁含量，同时空白对照。λ-卡拉胶螯合铁的螯合率用下列公式计算：

（2）λ-car-Fe³⁺粒径及电位测定：

通过Zetasizer Nano-ZS型纳米激光粒度及电位分析仪测定λ-卡拉胶螯合铁的粒径分布和电位。取一定量的样品，用2 M HCl将原溶液稀释至0.1%，测试温度25℃，光散射检测角度为173^o，激光器波长633nm，He/Ne气体激光器功率4 mW的条件下测定。

表1 λ-car-Fe³⁺复合物的粒径、电位及螯合率

从表1可以看出，随着FeCl₃浓度的增加，λ-car-Fe³⁺纳米凝胶颗粒的包封率呈现先增加后减小的趋势。当FeCl₃浓度为10nM时，螯合率达到最大为83.5%。FeCl₃浓度较低时，λ-car过量，导致螯合率较低。当FeCl₃浓度为10nM时FeCl₃与λ-car能够完全螯合，因此螯合率最大。而当FeCl₃浓度进一步增大，此时FeCl₃与λ-car结合已经达到饱和即使增大FeCl₃的浓度，体系中总铁含量增加，但是实际与λ-car结合的铁并不变，从而使螯合铁在体系中的占比降低，螯合率变小。因此10nM为FeCl₃的最优浓度。

由玉米醇溶蛋白参与诱导的部分聚集，导致zein-λ-car-Fe³⁺的平均尺寸大于无玉米醇溶蛋白吸附的λ-car-Fe³⁺的平均尺寸。如表1所示，吸附有玉米醇溶蛋白的凝胶球的Zeta电位为-32.3mV，包封率为90.6％以上，比未添加玉米醇溶蛋白λ-car-Fe³⁺的包封率高（83.5％）。

我们测定了λ-car-Fe³⁺凝胶微球对HepG2细胞模型的细胞毒性，其结果见图2。测定方法为： HepG2细胞以每孔1×104的密度接种于96孔培养板中，孵化24h，让细胞吸附。孵化后，吸出培养液，细胞用PBS 洗涤一次，加入含 2% FCS的1640培养液配置的不同浓度λ-卡拉胶螯合铁，FeCl₃及λ-卡拉胶培养48 h后，吸出原培养基，每孔加入 20 µLMTT（5 mg/m L）和180 µLPBS，继续在37 ℃、5％CO2培养箱中培养4 h，小心吸取板孔中的液体，每孔中加入150 µLDMSO，摇床振荡15 min，使其充分溶解残留的MTT-甲瓒结晶。同时设立空白组和对照（空白组即不加细胞及药液，对照组即无药物处理的细胞）。以空白组调零，在酶标仪上测定波长490 nm 处的吸光度值OD 490 nm。

由图2 可知：λ-car-Fe³⁺凝胶微球和三价铁离子对HepG2细胞的细胞毒性呈剂量依赖性。当铁离子浓度为10 mg/mL，处理时间为24 h时，λ-car-Fe³⁺和三价铁离子中HepG2细胞的细胞存活率均低于20％，表明强酸性环境对HepG2细胞产生细胞毒性作用。当铁离子浓度为5 mg/mL时，λ-car-Fe³⁺复合物组中HepG2细胞的细胞存活率达到75％，显着高于氯化铁组中细胞存活率50％，并与阴性对照组表现相似，表明此剂量下无细胞毒性。由此可认为，λ-car-Fe³⁺复合物降低了铁离子对HepG2细胞的细胞毒性作用，作为安全的铁强化剂呈现巨大潜力。

铁强化剂常以粉末态添加至固态食品基质中，因此有必要研究凝胶微球粉末的储存稳定性，结果见图3。由图3可知：凝胶微球粉末易于发生吸湿褐变，由此对凝胶微球进行了表面疏水化修饰。贮存30d的λ-car-Fe³⁺的含水率为26.43％，明显高于zein吸附的λ-car-Fe³⁺ 复合物的含水量8.08％。凝胶微球粉末中的高含水量可能会升高体系pH值，由此促成铁离子的水解和Fe（OH）₃的形成，这可能是贮存过程中褐变的主要原因。而zein吸附的凝胶微球粉末，其疏水性表面可有效阻隔水分渗入，显著地提高了其贮存稳定性。

最后，测定了λ-car-Fe³⁺的胃肠稳定性，方法为：我们采用透析袋法测定λ-卡拉胶螯合铁的释放率，在此基础上有所改进。取2mLλ-卡拉胶螯合铁液态样于8000～14000Da的透析袋中，并将其置于100mL模拟胃液（2 mg/mLNaCl、3.2 mg/mL胃蛋白酶、一定量浓盐酸调节pH到1.3）中，在150 rpm的搅拌条件下，设置1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、10 h 6组，每到设定的时间，取2 mL透析液，用邻非罗啉法，在510 nm处测定吸光值，并计算铁含量。

取2 mLλ-卡拉胶螯合铁液态样于8000-14000Da的透析袋中，并将其置于100 mL模拟肠液（6.8 mg/mLKH₂PO₄、10 mg/mL胰蛋白酶、2.5 mg/mL胆盐、0.2 mol/LNaoH调节pH到7.5）中，在150 rpm的搅拌条件下，设置1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、10 h 6组，到设定时间，取2mL透析液，用邻非罗啉法，在510 nm处测定吸光值，并计算铁含量，结果见图4。

从图4中可以看出，在模拟胃液中前2h铁离子释放相对缓慢， 4h时铁离子释放率显著增高并最终释放达到80％，这是由于λ-car-Fe³⁺复合物在模拟胃液中容易水解。采用zein吸附的凝胶微球在模拟胃液中的铁离子的释放率显著受阻，呈现出持续缓慢释放。可认为，zein吸附增加了凝胶微球表面的疏水性和致密度，这有利于λ-car-Fe³⁺复合物在酸性环境中的缓慢水解。

Claims

1.一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：

（1）将λ-卡拉胶样品分散于超纯水中并在70-90 ℃下搅拌1 h，得到λ-卡拉胶母液，加热温度优选为75-85 ℃；

（2）在磁力搅拌下，配置FeCl₃母液并将其滴加到步骤（（1）的λ-卡拉胶母液中，然后加水使λ-卡拉胶溶液的质量终浓度为0.5-2%，FeCl₃的终浓度为1-20mM，调节pH至2.0-2.5，磁力搅拌过夜，过夜后离心、水洗，获得

λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球分散液，保存备用；

或：过夜后离心、水洗、真空冷冻干燥，获得λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球固体样品，保存备用；

所述的磁力搅拌转速为500-1200 rpm，优选500-800 rpm。

2.如权利要求1所述的一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，其特征在于：步骤（2）中FeCl₃的终浓度优选为5-15 mM。

3.如权利要求1所述的一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球表面疏水化修饰，具体方法为：玉米醇溶蛋白溶液在300-500rpm的磁力搅拌下，滴加到步骤（2）的λ-car-Fe^{3 +}凝胶微球分散液中，在室温下搅拌1小时，然后冷冻干燥，获得稳定的纳米凝胶多糖铁；

所述玉米醇溶蛋白溶液与λ-car-Fe^{3 +}分散液的质量比为1:3--1:9，优选1:5--1:7。

4.如权利要求1所述的一种稳定的纳米凝胶多糖铁的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的玉米醇溶蛋白溶液为：溶解于65-85％乙醇溶液中，其质量体积终浓度为0.5-3％，优选玉米醇溶蛋白溶液的终浓度为1-2%。