范云凱，馬瑩瑩，張昕昀，李秀霞

（渤海大學食品科學與工程學院，生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧錦州 121013）

pH 敏感性是指材料的結構會隨環(huán)境酸堿性而變化，通常含有羧基、氨基和磺酸基等可解離的基團，解離程度隨著環(huán)境pH 值的變化而改變，失去或得到質子，內外離子濃度發(fā)生改變。天然高分子聚電解質可作質子的供體或受體，在不同pH 值條件下聚電解質的帶電情況不同，分子間的氫鍵和靜電作用發(fā)生改變，影響分子鏈的伸展狀態(tài)，從而導致其結構的改變[1-2]。具有酸性羧基基團的陰離子聚合物（如聚丙烯酸、聚谷氨酸等），在堿性條件下，側基去質子化而呈親水性，適合于腸道內營養(yǎng)功效組分或藥物的控制釋放，而陽離子聚合物（如殼聚糖和纖維素等） 在酸性條件下獲得質子形成陽離子基團，在溶液pH 值繼續(xù)升高至7.0 左右時，除了羧基進一步電離，靜電排斥作用增強外，陽離子型材料中的堿性基團去質子化，使得陰離子和陽離子間的靜電引力減弱，分子鏈更加舒展，微粒溶脹加劇，活性成分快速釋放[3]。因此，篩選合適的離子型材料，可使陰陽離子聚合物間通過電荷作用發(fā)生交聯，凝膠化形成納米顆粒，利用該種材料在不同pH 值條件下收縮性和膨脹性，可實現生物活性成分的腸道定向釋放。在這一方向上，醫(yī)學方面的研究較多，利用材料在較低pH 值下保持穩(wěn)定，在較高pH 值下釋放藥物，常用作口服藥物的控制釋放，而在食品的應用方面還處于初步階段。

1 常見的pH 敏感性材料

1.1 殼聚糖

殼聚糖是一種陽離子聚合物，分子中含有大量氨基和羥基，張欣等人[4]采用離子凝膠法制備了殼聚糖- 三聚磷酸鈉納米顆粒，用于包封布洛芬，所得載藥微膠囊表現出良好的pH 敏感性。王宏麗等人[5]制備了海藻酸鈉和殼聚糖凝膠，實現了藥物在不同pH 值條件下的被動靶向釋放，但其負載能力有限。姜雪[6]采用離子凝膠法通過自組裝制備了pH 敏感性藥物載體，為后續(xù)在胃里而不釋放在腸道里的釋放藥物的負載奠定了基礎。Lucinda-Silva R M 等人[7]將海藻酸鹽和殼聚糖通過凝膠的方式包埋氟羥氫化潑尼松，觀察所制成的藥物在模擬胃腸道環(huán)境中的變化。而通過靜電紡絲技術制備食品和藥物緩釋載體在材料選擇上具有很大的靈活性，且利用聚合物載體的生物可降解性可以延緩藥物在生物體內的作用時間，增加負載量。

1.2 丙烯酸樹脂

（聚甲基丙烯酸- 聚乙基丙烯酸酯） 共聚物被廣泛用于胃腸道pH 依賴性藥物釋放壁材[8]。L100-55 型丙烯酸樹脂在pH 值5.5 以上溶解[9]，Lee S H 等人[10]開發(fā)一種pH 敏感性納米復合材料，首先通過帶負電的氨基堿性硅鋁酸鎂和帶正電的牛血清蛋白（BSA）自組裝獲得絡合物AC-BSA，絡合物干燥之后加入到殼聚糖溶液中，形成包被糖基殼聚糖的復合物GACBSA，最后加入到L100-55 型丙烯酸樹脂（pH 值5.5以上溶解） 中形成EGAC-BSA 納米復合材料，在pH值1.2 條件下，AC-BSA 在2 h 內實現快速釋放藥物，而EGAC-BSA 表現出緩慢的藥物釋放，EGAC-BSA 的pH 依賴性藥物釋放特性可以有效保護BSA 免受胃中酸性環(huán)境的侵害，并將大部分BSA 輸送到腸道中。pH 依賴性的包衣層可以減少藥物在酸性條件下的過早釋放，保護蛋白質不被酶解；也可能是因為EGAC- BSA 在腸內溶出腸包衣層后轉化為陽離子GAC- BSA，通過靜電相互作用與帶負電的腸黏膜之間黏附在黏膜表面，便于細胞攝取增加藥物在胃腸道中的停留時間。Surya R 等人[11]制備了一種新型聚丙烯酰胺接枝丁二醇殼聚糖/ 膨潤土（AAm-g-NB/SC） 的pH 敏感復合材料，作為紫杉醇控釋的載體。在pH 值7.4 時紫杉醇的釋放量達到了最大值，在16 h 內，pH 值1.2 時約15.6%的紫杉醇釋放，而在pH 值7.4 時約有82.5%的紫杉醇被釋放。模擬胃和腸道的pH 值，在溶液pH 值分別為1.2，6.8和7.4條件下，復合材料的溶脹動力學試驗結果表明，在酸性條件下羧基大部分以質子化的形式出現，當pH值接近中性條件下時，脫質子的羧酸鹽陰離子的存在導致復合材料發(fā)生溶脹。因此，該復合材料的溶脹基本發(fā)生于環(huán)境pH 值大于其pKa 情況下，在堿性條件下，羧酸脫質子與親水官能團之間的靜電作用減弱，導致膨脹，被包埋的物質分子釋放到溶劑介質中。

1.3 聚氨基酸

聚氨基酸含有羧基和氨基，在體內可降解為氨基酸，安全且生物相容性好，常用作藥物載體。Muriel Mundo J L 等人[12]將γ - 聚谷氨酸溶液逐漸加入到ε - 聚賴氨酸溶液中，形成聚電解質復合物，隨著γ - 聚谷氨酸溶液增加濁度、粒徑變大，當混合物的pH 值為8～12 時，溶液透明，這是因為2 種聚電解質此時都帶負電存在靜電斥力抑制形成聚合物，混合物的pH 值在5～8 濁度較高，這是因為兩者之間存在強靜電吸引，pH 值在3～4 濁度較低，沒有形成較大的聚合物。Németh C 等人[13]制備了一種用于包被維B12能快速溶解的陽離子型聚天冬酰胺纖維，以乙醇作為溶劑，采用聚合物質量分數為20%～30%的聚天冬氨酸乙醇溶液進行紡絲，82%的聚合物溶脹，同時90%的維生素釋放，在pH 值6.8 條件下，82%的聚合物溶脹，90%的維B12釋放。Ma J 等人[14]將聚苯丙氨酸（PPhe） 與聚賴氨酸（PLL） 結合，形成了一種新型的兩親性陽離子嵌段共聚物——聚賴氨酸-β - 聚苯丙氨酸（PLL-β-PPhe），并在水溶液中自組裝成膠束，通過臨界膠束濃度、粒徑、共聚焦激光掃描顯微鏡等方法驗證了膠束的穩(wěn)定性。然后用聚谷氨酸屏蔽了聚賴氨酸- β - 聚苯丙氨酸膠束的正電荷，降低了細胞毒性，藥物釋放研究表明，聚賴氨酸- β - 聚苯丙氨酸膠束對pH 值敏感，在pH 值7.4，6.8 和5.0 時，釋放的阿霉素分別達到53.0%，65.0%和72.0%。Wang Y 等人[15]利用帶有正負電荷的聚賴氨酸和聚谷氨酸之間的靜電相互作用形成了共聚物混合物，自組裝成聚離子膠束（PCM），此種聚離子膠束在pH 值6.8 時解離更快。

2 離子凝膠/靜電紡絲技術

2.1 離子凝膠技術

離子凝膠法是指離子可與帶相反電荷的大分子物質發(fā)生靜電吸附作用，其中離子作為交聯劑交聯大分子，機理是陽離子聚合物的氨基在酸性條件下經過質子化形成陽離子的NH3+，與陰離子通過電荷作用發(fā)生交聯，凝膠化形成納米粒子，利用凝膠法可包埋生物活性成分[6-7]。

海藻酸鹽常用于制備水凝膠，但海藻酸鹽凝膠網絡結構多孔性強，包埋物擴散率高，限制了其應用。Bu?iA 等人[16]采用海藻酸鈉和乳清蛋白作為基材，可可粉（CP） 和角豆莢（C） 輔助構建凝膠網絡，多酚類物質的負載能力得到提高，而可可粉和角豆莢的加入則延長了多酚類物質和羥基肉桂酸的釋放。Xiao J X 等人[17]報道了一種基于羧甲基殼聚糖- 阿拉伯膠凝膠的pH 依賴性腸道靶向遞送材料，首先制備負載BSA 的羧甲基殼聚糖- 阿拉伯膠微膠囊，將牛血清蛋白水溶液與大豆油混合，然后加入阿拉伯膠溶液，再將此溶液與同體積的羧甲基殼聚糖混合，將溶液的pH 值調成3.0，4.5，6.0 懸浮液離心之后的沉淀浸入京尼平溶液中進行交聯，收集微膠囊進行冷凍干燥，研究發(fā)現在胃、小腸和結腸模擬溶液中的BSA 的釋放量依次增加，高pH 值可以增強該膠囊的胃腸道靶向遞送效力。Dhanya George P 等人[18]利用L- 組氨酸偶聯殼聚糖、納米氧化鋅顆粒和雙醛纖維素制備功能化復合納米水凝膠HIS-CHGZ，這種水凝膠被用于運載柚皮苷、槲皮素和姜黃素這3 種多酚，分析了該負載多酚的復合納米水凝膠在不同條件下的釋放性能，與殼聚糖- 纖維素水凝膠（CHG） 相比，納米氧化鋅顯著提高了凝膠的溶脹能力，組氨酸的基團質子化使其在pH 值＞3 時溶脹，HIS- CHGZ 呈現出高孔隙的三維交聯結構，結構更加穩(wěn)定，且在高pH 值下溶脹率增加。Rakhshaei R 等人[19]引入石墨烯量子點（GQDs） 作為一種新型安全的羧甲基纖維素（CMC） 交聯劑，用于制備可生物降解和生物相容性的水凝膠，采用鑄型法制備CMC/GQDs 薄膜，結果表明純CMC 水凝膠膜表面均勻，隨著GQDs 含量的增加，膜的表面形貌變得粗糙，納米復合材料表面有聚集的現象，低濃度CMC 基質中GQDs 的較好分散，可能是由于CMC 與GQDs 之間氫鍵作用的結果。溶脹研究顯示，pH 值7.4 時納米復合材料的溶脹率明顯高于pH 值1.2 時，這表明制備的納米復合材料具有較高的pH 敏感性。

影響離子化合物中芯材釋放的因素主要有粒徑大小、離子強度和溶液pH 值等，其中離子強度和介質溶液pH 值是重要的影響因素。Yamamoto Y 等人[20]研究了pH 敏感性離子復合物中索立芬的釋放機理，索立芬與牛黃膽酸和卵磷脂聚合物發(fā)生相互作用，在酸性條件下，電離作用減弱，索立芬被解離并迅速釋放出來，在磷酸鹽緩沖液中陽離子滲透到基質中，取代藥物緩慢釋放，粒徑的大小影響索立芬的釋放，而釋放介質中pH 值和陽離子濃度是最重要的影響因素。

2.2 靜電紡絲技術

靜電紡絲是一種通過靜電作用力制備納米纖維的技術，是通過施加電荷從聚合物溶液或熔融聚合物中拉出纖維的一種技術，電子纖維的直徑從納米級到微米級的變化是通過改變聚合物溶液性質或者是調節(jié)靜電紡絲的參數來控制的。目前，用來制備控釋體系的高分子載體主要包括兩大類：①天然高分子物質。包括蛋白類物質（如海藻酸鈉[21]、黃原膠[22]、明膠[23]、玉米醇溶蛋白[24]等） 和多糖類物質（如環(huán)糊精[25-26]、殼聚糖[27]、纖維素[28]等）。②合成的高分子物質。包括丙烯酸[29]、聚乳酸、聚乙烯醇[30]等。靜電紡絲天然產物靜電紡絲納米纖維在食品工業(yè)中的應用，主要表現在作為包裝材料對食品進行包裝保護，以及作為載體材料對藥物、蛋白質、益生菌等進行負載，對其活性進行保護及實現胃腸道的控制釋放。此外，在食品檢測等方面也有應用[31]。影響靜電紡絲過程的因素主要有溶液性質、工藝參數、環(huán)境參數等，且這些因素之間彼此關聯、相互影響[32-33]。溶液濃度對納米纖維的直徑和形貌有重要的影響。在靜電紡絲的過程中，溶液濃度過低時，得到的纖維多為不連續(xù)的串珠狀纖維；溶液濃度過高時，在針頭尖端處的液滴因溶劑的快速揮發(fā)固化而堵塞針頭，不能生成連續(xù)的纖維[34]。Wongsasulak S等人[35]制備玉米醇溶蛋白復合靜電紡絲液，所用試劑有玉米醇溶蛋白、殼聚糖、聚環(huán)氧乙烷，同時還有生育酚，使用流變儀在控制剪切速率下表征靜電紡絲溶液樣品的流變性質，當生育酚添加到復合材料中后，大幅度增加了表觀黏度和剪切增稠性能，但沒有影響纖維的形態(tài)。

同軸靜電紡絲已廣泛應用于控制纖維二級結構，用于包封藥物或生物制劑，對于成功的同軸靜電紡絲具有足夠的流體性，通過“黏性”克服2 種溶液之間的界面張力的黏度。Yang J M等人[36]采用了改進的同軸紡絲可以平穩(wěn)連續(xù)地運行，沒有任何堵塞。與單流體靜電紡絲工藝相比，得到的玉米醇溶蛋白纖維表面和橫截面直徑更小，體外溶出試驗證明同軸工藝的纖維表現出更好的緩釋曲線。同軸過程僅使用不可固定的乙酸作為鞘液，以防止噴絲頭堵塞，用于平滑和連續(xù)的靜電紡絲過程來生產納米纖維具有更高的質量和更好的性能。工藝參數包括紡絲電壓、接收距離、紡絲流速等。紡絲電壓為靜電紡絲提供了動力，是影響纖維形成的一個重要因素。環(huán)境參數包括溫度和濕度2 個方面。

2.3 離子凝膠法和靜電紡絲技術的結合

目前，制備食品包埋體系的微膠囊和微球等方法很多，但達到可控的納米級別的難度較大，靜電紡絲技術為制備穩(wěn)定的納米包埋體系提供了可能，將溶膠凝膠法與靜電紡絲技術相結合是一種非常適合制備聚合物/納米粒子復合納米纖維的方法。一些學者在離子凝膠法和靜電紡絲法相結合包埋活性成分方面進行了相關研究，Pirzada T 等人[37]通過混合正硅酸乙酯（TEOS） /乙醇溶膠凝膠和聚乙烯醇（PVA）溶液制備了直徑小于150 nm，且形態(tài)無缺陷的SiO2/PVA 復合納米纖維。Wen P 等人[27]首先采用離子凝膠法制備了負載牛血清白蛋白的殼聚糖納米顆粒，又以海藻酸鹽為殼層，負載牛血清白蛋白（BSA） 的殼聚糖納米顆粒為核心層，制備了同軸納米膜，所制備的納米膜表面光滑，BSA 在納米顆粒和納米膜中的結構完整。體外釋放結果顯示，在前2 h 只有一小部分BSA 在模擬胃液中釋放，這是因為海藻酸鹽在酸性條件下不溶，保護了纖維膜的溶脹，當納米膜轉移到小腸液中后納米膜的溶脹程度使BSA 釋放增加，而在結腸液中有75%的BSA 釋放，說明離子凝膠/靜電紡絲納米纖維膜是一種有前途的pH 值敏感的特異性運載材料。Wang P 等人[28]以乙基纖維素為外層材料，以負載姜黃素的明膠水凝膠為內層材料，采用連續(xù)靜電紡絲法制備多層膜，結果表明連續(xù)電紡法在食品領域具有良好的生物活性包封和控釋前景。Muriel Mundo J L 等人[12]使用γ - 聚谷氨酸陰離子聚合物和ε- 聚賴氨酸陽離子聚合物形成聚電解質復合物，研究結果表明陽離子聚合物和陰離子聚合物可用于組裝靜電配合物，可以用來封裝保護生物活性物質，可能有助于設計有效的口服給藥系統(tǒng)。Wen Y 等人[38]利用離子凝膠法將三聚磷酸鹽（TPP） 溶液加入到已經與藻藍素混合的殼聚糖溶液中，得到藻藍素納米粒子，將納米粒子和聚乙烯醇組成芯材，海藻酸鈉和聚氧乙烯（PEO） 組成壁材，將低聚半乳糖加入到芯材中，通過同軸靜電紡絲得到負載藻藍素的低聚糖納米纖維膜，纖維均勻光滑，藻藍素完全包被在納米粒子中，隨著pH 值升高，釋放率增加，是有潛力的結腸靶向遞送材料。

3 結語

人體消化道的pH 值由低到高逐漸增加，食品中的益生菌、多酚等功效成分在胃中容易受其酸性環(huán)境的影響而發(fā)生水解、變性等變化而活性降低或失去活性，開發(fā)一種在胃中不溶解而在小腸中溶解，并在結腸中充分膨脹的穩(wěn)態(tài)化材料，對于降低食品營養(yǎng)和功效成分在胃中的首過效應、提高其消化利用率具有重要的意義。離子凝膠法是一種常用的制備pH 敏感型材料的方法，而靜電紡絲技術則可制備一種形態(tài)好且高負載率的納米纖維，常用于生物和醫(yī)學材料領域，這2 種技術結合并應用于食品功效成分的穩(wěn)態(tài)化技術中，有望在保持材料pH 敏感性的同時還能提高活性成分的負載率，有著良好的應用前景。