铁是维持人体健康必需的矿物质[1],铁摄入不足不仅会引发缺铁性贫血,还会影响能量代谢、免疫系统等,进而影响整体健康[2]。近年来,无机铁向有机铁转化成为铁补充的研究重点,这主要是因为铁与有机物结合可以维持其在消化道中的溶解度[3]。在不同种类的有机铁补充剂中,多肽由于具有潜在供体侧链和空间结构的特定基团,而被认为是有效的铁结合配体。目前,从食品蛋白水解物,如南极磷虾[4]、鹰嘴豆[5]、乳清蛋白[6]、绿豆[7]和蛋黄[8]等中鉴定出许多铁结合肽。这些能提高矿物元素生物利用度的食源性肽被认为是理想的新一代铁载体[9]。然而,铁螯合肽普遍存在胃消化不稳定,耐酸性较差的问题,严重影响了其广泛利用[7-8,10-11]。

水凝胶作为药物及营养分子的优良载体,可以局部递送药物或营养物质,且没有任何毒性[12]。作为新型口服补铁剂的水凝胶可以通过改变铁离子的释放动力学和在特定pH值条件下逐渐释放铁离子,模拟食物中铁的自然释放过程。如在正常生理条件下,胃肠道的pH值在高酸性(1.5～4.0)到微碱性(7.0～7.8)之间,作为制备水凝胶的重要原料,海藻酸钠具有较低的pK值,因此在酸性环境中水凝胶保持稳定。当肠道pH值高于海藻酸钠的pK值时,水凝胶逐渐膨胀,从而在肠道pH值条件下释放被包裹的内容物[13]。海藻酸钠虽具有诸多优势,但是有研究发现,淀粉能够在海藻酸盐网络周围形成“桥梁”,提供结构支持[14];同时,淀粉提供的亲水性基团的掺入导致凝胶对水的吸收更大[15],从而使海藻酸盐和淀粉形成的复合凝胶与纯海藻酸钠凝胶相比具有更封闭稳定的结构、更小的孔隙及更高的持水能力。马铃薯淀粉作为一种被广泛消费和接受的成分,具有良好的可及性和可操作性,成本低,膨胀能力高,是食品工业中一种有前景的水凝胶制备原料[16]。但目前关于海藻酸钠/马铃薯淀粉复合水凝胶珠的研究还较少。另外,由于水凝胶具有良好的生物相容性和可控的凝胶特性,不仅可以减少铁离子与胃肠道直接接触,从而减轻铁补充剂常见的胃肠道副作用,还可以开发出能够在肠道特定部位释放铁的高效补铁剂,从而使铁的吸收效率最大化。目前,水凝胶在肽铁螯合物递送方面的应用鲜见报道,海藻酸钠/马铃薯淀粉复合水凝胶是否能提高肽铁螯合物的胃消化稳定性尚不可知。

前期研究制备的具有良好消化特性且具备开发为新型补铁剂潜力的蛋黄肽铁螯合物(EYP-Fe)的耐酸性较差[8],因此本研究旨在构建蛋黄肽铁螯合物的载运缓释体系,以改善其在酸性条件下的稳定性,并为新型口服补铁剂的开发提供理论和技术参考。首先以海藻酸钠和马铃薯淀粉为原料,以氯化钙为交联剂,采用外凝胶法制备负载不同铁源(EYP-Fe、右旋糖酐铁和FeSO4)的水凝胶珠。通过红外光谱、X射线衍射谱、质构分析、扫描电镜(SEM)等技术对制备的不同铁源载铁水凝胶珠结构和形貌进行表征,并借助差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、铁包封率和溶胀率测定等探究负载不同铁源的水凝胶珠的稳定性,最后,利用体外模拟消化探究蛋黄肽铁复合水凝胶珠的铁释放行为和补铁潜力。研究希望为提高肽铁螯合物在胃消化过程中的稳定性提供参考,并为缓解传统补铁剂可能引起的胃肠不适感,以及提升铁元素的吸收效率指明改进方向。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

EYP-Fe,前期研究制备[8];海藻酸钠、右旋糖酐铁、无水CaCl2,西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司;其他实验试剂均为分析纯,中国国药集团有限公司。

1.2 仪器与设备

BT-100B型数显恒流泵,上海沪西分析仪器厂有限公司;FD-1A-50型真空冷冻干燥机,上海博迅实业有限公司;Bsa224s-cw型电子天平,德国赛多利斯公司;AA800型原子吸收光谱仪,美国Perkin Elmer公司;Nicolet IS50 iN10型傅里叶变换红外光谱仪,美国Thermo Fisher公司;X’Pert PRO MPD型X射线衍射仪,荷兰帕纳科公司;Q2000型差示扫描量热仪(DSC),美国TA公司;TGA8000型热重分析仪,美国PE公司;TA-XTPLUS型物性分析仪,英国STABLE公司;ZE7700型色差仪,日本电色公司;EM-30+型台式电子扫描显微镜,赛克姆(上海)科技有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 EYP-Fe的制备

参考文献[8]的方法制备EYP-Fe。于37 ℃、pH 值为8.0的条件下,采用质量分数1.6%的碱性蛋白酶和质量分数1.2%的胰蛋白酶依次分别水解蛋黄粉6、4 h,随后将温度调至95 ℃,使酶失活。将水解之后的样品用3 kDa超滤膜过滤后加入体积分数70%的乙醇溶液进行纯化,静置1 h后,在8 000 r/min、 4 ℃条件下离心,收集沉淀,冻干后得到蛋黄肽(EYP)。将EYP溶解在去离子水(10 mg/mL)中,以肽铁(EYP∶FeSO4·7H2O)质量比为8∶1加入FeSO4·7H2O, 在pH值为 8.0、温度为 40 ℃的条件下反应30 min制备EYP-Fe。

1.3.2 负载不同铁源的水凝胶珠的制备

1.3.2.1 水凝胶珠的制备

利用Ca2+与海藻酸钠的羧基(COO-)之间的离子交联可形成水凝胶结构这一特性,通过恒流泵,以氯化钙为交联剂,采用外凝胶法制备球形结构的水凝胶珠。分别配制不同质量浓度(0.5 g/100 mL、1.0 g/100 mL、1.5 g/100 mL和2.0 g/100 mL)的海藻酸钠和淀粉溶液,然后将2种不同质量浓度的海藻酸钠和淀粉溶液等体积(25 mL)混合,通过恒流泵将混合溶液以2.0 mL/min的速度匀速滴入氯化钙溶液(50 mL、0.1 mol/L)中,并磁力搅拌20 min。最后通过2 000 r/min离心5 min收集水凝胶珠,使用超纯水冲洗3遍水凝胶珠以除去表面残留的氯化钙溶液,冷冻干燥后保存备用[17]。

1.3.2.2 水凝胶珠不同铁源的负载

分别配制含0.1 mg/mL的FeSO4、右旋糖酐铁和EYP-Fe的海藻酸钠-淀粉溶液,采用1.3.2.1节外凝胶法制备水凝胶珠,分别记为FeSO4珠、右旋糖酐铁珠和EYP-Fe珠[18],不加铁源的记为空白珠。通过离心收集不同载铁水凝胶珠,用超纯水洗涤3次。将载铁水凝胶珠冷冻干燥并于4 ℃保存,以备后续使用和表征。

1.3.3 水凝胶珠铁包封率测定

采用原子吸收法测定负载不同铁源的水凝胶珠的铁包封率。将1.3.2.2节制备的载铁水凝胶珠进行湿法消化,按照GB 5009.90—2016的方法测定各组载铁水凝胶珠的铁含量,记为包封铁含量,然后测定相同质量浓度下FeSO4、右旋糖酐铁和EYP-Fe的铁含量,记为总铁含量。各组载铁水凝胶珠的铁包封率按式(1)计算。

铁包封率

(1)

1.3.4 水凝胶珠溶胀率测定

测定水凝胶珠在不同pH值条件下的溶胀率,使用1 mol/L的NaOH或HCl制备7种不同pH值(2.0～8.0)的溶液,取50 mg干燥的水凝胶珠置于不同pH值的水溶液中,观察水凝胶珠的溶胀行为并记录溶胀后水凝胶珠的质量[18]。溶胀率按式(2)计算。

溶胀率

(2)

式(2)中,Ms,溶胀状态下水凝胶珠的质量,mg;Md,干燥水凝胶珠的质量,mg。

1.3.5 水凝胶珠微观形貌观察

将各组冻干后的载铁水凝胶珠黏在导电胶上,并使用溅射镀膜仪喷金30 s,在25 kV的加速电压下,使用SEM观察不同铁源载铁水凝胶珠的表面和截面形貌[19]。

1.3.6 色差分析

以样品反射光为基准,使用色差仪分析不同载铁水凝胶珠的色差。所有测量均在室温下记录6次,并且由L*、a*、b*按式(3)计算总色差(ΔE)。

(3)

式(3)中,L*为亮度,a*为红绿度,b*为黄蓝度。

1.3.7 水凝胶珠质构测定

负载不同铁源的水凝胶珠的机械性能测定参考Xue等[20]的方法,利用装有P/36R金属板探头(直径36 mm)的物性分析仪进行评估。将新鲜制备的水凝胶珠放在测试平台中央,测前、测中和测后速度均为2 mm/s,应变为50%,触发力为5×10-3 N。每组样品至少重复测试5次,测试过程在室温下进行。

1.3.8 水凝胶珠结构表征

傅里叶变换红外光谱:取少量负载不同铁源的冻干水凝胶珠样品与KBr以1∶100的质量比混合,在研钵中充分研磨后,通过挤压制成透明薄片。通过红外光谱仪记录样品在400～4 000 cm-1的红外吸收光谱,使用空白KBr校准背景,每个样品在室温下至少重复测试3次[21]。

X射线衍射分析:使用X射线衍射仪对负载不同铁源的水凝胶珠的X 射线衍射谱进行表征[22]。测定时设置扫描速度为2°/min,扫描步长为0.02°,扫描角度为10° ～ 80°。

1.3.9 水凝胶珠热性能分析

使用差示扫描量热仪分析负载不同铁源的水凝胶珠的热性能。取适量水凝胶珠的冻干粉在坩埚中称重,置于仪器中进行热稳定性分析。温度为10～200 ℃,升温速率为10 ℃/min,氮气流速为50 mL/min。

使用热重分析仪在温度为30～800 ℃,加热速率为20 ℃/min的条件下对负载不同铁源的水凝胶珠进行热稳定性分析[18]。

1.3.10 水凝胶珠体外模拟消化性能测定

负载不同铁源的水凝胶珠的体外模拟消化参考Durn等[22]的方法,并略加修改。通过NaCl和胃蛋白酶模拟胃液,制备含有2 g/L的NaCl和10 g/L的胃蛋白酶混合溶液,并使用1 mol/L的HCl调节溶液pH值到2.0。然后配制50 g/L的胰蛋白酶和31.2 g/L的胆汁提取物,并将其溶解在pH值为7.4含有8.76 g/L NaCl和0.1 mol/L PBS的溶液中模拟肠道条件,用1 mol/L的HCl调节溶液pH值到6.0。随后将1 g的载铁水凝胶珠置于100 mL模拟胃液中,用磁力搅拌器在150 r/min和37 ℃条件下孵育1 h,之后将水凝胶珠取出,用滤纸轻轻擦拭,并称重。将胃液消化后的水凝胶珠置于100 mL的肠道模拟液中,在37 ℃下孵育3 h,以150 r/min的转速不断搅拌。在模拟胃肠消化实验结束时,各取3份10 mL的胃液和肠液,通过原子吸收法测定模拟消化过程中负载不同铁源的水凝胶珠的铁释放率。

1.4 数据处理

每个实验重复3次,实验数据以平均值±标准偏差(mean±SD)表示。使用GraphPad Prism 8.03和Origin 2023绘制图像。采用GraphPad Prism 8.03单因素方差分析软件进行统计分析,P<0.05代表有显著差异。

2 结果与讨论

2.1 水凝胶珠的制备结果

选择不同质量浓度的海藻酸钠和淀粉溶液,以氯化钙为交联剂,通过恒流泵制备水凝胶珠,结果如图1。由图1可知,通过恒流泵可使液滴形成球形,再采用外凝胶法可成功制备球形水凝胶珠。然而,当海藻酸钠的质量浓度较低时会形成形状不规则的水凝胶珠,当添加淀粉的质量浓度为0.5 g/100 mL时,无法形成均匀的水凝胶珠,这主要是因为海藻酸钠或淀粉的质量浓度过低时,无法提供足够的交联点来形成稳定的凝胶网络结构[23]。此外,在使用钙离子诱导海藻酸钠凝胶化时,如果海藻酸钠的质量浓度过低,可能会导致钙离子在溶液中扩散过快,进而影响水凝胶珠的形成和均匀性[24]。当海藻酸钠的质量浓度在1.0～1.5 g/100 mL、淀粉的质量浓度在1.0～2.0 g/100 mL时,制备的水凝胶珠的成型效果较好,且水凝胶珠的结构稳定、均匀性好。可能是由于在凝胶化过程中,马铃薯淀粉中的直链淀粉通过氢键与海藻酸盐羧基相互作用,使凝胶结构紧密[25];同时,淀粉可以在海藻酸盐网络周围形成“桥梁”,提供结构支持,从而增加水凝胶珠的稳定性[14]。因此,选择海藻酸钠质量浓度为1.0～1.5 g/100 mL和淀粉质量浓度为1.0～2.0 g/100 mL,制备负载不同铁源的水凝胶珠,进一步探究其铁包封率。

2.2 水凝胶珠的铁包封率分析

海藻酸钠链上的羧基是二价金属离子(如Ca2+)进行离子交联的良好位点,因此海藻酸钠是制备具有生物相容性的水凝胶的优良材料。不同质量浓度的海藻酸钠和淀粉联合制备的水凝胶珠对FeSO4、右旋糖酐铁和EYP-Fe的包封率如表1。质量浓度为1.5 g/100 mL的海藻酸钠和1.0 g/100 mL的淀粉制备的水凝胶珠对FeSO4、右旋糖酐铁和EYP-Fe的包封率较高,分别为89.13%、86.72%和84.69%。主要原因在于,较高含量的海藻酸钠可以提供足够的Ca2+交联位点来形成高稳定性的水凝胶珠;同时,适当的淀粉促进了水凝胶壁障和高交联网络的形成,提高了水凝胶珠对铁源的包封率,而过高的淀粉含量则导致体系不规则团聚,形成不利于铁源包封的凝胶网络。因此,选择质量浓度为1.5 g/100 mL的海藻酸钠和1.0 g/100 mL的淀粉制备负载不同铁源的水凝胶珠。

2.3 水凝胶珠的pH敏感性和溶胀率分析

水凝胶作为轻度交联聚合物,当暴露于适当的溶剂或pH值条件下,水凝胶的体积会发生溶胀变化,在所需的pH值条件下达到最佳溶胀状态是水凝胶实现靶向递送营养物质的关键[13]。水凝胶的溶胀率是由限制其网络结构变形的力与促使其吸水的渗透压力之间的平衡决定的。这种溶胀行为受到温度、pH值、离子强度等外部条件的影响。水凝胶珠在不同pH值条件下的溶胀行为如图2。在pH值为7.0和8.0的条件下水凝胶珠溶胀率较大,而在酸性环境中溶胀率较低(低于10%)。由于海藻酸钠羧基的pK值为3.6,所以在肠道pH值或者高于pK值的pH值条件下,水凝胶珠会逐渐吸收溶胀。此外,由于肠道细胞吸收微量营养素的能力有限,所以铁的持续释放是确保最大吸收的必要条件,若铁从水凝胶珠中快速释放,会导致肠道对铁的吸收减少,而游离铁到达结肠会引起副作用。本研究制备的水凝胶珠可以实现铁在肠道pH值环境中的缓释,以提高肠道对营养物质的吸收。

2.4 水凝胶珠的微观形貌分析

图3为负载不同铁源的水凝胶珠的实物外观和微观形貌。通过SEM观察可知,水凝胶珠表面的微观形貌呈现粗糙且不均匀的特征,这是由海藻酸钠和淀粉混合制备的水凝胶珠的典型特征,主要由水凝胶内部的空隙所致[21]。由水凝胶珠的截面微观形貌可知,水凝胶珠截面呈现出多孔的网状结构。其中包封FeSO4的水凝胶珠截面更致密,孔洞较小,这可能是因为FeSO4中的Fe2+也充当了部分交联剂,因此相比于其他载铁水凝胶珠交联剂含量较高,形成的网络结构更紧密,孔隙更小[26]。而包封右旋糖酐铁的水凝胶珠,其表面更加粗糙和不均匀,内部呈现较大且松散的网状结构,可能是由于其大分子结构在水凝胶网络中形成较大的交联点。另外,包封EYP-Fe的水凝胶珠表面粗糙度与内部网络致密程度介于二者之间,可能与其分子结构可形成的网络交联点介于FeSO4和右旋糖酐铁之间有关。水凝胶珠的这种多孔网状结构可以允许药物或营养分子在其内部存储,并可通过调节海藻酸钠和交联剂的含量来控制网状孔隙结构的大小,进而实现药物或营养分子的释放速率控制和梯次释放,这对于需要缓释或定时释放药物或营养分子的健康管理至关重要[27]。

2.5 水凝胶珠色差分析

负载不同铁源的水凝胶珠的色度值如图4。空白珠只含有海藻酸钠和淀粉,色度偏亮。由海藻酸钠制备的水凝胶珠为透明的,因此水凝胶珠的色泽主要取决于所包封的材料[22]。由图3可知,包封右旋糖酐铁的水凝胶珠的色泽比其他水凝胶珠的色泽偏深,并且以深棕色为主,这一结果与色差中的L*值相对应。负载EYP-Fe的水凝胶珠的b*值较高,EYP-Fe水凝胶珠的外观表现出其色泽以淡黄色为主。由于Fe2+溶液本身为浅绿色,所以负载FeSO4的水凝胶珠色泽偏黄绿色。

2.6 水凝胶珠质构特性分析

在TPA模式下,将负载不同铁源的水凝胶珠的硬度、弹性和胶着性作为评价其凝胶强度的主要参数,结果见表2。与空白珠相比,除了硬度和胶着性有显著差异外,负载不同铁源的水凝胶珠的回复性、内聚性、弹性和咀嚼性并无显著变化。海藻酸钠的凝胶强度主要与交联点之间的距离、分子链长、柔性线圈和刚性连接的数量等相关[28]。其中,无机亚铁离子也起到交联作用,因此包封FeSO4的水凝胶珠硬度显著增加,但是回复性、内聚性、弹性和咀嚼性这4种性质无显著变化,说明这4种性质只与其离子间相互作用的类型有关,与所包封铁的形态无关。

2.7 水凝胶珠特征吸收峰分析

红外光谱的特征吸收峰可以表示负载不同铁源的水凝胶珠的形成过程中化学键的生成及消失(图5)。图5中1部位表示的化学键是O—H键,负载不同铁源的水凝胶珠在3 400 cm-1附近都出现了与空白珠相似的吸收峰,这主要与O—H键的伸缩振动有关[29],此处吸收峰的出现意味着水凝胶珠中的成分可能通过氢键相互作用形成了具有特定结构和性能的水凝胶网络结构。此外,在接近3 500 cm-1处负载不同铁源的水凝胶珠和海藻酸钠、淀粉的红外光谱中都出现了类似的吸收峰,这是O—H键的伸缩振动引起的,表明它们主要通过亲水相互作用形成,这些相互作用可能源于分子重排、能量转移或化学复合物的形成[30]。图5中2部位出现了较小的吸收峰,此处的吸收峰主要与C—H键的拉伸振动有关,表明水凝胶中存在疏水相互作用,但较亲水相互作用更弱。

海藻酸钠的纯物质在1 598.35 cm-1处出现特征吸收峰,主要是因为海藻酸钠结构中羧酸基团CO键的不对称伸缩振动[31]。由于氢键形成及芳环共轭的影响,负载不同铁源的水凝胶珠的CO吸收峰向低波数位移(图5中3部位)。与空白珠相比,负载不同铁源的水凝胶珠的红外光谱并未发生显著变化,表明铁源的引入并未引起海藻酸钠结构的修饰和改变,这也意味着水凝胶珠的海藻酸钠外壳在消化过程中的具有易降解性。

2.8 水凝胶珠结晶性质分析

通过X射线衍射谱分析单个聚合物和制备的水凝胶珠的结晶性、半结晶性和非结晶性[22]。单个聚合物和负载不同铁源的水凝胶珠的X射线衍射分析如图6。海藻酸钠在12.5°和20.3°处的衍射峰表明了海藻酸钠的半结晶性质。此外,马铃薯淀粉在22.3°、24.6°和25.3°处的衍射峰也表明了其具有半结晶性质[32]。与空白珠相比,负载FeSO4和右旋糖酐铁的水凝胶珠的衍射谱无显著变化,而包封EYP-Fe的水凝胶珠的衍射谱在35.7°、42.8°和47.1°处有明显的衍射峰,这与EYP-Fe的结果相类似[8]。说明以海藻酸钠和淀粉为原料制备的载铁水凝胶珠呈半结晶性质,具有海藻酸钠和淀粉组分的部分特征峰,并且利用外凝胶法制备的水凝胶珠包封EYP-Fe,未对EYP-Fe的结构和结晶状态造成影响。

2.9 水凝胶珠热稳定性分析

2.9.1 水凝胶珠DSC分析

负载不同铁源的水凝胶珠和单个聚合物的DSC分析如图7。与空白珠相比,负载不同铁源的水凝胶珠的玻璃转化温度无显著变化,此外,所有水凝胶珠的熔融温度几乎相同,约为167 ℃。这些结果表明,负载不同铁源对水凝胶热稳定性方面没有显著影响[22],这种热行为使得负载不同铁源的水凝胶珠具备作为口服铁补充剂的潜力。

2.9.2 水凝胶珠热重分析

单个聚合物和负载不同铁源的水凝胶珠的TGA如图8。由图8可知,在125 ℃下观察到第一次降解,失重约16%,此时失重的成分主要对应于样品中水分和CO2的蒸发[33]。此后,随着温度的升高,在125～250 ℃发生第二次失重,约为8%,这与聚合物网络结构中吸附的水和盐的分解有关。其中,最主要的失重约25%,这与聚合物网络的分解和碳酸氢钠的形成有关,剩下的质量则对应元素残余量[34]。结果表明,负载不同铁源的水凝胶珠均具有较高的变性温度和良好的热稳定性,这为其作为补铁制剂在多样化场景下的潜在应用提供了科学依据。

2.10 水凝胶珠体外模拟消化性能分析

EYP-Fe能否被稳定地递送到目标位置是评估海藻酸钠/马铃薯淀粉复合水凝胶珠构建是否成功的重要指标。本研究通过测定水凝胶珠在模拟胃消化过程中的溶胀率和Fe2+释放率,以确定Fe2+在肠道中被吸收和利用的能力,结果见图9。图9(a)描述了新鲜水凝胶珠和干燥水凝胶珠在模拟胃消化过程中的溶胀行为。由图9(a)可知,在胃环境条件下,新鲜的空白珠和载铁水凝胶珠都发生了收缩(29%～31%),这一结果再次证明了海藻酸钠水凝胶在酸性环境中的收缩性能,这主要是因为酸性条件下海藻酸钠的羧基被质子化,即失去负电荷,变为羧酸形式。这种质子化会导致水凝胶珠的功能基团带有更多的正电荷,从而增加了分子之间的静电斥力,促使水凝胶珠内的聚合物链收缩[35]。此外,在酸性条件下,水凝胶珠的内部负电荷减少,导致其对水分子的吸引力减弱[36],此前吸附在水凝胶内部的水分子也会被释放出来,所以水凝胶珠的体积减少。而载铁并未对其在胃环境中的收缩性能产生影响,为铁源在胃环境中的稳定性提供了结构基础。相反,干燥的水凝胶珠在胃消化过程中发生溶胀,体积增大。其中,包封FeSO4的干燥水凝胶珠的溶胀率最小,这是因为Fe2+起到交联作用,通常情况下,交联剂的含量越大,交联密度越大,形成的三维网络结构更紧密、稳固,水凝胶的溶胀率则越小,该结果与微观形貌观察结果一致。而包封另外2种铁源的水凝胶珠与空白珠相比,其溶胀率无显著差异,说明包封铁源未影响水凝胶珠的溶胀性能。此外,海藻酸钠水凝胶珠通常具有多孔结构,这些多孔结构提供了更大的表面积,因此有利于水分子嵌入其中。与此同时,水凝胶珠中的聚合物链与水分子之间可能会发生氢键或范德华力等相互作用,这些相互作用有助于水分子在水凝胶中的吸附和水凝胶的溶胀[21]。

图9(b)显示了在胃和肠道培养液中,负载不同铁源的水凝胶珠的铁释放情况。由图9(b)可知,水凝胶珠在胃消化中的铁释放普遍较低,大约在11.0%～19.0%。负载不同铁源的水凝胶珠在胃中的低铁释放率,是制备口服补铁剂的必要条件,因为非血红素铁倾向于在胃中形成沉淀,从而降低了其生物利用度,并可引发胃肠道功能紊乱,如胃痛、便秘、腹泻或呕吐等[37]。其中,包封EYP-Fe的水凝胶珠的铁释放率最低,为11.2%±2.9%。之前的研究发现,FeSO4在模拟胃液消化0.5 h后,其铁释放率急剧上升至97.93%。相对而言,EYP-Fe在胃消化2 h内的铁释放率则显著较低,2 h后其释放率仅达到29.93%的最大值。这一差异主要是由于EYP-Fe在胃消化过程中需要经过胃蛋白酶的逐步降解,才能释放出铁离子。因此,可以推断,当 EYP-Fe被水凝胶珠包封后,其消化进程减缓,在胃环境中的铁释放率会更低,显示出更佳的胃消化稳定性。此外,内容物的释放能力随着海藻酸钠溶胀能力的增强而增强,在胃环境下水凝胶珠的收缩也表明负载EYP-Fe的水凝胶珠在胃消化液中具有较稳定的结构,能够维持铁在水凝胶珠中的包封状态而不易泄漏。Sun等[38]制备的大豆分离蛋白/山楂果胶水凝胶珠在胃环境中的铁释放率为21%～53%,在模拟肠道中的释放率为30%～60%,可见其在胃中的铁保留率显著低于本研究制备的水凝胶珠,这可能是由于Sun等制备的水凝胶珠接触面积更大,结构更加松散,更容易受到侵蚀。这些结果进一步表明,本研究制备的海藻酸钠/马铃薯淀粉水凝胶珠能够在一定程度上耐受极端的酸性或碱性条件,有效地避免了Fe2+在胃环境中的释放,实现了其在肠道中的吸收[39]。

在肠道条件下,3 h内所有水凝胶珠包封的铁源被大量释放(79%～87%),并且各水凝胶珠的铁释放率之间没有显著差异。结果表明,本研究制备的海藻酸钠/马铃薯淀粉水凝胶珠具有稳定的凝胶结构,可以有效抵抗酸性环境和酶侵蚀。水凝胶珠进入肠道后,被胰蛋白酶和脂肪酶侵蚀,凝胶网络结构被破坏,包封的Fe2+被释放出来并被肠道吸收。这主要是由于海藻酸钠的分子特性,如羧基的保水性和溶胀性,使得海藻酸钠成为制备封装和缓释药物及营养素等载体的理想材料。此外,有研究表明,海藻酸钠在肠道的pH值条件下会形成可溶的黏性层,这些条件也会显著促进包封内容物的释放。因此,本研究基于海藻酸钠制备的水凝胶珠,不仅能有效地封装不同铁源,还能在适宜的条件下控制铁离子的释放。

3 结 论

本研究以海藻酸钠和马铃薯淀粉为原料,以氯化钙为交联剂,采用外凝胶法制备了负载不同铁源(EYP-Fe、右旋糖酐铁和FeSO4)的水凝胶珠。结果表明,使用质量浓度为1.5 g/100 mL的海藻酸钠和1.0 g/100 mL的淀粉混合溶液制备的水凝胶珠,具有较好的成型效果和稳定性,并且对不同铁源的包封率可达84%以上。通过测定水凝胶珠在不同pH值条件下的溶胀行为,发现在酸性环境中水凝胶珠表现出较高的稳定性,其溶胀率低于10%;而在中性至弱碱性条件下,水凝胶珠展示出显著的溶胀性能。这一发现是确保铁元素在胃部酸性环境中避免沉淀,并在肠道中有效释放并被吸收的关键。红外光谱和X射线衍射谱分析结果显示,亲水性相互作用是水凝胶珠形成的主要驱动力。体外模拟消化结果表明,水凝胶珠在胃中发生收缩,铁释放率维持在11.0%～19.0%,负载EYP-Fe的水凝胶珠的铁释放率最低,为11.2%±2.9%。肠道中发生溶胀,铁释放率可达79%以上。因此,水凝胶珠可改善EYP-Fe在胃中的稳定性,具备向肠道环境输送铁的能力。研究希望为提高肽铁螯合物在胃消化过程中的稳定性提供参考,同时为缓解传统补铁剂可能引起的胃肠不适感,以及提升铁元素的吸收效率,指明改进方向。

参考文献：

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Effect of Sodium Alginate/Potato Starch Composite Hydrogel Beads on Gastric Digestion Stability of Yolk Peptide-Iron Chelate

XIANG Cong1, WEI Shuaishuai2, MA Lulu2, LI Shugang2, HUO Jiaying2,*

(1.Guangzhou Technician College, Guangzhou 510410, China;2.School of Food and Biological Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230601, China)

Abstract： The construction of iron loaded hydrogel delivery carrier is an important strategy to solve the gastric digestion stability of peptide-iron chelate. Sodium alginate and potato starch were used as raw materials, and calcium chloride was used as cross-linking agent to prepare hydrogel beads loaded with different iron sources [yolk peptide-iron chelate (EYP-Fe), iron dextran and FeSO4] by external gel method. The results showed that the hydrogel beads prepared with 1.5 g/100 mL sodium alginate and 1.0 g/100 mL potato starch mixed solution had good molding effect and stability, and the encapsulation efficiency for different iron sources could reach more than 84%. The hydrogel beads showed high stability in acid environment, with swelling rate less than 10%. Under neutral to weak alkaline conditions, hydrogel beads showed significant swelling properties. This indicated that iron could prevent precipitation in the stomach and be effectively released and absorbed in the intestine. Infrared spectrum and X-ray diffraction results showed that hydrophilic interaction was the main driving force for the formation of hydrogel beads. The simulated in vitro digestion process indicated that the hydrogel beads contracted in the stomach (29%-31%), and the iron release rate was maintained at 11.0%-19.0%. Among them, the EYP-Fe loaded hydrogel beads exhibited the lowest iron release rate (11.2%±2.9%). During intestinal digestion, hydrogel beads swelled and slowly released encapsulated iron sources, with an iron release rate of more than 79%. Therefore, sodium alginate/potato starch composite hydrogel beads could improve the stability of EYP-Fe in the stomach and had the ability to deliver iron to the intestinal environment. The research aimed to provide theoretical and technical references for the development of new oral iron supplements.

Keywords： peptide-iron chelate; hydrogel beads; acid resistance; delivery carrier; structural characterization; simulated digestion

文章编号：2095-6002(2025)03-0046-11

doi：10.12301/spxb202400550

引用格式：向聪,韦帅帅,马璐璐,等.海藻酸钠/马铃薯淀粉复合水凝胶珠对蛋黄肽铁螯合物胃消化稳定性的影响[J]. 食品科学技术学报,2025,43(3):46-56. XIANG Cong, WEI Shuaishuai, MA Lulu, et al. Effect of sodium alginate/potato starch composite hydrogel beads on gastric digestion stability of yolk peptide-iron chelate[J]. Journal of Food Science and Technology, 2025,43(3):46-56.

中图分类号： TS225.1

文献标志码： A

收稿日期： 2024-08-19

基金项目： 安徽省自然科学基金青年项目(2308085QC111);“十四五”国家重点研发项目(2022YFD2101001);“十四五”国家蛋鸡体系项目(JZ2024GQBK0161);泓星优鹑食品海安有限公司合作项目(W2022JSKF0564);动物源食品绿色制造与资源挖掘安徽省重点实验室重点项目(PA2023GDSK0125);安徽荣达食品有限公司合作项目(W2020JSKF0489)。

Foundation: Project of Youth Fund of Natural Science Foundation of Anhui Province (2308085QC111); 14th Five-Year Plan National Key R&D Program (2022YFD2101001); 14th Five-Year Plan National Laying Hens Industry Technology System Construction Project (JZ2024GQBK0161); Cooperative Projects of Hongxing Youchun Food Hai’an Co. Ltd. (W2022JSKF0564); Project of Key Laboratory for Animal Food Green Manufacturing and Resource Mining of Anhui Province (PA2023GDSK0125); Cooperative Projects of Anhui Rongda Food Co. Ltd. (W2020JSKF0489).

第一作者： 向 聪,女,讲师,硕士,主要从事农产品食品加工与质量安全方面的研究。

*通信作者： 霍嘉颖,女,讲师,博士,主要从事蛋品活性物质开发方面的研究。

(责任编辑：张逸群)