β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒制备工艺优化

    随兰多 王煜 鲍献杰 黄兰兰 叶贝 李妍

    

    

    

    摘 要：以β-胡萝卜素为试验材料，通过离子交联法构建β-胡萝卜素纳米粒，在不同药载比、温度、pH下研究其载药率和包封率的变化趋势，并对其进行优化设计。结果表明：β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的载药性能最佳工艺条件为药载比6∶1、温度30℃、pH 5，在此条件下包封率为61.74%，载药率16.42%。由此可见，通过离子交联法构建β-胡萝卜素纳米粒具有良好的包封率和载药率。

    关键词：β-胡萝卜素;壳聚糖;纳米粒;载药性能

    中图分类号 TS264.4文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）11-0137-04

    Optimization the Preparation of β-Carotene-Chitosan Nanoparticles

    SUI Landuo et al.

    （College of Food and Bioengineering， Bengbu University， Bengbu 233030， China）

    Abstract： In this experiment ，β-Carotene were constructed by ion crosslinking method to study their drug loading and encapsulation efficiency under different drug loading ratio， temperature and pH. The results showed that the best technological conditions for β-Carotene chitosan nanoparticles： the drug loading ratio was 6∶1， the temperature was 30℃， the pH was 5， the encapsulation efficiency was 61.74% and the drug loading was 16.42%. The experiment results showed that β-carotene chitosan nanoparticles were stable and the drug loading was good.

    Key words： β-Carotene; Chitosan; Nanoparticles; Drug loading properties

    類胡萝卜素是一种天然色素，普遍存在于不同颜色的花卉、蔬菜、水果中，具有抗癌、降血压、提高免疫力、抗氧化、延缓衰老等保健功效[1]。新鲜的水果和蔬菜富含大量的类胡萝卜素，是人们获取类胡萝卜素的主要来源，但通过饮食摄取的类胡萝卜素生物利用度不到5%[2]。食品中的类胡萝卜素极其不稳定，易被氧化，且主要以结合蛋白的形式存在于叶绿体或色细胞等结构中[3]，经过一系列的反应释放至消化系统中，然后才能被人体利用。因此，改变类胡萝卜素的摄取途径，提高类胡萝卜素的生物利用度是目前重要的研究课题。壳聚糖（chitosan，CS）是一种天然的阳离子聚合物，自然界中来源丰富。其结构中有多个活性官能团可改性修饰，便于制成多种药物递送系统和组织工程支架，在生物医药领域应用广泛[4]。另外，壳聚糖具有生物降解性、生物相容性、无毒性、增强免疫等多种生物功能，是良好的药物载体材料[5]。纳米技术是指在更小分子（如原子等）水平上的研究、制造并利用纳米材料（尺寸在1000nm以内）的技术，在医药领域利用其分子结构小的特点，使许多生物活性物质可以利用纳米技术来递送[6]。.纳米粒作为类胡萝卜素的载体，在提高其生物利用度的同时，还能增加其在体内的稳定性。同时，纳米粒技术能有效调节药物释放时间，尤其在药物制剂领域，具有改善难溶性药物溶解度、改善药物稳定性等优点[7]。为此，笔者采用离子交联法构建β-胡萝卜素纳米粒，确定最优的制备方案，以β-胡萝卜素纳米粒的包封率和载药率为考察指标，为β-胡萝卜素的应用提供新思路。

    1 材料与方法

    1.1 材料与试剂 β-胡萝卜素（AR，上海源叶生物科技有限公司）;壳聚糖盐酸盐（食品级，山东优索化工科技有限公司）;壳聚糖（生化试剂，上海凯尔生物技术有限公司）;三聚磷酸钠（食品级，湖北兴发化工集团有限公司）;甘油、盐酸、三氯甲烷，吐温80、氢氧化钠、无水氯化钙（均为分析纯）;一级纯化水（实验室自制）。

    1.2 仪器与设备 TU-1901双光束紫外可见光分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）;085-2A数显恒温测速磁力搅拌器（金坛市白塔新宝仪仪器厂）;DW-FL90冰箱（上海子卓仪器有限公司）;HH-4数显恒温水浴锅（常州普天仪器制造有限公司）;FA214电子天平（上海海康电子仪器厂）;H4-20KR高速冷冻离心机（安徽中华中佳科学仪器有限公司）。

    1.3 试验方法

    1.3.1 工艺流程 绘制β-胡萝卜素标准曲线→壳聚糖纳米粒的制备→β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的制备→包封率与载药率的计算→制备工艺单因素考察→响应面法优化工艺条件→β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒质量评价。

    1.3.2 标准曲线的建立 由文献得知，β-胡萝卜素在波长455nm附近有吸收峰。准确称取0.05g的β-胡萝卜素用三氯甲烷溶解，并用三氯甲烷定容至500mL。移取2、4、6、8、10mL的溶液，三氯甲烷定容至10mL。依照上述操作可得0.02、0.04、0.06、0.08、0.10mg/mL的β-胡萝卜素。然后在波长455nm处测定吸光度（三氯甲烷为空白对照），绘制线性回归方程：y=0.0138x+0.0150，R2=0.9982（图1）。

    1.3.3 β-胡萝卜素纳米粒的制备 壳聚糖-多聚磷酸盐纳米粒的制备：采用纳米复合技术制备纳米粒，即壳聚糖（CS）与多聚磷酸钠（TPP）之间发生离子交联反应：1mg/mL CS溶解于1%醋酸溶液→缓慢滴加10mol/L氢氧化钠溶液，调节溶液pH为5→逐滴加入TPP溶液使CS/TPP质量比为5∶1，搅拌30min→获得CS-TPP纳米溶液。β-胡萝卜素纳米粒的制备：称取不同质量的β-胡萝卜素溶解于三氯甲烷中，转速为600r/min，加入至CS-TPP纳米溶液控制1d/s，滴加结束后向混合溶液中加入约占混合溶液总体积的2%的吐温80，搅拌1.5h可得β-胡萝卜素纳米粒溶液。

    1.3.4 包封率和载药率的计算 （1）空白壳聚糖纳米粒吸光度的测定：控制药载比为1∶2、1∶4、1∶6、1∶8、1∶10，pH为3、4、5、6、7，温度为20、25、30、35、40℃，制备空白壳聚糖纳米粒。移取2mL空白壳聚糖纳米粒溶液用甲醇定容至10mL，静置3h后，以甲醇为对照，在波长455nm处测吸光度。（2）β-胡萝卜素纳米粒吸光度的测定：保持600r/min搅拌1h后，移取2mL β-胡萝卜素纳米粒分别用甲醇和三氯甲烷定容至10mL，静置2h后，在波长455nm处测吸光度。（3）离心后β-胡萝卜素纳米粒吸光度的测定：向离心管中加入β-胡萝卜素纳米粒溶液，调节高速离心机温度为5℃，转速为9000r/min，离心30min。取上清液2mL用三氯甲烷定容至10mL，静置2h后在波长455nm处测吸光度。

    包封率=[M1-M0M1]

    载药率=[M1-M0M2]

    式中：M1为β-胡萝卜素纳米粒的总量;M2为壳聚糖纳米粒的总量;M0为游离的β-胡萝卜素纳米粒的总量。

    1.3.5 单因素试验 （1）反应温度。磁力搅拌处理时间：1.5h;，搅拌速度：600r/min;加入反应液总体积2%的吐温80;改变磁力搅拌温度：20、25、30、35、40℃;在反应pH为5，β-胡萝卜素∶壳聚糖（M∶M）=4∶1的条件下，根据1.3.3节方法制备β-胡萝卜素纳米粒并测定吸光度，计算载药率和包封率，平行3次。

    （2）药载比。磁力搅拌处理时间：1.5h;搅拌速度：600r/min;加入反应液总体积2%的吐温80;改变β-胡萝卜素∶壳聚糖（M∶M）=2∶1、4∶1、6∶1、8∶1、10∶1;在反应pH5，搅拌温度25℃的条件下，根据1.3.3节方法制备β-胡萝卜素纳米粒，并测定吸光度、计算载药率和包封率，平行3次。

    （3）反应pH。磁力搅拌处理时间：1.5h;搅拌速度：600r/min;加入反应液总体积2%的吐温80;改变反应pH：3、4、5、6、7;在β-胡萝卜素∶壳聚糖（M∶M）=4∶1，搅拌温度为25℃条件下，根据1.3.3节方法制备β-胡萝卜素纳米粒，并测定吸光度，计算载药率和包封率，平行3次。

    1.3.6 响应面法优化提取工艺 根据单因素试验结果得出温度、pH、药载比对纳米粒的包封率影响较为明显，采取Box-benhnken设计[9]试验，以温度、pH、药载比作为自变量，以β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的包封率与载药率为试验结果，表1为试验因素水平编码。

    1.3.6 验证试验 通过分析响应面优化试验数据，得出β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的最佳制备条件，并重复3次，取3次平均值与模型预测的理论值进行比较。

    2 结果与分析

    2.1 单因素试验

    2.1.1 pH 保持药载比与温度为不变量，控制pH为单因素变量，得到在不同pH下β-胡萝卜素纳米粒的包封率与载药率的变化情况。由图2可知，包封率与载药率随pH的不断增大表现先上升后下降的变化趋势，pH=5时包封率和载药率达到最大。根据库仑定律，判断pH=5时粒子之间的吸引力最强，对纳米粒形成和稳定最有利[8]，有利于β-胡萝卜素和壳聚糖发生离子交联，随着pH的增大，交联聚合物表面的电荷降低。在pH=5时没有发生电荷翻转，粒径也变化不大[9]。

    2.1.2 温度 保持药载比与pH为不变量，控制温度为单因素变量，得到在不同温度下β-胡萝卜素纳米粒的包封率与载药率的变化情况。由图3可知，温度在25～35℃时，包封率和载药率均呈现明显的上升态势，温度为35℃时包封率和载药率均达到最高;当温度大于35℃时，包封率和载药率又表现下降趋势。这可能是由于随着温度的上升，壳聚糖分子热运动增加，相互碰撞和凝聚作用增大[10]，此时形成的纳米粒子稳定性升高，但温度的持续升高破坏了纳米粒载体结构，达到了纳米粒的沉积温度，使得纳米粒聚集[11]，不利用纳米粒的载药与释药。

    2.1.3 药载比 保持温度与pH为不变量，控制药载比为单因素变量，得到在不同药载比下β-胡萝卜素纳米粒的包封率与载药率的变化情况。由图4可知，当药载比（X∶1）不断增大时，β-胡萝卜素纳米粒的包封率也不断增大，当药载比=6时包封率达到最大值，此后包封率随药载比的不断增大呈下降趋势。在此过程中，小部分纳米粒开始聚集，逐渐形成大颗粒[12]，即此时的纳米粒载体仍能继续包裹与负载药物[13]，但当药载比=6，达到了纳米粒载体的最大限度，继续增大药物的量，包封率與载药率则不再继续增大，反而出现下降趋势。由于溶液剩余的药物未被纳米粒载体包裹与负载，使得药物不断聚集[14]，降低了纳米粒载体的稳定性，从而使得包封率与载药率下降。

    2.2 响应面法设计及结果 根据单因素试验结果，利用响应面软件Box-Behnken试验原理设计，以温度、药载比、pH为自由变量，以β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的包封率和载药率为响应值（表2）。采用Design Expert 8.0.6，对表2数据进行二次多元回归拟合，得出β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的包封率和载药率二次回归方程∶Y=20.10+0.15A-0.47B+0.33C-0.14AB+0.12AC-0.055BC-3.79A2+0.88B2-2.50C2。

    由表3得出，A、B、C 3个因素对模型作用结果大小为B>C>A，该回归模型极为显著（Pr>F小于0.01）模型失拟项P=0.110>0.05，失拟不显著，表明该模型的建立和试验数据的模拟程度一般。利用软件Box-Behnken得出β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒制备的最佳工艺参数为温度30℃、药载比6∶1、pH 5。在最优制备工艺条件下，β-胡萝卜素壳聚糖纳米粒的包封率为61.74%，载药率为16.42%。

    采用SPSS统计学软件对pH、温度、药载比进行单因素分析，所有试验结果均以X±s表示，各试验组采用LSD验算，P≤0.05，具有统计学意义。

    2.3 优化试验结果 当反应体系温度为30℃、药载比为6∶1、pH为5时为最优反应条件。对其进行优化，如表4所示。

    3 结论与讨论

    采用离子交联法构建β-胡萝卜素纳米粒，以反应体系温度、药载比、反应体系的pH为单因素进行试验，得出3个单因素对β-胡萝卜素纳米粒的包封率与载药率的影响。结果表明：β-胡萝卜素纳米粒的最佳工艺为反应体系温度30℃、药载比6∶1、反应体系pH5，在此条件下进行优化试验得到包封率为66.49%，载药率为20.10%，相对误差为1.6%。本试验建立的β-胡萝卜素纳米粒制备方法，包封率和载药率较好，条件稳定可靠。

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    （责编：徐世红）