玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的制备及应用研究进展

杨易俗，张 讯，胡楚桓，高志明，曹际娟，杨 楠,*，胡 冰,*

（1.湖北工业大学生物工程与食品学院，湖北省食品胶体国际科技合作基地，湖北 武汉 430068；2.大连民族大学生命科学学院，生物技术与资源利用教育部重点实验室，辽宁 大连 116600）

核壳结构微粒是由不同化学成分的内核材料和外壳材料组装而成的复合颗粒[1]。该结构的颗粒通过整合内核和外壳材料独特的结构特征从而表现出新颖的功能特性[2-3]。核壳结构微粒具有的新颖物理和化学性质使其在材料[4]、医药[5]、生物工程[6]、食品[7-8]等众多领域得到广泛的关注。玉米醇溶蛋白是玉米中天然存在的两亲性蛋白质，具有生物降解性、生物相容性、无毒性、成本低等优点。基于其独特的溶解特性及自组装特性，玉米醇溶蛋白被广泛应用于制备壳核结构微粒[9]。本文通过综述玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的不同制备方法及其功能特性，以期为玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的制备及其在食品领域的应用提供参考。

1 玉米醇溶蛋白概述

1.1 玉米醇溶蛋白的结构

玉米醇溶蛋白是一种来自玉米的储存蛋白，大部分玉米醇溶蛋白存在于玉米胚乳中，少部分分布在玉米胚芽中，其大约占玉米蛋白总量的35%～60%[10]。Argos等通过分析α-玉米醇溶蛋白的重复氨基酸序列单元和分布广泛的α-螺旋（50%～60%）提出玉米醇溶蛋白分子螺旋轮状结构模型[10]。该模型是9个相邻且反方向平行的螺旋通过谷氨酰胺残基联接形成的圆柱形结构，如图1A所示，整个结构通过范德华力及分子间的氢键作用稳定[10]。Matsushima等通过研究发现，α-玉米醇溶蛋白在体积分数70%乙醇溶液中以长度约为13 nm、长径比约为6∶1的不对称粒子形式存在，其提出的模型是11个相邻且反方向平行的螺旋通过上下端的谷氨酸盐桥联接形成的两端亲水，侧面疏水的棱柱状结构[11]，如图1B所示，整个结构也是通过分子间氢键稳定。Wang Qin等认为玉米醇溶蛋白的两亲性与其结构相关，即同时具有由螺旋外表面堆集而成的位于侧面的疏水表面，以及富含谷氨酰胺的位于顶部和底部的亲水表面[12]。

图1 玉米醇溶蛋白结构模型Fig. 1 Zein structure models

1.2 玉米醇溶蛋白的溶解性

玉米醇溶蛋白共由18种氨基酸组成，富含谷氨酰胺（21%～26%）、亮氨酸（约20%）、脯氨酸（约10%）和丙氨酸（约10%），但是缺少酸性氨基酸和碱性氨基酸，特别是赖氨酸和色氨酸[13]。高比例的非极性氨基酸和低比例的碱性、酸性氨基酸导致玉米醇溶蛋白有独特的溶解性：玉米醇溶蛋白不可直接溶解于纯水中，但可溶解于乙醇-水、丙酮-水等二元体系，pH值为11.3～12.7的碱性水溶液，一定浓度的乙酸溶液，高浓度尿素溶液，以及阴离子表面活性剂等溶液[10]。

1.3 玉米醇溶蛋白的自组装特性

自组装过程是指无序结构在没有外加因素的条件下自发形成有序结构的过程[14]。范德华力、疏水相互作用、氢键和静电相互作用是该过程的主要驱动力[15]。通过分析圆二色光谱、透射电子显微镜图像可得到玉米醇溶蛋白蒸发自组装的过程：1）玉米醇溶蛋白溶剂的极性随有机相的蒸发而增大，使玉米醇溶蛋白分子中α-螺旋转为β-折叠；2）由β-折叠两侧的疏水相互作用驱动反方向的β-折叠并排形成一条β-折叠链；3）β-折叠链缓慢卷曲形成圆环；4）圆环层层堆积形成纳米微球颗粒[16]。基于玉米醇溶蛋白独特的自组装特性，可构建多种玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的制备方法，本文将重点介绍几种制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的常用方法。

2 玉米醇溶蛋白核壳结构微粒制备方法

迄今为止，科研人员通过多种方法成功制备了多种具有新颖功能特性的核壳结构微粒。常见的玉米醇溶蛋白核壳结构微粒制备方法包括溶剂蒸发法、喷雾干燥法、化学法、反溶剂沉淀法。

2.1 溶剂蒸发法

溶剂蒸发法是通过旋转蒸发除去乳液中的溶剂，改变体系的极性，进而诱导玉米醇溶蛋白自组装，从而制备核壳结构微粒的方法，制备原理如图2所示。Dai Lei等基于溶剂蒸发法成功制备了可用于稳定Pickering乳液的玉米醇溶蛋白-海藻酸丙二醇钠核壳结构微粒，该颗粒有望成为食品级Pickering乳液的乳液稳定剂[17]。Karthikeyan等基于溶剂蒸发法成功制备得到醋氯芬酸钠-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒。该玉米醇溶蛋白核壳结构微粒延缓了醋氯芬酸钠的释放，从而降低了胃损伤的可能性。这种核壳结构微粒不仅具有预期的止痛效果，而且显著地减缓了非甾体抗炎药引起的胃功能障碍，并且能够通过改变交联剂的浓度控制递送系统的药物释放速率[18]。Wei Yang等基于溶剂蒸发法制备了玉米醇溶蛋白-丙二醇海藻酸钠核壳结构微粒，玉米醇溶蛋白-丙二醇海藻酸钠核壳结构微粒改善了β-胡萝卜素在光、热环境条件下的理化稳定性，实现了β-胡萝卜素的在胃肠环境中的缓慢释放[19]。

图2 溶剂蒸发法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的原理图[17]Fig. 2 Flow chart for the preparation of zein core-shell microparticles by solvent evaporation[17]

2.2 喷雾干燥法

喷雾干燥法是溶剂通过雾化器分散成极细的雾状液滴，雾状液滴与热空气均匀混合后，瞬时进行热质交换使溶剂快速蒸发，从而改变体系的极性，诱导玉米醇溶蛋白自组装，进而制备核壳结构微粒的方法。喷雾干燥法制备原理图如图3所示。Zhong Qixin等基于喷雾干燥法制备了负载百里酚的溶菌酶-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒[20]。该核壳结构微粒可以实现抗菌药物的长期缓释，从而提高抗菌药物对病原微生物和腐败菌的杀菌抑菌效果，有利于延长食品货架期。负载百里酚的溶菌酶-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒大小与玉米醇溶蛋白-百里酚质量比有关（玉米醇溶蛋白-百里酚质量比为50∶1时颗粒最大，质量比为10∶1时颗粒最小）。Xiao Dan等基于喷雾干燥法制备乳酸链球菌素-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，该玉米醇溶蛋白核壳结构微粒可以减少乳酸链球菌素与食品成分之间的相互作用，并提高乳酸链球菌素在食品中的抗菌性能[21]。乳酸链球菌素-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒包封性能与入口温度有关，在入口温度为95 ℃时，对乳酸链球菌素包封性能最好。

图3 喷雾干燥法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的原理图[22]Fig. 3 Schematic illustration of the preparation of zein core-shell microparticles by spray drying method[22]

2.3 化学法

化学法是利用偶联剂将玉米醇溶蛋白分子链上大量可反应的羟基、氨基、羧基等官能团与药物进行化学偶联，从而制备核壳结构微粒的方法，其包括一步法和两步法。在体内酶的作用下，玉米醇溶蛋白核壳结构微粒中玉米醇溶蛋白与荷载药物连接的化学键缓慢断裂，可以实现靶向运输、缓慢释放及提高药物溶解性等目的[23]。Matsuda等分别利用一步法和两步法制备了云芝多糖-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，发现一步法最大载药量为7.5%，而两步法的最大载药量为35.6%，两步法可以大大提高玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的载药量[24]。Suzuki等分别将玉米醇溶蛋白与霉素硫酸盐、盐酸柔红霉素和有丝裂霉素3种抗癌药物进行偶联制备出适合巨噬细胞吞噬作用或化学栓塞的荷载药物的玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，发现玉米醇溶蛋白不仅能与有丝裂霉素等疏水性药物偶联，还可以通过一定的改进方法将玉米醇溶蛋白与盐酸柔红霉素和霉素硫酸盐等亲水性药物偶联[25]。亲水性和疏水性药物都可以采用化学法制备核壳结构微粒，但是有机溶剂和偶联剂的残留会导致毒副作用，甚至会产生有毒或非活性的药物衍生物[26]。工业生产中因为需要除去毒副产物或者衍生物，大大提高了工业生产成本，因此无法基于化学法大规模工业生产玉米醇溶蛋白核壳结构微粒。

2.4 反溶剂沉淀法

反溶剂沉淀法是通过向溶液中加入反溶剂或者将溶液加至反溶剂中诱导溶质溶解度降低，驱动溶质析出从而实现反溶剂沉淀[27-28]。根据用于生产核壳结构微粒的生物聚合物或化合物的性质，需要恰当地选择良溶剂和反溶剂[29]。基于反溶剂沉淀法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的方法包括水反溶剂法、超临界CO2（supercritical CO2，ScCO2）反溶剂法和pH值循环反溶剂法。

2.4.1 水反溶剂法

水反溶剂法是基于玉米醇溶蛋白在乙醇-水二元体系中的溶解特性，以乙醇水溶液作为良溶剂，水作为反溶剂，向玉米醇溶蛋白乙醇水溶液中加入水或者将水加入至玉米醇溶蛋白乙醇水溶液中，降低玉米醇溶蛋白溶解度，诱导其反溶剂沉淀从而制备核壳结构微粒的方法。Chen Jiafeng等基于水反溶剂法制备得到藻油-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，并发现可以通过改变藻油-玉米醇溶蛋白比例控制藻油-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒壳厚。该核壳结构微粒可大大降低脂质氧化的影响，从而实现缓慢释放所包封的香兰素类挥发性亲脂化合物，大大提高所包封的香兰素类挥发性亲脂化合物的生物利用度[30]。Filippidi等通过乙醇水溶液体系基于水反溶剂法制备得到大豆油-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒。该核壳结构微粒有利于实现大豆油在肠道的缓慢释放[31]。McClements发现相比单一亲水、疏水和两亲性材料作为壁材包封食品功能因子制备的核壳结构微粒，采用亲水-疏水核壳结构壁材制备的核内外两壳结构微粒能够通过整合种材料的亲水、疏水特性，达到性能互补和协同增效的作用，从而进一步丰富和增强核壳结构微粒的功能特性，在食品功能因子的荷载-输送特性上能够表现出比单一亲水或疏水壁材核壳结构微粒更强的优势[32]。Hu Bing等基于多糖凝胶网络改进了水反溶剂法，用于制备亲水-疏水核壳结构微粒[33]。亲水-疏水玉米醇溶蛋白核壳结构微粒水反溶剂法制备步骤如下：1）海藻酸钠、卡拉胶或琼脂等多糖溶液乳化形成油包水乳液；2）固化诱导多糖形成凝胶；3）将凝胶颗粒加入至玉米醇溶蛋白水-乙醇溶液；4）离心过滤洗涤回收微粒。基于多糖凝胶网络的水反溶剂法制备亲水-疏水玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的原理如图4所示，多糖胶体颗粒通过凝胶网络自限反溶剂法与玉米醇溶蛋白溶液进行交互，可在短时间内利用渗透压的原理将溶液中的玉米醇溶蛋白析出并均匀地自组装在胶体颗粒表面，直至内外相乙醇浓度达到一致，从而在多糖凝胶颗粒表面形成一层均匀、致密的玉米醇溶蛋白外壳。研究表明，包封了玉米醇溶蛋白外壳的微粒相较水凝胶微粒具有更优良的抗吸水能力、阻湿性及韧性。

图4 基于多糖凝胶网络的水反溶剂法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的原理[33]Fig. 4 Preparation of zein core-shell microparticles by water anti-solvent method based on polysaccharide gel network[33]

2.4.2 超临界CO2反溶剂法

ScCO2反溶剂法是通过利用ScCO2与溶剂互溶，而溶质不溶于ScCO2的溶解特性，ScCO2迅速带走溶液中的溶剂，降低玉米醇溶蛋白溶解度，诱导玉米醇溶蛋白反溶剂沉淀从而制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的方法[34]。ScCO2反溶剂法的装置制备原理如图5所示[35]。核壳结构微粒形态、平均粒径、载药量和包封率可以通过改变ScCO2反溶剂法的工艺参数（压力、温度、内核材料/外壳材料的比例和溶液流速）进行调控。较低的温度和较低的溶液流速以及较高的压力有利于形成粒径较小、形状规则的球体，合适的内核材料/外壳材料比例有利于提高核壳结构微粒的载药量和包封率。Hu Daode等基于ScCO2反溶剂法制备了叶黄素-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，研究发现在压力10 MPa、温度45 ℃、溶液流速1.0 mL/min、叶黄素/玉米醇溶蛋白质量比1∶18的条件下制得的玉米醇溶蛋白核壳结构微粒具有较高的载药率和包封率，并且实现了叶黄素的缓慢释放[36]。Zhong Qixin等基于ScCO2反溶剂法制备溶菌酶-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，研究发现在pH值为7～8的中性条件和加入NaCl的离子条件下所制备得到的溶菌酶-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒能实现溶菌酶的长期持续释放[37]。

图5 ScCO2反溶剂法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的装置原理图[35]Fig. 5 Preparation of zein core-shell microparticles by supercritical CO2 anti-solvent method[35]

2.4.3 pH值循环反溶剂法

pH值循环反溶剂法是基于玉米醇溶蛋白在碱性水溶液（pH 11.3～12.7）中的溶解特性，以pH 12的碱性溶液作为良溶剂，酸性溶液作为反溶剂，向玉米醇溶蛋白碱性溶液中加入酸性溶剂，降低玉米醇溶蛋白溶解度，诱导其反溶剂沉淀从而制备核壳结构微粒的方法[38]。Pan Kang等通过HCl酸化的pH值循环法制备了玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，但在酸化过程中由于氢离子分散不均匀导致蛋白质颗粒发生了聚集[39]。D-葡萄糖酸-δ-内酯（glucono-dalta-lactone，GDL）在水解过程中缓慢释放葡萄糖酸从而逐渐降低溶液pH值，Sun Cuixia等利用GDL酸化改进了pH值循环法（图6），研究表明，采用GDL酸化法所制备的玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸钠核壳结构微粒比采用HCl酸化法所制备的玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸钠核壳结构微粒粒径更小、分布更均匀[40]。Sun Cuixia等利用GDL酸化制备了玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸钠-海藻酸丙二醇酯三元核壳结构微粒，研究发现该核壳结构微粒可用于稳定含油量为80%的高内相Pickering乳液[41]。

图6 pH值循环法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒原理示意图[40]Fig. 6 Preparation of zein core-shell microparticles by pH cycle method[40]

玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的制备方法及其优缺点总结如表1所示。

表1 玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的制备方法Table 1 Comparison of preparation methods of zein core-shell microparticles

3 玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的应用

3.1 生物活性物质的递送

生物活性物质如姜黄素、槲皮素以及白藜芦醇因具有较好的抗氧化性以及提高人体免疫力的功能特性而受到广泛关注，但容易被环境因素（光、热辐射）或机体因素（pH值或酶）影响从而降解并导致其生物利用度降低，因此其在食品领域的应用受到限制[15]。采用玉米醇溶蛋白核壳结构微粒封装技术能有效避免这些问题[42]。Hu Bing等制备了海藻酸钠-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒，通过该微粒致密的玉米醇溶蛋白壳层及海藻酸钠凝胶结构保护内部的功能因子，避免其受到胃酸等身体因素的影响，并且通过改变壳层厚度和凝胶网络强度还能够控制其缓释时间。此外，该核壳结构微粒还被认为具有一定能力保护挥发性食品功能因子免受环境因素影响，对其进行控制释放及活性保护[33]。Chen Shuai等制备了透明质酸-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒用于递送姜黄素，该微粒能很好地保护姜黄素免受环境因素影响，使姜黄素表现出较好的抗光降解稳定性，并且可以实现姜黄素在模拟胃肠的消化实验中的缓慢释放，大大提高了姜黄素的生物利用度[43]。基于玉米醇溶蛋白核壳结构微粒对疏水性的生物活性物质有增溶和保护作用，Dai Lei等发现鼠李糖脂-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒能显著提高对姜黄素的包封率，使其由17.64%提高到98.48%。并且加入鼠李糖脂后，姜黄素能更好地免受环境因素影响，热稳定性和紫外辐射稳定性也得到了提高[44]。玉米醇溶蛋白核壳结构微粒在生物医药方面的应用如表2所示。通过玉米醇溶蛋白核壳结构微粒递送生物活性物质，能够有效避免生物活性物质受到环境因素（光、热辐射）或机体因素（pH值或酶）的影响而降解，从而显著提高生物活性物质的理化稳定性和生物利用度，并且核壳结构微粒对疏水性的生物活性物质有增溶和保护作用，使生物活性物质在食品领域的应用潜力得到了大幅度的开发。

表2 玉米醇溶蛋白核壳结构微粒在生物医药方面的应用[16]Table 2 Application of zein core-shell microparticles in biomedicine[16]

3.2 乳液稳定剂

Pickering乳液是由固体颗粒代替表面活性剂形成的稳定乳液体系，由于其固体颗粒从界面上解吸需要大量能量导致该乳液体系能保持长期稳定。生物来源的固体颗粒因为选择性广、安全性高、生物相容性好等优势，近年来已成为Pickering乳液颗粒乳化剂的研究热点。玉米醇溶蛋白核壳结构微粒由于其较好的乳化性和较强的贮存稳定性以及良好的生物相容性而被广泛应用于稳定Pickering乳液[38]。Wang Lijuan等制得的壳聚糖-玉米醇溶蛋白核壳结构微粒能显著提高Pickering乳液稳定性，可使Pickering乳液在常温状态下保持9个月以上的稳定状态[49]。Dai Lei等发现玉米醇溶蛋白-阿拉伯胶核壳结构微粒吸附在油滴表面形成稳定的界面结构，防止了油滴聚结和奥斯瓦尔德熟化，有利于稳定Pickering乳液[50]。Soltani等发现玉米醇溶蛋白-甜菜果胶核壳结构微粒增强了空间位阻和疏水作用，明显提高了Pickering乳液的稳定性[51]。Feng Yiming等发现玉米醇溶蛋白-酪蛋白酸钠核壳结构微粒也可用于稳定Pickering乳液，并且该核壳结构微粒在较宽的pH值范围内和一定的离子强度下具有更高的稳定性[52]。玉米醇溶蛋白核壳结构微粒可作为乳液稳定剂用于稳定Pickering乳液，并在食品行业有着广阔的应用前景。

3.3 静电纺丝技术领域的应用

静电纺丝法制备的核壳结构纳米纤维有较强透气性、较大比表面积及柔韧性，玉米醇溶蛋白核壳结构在静电纺丝法制作纳米纤维领域有着广阔的应用前景。张浩等利用静电纺丝法制备了玉米醇溶蛋白-聚环氧己烷壳核结构纳米纤维，发现玉米醇溶蛋白-聚环氧己烷壳纳米纤维的热稳定性、拉伸强度和黏附性均比单一玉米醇溶蛋白所制得的纳米纤维强，能适用于更广泛的负载要求[53]。李娟等发现利用静电纺丝法制备的负载蛋百里香酚的玉米醇溶蛋白-阿拉伯胶核壳结构纳米纤维水蒸气透过性、疏水稳定性良好；同时玉米醇溶蛋白-阿拉伯胶核壳结构微粒还对功能因子有很好的保护作用，可以实现对百里香酚的缓慢释放，提高其生物利用率[54]。通过静电纺丝法制备的玉米醇溶蛋白核壳结构纳米纤维材料有利于提高纤维水蒸气透过性、疏水稳定性、热稳定性、拉伸强度等多种性能，并能实现对百里香酚等疏水物质的缓慢释放，提高其生物利用率，在生物医药行业有广泛的应用前景。

4 结 语

基于玉米醇溶蛋白在不同溶剂体系的溶解特性和自组装特性，可采用多种方法制备玉米醇溶蛋白核壳结构微粒。如在55%～90%的乙醇-水二元体系中，常采用溶剂蒸发法、喷雾干燥法、化学法、水反溶剂法以及ScCO2反溶剂法；在pH 11.3～12.7的碱性水溶液体系中，可采用pH值循环反溶剂法。但目前玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的制备方法应用于工业生产都具有一定限制，根据用于生产玉米醇溶蛋白核壳结构微粒的生物聚合物或化合物的性质，需要选用特定的方法进行制备。玉米醇溶蛋白还可以溶解于一定浓度的乙酸溶液以及高浓度尿素溶液，依据其溶解特性，可构建新的适用性更广的玉米醇溶蛋白核壳结构微粒制备方法。

玉米醇溶蛋白核壳结构微粒不仅能显著提高生物活性物质的理化稳定性及生物利用度，还可以作为乳液稳定剂用于制备高内相Pickering乳液，并且通过静电纺丝技术制备核壳结构纳米纤维可以提高纤维水蒸气透过性、疏水稳定性、热稳定性及拉伸强度等多种性能，因此玉米醇溶蛋白核壳结构微粒在食品工业和医药领域具有广泛的应用前景。未来还需要系统、深入地探究核壳结构微粒提高生物活性物质理化稳定性的作用机制，同时需要阐明利用玉米醇溶蛋白核壳结构微粒形成的高内相Pickering乳液的稳定机理，最后还需要深入探究核壳结构纳米纤维良好性能的构效关系，为玉米醇溶蛋白核壳结构微粒在食品工业中的应用提供理论基础。