一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维、制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维、制备方法及应用 (Composite nanofiber loaded with lycopene based on electrostatic spinning, and preparation method and application thereof ) 是由 陈蕾 蒋云 陈程 向明 郭桂圆 陈彦 张文娜 于 2021-01-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维、制备方法及应用,制备金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体,制备负载番茄红素的纺丝纳米乳液,制备基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维。本发明的基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维具有较高的载药量与包封率,并且具有大的比表面积、孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优良特性。能够有效增强番茄红素的稳定性,并且能够控制释放番茄红素,让更多的番茄红素进入小肠被人体吸收,提高番茄红素的吸收和利用率,而且载体均为天然材料,对人体器官无毒副作用。(The invention discloses a composite nanofiber loaded with lycopene based on electrostatic spinning, a preparation method and application thereof. The composite nanofiber based on the electrostatic spinning and loaded with the lycopene has high drug loading capacity and encapsulation efficiency, and has the excellent characteristics of large specific surface area, small pore diameter, high porosity, good fiber uniformity and the like. The stability of the lycopene can be effectively enhanced, the lycopene can be controlled and released, more lycopene enters small intestine and is absorbed by human body, the absorption and utilization rate of the lycopene are improved, and the carrier is made of natural materials and has no toxic or side effect on human body organs.)
技术领域
本发明涉及一种食品加工技术，尤其涉及的是一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维、制备方法及应用。
背景技术
番茄红素是种类胡萝卜素，具有多种生理活性，是良好的抗氧化剂及自由基清除剂，且其清除自由基的功效远胜于其他的类胡萝卜素和维生素E在食品和医药领域的发展前景十分可观。番茄红素分子结构中含有多个共轭双键，导致其具有较强的疏水性，而且稳定性较差。当人体口服摄入番茄红素后，番茄红素在肠胃滞留时间短、释放速度快，造成其体内运输效率低、吸收性差、生物利用度低，在各种食品中的直接应用十分有限。
目前，国内外大多通过大分子载体来构建番茄红素运载体系，实现对其的负载与控制释放。如利用一些大分子食品原料，大豆分离蛋白、明胶等，作为载体，制备微胶囊、纳米乳状液和纳米脂质体等对番茄红素进行包埋和装载，实现番茄红素在体内的运输。但是，这些运载体系存在很多不足之处，如环境条件对载体系统的稳定性影响较大，溶液体系容易分散而形成聚沉现象，在体内造成番茄红素的快速释放(突释)而不利于其吸收和利用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：如何提高番茄红素的运载稳定性，提供了一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维、制备方法及应用。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体
将质量分数均为1％的金福菇多糖和乳清分离蛋白水溶液置入容器中，以9:1、7:1、5:1、3:1、1:1、1:3、1:5的比例混合，超声振荡溶解得到混合液，得到金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体，保存备用；
(2)制备负载番茄红素的纺丝纳米乳液
称取不同质量的番茄红素加入玉米油中，搅拌至完全溶解，制成质量分数分别为0.2％、1％、2％的番茄红素油溶液。
向上述的金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体中加入质量比0.2％、1％、2％的番茄红素油溶液，用均质机混合均匀，得到负载番茄红素的纺丝纳米乳液；
(3)制备基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维
分别将的负载番茄红素的纺丝纳米乳液加入质量浓度10％的聚乙烯醇(PVA)，通过静电纺丝技术得到复合纳米纤维。
所述金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体、负载番茄红素的纺丝纳米乳液在4℃保存。
所述步骤(3)中的制得的复合纳米纤维放置于锡箔纸内，干燥避光保存。
所述静电纺丝工艺为：电压为16kv，喷射距离14cm，溶液推进速度为0.42mL/h。
所述一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的制备方法制得的负载番茄红素的复合纳米纤维。
所述复合纳米纤维对番茄红素的包埋率为79.38％～98.69％。
所述复合纳米纤维在模拟胃肠液中的最终累积释放率达到78.29％。
所述番茄红素在复合运载体上的负载率为4.38％。
一种所述的负载番茄红素的复合纳米纤维在制备食品中的应用。
静电纺丝作为一种简单通用、操作方式温和的纳米纤维制备方法，可以从聚合物中获得连续的纳米纤维，形态较细，具有较高的比表面积和体积比、较高的孔隙率。通过改变纺丝溶液的组成及纺丝工艺参数来调整纤维的结构，可应用于功能活性物质的包埋和靶向运输，实现物质的控制释放。而且，由于在静电纺丝过程中高压电场力的牵伸作用和溶剂的迅速挥发，使得电纺纤维中形成了独特的分子链聚集态结构，因此电纺纤维内部多尺度结构如分子链结构(分子链的柔韧性、构象等)和聚集态结构(尺寸、相互作用等)可能对包埋的脂溶性营养素的稳定性和生物利用度有一定影响。
制备的负载番茄红素的纳米纤维稳定均一，对番茄红素的释放效果好，提高番茄红素的利用率及稳定性。
本发明所述的基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维是一个将番茄红素包埋在运载体内并运用静电纺丝技术制成的稳定、均一的复合纳米纤维。
负载番茄红素形成的纳米载体乳液进行静电纺丝，从而提高番茄红素的吸收效率和生物利用率。番茄红素稳定性决定了其生物利用度的高低。对于纳米纤维来说，通过肠道内集合淋巴结的吸收机制被认为是主要的吸收途径。纳米纤维能够增强与肠道表皮细胞的相互作用，使番茄红素能够穿越上皮细胞而直接被肠道细胞吸收。因此本发明所述的基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维能够提高番茄红素的吸收和利用率。
本发明所述的基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维能够显著提高番茄红素的热稳定性。
本发明的基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维，复合运载体采用天然的多糖和蛋白作为载体，无毒副作用。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维具有较高的载药量与包封率，并且具有大的比表面积、孔径小、孔隙率高、纤维均一性好等优良特性。能够有效增强番茄红素的稳定性，并且能够控制释放番茄红素，让更多的番茄红素进入小肠被人体吸收，提高番茄红素的吸收和利用率，而且载体均为天然材料，对人体器官无毒副作用。
附图说明
图1是实施例1的不同浓度的纳米乳液制备得到的复合纳米纤维的扫描电镜图；
图2是实施例1的番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纺丝纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的红外光谱图；
图3是实施例1的番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纺丝纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的X射线衍射光谱；
图4是实施例2的番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纺丝纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的热重分析图；
图5是实施例2的番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纺丝纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的差示扫描量热法(DSC)热流图谱；
图6是实施例2的所述的负载番茄红素的纳米载体DPPH自由基清除能力的测定。
图7是实施例2的所述的负载番茄红素的纳米载体ABTS自由基清除能力的测定。
图8是实施例2的所述的负载番茄红素的纳米载体在模拟胃肠液中的释放率。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
1、本实施例的复合纳米纤维制备方法如下：
(1)配制质量比不同的金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体：
取2个烧杯分别编号为1#、2#，向1#烧杯中加入1g乳清分离蛋白、99g的去离子水，向2#烧杯中加入202mg的金福菇多糖、20g去离子水。制成质量分数均为1％的乳清分离蛋白溶液和金福菇多糖溶液。
取7个烧杯分别编号为3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#，向3#～9#烧杯中分别加入9mL、7mL、5mL、3mL、1mL、1mL、1mL的1％的乳清分离蛋白溶液，再向3#～9#烧杯内依次加入1mL、1mL、1mL、1mL、1mL、3mL、5mL金福菇多糖溶液，分别混合均匀，超声振荡溶解，得到3#～9#果胶/乳清分离蛋白复合运载体，保存于4℃冰箱备用，3#～9#复合运载体中乳清分离蛋白与金福菇多糖的质量比分别为9:1、7:1、5:1、3:1、1:1、1:3、1:5。
(2)确定金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体中金福菇多糖与乳清分离蛋白的质量比，以及确定番茄红素的负载率：
负载率是指制备负载番茄红素的纳米载体过程中，向复合运载体提供的番茄红素的总质量，在负载率相同的条件下，复合运载体对番茄红素的包埋率是考核负载番茄红素的纳米载体性能的重要指标之一，因此在本实施例中，依据金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体对番茄红素的包埋率，确定复合运载体中金福菇多糖/乳清分离蛋白的比例以及番茄红素的负载率。
取21个烧杯分别编号为10#～30#，每7个一组，按顺序将复合运载体分别放入3组烧杯中，然后10#～16#烧杯中加入质量分数为0.2％的番茄红素油溶液，17#～23#烧杯中加入质量分数为1％的番茄红素油溶液，24#～30#烧杯加入质量分数为2％的番茄红素油溶液，分别用高速均质机10000r/min，均质5min，得到负载番茄红素的粗乳液，再用高压均质机在110MPa下循环均质3次，制备得到负载番茄红素的O/W乳液。
然后分别对10#～30#负载番茄红素的纳米载体作如下处理：
首先在6000r/min、4℃下离心5分钟，弃去水，然后向过滤物中加入乙酸乙酯，在6000r/min、4℃下离心5分钟，取上清液，然后重复加乙酸乙酯和收集上清液过程3次，将上清液置于容量瓶中定容，测上清液的吸光度。根据吸光度分别计算5#～20#负载番茄红素的纳米载体对番茄红素的包埋率，结果见表1。
包埋率计算公式为：
其中，
x：包埋率；
m：加入到果胶/乳清分离蛋白复合运载体中番茄红素的总质量；
A：471nm下样品吸光度均值；
V：上清液定容后总体积。
表1、10#～30#负载番茄红素的纳米载体对番茄红素的包埋率
由表1结果可知，当番茄红素的质量分数为0.2％，金福菇多糖、乳清分离蛋白的质量比为3：1时的纳米载体中，复合运载体对番茄红素的包埋率最高为98.21％，此时负载率为1.92％。当番茄红素的质量分数为1％，金福菇多糖、乳清分离蛋白的质量比为1：1时的纳米载体中，复合运载体对番茄红素的包埋率最高为85.36％，此时负载率为7.7％。当番茄红素的质量分数为2％，金福菇多糖、乳清分离蛋白的质量比为5：1时的纳米载体中，复合运载体对番茄红素的包埋率最高为77.29％，此时负载率为15.4％。
(3)制备负载番茄红素的纳米纤维：
首先制备金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体：
按照质量比为5：1将乳清分离蛋白溶液和金福菇多糖溶液置入容器中混合，超声振荡溶解得到混合液，，得到金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体，保存备用；
然后制备负载番茄红素的纺丝纳米乳液：
向金福菇多糖/乳清分离蛋白复合运载体中加入2％的番茄红素油溶液，均质机均质后得到负载番茄红素的纺丝纳米乳液。
最后制备基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维：
分别将1％、3％、5％、10％和20％的纺丝纳米乳液加入10％PVA，将制备好的纺丝纳米乳液，利用静电纺丝机在电压为16kv，喷射距离14cm，溶液推进速度为0.42mL/h的条件下，通过静电纺丝技术得到复合纳米纤维。
2、实验结果分析
(1)利用扫描电子显微镜观察制成的复合纳米纤维的微观结构。
图1为在电压为16kv，喷射距离14cm，溶液推进速度为0.42mL/h的条件下，不同浓度(图1a 1％、图1b3％、图1c 5％、图1d 10％和图1e 20％)的纳米乳液加入10％的聚乙烯醇，通过静电纺丝得到的纳米纤维。
当1％、3％和20％的纳米乳液加入10％的聚乙烯醇时，通过静电纺丝得到的纤维(图1a、b、e)光滑连续，均一纤长，无珠结，形貌良好。
(2)采用红外光谱测定番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维这几种物质的特征。
如图2可知，在番茄红素红外谱图中，3432cm-1是番茄红素用KBr压片时含有水蒸气的特征吸收峰，3036cm-1是＝C－H伸缩振动吸收峰，2973cm-1是不对称甲基振动吸收峰，2850cm-1处峰为甲基和亚甲基的伸缩振动峰，这说明有甲基、亚甲基的存在，1630cm-1处的峰是由C＝C的伸缩振动产生，1380cm-1处的峰是由甲基的弯曲振动产生，960cm-1是反式单烯双取代的R1HC＝CR2H(反式)摇摆振动吸收峰。在负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液红外谱图中，番茄红素的特征吸收峰减弱或者消失，说明其已经被包含在乳清分离蛋白/金福菇多糖中。在PVA红外谱图中，位于3365cm-1和2936cm-1处的吸收峰分别对应-OH伸缩振动和对称的-CH2振动，在1096cm-1，916cm-1和831cm-1处的吸收峰分别是C-O-C的伸缩振动峰、-CH2的弯曲振动峰和C-C振动峰。负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维的红外谱图中包含PVA的特征峰，另外，由于金福菇多糖同聚乙烯醇彼此之间形成更多的氢键，使得负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维中的-OH伸缩振动峰向低波数移动。
(3)采用X射线衍射光谱测定负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液、PVA、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维这几种物质的特征。
如图3可知，番茄红素在2θ分别为5.4°，24.7°，29.7°时，具有显著的特征峰，说明番茄红素具有晶体性质。负载番茄红素的纳米颗粒和负载番茄红素的纳米纤维都没有明显的尖峰，没有呈现番茄红素的特征峰，表明番茄红素已经被包埋变得无定形化，分散在纳米纤维中。
实施例2
本发明所述的一种基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维的性能测定
1、采用热重分析(TGA)对番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维进行性能测定。
如图4所示，PVA在200℃前有一个相对平缓的重量下降，这是由于水分的蒸发，在227℃附件有一个很急剧的失重区域是由于PVA的热降解，第三次失重在430-480℃是由于在PVA热降解过程期间副产物形成。番茄红素在174℃附近失重是由于番茄红素的热降解。负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液和负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维在100℃附近的失重也是由于水分的蒸发，在270℃附近失重是由于它们自身的分解，可以明显的看出，PVA与负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液通过静电纺丝形成的负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维的分解温度比PVA、番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液的分解温度高，所以静电纺丝后的纳米纤维的热稳定性明显提高。
2、使用差示扫描量热法(DSC)测定番茄红素、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液、PVA纤维、基于静电纺丝的负载番茄红素的复合纳米纤维这几种物质的特征。
如图5可知，在DSC热流图谱中，番茄红素在174℃有一个晶体熔融峰，PVA在227℃有一个晶体熔融峰，负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米乳液以及负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维没有熔融峰。纺丝后的纳米纤维处于无定型状态。
3、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维的抗氧化活性
(1)DPPH自由基清除能力的测定
在试管中加入2ml的不同浓度(25，50，75，100μg/ml)的番茄红素与负载番茄红素纳米纤维的番茄红素萃取液，与2ml的DPPH(0.13mol/L的甲醇溶液)，用振荡器混匀后放黑暗中静置30min，用517nm测定吸光值。3组平行并取吸光值的平均值进行计算。
按下面的方法计算清除率：
其中，A0为空白对照无样品；A1为样品本体吸光值；A2为实验组吸光值。
如图6可知，在0-100ug/ml范围内，游离的番茄红素与负载番茄红素的复合纳米纤维对DPPH的清除率都较强，并且呈浓度依赖性增加。负载番茄红素的复合纳米纤维的DPPH自由基清除能力略低于游离的番茄红素，可能是由于在制备负载番茄红素的复合纳米纤维萃取液时，番茄红素未释放完全。因此，番茄红素被包埋进复合纳米纤维后依然具有较强的抗氧化活性。
(2)ABTS自由基清除能力的测定
7.4mmol/L的ABTS与2.6mmol/L的K2S2O8溶液混合，在室温下避光放置12h，用缓冲液稀释直至其在A734 nm处的吸光值为0.7±0.02，即得ABTS+工作液。
将样品配成一系列梯度浓度(25，50，75和100μg/ml)，取10μl溶液加200μl ABTS+上述溶液，于734nm处测定吸光值。3组平行，吸光值的平均值计算分析。ABTS+的清除能力通过以下公式计算：
A0不加样品，只加ABTS的吸光值；Ai为加入样品和ABTS的吸光值。
如图7可知，在0-100ug/ml的范围内，游离的番茄红素与负载番茄红素的复合纳米纤维对ABTS自由基都具有较强的清除能力，并且呈浓度依赖性增加。负载番茄红素的复合纳米纤维的ABTS自由基清除能力略低于游离的番茄红素，可能是因为在制备负载番茄红素的复合纳米纤维萃取液时，番茄红素未释放完全。在100ug/ml时，负载番茄红素的复合纳米纤维的清除率高达86.06％。因此负载番茄红素的纳米纤维依旧保持着很强的抗氧化活性。
4、负载番茄红素的金福菇多糖/乳清分离蛋白纳米纤维在模拟胃肠液中释放
(1)模拟胃肠液的制备
胃液：将0.05g氯化钠、0.2mL浓盐酸、0.08g胃蛋白酶溶于水得混合液，定容混合液为25mL，用稀盐酸调pH为1.5，在7000r/min、4℃下离心20分钟，取上清为待用液，在4℃冰箱保存。
肠液：将0.17g磷酸二氢钾、0.038g氢氧化钠溶于水，然后加入0.25g胰蛋白酶和0.125g脱氧胆酸盐搅拌得混合液，定容混合液为25mL，用稀氢氧化钠调pH为7.5，在7000r/min、4℃下离心20分钟，取上清为待用液，在4℃冰箱保存。
(2)负载番茄红素的纳米纤维在胃肠液中番茄红素释放率的测定
取10mL所述的负载番茄红素的纳米纤维于离心管中，加入模拟胃液10ml，混匀，放置于37℃、100rpm下反应2h。然后用氢氧化钠将PH值调整到7.0，加入预热过的模拟肠液，在37℃、100rpm条件下反应6h。在体外模拟消化的过程中，分别在0.5h、1h、2h、2.5h、4h、6h、8h，取出1mL混合液，迅速把它放在冰盒上终止反应，同时添加相同体积的胃液或肠液于离心管中保持反应体积不变。
将不同时刻取出的1mL混合液在6000r/min、4℃下分别离心10分钟后，取上清液测试其吸光度，计算负载番茄红素的纳米载体的番茄红素在模拟胃液中的释放率。
释放率计算公式：
y＝(A×V)/(0.2415×1000×M)×100％
其中，
y：释放率；
A：471nm下样品吸光度均值；
V：上清液定容后总体积；
M：1mL负载番茄红素的纳米载体中所含番茄红素质量。
如图8所示，实验表明，在模拟胃液消化0～2h的整个过程中，负载番茄红素的纳米纤维的番茄红素累积释放率为30％。后续进行模拟肠液消化过程中，消化时长达到6小时后，番茄红素累积释放率高达78.29％。肠液中番茄红素的释放量在2h～8h内明显高于胃液。
在2h时，负载番茄红素的纳米载体仍保留部分番茄红素未释放，说明所构建的负载番茄红素的纳米载体能够在胃消化过程中控制释放番茄红素，让更多的番茄红素进入小肠被人体吸收。所述的负载番茄红素的纳米载体进入肠道后，随时间增长，释放率在缓慢增长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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