关于多糖基递送系统用于可食用生物活性物质的pH响应、控制释放及新兴应用的综述报告
本文旨在向读者介绍一篇发表于*International Journal of Biological Macromolecules*（国际生物大分子杂志）291卷（2025年）上的学术综述论文。该论文由浙江大学（College of Biosystems Engineering & Food Science, Zhejiang University）的Jiaxin Guo, Yang Qiu, Jie Zhang, Chenxu Xue和Jiajin Zhu*（通讯作者）共同撰写，并于2024年12月在线发表。论文的标题为“A review on polysaccharide-based delivery systems for edible bioactives: pH responsive, controlled release, and emerging applications”，系统性地探讨了基于天然多糖的pH响应型递送系统在可食用生物活性物质靶向递送领域的原理、载体类型、机制及应用。
论文主要观点阐述
本综述的核心在于系统梳理并阐述了天然多糖作为理想载体材料，如何构建响应体内病灶部位pH变化的智能递送系统，以实现生物活性物质的精确控制释放。全文围绕几个关键主线展开：
第一，天然多糖作为递送载体的优势及pH响应性的理论基础。 论文开篇即强调了开发有效递送系统的必要性。许多生物活性物质（如姜黄素、白藜芦醇、多肽等）在加工、储存和胃肠道环境中易降解、挥发或生物利用度低。因此，需要能够保护这些活性成分并在特定作用位点精确释放的智能递送系统。在各种环境刺激信号中，pH值的变化因与多种生理和病理状态（如肿瘤微环境、伤口愈合过程、胃肠道不同区段）密切相关而备受关注。例如，肿瘤微环境呈弱酸性（pH≈6.4-6.8），而正常组织pH约为7.4；伤口在早期呈碱性，修复期则转为弱酸性。这种差异为设计pH响应型靶向递送系统提供了天然“触发器”。
作者指出，天然多糖（如壳聚糖、纤维素、海藻酸钠、透明质酸、葡聚糖等）因其无毒、良好的生物相容性、生物可降解性以及来源广泛等特点，成为构建食品级递送系统的理想材料。其实现pH响应性的核心机制在于分子链上含有可电离的基团（如羧基、氨基、硫酸酯基等）。对于聚酸类多糖（如海藻酸钠、透明质酸），在低pH下羧基质子化（-COOH），分子链间通过氢键等作用相互交联，结构致密，包裹的活性物质被稳定封装；当环境pH升高超过其pKa时，羧基去质子化（-COO-），链间产生静电斥力，导致载体溶胀或结构解离，从而释放活性物质。对于聚碱类多糖（如壳聚糖），机制则相反：在酸性pH下，氨基质子化（-NH3+），产生静电斥力使载体膨胀释放药物；在中性或碱性pH下，氨基去质子化（-NH2），分子链间相互作用增强，结构收缩，活性物质被保留。这种基于电荷变化的“溶胀-收缩”或“组装-解组装”机制，是各类多糖基pH响应型递送系统的共同原理。
第二，多种基于多糖的pH响应型递送载体的构建、特性及应用实例。 论文的核心部分详细综述了七种主要的载体类型，并分别举例说明了其如何封装活性物质并实现pH响应释放。
纳米颗粒（Nanoparticles）：具有尺寸小、比表面积大、反应活性高等特点，可采用“自上而下”或“自下而上”方法制备。例如，通过静电复合阴离子羧甲基玉米纤维胶和阳离子壳聚糖形成的纳米球对姜黄素的封装效率>92%。壳聚糖中的氨基在酸性条件下质子化产生斥力，可打开聚合物网络释放药物。另一项研究利用松香酸的pH响应特性，通过氢键和疏水作用与姜黄素自组装成纳米颗粒，其表面羧基在不同pH下的电离状态变化可调控纳米颗粒的解离和药物释放。
纳米纤维（Nanofibers）：通常通过静电纺丝等技术制备，具有高表面积/体积比和可调的孔隙结构。例如，以海藻酸钠/壳聚糖为原料的纳米纤维可在高pH下保持稳定，而在低pH下发生泄漏，从而实现pH控制释放。另一项研究使用壳聚糖和果胶衍生物制备的纳米纤维，在口腔不同pH环境下（pH 4.5, 5.5, 6.5）可调控抗菌肽的释放率（约60%，40%，20%），用于口腔感染防治。
纳米凝胶（Nanogels）：是一种内部交联的柔软聚合物颗粒，兼具水凝胶的高含水特性和纳米颗粒的胶体稳定性。其孔径和溶胀行为可通过pH调控。例如，姜黄素封装在壳聚糖盐酸盐-羧甲基淀粉纳米凝胶中，在模拟胃肠道条件下显示出持续释放特性。纳米凝胶在pH 2时溶胀度较低（聚合物链通过氢键紧密交联），而在pH 7.4时，羧基电离导致静电斥力增大，聚合物网络松弛、溶胀度增加，从而促进释放。
核壳载体（Core-shell Carriers）：具有内核与外壳的分层结构，外壳可作为屏障保护内核活性物质，并可通过材料设计实现响应性释放。例如，玉米醇溶蛋白/脱支氧化淀粉核壳复合纳米颗粒可高效封装白藜芦醇（封装率81.15%），在模拟胃液中稳定，而在肠液中结构破坏并释放营养物质。另一例是以壳聚糖/聚环氧乙烷为壳、聚己内酯为核的核壳纳米纤维，核内掺杂的碳酸氢钠在酸性条件下产生CO2气体，在核内生成孔洞，协同壳层壳聚糖的质子化溶胀，实现药物快速释放。
水凝胶（Hydrogels）：具有亲水性的三维网络结构，能容纳大量水，生物相容性好。其网络孔径和溶胀行为对pH敏感。例如，由羧甲基纤维素、羟丙基纤维素等纤维素衍生物与透明质酸交联形成的复合水凝胶用于封装蛋黄免疫球蛋白抗原结合片段。在模拟胃液（pH 3.0）中，纤维素上的负电基团质子化，促进片段吸附在凝胶基质上，释放量低；而在模拟肠液（pH 7.2）中，羧基质子化，产生静电斥力，导致片段大量释放，实现肠靶向递送。
乳液（Emulsions）：由两种互不相溶的液体形成，依靠界面稳定剂（如多糖）保持稳定。通过选用pH响应型多糖作为稳定剂，可实现乳液的响应性乳化/破乳。例如，由几丁质稳定的Pickering乳液在pH 3和5时不稳定，因为氨基质子化和羧基去质子化程度变化导致界面膜静电斥力改变。而由细菌纤维素纳米纤维/大豆分离蛋白/壳聚糖复合物稳定的双层乳液，在酸性环境中因壳聚糖收缩而表现出更高的稳定性，能保护姜黄素在胃消化阶段不被大量释放。
脂质体（Liposomes）：是由磷脂双分子层构成的囊泡，可同时包载亲水和疏水活性物质。多糖（如壳聚糖）涂层可通过静电作用覆盖在脂质体表面，增强其稳定性并赋予pH响应性。例如，壳聚糖涂层的姜黄素负载鼠李糖脂脂质体在pH 2-5的酸性条件下保持稳定，有利于在胃中保护药物；但在pH 7时，因壳聚糖溶解度降低和表面电荷斥力减弱，脂质体变得不稳定，从而可能在肠道环境中促进释放。
第三，pH响应型递送系统的三大新兴应用领域。 论文进一步阐述了这些智能系统在具体场景中的应用潜力与实验证据。
口服递送（Oral Delivery）：这是最受消费者青睐的给药方式，但胃部强酸环境和肠道复杂条件对活性物质的稳定性构成挑战。pH响应系统可设计为在胃酸条件下保持稳定，保护活性物质，而在肠道特定pH下触发释放。例如，结冷胶/果胶基纳米颗粒封装的白藜芦醇，在酸性介质中2小时仅释放3%，而在pH 6.8条件下30小时内持续释放85%，显示出结肠靶向递送的潜力。
癌症治疗（Cancer Therapy）：利用肿瘤微环境（Tumor Microenvironment, TME）的弱酸性特点，实现化疗药物的靶向释放，减少对正常组织的副作用。例如，叶酸修饰的羧甲基壳聚糖纳米颗粒负载姜黄素，在pH 7.4（正常组织）下36小时仅释放38%的药物，而在模拟肿瘤微环境的pH 6.5和pH 5.0下，释放率分别达到60%和76%。在4T1肿瘤小鼠模型实验中，该纳米颗粒治疗组显示出比游离姜黄素组更显著的肿瘤生长抑制效果。
伤口愈合（Wound Healing）：伤口部位的pH值会随着愈合进程（从炎症期的碱性到修复期的弱酸性）以及细菌感染（细菌代谢产酸）而动态变化。pH响应型伤口敷料可据此智能释放抗菌或促愈合因子。例如，羟丙基甲壳素/单宁酸/铁离子水凝胶在pH 3.0时单宁酸释放量（50%）远高于pH 5.5⁄7.4⁄9.0时（10%-25%）。这意味着当伤口因细菌感染而局部pH降低时，水凝胶会加速释放具有抗菌作用的单宁酸，从而加速感染性伤口的愈合。
第四，pH与多重刺激的协同响应系统。 论文的另一个亮点是指出并综述了pH响应可与其他生理病理信号协同工作，构建更为精准和智能的多重响应系统，以应对体内复杂的微环境。 * pH与温度双响应：肿瘤部位通常伴有轻微的温度升高。设计同时对pH和温度敏感的载体，可以进一步提高肿瘤靶向的特异性。例如，由壳聚糖和Soluplus接枝共聚物制备的纳米载体，在酸性pH和40°C（模拟肿瘤微环境）条件下，药物释放率显著高于单一刺激条件。 * pH与酶双响应：某些病变部位（如肿瘤、炎症性肠病）存在特异性过表达的酶（如基质金属蛋白酶、偶氮还原酶）。将pH响应与酶响应结合，可以实现更精准的级联释放。例如，基于葡聚糖的纳米囊泡，其药物通过可被酸性pH水解的亚胺键和可被酯酶切割的酯键连接，在模拟肿瘤细胞外（pH 6.0）和细胞内溶酶体（pH 5.0+酯酶）的环境下能实现近乎完全的药物释放。 * pH与活性氧（ROS）双响应：炎症和肿瘤部位常存在过量的ROS。pH/ROS双响应系统能在此类病理环境中实现增强的药物释放。例如，一种由聚乙二醇-聚（ω-十五内酯-共-N-甲基二乙烯胺癸二酸酯-共-2,2’-硫代二乙烯癸二酸酯）（PEG-PMT）嵌段共聚物自组装形成的胶束，在pH 5.0并存在H2O2的条件下，药物累积释放率最高（85%），这归因于氨基的质子化和硫醚基团的氧化共同导致胶束膨胀。
论文的价值与意义
本综述论文具有重要的学术价值和指导意义。首先，它系统性地整合了近年来多糖基pH响应型递送系统在食品、营养和生物医学交叉领域的研究进展，从材料基础、构建原理、载体类型到应用场景，提供了一个清晰而全面的知识框架。其次，论文不仅总结了单一pH响应，还前瞻性地探讨了多重刺激响应系统的设计与优势，指明了该领域未来向更复杂、更智能化方向发展的趋势。最后，论文特别聚焦于“可食用生物活性物质”和“食品级材料”，强调了其在精准营养（Precision Nutrition）和功能性食品开发中的应用潜力，为食品科学家和工程师设计下一代营养素递送平台提供了坚实的理论依据和技术参考。作者在文末也指出，目前大多数响应系统仍主要用于药物递送，在食品领域针对活性成分的精准靶向释放研究相对较少，未来需要更深入探索人体复杂生理环境下（如胃溃疡、肠炎等）的pH动态变化，并综合考虑疾病微环境中的多种因素，以实现真正有效的精准营养与治疗。这为后续研究指出了明确的方向。