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牛血清白蛋白(BSA)纳米颗粒的间歇性脱溶剂剂添加与粒径控制机制

期刊:Food ChemistryDOI:10.1016/j.foodchem.2013.04.059

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作者及机构
本研究由Sae-Yeol-Rim Paik、Hoang Hai Nguyen、Jina Ryu等来自韩国世宗大学食品科学与技术系(Department of Food Science and Technology, Sejong University)的研究团队主导,合作单位包括首尔大学医院生物医学研究所(Biomedical Research Institute, Seoul National University Hospital)和韩国食品药品安全评价院(National Institute of Food and Drug Safety Evaluation, KFDA)。研究成果发表于2013年的《Food Chemistry》期刊(卷141,页码695–701)。


学术背景
研究领域聚焦于食品纳米技术中的蛋白质纳米颗粒制备。牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin, BSA)因其生物相容性、可降解性和无毒特性,被广泛用于生物活性成分(如营养素、植物化学物质)的递送载体。然而,传统脱溶剂法(desolvation)制备BSA纳米颗粒时,即使条件相同,颗粒尺寸分布仍存在显著波动,导致重复性差,制约了工业标准化应用。因此,本研究旨在开发一种通过间歇添加脱溶剂剂(乙醇)的新方法,以实现BSA纳米颗粒尺寸的精准控制和可重复制备。


研究流程
1. 纳米颗粒制备
- 材料:使用1% (w/w) BSA水溶液,以乙醇为脱溶剂剂,在700 rpm搅拌速度下,分别于pH 6、7、9条件下进行实验。
- 方法对比
- 连续添加法:以1.0 mL/min速率持续添加乙醇至溶液刚出现浑浊。
- 间歇添加法:每次添加1 mL乙醇后暂停5分钟,重复操作直至浑浊出现。
- 创新点:间歇法通过分步脱溶剂和稳定化时间,减少分子聚集的随机性。

  1. 表征与分析

    • 形貌与尺寸:通过扫描电子显微镜(SEM, Hitachi S-4300)观察颗粒形貌,发现间歇法制备的颗粒更接近球形且表面光滑(图1)。
    • 浊度测量:使用分光光度计(Beckman Coulter DU 730)在545 nm波长下监测浊度变化,发现浊度与颗粒密度而非尺寸直接相关(图2)。
    • 动态光散射:采用粒度分析仪(DelsaNano)测定颗粒尺寸分布,间歇法在pH 9、7、6下分别获得约100 nm、200 nm、300 nm的均一粒径(图4)。
  2. 机制验证

    • pH影响:远离BSA等电点(pI 4.7)时(如pH 9),负电荷增强分子间斥力,形成较小颗粒(约100 nm);接近pI时(如pH 6),静电吸引导致更大聚集体(约300 nm)。
    • 脱溶剂动力学:间歇法通过分步平衡,避免连续法中因快速脱溶剂导致的尺寸不可控(图5)。

主要结果
1. 尺寸可控性:间歇法在pH 9、7、6下分别实现100 nm、200 nm、300 nm的靶向尺寸,标准偏差显著低于连续法(图5)。
2. 浊度与尺寸解耦:乙醇添加量超过临界值后,仅颗粒密度(浊度)增加,尺寸保持稳定(图2、3)。
3. 重复性提升:间歇法在五次重复实验中粒径变异系数<5%,而连续法高达15%~20%。


结论与价值
1. 科学意义:揭示了脱溶剂过程中pH与颗粒尺寸的定量关系,提出“分步平衡”机制,为蛋白质纳米颗粒的精准设计提供理论依据。
2. 应用价值:开发的间歇添加法可直接用于食品工业中活性成分载体(如维生素、抗氧化剂)的标准化生产,提升递送效率和产品一致性。


研究亮点
1. 方法创新:首次将间歇脱溶剂策略引入BSA纳米颗粒制备,解决了传统方法重复性差的难题。
2. 机制解析:通过浊度-尺寸关联性实验,明确了颗粒形成动力学中“尺寸锁定”现象(图3)。
3. 工业适配性:无需复杂设备,仅通过调控pH和乙醇添加程序即可实现尺寸控制,适合规模化应用。


其他发现
- SEM局限性:样品脱水过程可能导致颗粒假性聚集,需结合动态光散射数据综合评估(图1注释)。
- 乙醇阈值:不同pH下引发浊度的乙醇临界体积不同(pH 9需21 mL,pH 6仅需11 mL),提示溶剂化能差异(图2)。


此研究为食品纳米技术领域提供了可重复的纳米颗粒制备范式,其方法论亦可拓展至其他生物聚合物(如乳清蛋白、多糖)的纳米结构调控。

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