线性糊精链长分布对DHA微胶囊性能影响的研究

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微胶囊化技术可为二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)构建稳定的物理屏障,是解决其易氧化酸败等应用难题的有效手段。基于直链淀粉分子与DHA发生络合作用的机制开发微胶囊,可提高DHA贮藏稳定性,并实现其在小肠的靶向释放。具有不同分子链长的直链淀粉呈现出差异性的络合能力,可显著影响微胶囊包埋效率、氧化稳定性及抗消化性等重要指标。现有研究工作主要聚焦在微胶囊宏观性能的表征,而对于分子的有序聚集行为及络合机制等微观层面的理论解释研究则相对较少,对络合过程中分子的行为轨迹可视化及相互作用能量计算等方面则更少涉及。线性糊精作为直链淀粉脱分枝的线性产物,具有更小的空间位阻及显著提升的分子络合能力,是制备DHA微胶囊的优质壁材,开展相关影响机制的研究可排除侧链分子的干扰。论文针对具有不同链长分布的线性糊精聚集物(linear dextrin aggregates,LDAs)进行分子聚集行为研究,构建和制备具有高包埋效率、氧化稳定性及抗消化性的DHA/LDA微胶囊;结合分子动力学模拟进行轨迹分析及能量计算,揭示线性糊精-DHA络合物形成的机理,进而为新型淀粉基DHA微胶囊的开发提供理论指导。高直链玉米淀粉(high amylose corn starch,HACS)含有较多的直链淀粉成分,脱分枝处理后制备得到的LDAs具有宽的链长变量区间,便于揭示线性糊精分子链长分布与微胶囊性能之间的逻辑关系。论文采用HACS为原材料进行LDAs和DHA/LDA微胶囊制备。主要研究内容与结果如下:(1)LDAs的制备及结构与性能表征。采用HACS为原料,经盐酸水解(0-96 h)和普鲁兰酶脱分枝(4 h,60℃)处理后制备得到具有不同分子结构的LDAs,对其链长分布、微观形貌、短程有序性、长程有序性以及热力学特性等进行表征。LDAs的链长分布具有显著差异:平均聚合度(degree of polymerization,DP)从814降低到139;DP分布从0~20000缩短到0~1000,其中Fraction I(DP≥100)从95.22%减少到65.76%,Fraction II(10<DP<100)由4.62%提高到33.73%。研究结果表明:制备过程中缩短线性糊精链长会削弱分子间的交联作用,导致LDAs颗粒由椭圆形大颗粒变为块状小颗粒,且表面不再光滑;脱分枝处理和缩短链长均有利于提高LDAs的短程有序性;随着Fraction II含量的增加,LDAs的B型结晶的含量呈现先降低后增加的趋势;酶解后LDAs的峰值温度和焓值均增加,随着水解时间延长,LDAs峰值温度从105.65℃升高至130.62℃,而峰宽整体呈下降趋势。(2)DHA/LDA微胶囊的制备及其结构与性能表征。将高温高压糊化后的LDAs降温(60℃)后滴加DHA,分离析出的沉淀物进行冷冻干燥制备得到DHA/LDA微胶囊。微胶囊表面粗糙且结构疏松,表明DHA的存在破坏了原有的分子交联作用。红外光谱结果表明,DHA导致空间位阻增加,削弱了分子间的氢键束缚力,使O-H的伸缩振动(碳链)和弯曲振动(结合水)加强。微胶囊的短程有序性随Fraction II含量的增加而提高,说明降低链长有利于线性糊精-DHA络合物与双螺旋结构的形成。微胶囊呈V+B混合结晶型,且B型结晶含量的变化趋势与V型相反。当LDAs含有22.17%的Fraction II和77.46%的Fraction I时,微胶囊表现出最佳的包埋效率、氧化稳定性和抗消化性。(3)线性糊精分子与DHA络合轨迹模拟及分子动力学计算。采用线性直链淀粉片段(linear amylose fragment,LAF)作为线性糊精的分子模型,与DHA在水盒子中进行络合过程的模拟,基于均方根偏差判断系统的平衡态,将分子构象和螺旋结构的演变轨迹作可视化处理,同时根据统计学原理计算氢键数目及非键相互作用能的变化。结果表明,LAF与水分子间氢键的形成以及LAF分子内氢键的断裂,导致LAF由单螺旋结构变为无规则卷曲。DHA与LAF几乎无法形成分子间氢键,但可通过伦纳德-琼斯势(为主)和库伦势相互吸引而发生络合。由构象变化可知,DP为15的LAF与DHA在10 ns即可形成络合物,当DP增加一倍后络合时长延至30 ns,而当DP低至10则无法形成络合物。络合配位点靠近LAF中唯一的还原性羟基,与DHA羧基的取向无关。LAF-DHA络合物的形成伴随着LAF分子内氢键的增加及LAF与水分子间氢键的减少,并显著改变了系统的库伦势,具体表现为LAF与水分子间斥力以及LAF分子内引力的增强。
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