CN110483812A

CN110483812A - 一种菜籽蛋白基纳米凝胶及其应用

Info

Publication number: CN110483812A
Application number: CN201910836580.0A
Authority: CN
Inventors: 王志高; 陈冲; 鞠兴荣; 何荣; 邹智鹏; 汪玉娇; 陈文烨
Original assignee: Nanjing University of Finance and Economics
Current assignee: Nanjing University of Finance and Economics
Priority date: 2019-09-05
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2019-11-22

Abstract

本发明提供一种菜籽蛋白基纳米凝胶及其应用，属于纳米功能材料领域。该菜籽蛋白基纳米凝胶，采用如下方法制备：菜籽蛋白与丁二酸酐进行酰化反应，得到酰化菜籽蛋白；调节酰化菜籽蛋白水溶液pH，加热，快速冷却。本发明还提供负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶，采用如下方法制备：菜籽蛋白与丁二酸酐进行酰化反应，得到酰化菜籽蛋白；调节酰化菜籽蛋白水溶液pH，滴加姜黄素溶液至所述蛋白溶液中，加热，快速冷却；去除游离的姜黄素后得到负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶。该纳米凝胶具有良好的水复溶性和生物相容性，大小分布均匀，稳定性高，可高效率地包埋疏水性活性物质姜黄素，显著地改善了姜黄素的抗肿瘤活性，提高了其生物利用度。

Description

一种菜籽蛋白基纳米凝胶及其应用

技术领域

本发明属于纳米功能材料制备及其应用领域，具体涉及一种菜籽蛋白基纳米凝胶、制备方法及其应用。

背景技术

天然聚合物在医药、营养和食品领域已表现出巨大的潜力。作为纳米递送系统，植物来源的可降解且与生物相容的蛋白质，由于其可形成纳米级凝胶载体以及包埋各种疏水和亲水活性物质的独特能力，吸引了越来越多研究者的关注。

我国是世界上最大的油菜籽生产国，总产量居世界首位，约占世界总产量的30%左右。菜籽制油后，大概可以得到55%左右的菜籽粕，2018年我国菜籽粕产量高达1039万吨。菜籽粕中含有40%左右的蛋白质，其中蛋氨酸，赖氨酸和胱氨酸的含量较高，氨基酸平衡优于其他植物蛋白，为全价蛋白质。菜籽蛋白虽为优质、来源丰富的植物蛋白，且具有较好的吸水性、乳化性、起泡性和凝胶性，但是较差的溶解性严重限制了其在食品及其它领域应用。在现有技术中，还没有方法能够制备菜籽蛋白基纳米凝胶载体。

发明内容

本发明目的是提供一种菜籽蛋白基纳米凝胶，该纳米凝胶具有良好的水复溶性和生物相容性，大小分布均匀，稳定性高，可高效率地包埋疏水性活性物质姜黄素，显著地改善了姜黄素的抗肿瘤活性，提高了其生物利用度。

本发明的再一目的是提供负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶，显著提高了姜黄素抗肿瘤活性和生物利用度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种菜籽蛋白基纳米凝胶，采用包括如下步骤的方法制备：

（1）菜籽蛋白与丁二酸酐进行酰化反应，得到酰化菜籽蛋白；

（2）调节酰化菜籽蛋白水溶液pH，加热，快速冷却后得到菜籽蛋白基纳米凝胶。

优选的技术方案中，步骤（1）所述酰化反应中，菜籽蛋白与丁二酸酐的质量比为20:0.5-1.5，酰化反应过程中控制pH为9.5-10.5，酰化反应时间为25-35min。

优选的技术方案，步骤（2）所述酰化菜籽蛋白水溶液的浓度为0.8-1.2 mg/mL，调节酰化菜籽蛋白溶液pH至5-6；加热过程中，将调节pH后的酰化菜籽蛋白水溶液在85-95℃保温25-35min。

本发明还提供负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶，采用如下方法制备：

（2）调节酰化菜籽蛋白水溶液pH，滴加姜黄素溶液至所述蛋白溶液中，加热，快速冷却；

（3）去除游离的姜黄素后得到负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶。

优选的技术方案中，步骤（2）所述酰化菜籽蛋白水溶液浓度为0.8-1.2 mg/mL，酰化菜籽蛋白溶液pH调节至5-6，疏水性姜黄素溶解于二甲基亚砜，姜黄素与酰化菜籽蛋白的质量比为1：9-11；加热过程中，将溶液在85-95℃下保温25-35min。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

（1）本发明菜籽蛋白基纳米凝胶具有良好的水复溶性和生物相容性。

（2）菜籽蛋白基纳米凝胶粒子大小分布更加地均匀。菜籽蛋白基纳米凝胶拥有更高的表面疏水性，自由巯基含量明显降低。本发明菜籽蛋白基纳米凝胶具有良好的稳定性（抗pH和离子强度变化）。冷冻干燥对于菜籽蛋白基纳米凝胶的水分散性和粒径大小无影响。

（3）本发明菜籽蛋白基纳米凝胶可以高效率地包埋疏水性活性物质姜黄素，显著地改善了姜黄素的抗肿瘤活性，提高了其生物利用度。

附图说明

图1菜籽蛋白基纳米凝胶的原子力电镜图（A）和透射电镜图（B），黑色箭头：纳米凝胶具有核-壳结构。

图2显示了天然菜籽蛋白、酰化菜籽蛋白和菜籽蛋白基纳米凝胶（缩写为纳米凝胶）的表面疏水性(A)和自由巯基含量(B)。

图3（A）在不同pH和NaCl浓度下的菜籽蛋白基纳米凝胶溶液的表观情况；（B）菜籽蛋白基纳米凝胶与其10倍稀释后的纳米凝胶的粒径分布结果；（C）菜籽蛋白基纳米凝胶冻干后再分散的粒径分布。

图4天然菜籽蛋白和菜籽基纳米凝胶溶液在90°C水浴下0-60 min内浊度的变化。图A、B显示了天然菜籽蛋白和菜籽蛋白基纳米凝胶溶液的表观情况。

图5游离姜黄素、空白菜籽蛋白基纳米凝胶（缩写为空白纳米凝胶）和负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶对乳腺癌细胞MDA-MB-231和MCF-7，肝癌细胞HepG2 和胃癌细胞MKN-28的细胞毒性。

具体实施方式

下面结合具体实例及附图，进一步阐述本发明，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1稳定的自组装菜籽蛋白基纳米凝胶的制备方法及其性质

1.一种稳定的自组装菜籽蛋白基纳米凝胶的制备方法，包括以下步骤：

（1）按照每15mL水中加入1g菜籽粕的比例，将菜籽粕加入去离子水中，用1M的NaOH水溶液调节溶液pH至11.0，然后在45 °C下搅拌2 h，混悬液以10000 g离心30 min。回收上清液，用1M的盐酸调节上清液pH至4.5，并以10000 g离心30 min，取沉淀。将该沉淀用无水乙醇清洗三次，然后分散于去离子水中，用1M NaOH水溶液调节pH至7.0，冷冻干燥得到菜籽蛋白。

（2）采用NaOH溶液调节去离子水的pH至10。按照每100毫升水中加入2g菜籽蛋白的比例，将菜籽蛋白加入pH为10的去离子水中，在磁力搅拌下，使菜籽蛋白充分溶解，得到20g/L的菜籽蛋白溶液。按照每100毫升菜籽蛋白溶液中加入0.1g丁二酸酐的比例，将丁二酸酐（酰化剂）缓慢加入到20 g/L的菜籽蛋白溶液中，进行酰化反应，反应时间为30 min。在酰化反应过程中，通过滴加1M NaOH水溶液使溶液pH维持在10。反应结束后，将反应液置于透析袋（截留分子量为10 kDa）中透析过夜，取截留液冷冻干燥，得到酰化菜籽蛋白，保存于-20 °C。

（3）以去离子水为溶剂，配制1 mg/mL的酰化菜籽蛋白溶液。采用0.1 M的盐酸将1mg/mL酰化菜籽蛋白溶液的pH调节至5.6。在不搅拌溶液的情况下，将酰化菜籽蛋白溶液置于90℃水浴中保温30 min。随后立即将加热后的蛋白溶液置于冰水中快速冷却至室温即可，得到菜籽蛋白基纳米凝胶。将得到的菜籽蛋白基纳米凝胶保存在4℃或冷冻干燥。

2. 菜籽蛋白基纳米凝胶的性质

检测菜籽蛋白基纳米凝胶（本实施例标题1制备）的原子力显微镜图、透射电镜图、表面疏水性、自由巯基量、稳定性和浊度。另外，以天然菜籽蛋白和酰化菜籽蛋白（本实施例标题1中步骤（2）所得）为对照。其中天然菜籽蛋白是指从菜籽粕中提取出的菜籽蛋白（本实施例标题1步骤（1）），没有进行任何改性。

本实施例标题1得到的菜籽蛋白基纳米凝胶，平均粒径分别为173 nm，PDI值为0.26。酰化菜籽蛋白（本实施例标题1中步骤（2）所得）溶于水后，粒径为116 nm，PDI为0.49。可以看到，虽然二者平均粒径差异不显著，但是菜籽蛋白基纳米凝胶的PDI值却约为酰化菜籽蛋白一半，说明热诱导可形成更加稳定、分散均匀的菜籽蛋白基纳米凝胶。

本实施例得到的菜籽蛋白基纳米凝胶的原子力显微镜图以及透射电镜图如图1所示。原子力电镜扫描结果发现菜籽蛋白基纳米凝胶的形状近似为球形，颗粒分布均匀（图1A）。从原子力电镜图像中，我们还发现了一些不规则的纳米颗粒的形态，这可能与用于制备样品的云母片自身表面粗糙度和样品自然干燥有关。类似地，在透射电镜图像中，菜籽蛋白基纳米凝胶也呈现出平均直径大致为140 nm的球状形态。另外，在TEM的局部放大图像中还发现菜籽蛋白基纳米凝胶具有核-壳纳米结构。

本实施例得到的菜籽蛋白基纳米凝胶与天然菜籽蛋白，酰化菜籽蛋白的表面疏水性和巯基变化如图2所示。由图2可知，与天然菜籽蛋白相比，酰化菜籽蛋白和菜籽蛋白基纳米凝胶拥有更高的表面疏水性，表明酰化处理可诱导蛋白中疏水性氨基酸基团的暴露，显著改善了菜籽蛋白的双亲特性。此外，与酰化菜籽蛋白相比，热处理对酰化菜籽蛋白的表面疏水性几乎没有影响。同时，菜籽蛋白基纳米凝胶中的自由巯基含量明显低于未改性菜籽蛋白和酰化菜籽蛋白，表明加热处理诱导了蛋白质分子间大量二硫键的形成。

本实施例得到的菜籽蛋白基纳米凝胶，当溶液pH从5.0上升到9.0时，纳米凝胶溶液的表观没有显著性特征变化，无沉淀或絮状物出现（图3 A）。当溶液pH下降至4.0时，纳米凝胶溶液开始出现沉淀。但是这样的聚集体在当前凝胶溶液中被发现可以被再分散，在pH2和3时凝胶溶液呈现透明状。对于当前酰化菜籽蛋白纳米凝胶的盐稳定性，NaCl浓度增加至180 mM时，酰化菜籽蛋白纳米凝胶没有发生沉淀（图3 A）。此外，研究还发现在菜籽蛋白基纳米凝胶与其10倍稀释溶液之间，它们粒径的高斯拟合结果没有明显差异（图3B），这一结果再次证明了该纳米凝胶内部具有稳定的交联结构。从图3C中可以看出，菜籽蛋白基纳米凝胶冷冻干燥后再溶解，仍然具有良好的水分散性，与原纳米凝胶相比，再溶解的纳米凝胶的粒径大小没有明显变化。

本实施例得到的菜籽蛋白基纳米凝胶溶液的透射率要明显高于天然菜籽蛋白，菜籽蛋白基纳米凝胶溶液在90℃水浴处理60 min内没有明显变化，溶液澄清；天然菜籽蛋白溶液的透射率在加热后只有菜籽蛋白基纳米凝胶溶液的20%（图4），且溶液呈浑浊状态。说明天然菜籽蛋白本身的结构组成在加热过程中不能防止蛋白凝聚的产生和形成均匀分散的纳米凝胶。

实施例2菜籽蛋白基纳米凝胶在负载姜黄素方面的应用及效果

1.以菜籽蛋白基纳米凝胶负载姜黄素

以菜籽蛋白基纳米凝胶负载姜黄素的方法，包括以下步骤：

（2）采用NaOH溶液调节去离子水的pH至10。按照每100毫升水中加入2g菜籽蛋白的比例，将菜籽蛋白加入pH为10的去离子水中，在磁力搅拌下，使菜籽蛋白充分溶解，得到20g/L的菜籽蛋白溶液。按照每100毫升菜籽蛋白溶液中加入0.1g丁二酸酐的比例，将丁二酸酐（酰化剂）缓慢加入到20 g/L的菜籽蛋白溶液中，进行酰化反应，反应时间为25 min。在酰化反应过程中，通过滴加1M NaOH水溶液使溶液pH维持在10。反应结束后，将反应液置于透析袋（截留分子量为10 kDa）中透析过夜，取截留液冷冻干燥，得到酰化菜籽蛋白，保存于-20°C。

（3）以去离子水为溶剂，配制1 mg/mL的酰化菜籽蛋白溶液，采用0.1 M的盐酸将pH调节至5.6。以DMSO为溶剂，配制10 mg/mL姜黄素溶液。在磁力搅拌下，将100 μL姜黄素溶液逐滴加到10 mL浓度为1 mg/mL、pH5.6的酰化菜籽蛋白溶液中。将上述混合液在90℃水浴中保温30 min，保温过程中不搅拌，然后在冰水浴中迅速冷却至室温即可。使用孔径为0.1 μm的过滤器对冷却后的液体进行过滤，随后使用去离子水将过滤器中截留的纳米凝胶重悬，冷冻干燥后即得负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶。其中，采用过滤器过滤的目的是去除负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶溶液中游离的姜黄素和DMSO。

2.菜籽蛋白基纳米凝胶作为载体对姜黄素抗肿瘤活性的影响

（1）负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶的基本性质

本实施例得到的负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶，姜黄素与菜籽蛋白基纳米凝胶的质量比为1:10，平均粒径为176.4 nm，PDI为0.27，ζ电位为-26.3，姜黄素包埋率为95.1（表1）。

表1 负载姜黄素的酰化菜籽蛋白纳米凝胶的表征分析

样品	姜黄素/蛋白	粒径 (nm)	PDI	ζ电位(mV)	包埋率(%)
						负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶	1:10	176.4 ±2.8	0.27 ±0.01	-26.3 ±0.3	95.1± 1.8

（2）考察负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶对MDA-MB-231、MCF-7、HepG2和MKN-28的细胞毒性，以游离姜黄素和空白菜籽蛋白基纳米凝胶（不含姜黄素）作为对照。

MKN-28细胞在37°C细胞培养箱中培养于含有10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的RPMI-1640培养基中。MCF-7、HepG2和MDA-MB-231细胞则培养于含有10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素的DMEM培养液中。配制试验孔培养基、阳性对照孔培养基和空白对照孔培养基。其中实验孔培养基是在细胞培养基内添加了负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶，姜黄素浓度范围为2μM至50μM。阳性对照孔培养基是在细胞培养基内添加了各浓度游离姜黄素，姜黄素浓度范围为2μM至50μM。空白对照孔中培养基是在细胞培养基内添加了各浓度空白菜籽蛋白基纳米凝胶（不含姜黄素），与试验孔中各浓度相对应。

为了研究负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶的抗肿瘤活性，将上述四种癌细胞以5×10³个细胞/孔的密度接种到96孔板中，每种细胞均设置试验孔、阳性对照孔和空白对照孔，孵育过夜。去除培养液，每个孔中加入100 μL对应的新鲜培养基（试验孔培养基、阳性对照孔培养基和空白对照孔培养基）。培养24h后，去除培养基，用预热的PBS轻轻洗涤细胞两次。然后，将MTT溶液120 μL（，1mg/mL，溶解在培养基中）加入各孔中，在37°C下继续孵育4h。随后，去除每个孔的培养基，并向每个孔中加入50 μL DMSO，于37°C下孵育20 min后，测定溶液的吸光度, 测定条件为540 nm。

结果见图5。由图5可知，游离姜黄素和负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶，在肿瘤细胞增殖抑制方面，都表现出了明显的浓度依赖性。与游离姜黄素相比，负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶在处理细胞24 h之后，显著增强了姜黄素对上述四种癌细胞的细胞毒性。从剂量-反应曲线中发现，游离姜黄素和负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶对MDA-MB-231细胞处理24 h后，它们的IC₅₀值分别为20.4 μg/mL和15.6 μg/mL。处理乳腺癌细胞MCF-7 24h后，负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶的IC₅₀为14.4 μg/mL，与游离姜黄素相比，下降了38%。对MKN-28细胞来说，负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶的IC₅₀值（13.9 μg / mL），与游离姜黄素相比，下降了42%。在HepG2细胞中，负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶表现出了比游离姜黄素更加高效的生物活性，游离姜黄素和负载姜黄素的菜籽蛋白基纳米凝胶的IC₅₀分别为19.9 μg/mL和10.2 μg/mL，这种巨大的差异说明菜籽蛋白基纳米凝胶载体可将姜黄素的抗肿瘤活性提高约2倍。此外，MTT测定还发现，空白纳米凝胶载体处理后的所有上述癌细胞均保持了90%以上的细胞活性，这可能说明了当前的纳米凝胶系统具有良好的生物相容性。

Claims

1.一种菜籽蛋白基纳米凝胶，其特征在于采用包括如下步骤的方法制备：

菜籽蛋白与丁二酸酐进行酰化反应，得到酰化菜籽蛋白；

调节酰化菜籽蛋白水溶液pH，加热，快速冷却后得到菜籽蛋白基纳米凝胶。

2.根据权利要求1所述菜籽蛋白基纳米凝胶，其特征在于步骤（1）所述酰化反应中，菜籽蛋白与丁二酸酐的质量比为20:0.5-1.5，酰化反应过程中控制pH为9.5-10.5，酰化反应时间为25-35min。

3.根据权利要求1所述菜籽蛋白基纳米凝胶，其特征在于步骤（2）所述酰化菜籽蛋白水溶液的浓度为0.8-1.2 mg/mL，调节酰化菜籽蛋白溶液pH至5-6；加热过程中，将调节pH后的酰化菜籽蛋白水溶液在85-95℃保温25-35min。

4.负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶，其特征在于采用如下方法制备：

5.根据权利要求4所述负载姜黄素菜籽蛋白基纳米凝胶，其特征在于步骤（1）所述酰化反应中，菜籽蛋白与丁二酸酐的质量比为20:0.5-1.5，酰化反应过程中控制pH为9.5-10.5，酰化反应时间为25-35min。

6.根据权利要求4所述纳米凝胶，其特征在于步骤（2）所述酰化菜籽蛋白水溶液浓度为0.8-1.2 mg/mL，酰化菜籽蛋白溶液pH调节至5-6，疏水性姜黄素溶解于二甲基亚砜，姜黄素与酰化菜籽蛋白的质量比为1：9-11；加热过程中，将溶液在85-95℃下保温25-35min。