溶剂对槲皮素在明胶/二醛纤维素复合膜中的掺入、释放行为及抗菌效果的影响：一项比较研究

本研究比较了DMSO和乙醇作为溶剂对槲皮素负载的凝胶atin/dialdehyde纤维素（GD）薄膜的影响，发现DMSO残留促进均匀分布和抗菌活性（抑制率77%和35%），而乙醇挥发导致药物聚集、释放减少（抑制率55%）。

Myat Noe Khin | Shabbir Ahammed | Chong Yuen Yuen | Tariq Aziz | Maryam M. Alomran | Ashwag Shami | Fahad Al-Asmari | Maher S. Alwethaynani | Lin Lin

江苏大学食品与生物工程学院，镇江 212013，中国

摘要

由于槲皮素在水中的溶解度较低，需要使用溶剂或表面活性剂来确保其在生物聚合物基质中的溶解和均匀分布。本研究系统地比较了两种溶剂——二甲基亚砜（DMSO）和乙醇——对含有槲皮素的明胶/二醛纤维素（GD）薄膜的物理化学性质、槲皮素分布、释放行为和抗菌效果的影响。分别使用DMSO（GDQ-D）和乙醇（GDQ-E）溶解槲皮素制备薄膜。扫描电子显微镜图像显示，两种含槲皮素的薄膜都含有棒状和球状的槲皮素形态；横截面图像显示出明显的树枝状结构。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实GDQ-D中残留有DMSO，占初始加入溶剂的25±2.6%，这些残留的DMSO约占总薄膜重量的4–6%。DMSO的残留有助于槲皮素的更均匀分布，减少了再结晶，并提高了抗菌性能（对金黄色葡萄球菌的抗菌效果降低了77%，对大肠杆菌的抗菌效果降低了35%）。相反，在薄膜干燥过程中乙醇的蒸发导致GDQ-E中的槲皮素聚集，从而显著降低了槲皮素的释放量（GDQ-D中为2 μg/mL，而GDQ-E中为20 μg/mL），进而降低了抗菌效果（对金黄色葡萄球菌的抗菌效果降低了55%，对大肠杆菌则没有观察到抗菌活性）。总体而言，这些发现表明溶剂类型及其残留物、槲皮素的形态以及释放动力学共同影响了薄膜的功能性能。

引言

将生物活性化合物整合到基于生物聚合物的薄膜、水凝胶和纳米颗粒中已被广泛研究，以增强材料在食品包装和生物医学应用中的功能性能（Cui, Gao, Khin, Aziz, Al-Asmari, Alamri等，2024；M. N. Khin, Ahammed, Kamal, Saqib, Liu, & Zhong, 2024；Mehmood, Aziz, Al-Asmari, Shami, Haiying, Xu等，2025）。在这些化合物中，槲皮素（3,3′,4′,5′,7-五羟基黄酮）作为一种广泛研究的植物来源黄酮类化合物，因其广谱抗氧化、抗炎和抗菌特性而受到关注（W. Wang, Sun, Mao, Ma, Liu, Yang等，2016）。尽管具有这些有益特性，但由于其在水中的溶解度低且具有明显的疏水性，其在亲水性生物聚合物基质中的应用仍然具有挑战性。这些特性常常导致槲皮素聚集和功能性能不稳定。先前的研究表明，将槲皮素直接掺入明胶/聚乙烯醇溶液中会导致其因在水介质中的溶解度差而聚集（de Barros Vinhal, Silva-Pereira, Teixeira, Barcia, Pertuzatti, & Stefani, 2021）。

为了解决这些问题，研究人员使用有机溶剂来改善槲皮素的分布，同时不损害其化学稳定性、生物活性或生物利用度。多项研究成功地使用二甲基亚砜（DMSO）或乙醇作为增溶剂将槲皮素引入明胶基系统中。Rubini等人（2020）发现，使用100% DMSO或50%乙醇制备的明胶薄膜具有更高的槲皮素负载量（Rubini, Boanini, Menichetti, Bonvicini, Gentilomi, Montalti等，2020），而Shibin和Nair（2024）以及Dey等人（2024）在微球和纳米纤维涂层中也展示了类似的溶剂辅助掺入策略（Dey, Singh, Smita, Biswas, & Kumar, 2024；Shibin & Nair, 2024）。这些工作探讨了溶剂对槲皮素负载量、释放动力学和抗菌效果的影响。

然而，大多数先前的研究并未探讨溶剂选择对槲皮素分布、薄膜形态和释放行为的影响。虽然这两种溶剂在某些浓度下都与水混溶且与亲水性生物聚合物相容，但它们在极性、挥发性和与聚合物的相互作用方面存在差异。这些差异可能显著影响槲皮素在薄膜中的掺入和释放方式。槲皮素在DMSO中的溶解度很高，在乙醇中的溶解度适中（Rubini等人，2020）。因此，这些溶剂适用于制备各种应用中的高浓度槲皮素溶液（Tavares，2020）。根据美国食品药品监督管理局和国际协调委员会（ICH）的分类，DMSO被归类为3类（低毒性）溶剂（Kaczor-Kamińska, Kaszuba, Bilska-Wilkosz, Iciek, Wróbel, & Kamiński，2024）。尽管如此，由于对其药理作用和高浓度下潜在毒性的了解不完全，仍需分析最终产品中的DMSO残留量（Orzechowski, Grzelkowska, Karlik, Tomasz, & Motyl，2002）。同样，25%浓度的乙醇相对安全，但浓度超过50%可能会引起蛋白质结构改变（Yang, Wu, Du, Li, Chen, & Li，2009）。

明胶是一种广泛使用的天然聚合物，具有生物相容性和成膜能力。然而，其较差的机械强度和水环境中的不稳定性限制了其实际应用。为了克服这些缺点，已经测试了物理增强方法和化学交联剂。当与二醛纤维素（DAC）交联时，它可以形成适用于从食品包装到生物医学应用的坚固基质。此外，在明胶-DAC基质中进行的Schiff碱交联可以增强光阻隔性能（M. N. Khin, Easdani, Aziz, Shami, Alharbi, Al-Asmari等，2025；Kwak, Lee, Park, Lee, & Jin，2020），可能保护槲皮素免受光降解。

因此，本研究不仅旨在使用DMSO和乙醇将槲皮素掺入明胶-DAC（GD）薄膜中，还旨在了解溶剂类型如何影响薄膜中槲皮素的分布和功能。为了最小化生物安全风险并保持明胶结构，使用了每种溶剂的最低有效浓度。所得薄膜经过评估，包括残留溶剂含量、物理化学性质、光学透明度、热性能、在不同介质（PBS、水和乙醇）中的释放动力学以及对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，并结合核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见光谱（UV-Vis）来表征溶剂依赖性的槲皮素聚集模式与薄膜性能之间的关系，从而为未来的配方设计提供机制性理解。

材料

使用了以下材料：明胶（猪源，B型，250 Bloom；Macklin生化技术有限公司，上海，中国）、微晶纤维素（MCC）、 ninhydrin试剂（Macklin）、槲皮素（纯度>97%，Aladdin生化技术有限公司，上海，中国）、琼脂、鱼肽、牛肉提取物（Hope生物技术有限公司，青岛，中国）、DMSO、无水乙醇、氯化钙、甘油、醋酸以及其他分析级试剂（Sinopharm有限公司，上海，中国）。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）

使用FTIR研究了用于将槲皮素掺入薄膜基质的溶剂对其化学结构的影响（图1A）。向GD基质中添加槲皮素并未导致蛋白质结构的显著变化，所有特征性的酰胺峰在样品中保持不变。槲皮素的特征峰包括：OH伸缩峰在3382 cm^-1和3270 cm^-1，芳基酮C=O伸缩峰在1664 cm^-1，以及苯环振动峰在1607 cm^-1。

结论

本研究展示了溶剂选择对槲皮素在蛋白质基薄膜中掺入的显著影响。溶剂在调节薄膜的物理化学性质、槲皮素分布、释放行为和抗菌效果方面发挥了重要作用。FTIR、XRD、光谱、热分析和SEM分析表明，薄膜干燥过程中的溶剂挥发性在决定槲皮素在薄膜中的分布方面起着重要作用。

声明利益冲突

作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

Myat Noe Khin：撰写——原始草稿，正式分析，数据管理。Fahad Al-Asmari：资金获取。Ashwag Shami：撰写——审阅与编辑。Lin Lin：可视化，监督，项目管理，概念构思。Maher S. Alwethaynani：撰写——审阅与编辑。Chong Yuen Yuen：验证，软件。Shabbir Ahammed：方法学，研究。Maryam M. Alomran：资金获取。Tariq Aziz：资源支持。

未引用参考文献

Abdul mudalip等人，2013；Khin等人，2024。

致谢

本研究得到了“国家自然科学基金”（项目编号：32350410429）和“江苏省优秀博士后人才资助计划”（项目编号：2023ZB887）的支持。作者感谢沙特阿拉伯利雅得Nourah bint Abdulrahman大学的研究支持项目（PNURSP2026R221）。作者还感谢King Faisal大学科学研究部（DSR）的支持。