蝦青素的運載體系研究進展

孟豪杰,潘 麗*,劉彥君,李 茜,郭雨禾,張傲涵

1.河南工業大學 國家糧食和物資儲備局糧油食品工程技術研究中心/河南省重點實驗室,河南 鄭州 450001

2.中糧(鄭州)糧油工業有限公司,河南 鄭州 450016

蝦青素(Astaxanthin,ATX)是一種天然類胡蘿卜素,廣泛存在于水生生物、真菌生物及動物羽毛中[1]。由于天然蝦青素具有強抗氧化性和多種生理功能,因此在醫藥、食品和化妝品等領域被廣泛應用。但蝦青素化學性質不穩定,在加工、貯藏和運輸途中容易受環境的影響從而喪失生物活性。此外,蝦青素水溶性差,在消化液中的低溶解度以及與腸道中膽堿、脂類等的結合會影響蝦青素的生物利用度,限制了其在食品工業中的應用[2]。因此,研究開發穩定的蝦青素運載體系對提高其生物利用度具有重要意義。

國內外研究發現通過運載體系對蝦青素進行包埋,可有效地降低環境因素對蝦青素的影響,控制其靶向釋放,提高其穩定性和生物利用度[3]。傳統乳液運載體系能有效解決蝦青素水溶性差的問題,在傳統乳液的基礎上發展而來的Pickering乳液和多重乳液等新型乳液運載體系,可以顯著提高蝦青素的化學及儲藏穩定性[4-5]。以生物大分子做壁材對蝦青素進行包埋形成的微膠囊和納米顆粒,保護蝦青素的同時可以提高其生物利用度[6-7]。此外,由磷脂合成的脂質體和固液混合脂質合成的納米結構脂質載體都具有較高的藥物負載能力[8-9]。

然而,每種運載體系均存在不同程度的缺陷,乳液運載容易受到溫度、pH值等外界條件的影響從而導致蝦青素泄漏,脂質體是熱力學不穩定體系,存在易聚集、氧化及芯材泄漏等問題。選擇蝦青素運載體系時需要考慮具體的應用場景和目的,同時,還需要進行大量的實驗研究來驗證不同運載體系的效果和適用性。本文對多種運載體系的構建方法、技術手段及運載效率進行了分析,對比不同運載體系的優缺點,整理出蝦青素運載體系的優化思路,以期為蝦青素的實際應用提供理論參考。

1 蝦青素簡介

1.1 蝦青素結構與性質

蝦青素,又名蝦黃質,常溫下天然蝦青素呈紅色固體粉末狀,不溶于水,易溶于二氯甲烷、氯仿等有機溶劑[10]。蝦青素是一種酮式類胡蘿卜素,也是非維生素A原的類胡蘿卜素,化學名稱為3,3′-二羥基-4,4′-二酮基-β,β′-胡蘿卜素,分子式為C40H52O4[1]。

蝦青素在肉及內臟中主要以游離形式存在,而在紅酵母和雨生紅球藻中主要以酯化形式存在。游離態的蝦青素結構中存在著共軛雙鍵和不飽和的酮基與羥基,導致其極不穩定,易被氧化,而蝦青素可以通過其末端的羥基與脂肪酸形成酯鍵以酯化態的形式來提高穩定性[11]。

1.2 蝦青素的生理功能

蝦青素有多種生理功能,如抗氧化、提高機體免疫力、預防癌癥和心血管疾病、抗炎、抗腫瘤等[2]。蝦青素抗氧化活性是玉米黃質、葉黃素、角黃素和β-胡蘿卜素的10倍,是α-生育酚的100倍[12]。蝦青素可以增強免疫力,可能與蝦青素的抗氧化活性相關。單線態氧會促進動物體內自由基的生成,而自由基會影響巨噬細胞、T淋巴細胞及B淋巴細胞的完整性。蝦青素可以淬滅單線態氧,清除氧自由基,穩定免疫細胞膜結構,通過保護各種免疫細胞的完整性增強免疫力。在細胞免疫方面,蝦青素可以促進小鼠脾淋巴細胞增殖;在體液免疫方面,蝦青素可以提高血清溶血素水平,促進抗體產生[13];在抗癌方面,蝦青素不僅可以誘導癌細胞凋亡、促進癌細胞自噬,還可以抑制癌細胞增殖、轉移與分化,調控癌細胞周期[1]。

2 蝦青素運載體系

蝦青素在食品、藥品、化妝品、動物飼料等行業中都有廣泛的應用,通過不同運載體系對蝦青素進行包埋,可以提高其穩定性與生物利用度。依據粒徑大小,可以將蝦青素運載體系分為微米級運載體系和納米級運載體系。根據包埋蝦青素的壁材、技術方法和最終形態不同,蝦青素運載體系可分為乳液(Nanoemulsion)、微膠囊(Microcapsule)、納米顆粒(Nanoparticle)、脂質體(Liposome)和納米結構脂質(Nanostructured lipid carrier,NLC)載體[14],示意圖見圖1。

圖1 不同運載體系示意圖Fig.1 Different delivery systems for loading astaxanthin

2.1 乳液

乳液是將生物活性物質溶解在有機相或水相中,在外力的作用下將水相與有機相混合,通過乳化劑降低界面張力,形成穩定的膠體體系。乳液運載體系包埋可以防止生物活性物質被降解,提高其穩定性和生物利用度[15]。傳統乳液對活性物質進行包埋容易泄漏,導致包埋率較低,且在儲藏期間容易出現分層和凝絮現象,不利于長期儲存。為了解決這些問題,研究人員已開發出了多種新型乳液運載體系,如微乳液、納米乳液、多層乳液、Pickering乳液和非水納米乳液。

微乳液通常指將油、水和表面活性劑混合在一起形成的熱力學穩定體系[16]。Li等[17]使用共晶溶劑、吐溫80和水組成新型微乳液負載蝦青素,顯著提高了蝦青素的溶解度和抗氧化活性。納米乳液是由兩種不混溶液體組成的膠體分散體系,與傳統乳液相比,納米乳液對蝦青素的包封率更高,主要是由于納米乳液粒徑較小,分散程度與蝦青素嵌入疏水內層的概率都有所增加,進而能夠提高蝦青素的生物利用度與生物穩定性[14]。Shanmugapriya等[18]采用自發乳化和超聲乳化制備的蝦青素-α生育酚納米乳液液滴粒徑分別為189～216 nm和106～213 nm,兩種方法制備的納米乳液都具有良好的穩定性,并且在抗癌、傷口愈合和抗菌方面都有顯著效果。在食品行業制備乳液的過程中,食品級生物兼容性強的生物大分子乳化劑將逐漸取代化學合成乳化劑。吳婉儀等[19]以大豆卵磷脂為乳化劑,采用高壓均質法制備的負載蝦青素的納米乳液粒徑為238.84 nm,蝦青素的負載率達到了90.41%。在乳液制備的過程中加入不同的穩定劑,如增稠劑、加重劑、質地改性劑及凝膠劑等可以增強乳液的穩定性[20],Xia等[21]將棕櫚蠟與二十二烷醇以質量比1∶4組合后得到復合凝膠劑,制備了負載蝦青素的復合油凝膠納米乳液,與單凝膠型凝膠相比,蝦青素的生物利用度明顯提高。非水納米乳液是使用油相取代乳液常用的水相形成油包油乳液,Sun等[22]使用高壓均化技術用甘油代替水相,解決了傳統乳液水相中氧溶解導致蝦青素降解的問題。多層乳液是由帶相反電荷的乳化劑通過靜電相互作用穩定乳液體系,通過用多層可食用生物聚合物包覆脂滴,提高乳液的理化穩定性[23-24]。Liu等[4]使用脂滴、殼聚糖和果膠對蝦青素進行多層包覆制備多層乳液,結果表明,多層包覆改善了蝦青素的化學穩定性,儲存期間蝦青素在多層乳液中的降解速率為傳統乳液的1/4～1/3。Pickering乳液是使用固體顆粒作為乳化劑,通過降低油水之間的界面能,從而形成的一種具有強抗聚集、低乳液毒性的穩定乳液[25]。Zhang等[5]將食品級的鱈魚蛋白-殼聚糖納米復合物作為乳化劑制備了高內相Pickering乳液,由于靜電作用,鱈魚蛋白-殼聚糖組成的納米復合物比鱈魚蛋白顆粒具有更強的乳化能力,顯著提高了蝦青素的化學穩定性,蝦青素的生物利用度達到了49%。

綜上,乳液體系運載蝦青素的研究可以側重于以下4個方面：控制包埋蝦青素的脂滴粒徑,小粒徑脂滴可以加快蝦青素的釋放和溶解,提高蝦青素的生物利用度;在乳液制備的過程中根據實際應用的不同需求選擇穩定劑,提高乳液穩定性;選用食品級和生物相容性好的乳化劑可以拓展蝦青素的應用范圍;優化乳液工藝或開發新型乳液運載體系。

2.2 微膠囊

微膠囊主要由芯材和壁材兩部分組成,用高分子材料(壁材)包埋所需物質(芯材)形成微小粒子的過程稱為微膠囊化。微膠囊化可以使液態成分轉化為固態,并在使用時保持良好的液相反應性,還具有延長芯材的儲存時間、掩蓋氣味和提高穩定性等特點。微膠囊的包埋效果主要取決于壁材和制備工藝。目前在食品行業中,噴霧干燥、冷凍干燥、復合凝聚、空氣懸浮和分子包埋是常用的微膠囊制備方法[26-27]。

Yang等[27]以5種不同的蛋白質基質作為壁材制備蝦青素微膠囊,結果表明5種蛋白壁材均能顯著提高蝦青素的生物利用度,以乳清蛋白為壁材制備的微膠囊不僅生物利用度最高,而且有效提高了蝦青素的穩定性及水溶性?？笛┓萚28]使用木糖和葡萄糖接枝改性過的玉米醇溶蛋白作為壁材,制備蝦青素微膠囊,與未改性的玉米醇溶蛋白相比,蝦青素的包埋率提高了10%。Shen等[29]分別以乳清分離蛋白-可溶性玉米纖維與酪蛋白酸鈉-可溶性玉米纖維兩種材料為壁材,采用噴霧干燥法制備蝦青素微膠囊,兩種壁材體系的微膠囊化效率都達到了95%,說明這兩種親水基質都適合包埋蝦青素,在功能性食品中有廣闊的應用前景。方溶熙等[30]使用疏水性深共晶溶劑溶解蝦青素制備微膠囊,解決了蝦青素微膠囊有機溶劑殘留的問題。Morales等[31]對多層乳液進行噴霧干燥制備的蝦青素微膠囊具有高溶解度、低水分和高包封率等優點。噴霧干燥法成本低、耗時短、工業生產效率高,是當前制備微膠囊的主要工藝。然而,制備微膠囊時,較高的干燥溫度和過度的蒸發會導致其表面出現裂縫,降低微膠囊的穩定性[28]。冷凍干燥可以避免噴霧干燥因溫度產生的問題,Feng等[32]通過冷凍干燥制備蝦青素微膠囊,提高了蝦青素的溶解性、穩定性和抗氧化活性。復合凝聚法制備微膠囊主要是利用帶有相反電荷的兩種或多種高分子材料作為壁材,把芯材分散到壁材溶液中,在適宜狀態下發生交聯后再和芯材凝聚形成微膠囊[33]。Zhou等[6]選擇乳清蛋白和阿拉伯膠作為壁材,通過復合凝聚法制備的蝦青素微膠囊顯著提高了蝦青素的生物利用度。

微膠囊技術可以有效地保護蝦青素,在食品、醫藥和化妝品等領域已經初步應用。對于微膠囊而言,壁材的選擇尤為重要,不同的壁材決定著產品的物化性質及芯材的釋放效果[31]。因此,壁材的選擇、開發或優化工藝是未來微膠囊研究的主要方向。

2.3 納米顆粒

納米顆粒運載體系是納米運載體系中的一種,通過納米顆粒對生物活性物質成分進行包埋并遞送,從而實現對生物活性成分的傳遞和控釋[34]。

Sorasitthiyanukarn等[7]采用油水乳化-離子凝膠法制備了負載蝦青素的殼寡糖/藻酸鹽納米顆粒(ATX-coanps),與游離蝦青素相比,包埋后蝦青素的穩定性、生物利用度和抗氧化活性均顯著提高。Hu等[35]利用硬脂酸-殼聚糖偶聯物、酪蛋白酸鈉和氧化葡聚糖制備了復合納米顆粒,其平均粒徑為120 nm,分布均勻,具有較高的封裝率,并且包埋后的蝦青素水分散性顯著提高。Edelman等[3]將溶解在乙醇中的蝦青素滴加到馬鈴薯蛋白中形成馬鈴薯蛋白-蝦青素納米顆粒,經模擬胃腸道消化后,包埋后的蝦青素保留率達78%,生物利用度是未包封的11倍。Chen等[36]利用三苯基溴化膦修飾糖基化蛋白,制備了新型納米顆粒,體外試驗表明,新型蝦青素納米顆粒能顯著保護細胞免受氧化損傷,維持正常的線粒體膜電位水平。Kaga等[37]采用超臨界流體分散法制備聚乙烯吡咯烷酮-蝦青素納米顆粒,發現壓力對顆粒粒徑有顯著影響,在較高的密度下,由于快速混合和傳質,顆粒粒徑隨壓力的增大而減小。

納米顆粒負載蝦青素通常利用生物大分子作為載體,如多糖、蛋白質和蛋白質-多糖復合物,蛋白質和多糖這種天然存在的生物大分子具有良好的生物相容性和生物可降解性等優點。然而,環境條件的改變(如pH值、溫度、離子強度等)會影響這些生物大分子之間的相互作用,進而影響納米顆粒的穩定性[34],尋找新型生物大分子作為載體制備納米顆?；蛟S是提高蝦青素生物利用度的有效途徑。

2.4 脂質體

脂質體是由磷脂在水中聚集形成的雙分子層結構的囊泡[38],其結構與細胞膜類似。作為負載營養素的運輸載體,脂質體具有良好的生物相容性,可以保護被包裹的營養素不被氧化,提高其穩定性和生物利用度。脂質體的獨特優點在于由磷脂構成的雙層膜,磷脂分子在形成脂質體時會在雙分子層內部排列疏水基團,脂質體內外排列親水性基團。親水性的頭部在囊泡的內外表面,囊泡內部可以包埋親水性物質,親脂性的尾端可以形成疏水區包埋親脂性物質。

Pan等[39]以大豆磷脂為原料,采用薄膜分散-超聲技術將蝦青素包埋在納米脂質體中,研究表明負載蝦青素的納米脂質體具有包封率高、粒徑小、粒徑分布均勻等優點,經納米脂質體包裹后的蝦青素熱穩定性明顯增強,水分散性顯著提高。蝦青素脂質體在儲藏期間易發生降解與沉淀,對其進行修飾和改性可以有效地提高蝦青素脂質體的穩定性。Qiang等[40]以蛋黃卵磷脂和膽固醇為原料,采用薄膜分散-超聲法制備蝦青素脂質體,然后用殼聚糖鹽酸鹽(Chitosan hydrochloride,CH)和乳鐵蛋白(Lactoferrin,LF)對脂質體進行修飾,CH和LF通過靜電作用在脂質體表面進行包覆,增強了CH-ATX脂質體和LF-ATX脂質體的理化性質和穩定性。Pan等[41]利用乳清分離蛋白涂層包覆蝦青素脂質體,與未包覆的脂質體相比,包覆的蝦青素脂質體的熱穩定性明顯增強。此外,乳清分離蛋白包覆的蝦青素脂質體在加熱和光照作用下的物理穩定性也得到了提高。常見制備脂質體的方法除了薄膜水化法還有反向蒸發法和乙醇注入法。反向蒸發法制備脂質體是通過將活性物質溶于緩沖液,在洗膜的過程中實現對活性物質的包埋,進而形成脂質體。該方法制備的脂質體包封率高、穩定性好,適用于包埋水溶性物質,但易受離子強度影響,在一定條件下,離子強度增大,包封率會隨之降低[42]。李啟彬等[43]采用反向蒸發法制備細菌素QY-C與蝦青素復合納米脂質體,蝦青素的包封率達到了80%以上。乙醇注入法制備脂質體是通過注射器將油相以滴加的方式加入水相中,然后進行水化,蒸發去除有機溶劑后,再通過超聲等方法形成脂質體。因乙醇注入法制備工藝簡單,是目前制備脂質體的主要方法,但該方法制備的脂質體包封率相對較低。楊安平等[44]采用乙醇注入法制備蝦青素脂質體,制備工藝優化后,平均包封率為(35.28±0.93)%。脂質體制備過程中會加入膽固醇用于提高脂質體膜穩定性,但是膽固醇攝入過多對人體健康會產生一定的危害,而利用類固醇制備脂質體可以避免膽固醇的負面作用。常振剛等[45]和Srihera等[8]分別選擇植物甾醇油酸酯和海參硫酸甾醇代替膽固醇制備蝦青素脂質體,包封率均達到了93%以上。

薄膜分散-超聲技術是實驗室制備蝦青素脂質體的常用方法,具有粒徑小、包封率高、穩定性強等優點。未來關于脂質體負載蝦青素的研究重點可以放在以下幾個方面：對脂質體進行修飾提高蝦青素的穩定性,使用類固醇取代膽固醇從而拓寬蝦青素的應用范圍,優化和開發新工藝確保蝦青素具有較高包封率的同時適合工業化生產。

2.5 納米結構脂質

納米結構脂質是基于固體脂質納米顆粒運載體系進一步改進得到,它的基質是由液體脂質和固體脂質混合制成,其結構中的甘油三酯脂肪酸鏈和固體脂質鏈之間存在間隙,從而提高了載藥率。又因為固體脂質熔化需要一定的溫度,而固液混合脂質可以降低脂質的熔點,所以納米結構脂質是一種應用更加廣泛的運載體系[46]。

Rodriguez-Ruiz等[47]以葵花籽油為液體脂質,采用熱均化法合成蝦青素納米脂質,提高了蝦青素穩定性和抗氧化活性。Geng等[48]以硬脂酸、單硬脂酸甘油酯等作為固體脂質,豆油、肉豆蔻酸異丙酯作為液體脂質采用乳化超聲法制備新型的蝦青素納米結構脂質,具有粒徑小、粒徑分布均勻、封裝效率高及穩定性好等特點。高紅[49]采用均質乳化-探頭超聲法制備蝦青素納米脂質,對其工藝進行優化后得到的脂質載體平均包封率為81.36%。Huang等[50]通過高壓均質法制備了蝦青素納米脂質,然后將其加入海藻酸微凝膠中進行二次包覆,顯著提高了蝦青素的化學穩定性。毛昕宇[9]采用熱高壓均質法制備了包封率為94.8%的蝦青素納米脂質,具有明顯緩釋效果。

制備納米結構脂質載體方法主要有微乳液法、溶劑擴散法、乳化超聲法和高壓均質法等,而用于包埋蝦青素的方法主要有乳化超聲法和高壓均質法。乳化超聲法因工藝條件限制,多用于實驗室制備。高壓均質法制備工藝簡單,適合工業化生產,但制備過程中過高的溫度、過度的均質化壓力和均化次數等因素都不利于乳液的穩定性,同樣會影響到工業化生產的成本及效率[9]。制備工藝和油相的選擇是影響納米結構脂質載體的重要因素,因此,對納米脂質載體進行修飾、改善制備工藝條件或選用多種復合脂質都將有助于提高蝦青素的生物利用度。

蝦青素運載體系優缺點及改進方法見表1。

表1 運載體系優缺點及改進方法Table 1 Advantages,disadvantages and improvement methods of the delivery systems

3 結論及展望

由于蝦青素優異的生理功能,其在食品、藥品、化妝品等領域的應用需求逐漸增大,根據不同的需求選擇運載體系,可以使蝦青素發揮出優異的生理功能。將蝦青素溶于油相中制備成乳液可以有效解決水溶性差的問題。通過多糖或者蛋白質等生物大分子對乳液進行包封,形成的微膠囊能顯著提高蝦青素的穩定性。納米結構脂質同時使用固體和液體脂質提高納米結構脂質的載藥率。脂質體具有良好的生物相容性和高包封率等特點,是極具發展潛力的一種運載體系。目前有關蝦青素運載體系的研究多集中在包封率和穩定性上,未來的研究需要著重于載藥率、靶向性及毒理學安全性,從而實現蝦青素的高效利用。關于優化蝦青素運載體系的研究可著重于以下3個方面：運載工藝條件的優化、運載體系修飾、多種運載體系有效的結合,從而開發出更穩定、高效且適合工業化生產的蝦青素運載體系。