基于β-環(huán)糊精的姜黃素傳遞載體的研究進(jìn)展

陳帥，高彥祥

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京 100083)

姜黃素(curcumin)是一種天然的多酚類化合物，主要來源于姜科、天南星科中的一些植物根莖。外觀為橙黃色的結(jié)晶粉末，辛香輕淡，略有生姜的辣味，在食物的“色、香、味”3個要素中具備“色和味”2個要素，可作為調(diào)味品和色素廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中，在印度的咖喱和土耳其的烤肉卷中也常用姜黃粉或姜黃素作為調(diào)味品，姜黃素也可添加于雞精調(diào)味料、火鍋調(diào)味料等生產(chǎn)復(fù)合調(diào)味品中。此外，研究表明姜黃素具有較強(qiáng)的抗氧化性，能夠有效降低高血脂、高血壓等慢性疾病的發(fā)病率[1]，還具有預(yù)防老年癡呆[2]、保護(hù)肝臟等功效[3]。然而姜黃素在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)，例如在水中的溶解度很低(約11 ng/mL)[4]，難以應(yīng)用于水溶性食品體系，而且姜黃素在光、熱、氧條件下容易降解。口服攝入的姜黃素只有很少量被人體消化吸收，而且會在腸細(xì)胞和肝細(xì)胞內(nèi)與葡萄糖苷酸和硫化物結(jié)合，很快代謝并排出體外，難以發(fā)揮其生理功效。構(gòu)建傳遞載體是解決上述問題的一種有效方法，蛋白質(zhì)、多糖和脂類等很多材料都可以作為傳遞載體的基礎(chǔ)物質(zhì)，其中β-環(huán)糊精作為一種來源廣泛的天然材料，不僅具有優(yōu)良的包埋性能，還可以在體內(nèi)消化吸收，對人體安全無害，是一種較為理想的載體材料。以β-環(huán)糊精作為基質(zhì)制備姜黃素的傳遞載體，可以充分地與姜黃素包埋結(jié)合，不僅增加了姜黃素的水溶性和穩(wěn)定性，而且延長了姜黃素在胃腸內(nèi)的停留時間，促進(jìn)了消化吸收，提高了姜黃素的生物利用率。因此，本文結(jié)合近年來國內(nèi)外的文獻(xiàn)報道，綜述了β-環(huán)糊精傳遞載體的構(gòu)建及其在運(yùn)載姜黃素方面的最新研究進(jìn)展，旨在為姜黃素在食品和調(diào)味品中的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 β-環(huán)糊精的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

β-環(huán)糊精(β-cyclodextrins)是由淀粉經(jīng)過芽孢桿菌所產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶的作用，生成的一種環(huán)狀低聚糖[5]。

圖1 β-環(huán)糊精的分子結(jié)構(gòu)

由圖1可知，β-環(huán)糊精分子含有7個D-吡喃葡萄糖，并以α-1,4糖苷鍵首尾相連而成環(huán)狀，每個葡萄糖都是椅型構(gòu)象，其立體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)上寬下窄中空的截錐狀空腔。β-環(huán)糊精的羥基均聚集在分子的外側(cè)邊緣，所以分子外部具有較強(qiáng)的親水性，分子內(nèi)部由于存在C-H的屏蔽作用而具有疏水性[6]。由于β-環(huán)糊精獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以作為傳遞載體包裹姜黃素、白藜蘆醇、番茄紅素、蝦青素和香蘭素等天然活性化合物，從而實(shí)現(xiàn)對天然活性化合物的保護(hù)和控制釋放作用[7-13]。

β-環(huán)糊精的分子量為1135 Da，空腔高度約為7.9 ?，空腔直徑約為6.5 ?，室溫下水中的溶解度為1.85 g/dL。一般β-環(huán)糊精結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，耐儲存，對酸、堿和熱都能保持一定的穩(wěn)定性[14]。在化學(xué)反應(yīng)方面，β-環(huán)糊精的C-2，C-3和C-6位置上的羥基上可以連接新的化學(xué)基團(tuán)生成環(huán)糊精衍生物，例如生成酯化環(huán)糊精或醚化環(huán)糊精。此外，C-2-C-3化學(xué)鍵和C-O-C化學(xué)鍵也能經(jīng)過化學(xué)斷鍵接枝聚合反應(yīng)生成環(huán)糊精衍生物，使其能夠根據(jù)實(shí)際需求生產(chǎn)不同性質(zhì)的環(huán)糊精衍生物，從而在構(gòu)建傳遞載體方面具有更多的選擇性和優(yōu)勢[15]。

2 β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體的制備

圖2 姜黃素的分子結(jié)構(gòu)

由圖2可知，姜黃素分子結(jié)構(gòu)中含有2個苯環(huán)和1個碳鏈，這使得姜黃素的分子極性較低，疏水性較大，而β-環(huán)糊精是一個外部親水，內(nèi)部疏水的空腔結(jié)構(gòu)。因此，在疏水作用下姜黃素分子能夠自發(fā)進(jìn)入β-環(huán)糊精的空腔內(nèi)，通過自組裝形成一個傳遞體系(見圖3)[16]，減小了姜黃素與周圍環(huán)境的直接接觸，提高其對光、熱和氧的穩(wěn)定性，并且有利于姜黃素-β-環(huán)糊精分散于水相中，拓展了姜黃素在食品工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

圖3 基于β-環(huán)糊精的姜黃素傳遞載體的制備過程

2.1 基于溶液的姜黃素傳遞載體

基于溶液的β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體是在食品行業(yè)中應(yīng)用最多的一種類型，利用β-環(huán)糊精包埋可以使姜黃素等很多不溶于水或難溶于水的物質(zhì)在水相體系中增溶，使其更方便地在飲料、口服液等產(chǎn)品中應(yīng)用。制備過程大致為：先配制β-環(huán)糊精的水溶液，然后按比例直接加入姜黃素或姜黃素的有機(jī)溶劑溶液，并充分混合，為了起到更好地包埋和增溶效果，通常還會選擇合適的溶劑、調(diào)節(jié)溫度和pH以及利用超聲波輔助等方法[17,18]。例如：Haiyee等用飽和水溶液法制備一種環(huán)糊精-姜黃素包合物，并且包合物可以很好地分散于水中。將β-環(huán)糊精進(jìn)行衍生化反應(yīng)得到的β-環(huán)糊精衍生物，能夠更好地包埋姜黃素和提高其溶解性，例如羥丙基-β-環(huán)糊精制備的傳遞載體對姜黃素的增溶效果優(yōu)于β-環(huán)糊精。采用飽和水溶液法制備的羥丙基β-環(huán)糊精姜黃素傳遞載體，姜黃素在水中的溶解度增加了276倍[19], 口服生物利用率也提高了近3倍[20]。

2.2 基于固體顆粒的姜黃素傳遞載體

利用β-環(huán)糊精做成的固體顆粒傳遞載體，可以做成粉劑，便于運(yùn)輸和儲存，而且應(yīng)用范圍更廣。制備固體顆粒有2種工藝路線：一種是可以直接將β-環(huán)糊精和被包埋物質(zhì)混合，用球磨機(jī)或在研缽中研磨混合，使被包埋物質(zhì)充分地與β-環(huán)糊精結(jié)合[21,22]；另一種是利用β-環(huán)糊精和包埋物質(zhì)在溶液中形成包合物后，利用溶劑蒸發(fā)、低溫干燥、冷凍干燥或噴霧干燥等方法得到固體顆粒[23,24]。基于固體顆粒的β-環(huán)糊精姜黃素傳遞載體，姜黃素的負(fù)載量最大能達(dá)到總重的1/2。利用研磨法制備的β-環(huán)糊精-姜黃素在水中的溶解度比游離態(tài)的姜黃素提高了約100倍，利用溶劑蒸發(fā)法制備的β-環(huán)糊精-姜黃素固體顆粒能將姜黃素的溶解度提高約1026倍，利用冷凍干燥法制備的β-環(huán)糊精-姜黃素能將姜黃素的溶解度提高1052倍[25]。此外，基于固體顆粒的β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體具有非常好的貯存穩(wěn)定性，在25 ℃條件下貯存3個月，姜黃素的保留率仍高達(dá)90%以上。

2.3 基于凝膠的姜黃素傳遞載體

凝膠(gel)是一種將液體包裹在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的半固態(tài)基質(zhì)[26]，不同的溶劑體系下β-環(huán)糊精形成凝膠的過程大同小異，見圖4。首先β-環(huán)糊精要先分散于溶劑中，在加熱的條件下，β-環(huán)糊精形成頭對頭、尾對尾的二聚體，大量的二聚體組裝為凝膠纖維簇，很多纖維簇彼此交織起來構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠[27]。β-環(huán)糊精凝膠可以作為化學(xué)材料，也可以作為藥品、脂溶性天然物質(zhì)的運(yùn)載體。

圖4 β-環(huán)糊精形成凝膠過程的機(jī)理圖

凝膠可以分為水凝膠和有機(jī)凝膠2種傳遞載體。水凝膠是一種內(nèi)部充滿水溶液的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠[28]。β-環(huán)糊精可以通過直接交聯(lián)、與其他單體共聚、固載于水凝膠基質(zhì)中及超分子自組裝等方式形成水凝膠[29]。β-環(huán)糊精水凝膠具有溫度、觸變等刺激響應(yīng)性和良好的生物相容性，在傳遞運(yùn)載藥物和功能因子方面有著非常好的發(fā)展前景[30]。通過飽和溶液法制備β-環(huán)糊精-姜黃素的納米顆粒分散液，然后經(jīng)過冷凍干燥得到固體顆粒，再將固體顆粒均勻混入丙烯酸聚合物(凝膠因子)的水溶液中，并調(diào)節(jié)pH使混合溶液凝膠化，即可得到β-環(huán)糊精-姜黃素的水凝膠[31]。通過研磨法制備β-環(huán)糊精-姜黃素的固體顆粒，與殼聚糖溶液混合，然后冷卻得到一種熱敏性的水溶膠[32]，β-環(huán)糊精-姜黃素的水凝膠具有非常好的滲透性，可用于皮膚涂抹輔助治療關(guān)節(jié)炎，也可添加于食品基質(zhì)，通過口服攝入，在胃腸道消化過程中具有緩釋作用。

3 β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體的分析和表征

一般而言，利用β-環(huán)糊精和姜黃素制備成傳遞載體后，姜黃素的供電子基團(tuán)和發(fā)色基團(tuán)進(jìn)入β-環(huán)糊精空腔內(nèi)，空腔內(nèi)的高密度電子云與姜黃素苯環(huán)上的π電子流發(fā)生相互作用，從而使姜黃素的紫外吸收和熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，在300～500 nm范圍內(nèi)進(jìn)行紫外波長掃描或者在450～600 nm范圍內(nèi)進(jìn)行熒光光譜掃描，根據(jù)波長遷移可以定性判斷β-環(huán)糊精對姜黃素的包埋效果。通過姜黃素的包埋率和負(fù)載率可以定量反映β-環(huán)糊精對姜黃素的包埋效果，包埋率是指被β-環(huán)糊精包埋的那部分姜黃素質(zhì)量與全部姜黃素質(zhì)量的百分比(%)，負(fù)載率是指被β-環(huán)糊精包埋的那部分姜黃素質(zhì)量與整個傳遞載體質(zhì)量的百分比(%)。計算包埋率和負(fù)載率的前提是需要對姜黃素進(jìn)行定量檢測，可以使用紫外-可見分光光度計在444 nm波長下測定姜黃素的含量[33]，優(yōu)點(diǎn)是簡便易操作，成本較低，節(jié)省時間，缺點(diǎn)是待測樣品中的其他成分也可能在444 nm下有光譜吸收，會對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的干擾；也可以使用高壓液相色譜法對姜黃素進(jìn)行定量檢測[34]，先將姜黃素通過色譜柱的洗脫與其他成分分離，然后通過檢測器定量分析，測定結(jié)果較準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是成本較高，消耗時間長。

常用于表征β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體的方法包括紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和示差掃描熱量儀(DSC)等。紅外光譜可用于表征β-環(huán)糊精和姜黃素分子之間的相互作用，主要反映分子的官能團(tuán)變化，根據(jù)3300～3500 cm-1范圍內(nèi)的波長遷移可以研究分子之間的氫鍵作用，根據(jù)1650 cm-1附近的波長遷移可以判斷分子之間的疏水效應(yīng)等[35]。為了獲得更多分子間相互作用的信息，常采用拉曼光譜進(jìn)行輔助判斷，拉曼光譜主要反映分子的骨架和生物大分子，由于環(huán)狀化合物在拉曼光譜可產(chǎn)生較強(qiáng)的譜帶，而姜黃素分子中含有2個苯環(huán)，因此拉曼光譜常用于分析姜黃素的變化[36]。利用掃描電鏡可以直觀地觀察β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體的微觀形貌[37]，β-環(huán)糊精和姜黃素二者形成復(fù)合物之后的形貌與先前的形貌具有明顯差異，并且變得無規(guī)則化。在X射線衍射圖譜上，姜黃素的衍射角(2θ)位于7.83°，8.78°，11.99°，13.76°，15.79°，17.13°，21.01°，而β-環(huán)糊精的衍射角(2θ)位于10°～15°和15°～20°，將β-環(huán)糊精和姜黃素進(jìn)行物理混合，這些特征衍射角基本不變，而制備成β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體以后，特征衍射角消失或減弱，證實(shí)了β-環(huán)糊精和姜黃素二者之間形成復(fù)合物[38]。與此類似，通過示差掃描熱量儀觀察β-環(huán)糊精和姜黃素的熱分析圖譜，根據(jù)熱吸收峰的遷移變化也能證實(shí)β-環(huán)糊精和姜黃素二者并非簡單的物理混合，而是形成結(jié)合緊密的復(fù)合物。

4 β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體在食品和調(diào)味品中的應(yīng)用

β-環(huán)糊精作為傳遞載體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品和調(diào)味品中并且取得了較好的效果。基于β-環(huán)糊精的傳遞載體可以提高姜黃素等一些不溶于水或難溶于水的物質(zhì)的溶解性；通過包埋作用提高其對光、熱、氧和酸堿的穩(wěn)定性，改變姜黃素在食品基質(zhì)中的表面理化性質(zhì)，例如色變和結(jié)塊等。β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體有助于開發(fā)更多新穎的產(chǎn)品，例如將β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體應(yīng)用于香草冰激凌中，不僅賦予了冰激凌的色彩，而且增添了它獨(dú)特的品質(zhì)和風(fēng)味[39]。此外，β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體還可以用于面食、糖果、果酒、罐頭、蛋白飲料及烹飪菜肴中，作為復(fù)合調(diào)味品添加于雞精復(fù)合調(diào)味料、火鍋調(diào)味醬、方便食品調(diào)味料、膨化調(diào)味料、膏狀香精香料、調(diào)味醬菜、牛肉干制品、方便面及薯片等中，在食品和調(diào)味品中應(yīng)用范圍非常廣泛。

5 結(jié)論與展望

姜黃素作為一種調(diào)味品、天然色素和功能性活性物質(zhì)，在食品和調(diào)味品應(yīng)用中具有悠久的歷史，但是水溶性差、性質(zhì)不穩(wěn)定和生物利用率低一直都是限制其開發(fā)利用的難題?；讦?環(huán)糊精獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)、良好的運(yùn)載性能、可以有效克服姜黃素的特點(diǎn)，大大拓展了姜黃素在食品和調(diào)味品中的應(yīng)用范圍。目前基于溶液的傳遞載體和基于固體顆粒的傳遞載體已經(jīng)表現(xiàn)出很多實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，但是基于凝膠的傳遞載體仍然值得進(jìn)一步研究。由于凝膠自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性和理化性質(zhì)，可以預(yù)見，未來β-環(huán)糊精凝膠會在食品領(lǐng)域得到更廣泛的關(guān)注和研究，相信以后隨著新技術(shù)和新工藝的發(fā)展，β-環(huán)糊精-姜黃素傳遞載體能夠在食品工業(yè)中得到更多的應(yīng)用。