姜燕蓉,劉鍇鍇,齊筱瑩,牛寧,郝志娜,胡建恩,盧航,趙慧
(大連海洋大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 大連,116600)
蝦青素(3, 3’-二羥基-4, 4’-二酮基-β, β’-胡蘿卜素)主要存在于藻類、酵母、甲殼類動物和魚類表皮[1],它是具有13個共軛雙鍵的酮式類胡蘿卜素。由于具有特殊的分子結(jié)構(gòu),蝦青素可以通過多種途徑防止氧化應(yīng)激損傷,具有強(qiáng)抗氧化性[2]。另外,蝦青素還具有抗炎、抗糖尿病、抗腫瘤、免疫等多種生物功效[3]。
蝦青素在消化液中的溶解度以及與腸道中膽堿、脂類等的結(jié)合過程影響蝦青素的生物利用度,即被機(jī)體吸收進(jìn)入體循環(huán)參加生理功能(或經(jīng)過存儲后供以后使用)的劑量和吸收速度[4]。由于蝦青素難溶于水,在光照(特別是紫外光照射)和高溫等條件下易降解,在胃腸道中的穩(wěn)定性差,最終導(dǎo)致蝦青素的生物利用度低,進(jìn)而限制了其在功能性食品和醫(yī)藥行業(yè)中的應(yīng)用[5]。
蝦青素運(yùn)載體系是近年來重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)之一,通過運(yùn)載體系的包埋作用,不僅可以降低儲存期間外界環(huán)境對蝦青素的不利影響,還可以控制蝦青素釋放速率及在生物體內(nèi)的釋放部位,從而提高了蝦青素的生物利用度。因此,在總結(jié)了蝦青素生物功效的基礎(chǔ)上,該文探討了不同運(yùn)載體系及其負(fù)載蝦青素的特性,對通過運(yùn)載體系的作用改善蝦青素穩(wěn)定性的發(fā)展前景進(jìn)行了總結(jié)和展望。
機(jī)體內(nèi)自由基和活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平超過了內(nèi)源性抗氧化酶系統(tǒng)的抗氧化能力時會引起氧化應(yīng)激,進(jìn)而造成DNA損傷、脂質(zhì)過氧化和細(xì)胞凋亡等問題[1]。蝦青素特殊的分子結(jié)構(gòu)(共軛不飽和雙鍵和末端環(huán)上酮基(—CO)和羥基(—OH))能夠通過清除自由基和ROS終止鏈反應(yīng),能夠穿過細(xì)胞膜的磷脂雙分子層,保護(hù)細(xì)胞免于脂質(zhì)過氧化,另外還可以提高機(jī)體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)降低自由基和ROS水平,實現(xiàn)多種途徑防止氧化應(yīng)激損傷。張珊珊等[6]發(fā)現(xiàn)5 μg/mL蝦青素預(yù)處理,降低了H2O2誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化應(yīng)激的小鼠肝臟原代細(xì)胞的凋亡率,提高了細(xì)胞中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)活性,從而保護(hù)肝臟。蝦青素(10 μmol/L)能有效降低H2O2誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化應(yīng)激的臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC)內(nèi)ROS水平,減少p53和Casepase-3的表達(dá),提高線粒體膜電位,抑制H2O2引起的HUVEC細(xì)胞壞死,對心血管疾病具有防治作用[7]。10 μmol/L蝦青素預(yù)處理H2O2誘導(dǎo)產(chǎn)生氧化應(yīng)激的PC-3細(xì)胞后,可以通過減少Casepase-3及提高Bcl-2/Bax比率,降低細(xì)胞凋亡率,還可以激活細(xì)胞膜上ERK和PI3K/Akt信號通路,使轉(zhuǎn)錄因子Nrf2從Keap1-Nrf2的復(fù)合體上脫落,由細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)入細(xì)胞核,與ARE結(jié)合后增強(qiáng)抗氧化Ⅱ相酶的表達(dá),保護(hù)機(jī)體免受ROS的侵害[8]。對β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ)誘導(dǎo)的阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)大鼠灌胃21 d后,蝦青素(25 mg/kg)顯著提高了大鼠海馬組織中SOD活性,降低了乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase, LDH)、丙二醛(malonic dialdehyde, MDA)及磷酸化Tau含量,抑制了AD大鼠海馬組織的氧化應(yīng)激損傷,對AD具有一定的治療效果[9]。蝦青素還能通過提高對氧磷酶活性使谷胱甘肽含量增加,防止脂質(zhì)過氧化作用[10]。
炎癥是一種十分常見的病理過程,組織對損傷因子所發(fā)生的防御反應(yīng)均被視為炎癥。當(dāng)外界病原微生物或化學(xué)物質(zhì)入侵機(jī)體時,炎癥因子通過內(nèi)源性化學(xué)因子的作用引起炎癥反應(yīng)并導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生[11]。蝦青素的抗炎功效涉及到多種炎癥因子(TNF-α、IL-6、IL-Iβ和IL-10等)的調(diào)控。研究表明,蝦青素能抑制脂多糖誘導(dǎo)的細(xì)胞炎癥反應(yīng),脂多糖被巨噬細(xì)胞表面的炎癥因子TLR4識別,并激活NF-κb/蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)等信號通路,觸發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng),蝦青素能抑制信號通路并顯著降低炎癥因子(TNF-α、IL-6、IL-Iβ和IL-10)的含量[11-12]。連續(xù)2周以30 mg/kg/d的投喂量灌胃蝦青素,膿毒癥小鼠體內(nèi)炎癥因子TNF-α和IL-6的釋放被顯著抑制,對小鼠重要器官具有保護(hù)作用,從而降低了小鼠的死亡率[13]。對冬訓(xùn)期間的足球運(yùn)動員進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),連續(xù)7周每天服用6 mg蝦青素,其血清炎癥因子中促炎癥因子(TNF-α、IL-6、IL-Iβ和CRP)的水平顯著降低,炎癥抑制因子(IL-10和IL-37)的水平顯著提高,從而改善了足球運(yùn)動員由于負(fù)荷帶來的炎癥反應(yīng)[14]。另外,還有研究表明蝦青素抗炎功效可能與糖尿病、抑郁癥和神經(jīng)元損傷有關(guān)。高血糖會增加IL-6、IL-Iβ等炎癥因子含量,損傷糖尿病小鼠海馬、杏仁核和丘腦神經(jīng)元,使小鼠產(chǎn)生抑郁癥狀,在30 mg/kg的劑量下,小鼠連續(xù)10周口服蝦青素可以抑制炎癥因子,保護(hù)糖尿病小鼠海馬椎體,從而減輕抑郁癥狀[15]。
蝦青素的抗腫瘤功效主要是抑制腫瘤細(xì)胞增殖、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡和防止腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。蝦青素(15 mg/kg)連續(xù)灌胃口腔癌小鼠14周后,發(fā)現(xiàn)蝦青素可以通過抑制STAT-3的磷酸化來抑制JAK/STAT信號傳導(dǎo),并對核因子κb、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)分子靶標(biāo)抑制口腔癌細(xì)胞增殖[16]。A549非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞經(jīng)100 μmol/L的蝦青素處理后,細(xì)胞增殖被顯著抑制,并且蝦青素能夠降低抗凋亡蛋白Bcl-2的表達(dá),增加促凋亡蛋白Bax的表達(dá),從而促進(jìn)A549癌細(xì)胞凋亡[17]。100 μmol/L蝦青素作用于人類胃癌細(xì)胞(KATO-1和SNU-1)后,通過抑制ERK的磷酸化,增強(qiáng)周期蛋白依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent kinases, CDK)中p27 Kip的表達(dá),使細(xì)胞周期停滯在G0/G1期,有效抑制了細(xì)胞增殖[18]。CHEN等[19]用蝦青素處理黑素瘤細(xì)胞A375和A2058,發(fā)現(xiàn)其通過抑制MMPS金屬蛋白酶1,2和9的表達(dá),防止了黑素瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移。另外,細(xì)胞間隙連接通訊功能異常可能導(dǎo)致腫瘤發(fā)生,腫瘤細(xì)胞間缺乏細(xì)胞間隙連接通訊功能,其修復(fù)往往會降低腫瘤細(xì)胞的增殖[20]。乳腺癌細(xì)胞(MDA-MB-4355和MCF-7)經(jīng)過蝦青素(60 μmol/L)處理后,細(xì)胞間隙連接通訊功能增強(qiáng)[21]。蝦青素通過抑制間隙連接43蛋白的磷酸化增加通訊功能,抑制人皮膚成纖維細(xì)胞的增殖[22]。
除上述生物功效外,蝦青素還有提高免疫、抑制肥胖和防止皮膚光損傷等功效。蝦青素提高和改善免疫功能主要通過提高淋巴細(xì)胞(T淋巴細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell,NK))和巨噬細(xì)胞水平,促進(jìn)免疫球蛋白及抗體的產(chǎn)生。連續(xù)30 d蝦青素以0.5 g/kg/d的投喂量灌胃ICR小鼠,能夠增強(qiáng)小鼠淋巴細(xì)胞、單核-巨噬細(xì)胞水平,從而增強(qiáng)其免疫能力[23]。蝦青素(15 mg/kg)連續(xù)灌胃小鼠14周后能夠促進(jìn)淋巴細(xì)胞中γ-干擾素和白細(xì)胞介素-2(IL-2)的產(chǎn)生,從而提高淋巴細(xì)胞免疫反應(yīng)[24]。大負(fù)荷運(yùn)動小鼠由于大強(qiáng)度運(yùn)動造成的血清中免疫球蛋白(IgM、IgD、IgG、IgA和IgE)含量的減少,可通過喂食蝦青素進(jìn)行抑制,提高細(xì)胞的免疫功能,從而提高機(jī)體的免疫能力[25]。連續(xù)灌胃蝦青素(0.3 g/kg)12周能有效改善肥胖小鼠肝功能,抑制高脂肪、高果糖(high fat and fructose diet, HFFD)引起的血漿膽固醇和肝臟三酰甘油(triacylglycerol, TAG)含量升高,明顯減少脂肪沉積,從而抑制體重增加[26];70 μg/mL蝦青素還可以與胰脂肪酶非共價結(jié)合降低胰脂肪酶活性,降低脂肪吸收,達(dá)到減肥效果[27]。涂抹蝦青素-膠原蛋白耦合物(10 mg/mL)6周能有效緩解皮膚增生,修復(fù)皮膚膠原纖維和纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),改善UV引起的皮膚光老化損傷[28]。
盡管體外實驗驗證了蝦青素具有上述多種功效,但體內(nèi)實驗相關(guān)研究報道還比較少,另外對其作用機(jī)制的研究也需要進(jìn)一步深入。
乳液是將生物活性物質(zhì)溶于油相或水相中后,通過外力作用(均質(zhì)、超聲波等)將其分散在不相容的水相或油相中形成的穩(wěn)定分散體系[29]。油水界面由于不混溶而具有高界面張力,導(dǎo)致乳液的熱不穩(wěn)定性問題,所以在乳液制備過程中加入乳化劑,使其吸附在油相和水相之間,可以降低界面張力,從而提高乳液的熱穩(wěn)定性[30]。近年來研究表明,納米乳液由于粒徑較小(10~100 nm)并具有高光學(xué)透明度,相比較傳統(tǒng)乳液可以更好地提高生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性和生物利用度[31]。以人參皂苷(ginsenoside, GS)為乳化劑制備蝦青素納米乳液時,隨著乳化劑濃度的增加,界面張力從21.0 mN/m降低至8.7 mN/m,且溫度為90 ℃,時間為30 min時,穩(wěn)定性顯著提高[32]。以大豆卵磷脂為乳化劑得到負(fù)載率為90.41%的蝦青素納米乳液,4 ℃避光保存1周后,蝦青素保留率(85.34%)明顯高于棕櫚油負(fù)載的蝦青素保留率(54.92%),納米乳液有效降低了蝦青素的降解速率,提高了其穩(wěn)定性[33]。將抗性淀粉/大豆分離蛋白(LABS/SPI)結(jié)合物作為乳化劑制備的蝦青素納米乳液,在6、20和37 ℃儲存條件下,能夠顯著提高蝦青素的穩(wěn)定性,在體外消化實驗中顯著降低游離脂肪酸的釋放,從而抑制了蝦青素的氧化[34]。使用絞股藍(lán)皂甙為乳化劑得到的納米乳液在pH(6~8)和熱處理(60~120 ℃)條件下顯示出較高的穩(wěn)定性,并在5 ℃和25 ℃下儲存30 d能更有效地抑制蝦青素降解[35]。另外,比較改性卵磷脂(modified lecithin, ML)和酪蛋白酸鈉(sodium caseinate, SC)蝦青素納米乳液發(fā)現(xiàn),SC蝦青素納米乳液穩(wěn)定性高于ML蝦青素納米乳液,但ML蝦青素納米乳液顯示出更高的生物利用度[31]。
雖然納米乳液已被逐漸應(yīng)用于食品、醫(yī)藥行業(yè),但在納米乳液制備時高壓均質(zhì)、超聲等操作易使體系中敏感化合物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,生物活性降低等問題仍需研究解決。
脂質(zhì)體是由磷脂分散在水相中自發(fā)聚集而形成具有雙分子層膜結(jié)構(gòu)的囊泡,結(jié)構(gòu)類似于細(xì)胞膜。蝦青素的多烯鏈部分嵌入磷脂非極性尾端疏水長鏈形成疏水核心區(qū)域,末端環(huán)嵌入磷脂極性頭部形成雙分子層囊泡表面,這種結(jié)構(gòu)有利于提高蝦青素的水溶性和生物利用度[36]。研究發(fā)現(xiàn),大豆磷脂酰膽堿(soybean phosphatidylcholine, SPC)/蝦青素脂質(zhì)體在4 ℃條件下保存15 d,保留率為82.29%,顯著降低了蝦青素的降解速率,并有效提高了蝦青素的DPPH清除能力[37]。在Hep3B、HepG2細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)研究中發(fā)現(xiàn),蛋黃卵磷脂和膽固醇/蝦青素脂質(zhì)體能顯著提高蝦青素進(jìn)入細(xì)胞的速度,更有效地激活抗氧化酶,從而提高蝦青素的生物利用度[38]。連續(xù)7 d口服10 mg/kg蝦青素脂質(zhì)體能夠更有效地提高肝內(nèi)細(xì)胞抗氧化酶活性(SOD和GSH-PX),降低炎癥因子IL-6和TNF-α含量,從而提高蝦青素的生物利用度[39]。暴露在紫外線下的小鼠皮膚,通過涂抹蝦青素脂質(zhì)體(4 mL 0.2%)能更好地改善光損傷引起的病理變化并減輕膠原損傷[40]。另外,將硅化蝦青素脂質(zhì)體作用于皮膚后,初始24 h蝦青素釋放率為10.7 μmol/(mg·h),隨著蝦青素逐漸釋放,其自由基清除活性逐漸增加,硅化蝦青素脂質(zhì)體能夠控制釋放,并顯示出其在化妝品行業(yè)的應(yīng)用潛力[41]。
脂質(zhì)體具有較高生物相容性和安全性優(yōu)勢,并且具有靶向性和緩釋性,可以應(yīng)用于食品工業(yè)和藥物系統(tǒng)。但脂質(zhì)體仍存在一些亟須解決的問題:粒徑分布范圍廣,需要對其制備方法進(jìn)行改良;穩(wěn)定性差,隨著儲存時間的增加,脂質(zhì)體存在易凝集和脂質(zhì)層中不飽和脂肪酸易氧化[42]。
固體脂質(zhì)納米顆粒運(yùn)載體系(solid lipid nanoparticles, SLNs)是以高熔點(diǎn)脂質(zhì)材料為載體的固體膠粒運(yùn)載體系。固體脂質(zhì)納米顆粒將生物活性物質(zhì)包埋在脂質(zhì)晶格內(nèi),可以提高生物活性物質(zhì)的穩(wěn)定性和生物利用度[43]。比較以甘油單硬脂酸酯(glycerin monostearate, GMS)、甘油二硬脂酸酯(glycerin distearate, GDS)和硬脂酸(stearic acid, SA)為載體的蝦青素固體脂質(zhì)納米顆粒發(fā)現(xiàn),在光照條件下15 d后,SA蝦青素固體脂質(zhì)納米顆粒具有最佳保留率(96%),顯著高于游離蝦青素(68.3%),SA蝦青素固體脂質(zhì)納米顆粒還提高了蝦青素在H2O2溶液中的保留率[(85.6±1.2)%,2h],抗氧化性被顯著提高[44]。另外,SA蝦青素固體脂質(zhì)納米顆粒(10 μL,4 mg/kg)處理嗜鉻細(xì)胞瘤-12細(xì)胞系后,發(fā)現(xiàn)其對H2O2誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激具有良好的抗氧化潛力,并且能夠通過鼻腔給藥對大鼠大腦進(jìn)行靶向釋放[45]。近年來有研究將固體脂質(zhì)和液體脂質(zhì)在一定溫度下混合制備成改良SLNs:納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體(nanostructured lipid carriers, NLCs)。NLCs具有無定形固體結(jié)構(gòu)或缺陷型晶體結(jié)構(gòu),將生物活性成分溶解在液體脂質(zhì)中后,共同包封在固體脂質(zhì)中能夠提高生物活性成分的負(fù)載率和控釋能力[46]。以油酸(液體脂質(zhì))和甘油山崳酸酯(固體脂質(zhì))作為合適的脂質(zhì)混合物(比率為0.765)負(fù)載蝦青素,結(jié)果表明pH和溫度對其無顯著影響,具有較高的穩(wěn)定性[47-48]。
目前應(yīng)用于蝦青素的SLNs和NLCs研究較少,但有研究證明SLNs和NLCs不僅在藥物遞送系統(tǒng)中發(fā)揮效用,在食品工業(yè)中也是新穎且有前景的納米載體。作為親脂性營養(yǎng)保健品的遞送系統(tǒng),可以增加其穩(wěn)定性、生物利用度和在水性介質(zhì)(如飲料)中的溶解度。
微膠囊運(yùn)載是將微量固體、液體或氣體顆粒包埋在高分子材料形成直徑為幾微米到幾毫米容器的過程,被包埋的物質(zhì)稱為“芯材”,用作容器的物質(zhì)被稱為“壁材”[49]。壁材在芯材的外層形成保護(hù),使其與外界隔離,提高芯材的穩(wěn)定性,并在特定環(huán)境下將芯材釋放出來發(fā)揮生物功效。研究表明乳蛋白和可溶性玉米纖維(SCF 70)作為壁材得到的蝦青素微膠囊(包埋率為95%)能有效降低過氧化值(peroxide values, PVs),減少氧氣對蝦青素氧化的影響[50]。利用葡萄糖和木糖兩種還原糖對玉米醇溶蛋白(Zein)進(jìn)行糖接枝改性后,對蝦青素進(jìn)行微膠囊化,95 ℃條件下8 h,保留率達(dá)到75%,而未微膠囊化蝦青素同條件下保留率僅為25%[51]。腰果膠和明膠在pH 4.0~4.2條件下復(fù)合凝聚成功包埋蝦青素,溶解度為(28.6±4.7)%,儲藏36 d后保留率為47%,明顯優(yōu)于未微膠囊蝦青素(9%),能夠很好地分散在酸奶中[52]。
微膠囊化還可以明顯提高蝦青素的生物功效。微晶纖維素(microcrystalline cellulose, MCC)和羧甲基纖維素鈉(sodium carboxymethylcellulose, CMC-Na)相互作用對蝦青素進(jìn)行包埋后,顯著提高了蝦青素的DPPH清除能力[53]。食品級低甲氧基果膠和藻酸鈉包埋的蝦青素油在52周后,總蝦青素保留率在4℃/無光照/有氧條件下最高[(94.4±4.1)%],并表現(xiàn)出更強(qiáng)的自由基清除活性[54]。麥芽糊精和阿拉伯膠為壁材制備的蝦青素微膠囊具有高溶解度(>92%),模擬胃腸消化過程中此微膠囊相比較未微膠囊化蝦青素更容易與脂肪分解酶反應(yīng),具有更高的生物利用度[55]。以β-環(huán)糊精和蔗糖脂肪酸酯為壁材制備的蝦青素微膠囊,其自由基清除率顯著高于蝦青素油劑,且在弱堿環(huán)境下(pH 8~10)比蝦青素表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性[56]。另外,口服灌胃100 mg/(kg·d)乳清蛋白/阿拉伯膠酯化蝦青素微膠囊和油樹脂蝦青素3 d后發(fā)現(xiàn),灌胃蝦青素微膠囊小鼠血漿中蝦青素的含量[(0.36±0.08)μg/mL]是灌胃油樹脂蝦青素小鼠的3倍,說明該微膠囊有效提高了蝦青素的生物利用度[57]。
近年來,微膠囊運(yùn)載體系在改善蝦青素穩(wěn)定性和生物利用度上取得了顯著的效果,但是微膠囊化蝦青素存在的有機(jī)物殘留、粒徑偏大等問題,還需要通過改進(jìn)工藝和開發(fā)新型壁材解決。
根據(jù)不同用途,選擇合適的運(yùn)載體系,能夠改善蝦青素穩(wěn)定性和生物利用度,并且能夠?qū)崿F(xiàn)蝦青素更好地釋放和轉(zhuǎn)運(yùn)。但目前研究中仍然存在以下問題:
首先,目前食品領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域中蝦青素運(yùn)載體系大多數(shù)仍處于初步研究階段,不能實現(xiàn)蝦青素在體內(nèi)的靶向釋放和轉(zhuǎn)運(yùn),使得其不能在特定的位點(diǎn)進(jìn)行釋放和靶向吸收,導(dǎo)致蝦青素在體內(nèi)生物利用率一直在較低的水平。其次,由于運(yùn)載體系指標(biāo)過程中所需的安全高效的乳化劑及壁材選材范圍較窄,所以未來要將蝦青素應(yīng)用于功能性食品和藥品還存在一定困難。
根據(jù)目前蝦青素運(yùn)載體系存在的問題,今后的研究應(yīng)側(cè)重于以下幾個方面:(1)每種運(yùn)載體系都有各自存在的缺點(diǎn),如負(fù)載率低、易氧化等問題,可以將不同運(yùn)載體系進(jìn)行結(jié)合,從而更有效地提高蝦青素穩(wěn)定性和生物利用度;(2)納米級材料可以更有效地促進(jìn)胃腸道的吸收,通過將蝦青素顆粒尺寸從微米級縮小到納米級,從而提高其生物利用率;(3)采用特定功能的殼材料和乳化劑(如蛋白質(zhì)或多糖)制備蝦青素的運(yùn)載體系,從而有效地實現(xiàn)蝦青素在消化道內(nèi)的靶向釋放及體內(nèi)靶向組織的定點(diǎn)釋放。