胡椒堿的納米傳遞載體研究進(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）

胡椒是一種熱帶藤本植物，可作為香辛料，素有“香料之王”的美譽(yù)［1］。胡椒堿是胡椒中的主要活性成分，是一種重要的調(diào)味品成分，可賦予食物辛辣的口感，具有促進(jìn)食欲的功效，在食品和調(diào)味品行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用范圍。此外，胡椒堿還具有抑菌、抗炎、降血糖、預(yù)防腫瘤、治療驚厥等多種生理功能［2］。然而胡椒堿也存在一定的缺點，例如在酸性條件下，胡椒堿（C17H19O3N）會酸化形成胡椒酸（C17H19O4），而在堿性條件下，胡椒堿會水解產(chǎn)生含氮的雜環(huán)己烷（C5H11N）等物質(zhì)，在光照條件下胡椒堿能夠轉(zhuǎn)化為異胡椒堿和異胡椒脂堿，這些轉(zhuǎn)化后的產(chǎn)物將會減弱或喪失胡椒堿原本辛辣刺激的呈味效果以及胡椒堿的生理功能［3］。胡椒堿分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)、烯烴雙鍵、羰基等疏水性基團(tuán)（見圖1），分子極性較低，不溶于水，難以被人體消化吸收，生物利用率較低，僅有極少部分的胡椒堿能夠?qū)崿F(xiàn)其生理活性，這些缺點限制了對胡椒堿的進(jìn)一步開發(fā)利用。

圖1 胡椒堿的化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structure of piperine

為了解決胡椒堿的上述問題，很多新方法和新技術(shù)被用于增加胡椒堿的水溶性、理化穩(wěn)定性及其生物利用率，例如化學(xué)改性技術(shù)、乳化技術(shù)以及納米技術(shù)等［4－6］。與其他技術(shù)相比，利用納米技術(shù)制備的傳遞載體的粒徑非常小，可以運(yùn)載胡椒堿穿越細(xì)胞膜，實現(xiàn)靶向和控釋的效果，能夠增加胡椒堿的生物利用率［7］。此外，還可以利用納米技術(shù)制備智能響應(yīng)型傳遞載體，使胡椒堿在運(yùn)輸和貯藏期間能夠穩(wěn)定地包埋在納米載體內(nèi)，而在烹飪和調(diào)味過程中快速釋放出來，提高了胡椒堿的貯藏穩(wěn)定性。

目前關(guān)于胡椒堿的研究報道有很多，也有一些綜述類論文，但是主要論述胡椒堿的提取工藝、檢測方法以及化學(xué)改性和生物活性［8，9］，而對于胡椒堿的傳遞載體的研究缺乏系統(tǒng)總結(jié)和探討。近年來利用納米技術(shù)，以淀粉、油脂、蛋白質(zhì)和多糖等天然生物大分子為材料制備的納米傳遞載體，不僅可以有效地包埋和保護(hù)胡椒堿，提高胡椒堿的穩(wěn)定性，而且傳遞載體具有高度的生物相容性、可消化降解性以及安全無毒等優(yōu)點［10］。

1 胡椒堿的納米傳遞載體概述

通常按照傳遞載體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)差異，可將傳遞載體分為納米顆粒、納米乳液、納米膠束、脂質(zhì)體等［11－13］。這些傳遞載體或用于提高胡椒堿的水溶性，或用于提高胡椒堿的穩(wěn)定性，或用于增加胡椒堿的生物利用率。其中納米膠束和脂質(zhì)體等主要是將胡椒堿應(yīng)用于醫(yī)藥制劑方面，而納米顆?？梢酝卣购穳A在固態(tài)食品中的應(yīng)用，納米乳液可以拓展胡椒堿在液態(tài)食品中的應(yīng)用。因此，本文將重點介紹胡椒堿的納米顆粒和納米乳液。

2 胡椒堿的納米顆粒

在食品傳遞體系中，納米顆粒一般是指粒徑小于1000nm，內(nèi)部可用于包埋和傳遞活性物質(zhì)的固體顆粒，胡椒堿的納米顆粒制備過程見圖2。常用于制備納米顆粒傳遞載體的天然材料包括乳清分離蛋白、大豆分離蛋白、酪蛋白、玉米醇溶蛋白等蛋白類物質(zhì)；淀粉、殼聚糖、海藻酸鈉和果膠等多糖類物質(zhì)；以及固體脂肪和結(jié)構(gòu)化的油凝膠和其他生物分子聚合物等。制備納米顆粒的方法包括反溶劑沉淀法、復(fù)凝聚法、電噴霧法、冷凍干燥法、噴霧干燥法等。

圖2 胡椒堿納米顆粒的制備示意圖Fig.2 Preparation diagram of piperine nano particles

Pachauri等利用聚乳酸制備的胡椒堿納米顆粒粒徑僅有131.1nm，具有較好的穩(wěn)定性，但是包埋率較低，只有37%左右。包埋率（%）是納米顆粒包埋的胡椒堿質(zhì)量與制備納米顆粒過程中使用的胡椒堿總質(zhì)量的百分比，是衡量納米顆粒包埋能力的重要指標(biāo)，一般可采用反相液相色譜測定納米顆粒中的胡椒堿含量，檢出限可達(dá)0.1mg／kg［14］。為了提高胡椒堿的包埋率，常常利用多糖或甘油酯作為基質(zhì)，例如以殼聚糖制備的納米顆粒，將胡椒堿的包埋率提升至53%［15］，以甘油酯為基質(zhì)制備固體脂肪顆粒，將胡椒堿的包埋率增加至78.71%，口服生物利用率和穩(wěn)定性得到提高［16］。此外，以油酸甘油酯為基質(zhì)制備胡椒堿的納米顆粒還有很多其他優(yōu)勢，例如粒徑很小，只有100～150nm，通過細(xì)胞實驗和動物模型實驗證實油酸甘油酯納米顆?？梢蕴岣吆穳A及其他活性成分的生物利用率［17］，當(dāng)胡椒堿和姜黃素同時包埋于油酸甘油酯納米顆粒內(nèi)，并進(jìn)一步調(diào)控納米顆粒粒徑至60nm，納米顆粒可穿越血腦屏障，輔助治療帕金森癥［18］。環(huán)糊精是一種獨特的低聚糖，具有環(huán)狀空腔結(jié)構(gòu)，能將胡椒堿包裹其中形成一種粒徑為納米級的包合物，經(jīng)噴霧干燥或冷凍干燥后即得到納米顆粒。采用飽和水溶液法，并以微波輔助制備的環(huán)糊精-胡椒堿包合物，胡椒堿的包埋率高達(dá)88.12%［19］，包埋后的胡椒堿在水中的溶解度增加了2.6倍，熱穩(wěn)定性也顯著提高［20］。

蛋白質(zhì)作為胡椒堿傳遞載體的優(yōu)點有很多，除了其自身安全無毒，可消化降解外，蛋白質(zhì)分子較大，分子內(nèi)部可以包埋胡椒堿，分子表面可以吸附胡椒堿。此外，在水溶液體系中蛋白質(zhì)還具有一定的乳化穩(wěn)定性，可用于穩(wěn)定胡椒堿納米顆粒。例如以牛血清蛋白為基質(zhì)制備納米顆粒，對胡椒堿的包埋率可達(dá)77.8%，可使胡椒堿在體內(nèi)緩慢釋放，提高生物利用率［21］。由于胡椒堿是一種疏水性分子，在水體系中與大多數(shù)蛋白質(zhì)的相互作用力并不強(qiáng)，但是能夠與疏水性蛋白質(zhì)通過疏水作用力形成穩(wěn)定的納米顆粒。玉米醇溶蛋白中含有超過50%的疏水基團(tuán)，不溶于水，但易溶于60%～90%的乙醇水溶液，是制備胡椒堿納米載體的理想材料。但是玉米醇溶蛋白的等電點是6.2，單獨的玉米醇溶蛋白顆粒分散液很容易在pH中性的環(huán)境中發(fā)生聚集而沉淀。因此，使用多糖與玉米醇溶蛋白復(fù)合以修飾其表面性質(zhì)和顆粒結(jié)構(gòu)，例如以玉米醇溶蛋白和殼聚糖為基質(zhì)，采用電噴霧法制備胡椒堿的納米顆粒，隨著殼聚糖含量的增加，納米顆粒的粒徑逐漸變大，胡椒堿的包埋率也逐漸升高，粒徑最大為527 nm，包埋率最高可達(dá)87%［22］。此外，胡椒堿能夠與其他活性成分呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)，例如將胡椒堿與姜黃素同時包埋于玉米醇溶蛋白-殼聚糖納米顆粒，姜黃素的生物利用率可提高9倍以上［23］。

3 胡椒堿的納米乳液

納米乳液的液滴粒徑一般在10～100nm之間，物理穩(wěn)定性較好，不易發(fā)生相分離、絮凝、聚集等現(xiàn)象［24］。乳液外觀比較清澈，并且能夠提高生物活性成分的貯藏穩(wěn)定性和生物利用率［25］。通過納米乳液的運(yùn)載，可顯著提高胡椒堿的水溶性和穩(wěn)定性，大大拓展了胡椒堿在液態(tài)食品中的應(yīng)用范圍。

圖3 納米乳液的結(jié)構(gòu)示意圖［28］Fig.3 Structure diagram of nano emulsion

納米乳液的制備過程一般是先將胡椒堿和乳化劑混合溶解于油相，然后一邊快速攪拌，一邊將油相加入水相中制備成乳液，再經(jīng)過一系列均質(zhì)處理最后形成均一的納米乳液［26］。納米乳液的結(jié)構(gòu)見圖3，胡椒堿溶解于油相液滴中，乳化劑的疏水基團(tuán)伸入油相，親水基團(tuán)伸入水相，降低了油相和水相的界面張力，從而形成了穩(wěn)定體系［27］。乳液液滴粒徑是影響胡椒堿納米乳液穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，一般可以通過粒徑儀進(jìn)行表征，降低乳液液滴粒徑尺寸的方法包括超聲法、剪切法和高壓均質(zhì)法等高能法。利用高壓均質(zhì)法，以大豆油、水和磷脂為基質(zhì)制備含胡椒堿的納米乳液，液滴粒徑僅有110nm［28］，研究發(fā)現(xiàn)高壓均質(zhì)的壓力和循環(huán)次數(shù)對乳液液滴粒徑尺寸有顯著的影響，壓力越大，循環(huán)次數(shù)越多，乳液的液滴粒徑越小，最小可達(dá)15.65nm［29］。雖然高壓均質(zhì)法能有效降低納米乳液的粒徑尺寸，但是這些設(shè)備耗能比較高，僅有1%左右的機(jī)械能用于乳化，能量損失較大［30］。因此，研究者們又開發(fā)了一種低能耗的方法，即自乳化法，這種方法是將油相、表面活性劑、助表面活性劑混合成固體或液體，與水相混合后經(jīng)攪拌自發(fā)地形成納米乳液［31］，無需進(jìn)行剪切、均質(zhì)等輔助處理。利用油酸乙酯、吐溫80和助表面活性劑制備的胡椒堿自乳化納米乳液，粒徑約為90nm，常溫下貯藏4個月，胡椒堿的保留率高達(dá)92%，粒徑保持90nm沒有變化［32］。經(jīng)過對油相、表面活性劑、助表面活性劑等配料成分的篩選和優(yōu)化，自乳化納米乳液的粒徑可降低至19nm，胡椒堿的溶解量可提升至2%，遠(yuǎn)高于胡椒堿自身的溶解度（0.004%），并且自乳化納米乳液的外觀清澈透明，理化性質(zhì)較穩(wěn)定［33］。一般而言，納米乳液的穩(wěn)定性都比較好，通過熱穩(wěn)定性實驗，在25～45℃溫度范圍內(nèi)循環(huán)加熱-冷卻6次后保持48h，納米乳液仍沒有出現(xiàn)相分離現(xiàn)象［34］。通過蒸餾水將納米乳液稀釋2000倍，或在25℃下貯藏1個月，納米乳液的粒徑、電位和化學(xué)穩(wěn)定性沒有顯著變化［35］。在納米乳液中添加0.1% （W／W）的殼聚糖可使胡椒堿的納米乳液的穩(wěn)定性進(jìn)一步提高，常溫貯藏1年仍能保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論與展望

胡椒堿作為一種調(diào)味品成分和功能性活性物質(zhì)，其辛辣刺激的呈味效果深受人們喜愛，在調(diào)味品和食品中具有良好的應(yīng)用前景，但是水溶性差、性質(zhì)不穩(wěn)定和生物利用率低限制了胡椒堿的精深加工和開發(fā)利用。基于納米技術(shù)，構(gòu)建胡椒堿的納米顆粒、納米乳液等傳遞載體，不僅增加了胡椒堿的水溶性，而且提高了胡椒堿在酸、堿、光、熱、氧條件下的抗降解能力，拓展了胡椒堿在固態(tài)、液態(tài)調(diào)味品和食品中的應(yīng)用范圍。目前基于納米顆粒和納米乳液的載體在傳遞胡椒堿的方面還屬于比較前沿的研究，距離實際生產(chǎn)和應(yīng)用仍需要一定的時間，相信未來關(guān)于胡椒堿的傳遞載體在調(diào)味品和食品領(lǐng)域能夠得到更廣泛的關(guān)注和研究，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，胡椒堿傳遞載體能夠在調(diào)味品和食品工業(yè)中得到更多的應(yīng)用。