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(1.北京聯(lián)合大學(xué)生物化學(xué)工程學(xué)院,北京 100191;2.生物活性物質(zhì)與功能食品北京市重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 100191;3.北京聯(lián)合大學(xué)功能食品科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100023)
兒茶素類物質(zhì)存在于多種植物及其制品中,如葡萄、茶葉、咖啡等,因其具有抗炎、抗氧化、抗癌等多種生理活性作用而受到廣泛關(guān)注[1-4]。兒茶素分子以C6-C3-C6為骨架結(jié)構(gòu)(如圖 1),C 環(huán) 上C2和C3 位是手性碳原子。由于取代基團(tuán)及位置不同,常見的兒茶素單體有 8 種:兒茶素(+)-catechin(C),表兒茶素(-)-epicatechin(EC),棓兒茶素(+)-gallocatechin(GC),表棓兒茶素(-)-epigallocatechin(EGC),兒茶素沒食子酸(+)-catechingallate(CG),表棓兒茶素沒食子酸(-)-epicatechingallate(ECG),棓兒茶素沒食子酸(+)-gallocatechingallate(GCG)與表棓兒茶素沒食子酸(-)-epigallocatechingallate(EGCG)。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)兒茶素類物質(zhì)雖然具有多種生物活性,但其生物利用率較低,且受多種因素影響,如兒茶素本身的性質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定性及其在復(fù)雜生物體內(nèi)的穩(wěn)定性[5-6]。本文對近年來兒茶素類物質(zhì)生物利用度影響因素及提高其生物利用度措施的相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,以期對其進(jìn)一步開發(fā)利用提供參考。
溶解度是指物質(zhì)溶解于某種特定體積溶劑中形成均一溶液的最大量。溶解度與物質(zhì)本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶體狀態(tài)以及溶劑的組成、溶劑的溫度、pH等因素有關(guān)。溶解性對于口服物質(zhì)的生物利用度至關(guān)重要,因為只有溶解的物質(zhì)才有可能被胃腸道吸收。另外,溶出速度也對兒茶素的生物利用度起重要作用。如果溶出速度過慢,超出胃腸的蠕動吸收周期,還沒有吸收就會被排出了[7]。Muller[8]綜述了具有較高的生物利用度的物質(zhì)的特征,如物質(zhì)的分子量小于550 Da,有適宜的親脂性與親水性,且在pH=7.4的情況下,不帶或僅部分帶電等。兒茶素單體及其低聚體不溶于氯仿、石油醚、苯等非極性溶劑,溶于水、甲醇、乙醇、丙酮等極性溶劑。而極性強(qiáng)的物質(zhì)難以通過生物膜的脂質(zhì)雙分子層,所以兒茶素類物質(zhì)在消化道內(nèi)的吸收效率很低。在體外實(shí)驗中,兒茶素經(jīng)常被溶于低濃度的有機(jī)溶劑[9],如甲醇、二甲基亞砜,這是否會提高兒茶素的溶解度或進(jìn)一步提高其生物利用度還未見報道。
圖1 兒茶素單體結(jié)構(gòu)通式Fig.1 The structural formula of monomeric catechins
兒茶素類物質(zhì)在儲存過程中,含量會逐漸下降。Friedman等[5]對市售的8種袋裝茶葉中兒茶素物質(zhì)在儲存6個月內(nèi)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,將茶葉置于20 ℃的環(huán)境中,分別存放1周、1個月、2個月及6個月時取樣,用HPLC對樣品中兒茶素的含量進(jìn)行測定并對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)兒茶素的總量逐漸減少,其中含量較高的EGCG與ECG的減少量也較多。
1.2.1 溫度的影響 兒茶素在熱處理的過程中,可能會發(fā)生多種反應(yīng),如氧化、聚合及差向異構(gòu)化[10-12]。Wang R等[10-11]的實(shí)驗結(jié)果表明,茶兒茶素的異構(gòu)化降解遵循一級反應(yīng),反應(yīng)動力學(xué)的速率常數(shù)遵循阿倫尼烏斯方程。每摩爾EGCG差向異構(gòu)化為GCG,每摩爾ECG差向異構(gòu)化為CG,分別需要117.2、119.3 kJ熱量。當(dāng)溫度在44 ℃以下時,以EGCG降解反應(yīng)為主,當(dāng)溫度高于44 ℃時,(-)(GCG)差向異構(gòu)化為(-)-EGCG的反應(yīng)加劇,當(dāng)溫度升高到98 ℃或更高時,差向異構(gòu)化變得更加突出。將濃縮的茶葉兒茶素加熱到120 ℃保持2 h內(nèi),順式結(jié)構(gòu)的兒茶素(ECGC,EGC,ECG,EC)遵循明顯的一階降解反應(yīng),而反式的兒茶素在加熱過程中可能發(fā)生了多種反應(yīng),如氧化、自身的降解以及異構(gòu)化,在達(dá)到120 ℃ 40 min后,其百分含量變化達(dá)到一個高度后呈現(xiàn)平緩的趨勢。在不同溫度下(25、40、60、80、100、120 ℃),順式兒茶素均呈現(xiàn)一階降解反應(yīng),較高溫度下降解的速率更快。在持續(xù)加熱時,濃度較高的兒茶素溶液較濃度低的溶液降解速度慢,這可能跟兒茶素濃度較高相應(yīng)的溶液pH也較高有關(guān)系[6]。
1.2.2 濕度的影響 Ortiz等[13]將綠茶干粉置于22 ℃環(huán)境中,濕度從0%~85%,放置3個月,用HPLC檢測樣品中的兒茶素(EC、EGC、ECG與EGCG)的含量變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著濕度的增大,單種兒茶素及兒茶素總量的化學(xué)降解都顯著增強(qiáng)了。濕度在43%以下的兒茶素在3個月內(nèi)能保持化學(xué)穩(wěn)定,但出現(xiàn)了明顯的結(jié)塊現(xiàn)象。實(shí)驗中還設(shè)置了在綠茶粉中添加蔗糖、檸檬酸及VC的處理組,發(fā)現(xiàn)添加酸的組在濕度達(dá)到58%后降解明顯,尤其是同時添加了檸檬酸與VC的綠茶粉,降解最嚴(yán)重。
1.2.3 pH的影響 pH對兒茶素的穩(wěn)定性影響較大,屠幼英[14]在對綠茶提取物理化性質(zhì)進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn),pH4.0~6.0是兒茶素類物質(zhì)比較穩(wěn)定的pH范圍。何小解等[15]利用模擬胃腸液環(huán)境對兒茶素的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)驗,其中模擬胃腸液的pH分別是1.3和7.6,結(jié)果發(fā)現(xiàn)1 h后,人工模擬胃液中兒茶素含量減少了50.3%,4 h時趨于穩(wěn)定,減少了59.4%;而在人工模擬腸液中,兒茶素在1 h時減少了15.3%,5 h時減少了30.9%,即較高和較低的pH都會降低兒茶素的穩(wěn)定性。
不同結(jié)構(gòu)的兒茶素受pH的影響不同,順式兒茶素在pH4~5.2之間最穩(wěn)定,超過5.2,降解速度隨pH升高而增快。當(dāng)pH低于4時,兒茶素的降解速度也加快。反式兒茶素的比例,在pH1.5時最低,當(dāng)pH大于4或之上時,隨著pH的升高而增加,暗示異構(gòu)化也隨著pH的升高而加劇[6]。另外,無論在酸性還是堿性pH下,二聚體比單體的穩(wěn)定性都差。B2與B5在模擬胃液(pH1.8)中,會降解為表兒茶素或各自的異構(gòu)體。當(dāng)在模擬的小腸溶液或堿性pH下孵育時,單體和二聚體(C、EC、B2、B5)幾小時內(nèi)幾乎全部降解[16]。
根據(jù)Muller[8]綜述,易于通過口服吸收的藥物,一般符合多個條件,如分子量不超過500 Da,有合適的親脂性和親水性,在pH7.4不帶電荷或帶部分電荷等。胃腸道消化液的pH、各種酶類的作用以及在血漿中的穩(wěn)定性都對其生物利用度起決定性作用。兒茶素在腸道菌群酶的作用下,被代謝為其葡萄糖苷化、磺酸化產(chǎn)物,還會發(fā)生環(huán)裂變、還原及水解等反應(yīng)[17]。這些糖苷化的兒茶素因為分子量大、極性強(qiáng)、親脂性弱,被動擴(kuò)散通過小腸的速度很慢。而通過腸道微生物糖苷酶作用將糖苷水解除去后,能提高其通過小腸吸收的水平[18]。Catterall等[19]研究了飲食劑量的大鼠,茶抗氧化劑C和EC的生物利用度和藥代動力學(xué)特性。將這些化合物的氚化衍生物經(jīng)口服或靜脈注射給大鼠,劑量水平與人類的飲食攝入量相當(dāng)。在靜脈注射這兩種化合物后,大約三分之一的劑量通過尿液排出,三分之二通過糞便排出,這表明大量兒茶素經(jīng)由膽道排泄。當(dāng)同樣的劑量被口服時,尿液中每種化合物的排出量只有經(jīng)靜脈注射時排出量的5%。對比口服和靜脈注射后曲線下的區(qū)域發(fā)現(xiàn),C和EC的生物利用度均小于5%??诜翰杷? h后血液中氚與水中的氫發(fā)生交換,而大鼠靜脈注射后不發(fā)生這種交換現(xiàn)象,可能是腸道菌群微生物的作用。
有關(guān)其他物質(zhì)是否對兒茶素的吸收造成干擾,有不同的觀點(diǎn)。Peters等[20]研究普通食品成分如蔗糖、維生素C對兒茶素吸收的影響,生物利用度分別通過SD大鼠和體外消化吸收Caco-2細(xì)胞模型進(jìn)行實(shí)驗。結(jié)果表明EGC與EC的體外吸收率(約51%~53%)比EGCG和ECG(<20%)高,單獨(dú)加入蔗糖或同時加入蔗糖與維生素C可適當(dāng)提高這幾種兒茶素的吸收率。CaCO-2細(xì)胞實(shí)驗中同時加入蔗糖與維生素C后,EGC,EGCG和ECG的積累顯著高于其他配方,說明蔗糖與維生素C能夠通過提高茶葉的可及性和腸道的吸收提高兒茶素的生物利用度。而Draijer等[21]認(rèn)為其他物質(zhì)會降低兒茶素的吸收,在他們的研究中發(fā)現(xiàn),空腹時服用脫咖啡因的茶葉兒茶素提取物,與進(jìn)食時相比,血漿中游離EGCG的平均濃度增加了3.5倍以上。
鑒于兒茶素類物質(zhì)低微的生物利用度,科學(xué)工作者已經(jīng)開展了大量的研究工作來嘗試提高其利用率,如與其他物質(zhì)配伍食用、對兒茶素進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾和采用各種大分子材料對兒茶素進(jìn)行納米封裝,其中納米封裝的方法研究較多。
胡椒堿是從胡椒科家族植物提取出來的酰胺生物堿。胡椒堿能夠抑制不同黃酮類物質(zhì)如槲皮素、EGCG與葡萄糖苷酸轉(zhuǎn)移酶的結(jié)合,降低代謝提高其生物利用率[22]。兒茶素與牛奶混合后,棓?;膬翰杷厝鏓CG與EGCG與牛奶中的蛋白質(zhì)結(jié)合力較強(qiáng),而非棓?;膬翰杷厝鏓C與EGC與牛奶中蛋白質(zhì)之間的結(jié)合較弱。游離的兒茶素含量降低,但在模擬胃液中孵育時,與蛋白質(zhì)結(jié)合的兒茶素被釋放出來,兒茶素總的量并沒有減少。兒茶素在模擬胃液的酸性環(huán)境中較為穩(wěn)定,而在腸道消化液中不穩(wěn)定。與牛奶中的蛋白質(zhì)結(jié)合后提高了Caco-2模型實(shí)驗中兒茶素的滲透系數(shù),并且,Caco-2細(xì)胞在孵育2 h后其兒茶素的回收率也大大提高[23]。
Amawi等[24]認(rèn)為可以通過結(jié)構(gòu)修飾如甲基化、糖苷化、羥基上進(jìn)行疏水化修飾等提高黃酮類物質(zhì)的生物利用度,這些衍生物具有母體的藥效團(tuán),能夠保持其原有的活性。兒茶素分子3′或5位羥基發(fā)生糖苷取代后在pH4~8之間的穩(wěn)定性一般較兒茶素本身更高,尤其是(+)-兒茶素3′-O-(-D-吡喃葡萄糖苷。通過大鼠腸灌注實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),(+)-兒茶素3′-O-(-D-吡喃葡萄糖苷,(+)兒茶素5-O-(-D-吡喃葡萄糖苷兩種糖苷取代物在腸中能夠大量脫去糖苷,通過測定對比灌入腸中和流出腸的液體,發(fā)現(xiàn)前者能夠更好地被腸道吸收[25]。
過醋酸修飾過的EGCG,在生物弱堿性環(huán)境中更穩(wěn)定,并且在蛋白酶抑制作用與誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡表現(xiàn)出更好的作用效果[26]。Wang等[27]發(fā)現(xiàn)過醋酸修飾過的EGCG,不僅可以降低子宮內(nèi)膜癌細(xì)胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子A,而且可以抑制腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞分泌的血管內(nèi)皮生長因子A。
另外,兒茶素結(jié)構(gòu)類似物的研究也取得了良好的效果,如Chen等[28]研究合成的EGCG結(jié)構(gòu)類似物能夠活化AMPK,抑制細(xì)胞增殖,上調(diào)細(xì)胞凋亡細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21,下調(diào)mTOR通路,并抑制人乳腺癌細(xì)胞中干細(xì)胞數(shù)量。Ahmed等[29]的研究發(fā)現(xiàn)合成的結(jié)構(gòu)類似物具有較強(qiáng)的抗增殖、抗血管生成和抗纖維化活性。
在醫(yī)療和功能性食品領(lǐng)域,為了提高兒茶素類物質(zhì)的生物利用度,針對其封裝進(jìn)行了大量研究,尤其是利用自然界中易于獲取且價格低廉的生物材料,如蛋白質(zhì)、脂類及糖類物質(zhì),有文獻(xiàn)對這些物質(zhì)在EGCG封裝方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述[30-32]。
2.3.1 蛋白質(zhì)作為封裝材料 牛血清白蛋白(BSA)、酪蛋白、乳清蛋白及植物源蛋白都具有提高EGCG利用率的作用。Yadav等[33]把BSA裝載到C與EC上,制作蛋白質(zhì)納米粒子,所得到的C-BSA納米粒子與 EC-BSA納米粒子在不同溫度下(37、47、57 ℃)都是穩(wěn)定的。DPPH法檢測封裝后的納米粒子發(fā)現(xiàn)其抗氧化活性并沒有減弱。并且裝載BSA后的C與EC抑制A549細(xì)胞系的能力有所提高。酪蛋白封裝后的EGCG在結(jié)腸癌細(xì)胞中仍具有抗惡性細(xì)胞增生的活性[34],酪酸鈉具有較高的EGCG負(fù)載量[35]。以脫脂米糠為原料,制備的米糠分離蛋白與茶兒茶素結(jié)合后,EGCG和總兒茶素的體外消化回收率分別從10.5%和17.7%提高到29.5%和31.6%[36]。
2.3.2 碳水化合物封裝材料 碳水化合物廣泛存在于自然界中,在農(nóng)產(chǎn)品加工過程中會產(chǎn)生大量的以碳水化合物為主的副產(chǎn)物,如米糠、豆渣、果蔬皮等。石萌[37]研究以米糠、豆渣和燕麥麩為初選材料,進(jìn)行兒茶素類物質(zhì)封裝材料的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)米糠對兒茶素類具有最佳吸附性能,米糠經(jīng)脫脂處理后,對兒茶素尤其是EGCG的吸附能力有明顯提高。采用擬一級和擬二級速率方程對脫脂米糠負(fù)載兒茶素類的吸附動力學(xué)進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)其吸附動力學(xué)符合二級速率方程。經(jīng)模擬胃腸道消化環(huán)境實(shí)驗后,發(fā)現(xiàn)米糠包埋后的兒茶素在經(jīng)腸胃液消化后比未經(jīng)包埋的兒茶素的回收率更高。
也有研究發(fā)現(xiàn)兒茶素與環(huán)糊精結(jié)合后有利于提高兒茶素的穩(wěn)定性及其生物利用度。環(huán)糊精與兒茶素的絡(luò)合常數(shù)隨著溫度與pH的升高而降低。在相同溫度與pH條件下,羥丙基-β-環(huán)糊精與EC的絡(luò)合常數(shù)小于其與C的絡(luò)合常數(shù),環(huán)糊精對EC有更強(qiáng)的保護(hù)作用[38]。
殼寡糖也是常用的封裝材料[39-41],Dube等[39]用離體的小鼠空腸進(jìn)行實(shí)驗,發(fā)現(xiàn)經(jīng)殼寡糖封裝后的兒茶素在小腸內(nèi)的吸收率明顯提高。其中C從(206.8±12.6)ng/cm2提高到(302.1±46.1) ng/cm2而EGCG從(57.9±7.9) ng/cm2提高到(102.7±12.4) ng/cm2。Dube認(rèn)為兒茶素吸收增強(qiáng)的機(jī)制不是通過對腸道細(xì)胞旁或細(xì)胞外被動轉(zhuǎn)運(yùn)過程的影響,也不是通過對外排蛋白的影響,而是由殼寡糖封裝后兒茶素穩(wěn)定性增強(qiáng),是其保留濃度明顯提高的結(jié)果,C由94.9%±3.8%提高到99.7%±0.7%,EGCG從 1.3%±1.7%提高到56.9%±3.0%。在另一個實(shí)驗中,Dube等[40]還發(fā)現(xiàn)殼寡糖封裝提高了EGCG在血漿中的濃度,這有可能是由EGCG在胃中和空腸中的濃度有所提升造成的。Hong等[41]研究EGCG在殼聚糖和天冬氨酸自組裝納米顆粒中的包封作用對其有效性的影響。以30~50 kDa天冬氨酸和3~5 kDa殼寡糖為原料,以1∶1的質(zhì)量比制備了平均直徑約93 nm的空白納米顆粒,將EGCG負(fù)載于納米顆粒中,得到平均直徑102 nm的EGCG-殼寡糖-天冬氨酸納米顆粒,這種顆粒可顯著提高EGCG對兔動脈粥樣硬化的治療效果。
將這些碳水化合物作為封裝材料,不僅能夠起到提高兒茶素類物質(zhì)生物利用度的作用,同時也降低了農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的廢棄物的污染,提高了生物質(zhì)的綜合利用率。
2.3.3 脂類作為封裝材料 脂類物質(zhì)從90年代早期就已經(jīng)開始應(yīng)用,目前是藥物輸送中常用的納米系統(tǒng)之一[42]。其作為納米封裝材料具有多種優(yōu)勢:物理穩(wěn)定性高、緩釋效果好、較高的負(fù)載能力以及較好的耐受性[43]。脂類納米封裝一般有兩種形式:固體脂質(zhì)納米顆粒(SLN)和納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體(NLC)。SLN含有完全結(jié)晶的脂滴,具有高度有序的晶體結(jié)構(gòu)。NLC是一種改進(jìn)的SLN,其脂質(zhì)相在室溫下同時含有固體和液體脂質(zhì)。SLN和NLC結(jié)合了聚合物顆粒、脂質(zhì)體和乳液的優(yōu)點(diǎn),是較為理想的納米封裝材料[44]。
在Radhakrishnan等[45]的研究中,采用SLN對EGCG進(jìn)行封裝以提高其在生物環(huán)境中的穩(wěn)定性。通過細(xì)胞增殖檢測EGCG和EGCG負(fù)載納米顆粒(EGCG-SLN)的抗癌活性,發(fā)現(xiàn)EGCG-SLN對MDA-MB 231人乳腺癌細(xì)胞的殺傷力是純EGCG的8.1倍,對DU-145人前列腺癌細(xì)胞的殺傷力是純EGCG的3.8倍。陽離子脂質(zhì)納米顆粒(LNs)也已被用于測試EGCG的持續(xù)釋放和特異性位點(diǎn)。實(shí)驗發(fā)現(xiàn),使用陽離子LNs可以延長EGCG的釋放時間[46]。
另外,研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體是一種具有類脂質(zhì)雙分子結(jié)構(gòu)的新型藥物載體,可以選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)藥物,起到緩釋作用,使活性分子免受酶及其它因素破壞,延長有效作用時間。兒茶素經(jīng)脂質(zhì)體包封后,在組織中分布密度高,靶向性增強(qiáng);消除緩慢,生物半衰期和有效血藥濃度時間延長,口服吸收較完全,生物利用度有所提高[47]。
納米顆粒的脂質(zhì)核心不僅使納米顆粒的組裝結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固,而且使其具有較好的生物相容性,從而為高效的藥物遞送提供了一種隱形載體。因此脂類物質(zhì)也是兒茶素類物質(zhì)的封裝合適的材料。
對兒茶素類物質(zhì)的生物利用度進(jìn)行研究的難點(diǎn)之一在于其復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。因為兒茶素分子中存在手型碳原子,其單體有8種結(jié)構(gòu),由這些單體組成的多聚體的異構(gòu)體個數(shù)將會隨著聚合度以指數(shù)方式增長。而不同的異構(gòu)體具有不同的生物利用度,如Donovan等[48]比較了大鼠空腸和回腸中(-)catechin與(+)catechin在原位灌注10、30、50 μmol/L各種兒茶素對映體的吸收情況。在所研究的濃度中,小腸對(-)catechin的吸收都沒有對(+)catechin的吸收高(P<0.01)。又如Baba等[49]研究對比大鼠在口服C、EC后,血漿及尿液中這兩種物質(zhì)及其代謝產(chǎn)物的含量,發(fā)現(xiàn)EC在大鼠體內(nèi)的生物利用度較C高,而且,C與EC在大鼠的胃腸道中可能存在競爭作用。而聚合度大于3的兒茶素的分離純化就已經(jīng)非常困難,因此對其多聚體生物利用度的研究受到分離技術(shù)的限制難以進(jìn)行。目前的研究主要集中在兒茶素單體或者是此類物質(zhì)的粗提物,對兒茶素聚合體生物利用度的研究有待于分離分析技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
另外,在利用納米封裝提高兒茶素生物利用度研究中,也有諸多困難,如在用脂類物質(zhì)進(jìn)行封裝時,尋找能用于食品的表面活性劑并不容易。雖然在實(shí)驗室內(nèi)進(jìn)行的納米封裝效果良好,但如何降低高昂的成本并進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)仍然是一個難題。
雖然對兒茶素的研究已經(jīng)開展了很多,國內(nèi)外市場上也已經(jīng)出現(xiàn)多種以兒茶素類物質(zhì)為主要功效成分的保健食品,但至今其構(gòu)效關(guān)系方面的研究仍然很欠缺,因此市場上這些產(chǎn)品的質(zhì)量可謂參差不齊。對兒茶素類物質(zhì)的構(gòu)效關(guān)系研究以及生物利用度提高方面的研究對相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)起著決定性的作用。今后的研究需要在提高兒茶素類物質(zhì)的分離純化技術(shù),以及兒茶素類物質(zhì)生物利用度提升方面努力,找到成本較低、食用安全且適合企業(yè)生產(chǎn)的方法。