姜黃素 膜運(yùn)載體系的構(gòu)建及功能性應(yīng)用研究進(jìn)展

周阿容，林以琳，邱建清，曾紹校*，林少玲*

（福建農(nóng)林大學(xué)食品科學(xué)學(xué)院，福建省特種淀粉品質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 35000 2）

姜黃素是草本植物姜黃根莖中分離出的多酚類活性物質(zhì)，具有抗氧化[1]、抗炎[2]、抗菌[3]、抗腫瘤[4]、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[5]和抗血管生成[6]等生物活性?；诮S素具有的多種生物活性，對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)，如圖1所示。在過(guò)去的幾十年中，姜黃素因其豐富的藥用特性獲得廣泛的研究關(guān)注，其對(duì)各種慢性疾病，如癌癥、心血管疾病、炎癥、糖尿病、肥胖、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等具有預(yù)防和保護(hù)作用，并且大量的臨床實(shí)驗(yàn)評(píng)估了姜黃素對(duì)人體的安全性和有效性[7-8]。此外，姜黃素是天然植物提取物，一般劑量范圍內(nèi)安全無(wú)毒（12 g/d對(duì)人體無(wú)明顯毒副作用），已被廣泛應(yīng)用于功能食品、食品著色、食品防腐以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[9-10]。然而，姜黃素在水中的溶解度很低，其他環(huán)境因素，如紫外線照射和加熱等均易導(dǎo)致該多酚化合物的分解，這些局限性嚴(yán)重阻礙了其在各領(lǐng)域的應(yīng)用[11-12]。為了克服這些問(wèn)題，許多研究試圖通過(guò)藥物遞送系統(tǒng)增加姜黃素的滲透能力和對(duì)代謝系統(tǒng)性降解的抵抗力，一些小分子靶標(biāo)化合物，如葉酸、半乳糖和精氨酸等已被用于裝飾聚合物顆粒，以增強(qiáng)姜黃素的活性靶向性[13]；或使用不同的載體分子包封姜黃素，如在脂質(zhì)體和聚合物膠束中包封姜黃素，與環(huán)糊精形成包合物等，以提高姜黃素的穩(wěn)定性以及生物利用度[14-15]。

圖1 姜黃素生物活性[1--6]Fig. 1 Biological activities of curcumin[1-6]

基于姜黃素具有的多種活性功能，已有眾多研究者將其添加到天然或合成聚合物薄膜中，以便提高姜黃素的各種性能及應(yīng)用潛力[13,16]，或利用姜黃萃取后的殘?jiān)鼇?lái)制備生物活性薄膜[17]。姜黃素通過(guò)與多糖、蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)進(jìn)行復(fù)配，添加適當(dāng)?shù)脑鏊軇?、交?lián)劑等，以包裹、涂布、靜電紡絲等形式即可成膜，在食品保鮮、包裝以及生物醫(yī)療方面可展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。另外，可生物降解的聚合物薄膜是開(kāi)發(fā)食品包裝材料的可持續(xù)替代品，薄膜和涂層可以用作抗菌劑和抗氧化劑的載體，用于改善食品質(zhì)量和安全性[18]，提高資源利用率并減少包裝廢棄物帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題。天然可生物降解的聚合物膜基質(zhì)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中可用于靶向藥物遞送以提高生物相容性、生物利用度、安全性，增強(qiáng)滲透性，具有更長(zhǎng)的保留時(shí)間和更低的毒性。本文通過(guò)對(duì)姜黃素膜運(yùn)載體系的構(gòu)建以及應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，旨在為姜黃素的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí)現(xiàn)姜黃素分子遞送面臨的主要問(wèn)題

1.1 水溶性差

姜黃素分子具有高度親脂性，內(nèi)在水溶性低，其在pH 5的水性緩沖液中溶解度為11 ng/mL[19]。姜黃素的疏水性主要因?yàn)橹炬湣⒏邩O性烯醇和酚基團(tuán)，脂肪鏈由連接分子極性區(qū)域的富含親脂性次甲基的區(qū)段組成。姜黃素極易溶于極性溶劑，如丙酮（7.75 mg/mL）、乙醇（5.6 mg/mL）、甲醇（4.44 mg/mL）和異丙醇（3.93 mg/mL）[20]。二甲基亞砜是分散姜黃素最常用的溶劑之一，姜黃素溶解度約為20 mg/mL[21]。

姜黃素極低的水溶性導(dǎo)致體內(nèi)的吸收率低、口服生物利用度差，使其作為生物活性藥理學(xué)試劑在不同功能產(chǎn)品以及水溶性基質(zhì)食品等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制[22]。因此，改善姜黃素的水溶性是開(kāi)發(fā)其潛在應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵所在。氫供體位點(diǎn)α,β-不飽和β-二酮部分被認(rèn)為是姜黃素結(jié)構(gòu)中的分解點(diǎn)，導(dǎo)致姜黃素在室溫和中性pH值條件下水解和降解。當(dāng)二酮反應(yīng)位點(diǎn)與聚合物、環(huán)糊精、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)以及其他大分子結(jié)構(gòu)結(jié)合時(shí)，反應(yīng)位點(diǎn)變得不受水解的影響，可以有效增強(qiáng)姜黃素的水溶性[23-24]。目前，可通過(guò)化學(xué)修飾、形成復(fù)合物等多種技術(shù)或體系提高姜黃素溶解 度，姜黃素修飾及復(fù)合載體包括脂質(zhì)體、膠束、納米乳液、無(wú)定形固體分散體、天然或人工聚合物等[25]。

1.2 光降解作用

姜黃素對(duì)光具有高度敏感性，在有機(jī)溶劑中的快速光降解使其在食品中的應(yīng)用受到限制[26]。姜黃素在暴露于光照的條件下非常不穩(wěn)定，特別是在潮濕的環(huán)境中，姜黃素受光照射導(dǎo)致其迅速降解成香草醛、香草酸、阿魏醛和阿魏酸[27]，這限制了其作為傳統(tǒng)藥劑在工業(yè)規(guī)模上的適用性，也縮短了其上市產(chǎn)品預(yù)計(jì)的貨架期。因此，盡管姜黃素具有多種生物學(xué)特性，但其光降解作用使得必須開(kāi)發(fā)能有效提高其穩(wěn)定性的系統(tǒng)。包封經(jīng)常用于保護(hù)不穩(wěn)定化合物，實(shí)現(xiàn)姜黃素的包封是克服該缺點(diǎn)的有效解決方案?，F(xiàn)在研究多將姜黃素包封于環(huán)糊精、脂質(zhì)體和蛋白質(zhì)中[28]，并因此增加其治療用途的可能性。

1.3 化學(xué)不穩(wěn)定性

姜黃素在光、熱、酶和堿性條件下的穩(wěn)定性差，導(dǎo)致其在制藥和食品工業(yè)中的廣泛使用造成了困難。姜黃素在堿性條件下具有高分解速率，部分原因是苯基化陰離子的形成，增加了姜黃素自由基的產(chǎn)生，這些基團(tuán)通過(guò)與其他姜黃素基團(tuán)反應(yīng)形成二聚體分解代謝物，或通過(guò)與細(xì)胞中的生物分子反應(yīng)，相繼介導(dǎo)分子的降解[20]，主要的降解產(chǎn)物是反式-6-(4-羥基-3-甲氧基苯基)-2,4-二酮-5-己烯醛，只有微量的香草醛、阿魏酸和阿魏酸甲酯[29]。

姜黃素在磷酸鹽緩沖液中（生理pH 7.4）具有10 min的半衰期，通過(guò)高效液相色譜法定量分析發(fā)現(xiàn)，姜黃素在磷酸鹽緩沖溶液（0.01 mol/L pH 7.4）中孵育6 h后會(huì)大量降解，只有不超過(guò)6%的殘余。即使服用克劑量的姜黃素，也只能檢測(cè)到極低的血漿姜黃素水平[30]，這極大限制了姜黃素在臨床應(yīng)用中的潛力。研究表明脂質(zhì)或納米顆粒包封可以有效增強(qiáng)姜黃素的化學(xué)穩(wěn)定性，其他提高穩(wěn)定性的方法包括通過(guò)人工操作消除或保護(hù)氧化位點(diǎn)（酚-OH和烯醇-OH）和β-二酮的衍生化以降低烯醇化物邁克爾受體的活性[31]。

1.4 快速代謝和低生物利用度

藥代動(dòng)力學(xué)研究表明，姜黃素口服后代謝產(chǎn)生硫酸鹽和葡糖苷酸衍生物。姜黃素進(jìn)入體內(nèi)后，經(jīng)結(jié)合（葡萄糖醛酸結(jié)合或硫酸鹽化）或還原反應(yīng)，然后被系統(tǒng)清除。Wahlstr?m等通過(guò)大鼠體內(nèi)的姜黃素生物分布研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)口服給藥后姜黃素會(huì)被快速代謝和消除掉[32]。姜黃素在生理轉(zhuǎn)運(yùn)期間相對(duì)高的代謝降解速率以及代謝終產(chǎn)物在體內(nèi)的快速消除降低了姜黃素的生物利用度[33]。盡管姜黃素具有多種藥理學(xué)特性，但口服生物利用度低是姜黃素治療效果不佳的主要原因之一。

化學(xué)結(jié)構(gòu)、釋放速率以及在胃腸液中的溶解度低是限制姜黃素生物可接受性的關(guān)鍵因素。自20世紀(jì)80年代早期以來(lái)，學(xué)者們已對(duì)大鼠模型中的姜黃素生物利用度進(jìn)行了大量研究。據(jù)研究報(bào)道，大鼠口服400 mg姜黃素后，在15 min～24 h內(nèi)，門(mén)靜脈血液中僅留下痕量（少于5 μg/mL）的姜黃素。另外發(fā)現(xiàn)口服3.6 g姜黃素，給藥1 h后血漿中姜黃素的最大含量為11.1 nmol/L，然而，接受較低劑量姜黃素的患者血漿中未發(fā)現(xiàn)姜黃素[34]。

近年來(lái)，利用各種藥物手段提高植物提取物生物利用度已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，預(yù)期口服生物利用度的增加將直接影響姜黃素的血漿濃度和治療效果。大量的方法被用來(lái)提高姜黃素的溶解度，進(jìn)而提高其生物利用度[35]。已有一些方法用于改善姜黃素的生物利用度，包括姜黃素-胡椒堿復(fù)合物、姜黃素納米粒、環(huán)糊精包合物、姜黃素脂質(zhì)體和姜黃素磷脂復(fù)合物等[36]。

2 構(gòu)建姜 黃素膜運(yùn)載體系的研究進(jìn)展

2.1 聚合物膜運(yùn)載體系

近年來(lái)，膜運(yùn)載體系得到迅速發(fā)展，科學(xué)家試圖探索聚合物薄膜作為一種新的藥物遞送載體，這類藥物控釋載體可運(yùn)載不同藥效的藥物分子，可顯著提高藥物利用率并降低藥物的毒副作用，已成為食品及生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。薄膜是指帶有或不帶有增塑劑的柔性聚合物層，根據(jù)結(jié)構(gòu)材料分為3 類：水膠體（如蛋白質(zhì)、多糖和藻酸鹽）、脂類（如脂肪酸、?；视秃拖灒┖蛷?fù)合材料[37]。作為一種聚合物基質(zhì)，薄膜滿足作為藥物運(yùn)載體系高效使用的要求，理想的薄膜需要具有良好的載藥量、溶出速率快和制劑穩(wěn)定性好等特點(diǎn)；此外，它們還應(yīng)無(wú)毒，具有生物相容性和生物可降解性[38-39]。

作為一種以聚合物膜為載體的遞送運(yùn)載材料，膜運(yùn)載體系可實(shí)現(xiàn)多種小分子藥物以及生物活性化合物等不同性質(zhì)分子的高效負(fù)載及可控釋放。遞送分子溶解后經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入膜基質(zhì)材料并與基質(zhì)材料充分接觸，隨后與基質(zhì)材料發(fā)生相互作用吸附，均勻負(fù)載于基質(zhì)材料中并賦予基質(zhì)材料相應(yīng)的生物活性[40]。相較于其他載體材料，聚合物膜可以根據(jù)藥物的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇聚合物膜的負(fù)載方法，同時(shí)具有載藥方法多樣、易于實(shí)現(xiàn)智能響應(yīng)、涂覆密度高、可直接涂覆食品或醫(yī)用材料表面等特點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注[41]。膜運(yùn)載體系提供了一種新穎的藥物遞送平臺(tái)，姜黃素可混入一種或幾種成膜基質(zhì)中，通過(guò)緩慢遷移與釋放實(shí)現(xiàn)功能性應(yīng)用，并且該系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)姜黃素的高效負(fù)載與控制釋放?；衔锏霓D(zhuǎn)運(yùn)速率取決于聚合物材料的化學(xué)性質(zhì)和交聯(lián)等級(jí)、活性化合物的濃度、其與聚合物基質(zhì)和食物的親和性，最后是環(huán)境條件，如相對(duì)濕度、溫度和接觸時(shí)間等。

2.2 成膜基質(zhì)

表1 姜黃素膜運(yùn)載系統(tǒng)常用成膜基質(zhì)Table 1 Film-forming matrices commonly used in curcumin membrane delivery systems

構(gòu)建姜黃素的膜運(yùn)載體系通常需要將姜黃素與成膜基質(zhì)結(jié)合，成膜基質(zhì)作為制作薄膜的關(guān)鍵要素，可通過(guò)分子間和分子內(nèi)的相互作用形成具有一定強(qiáng)度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的薄膜[42]。如 表1所示，目前常用的成膜基質(zhì)包括蛋白質(zhì)（明膠、大豆分離蛋白、玉米蛋白等）、多糖（殼聚糖、纖維素及其衍生物、淀粉及其衍生物、海藻酸鈉、卡拉膠等）以及其他聚合物等，其中明膠與殼聚糖作為最常用的成膜材料，均具有良好的性能。明膠是由部分水解的膠原蛋白衍生而來(lái)，由于良好的生物相容性、可生物降解性和成膜性，明膠被廣泛用于食品工業(yè)，如軟糖、果凍、食用涂料等中[43]。殼聚糖則是一種生物相容性和可生物降解的聚合物，具有良好的成膜性、抗菌性、阻氧性等優(yōu)點(diǎn)，殼聚糖薄膜已成功應(yīng)用于各種食品包裝[44-45]。

2.3 姜黃素與聚合物成膜基質(zhì)的結(jié)合方式

基于聚合物基質(zhì)的運(yùn)載系統(tǒng)已被用于增強(qiáng)姜黃素的生物利用度和生物活性，其運(yùn)載效率取決于載體和藥物的化學(xué)性質(zhì)，此外，載體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及藥物與載體的結(jié)合方式也決定了藥物遞送效率。姜黃素可通過(guò)化學(xué)鍵合方法固定于聚合物成膜基質(zhì)中，主要的鍵合方法包括離子鍵或共價(jià)鍵方式，要求聚合物膜分子中具有與姜黃素可鍵合的基團(tuán)。姜黃素和聚合物成膜基質(zhì)的鍵合最好能有一個(gè)中間橋聯(lián)分子，以保證藥物分子有足夠的運(yùn)動(dòng)空間去自由接觸外界?？勺鳛闈撛诘臉蚵?lián)分子包括葡聚糖、聚乙烯醇、乙二胺和聚乙烯亞胺等[57]。

圖2 姜黃素與優(yōu)化的聚丙烯腈在三維立方單元中氫鍵相互作用（A），姜黃素與PAN C＝O、C—H基團(tuán)的相互作用（B）[5-4]Fig. 2 Hydrogen bonding interactions between curcumin and optimized atactic-polyacrylonitrile in a 3D cubic unit cell (A), interaction between C=O and C-H groups of PAN and curcumin (B)[54]

為了更好地理解姜黃素與聚合物分子間的相互作用，分子動(dòng)力學(xué)模擬已被用于分析這些分子水平的相互作用。分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究材料的結(jié)構(gòu)和必要性質(zhì)（如穩(wěn)定性、擴(kuò)散和分子間相互作用）的最有效的系統(tǒng)，其提供了不同生物可降解聚合物與姜黃素的最佳配比，使我們能基于姜黃素和可生物降解的聚合物載體之間的離子相互作用開(kāi)發(fā)合適的姜黃素運(yùn)載系統(tǒng)[58]。Liu Yujia等[59]為了解微觀分子相互作用對(duì)共混膜的宏觀性質(zhì)的影響，通過(guò)分子模擬研究姜黃素與殼聚糖分子之間的相互作用，表明姜黃素與殼聚糖之間存在氫鍵作用，說(shuō)明二者的共混體系具有良好的相容性和穩(wěn)定的構(gòu)象。Govindaraj等[54]采用分子動(dòng)態(tài)模擬來(lái)闡明姜黃素-聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）薄膜中PAN和姜黃素之間的相互作用，也發(fā)現(xiàn)姜黃素通過(guò)氫鍵與PAN相互作用（圖2），該結(jié)論由紅外光譜觀察到的顯著藍(lán)移進(jìn)一步證實(shí)。藥物和載體之間的靜電相互作用與分子間氫鍵的數(shù)量具有非常強(qiáng)的相關(guān)性，并且藥物與載體之間的氫鍵對(duì)藥物負(fù)載率有很大影響[60]。通過(guò)離子鍵合到聚合物膜基質(zhì)上的姜黃素可緩釋出來(lái)，但化學(xué)鍵合的姜黃素基本不具釋放性，除非遇到極端環(huán)境（高酸高熱引起水解），藥物的延長(zhǎng)釋放可歸因于與基質(zhì)結(jié)合的更高親和力，取決于pH值、離子強(qiáng)度等環(huán)境條件[61]。

2.4 構(gòu)建姜黃素膜運(yùn)載體系的常用方法

2.4.1 共混法

這是目前使用最廣泛的一種方法，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，在構(gòu)建膜運(yùn)載體系時(shí)，姜黃素以輔料的形式直接混合加入聚合物成膜基質(zhì)中，通過(guò)共混成型或溶劑流延制成復(fù)合膜（圖3），如Liu Jinrong等[53]采用溶液共混法將溶解于乙醇水溶液的姜黃素與κ-卡拉膠溶液混合后，制備新鮮度指示膜；Musso等[46]用磁力攪拌器將等量的明膠和姜黃素分散體混合，以甘油為增塑劑，通過(guò)溶劑澆鑄法制備可食用智能薄膜；或者可先將姜黃素與成膜基質(zhì)混合后，通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備姜黃素負(fù)載纖維[49]。姜黃素混入聚合物成膜基質(zhì)后，通過(guò)姜黃素在膜體系中的遷移與釋放實(shí)現(xiàn)功能性應(yīng)用。

圖3 姜黃素共混膜制備流程Fig. 3 Flow chart of the preparation process of curcumin blend fi lm

2.4.2 膜表面吸附或涂布姜黃素

由于姜黃素?zé)岱€(wěn)定性差，不能經(jīng)過(guò)熔煉和擠壓剪切，可通過(guò)在膜基質(zhì)成型后再 進(jìn)行表面吸附或涂布姜黃素。Kuswandi等[56]將細(xì)菌纖維素溶解混合均勻后，先經(jīng)澆注法制備細(xì)菌纖維素膜，隨后將膜片浸入姜黃素原液（1 mg/mL）中，在室溫下浸泡12 h，通過(guò)吸附法將姜黃素固定在細(xì)菌纖維素膜上。Wathoni等[62]先通過(guò)溶劑蒸發(fā)法制備藍(lán)藻多糖水凝膠膜，隨后將姜黃素與2-羥丙基-γ-環(huán)糊精的復(fù)合物澆注在凝膠膜上，實(shí)現(xiàn)姜黃素的吸附。姜黃素和一些多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)成分構(gòu)成的可食性涂層抗菌膜，具有抗菌、可食、生物降解性、阻隔氧氣等優(yōu)點(diǎn)。

3 姜黃素膜運(yùn)載體系的功能性應(yīng)用

3.1 用于食品抗氧化包裝

食物氧化會(huì)降低營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，縮短保質(zhì)期，引起食品品質(zhì)的改變，甚至產(chǎn)生有毒物質(zhì)，危及人體健康，造成潛在的安全問(wèn)題以及消費(fèi)者的排斥心理[63]。為了延緩或防止食物氧化變質(zhì)，包括營(yíng)養(yǎng)損失、顏色和味道變化，以及延長(zhǎng)食物保質(zhì)期，摻入抗氧化劑尤其是天然抗氧化劑的薄膜已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[64]。載入薄膜中的抗氧化劑可以從包裝中遷移到食品中，防止與食品直接接 觸并減少食品中使用的化學(xué)添加劑的量，考慮到消費(fèi)者的健康問(wèn)題，目前的研究主要集中在天然活性化合物，包括綠茶提取物、槲皮素、葡萄籽提取物、生育酚、石榴皮提取物、姜黃素和精油等[52]。

近年來(lái)，姜黃素作為天然抗氧化劑在飲料和功能性食品中的應(yīng)用潛力引起食品科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其在生物系統(tǒng)中的抗氧化活性在預(yù)防一些過(guò)氧化物相關(guān)疾病方面顯示出了潛力，臨床實(shí)驗(yàn)顯示其在預(yù)防和治療各種人類疾病中的安全性[65-66]；因此，將姜黃素?fù)饺肷锵嗳菥酆衔镏苽浒b材料受到了廣泛的關(guān)注。Ma Qianyun等[52]以塔拉膠和聚乙烯醇為原料，研制了姜黃素抗氧化薄膜，發(fā)現(xiàn)隨著姜黃素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至5%，膜的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼清除能力由1.81%提高到35.16%。研究薄膜與高脂肪食物模擬物（體積分?jǐn)?shù)為50%的乙醇溶液）接觸過(guò)程姜黃素的釋放動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)隨著姜黃素含量的增加，釋放速率和擴(kuò)散系數(shù)增大，并且溫度越高，姜黃素遷移越快，釋放過(guò)程符合Fickian定律。Blanco-Padilla等[67]評(píng)估了負(fù)載姜黃素的電紡纖維中姜黃素的釋放曲線以及體 外消化條件下的抗氧化能力，發(fā)現(xiàn)在緩沖溶液（pH 7.4）和體外模擬消化過(guò)程中均觀察到姜黃素的受控和持續(xù)釋放。含0.05%和0.075%姜黃素的納米纖維，在24 h后姜黃素釋放量分別達(dá)到76%和70%。在體外模擬消化過(guò)程中，保留了包封在超薄纖維中的姜黃素的抗氧化活性，且優(yōu)于游離生物化合物。

姜黃素的低水溶性限制了其在聚合物膜基質(zhì)中的負(fù)載，可通過(guò)包封姜黃素改善其水溶性。Wu Jiulin等[68]采用β-環(huán)糊精包封姜黃素制備水包油乳液的方法以改善姜黃素的水溶性，并將其摻入魚(yú)明膠膜中以制備緩釋抗氧化膜。以摻入姜黃素的明膠薄膜作為對(duì)照薄膜，在貯藏90 d后評(píng)價(jià)膜的抗氧化活性穩(wěn)定性，結(jié)果表明β-環(huán)糊精包封姜黃素膜的抗氧化能力下降速率遠(yuǎn)低于對(duì)照膜。在薄膜中觀察到抗氧化活性的顯著增加以及食品模擬物中姜黃素的較低釋放速率，且該膜對(duì)紅富士蘋(píng)果有更好的保鮮效果，包裝后可使果汁的L值降低緩慢。另外，添加姜黃素能有效增強(qiáng)膜原有抗氧化能力，研究發(fā)現(xiàn)明膠中的氨基與乳糖中的羰基交聯(lián)過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成酚類化合物；因此，含乳糖的明膠膜具有一定的抗氧化能力，而將四氫姜黃素（姜黃素氫化代謝產(chǎn)物）加入成膜溶液中可顯著提高膜的抗氧化能力和總酚含量，此外，自由基清除能力增加了3 倍。這些變化主要與薄膜表面的差異有關(guān)，加入四氫姜黃素的薄膜表面兩側(cè)之間存在一些變化，這歸因于四氫姜黃素在面向空氣側(cè)的某些聚集[69-70]。

3.2 用于食品新鮮度監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注能夠在貯存、運(yùn)輸和銷售期間監(jiān)控包裝食品狀況以提供其質(zhì)量信息的智能包裝[71]。由于微生物生長(zhǎng)和新陳代謝，導(dǎo)致有機(jī)酸的濃度變化和揮發(fā)性化合物的形成，繼而引起食品儲(chǔ)存期間基質(zhì)pH值的變化，因此，pH值的變化被認(rèn)為是監(jiān)測(cè)食物變質(zhì)的潛在指標(biāo)[72-73]。根據(jù)微生物的腐敗以及在酸性或堿性環(huán)境下的顏色變化特征，可以建立食品新鮮度與pH值之間的關(guān)系。目前，pH值比色指標(biāo)在魚(yú)類和新鮮豬肉、香腸等食品的新鮮度監(jiān)測(cè)中顯示出巨大的應(yīng)用潛力[74-75]。一般來(lái)說(shuō)，pH值比色指標(biāo)是由固體載體與pH值傳感染料結(jié)合而成，對(duì)新鮮度監(jiān)測(cè)的pH值比色指示劑的關(guān)注主要集中在植物組織的天然染料上，例如玫瑰茄花青素、紅甘藍(lán)提取物和山葡萄果殼葡萄皮提取物等[76]。

姜黃素是一種弱質(zhì)子酸，有3 個(gè)不穩(wěn)定的氫原子，隨著pH值從酸到堿的變化，顏色由黃色變?yōu)榧t色（圖4A）[77]。含有姜黃素的薄膜是檢測(cè)酸堿反應(yīng)的高靈敏度材料，其與增加的pH值相互作用產(chǎn)生的顏色變化，可通過(guò)視覺(jué)檢查直接監(jiān)測(cè)，并且能夠通過(guò)Photoshop軟件檢測(cè)定量分析。Musso等[46]向薄膜配方中添加姜黃素制備智能明膠薄膜，通過(guò)改變薄膜顏色來(lái)感測(cè)介質(zhì)pH值（pH 6時(shí)為黃色，pH 11時(shí)為紅色），從而間接提供有關(guān)食品腐敗的信息，并通過(guò)材料的抗氧化特性延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。

大多數(shù)動(dòng)物性蛋白質(zhì)食品的變質(zhì)與微生物有關(guān)，蛋白質(zhì)的微生物腐敗會(huì)產(chǎn)生大量的總揮發(fā)性堿基氮，從而改變培養(yǎng)基的pH值。Kuswandi等[56]開(kāi)發(fā)姜黃素/細(xì)菌纖維素包裝貼紙傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蝦的腐敗情況，其基于pH值的變化，食品腐敗時(shí)包裝頂部空間中逐漸產(chǎn)生揮發(fā)性胺，傳感器的顏色相應(yīng)從黃色變?yōu)槌壬?，然后變?yōu)榧t橙色以指示腐敗，這些顏色變化肉眼很容易察覺(jué)。在環(huán)境條件下研究薄膜作為傳感器對(duì)腐敗蝦顏色變化率的響應(yīng)，在24 h內(nèi)，隨著膜顏色的逐漸變化，傳感器的響應(yīng)逐漸增加，膜在10 h內(nèi)由黃色逐漸變?yōu)槌壬?，大約10 h后由橙色變?yōu)榧t橙色。Liu Jinrong等[53]研制了以姜黃素和卡拉膠為主要原料的pH值比色指示劑薄膜，用于豬肉和蝦的新鮮度監(jiān)測(cè)，該膜對(duì)姜黃素的釋放具有良好的控制作用，具有明顯的菲基擴(kuò)散釋放機(jī)制，有利于pH值的持續(xù)變化感知。如圖4B所示，貯藏3 d后，對(duì)照組在貯藏期間顏色沒(méi)有明顯變化，與此形成鮮明對(duì)比的是，實(shí)驗(yàn)組豬肉（圖4B中b1和d1）和蝦（圖4B中b2和d2）的膜顏色明顯由黃色變?yōu)榧t色。堿性條件下，薄膜表現(xiàn)出較強(qiáng)的紅移，成功地監(jiān)測(cè)了豬肉和蝦在貯藏過(guò)程中的腐敗情況，該靶向膜的成功應(yīng)用表明其在動(dòng)物蛋白食品的新鮮度監(jiān)測(cè)方面具有很大的潛力。有學(xué)者考察姜黃素薄膜智能標(biāo)簽在不同NH3環(huán)境下的傳感能力以及蝦類腐敗檢測(cè)的響應(yīng)能力，發(fā)現(xiàn)較高的相對(duì)濕度有利于顏色響應(yīng)，其結(jié)合蝦腐敗實(shí)驗(yàn)以評(píng)價(jià)膜的實(shí)際應(yīng)用時(shí)觀察到明顯的變化，結(jié)果表明該膜可用作食品工業(yè)中的傳感器[78]。

圖4 姜黃素溶液在不同pH值下的顏色（A）以及監(jiān)測(cè)豬肉和蝦新鮮度的傳感膜的應(yīng)用（B）B[53][53]Fig. 4 Color of curcumin solution at different pH values (A), and applications of sensing fi lm for monitoring pork and shrimp freshness (B)[53]

3.3 用于食品抗菌保鮮

環(huán)境中接觸到的有害微生物是引發(fā)食品安全問(wèn)題的一個(gè)主要原因，為保持食品的貯藏穩(wěn)定性，常在食品中添加大量的防腐劑，給食品帶來(lái)極大的安全隱患。通過(guò)使用活性抗菌包裝，可以減少甚至避免食品加工過(guò)程中防腐劑的直接加入，同時(shí)提高了食品貯藏穩(wěn)定性?；诖耍瑢W(xué)者們通過(guò)將抗菌酶、細(xì)菌素、精油、酚類化合物等天然生物活性物質(zhì)加入包裝材料中，以增強(qiáng)傳統(tǒng)包裝的功能性，克服其局限性[79]。

姜黃素與各種形式的膜基體材料結(jié)合后，食品包裝中姜黃素的持續(xù)釋放不僅抑制了微生物的生長(zhǎng)，而且減輕了微生物對(duì)食品的直接危害[80-81]。Wang Hualin等[49]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)成功地將姜黃素負(fù)載到玉米醇溶蛋白纖維中，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均有良好的抗菌活性，抑制效率隨著姜黃素含量的增加而顯著增加，然而，由于不同的細(xì)胞膜組成和結(jié)構(gòu)，該姜黃素負(fù)載系統(tǒng)對(duì)金黃色葡萄球菌的抑菌效果優(yōu)于大腸桿菌。Govindaraj等[54]研究發(fā)現(xiàn)在PAN基質(zhì)中加入200 μg/mL姜黃素后，細(xì)胞存活率為100%，保證了聚合物無(wú)細(xì)胞毒性，同時(shí)也證明了與革蘭氏陰性菌相比，姜黃素對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌具有明顯的抗菌作用。將載有姜黃素的介孔二氧化硅納米粒子摻入殼聚糖膜中可以有效改善純殼聚糖膜的功能特性，有效提高其抗菌活性。釋放研究顯示該生物納米復(fù)合膜表現(xiàn)出姜黃素持續(xù)釋放行為（72 h以上），并且具有pH值依賴性，在低pH值（2.0）下薄膜中姜黃素的釋放速率高于在弱酸性（pH 6）和中性（pH 7.4）下的釋放速率[82]。

姜黃素具有作為光敏劑的潛力，其在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)受光照射，釋放單線態(tài)氧和自由基等，可對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用。Tsekova等[83]以醋酸纖維素和含有光敏劑姜黃素的聚乙烯吡咯烷酮為原料，制備了新穎的纖維材料，以全程藍(lán)光輻照研究該纖維對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性。結(jié)果表明，姜黃素與纖維材料的結(jié)合可有效提高對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌性能，其在最低抑菌濃度范圍內(nèi)可釋放姜黃素長(zhǎng)達(dá)24 h，導(dǎo)致存活細(xì)胞減少3 log。

4 結(jié) 語(yǔ)

聚合物基質(zhì)與成膜技術(shù)的融合為藥物輸送、食品保存、包裝、組織工程和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域提供新的平臺(tái)。聚合物薄膜用作活性成分的運(yùn)載系統(tǒng)，應(yīng)減少基質(zhì)材料的數(shù)量，同時(shí)具有高的載藥能力。藥物裝載和包封效率很大程度上取決于藥物在基質(zhì)材料或聚合物中的溶解度，以及與聚合物的組成、分子質(zhì)量、藥物聚合物相互作用和聚合物上存在的官能團(tuán)有關(guān)。基于對(duì)環(huán)境污染的關(guān)注、石油資源的短缺以及消費(fèi)者對(duì)改善整體產(chǎn)品特性（質(zhì)量和外觀）的需求，由多糖、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等天然來(lái)源的薄膜受到了極大的關(guān)注。將活性成分納入生物聚合物基質(zhì)中，以開(kāi)發(fā)活性食品包裝已經(jīng)構(gòu)成了一種新的策略，以延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期并改善常規(guī)包裝材料的功能。通過(guò)遷移、釋放過(guò)程，包含在聚合物基質(zhì)中的生物活性化合物可以轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品或頂部空間并且實(shí)現(xiàn)它們的保護(hù)作用（抗氧化劑、抗微生物劑等）。值得注意的是，這些組分的遷移應(yīng)存在于薄膜或涂層中，不應(yīng)存在毒性風(fēng)險(xiǎn)或改變所在聚合物材料的性質(zhì)。

姜黃素及其衍生物因具有多種生物活性而受到廣泛的關(guān)注。然而，姜黃素的疏水性、生物利用度低、化學(xué)穩(wěn)定性差、半衰期短等特點(diǎn)給其有效靶向傳遞帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。將姜黃素與生物可降解基質(zhì)相結(jié)合，構(gòu)建姜黃素膜運(yùn)載體系，是提高姜黃素應(yīng)用潛力的有效策略之一。在膜運(yùn)載體系中，姜黃素通過(guò)與聚合物基體的相互作用提高膜的酚類含量和抗自由基活性，從而發(fā)揮抗氧化、抗菌、pH值指示劑、抗感染等功效。將姜黃素?fù)饺氡∧ら_(kāi)發(fā)活性包裝，防止或減少食品質(zhì)量惡化，有助于保存食品和延長(zhǎng)貨架期，這一創(chuàng)新的食品包裝理念因其提供食品質(zhì)量和安全措施的潛力而引起研究人員的興趣。到目前為止，可生物降解的生物基薄膜并不能完全取代傳統(tǒng)的包裝材料，用于食品包裝和其他用途的可生物降解薄膜和涂料的挑戰(zhàn)在于它們必須在所需的時(shí)間內(nèi)安全有效地發(fā)揮其功能，并且僅在預(yù)期的功能用途結(jié)束后才進(jìn)行生物降解。此外，還有許多具有生物活性的天然植物資源有待研究，可用于開(kāi)發(fā)保存和增加食品價(jià)值的活性包裝或生物聚合物基可食用薄膜。