辣椒生物堿的活性與利用度改進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展

胡付俠，初 僑，白若熙，楊興文，鄭振佳，王兆升,

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東省高校食品加工技術(shù)與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安 271018；2.中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100191）

辣椒在我國廣泛種植，主要分布在湖南、四川、云南等地，種植面積近200萬公頃，經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值近千億，在農(nóng)業(yè)市場中占據(jù)重要地位[1]。辣椒營養(yǎng)成分豐富，其獨(dú)特的辣味深受人們喜愛，這與其中的辣椒生物堿類成分密不可分。辣椒生物堿是由芳香族氨基酸苯丙氨酸衍生而成的香草基胺部分與纈氨酸或亮氨酸衍生成的支鏈脂肪酸部分所組成的脂肪酸化合物，目前結(jié)構(gòu)明確的有辣椒堿、二氫辣椒堿、降二氫辣椒堿、高辣椒堿以及對甲基辣椒堿等，其中以辣椒堿為主，約占辣椒總生物堿的69%[2]。最為常見的5種生物堿結(jié)構(gòu)含量如表1。

辣椒生物堿生物學(xué)活性近年來廣受關(guān)注，其生物活性主要包括抗腫瘤、抗炎、減緩疼痛、減肥、預(yù)防心血管疾病與保護(hù)腸胃系統(tǒng)等[2,4]?；钚晕镔|(zhì)的生物利用度主要是由生物可及性、吸收率和轉(zhuǎn)化率三個(gè)因素決定[5]。生物可及性取決于活性物質(zhì)從食物基質(zhì)中釋放和在胃液中的溶解情況，辣椒生物堿雖然具有較高的生物活性，但因溶解度較差造成生物可及性較低。此外，其較高的肝首過效應(yīng)導(dǎo)致辣椒生物堿在未進(jìn)入血循環(huán)之前提前被代謝，進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)的劑量減少，藥效降低，造成辣椒生物堿生物利用度較低[2,5]。目前對于辣椒生物堿的利用主要采用局部外用給藥方式，存在起效慢、吸收低、刺激性大等問題，限制了其高效利用，因此有必要對當(dāng)前國內(nèi)外提高辣椒生物堿生物利用度技術(shù)的研究進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

本文對辣椒生物堿生物活性的最新研究和提高其生物利用度的技術(shù)方法進(jìn)行了綜述，在此基礎(chǔ)上對辣椒生物堿的研究與開發(fā)利用前景進(jìn)行展望。

1 辣椒生物堿的生物學(xué)活性

辣椒顯著的辛辣風(fēng)味和功能作用與其富含的生物堿密不可分，大量體內(nèi)與體外試驗(yàn)證明辣椒生物堿具有較高的生物學(xué)活性，是開發(fā)保健品和藥物的優(yōu)良來源。

1.1 抗癌活性

流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)辣椒生物堿可降低患癌風(fēng)險(xiǎn)，在肺癌、胃癌、肝癌、膀胱癌、乳腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤等多種癌癥方面都顯示了較強(qiáng)的抗癌作用[6?7]，其抗腫瘤作用見表2。辣椒生物堿可通過誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡與自噬、抑制腫瘤細(xì)胞增殖和轉(zhuǎn)移、調(diào)控致癌物的代謝及與DNA的相互作用和阻滯細(xì)胞增殖周期等發(fā)揮抗癌活性[8?9]，其中誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡是其抗腫瘤作用的最重要機(jī)制。研究證實(shí)辣椒堿可通過線粒體介導(dǎo)的途徑活化半胱氨酸蛋白酶-7，誘導(dǎo)聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶-1的裂解，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，產(chǎn)生抑制乳腺癌細(xì)胞的生長并誘導(dǎo)自噬的效果[10]；還可以通過誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生和抑制信號傳導(dǎo)等途徑參與細(xì)胞凋亡，具體機(jī)制見圖1。

圖1 辣椒堿誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡的機(jī)制[16]Fig.1 Mechanisms of capsaicin induced apoptosis in tumor cells[16]

表2 辣椒生物堿抗腫瘤作用Table 2 Antitumor effect of pepper alkaloids

1.2 抗炎活性

炎癥是機(jī)體對外界刺激的一種應(yīng)激反應(yīng)，以食物為基礎(chǔ)的治療方式逐漸受到重視。體外和體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，辣椒生物堿具有良好的抗炎效果。陳田等[17]研究發(fā)現(xiàn)，辣椒堿、二氫辣椒堿、吲哚美辛能夠抑制巨噬細(xì)胞RAW 264.7釋放NO，IC50分別為25.68、42.66、127.88 μmol/L，辣椒堿的抗氧作用明顯強(qiáng)于二氫辣椒堿、吲哚美辛。通過炎癥模型發(fā)現(xiàn)，辣椒堿可以通過下調(diào)促炎細(xì)胞因子，抑制TNF-α、IL-6、COX-2和TGF-β等基因的表達(dá)，從而發(fā)揮抗炎作用[18?19]。此外，還發(fā)現(xiàn)辣椒堿能夠阻斷LPS誘導(dǎo)的IkB-a的消失，使NF-kB失活，抑制COX-2的酶活性和iNOS蛋白的表達(dá)，辣椒堿顯著抑制了PGE2的產(chǎn)生，抗炎作用較好[20]。研究結(jié)果表明，辣椒生物堿能夠有效的緩解炎癥問題，主要是通過控制ROS、NO以及促炎因子的釋放來發(fā)揮功效，因此，辣椒生物堿將在抗炎物質(zhì)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1.3 抑菌活性

辣椒生物堿對革蘭氏陽性、陰性細(xì)菌及真菌均有一定的抑菌活性，可以通過阻斷質(zhì)粒接合的過程來達(dá)到抑菌作用，還可以通過抑制細(xì)胞內(nèi)入侵和溶血活性對化膿性鏈球菌起到抑菌作用[21]。研究表明辣椒堿可通過影響細(xì)胞外基質(zhì)的組成、抑制大腸桿菌生物膜的形成從而達(dá)到抑菌作用[22]，抑菌效果與所需的辣椒生物堿最低殺菌濃度（Minimum inhibitory concentration，MIC）見表3。辣椒生物堿具有較高的抗菌活性，與抗生素類藥物結(jié)合發(fā)揮協(xié)同作用。此外利用辣椒生物堿的抑菌特性，結(jié)合微乳技術(shù)等制備的材料，不僅可以提高辣椒生物堿的穩(wěn)定性，同時(shí)還能充分利用其高效的抑菌效果，作為海洋的新型防污劑[23]。

表3 辣椒生物堿抑菌作用Table 3 Antibacterial effect of pepper alkaloids

1.4 鎮(zhèn)痛活性

辣椒生物堿具有長效鎮(zhèn)痛作用且不影響運(yùn)動(dòng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)痛、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、腰疼等疾病的治療，其鎮(zhèn)痛機(jī)制是通過其與瞬時(shí)受體電位香草酸亞型1（Transient receptor potential vanilloid-1，TRPV1）受體結(jié)合，激活了膜離子通道，引起鈣離子內(nèi)流，神經(jīng)細(xì)胞釋放神經(jīng)肽P物質(zhì)[27]，鎮(zhèn)痛機(jī)制見圖2，鎮(zhèn)痛效果見表4。小劑量給藥時(shí)，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)肽物質(zhì)，傳遞痛覺并產(chǎn)生疼痛感；連續(xù)給藥時(shí)，會(huì)降低神經(jīng)元的敏感性，對一些致痛刺激無反應(yīng)，即產(chǎn)生脫敏作用；當(dāng)大劑量給藥時(shí)，會(huì)使神經(jīng)元細(xì)胞變性、死亡等，對機(jī)體產(chǎn)生毒性[28]。不同劑量的辣椒生物堿對機(jī)體產(chǎn)生的作用效果不同，消除辣椒生物堿的不良反應(yīng)同時(shí)充分利用其脫敏鎮(zhèn)痛功效是臨床應(yīng)用辣椒生物堿的重要研究方向。

圖2 不同刺激激活瞬時(shí)TRPV1的模型[27]Fig.2 Different stimuli activate the TRPV1 model[27]

表4 辣椒生物堿鎮(zhèn)痛作用Table 4 Relieving pain effect of pepper alkaloids

1.5 減肥活性

辣椒生物堿能夠加快機(jī)體產(chǎn)熱、減少脂肪積累。休息期間或低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)前1 h服用辣椒堿，可以增加脂質(zhì)氧化，加速能量代謝[32]。連續(xù)兩周低劑量的攝入，可以增強(qiáng)交感神經(jīng)系統(tǒng)活性，增強(qiáng)脂肪氧化，減輕體重，因此辣椒堿可以增強(qiáng)交感神經(jīng)系統(tǒng)性，刺激機(jī)體產(chǎn)熱，從而達(dá)到減肥效果[33]。辣椒生物堿可以通過刺激神經(jīng)調(diào)控減少胃酸分泌，降低胃動(dòng)力，從而增加胃飽腹感，降低食欲；還可通過刺激褐色脂肪組織與灰褐色脂肪組織，引起其活性增加，釋放去甲腎上腺素而激活了腎上腺受體，導(dǎo)致cAMP增加激活蛋白激酶A，促進(jìn)脂肪氧化或分解，從而達(dá)到減肥的目的[34]。辣椒生物堿類物質(zhì)的減肥作用機(jī)制如圖3所示。低劑量的辣椒生物堿與一些活性物質(zhì)共同使用時(shí)，可協(xié)同發(fā)揮減肥效果。Pande等[35]發(fā)現(xiàn)15%可溶性富纖維嫩豆莢與0.015%辣椒生物堿的結(jié)合使脂肪酶的活性提高了119%，抑制脂肪積累，防止了大鼠體重的增加。辣椒生物堿的減肥活性可與其它活性成分相結(jié)合，多組分共同促進(jìn)健康水平。

圖3 辣椒堿類物質(zhì)的減肥作用機(jī)制[34]Fig.3 Anti-obesity mechanism of capsaicinoids[34]

1.6 抗氧化活性

自由基過量積累時(shí)會(huì)發(fā)生氧化傷害，同時(shí)多不飽和脂肪酸會(huì)自動(dòng)氧化、輻射等也會(huì)產(chǎn)生氧化傷害，15 mg/kg的辣椒堿作用于高血脂小鼠肝臟后GSHpx、SOD、CAT等抗氧化酶的活性分別提高52.12%、15.61%、21.86%，同時(shí)MDA含量降低35.86%[36]。段方娥等[37]發(fā)現(xiàn)辣椒堿對DPPH·、ABTS+·的清除能力呈現(xiàn)出較好的量效關(guān)系，EC50在40.68、84.30 μg/mL時(shí)清除率分別為82.4%、86.7%，抗氧化能力很大程度上與其酚羥基、甲氧基的存在相關(guān)[38]。Chen等[39]研究發(fā)現(xiàn)辣椒生物堿對氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞氧化應(yīng)激的保護(hù)作用是通過活化半胱氨酸蛋白酶-3介導(dǎo)途徑實(shí)現(xiàn)的，對巨噬細(xì)胞RAW 264.7的保護(hù)作用是通過降低氧化低密度脂蛋白的形成、減少泡沫細(xì)胞的數(shù)量且不被低密度脂蛋白氧化，表明辣椒生物堿可以有效的預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化。綜上所述，辣椒生物堿作為一種天然的活性物質(zhì)，具有較高的抗氧化活性，主要是通過清除自由基和抑制脂質(zhì)過氧化兩個(gè)途徑發(fā)揮功效，其在抗氧化化妝品及預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化等疾病中的應(yīng)用值得進(jìn)一步研究。

1.7 保護(hù)胃腸道活性

低劑量的辣椒生物堿能保護(hù)胃腸道系統(tǒng)，高劑量的辣椒生物堿會(huì)對胃腸道系統(tǒng)造成損害。Prakash等[40]發(fā)現(xiàn)喂養(yǎng)0.01%辣椒生物堿的大鼠腸刷緣膜的膜流動(dòng)性增加，回腸和空腸的膜流動(dòng)性分別增加了72%和108%，腸膜結(jié)合酶的活性增加了52%；腸道絨毛長度和周長分別增加了33%、29%，導(dǎo)致小腸吸收表面的增加，促進(jìn)了腸道內(nèi)脂肪的消化吸收。Chen Dapeng等[41]發(fā)現(xiàn)辣椒堿可調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和肌球蛋白輕鏈激酶來調(diào)節(jié)腸胃功能，緩解腸道運(yùn)動(dòng)異常。辣椒堿可通過調(diào)控TRPV1、鈣素基因相肽等反應(yīng)受體，刺激損傷胃腸道合成和釋放多種神經(jīng)遞質(zhì)，調(diào)控胃腸道系統(tǒng)維持胃腸道黏膜的完整性及抵抗傷害[41?42]。辣椒生物堿上的羥基可以與其他物質(zhì)形成酯類物質(zhì)，該類物質(zhì)在胃腸道系統(tǒng)中發(fā)揮保護(hù)作用的同時(shí)降低了刺激性。研究表明，辣椒堿酯類物質(zhì)給藥劑量的多少對動(dòng)物的體重、飲食、血液、血壓等均未見不良反應(yīng)，尚未發(fā)現(xiàn)毒理學(xué)影響[43?44]。

以上結(jié)果都反映了辣椒堿酯類物質(zhì)的刺激性比辣椒生物堿小，具有保護(hù)胃腸道的潛力。但辣椒堿酯類物質(zhì)對人體的胃腸道保護(hù)機(jī)制尚不明確，該類成分是否可以代替辣椒生物堿應(yīng)用于胃腸道保護(hù)中還有待研究。

2 提高辣椒生物堿生物利用度的技術(shù)

辣椒生物堿溶解性、吸收率和轉(zhuǎn)化率較低，影響了其在生物體內(nèi)的生物利用度。在辣椒生物堿的利用方面，需要采取一定的技術(shù)提高其溶解性、吸收率和轉(zhuǎn)化率，減少刺激性進(jìn)而提高其生物利用度。

2.1 脂質(zhì)體技術(shù)

脂質(zhì)體通常是由磷脂制備的單個(gè)或多個(gè)層狀球狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其雙分子層結(jié)構(gòu)不僅與生物膜相似，無毒且易被組織吸收[4]。辣椒生物堿與脂質(zhì)體的結(jié)合，不僅可以提高其生物可及性和吸收轉(zhuǎn)化率，還可以賦予細(xì)胞類型特異性，實(shí)現(xiàn)活性靶向性，提高辣椒生物堿的藥效，脂質(zhì)體表面靶向給藥系統(tǒng)過程見圖4。

圖4 脂質(zhì)體靶向給藥系統(tǒng)作用過程[45]Fig.4 Action process of liposome targeted drug delivery system[45]

Zhu 等[46]通過在大鼠藥代動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體能顯著提高其溶解度，使其生物利用度提高3.34倍，同時(shí)能夠顯著降低其對胃黏膜的刺激。Ketzasmin等[47]發(fā)現(xiàn)在卵磷脂構(gòu)成的納米脂質(zhì)體的表面涂覆殼聚糖，辣椒堿脂質(zhì)體穩(wěn)定性、包封率顯著提高可達(dá)96%，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。此外，辣椒堿脂質(zhì)體可以產(chǎn)生神經(jīng)阻滯，延長局部麻醉時(shí)間0.4 h；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)河豚毒素脂質(zhì)體與辣椒堿脂質(zhì)體組合具有協(xié)同作用，可明顯延長神經(jīng)阻滯18.2 h，且對局部或全身都未產(chǎn)生毒性，具有較好的藥物釋放特性[48]。脂質(zhì)體技術(shù)不僅解決了辣椒生物堿的刺激性的問題，同時(shí)還延長了藥效時(shí)間，提高了其溶解度、吸收率，是改善辣椒生物堿溶解性和提高其生物利用度的一種優(yōu)良方法。

圖5 辣椒堿脂質(zhì)體的初始結(jié)構(gòu)[49]Fig.5 Initial structure of capsaicin liposomes[49]

2.2 微球、微乳技術(shù)

微球、微乳可以解決辣椒生物堿的肝首過效應(yīng)、低溶解性、慢藥效性等問題，降低毒副作用，是提高生物利用度中較為理想的藥物釋放載體[50]。張娟[51]通過小鼠皮下注射辣椒生物堿的乳酸-羥基乙醇酸共聚物微球和混懸液，發(fā)現(xiàn)微球20 d累積釋藥量近100%，而混懸液12 d釋藥量超過97%，證實(shí)微球具有緩釋作用，延長藥效時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)對象的順應(yīng)性。此外，通過測定其在大鼠體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué)及組織分布情況，發(fā)現(xiàn)殼聚糖-辣椒堿微球與辣椒堿相比，在大鼠組織中的含量較高且隨糞便排泄的藥物較少，提高了辣椒堿的吸收率及轉(zhuǎn)化率，表明微球載體顯著提高了其生物利用度[52]。Zhang等[53]發(fā)現(xiàn)，辣椒堿緩釋微球相比于游離辣椒堿、辣椒堿基質(zhì)微球，達(dá)峰時(shí)間Tmax是辣椒堿基質(zhì)微球、辣椒堿的3倍，t1/2是其1.84、2.21倍，其口服生物利用度分別提高約1.98倍和5.34倍，且體內(nèi)吸收度與體外溶出度具有良好的線性關(guān)系。江云霞等[54]發(fā)現(xiàn)辣椒堿乳膠劑在24 h的累積滲透率可達(dá)54.75%，具有較高的透皮性能且對皮膚無刺激性，熱板實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其作用90 min后對小鼠疼痛抑制率為25.57%。Lu等[55]以90 mg/kg辣椒堿為核心制備了納米微乳，喂養(yǎng)6 h未發(fā)現(xiàn)大鼠胃黏膜出現(xiàn)明顯的出血、充血和潰瘍性病變等不良反應(yīng)，證實(shí)辣椒堿的納米乳可以減輕對胃組織的刺激性。綜上所述，利用微球、微乳技術(shù)包埋辣椒生物堿不僅可以保護(hù)活性成分以防其降解、減少刺激性，還可以提高溶解性以促進(jìn)其更好地被生物體吸收、轉(zhuǎn)化和利用，從而使其具有更高的生物利用度和更強(qiáng)的生物活性。

2.3 羥丙基-β-環(huán)糊精技術(shù)

羥丙基-β-環(huán)糊精（Hydroxypropyl-β-cyclodextrin,HP-β-CD）由于相對表面活性和溶血活性比較低、具有較高的溶解性，同時(shí)對肌肉沒有刺激性，所以常用作藥物的增溶劑和藥物賦形劑[56]。Zi等[57]通過離體透皮實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2.20%（w/v）的HP-β-CD是最適濃度，其累積滲透量、時(shí)間分別是游離CAP的1.31、1.38倍，顯著增加辣椒堿的透皮作用。體內(nèi)藥物動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示，辣椒堿-HP-β-CD其體內(nèi)增溶性明顯提高，生物利用度增加到139.38%[58]。利用HP-β-CD包埋法，可以起到增加其吸收轉(zhuǎn)化和緩釋藥物的作用，提高藥效，維持藥效時(shí)間[59]，解決部分辣椒生物堿生物利用度低的問題。此外，甲基-β-CD與辣椒堿在30 ℃、2:1物質(zhì)的量的情況下形成的包合物，可使辣椒堿的溶解性提高6倍且還原能力顯著增加[60]，這一結(jié)果為甲基-β-CD在辣椒生物堿上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

2.4 前藥自組裝技術(shù)

前藥自組裝納米技術(shù)及其聯(lián)用技術(shù)不僅可以解決藥物的穩(wěn)定性差、溶解度低等問題，還可以通過載體材料對藥物進(jìn)行修飾，起到高效、靶向、緩釋等作用，其合成過程見圖6[61]。通過脂質(zhì)體、前藥自組裝聯(lián)用技術(shù)制備了辣椒堿前藥自組裝納米粒與前藥脂質(zhì)體，兩者的生物利用度分別是辣椒堿的3.2與4.4倍，峰濃度Cmax分別是辣椒堿的1.92、1.81倍，達(dá)峰時(shí)間Tmax分別是辣椒堿的8、4倍，血漿消除半衰期t1/2是其6.31、1.54倍，具有很好的緩釋作用[62]。辣椒生物堿與脂質(zhì)體技術(shù)聯(lián)用形成的辣椒堿前藥脂質(zhì)體不同于脂質(zhì)體，它不僅具有脂質(zhì)體可以解決穩(wěn)定性差、刺激性大，具有高效、緩釋等特點(diǎn)，同時(shí)還可以解決脂質(zhì)體等存在的包封率低、藥物滲漏等問題，為提高辣椒生物堿的生物利用度及生物活性提供了潛在研究價(jià)值。

圖6 辣椒堿前藥的合成過程圖[62]Fig.6 Synthesis of capsaicin prodrug[62]

3 總結(jié)

辣椒生物堿無論是在體外還是體內(nèi)試驗(yàn)中證實(shí)具有良好的抗癌、抗炎、抑菌、鎮(zhèn)痛等功效，具有很高的科研和開發(fā)價(jià)值。本文詳述了辣椒生物堿的主要生物學(xué)活性及提高其生物利用度的技術(shù)方法，對于辣椒生物堿的生物學(xué)活性研究總結(jié)后發(fā)現(xiàn)主要集中其粗提物及辣椒堿單體上，而對于辣椒生物堿中的其它組分作用機(jī)制以及其與辣椒堿之間的相互作用研究較少。今后需要在明確生物堿單體的功能以及組分之間的相互作用、探究其協(xié)同或拮抗效應(yīng)的研究較少和挖掘與辣椒生物堿發(fā)揮其協(xié)同作用的組分，開發(fā)辣椒生物堿功能性食品及護(hù)膚品等產(chǎn)品等方面開展進(jìn)一步研究。辣椒生物堿的生物利用度較低極大地限制了其在體內(nèi)發(fā)揮生物學(xué)活性作用，目前脂質(zhì)體、微乳、微球以及HP-β-CD法、前藥自組裝技術(shù)等，雖然在一定程度上可以提高其水溶性、穩(wěn)定性，降低刺激性并獲得靶向、控釋的效果，但是仍存在裝載率較低、載體易降解泄漏的問題。今后將多種前處理技術(shù)的集成運(yùn)用，開發(fā)更高效傳遞載體，以提高其裝載率、減少泄漏，并積極引導(dǎo)研究成果向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也是辣椒生物堿未來研究的重要方向。