姜黃素納米載體的制備與應用研究進展

曹佳勇，劉媛，周杰，王健*，徐東輝，劉廣洋*

1. 河北北方學院農(nóng)林科技學院，河北省農(nóng)產(chǎn)品食品質(zhì)量安全分析檢測重點實驗室（張家口 075000）；2. 中國農(nóng)業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，蔬菜生物育種全國重點實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜質(zhì)量安全控制重點實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室（北京 100081）

姜黃素（CUR）是一種疏水性多酚化合物，化學式為C21H20O6，主要來源于草本植物姜黃的根莖、菖蒲根莖、郁金等傳統(tǒng)中藥材，主要由3種單體組成，姜黃素、單脫甲氧基姜黃素和雙脫甲氧基姜黃素[1]，3種單體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 姜黃素的3種單體結(jié)構(gòu)

姜黃素是一種橙黃色結(jié)晶粉末，味道略帶苦味，是一種對人體基本無毒害的物質(zhì)。在食品中經(jīng)常被用作天然食用色素和香料。同時，由于姜黃素具有抗氧化、抗衰老、抗癌、抗炎，以及預防和治療帕金森病等生理活性功能，因此被廣泛應用于醫(yī)藥及功能性食品行業(yè)。但由于姜黃素在水溶液中溶解度較低，僅能吸收總劑量的1/4，且在生理pH下會快速降解，導致自身生物利用度低、藥代動力學差，因此口服攝入的姜黃素只有少部分會被人體消化吸收，而且會在胃腸道細胞內(nèi)與葡萄糖苷酸和硫化物結(jié)合，被迅速代謝掉并排出體外，很難發(fā)揮其原有的生理功效[2]。而將姜黃素進行物理包埋或化學修飾制成納米載體可在一定程度上解決姜黃素水溶性差、不穩(wěn)定、生物利用率低等問題，同時還能起到緩控釋的作用，減少胃腸道嚴峻環(huán)境對姜黃素的破壞及影響，使其最大保留到達吸收部位[3]。通過介紹姜黃素納米載體的常用制備方法與緩釋負載的機理機制，以及最新前沿應用，以期為姜黃素的納米制劑的研究提供一定實際參考價值。

1 姜黃素納米遞送載體的制備

姜黃素在加工過程（光、熱、氧和金屬離子）和腸黏膜條件（酶和酸堿度）下會發(fā)生降解，生物利用度低，并可與其他食物成分相互作用。因此可通過納米技術制備傳遞載體，利用不同技術對姜黃素進行納米封裝，從而提高姜黃素的溶解性、穩(wěn)定性、降低對食品感官特性的不良影響[1]，納米載體具有非常小的粒徑，攜帶姜黃素在細胞內(nèi)釋放，實現(xiàn)靶向和緩控釋雙重效果，達到更高的包埋率和負載量，使姜黃素具有更好的穩(wěn)定性和生物利用率[4]。

1.1 超聲法

超聲法是制備姜黃素納米載體最常用的方法之一。超聲法是將熔融狀態(tài)下的磷脂，膽固醇等物質(zhì)作為油相，有機溶劑（甲醇、二甲基亞砜等）作為水相，根據(jù)所制備的載體種類不同，將姜黃素分散于水相或油相中，在磁力攪拌的條件下，將水相均勻加入油相中，形成水包油型乳液，攪拌至特定時間后進行超聲，冷卻，過膜，最終得到姜黃素納米載體。程洋等[5]采用溶解-超聲法，以質(zhì)量比9∶1的肉豆蔻酸赤蘚糖醇單酯和月桂酸乙二醇單酯復配物為原料制得粒徑（265.42 nm）較小、分布均勻（PDI 0.30）的姜黃素脂質(zhì)納米載體，結(jié)果表明，姜黃素的包載效果優(yōu)良，包載率為94.60%，在37 ℃和42 ℃下姜黃素的快速釋放率達到98%以上。

1.2 乳化法

乳化法是將一種液體以極微小液滴均勻地分散在互不相溶（或部分相溶）的另一種液體中的過程[6]。通過乳化的這個過程就能得到姜黃素納米乳液。乳化又分為2種即高能乳化法（如高壓均質(zhì)法、微流化、超聲乳化等）和低能乳化法（如自發(fā)乳化、水凝膠法、相轉(zhuǎn)變溫度法）。高能乳化法使用機械力破壞2個不混溶的相，乳化劑降低界面張力，將它們轉(zhuǎn)化為納米級液滴的穩(wěn)定乳液。相反，低能乳化法利用內(nèi)部化學能進行乳化，由于溫度或組成的改變，系統(tǒng)中會發(fā)生相變或自發(fā)乳化。通過乳化的作用將姜黃素包裹在納米乳液中，納米乳液可以看成是傳統(tǒng)乳液里包含的小液滴，其平均顆粒粒徑在20～500 nm[7]，具有包埋率高、表面積大、體積小、熱力學穩(wěn)定等優(yōu)點，對于疏水性化合物具有更好的穩(wěn)定性，并且可通過控制液滴大小來控制活性物質(zhì)的溶解度和功效。它的主要缺點是表面活性劑的含量相對較高，具有潛在的毒性作用[8]。

1.3 溶劑揮發(fā)法

溶劑揮發(fā)法是制備納米微球和納米膠束的重要方法。在溶劑蒸發(fā)過程中，聚合物被溶解在一個合適的有機溶劑中，藥物被分散或溶解于該聚合物溶液中。所得溶液或分散液乳化在水性的連續(xù)相中以形成離散的液滴。微球的形成中，有機溶劑必須先擴散到水相中，在水空氣界面蒸發(fā)，隨著溶劑的蒸發(fā)，適當過濾和干燥后，可以得到微球硬化和自由流動的微球。程繼等[9]通過溶劑揮發(fā)法制備姜黃素載藥膠束，以普朗尼克（Pluronic）為載體材料，制備姜黃素@普朗尼克載藥膠束。經(jīng)體外消化試驗得到，姜黃素@普朗尼克載藥膠束72 h體外釋藥可達80%，具有一定緩釋效果，可顯著提高姜黃素在細胞內(nèi)的蓄積水平，增強姜黃素對前列腺癌PC-3細胞的體外抗腫瘤作用，并呈現(xiàn)出一定的體內(nèi)抗腫瘤效果。

1.4 超臨界流體技術

超臨界流體技術是一種新型的姜黃納米載體制備技術。超臨界流體是指物質(zhì)處于其臨界溫度和臨界壓強以上而形成的一種特殊狀態(tài)的流體，處于超臨界狀態(tài)時，氣液兩相性質(zhì)非常接近[10]。在超臨界流體技術工業(yè)化應用中，大部分采用的是超臨界二氧化碳（SC-CO2）。

Ali等[11]利用SC-CO2研發(fā)一種新型姜黃素綠色納米顆粒的制造方法，利用納米多孔淀粉氣凝膠和SCCO2技術生成低結(jié)晶度姜黃素納米顆粒，納米多孔淀粉氣凝膠（NSAs；表面積60 m2/g、孔徑20 nm、密度0.11 g/cm3、孔隙率93%）作為模具在超臨界二氧化碳的幫助下生產(chǎn)姜黃素納米顆粒。姜黃素納米粒子的平均粒徑為66 nm，浸漬到NSA中可降低姜黃素的結(jié)晶度，并且不會在姜黃素納米顆粒和NSA基質(zhì)之間產(chǎn)生任何化學鍵合，最高浸漬能力為224.2 mg姜黃素/g NSA。與傳統(tǒng)姜黃素相比，姜黃素納米顆粒將姜黃素的生物利用率顯著提高173倍。將姜黃素浸漬到NSA基質(zhì)后，生物可利用的姜黃素質(zhì)量濃度從0.003 mg/mL提高到0.125 mg/mL，既提高生物利用率，也降低結(jié)晶度，可最大限度地利用姜黃素，表明這是一種生產(chǎn)食品級姜黃素納米顆粒的新方法。

1.5 靜電紡絲技術

靜電紡絲技術，是指利用靜電作用力將高分子聚合物轉(zhuǎn)變成微納米級超細纖維的一種技術。靜電紡絲技術的基本原理：高聚合物受到一定的壓力，從針尖射出，經(jīng)過高壓電場的強靜電的相互作用，液滴向低電勢端伸展，在伸展過程中細化成納米纖維，在靜電作用、空氣阻力、重力、庫侖斥力、表面張力和粘彈力的作用下使溶劑揮發(fā)，形成納米沉積[12]（如圖2所示）。

圖2 靜電紡絲的基本原理示意圖

Chen等[13]通過靜電紡絲技術制備一種新型姜黃素負載的三明治狀納米纖維膜（CSNM），這種3層納米纖維膜具有良好的吸水能力和水蒸氣透過率，并控制姜黃素的釋放。此外，CSNM還顯示出優(yōu)異的止血性能、抗氧化活性和抗菌能力。體內(nèi)研究表明，制備的CSNM通過抗氧化作用，增強表皮再生和膠原沉積，并顯著降低炎癥反應。

1.6 透析法

透析法[14]是將水溶性差的聚合物和藥物先溶于與水互溶的有機溶劑，將溶液裝入截留分子量小于藥物和聚合物但大于溶劑的透析袋中，將透析袋浸入去離子水或緩沖溶液中攪拌透析，隨著水的滲入與溶劑的滲出，共聚物逐漸形成膠束。為減少藥物在正常組織中的不良反應，并在腫瘤組織中實現(xiàn)快速釋放，通常聚合物-藥物膠束設計成只響應腫瘤內(nèi)的特殊靶點[15]。Tian等[16]通過透析法獲得CUR-HSC膠束，并經(jīng)進一步體內(nèi)模擬試驗、細胞毒性試驗，表明該膠束具有穿越血腦屏障和靶向膠質(zhì)瘤的能力，同時在生理條件下可以保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出最有效的細胞攝取、細胞毒性和凋亡效果。此外，該膠束在通過血腦屏障時可保持完整，并有效地在大腦中積累。

通過了解上述幾種主要的姜黃素納米載體的制備方法，本文對其原理和優(yōu)缺點進行比較，如表1所示。

表1 不同制備方法的原理及優(yōu)缺點

2 姜黃素緩釋的機理機制

載體負載的機理機制，主要通過活性物質(zhì)與載體材料間的非共價力，如氫鍵、π-π堆積、范德華力、靜電作用等，以及通過化學組裝的方式進行活性物質(zhì)的裝載吸附。一方面納米載體表面存在大量官能團，或者通過化學方法引入官能團，使姜黃素與納米載體共價偶聯(lián)，結(jié)合在一起。另一方面帶有羧基和胺基等官能團的納米載體會增加疏水藥物的溶解度，這些高密度官能團使姜黃素與納米載體系統(tǒng)通過靜電相互作用結(jié)合在一起。除此以外，納米載體的空腔結(jié)構(gòu)具有疏水特性，內(nèi)腔的疏水性質(zhì)使得可以通過疏水作用或氫鍵在納米載體中加入更多的姜黃素。Priyanka等[17]就是通過氫鍵與π-π堆積使得姜黃素與納米載體纖維素納米纖維（CNF）相互連接。CNF內(nèi)部形成相互連接、組織良好的多孔結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示，這是由于纖維素之間的氫鍵作用所致。CNF+CUR的結(jié)合親和力為-4.7 kcal/mol，這表明姜黃素可以通過氫鍵和π-π相互作用與纖維素結(jié)合。在CUR封裝后，在CNF表面上觀察到CUR晶體的均勻分布，在CNF上形成均勻單層，如圖3（b）所示。在CNF表面沒有發(fā)現(xiàn)晶體聚集體，這表明CUR完全融入CNF的結(jié)構(gòu)中[14]。

圖3 CNF的SEM圖像（a）及CUR封裝的CNF的SEM圖像（b）

姜黃素的緩釋機理主要通過幾個方法達到緩釋的目的：一是pH傾向緩釋，當達到一定pH時，納米載體材料就開始裂解，里面包裹的姜黃素就可以逐漸釋放出來，進而達到緩釋的目的；二是通過酶解或熱分解達到緩釋，納米載體在適宜的環(huán)境條件下，可被酶逐步分解，使姜黃素暴露出來，或達到特定溫度載體材料就開始發(fā)生降解，都可以達到緩釋的效果；三是納米緩釋系統(tǒng)作為載體將活性物質(zhì)負載，到達相應的目標環(huán)境后，可由載體材料的種類或配比不同而具有不同的釋藥速率，通過調(diào)整載體材料種類或配比，可控制姜黃素的釋放速率；四是通過化學鍵的裂解進行緩釋，如氫鍵的斷裂，納米載體與姜黃素偶聯(lián)物緩慢地擴散到細胞中或特定環(huán)境中，結(jié)合在一起的化學鍵斷裂或非共價力解離，使姜黃素逐漸被緩釋出來。

3 姜黃素活性及其應用

3.1 姜黃素的抗癌特性

姜黃素被認為是有效的抗致突變劑和抗促癌劑，對癌細胞有顯著抑制作用。癌癥是由于細胞受到致癌物的攻擊發(fā)生突變導致，姜黃素可以發(fā)揮抗突變作用，阻斷致癌物對于細胞的攻擊，阻止細胞發(fā)生癌變[18]。姜黃素的抗癌機制主要是抑制由TPA產(chǎn)生的生物學效應和調(diào)節(jié)花生四烯酸的代謝2個途徑。研究發(fā)現(xiàn)，姜黃素可對癌細胞產(chǎn)生毒害作用但又不對正常細胞造成損傷，同時還可以可抑制與腫瘤生長相關的多種蛋白激酶活性，并誘發(fā)腫瘤細胞凋亡，阻止癌細胞增殖[19]。

為進一步探究姜黃素的抗癌效果，范子梁等[20]通過研究用新型十一烯酸-接枝-ε-多聚賴氨酸（ε-PLLUNA）聚合物構(gòu)建一種姜黃素納米膠束，載藥量可達12.22%±2.13%、包封率則高達85.12%±3.64%，該納米膠束48 h釋放84%的姜黃素，具有良好的緩釋作用，與姜黃素溶液相比，該納米膠束能明顯抑制膠質(zhì)瘤細胞球的生長。

3.2 姜黃素的抗炎活性

炎癥是機體對病原體、化學物質(zhì)等有害刺激物或身體損傷對組織和細胞造成損害的即時反應。炎癥細胞在酶和細胞因子的作用下，可修復組織損傷。試驗證明[21]，姜黃素可以抑制脂質(zhì)過氧化反應和降低絲氨酸活性，達到抑制結(jié)腸細胞的炎癥反應，還發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)控炎癥反應中皮質(zhì)類固醇的活性，這是抗炎作用的一個新靶點[22]。為達到一個較好治療效果，邵君飛等[23]研制一種姜黃素微球，在最初的24 h內(nèi)，有超過40%的姜黃素釋放，在隨后的120 h內(nèi)，共釋放出80%的姜黃素。這樣就為保持一定有效的血藥濃度提供保證，實現(xiàn)更好的抗炎效果。當微球載體進入機體后被降解崩塌，微球的表面被體內(nèi)的酶溶蝕，藥物和載體發(fā)生解離擴散，使微球中所包含的藥物緩慢、可控定量地釋放出來，從而使微球中包裹的藥物釋放速度減慢，成為長效緩釋的制劑，達到緩釋目的，并且大幅減少給藥頻率，還可以消減藥物峰谷現(xiàn)象[24]。

3.3 姜黃素在神經(jīng)性疾病上的預防及治療作用

姜黃素是一種有效的抗氧化劑，可以清除自由基、保護神經(jīng)，并可以調(diào)節(jié)多種信號通路，參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子、生物酶、生長因子及多種蛋白的合成表達，從而阻斷相關神經(jīng)性疾病的分子合成途徑。姜黃素通過其2個與β-二酮連接體連接的甲氧基苯酚基團具有金屬螯合特性，有助于清除超氧化物和羥基自由基，從而保護谷胱甘肽，從而減輕氧化應激反應[25]。通過探究姜黃素對帕金森病模型大鼠學習記憶能力的影響研究，朱江等[26]證明經(jīng)過姜黃素的干預，能夠減輕大鼠神經(jīng)細胞被6-羥基-多巴胺的毒害作用，促進其多巴胺、二羥苯乙酸、高香草酸水平升高，從而控制帕金森病大鼠病情發(fā)展，能顯著提高帕金森病模型大鼠學習記憶能力。同樣，姜黃素對阿爾茨海默?。ˋD）也有明顯的治療效果，姜黃素與β-淀粉樣肽（Aβ）相結(jié)合使其抗氧化、清除自由基的能力顯著提高，可以使AD病情發(fā)展減緩。

3.4 姜黃素在食品領域的應用

姜黃素在食品添加劑、功能性食品、飲料等食品工業(yè)中被廣泛應用。姜黃素作為一種天然的食品添加劑，具有無污染、可降解、抗菌、抗氧化等優(yōu)點，在食品保鮮領域中，含有姜黃素的微球、脂質(zhì)體、納米粒以及膠體等物質(zhì)，可以通過緩釋延長食品保質(zhì)期。姜黃素在一定條件和濃度下可以誘導細菌發(fā)生一系列變化，如Ca2+流入和DNA鏈的斷裂，姜黃素通過誘導細菌細胞膜的生成，影響細菌細胞膜的結(jié)構(gòu)，通過破壞細胞膜起到抗菌作用[27]。另外在光照條件下，可以引起姜黃素的活性氧爆發(fā)，破壞細胞的自適應機制和鐵的代謝，解除鐵硫團簇的生物合成，最終導致細胞死亡[28]。因此姜黃素具有抑菌保鮮、抗氧化的優(yōu)勢，在食品領域具有應用潛力。Hee等[29]制備一種可添加到牛奶中降低脂肪氧化的姜黃素納米乳液（Cur-Nes），促進姜黃素在油相中的溶解，從而增加抗氧化活性，延緩脂質(zhì)降解。

4 結(jié)語與展望

姜黃素是一種具有多種活性作用的天然多酚類化合物，被廣泛應用于食品生物醫(yī)藥等領域，然而，姜黃素在體內(nèi)的生物利用率較差，在一定程度上限制其研究進程和臨床推廣。而姜黃素納米載體制劑的制備在很大程度上改善了姜黃素的生物利用，在細胞水平上增加姜黃素的作用效果，為進一步臨床研究和功能性食品的研發(fā)奠定基礎。但是姜黃素的納米載體制備還存在一些問題亟待解決，如實際應用技術與研究水平還相差甚遠、轉(zhuǎn)化率不高、制備成本高昂、缺乏毒理學驗證、大多都只停留在實驗室階段、未應用到工業(yè)化生產(chǎn)上等問題。為解決這些問題，一方面需要降低生產(chǎn)成本，簡化生產(chǎn)工藝，提高實際轉(zhuǎn)化率；另一方面，對于納米載體材料的選擇上要更趨于綠色、無毒、環(huán)保、可獲得性。