蝦青素運(yùn)載體系的研究進(jìn)展

相歡，劉宇航,2，李來好，黃卉，楊賢慶，岑劍偉，魏涯，郝淑賢*

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家水產(chǎn)品加工技術(shù)研發(fā)中心，廣東廣州 510300）（2.上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306）

蝦青素是一種重要的類胡蘿卜素衍生物，同時(shí)也是一種葉黃素類色素，其化學(xué)名稱為：3,3′-二羥基-4,4′-二酮基-β,β′-胡蘿卜素，主要來源于藻類、酵母、鱒魚、紅鯛和甲殼類動(dòng)物等[1]。蝦青素在抗癌、神經(jīng)保護(hù)、抗心血管疾病等方面也表現(xiàn)出了良好的干預(yù)效果。因此，在食品、補(bǔ)充劑和藥物中使用天然蝦青素作為膳食補(bǔ)充劑對(duì)改善人類健康具有實(shí)際意義[2]。雖然蝦青素對(duì)人類健康有諸多益處，但高度不飽和結(jié)構(gòu)的存在使蝦青素極其不穩(wěn)定，在加工、儲(chǔ)存或胃腸道消化過程中容易發(fā)生物理化學(xué)變化，另外蝦青素水溶性差，極大地限制了蝦青素的釋放和吸收，進(jìn)一步影響其應(yīng)用[3]。蝦青素是甲殼類動(dòng)物和鮭魚的天然著色劑，通常采用生物提取和化學(xué)合成兩種方法制備蝦青素，然而這種色素在光和氧氣的存在下很容易降解，并且在人類消化系統(tǒng)中吸收率很低[4]。沒有運(yùn)載體系保護(hù)的蝦青素能進(jìn)入血液中被利用的部分所剩無幾，因此蝦青素的生物利用度普遍偏低。

利用運(yùn)載體系的保護(hù)作用提高蝦青素的溶解度、穩(wěn)定性、生物利用度成為目前研究的重點(diǎn)。多種運(yùn)載體系如乳液、脂質(zhì)體、復(fù)合物和納米顆粒，已被證明可以提高蝦青素的穩(wěn)定性和生物利用度[5]。近年來，研究人員在蝦青素運(yùn)載體系的構(gòu)建上做了大量的工作，并將蝦青素基運(yùn)載體系分為脂質(zhì)基運(yùn)載體系和聚合物基運(yùn)載體系。其中，脂質(zhì)基運(yùn)載體系主要以脂類為封裝體，主要包括乳液、脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)納米顆粒（SLNs）和納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體（NLCs）[6]?；诰酆衔锏倪\(yùn)載體系可細(xì)分為納米分散體、包合物、納米顆粒和微膠囊。

本論文選擇上述研究中較為常見的脂質(zhì)體、乳液和微膠囊運(yùn)載體系進(jìn)行深入討論。脂質(zhì)體運(yùn)載體系是指將同心磷脂雙分子層分散在水相中，經(jīng)自聚集形成的超微球狀多孔粒子[7]；微膠囊運(yùn)載體系是指將一種或多種芯材原料包覆于某些壁材中，形成幾百納米至上千微米的膠囊化體系[8]；乳液運(yùn)載體系首先將脂溶性活性成分溶于有機(jī)相中，然后將該有機(jī)相體系充分分散于含有乳化劑的水相體系中，并在一定的外力作用下（如攪拌、均質(zhì)、超聲波等）形成膠體體系[9]。本文通過比較三種運(yùn)載體系的包埋率、生物利用度、優(yōu)缺點(diǎn)等方面，以期為蝦青素的運(yùn)載體系研究與應(yīng)用提供參考，為蝦青素市場(chǎng)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 蝦青素脂質(zhì)體運(yùn)載體系

1.1 脂質(zhì)體制備

脂質(zhì)體是由磷脂、膽固醇等作為膜材料包和形成的一類類似生物膜結(jié)構(gòu)的閉合型囊泡物質(zhì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。脂質(zhì)體的壁材包括大豆磷脂、蛋黃卵磷脂和一些類脂分子，如：二棕櫚酰磷脂酰膽堿、二硬脂酰磷脂酰膽堿、二吡啶酰磷脂酰膽堿。脂質(zhì)體的制備包括以下步驟，首先將磷脂溶解在水相中，磷脂分子尾端會(huì)趨向聚攏，形成一個(gè)親水基團(tuán)在外，疏水基團(tuán)在內(nèi)的雙層結(jié)構(gòu)。通過使用不同方法和壁材能形成結(jié)構(gòu)不同的脂質(zhì)體。脂質(zhì)體制備完成后通常采用包封率、粒徑、穩(wěn)定性、形態(tài)、zeta電位等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[10]。

圖1 脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of liposomes

1.2 蝦青素脂質(zhì)體運(yùn)載體系

蝦青素脂質(zhì)體的制備方法主要包括以下幾種：薄膜分散法、反向蒸發(fā)法（反溶劑法）、有機(jī)溶劑注入法、超聲波輔助法等。常振剛等[13]運(yùn)用薄膜水合法制備蝦青素脂質(zhì)體，首先將磷脂與蝦青素溶解于有機(jī)溶劑中，再將有機(jī)溶劑蒸發(fā)，液體完全蒸發(fā)后容器內(nèi)會(huì)殘留一層薄膜，此時(shí)加入緩沖溶液進(jìn)行洗膜，即可得到蝦青素脂質(zhì)體的懸浮液。楊安平等[14]使用乙醇注入法制備蝦青素脂質(zhì)體，微孔膜過濾保證純度，以包封率為主要考察指標(biāo)，得出最佳工藝，在此條件下制備的蝦青素脂質(zhì)體的包封率為35.28%，平均粒徑為143.2 nm。而魏寒梅等[15]采用反溶劑法制備復(fù)方石杉?jí)A甲-蝦青素脂質(zhì)體，得到最佳蝦青素包封率為50.42%。如圖2所示，Srihera等[16]利用蛋黃卵磷脂與海參硫酸化甾醇（質(zhì)量比為3:1）通過薄膜水合法制備蝦青素脂質(zhì)體，該脂質(zhì)體采用的平均粒徑為109.53 nm，多分散指數(shù)為0.241，Zeta電位值為-21.13 mV，并且該脂質(zhì)體在4 ℃條件下能夠穩(wěn)定儲(chǔ)藏27 d，體內(nèi)消化吸收結(jié)果表明，脂質(zhì)體中蝦青素的生物利用度可顯著提高。除上述制備方法外，研究者利用二氧化硅的多孔結(jié)構(gòu)，制備納米多孔硅化脂質(zhì)體，以達(dá)到緩慢釋放蝦青素的目的[17]；也可使用殼聚糖鹽酸鹽或乳鐵蛋白等對(duì)脂質(zhì)體表面進(jìn)行修飾，以獲得更穩(wěn)定的磷脂雙分子層[18]。蝦青素脂質(zhì)體能夠有效提高蝦青素的穩(wěn)定性和生物利用度[19]。Susumu等[20]將含有蝦青素脂質(zhì)體的護(hù)膚品涂抹在皮膚上，發(fā)現(xiàn)其可以抵抗紫外線誘導(dǎo)的皮膚損傷，并且能夠防止蝦青素直接作用于皮膚時(shí)因氧化應(yīng)激而導(dǎo)致的皮膚損傷。目前對(duì)蝦青素脂質(zhì)體的研究已有一定進(jìn)展，但仍然存在一些問題，例如有機(jī)溶劑對(duì)蝦青素造成污染、磷脂氧化或水解、蝦青素泄露等。

圖2 蝦青素脂質(zhì)體制備示意圖Fig.2 Preparation of Astaxanthin-loaded Liposomes

2 蝦青素微膠囊運(yùn)載體系

2.1 微膠囊的制備

微膠囊是用高分子材料為壁材包裹芯材制成的微小顆粒，其結(jié)構(gòu)與膠囊藥丸相似。壁材形成封閉結(jié)構(gòu)，保護(hù)芯材不受外界環(huán)境影響，延長芯材的保質(zhì)期，提高穩(wěn)定性。微膠囊中的芯材一般是一些對(duì)外界環(huán)境敏感又需要維持其穩(wěn)定性的物質(zhì)，如：維生素、色素、抗氧化劑、酶制劑等[21]。微膠囊的壁材不與芯材相互反應(yīng)且在儲(chǔ)存條件下穩(wěn)定，可分為親水膠類、碳水化合物類、蛋白質(zhì)類、脂類等。如符力丹[22]在制作蝦青素微膠囊的研究中表明，蛋白質(zhì)類壁材在包埋過程中親油性殘基會(huì)穿插在分子內(nèi)部而無法暴露出來，阻礙壁材與芯材的接觸；在噴霧干燥時(shí)，蛋白質(zhì)失水不均衡收縮，使得微膠囊壁穩(wěn)定性下降。因此復(fù)配一些碳水化合物與蛋白質(zhì)一起作為壁材，可以改善上述不足。

2.2 蝦青素微膠囊運(yùn)載體系

用于食品、保健品、化妝品的蝦青素微膠囊一般選擇使用天然高分子材料或半合成高分子材料作為壁材，如殼聚糖[21]、環(huán)糊精[23]、阿拉伯膠[24]等。但單一材料的壁材通常很難達(dá)到理想的包埋效果，所以有許多研究采用兩種或以上的材料進(jìn)行復(fù)配，以期達(dá)到更好的效果。在干燥方法的選擇上，操作簡單、效率高的噴霧干燥法頗受研究者的青睞。但蝦青素作為一種不耐熱的物質(zhì)，若使用噴霧干燥必須控制溫度以防蝦青素流失[25]。

Montero等[26]采用噴霧干燥法，分別以麥芽糊精、阿拉伯膠和麥芽糊精-阿拉伯膠（1:1）混合物作為壁材，以蝦青素油脂作為芯材制作微膠囊，結(jié)果表明使用阿拉伯膠為壁材的微膠囊擁有最高的生物利用度（如圖3）。Gomez等[27]以新型明膠-腰果膠復(fù)合物為壁材，研究發(fā)現(xiàn)pH值的變化會(huì)影響蝦青素微膠囊的形態(tài)，且當(dāng)pH值在4～4.2時(shí)，微膠囊呈現(xiàn)球形，易聚集而形成團(tuán)簇；pH值在4.3～4.5時(shí)，微膠囊無法定形。

圖3 蝦青素微膠囊制備示意圖Fig.3 Preparation of astaxanthin capsules

納米級(jí)的包埋物通常能更有效的增加活性物質(zhì)的生物利用度，增強(qiáng)物質(zhì)對(duì)組織的吸附能力，避免胃腸道系統(tǒng)清除機(jī)制的影響。蝦青納米素微膠囊制作主要有乳液聚合法、超臨界流體技術(shù)、界面聚合法、層層自組裝法等[28]。李春暉[29]以聚乳酸-羥基乙酸共聚物為壁材，利用超聲細(xì)胞破碎儀、超高壓微射流均質(zhì)，采用冷凍干燥制成蝦青素納米微膠囊，研究出了使用聚乳酸-羥基乙酸共聚物作為為壁材的最佳的工藝條件，產(chǎn)品包埋率達(dá)到93%。通過體外抗癌活性MTT法，對(duì)比蝦青素納米微膠囊和單體蝦青素對(duì)人直腸癌細(xì)胞的抑制情況，發(fā)現(xiàn)蝦青素納米微膠囊處理后人直腸癌細(xì)胞的存活率相比單體蝦青素低9%，證明其抗癌活性有所提升。Wang等[30]將鮭魚精子DNA和殼聚糖作為蝦青素納米微膠囊的壁材，對(duì)比了蝦青素納米微膠囊、游離蝦青素和維生素C對(duì)過氧化氫處理的Caco-2細(xì)胞的活性氧清除效率。結(jié)果表明蝦青素納米微膠囊的清除效率是游離蝦青素的兩倍；而維生素C要達(dá)到同樣的清除效率，濃度必須為蝦青素納米微膠囊的三倍。

壁材的選擇對(duì)于蝦青素微膠囊是十分重要的，不同的壁材對(duì)于蝦青素的穩(wěn)定性、生物利用度、溶解性等指標(biāo)都有影響。但蝦青素微膠囊的各方面性能都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的蝦青素油。雖然該項(xiàng)技術(shù)已受到廣泛關(guān)注，但存在成本過高、溶劑易污染蝦青素等問題。

3 蝦青素乳液運(yùn)載體系

3.1 乳液的制備

乳液體系是指兩種互不相溶的液體，通過一種液滴包裹另一種液滴而形成的一種分散體系。為了不讓兩者在儲(chǔ)存過程中因重力分離和絮凝而出現(xiàn)分層的情況，一般會(huì)在乳液中加入乳化劑來保證乳液體系的穩(wěn)定性[31]。目前雙重乳液和Pickering乳液的研究較多。

雙重乳液是指在分散體系的液滴中還包裹有液滴的乳液，包括油包水包油（O/W/O）和水包油包水（W/O/W）兩種。在食品行業(yè)中W/O/W體系（制備示意圖見圖4）的運(yùn)用多于O/W/O體系[32]。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，雙重乳液最內(nèi)層的液相易發(fā)生聚合。如果內(nèi)層液相全部聚并到一起則會(huì)形成一個(gè)“核-殼”型的液滴，此種液滴的穩(wěn)定性較差，最內(nèi)層的液相容易向最外層的液相遷移[33]。與普通乳液體系相比，雙重乳液具有更強(qiáng)的保護(hù)能力，能夠避免人體胃腸道環(huán)境對(duì)活性物質(zhì)的破壞。

圖4 水-油-水（W1/O/W2）雙乳液示意圖Fig.4 Schematic illustration of water-oil-water (W1/O/W2)double emulsion

Pickering乳液的結(jié)構(gòu)與普通乳液相同，由于其使用超微固體顆粒充當(dāng)乳化劑來穩(wěn)定乳液體系，因此Pickering乳液的穩(wěn)定性高于傳統(tǒng)乳液[34]。近年來，小分子表面活性劑的安全問題也引發(fā)諸多討論，所以選用安全顆粒充當(dāng)乳化劑的Pickering乳液會(huì)更容易被消費(fèi)者接受，一般以蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉等為材料，通過反相沉淀、熱誘導(dǎo)聚合等方法結(jié)合微射流、噴霧干燥等技術(shù)方式加工制備[35]。相比傳統(tǒng)乳液，在保護(hù)油脂氧化方面，Pickering乳液也優(yōu)于傳統(tǒng)乳液。在O/W Pickering乳液中，顆粒能夠緊密覆蓋于兩相界面，降低溶解氧、光等因素對(duì)油脂的影響。

3.2 蝦青素乳液的研究

蝦青素乳液一般是指利用普通乳液或者Pickering乳液進(jìn)行包埋。其制作方法為將水相和富含蝦青素的油相在乳化劑的作用下通過剪切、均質(zhì)等操作制成乳液體系。常見的乳化劑包括蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)制成的微小顆?；蛘叩鞍踪|(zhì)與膠類復(fù)合物。Nuntarat等[36]使用乳清蛋白和黃原膠作為乳化劑制作蝦青素乳液（圖5），證明了蛋白質(zhì)能夠在水油兩相牢固吸附，多糖則能有效抑制液滴運(yùn)動(dòng)，用兩者作為乳化劑相輔相成；后續(xù)的保藏實(shí)驗(yàn)證明，15 d低溫保藏蝦青素?fù)p失率僅為10%左右；體外消化實(shí)驗(yàn)中，證實(shí)了使用兩種材料混合作為乳化劑的蝦青素乳液比單獨(dú)使用乳清蛋白作為乳化劑的乳液有更好的穩(wěn)定性。Chen等[37]采用從中藥絞股藍(lán)中提取的皂苷作為乳化劑來制備蝦青素納米乳液，與吐溫20比較，絞股藍(lán)皂苷乳化的液滴平均直徑更小，在弱酸和弱堿性條件下有較好的穩(wěn)定性，且儲(chǔ)存時(shí)間較長；但受絞股藍(lán)皂苷影響，蝦青素的生物利用度低于吐溫20，體外實(shí)驗(yàn)表明絞股藍(lán)皂苷包裹的蝦青素油未被完全消化。乳液運(yùn)用廣泛，食品、藥品、化妝品等行業(yè)都有涉及，但在制備乳液時(shí)，高壓均質(zhì)、超聲等操作可能會(huì)影響到蝦青素的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響包埋率、穩(wěn)定性、生物利用度等性能。

圖5 乳清蛋白-黃原膠乳液穩(wěn)定包埋蝦青素Fig.5 Whey protein-xanthan gum stabilized emulsion on stability and in vitro digestibility of encapsulated astaxanthin

4 不同蝦青素運(yùn)載體系比較

由于不同系統(tǒng)中壁材和制備方法存在差異，使得蝦青素運(yùn)載體系具有廣泛的應(yīng)用。通過比較三種運(yùn)載體系的包埋率、生物利用度、優(yōu)缺點(diǎn)等，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)現(xiàn)有的運(yùn)載體系均存在某些缺陷（表1）。目前，基于脂質(zhì)的蝦青素運(yùn)載體系已被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)食品中的蝦青素遞送，且表現(xiàn)出較好的生物利用度。然而患有高脂血癥和肥胖等疾病的人可能無法接受基于脂質(zhì)的運(yùn)載體系，因?yàn)樘砑舆^量的脂質(zhì)會(huì)造成更嚴(yán)重的健康問題[47]。相比之下，開發(fā)具有與脂質(zhì)相同功能的材料是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。微膠囊運(yùn)載體系在改善蝦青素穩(wěn)定性和生物利用度上取得了顯著的效果，并且固體粉末微膠囊更容易運(yùn)輸和保存，大大簡化了操作過程，其良好的分散也使其作為著色劑和營養(yǎng)增強(qiáng)劑在飲料生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，但是微膠囊化過程中存在有機(jī)物殘留、粒徑偏大等問題[48]。而乳液運(yùn)載體系存在操作過程中涉及的高壓均質(zhì)、超聲等可能會(huì)影響到蝦青素的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響包埋率、穩(wěn)定性、生物利用度等性能[9]。

表1 三種不同蝦青素運(yùn)載體系特性的比較Table 1 Comparison on properties of three different astaxanthin delivery systems

總而言之，未來的發(fā)展主要集中在設(shè)計(jì)具有一定保護(hù)能力的運(yùn)載體系，能夠?qū)⑽r青素引入功能性食品，充分發(fā)揮其保健和治療的功能。此外，研究熱點(diǎn)將集中在不同運(yùn)載體系的協(xié)同應(yīng)用、成本效益高的封裝技術(shù)、細(xì)胞毒性評(píng)估以及選用性能優(yōu)異的壁材。因此，成功制備蝦青素含量高、穩(wěn)定性好的蝦青素運(yùn)載體系，并確定其用量及在食品工業(yè)中的應(yīng)用前景，這對(duì)蝦青素在食品工業(yè)中的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

5 總結(jié)與展望

運(yùn)載體系的研究對(duì)于作為活性物質(zhì)的蝦青素來說至關(guān)重要，各種運(yùn)載體系對(duì)蝦青素的儲(chǔ)存時(shí)間、穩(wěn)定性、生物利用度等都有積極影響。蛋白質(zhì)類包埋蝦青素時(shí)，受消化蛋白酶的敏感性影響，蝦青素在人體內(nèi)釋放相對(duì)較快；而脂類體系，相對(duì)來說更難消化，所以能夠緩慢釋放蝦青素；對(duì)酸穩(wěn)定的壁材則能很好的保護(hù)蝦青素經(jīng)過胃的消化過程。所以，蝦青素的運(yùn)載體系選擇多種多樣，從不同目的出發(fā)，靈活選擇包埋材料和制作工藝，才能生產(chǎn)出更有價(jià)值的蝦青素產(chǎn)品。

然而目前食品領(lǐng)域和醫(yī)藥領(lǐng)域中蝦青素運(yùn)載體系多數(shù)處于初步研究階段，且存在諸多問題，如：如脂質(zhì)體中膽固醇及其代替物的安全性；微膠囊中干燥方法的選擇；單一體系及多體系聯(lián)運(yùn)機(jī)制及其對(duì)消化、吸收和代謝的影響；運(yùn)載體系賦型食品的營養(yǎng)學(xué)特性及安全評(píng)價(jià)等。由于上述問題的存在，未能實(shí)現(xiàn)蝦青素在體內(nèi)的靶向釋放和轉(zhuǎn)運(yùn)，使其不能實(shí)現(xiàn)特定位點(diǎn)釋放和靶向吸收，從而影響蝦青素的體內(nèi)生物率。此外，目前研究中運(yùn)載體系所需的安全高效的壁材選擇性較少，從而限制蝦青素在功能食品與藥品中的應(yīng)用。根據(jù)目前蝦青素運(yùn)載體系存在的問題，今后的研究應(yīng)側(cè)重于以下幾個(gè)方面：（1）將不同運(yùn)載體系進(jìn)行結(jié)合，從而更有效地提高蝦青素穩(wěn)定性和生物利用度；（2）納米級(jí)材料可以更有效地促進(jìn)胃腸道的吸收，通過將蝦青素顆粒尺寸從微米級(jí)縮小到納米級(jí)，從而提高其生物利用率；（3）采用特定功能的殼材料和乳化劑（如蛋白質(zhì)或多糖）制備蝦青素的運(yùn)載體系，從而有效地實(shí)現(xiàn)蝦青素在消化道內(nèi)的靶向釋放及體內(nèi)靶向組織的定點(diǎn)釋放。上述問題的解決對(duì)挖掘蝦青素生理化學(xué)潛能，推動(dòng)蝦青素產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。