蛋白基姜黃素納米顆粒遞送體系研究進(jìn)展

王永輝，魯珍，郭衛(wèi)蕓，何勝華，李光輝

（1.許昌學(xué)院食品與藥學(xué)院，河南 許昌 461000；2.河南省食品安全生物標(biāo)識快檢技術(shù)重點實驗室，河南 許昌 461000；3.黃淮學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

姜黃素是目前世界上銷量最大的天然食用色素之一，是世界衛(wèi)生組織和美國食品藥品管理局以及多個國家準(zhǔn)許使用的食品添加劑。姜黃素可以作為調(diào)味劑、防腐劑和著色劑等[1-2]。作為植物姜黃中的重要生物活性成分，姜黃素具有抗癌、抗炎癥、抗寄生蟲、抗微生物、抗氧化、抗腫瘤、抗動脈粥樣硬化以及抗纖維化等藥理作用，可用于預(yù)防和治療多種疾病[3-4]。因此，姜黃素作為功能性食品配料具有較高的開發(fā)價值。

姜黃素是一種疏水性植物多酚化合物，具有溶解性及穩(wěn)定性差，在腸道中代謝快以及生物利用率低的特點[5]。通常情況下，姜黃素的功能活性不能得到充分發(fā)揮，其在功能性食品加工過程中的應(yīng)用受到了極大限制。為了解決姜黃素的水溶性及生物利用率的問題，當(dāng)前的研究主要采用了化學(xué)修飾和物理包埋（絡(luò)合）兩種方法。相對于姜黃素的化學(xué)修飾，通過物理包埋構(gòu)建的納米復(fù)合物具有綠色、安全的特點，在功能性食品加工中具有更好的應(yīng)用前景。研究表明，通過構(gòu)建姜黃素納米顆粒遞送體系能夠有效提高姜黃素的水溶性、穩(wěn)定性以及生物活性[3-4，6]。構(gòu)建姜黃素納米顆粒遞送體系的載體來源非常廣泛，除了一些合成的高分子材料外，食物中的生物大分子（如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、多糖等）因具有生物相容性好、安全性高、易降解等諸多優(yōu)點，是構(gòu)建該遞送體系更為理想的載體[7-8]。

蛋白質(zhì)本身具有很高的營養(yǎng)價值，而且具有重要的功能特性（如乳化性、凝膠性及起泡性），是食品工業(yè)中的重要原料。蛋白質(zhì)是一種具有多種基團(tuán)的生物大分子，具有化學(xué)結(jié)構(gòu)及物理空間結(jié)構(gòu)多樣性的特點，能夠同多種食品功能因子發(fā)生作用。因此，蛋白質(zhì)是食品活性成分（如姜黃素）遞送的優(yōu)良載體，也是近年來食品膠體遞送體系研究的熱點材料。本文旨在對姜黃素復(fù)合納米顆粒的制備方法進(jìn)行介紹，并重點闡述不同蛋白質(zhì)在構(gòu)建姜黃素復(fù)合納米顆粒遞送體系中的應(yīng)用，以期為姜黃素在功能性食品中的開發(fā)利用提供參考。

1 蛋白基姜黃素納米顆粒的構(gòu)建方法

納米顆粒的制備可分為“自上而下”和“自下而上”兩種方式[9]。第一種方式是通過均質(zhì)或研磨等物理作用將較大的顆粒粉碎到納米尺寸。該方法存在能耗較高、費(fèi)用較高，制備的姜黃素納米顆粒穩(wěn)定性較差，容易重新結(jié)晶形成不溶性的大顆粒等問題。因此，通過物理研磨制備姜黃素納米顆粒的方法在實踐中應(yīng)用較少?！白韵露稀钡姆绞绞羌{米顆粒制備中應(yīng)用更為廣泛的方法。該方法利用分子間的非共價相互作用（如氫鍵、疏水作用、靜電作用等）誘導(dǎo)分子間發(fā)生組裝，通過對組裝過程的控制，可使分子形成納米級的具有一定幾何外形的膠體顆粒[7]。當(dāng)前，蛋白基姜黃素納米顆粒的制備主要采用反溶劑誘導(dǎo)共沉淀法（antisolvent co-precipitation）以及pH值誘導(dǎo)共組裝法（pH-inducedco-assembly）兩種“自下而上”的方法。

1.1 反溶劑誘導(dǎo)共沉淀法

反溶劑誘導(dǎo)共沉淀法具體有兩種操作方法。其一，將特定的蛋白質(zhì)（及其它材料）溶解于適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)溶劑中，然后將姜黃素添加到該蛋白溶液中。在不斷攪拌下，將姜黃素和蛋白溶液添加到水中（或者將水加入到上述含有姜黃素的蛋白溶液中）改變?nèi)芤旱臉O性，通過共沉淀即可產(chǎn)生蛋白基姜黃素復(fù)合納米顆粒。其二，將蛋白質(zhì)和姜黃素分別溶于水相溶液以及有機(jī)相溶液，然后在強(qiáng)力攪拌下將兩種溶液相互混合，通過溶液極性的改變誘導(dǎo)共沉淀的發(fā)生，從而制備蛋白基姜黃素復(fù)合納米顆粒。Dai等[10]將玉米醇溶蛋白、大豆卵磷脂以及姜黃素共同溶于70%乙醇溶液，再將該復(fù)合溶液注入去離子水，通過反溶劑共沉淀使之形成復(fù)合納米顆粒，最后通過旋蒸除去乙醇即可獲得姜黃素復(fù)合納米顆粒。該研究還指出，通過控制玉米醇溶蛋白和大豆卵磷脂的比例能夠?qū)S素復(fù)合納米顆粒的粒徑進(jìn)行調(diào)控，利用反溶劑共沉淀的方法制備的蛋白基姜黃素復(fù)合納米顆粒能夠顯著地提高姜黃素的水溶性及穩(wěn)定性。Chen等[11]將大豆蛋白在去離子水中充分水化，然后將溶解有姜黃素的無水乙醇滴加到大豆蛋白溶液中，之后通過離心除去游離的姜黃素，獲得的上清液即為姜黃素復(fù)合納米顆粒溶液。該研究指出大豆蛋白與姜黃素形成納米復(fù)合物后，姜黃素在水中的溶解度相比姜黃素晶體可提高9.8萬倍，其穩(wěn)定性和生物可利用率有顯著性的提高，同時與姜黃素復(fù)合可以提高大豆蛋白的可消化性。

1.2 pH值誘導(dǎo)共組裝法

pH值誘導(dǎo)共組裝法首先將蛋白質(zhì)溶于去離子水，并用堿液將pH值調(diào)到10.0以上。將姜黃素加入到上述蛋白溶液，并在避光條件下強(qiáng)力攪拌，待姜黃素溶解后將溶液的pH值調(diào)至中性，通過離心后獲得的上清液即為蛋白基姜黃素納米顆粒膠體溶液。Pan等[12]將酪蛋白酸鈉溶于去離子水，并將pH值調(diào)到12.0后，加入姜黃素并不斷攪拌，然后將pH值調(diào)至7.0，再經(jīng)過離心除去不溶性顆粒后，將上清液凍干獲得姜黃素復(fù)合納米顆粒。該研究還利用核磁共振方法證實了整個制備過程姜黃素基本不發(fā)生降解，獲得的姜黃素復(fù)合納米顆粒固體粉末在水溶液中具有非常好的分散性，溶液呈澄清透明狀。Xu等[13]通過在酪蛋白中復(fù)配大豆多糖，利用pH值誘導(dǎo)共組裝法制備了酸溶性（pH 4.0）姜黃素復(fù)合納米顆粒，該顆粒增加了姜黃素的分散性、穩(wěn)定性以及生物可及性。

2 不同蛋白質(zhì)在姜黃素納米顆粒構(gòu)建中的應(yīng)用

蛋白質(zhì)具有乳化、起泡及凝膠等多種功能特性，是食品加工中的重要原料，也是人體所需的三大基本營養(yǎng)物質(zhì)之一。當(dāng)前，蛋白質(zhì)對食品功能因子的保護(hù)、輸送以及控制釋放研究受到了廣泛關(guān)注。蛋白質(zhì)的氨基酸殘基基團(tuán)種類較多，再加上蛋白質(zhì)獨特的空間結(jié)構(gòu)使得蛋白質(zhì)能夠以多種方式和多種功能因子發(fā)生作用[7]。通過蛋白質(zhì)和多酚物質(zhì)（如姜黃素）非共價相互作用（氫鍵和疏水作用）可以形成納米級復(fù)合物[11]。因此，蛋白質(zhì)可以作為姜黃素的輸送載體用于構(gòu)建姜黃素納米顆粒的遞送系統(tǒng)。能夠作為輸送載體的蛋白來源非常廣泛，一些天然動物基蛋白（酪蛋白、乳球蛋白、明膠等）和植物基蛋白（大豆蛋白、玉米蛋白以及高粱蛋白等）以及蛋白水解物等均可作為姜黃素的輸送載體。

2.1 動物蛋白

在制備姜黃素納米顆粒的研究中，應(yīng)用最多的動物蛋白是乳蛋白，主要包括酪蛋白、β-乳球蛋白和清蛋白[7]。酪蛋白以高度水化的膠體顆粒，即膠束的方式存在，是一種天然的功能因子載體[14]。Somu等[15]利用酪蛋白納米膠束制備了荷載有姜黃素的復(fù)合納米顆粒，該復(fù)合顆粒的粒徑尺寸范圍為124.2 nm～214.8 nm，Zeta電位值為-38.7 mV，顆粒顯示出良好的物理穩(wěn)定性。另外，該研究還指出通過制備復(fù)合納米顆粒能夠提高姜黃素的細(xì)胞抗氧化和抗癌活性，更為重要的是姜黃素的生物活性能夠持續(xù)較長的時間。

β-乳球蛋白具有良好的膠凝性，這一性質(zhì)使其在某些藥物傳遞系統(tǒng)中得到有效的應(yīng)用，并且由于來源豐富價格低廉，使其應(yīng)用前景非常廣闊。Sneharani等[16]系統(tǒng)研究了β-乳球蛋白同姜黃素的相互作用，指出利用β-乳球蛋白可有效提高姜黃素的水溶性和穩(wěn)定性，其可以作為一種優(yōu)良的載體。乳清蛋白具有多種功能特性，如結(jié)合疏水活性因子、凝膠性及乳化性等，是一種可用于納米輸送體系的理想載體[17]。Solghi等[18]利用乳清蛋白對姜黃素進(jìn)行包埋，制備了姜黃素的復(fù)合納米顆粒。研究指出乳清蛋白對姜黃素具有非常高的包封率（93.1%），該復(fù)合顆粒在中性pH值條件下較為穩(wěn)定，適合應(yīng)用于中性飲料中。Zhan等[19]通過pH值誘導(dǎo)組裝的方法制備了乳清分離蛋白和玉米醇溶蛋白的復(fù)合納米顆粒，并將其應(yīng)用于姜黃素的包埋。該研究還指出，姜黃素被該復(fù)合納米顆粒包埋后，其水溶性顯著提升，玉米醇溶蛋白的存在能增加顆粒的熱穩(wěn)定性及姜黃素的保存率。

明膠是天然膠原蛋白在酸性或堿性等的條件下水解而得到的多肽聚合物，具有安全性高、生物相容性好以及可生物降解等特點，在食品和制藥等領(lǐng)域作為載體被廣泛應(yīng)用[20]。田會婷等[21]以明膠為載體制備了平均粒徑為117.2 nm的姜黃素/明膠納米復(fù)合物，該復(fù)合物具有良好的單分散性和優(yōu)良的物理穩(wěn)定性。該研究還指出，相對于姜黃素本身，通過制備該復(fù)合物能夠使姜黃素的水溶性提高1 500倍，并且姜黃素的化學(xué)穩(wěn)定性也明顯得到增強(qiáng)。

其它一些動物蛋白，如白蛋白[22]、牛血清蛋白[23]及人血清白蛋白[24]等也被用于姜黃素復(fù)合納米顆粒的制備，并進(jìn)行了細(xì)胞抗氧化及抗腫瘤等相關(guān)研究。

2.2 植物蛋白

相對于動物蛋白，由于植物蛋白具有來源廣以及可持續(xù)等優(yōu)勢，理論上更合適作為構(gòu)建生物活性物質(zhì)輸送的載體[7]。大豆蛋白含有較多的疏水性氨基酸和極性氨基酸，其與疏水性藥物（如姜黃素）具有較強(qiáng)的相互作用，可作為一種良好的姜黃素輸送載體[11]。馮芳等[5]利用姜黃素與大豆蛋白7S和11S蛋白的結(jié)合來改善姜黃素的水溶性和穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)的功能性質(zhì)受pH值、鹽離子強(qiáng)度等影響較為明顯，因此單純蛋白質(zhì)構(gòu)建的膠體顆粒遞送系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往不佳，在真實食品體系中的應(yīng)用存在較大局限性。多糖的表面包裹是一種有效的提高蛋白基輸送載體特性的方法。研究表明，蛋白質(zhì)與多糖相互作用形成的可溶性復(fù)合物或凝聚物可提高蛋白基輸送載體的釋放特性以及被包埋的生物活性物質(zhì)穩(wěn)定性[25]。Chen等[26]通過研究大豆蛋白/大豆多糖復(fù)合物在中性和酸性條件下對姜黃素的包埋和輸送特性，發(fā)現(xiàn)大豆蛋白/大豆多糖復(fù)合顆粒對姜黃素的包埋效率高，并且具有良好的分散性和膠體穩(wěn)定性。該研究還指出大豆多糖的存在不會損害大豆蛋白/姜黃素復(fù)合物中姜黃素的生物可利用率，但能夠顯著提高被包埋的姜黃素的熱穩(wěn)定性并減緩姜黃素的釋放速率。

玉米醇溶蛋白是一種富含α-螺旋結(jié)構(gòu)的兩親性分子，其在不同的溶劑中能夠自組裝形成各種介觀結(jié)構(gòu)，具有作為疏水活性因子的巨大潛力[7]。因此，相對于其它植物蛋白，基于玉米醇溶蛋白的膠體顆粒輸送體系受到更多的關(guān)注。Patel等[27]利用反溶劑沉淀法制備玉米醇溶蛋白和姜黃素的膠體顆粒，并對膠體顆粒的粒徑、穩(wěn)定性及細(xì)胞黏附性進(jìn)行了表征。該研究表明，膠體顆粒的粒徑可通過溶劑體系以及玉米醇溶蛋白和姜黃素的質(zhì)量比進(jìn)行調(diào)控，經(jīng)包埋后的姜黃素在紫外光照、不同生理pH值以及胃腸道消化環(huán)境下的穩(wěn)定性明顯提高。由于利用反溶劑制備的玉米醇溶蛋白膠體顆粒本身穩(wěn)定性不佳，有研究者嘗試?yán)闷渌鞍祝ㄈ缋业鞍祝┰鰪?qiáng)其穩(wěn)定性[28]。Chang等[29]利用果膠對酪蛋白/玉米醇溶蛋白復(fù)合納米顆粒進(jìn)行了包埋，發(fā)現(xiàn)果膠不僅能夠顯著增加蛋白顆粒對姜黃素的包埋能力，而且還能夠使姜黃素在胃腸道環(huán)境下緩慢釋放。并且又進(jìn)一步研究了果膠、羧甲基纖維素鈉以及阿拉伯膠3種多糖對姜黃素遞送系統(tǒng)的影響，結(jié)果表明多糖類型對于該遞送體系具有顯著的影響[30]。Liu等[31]利用玉米醇溶蛋白和硫酸軟骨素通過反溶劑沉淀法誘導(dǎo)自組裝制備了復(fù)合納米顆粒，并將其應(yīng)用于姜黃素的遞送。該研究指出，玉米醇溶蛋白和硫酸軟骨素的復(fù)合納米顆粒對姜黃素的包埋率可達(dá)到90%以上。姜黃素被包埋后呈無定型態(tài)，其在pH 3.0～8.0的范圍內(nèi)均具有良好的穩(wěn)定性。此外，姜黃素被包埋后其在不同溫度下的穩(wěn)定性也明顯提高，其在4℃或22℃的條件下可以保存30 d。

此外，其它植物醇溶蛋白（如高粱醇溶蛋白[32-34]、小麥醇溶蛋白[35-37]等）也可以作為構(gòu)建姜黃素納米顆粒遞送系統(tǒng)的優(yōu)良載體。這些蛋白所制備的姜黃素復(fù)合納米顆粒同樣能夠?qū)S素起到增溶、保護(hù)、控制釋放以及提高生物可及性的作用。

2.3 蛋白水解物/蛋白多肽

一些疏水性植物蛋白因為溶解性問題，使其在構(gòu)建納米顆粒遞送體系中的應(yīng)用受到一定限制。近幾年，有研究者嘗試?yán)弥参锏鞍姿馕铮ǖ鞍纂模?gòu)建姜黃素納米顆粒遞送系統(tǒng)，并取得了良好的效果。研究表明，玉米醇溶蛋白（或玉米蛋白）的酶解產(chǎn)物也可以作為載體應(yīng)用于姜黃素等復(fù)合納米顆粒的制備，制備的復(fù)合顆粒具有更小的粒徑，溶液更加澄清，并且該制備過程簡單，易于操作[38-39]。Pan等[40]比較了α-玉米醇溶蛋白和γ-玉米醇溶蛋白的水解物同姜黃素的相互作用，并將其作為姜黃素的輸送載體進(jìn)行研究。結(jié)果表明，γ-玉米醇溶蛋白水解物同姜黃素通過氫鍵和疏水作用結(jié)合后可形成粒徑為50 nm～60 nm的復(fù)合膠體顆粒。γ-玉米醇溶蛋白的水解物對姜黃素具有更高的荷載率，使姜黃素具有更高的水溶性、理化穩(wěn)定性以及生物可及性，因而γ-玉米醇溶蛋白的水解物可以作為一種理想的新型輸送載體。Li等[6]對玉米醇溶蛋白進(jìn)行堿法脫酰胺制備玉米醇溶蛋白的多肽，并利用該多肽同姜黃素的共組裝作用制備了具有高分散性、高穩(wěn)定性以及高生物可及性的姜黃素復(fù)合納米顆粒。天然大豆蛋白經(jīng)酶解后形成的多肽（或水解物）也具有作為姜黃素輸送載體的巨大潛力。通過對大豆蛋白進(jìn)行酶解，利用大豆肽制備大豆肽/姜黃素復(fù)合納米顆粒，可顯著提高姜黃素的水溶性及姜黃素在腸道內(nèi)的可控釋放率[41]。Kadam等[42]利用家獨行菜（Lepidium sativum）蛋白水解物構(gòu)建了一種新型的姜黃素遞送系統(tǒng)。研究指出，該蛋白水解物制備的姜黃素遞送系統(tǒng)能夠顯著提升姜黃素的溶解性、穩(wěn)定性以及生物可及性，可以作為一種優(yōu)良的親脂性活性物質(zhì)的遞送載體。

由于蛋白水解物水溶性較好，在制備過程中只需將姜黃素溶于乙醇后再將其滴加到含有蛋白水解物的溶液即可。因制備過程使用的乙醇量較少，可以根據(jù)具體情況選擇是否將少量的乙醇蒸發(fā)除去。另外，基于蛋白水解物構(gòu)建的姜黃素納米遞送體系，也能夠使姜黃素的疏水性得以降低，穩(wěn)定性得以提高，生物利用率得到改善。因此，對于一些蛋白質(zhì)，尤其是疏水性的植物蛋白，利用其水解物構(gòu)建姜黃素納米遞送體系具有良好的應(yīng)用前景。

2.4 其它蛋白

有研究表明，由絲狀真菌產(chǎn)生的小分子量疏水蛋白質(zhì)（hydrophobin），因能夠在界面自組裝成一層兩親性的蛋白薄膜，也能夠作為一種良好的姜黃素遞送載體[43]。

3 結(jié)語

姜黃素納米復(fù)合物的制備能夠有效提高姜黃素的水溶性以及姜黃素的穩(wěn)定性和生物活性?；谑称反蠓肿油S素的非共價相互作用，通過構(gòu)建食品級姜黃素納米顆粒遞送體系來改善姜黃素的功能特性是一種更為綠色、安全的手段。盡管很多蛋白質(zhì)均可以作為構(gòu)建姜黃素納米顆粒的載體，但單純的蛋白質(zhì)難以滿足對姜黃素的荷載率、穩(wěn)定性及生物活性等多方面的要求。因此，在今后的相關(guān)研究中應(yīng)充分發(fā)揮不同生物大分子的特性，利用復(fù)合材料構(gòu)建姜黃素的輸送載體，從而能夠保證對姜黃素的有效輸送。另外，對于不同的姜黃素納米顆粒輸送體系的安全性應(yīng)進(jìn)行充分的研究。姜黃素納米顆粒的細(xì)胞毒性相對于游離姜黃素較高，在食品中使用姜黃素納米復(fù)合物需要對其量效關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究。隨著對姜黃素膠體輸送體系相關(guān)研究的不斷深入，今后姜黃素復(fù)合顆粒作為一種功能性食品配料將會被廣泛應(yīng)用。