基于生物大分子的輔酶Q10納米傳遞載體的研究進(jìn)展

陳 帥，高彥祥

（1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 北京100083 2 武漢大學(xué)健康學(xué)院 武漢430071）

輔酶Q10（Coenzyme Q10，C59H90O4）是一種天然的醌類化合物，別名泛醌。主要分布于動(dòng)物的內(nèi)臟，植物的籽和葉，以及酵母菌中。研究表明，輔酶Q10具有很強(qiáng)的抗氧化活性，是人體中最重要的輔酶之一，具有清除人體自由基，提高免疫力，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力，緩解疲勞等作用，在預(yù)防和輔助治療心血管疾病、糖尿病、腫瘤等慢性疾病等方面也具有良好的效果[1-3]。輔酶Q10的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中含有很多疏水性基團(tuán)，如烷基、烯基和環(huán)己二烯等，輔酶Q10的分子極性較低，在水中的溶解性很差，而且輔酶Q10易發(fā)生光降解和熱降解。輔酶Q10在人體消化道中的吸收率較低，大部分被排出體外[4]，這些因素都影響了輔酶Q10在食品體系中的推廣和應(yīng)用。

為了解決上述問題，納米技術(shù)[5]、乳化法[6]、環(huán)糊精包埋[7]，以及化學(xué)改性[8]等很多方法被用于增加輔酶Q10的水分散性及提高其消化吸收率。負(fù)載輔酶Q10的納米傳遞載體具有很多優(yōu)勢，例如：粒徑小可以穿越細(xì)胞膜，而且包埋率和負(fù)載率較高，還能增強(qiáng)輔酶Q10的理化穩(wěn)定性[5，9]。

目前，關(guān)于輔酶Q10的研究報(bào)道有很多，也有一些綜述性論文，主要論述輔酶Q10的生產(chǎn)制備[10]、生理功能[11]、抗氧化作用[12]等方面的研究進(jìn)展，缺乏對(duì)于輔酶Q10納米載體的總結(jié)和探討。基于天然生物大分子和納米技術(shù)的輔酶Q10傳遞載體在開發(fā)輔酶Q10相關(guān)產(chǎn)品方面具有非常大的潛力[13]。

1 輔酶Q10 的納米傳遞載體

輔酶Q10的傳遞載體主要有納米乳液、脂質(zhì)體、固體脂肪顆粒、納米膠束、納米顆粒等[14-16]（圖2）?？捎糜谥苽浼{米載體的材料包括油脂、蛋白質(zhì)和淀粉等[12]，以及金屬材料[17]、SiO2[18]和高分子聚合物等[19]。

2 納米乳液傳遞載體

納米乳液（nanoemulsion）的液滴比傳統(tǒng)乳液更小，粒徑一般在10～100 nm，乳液整體清澈，液滴的布朗運(yùn)動(dòng)能夠抵抗重力作用引起沉淀，比較穩(wěn)定[20]，并且具有較好的貯藏穩(wěn)定性[21]，在食品和飲料行業(yè)的應(yīng)用前景非常好。

納米乳液的制備過程如圖3所示，在攪拌作用下，將輔酶Q10、油相和乳化劑加入水相中形成粗乳液，再經(jīng)過均質(zhì)處理制備成納米乳液[22]。乳液液滴粒徑對(duì)輔酶Q10的貯藏穩(wěn)定性和生物利用率也有影響，粒徑越小，越容易在小腸內(nèi)被人體消化吸收[23]。Amnuaikit 等[24]利用米糠油、水和乳化劑（聚山梨醇酯） 分別制備了輔酶Q10的納米乳液（50～119 nm）和普通乳液（1 709～1 885 nm）。對(duì)比結(jié)果顯示，負(fù)載輔酶Q10的普通乳液在50 ℃條件下貯存1 個(gè)月，顏色明顯加深變暗，而納米乳液基本穩(wěn)定；此外，輔酶Q10納米乳液的滲透能力顯著（P＜0.05）高于普通乳液。

圖1 輔酶Q10 的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structure of coenzyme Q10

圖2 輔酶Q10 的納米傳遞載體示意圖[14-16]Fig.2 Nano delivery carriers of coenzyme Q10[14-16]

圖3 輔酶Q10 的納米乳液制備過程[22]Fig.3 Preparation process of coenzyme Q10-loaded nanoemulsion[22]

為了獲得小而均勻的納米乳液，超聲儀、剪切機(jī)和高壓均質(zhì)機(jī)是常用的制備納米乳液的輔助手段[25-26]。高壓均質(zhì)制備的納米乳液粒徑較小，在25℃下貯存2 個(gè)月仍然保持較好的穩(wěn)定性[27]，而且使輔酶Q10在體內(nèi)的傳遞效率更高。Zhou 等[25]采用高壓均質(zhì)法制備的輔酶Q10納米乳液（粒徑約50 nm） 被人體攝入后能夠很快將輔酶Q10釋放到心臟器官等目標(biāo)位置，并且維持較高的輔酶Q10水平。高壓均質(zhì)乳化法雖然具有優(yōu)勢，但消耗能量較高，而且能量利用率低[28]。自乳化法將油脂、乳化劑、助乳化劑混合后，加入水相經(jīng)攪拌自發(fā)形成乳液[29]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅耗能較低，而且在人體胃腸消化中，由于大量乳化劑的存在使輔酶Q10不易以晶體形式析出，而是和油相形成乳糜微粒有利于消化吸收。Khattab 等[30]利用自乳化法制備了粒徑范圍極低的輔酶Q10納米乳液（11.7～13.5 nm），負(fù)載量也提高到3.0%，相比于直接服用輔酶Q10，口服攝入納米乳液的生物利用率也顯著提高了2.1 倍。此外，乳化劑的存在對(duì)于納米乳液的粒徑、電位和貯藏穩(wěn)定性都有顯著影響。Kaci 等[31]對(duì)比研究了超聲波+高壓均質(zhì)制備的輔酶Q10納米乳液與添加乳化劑制備的輔酶Q10納米乳液，發(fā)現(xiàn)乳化劑制備的納米乳液粒徑更小，電位更高，乳化效率由62.55%提高至99.37%。利用天然乳化劑替代合成乳化劑（例如吐溫、司盤），逐漸成為未來研究趨勢。Belhaj 等[32]以卵磷脂為乳化劑，三文魚油為油相制備了輔酶Q10的納米乳液，乳液液滴粒徑為164～167 nm，輔酶Q10的最大負(fù)載量可達(dá)到81.30 mg/mL，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，口服納米乳液劑型輔酶Q10的生物利用率是非納米乳液劑型（油相、水相和輔酶Q10的混合液）的2 倍多。此外，輔酶Q10納米乳液還顯示出一定的細(xì)胞抗氧化能力，能夠保護(hù)細(xì)胞內(nèi)DNA 免受自由基的攻擊[33]。

除上述一些輔酶Q10納米乳液的研究外，近年來關(guān)于輔酶Q10納米乳液的研究如表1所示，這些研究結(jié)果的不同之處在于納米乳液的組成配方、制備工藝（高壓均質(zhì)、自乳化），以及納米液滴粒徑和負(fù)載量。總體而言，這些輔酶Q10納米乳液都能實(shí)現(xiàn)共同的目標(biāo)，即顯著地提高輔酶Q10的溶解性，口服生物利用率，理化穩(wěn)定性以及貯藏穩(wěn)定性。

3 納米脂質(zhì)體

脂質(zhì)體主要是由磷脂等小分子乳化劑自組裝形成的一種傳遞載體[39]，納米脂質(zhì)體囊泡結(jié)構(gòu)壁厚一般只有5～7 nm[40]。制備輔酶Q10納米脂質(zhì)體的方法一般有溶劑注入法、薄膜分散法、凍融法、超臨界流體快速擴(kuò)散法等。Lee 等[41]利用溶劑注入法，以卵磷脂為原料成功制備粒徑為150～200 nm的輔酶Q10納米脂質(zhì)體，包埋率最高達(dá)96.2%。Li等[42]以大豆磷脂為材料采用薄膜分散法制備了輔酶Q10的納米脂質(zhì)體，粒徑約為166.0 nm，包埋率高達(dá)93.2%，將樣品凍干后可以貯存3 個(gè)月保持穩(wěn)定。Xu 等[43]利用超臨界流體快速擴(kuò)散法制備輔酶Q10的納米脂質(zhì)體，粒徑僅有20～40 nm，包埋率高達(dá)90%以上。相比于其它納米傳遞載體，脂質(zhì)體由于其獨(dú)特的雙分子層膜結(jié)構(gòu)，很容易滲透細(xì)胞膜將輔酶Q10運(yùn)送到線粒體[44]，然而也存在自身缺陷，例如：納米脂質(zhì)體分散液的穩(wěn)定性較差，對(duì)酸、堿、鹽、熱、氧和金屬離子的抵抗能力有限。因此很多研究者都尋求改善納米脂質(zhì)體界面性質(zhì)的方法，例如：添加多糖或小分子物質(zhì)修飾納米脂質(zhì)體，以增加其理化穩(wěn)定性。池金穎[45]以蛋黃卵磷脂和吐溫80 為納米脂質(zhì)體的復(fù)合壁材，并通過抗壞血酸調(diào)節(jié)脂質(zhì)雙分子層的流動(dòng)性和結(jié)構(gòu)特性，顯著提高了輔酶Q10的氧化穩(wěn)定性和貯藏穩(wěn)定性。Zhao 等[46]利用殼聚糖作為涂層，修飾卵磷脂基的納米脂質(zhì)體，常溫光照30 d 和低溫貯藏60 d 兩組試驗(yàn)結(jié)果表明，修飾后納米脂質(zhì)體的理化穩(wěn)定性更好，并且能夠有效降低輔酶Q10在光照和貯藏過程中的降解。相比于非修飾的納米脂質(zhì)體，殼聚糖修飾的納米脂質(zhì)體除了能夠提高自身穩(wěn)定性以外，修飾后納米脂質(zhì)體運(yùn)載的輔酶Q10口服生物利用率也顯著提高3.4 倍[47]，此外，由于受到雙重保護(hù)，輔酶Q10降解較少，其抗氧化活性和抗菌能力也得到明顯提高[48]。除了殼聚糖外，海藻酸鈉也是一種常用的修飾納米脂質(zhì)體的材料。Sakchareonkeat 等[48]研究表明海藻酸鈉修飾后的脂質(zhì)體能夠顯著提高其熱穩(wěn)定性，在40 ℃下加熱5 d 仍能保持穩(wěn)定，在模擬胃液環(huán)境中消化2 h 后，修飾后的脂質(zhì)體比非修飾脂質(zhì)體內(nèi)的輔酶Q10的保留率提高16%，這意味著有更多的輔酶Q10能夠進(jìn)入小腸，增加了被人體吸收的幾率。

表1 輔酶Q10 納米乳液的研究Table 1 Research of coenzyme Q10-loaded nanoemulsion

4 固體脂質(zhì)顆粒和納米結(jié)構(gòu)脂

固體脂質(zhì)顆粒（Solid lipid nanoparticles）是以固體脂肪作為基質(zhì)的一種傳遞載體，通常為球狀顆粒，粒徑一般在50～500 nm 之間，內(nèi)部可以包埋脂溶性活性成分[49]。為了在室溫下保持固體狀態(tài)，固體脂質(zhì)顆粒的油相基質(zhì)一般選用熔點(diǎn)比較高的脂類，例如：天然的硬脂酸甘油酯、動(dòng)物脂肪、長碳鏈脂肪酸、蜂蠟等[50]。制備固體脂質(zhì)顆粒過程如圖4所示[51]，先通過加熱融化固態(tài)油脂和活性物質(zhì)，然后與水相按照比例混合形成水包油乳液，超聲或高壓均質(zhì)后冷卻，即可形成固體脂質(zhì)顆粒。此過程需要添加乳化劑，通常使用的天然乳化劑有卵磷脂、皂素皂苷、鼠李糖脂、烷基糖苷等，這些天然來源的油相基質(zhì)和乳化劑，賦予固體脂質(zhì)顆粒良好的安全性、生物相容性和可降解性。

圖4 固體脂質(zhì)顆粒制備過程[51]Fig.4 Preparation of solid lipid nanoparticles[51]

由于輔酶Q10是一種脂溶性化合物，所以固體脂質(zhì)顆粒是輔酶Q10的優(yōu)良載體。通過固體脂質(zhì)顆粒的運(yùn)載，可以將輔酶Q10在水相中的分散量由原來的不足0.1%提高到1.0%，并且固體脂質(zhì)顆粒對(duì)輔酶Q10的包埋率非常高，接近100%[52-53]。Piao等[54]通過動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)輔酶Q10的體內(nèi)消化吸收效果，研究結(jié)果表明固體脂質(zhì)顆粒內(nèi)輔酶Q10在體內(nèi)的吸收率是直接口服輔酶Q10的3 倍左右。通過高速剪切均質(zhì)方法制備了負(fù)載輔酶Q10的固體脂質(zhì)顆粒，粒徑為152.4 nm，電位-13.67 mV，透射電鏡觀察顯示輔酶Q10在固體脂質(zhì)顆粒中是以非晶體形態(tài)存在[55]。雖然固體脂質(zhì)顆粒作為輔酶Q10的傳遞載體，表現(xiàn)出很多優(yōu)點(diǎn)，例如：包埋率和負(fù)載量高于其它傳遞載體，生物利用率也顯著提高，然而其自身也存在一些缺點(diǎn)，例如：固體脂質(zhì)顆粒內(nèi)的油相只有達(dá)到一定的結(jié)晶度才能保持固體狀態(tài)，并且其結(jié)晶晶型通常比較有序（圖5a）[56]，這樣留給輔酶Q10的空間比較小，影響包埋效果。在貯存過程中，固體脂質(zhì)晶型由α 型-β 型-β' 型轉(zhuǎn)變，結(jié)晶程度越來越整齊有序，會(huì)擠壓原來包封于固體脂質(zhì)顆粒內(nèi)部的輔酶Q10，甚至引起泄漏[57]。

為了彌補(bǔ)固體脂質(zhì)顆粒的不足，研究者們在固體脂質(zhì)顆粒的基礎(chǔ)上開發(fā)出一種新型的納米傳遞載體，即納米結(jié)構(gòu)脂（圖5b），它也可以被認(rèn)為是第2 代固體脂肪顆粒。納米結(jié)構(gòu)脂是將固體脂質(zhì)替換為半固態(tài)和半液態(tài)的混合脂質(zhì)，這樣形成的脂質(zhì)晶體比較無序，留給輔酶Q10的空間相應(yīng)較大，包封效果較好，避免了貯藏過程中發(fā)生泄漏[51]。Julia 等[58]通過高壓均質(zhì)制備了粒徑僅為80 nm 的納米結(jié)構(gòu)脂，其對(duì)輔酶Q10的負(fù)載能力是固體脂質(zhì)顆粒的3 倍左右。另有一些研究表明負(fù)載輔酶Q10的納米結(jié)構(gòu)脂生物利用率更高，而且能夠有效清除人體內(nèi)的氧化自由基[59]。這對(duì)于研發(fā)輔酶Q10抗衰老功能性食品具有非常重要的意義。

圖5 固體脂質(zhì)顆粒和納米結(jié)構(gòu)脂[56]Fig.5 Solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers[56]

由于固體脂肪顆粒和納米結(jié)構(gòu)脂的主要基質(zhì)是油脂，口服攝入后在人體內(nèi)代謝非常安全。油脂在人體胃腸消化過程中有助于輔酶Q10形成乳糜微粒，極大地提高了其生物利用率，并且油脂能夠分解提供一些必需脂肪酸和能量。尤其是納米結(jié)構(gòu)脂的粒徑非常小，對(duì)細(xì)胞膜的滲透作用較好，能夠運(yùn)載生物活性物質(zhì)進(jìn)入病變細(xì)胞內(nèi)部，促進(jìn)其凋亡[50]。納米結(jié)構(gòu)脂集合了固體脂肪顆粒、納米乳液、脂質(zhì)體的多種優(yōu)點(diǎn)，例如：滲透性、顆粒分散性、高包埋率和高負(fù)載量等，是一種非常具有開發(fā)潛力和應(yīng)用前景的納米傳遞載體。

5 其它納米傳遞載體

納米顆粒、納米膠囊、環(huán)糊精包合物等傳遞載體也可用于運(yùn)載輔酶Q10[60]。這些傳遞載體各自都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，例如：利用變性淀粉制備的輔酶Q10納米膠囊熱穩(wěn)定性好，90 ℃下加熱3.5 h，仍然保持穩(wěn)定[61]。利用卵磷脂制備的輔酶Q10納米膠囊的粒徑小于100 nm，口服生物利用率比游離輔酶Q10 提高了1.77 倍[62]。相比于納米微膠囊，利用乳酸聚合物制備的輔酶Q10納米顆粒在提高生物利用率方面更有優(yōu)勢，通過口服輔酶Q10納米顆粒相比于游離輔酶Q10能夠提高了4.28 倍[63]，并且納米顆粒粒徑很小，僅有72.2 nm，包埋率最高可達(dá)93.31%。Terao 等[64]對(duì)比了纖維素晶體和γ-環(huán)糊精2 種傳遞載體對(duì)提高輔酶Q10生物利用率的作用，并通過22 名志愿者進(jìn)行人體試驗(yàn)，結(jié)果表明，γ-環(huán)糊精包合物對(duì)輔酶Q10具有更好的傳遞效果。

6 輔酶Q10 納米傳遞載體在保健食品中的應(yīng)用

由于輔酶Q10具有抗氧化活性，提高免疫，延緩衰老，增強(qiáng)心肌功能等一系列生理益處。幾十年來關(guān)于輔酶Q10的基礎(chǔ)研究和臨床試驗(yàn)廣泛展開，逐漸深入，理論研究也推動(dòng)了市場前進(jìn)的步伐。自2003年，美國食品和藥物管理局（FDA）正式批準(zhǔn)輔酶Q10作為食品添加劑以來，以輔酶Q10為功能成分的保健食品和藥品大量涌現(xiàn)市場，至今已超過200 種。我國食品藥品監(jiān)督管理局（2009年566號(hào)文件）規(guī)定輔酶Q10只能用于保健食品，且每日食用量不得超過50 mg。目前國家衛(wèi)生部已受理關(guān)于還原型輔酶Q10作為新資源食品的申請(qǐng)，將來輔酶Q10成為新資源食品后，不僅可以應(yīng)用于保健食品，還可以應(yīng)用于普通食品。

目前，生活水平的提高使高血壓、高血脂和冠心病等心血管疾病的發(fā)病率也隨之提高，“預(yù)防為主”逐漸成為人們的共識(shí)，因此輔酶Q10納米載體在保健食品的開發(fā)利用方面具有非常大的潛力和前景。這些納米載體除了能夠提高輔酶Q10的溶解性、分散性和穩(wěn)定性以外，還可以利用其自身獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)制備不同類型的產(chǎn)品。例如：可以開發(fā)成含有輔酶Q10的納米乳液飲料、納米顆粒固體沖劑、含有納米顆粒的糖果、納米膠囊、納米脂質(zhì)體分散液等一系列保健產(chǎn)品。Stratulat 等[65]以亞麻籽油為油相，卵磷脂為乳化劑，以海藻酸鈉為乳液穩(wěn)定劑制備了輔酶Q10納米乳液，并將輔酶Q10的納米乳液成功地應(yīng)用于奶酪生產(chǎn)中。除了直接將輔酶Q10納米載體應(yīng)用于保健食品以外，還可以將輔酶Q10與其它天然活性成分復(fù)配以實(shí)現(xiàn)輔酶Q10的最大化利用，例如：將輔酶Q10和天然維生素E 復(fù)配，能夠?qū)崿F(xiàn)清除自由基、協(xié)同抗氧化作用等功效[66]。

7 結(jié)論和展望

自1957年輔酶Q10被人類發(fā)現(xiàn)以來，其有益健康的生理功效不斷地被發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，然而水溶性小、穩(wěn)定性差、消化吸收難等問題阻礙了輔酶Q10的開發(fā)利用。以天然來源的生物材料如蛋白質(zhì)、多糖、油脂、淀粉和磷脂等構(gòu)建輔酶Q10的納米傳遞載體，可以極大地提高輔酶Q10的溶解度（100倍以上），并且可以有效保護(hù)輔酶Q10不受光、熱、氧和金屬離子的影響發(fā)生降解。負(fù)載輔酶Q10的納米傳遞載體被人體攝入后，可以延長輔酶Q10的消化時(shí)間，顯著提高其生物利用率，甚至可以實(shí)現(xiàn)靶向遞送到目標(biāo)位置。

然而，輔酶Q10的納米傳遞載體的研究也面臨一些問題，一方面規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù)不夠成熟。另一方面需要開發(fā)更多新型載體，雖然可用于制備輔酶Q10納米傳遞載體的天然材質(zhì)很多，但是目前已投入研究的還很有限，仍然有很多新的天然材質(zhì)值得研究和開發(fā)。相信隨著科學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，未來會(huì)有更多的新技術(shù)和新材料能夠應(yīng)用于輔酶Q10的納米傳遞載體，從而開發(fā)出更多的保健食品。