遞送體系運(yùn)載β-胡蘿卜素的研究進(jìn)展

張新，潘麗，李雪琴，尚方園

(河南工業(yè)大學(xué) 糧油食品學(xué)院，河南 鄭州，450001)

β-胡蘿卜素是自然界中廣泛存在的天然色素。β-胡蘿卜素具有多種生理功能，被廣泛應(yīng)用于功能性食品中[1]。由于β-胡蘿卜素屬于脂溶性物質(zhì)，難溶于水，人體直接攝入的β-胡蘿卜素通常吸收性差，生物利用率低，并且β-胡蘿卜素極其不穩(wěn)定，對(duì)光、氧和熱敏感，易被降解和異構(gòu)化，從而使β-胡蘿卜素的生物活性大大降低，限制了其在醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域的應(yīng)用。為了提高β-胡蘿卜素的水溶性、穩(wěn)定性以及生物利用率，在過(guò)去的幾十年里，人們對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。將β-胡蘿卜素封裝到合適的遞送載體中是提高其水溶性、穩(wěn)定性以及生物利用率的有效方法。目前，主要應(yīng)用的運(yùn)載體系有脂質(zhì)體、乳液、β-環(huán)糊精、微膠囊以及固體脂質(zhì)納米顆粒等。本文綜述了近年來(lái)利用不同體系運(yùn)載β-胡蘿卜素的研究進(jìn)展。

1 β-胡蘿卜素簡(jiǎn)介

1.1 β-胡蘿卜素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

β-胡蘿卜素是一種四萜烯類(lèi)化合物，是最重要的類(lèi)胡蘿卜素之一，分子式為C40H56，相對(duì)分子質(zhì)量為536.88，分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示。β-胡蘿卜素主要由2個(gè)紫羅蘭酮環(huán)和多個(gè)共軛烯烴雙鍵構(gòu)成，屬于多烯色素。β-胡蘿卜素在室溫下呈結(jié)晶狀，是一種暗紅色粉末，稀溶液呈橙色或黃色，略有臭味，不溶于水，易溶于二硫化碳、二氯甲烷及三氯甲烷等有機(jī)溶劑，微溶于乙醚、石油醚和環(huán)己烷。β-胡蘿卜素對(duì)光、氧及熱很敏感，容易被降解。β-胡蘿卜素具有較高的維生素A活性，其維生素A活性在類(lèi)胡蘿卜素中位列第一[2]。

圖1 全反式β-胡蘿卜素的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structural formula of all-trans β-carotene

1.2 β-胡蘿卜素的生理功能

β-胡蘿卜素具有抗氧化性、抗癌、增強(qiáng)免疫力以及提高繁殖性能等生理功能。β-胡蘿卜素中所含的共軛雙鍵能夠吸收未配對(duì)的電子，可以有效清除人體內(nèi)的自由基和活性氧[3]；其還能抑制皮膚中脂肪過(guò)氧化物的生成，增強(qiáng)皮膚彈性[4]，可以作為口服防曬霜。β-胡蘿卜素能通過(guò)抑制細(xì)胞周期進(jìn)程和影響細(xì)胞間信號(hào)傳遞，如抑制癌細(xì)胞增殖或誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡等達(dá)到抗癌的效果，其還能通過(guò)多種途徑從蛋白或者核酸的水平來(lái)影響機(jī)體免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)體免疫力。研究表明，攝入一定量的β-胡蘿卜素有益于人體健康，例如可預(yù)防黃斑變性、白內(nèi)障或心血管疾病等[5-7]。給動(dòng)物飼喂一定量的β-胡蘿卜素還能達(dá)到提高動(dòng)物繁殖性能的目的[8-9]。此外，作為活性最高的維生素A前體物質(zhì)，β-胡蘿卜素還具有抗炎、保護(hù)視力、促進(jìn)細(xì)胞分裂等生理功能。β-胡蘿卜素的多種生理功能使其成為人類(lèi)飲食中重要的營(yíng)養(yǎng)素之一。

1.3 β-胡蘿卜素的生物利用率

β-胡蘿卜素的生物利用率是指攝入的β-胡蘿卜素可用于生理功能的部分所占比例。研究表明，一個(gè)健康的成年人對(duì)日常飲食中攝取的β-胡蘿卜素的吸收率只有14%左右[10]。全反式β-胡蘿卜素與順式β-胡蘿卜素相比更不容易溶解，生物利用率更低[11]。人體吸收β-胡蘿卜素通常是在小腸階段進(jìn)行的，β-胡蘿卜素進(jìn)入人體經(jīng)胃腸消化后到達(dá)小腸，通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散被小腸吸收[12]。因此，人們常采用體外消化試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)β-胡蘿卜素的生物利用率[13]。為了提高β-胡蘿卜素的水溶性、穩(wěn)定性以及生物利用率，研究者采用多種手段將β-胡蘿卜素進(jìn)行包埋[14]，一方面能防止其被氧化降解，增強(qiáng)水溶性和穩(wěn)定性，另一方面還能將其輸送到易于人體吸收的特定位置，提高生物利用率。

2 體系運(yùn)載β-胡蘿卜素

2.1 脂質(zhì)體運(yùn)載β-胡蘿卜素

脂質(zhì)體是由磷脂組成的球狀雙分子層或多層囊泡，粒徑通?？刂圃? 000 nm內(nèi)，低于100 nm的一般稱(chēng)納米脂質(zhì)體。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，如控釋性能、生物相容性和保護(hù)作用等，常被用作藥物輸送系統(tǒng)[15]。

MORAES等[16]通過(guò)噴霧干燥法得到的β-胡蘿卜素脂質(zhì)體粉末在真空下冷藏貯存60 d后，β-胡蘿卜素的降解率不足10%，顯著提高了β-胡蘿卜素的貯存穩(wěn)定性。TAN等[17]用薄膜蒸發(fā)法制備了β-胡蘿卜素納米脂質(zhì)體，并對(duì)其DPPH自由基清除率、鐵離子還原能力以及脂質(zhì)過(guò)氧化抑制能力進(jìn)行測(cè)定，研究發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體包埋后的β-胡蘿卜素抗氧化能力顯著增強(qiáng)，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)β-胡蘿卜素的載入提高了脂質(zhì)體的穩(wěn)定性，二者之間存在著協(xié)同保護(hù)作用。TONIAZZO等[18]向負(fù)載β-胡蘿卜素的脂質(zhì)體中加入黃原膠和瓜爾豆膠，研究發(fā)現(xiàn)這2種混合物可顯著提高脂質(zhì)體在貯藏過(guò)程中的穩(wěn)定性，3個(gè)月后被包埋的β-胡蘿卜素的保留率依然高達(dá)90%。鄭景霞[19]制備了β-胡蘿卜素-薏苡仁油復(fù)合脂質(zhì)體，發(fā)現(xiàn)復(fù)合脂質(zhì)體較普通脂質(zhì)體分散更均勻、抗氧化能力更強(qiáng)，用果膠和殼聚糖對(duì)脂質(zhì)體修飾后還提高了β-胡蘿卜素的貯藏穩(wěn)定性和緩釋作用。

脂質(zhì)體不僅可以運(yùn)載脂溶性物質(zhì)，還可以運(yùn)載水溶性物質(zhì)，特殊的結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的細(xì)胞親和力，能被很好地吸收利用。此外，脂質(zhì)體的粒徑小、電位絕對(duì)值高、靶向性能好以及包封率高，并且油脂含量低，還可根據(jù)需求調(diào)控其囊泡的大小。脂質(zhì)體的諸多優(yōu)點(diǎn)使它得到了廣泛的應(yīng)用，但是也存在一定的缺點(diǎn)，如脂質(zhì)體在貯藏過(guò)程中極易受外界影響而發(fā)生沉淀，在食品行業(yè)的應(yīng)用依然受到一定的限制。

2.2 乳液運(yùn)載β-胡蘿卜素

乳液即一相液體以微小液滴狀態(tài)分散于另一相液體中形成的非均相液體分散系，一般由3部分組成：連續(xù)相、分散相和乳化劑。過(guò)去乳液運(yùn)載功能因子主要應(yīng)用在醫(yī)藥領(lǐng)域，近年來(lái)隨著保健食品的發(fā)展，乳液在運(yùn)載食品功能因子方面得到了廣泛的研究與應(yīng)用[20]。

FU等[21]將β-胡蘿卜素包裹在由小麥面筋納米顆粒-黃原膠復(fù)合物形成的生物聚合物顆粒穩(wěn)定的皮克林乳液中，發(fā)現(xiàn)其貯藏穩(wěn)定性高于單獨(dú)使用小麥面筋納米顆粒穩(wěn)定的乳液。ZHONG等[22]研究發(fā)現(xiàn)用燕麥分離蛋白-平菇β-葡聚糖偶聯(lián)物穩(wěn)定的水包油乳狀液包埋后的β-胡蘿卜素在胃腸中的穩(wěn)定性和生物利用率均得到有效提高。GASA-FALCON等[23]分別用乳鐵蛋白、海藻酸鈉和ε-聚-L-賴(lài)氨酸層層包埋β-胡蘿卜素制成3層乳液，與單層乳液(乳鐵蛋白)和雙層乳液(乳鐵蛋白、海藻酸鈉)相比，3層乳液包埋后β-胡蘿卜素的生物利用率更高。HAN等[24]將β-胡蘿卜素包埋在由扇貝性腺分離蛋白制備的乳狀液中，提高了β-胡蘿卜素的穩(wěn)定性，然后又將這種乳液包埋在藻酸鈣微珠中，β-胡蘿卜素的穩(wěn)定性進(jìn)一步得到了提高。

將β-胡蘿卜素制成乳液不僅能提高水溶性，還可以提高生物利用率，且制備方法也較為簡(jiǎn)便。但是乳液在貯藏期間容易發(fā)生奧氏熟化現(xiàn)象，出現(xiàn)絮凝和分層[25]，不利于長(zhǎng)時(shí)間保存。

2.3 β-環(huán)糊精包合物運(yùn)載β-胡蘿卜素

β-環(huán)糊精是一種由多個(gè)葡萄糖單元構(gòu)成的低聚糖，呈環(huán)狀分子結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面具有疏水性，能夠攜帶一些香料、色素等有機(jī)物，而外表面具有親水性，可溶于水。有研究利用這一特點(diǎn)將脂溶性芯材嵌入到β-環(huán)糊精的疏水空腔內(nèi)，可達(dá)到提高芯材水溶性的目的[26]。

簡(jiǎn)云飛等[27]制備了β-胡蘿卜素/β-環(huán)糊精包合物，通過(guò)一系列表征確認(rèn)兩者形成的包合物非常穩(wěn)定。

ARIKAN等[28]研究發(fā)現(xiàn)β-環(huán)糊精可將β-胡蘿卜素成功地輸送到體外培養(yǎng)的動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)。周葉紅等[29]分別用β-環(huán)糊精及改性后的β-環(huán)糊精(2-羥丙基-β-環(huán)糊精、磺丁基醚-β-環(huán)糊精)包埋β-胡蘿卜素，發(fā)現(xiàn)包埋后均提高了β-胡蘿卜素的穩(wěn)定性和抗氧化能力，且經(jīng)改性后的β-環(huán)糊精包埋形成的包合物使β-胡蘿卜素的水溶性提高了12倍以上。NIU等[30]用辛烯基琥珀酸酐對(duì)β-環(huán)糊精進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)改性后的β-環(huán)糊精包埋后,β-胡蘿卜素的物理穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性均得到提高；與未改性的β-環(huán)糊精相比較，改性后的β-環(huán)糊精制備的包合物的粒徑更小、Zeta電位的絕對(duì)值更高。

據(jù)文獻(xiàn)[31]報(bào)道，β-環(huán)糊精與芯材可形成穩(wěn)定的包合物，對(duì)芯材起到了良好的保護(hù)效果。但β-環(huán)糊精的水溶性差，直接作為載體運(yùn)載的效果并不理想，可以通過(guò)改性生成衍生物，或引入新基團(tuán)提高水溶性。

2.4 微膠囊運(yùn)載β-胡蘿卜素

微膠囊是一種將固體、液體或氣體包埋后封存在微型容器或包埋物內(nèi)，形成微小粒子的保護(hù)技術(shù)，可以在保留芯材物質(zhì)原有特性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其緩慢釋放、瞬間釋放或持久保存[32]。

JAIN等[33]觀察到用阿拉伯膠與乳清分離蛋白(whey protein isolation，WPI)制成的β-胡蘿卜素微膠囊在具備有良好外觀形貌的同時(shí)還可起到緩釋的作用。孫瑞瑞[34]用阿拉伯膠和明膠制備的β-胡蘿卜素微膠囊可明顯提高其貯藏穩(wěn)定性及生物利用率。白麗娜等[35]用WPI和半乳糖的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物 (MRPs)制備的β-胡蘿卜素微膠囊具有較好的表面結(jié)構(gòu)和較小的粒徑，熱穩(wěn)定性也表現(xiàn)良好。JIANG等[36]發(fā)現(xiàn)以WPI和半乳糖的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物為原料制備的β-胡蘿卜素微膠囊提高了β-胡蘿卜素的貯存穩(wěn)定性，且效果優(yōu)于以WPI和半乳糖為原料制備的β-胡蘿卜素微膠囊。THAKUR等[37]采用酪蛋白和瓜爾豆膠通過(guò)復(fù)合凝聚技術(shù)制備了β-胡蘿卜素油性分散體微膠囊，并觀察到這種微膠囊的表面形貌比較均勻，然后將制備的微膠囊進(jìn)行凍干，發(fā)現(xiàn)凍干后仍保留了β-胡蘿卜素的功能結(jié)構(gòu)，體外模擬實(shí)驗(yàn)顯示β-胡蘿卜素能完好地到達(dá)胃腸中，證實(shí)了此方法適合口服。

微膠囊能夠有效提高β-胡蘿卜素的穩(wěn)定性，但是其粒徑偏大，容易殘留有機(jī)物，可通過(guò)開(kāi)發(fā)新型壁材和改進(jìn)工藝來(lái)滿(mǎn)足不同的需求。

2.5 固體脂質(zhì)納米顆粒運(yùn)載β-胡蘿卜素

固體脂質(zhì)納米顆粒是由天然存在或人工合成的固態(tài)類(lèi)脂為載體，將藥物鑲嵌于類(lèi)脂核或黏附于類(lèi)脂表面制備而成的固體膠粒給藥系統(tǒng)[38]。固體脂質(zhì)納米顆粒具有生物相容性好、易降解等特性，是一種發(fā)展前景良好的新型給藥系統(tǒng)的載體[39]。

MEHRAD等[40]用含有棕櫚酸和玉米油的固體脂質(zhì)納米顆粒包埋β-胡蘿卜素，并用WPI進(jìn)行穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性得到了提高，并且包埋物的氧化穩(wěn)定性也得到了改善。JAIN等[41]以單硬脂酸甘油酯和明膠作為原料包埋β-胡蘿卜素，制備成的固體脂質(zhì)納米顆?？商岣咂渖锢寐屎涂拱┨匦?。OLIVEIRA等[42]分別以天然和游離的酪蛋白酸鈉為表面活性劑制備了固體脂質(zhì)納米顆粒，研究發(fā)現(xiàn)用游離酪蛋白酸鈉穩(wěn)定的β-胡蘿卜素納米顆粒表現(xiàn)出更好的防止生物活性降解的保護(hù)作用。ABREU-MARTINS等[43]發(fā)現(xiàn)固體脂質(zhì)納米顆粒中含有高濃度氫化棕櫚油比含有硬脂酸甘油酯消化慢，但對(duì)于β-胡蘿卜素的生物利用率來(lái)說(shuō)，前者比后者高。這說(shuō)明可通過(guò)調(diào)配固體脂質(zhì)相滿(mǎn)足不同的需求，為尋找具有最佳生物活性的輸送系統(tǒng)提供了新思路。

固體脂質(zhì)納米顆粒不僅有較好的靶向性能，而且毒性較低，適合規(guī)?；a(chǎn)。但是這種方法沒(méi)有脂質(zhì)體的包埋率高，而且類(lèi)脂的物理狀態(tài)較為復(fù)雜，油相容易結(jié)晶，真正投入生產(chǎn)還有待進(jìn)一步改進(jìn)技術(shù)。

2.6 其他體系運(yùn)載β-胡蘿卜素

除了以上介紹的載體以外，固體分散體、凝膠、膠束以及納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)等也可以運(yùn)載β-胡蘿卜素。ISHIMOTO等[44]利用熱熔技術(shù)將β-胡蘿卜素制備成的固體分散體可大大提高其水溶性。CUI等[45]將β-胡蘿卜素加入到含有不同含量的單甘油酯的有機(jī)凝膠中，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，β-胡蘿卜素的保留率隨著單甘油酯含量的增加而升高，還發(fā)現(xiàn)有機(jī)凝膠有望為親脂性生物活性物質(zhì)提供更高的負(fù)載量和穩(wěn)定性。BOCKUVIENE等[46]通過(guò)機(jī)械化學(xué)方法將β-胡蘿卜素和殼寡糖制備成復(fù)合物，發(fā)現(xiàn)該絡(luò)合作用可提高β-胡蘿卜素的水溶性，并且不會(huì)降低β-胡蘿卜素自由基的清除能力，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出親脂性和不穩(wěn)定化合物的新型遞送系統(tǒng)提供了依據(jù)。納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體是在固體脂質(zhì)納米顆粒的基礎(chǔ)上研發(fā)的第二代脂質(zhì)納米顆粒，相比具有載藥量高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。HEJRI等[47]使用溶劑擴(kuò)散法制備的含有β-胡蘿卜素的納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體不僅有較小的粒徑，而且有效提高了β-胡蘿卜素的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

β-胡蘿卜素因其可給人體帶來(lái)諸多健康效益被廣泛研究。作為一種脂溶性化合物，人們?yōu)榱颂岣咂浞€(wěn)定性、水溶性以及生物利用率，將β-胡蘿卜素包埋在各種微/納米載體中，目前雖然已有多種包埋方法將其成功包埋，并達(dá)到了一定效果，但都處在理論階段，并且在試驗(yàn)階段用到的是體外消化模型，并沒(méi)有進(jìn)行臨床試驗(yàn)，能否真正達(dá)到理論的效果還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，現(xiàn)有的包埋技術(shù)雖然在某方面提高了β-胡蘿卜素的功能性，但是也存在一定的弊端，例如乳液的穩(wěn)定性較差，β-環(huán)糊精的水溶性不理想，固體脂質(zhì)納米顆粒的包埋率較低并且成本較高等。對(duì)現(xiàn)有的運(yùn)載體系技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化工藝，開(kāi)發(fā)新型的包埋技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)β-胡蘿卜素的高效利用是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。