基于β-环糊精的姜黄素传递载体的研究进展

陈帅，高彦祥

(中国农业大学 食品科学与营养工程学院，北京 100083)

姜黄素(curcumin)是一种天然的多酚类化合物，主要来源于姜科、天南星科中的一些植物根茎。外观为橙黄色的结晶粉末，辛香轻淡，略有生姜的辣味，在食物的“色、香、味”3个要素中具备“色和味”2个要素，可作为调味品和色素广泛应用于食品工业中，在印度的咖喱和土耳其的烤肉卷中也常用姜黄粉或姜黄素作为调味品，姜黄素也可添加于鸡精调味料、火锅调味料等生产复合调味品中。此外，研究表明姜黄素具有较强的抗氧化性，能够有效降低高血脂、高血压等慢性疾病的发病率[1]，还具有预防老年痴呆[2]、保护肝脏等功效[3]。然而姜黄素在实际应用中也存在一些缺点，例如在水中的溶解度很低(约11 ng/mL)[4]，难以应用于水溶性食品体系，而且姜黄素在光、热、氧条件下容易降解。口服摄入的姜黄素只有很少量被人体消化吸收，而且会在肠细胞和肝细胞内与葡萄糖苷酸和硫化物结合，很快代谢并排出体外，难以发挥其生理功效。构建传递载体是解决上述问题的一种有效方法，蛋白质、多糖和脂类等很多材料都可以作为传递载体的基础物质，其中β-环糊精作为一种来源广泛的天然材料，不仅具有优良的包埋性能，还可以在体内消化吸收，对人体安全无害，是一种较为理想的载体材料。以β-环糊精作为基质制备姜黄素的传递载体，可以充分地与姜黄素包埋结合，不仅增加了姜黄素的水溶性和稳定性，而且延长了姜黄素在胃肠内的停留时间，促进了消化吸收，提高了姜黄素的生物利用率。因此，本文结合近年来国内外的文献报道，综述了β-环糊精传递载体的构建及其在运载姜黄素方面的最新研究进展，旨在为姜黄素在食品和调味品中的开发和应用提供参考。

1 β-环糊精的结构和性质

β-环糊精(β-cyclodextrins)是由淀粉经过芽孢杆菌所产生的环糊精葡萄糖基转移酶的作用，生成的一种环状低聚糖[5]。

图1 β-环糊精的分子结构

由图1可知，β-环糊精分子含有7个D-吡喃葡萄糖，并以α-1,4糖苷键首尾相连而成环状，每个葡萄糖都是椅型构象，其立体结构呈现上宽下窄中空的截锥状空腔。β-环糊精的羟基均聚集在分子的外侧边缘，所以分子外部具有较强的亲水性，分子内部由于存在C-H的屏蔽作用而具有疏水性[6]。由于β-环糊精独特的化学结构，可以作为传递载体包裹姜黄素、白藜芦醇、番茄红素、虾青素和香兰素等天然活性化合物，从而实现对天然活性化合物的保护和控制释放作用[7-13]。

β-环糊精的分子量为1135 Da，空腔高度约为7.9 Å，空腔直径约为6.5 Å，室温下水中的溶解度为1.85 g/dL。一般β-环糊精结构比较稳定，耐储存，对酸、碱和热都能保持一定的稳定性[14]。在化学反应方面，β-环糊精的C-2，C-3和C-6位置上的羟基上可以连接新的化学基团生成环糊精衍生物，例如生成酯化环糊精或醚化环糊精。此外，C-2-C-3化学键和C-O-C化学键也能经过化学断键接枝聚合反应生成环糊精衍生物，使其能够根据实际需求生产不同性质的环糊精衍生物，从而在构建传递载体方面具有更多的选择性和优势[15]。

2 β-环糊精-姜黄素传递载体的制备

图2 姜黄素的分子结构

由图2可知，姜黄素分子结构中含有2个苯环和1个碳链，这使得姜黄素的分子极性较低，疏水性较大，而β-环糊精是一个外部亲水，内部疏水的空腔结构。因此，在疏水作用下姜黄素分子能够自发进入β-环糊精的空腔内，通过自组装形成一个传递体系(见图3)[16]，减小了姜黄素与周围环境的直接接触，提高其对光、热和氧的稳定性，并且有利于姜黄素-β-环糊精分散于水相中，拓展了姜黄素在食品工业中的应用范围。

图3 基于β-环糊精的姜黄素传递载体的制备过程

2.1 基于溶液的姜黄素传递载体

基于溶液的β-环糊精-姜黄素传递载体是在食品行业中应用最多的一种类型，利用β-环糊精包埋可以使姜黄素等很多不溶于水或难溶于水的物质在水相体系中增溶，使其更方便地在饮料、口服液等产品中应用。制备过程大致为：先配制β-环糊精的水溶液，然后按比例直接加入姜黄素或姜黄素的有机溶剂溶液，并充分混合，为了起到更好地包埋和增溶效果，通常还会选择合适的溶剂、调节温度和pH以及利用超声波辅助等方法[17,18]。例如：Haiyee等用饱和水溶液法制备一种环糊精-姜黄素包合物，并且包合物可以很好地分散于水中。将β-环糊精进行衍生化反应得到的β-环糊精衍生物，能够更好地包埋姜黄素和提高其溶解性，例如羟丙基-β-环糊精制备的传递载体对姜黄素的增溶效果优于β-环糊精。采用饱和水溶液法制备的羟丙基β-环糊精姜黄素传递载体，姜黄素在水中的溶解度增加了276倍[19], 口服生物利用率也提高了近3倍[20]。

2.2 基于固体颗粒的姜黄素传递载体

利用β-环糊精做成的固体颗粒传递载体，可以做成粉剂，便于运输和储存，而且应用范围更广。制备固体颗粒有2种工艺路线：一种是可以直接将β-环糊精和被包埋物质混合，用球磨机或在研钵中研磨混合，使被包埋物质充分地与β-环糊精结合[21,22]；另一种是利用β-环糊精和包埋物质在溶液中形成包合物后，利用溶剂蒸发、低温干燥、冷冻干燥或喷雾干燥等方法得到固体颗粒[23,24]。基于固体颗粒的β-环糊精姜黄素传递载体，姜黄素的负载量最大能达到总重的1/2。利用研磨法制备的β-环糊精-姜黄素在水中的溶解度比游离态的姜黄素提高了约100倍，利用溶剂蒸发法制备的β-环糊精-姜黄素固体颗粒能将姜黄素的溶解度提高约1026倍，利用冷冻干燥法制备的β-环糊精-姜黄素能将姜黄素的溶解度提高1052倍[25]。此外，基于固体颗粒的β-环糊精-姜黄素传递载体具有非常好的贮存稳定性，在25 ℃条件下贮存3个月，姜黄素的保留率仍高达90%以上。

2.3 基于凝胶的姜黄素传递载体

凝胶(gel)是一种将液体包裹在三维网络结构中的半固态基质[26]，不同的溶剂体系下β-环糊精形成凝胶的过程大同小异，见图4。首先β-环糊精要先分散于溶剂中，在加热的条件下，β-环糊精形成头对头、尾对尾的二聚体，大量的二聚体组装为凝胶纤维簇，很多纤维簇彼此交织起来构成三维网络结构的凝胶[27]。β-环糊精凝胶可以作为化学材料，也可以作为药品、脂溶性天然物质的运载体。

图4 β-环糊精形成凝胶过程的机理图

凝胶可以分为水凝胶和有机凝胶2种传递载体。水凝胶是一种内部充满水溶液的三维聚合物网络结构的凝胶[28]。β-环糊精可以通过直接交联、与其他单体共聚、固载于水凝胶基质中及超分子自组装等方式形成水凝胶[29]。β-环糊精水凝胶具有温度、触变等刺激响应性和良好的生物相容性，在传递运载药物和功能因子方面有着非常好的发展前景[30]。通过饱和溶液法制备β-环糊精-姜黄素的纳米颗粒分散液，然后经过冷冻干燥得到固体颗粒，再将固体颗粒均匀混入丙烯酸聚合物(凝胶因子)的水溶液中，并调节pH使混合溶液凝胶化，即可得到β-环糊精-姜黄素的水凝胶[31]。通过研磨法制备β-环糊精-姜黄素的固体颗粒，与壳聚糖溶液混合，然后冷却得到一种热敏性的水溶胶[32]，β-环糊精-姜黄素的水凝胶具有非常好的渗透性，可用于皮肤涂抹辅助治疗关节炎，也可添加于食品基质，通过口服摄入，在胃肠道消化过程中具有缓释作用。

3 β-环糊精-姜黄素传递载体的分析和表征

一般而言，利用β-环糊精和姜黄素制备成传递载体后，姜黄素的供电子基团和发色基团进入β-环糊精空腔内，空腔内的高密度电子云与姜黄素苯环上的π电子流发生相互作用，从而使姜黄素的紫外吸收和荧光强度增强，在300～500 nm范围内进行紫外波长扫描或者在450～600 nm范围内进行荧光光谱扫描，根据波长迁移可以定性判断β-环糊精对姜黄素的包埋效果。通过姜黄素的包埋率和负载率可以定量反映β-环糊精对姜黄素的包埋效果，包埋率是指被β-环糊精包埋的那部分姜黄素质量与全部姜黄素质量的百分比(%)，负载率是指被β-环糊精包埋的那部分姜黄素质量与整个传递载体质量的百分比(%)。计算包埋率和负载率的前提是需要对姜黄素进行定量检测，可以使用紫外-可见分光光度计在444 nm波长下测定姜黄素的含量[33]，优点是简便易操作，成本较低，节省时间，缺点是待测样品中的其他成分也可能在444 nm下有光谱吸收，会对测量结果产生一定的干扰；也可以使用高压液相色谱法对姜黄素进行定量检测[34]，先将姜黄素通过色谱柱的洗脱与其他成分分离，然后通过检测器定量分析，测定结果较准确，缺点是成本较高，消耗时间长。

常用于表征β-环糊精-姜黄素传递载体的方法包括红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和示差扫描热量仪(DSC)等。红外光谱可用于表征β-环糊精和姜黄素分子之间的相互作用，主要反映分子的官能团变化，根据3300～3500 cm-1范围内的波长迁移可以研究分子之间的氢键作用，根据1650 cm-1附近的波长迁移可以判断分子之间的疏水效应等[35]。为了获得更多分子间相互作用的信息，常采用拉曼光谱进行辅助判断，拉曼光谱主要反映分子的骨架和生物大分子，由于环状化合物在拉曼光谱可产生较强的谱带，而姜黄素分子中含有2个苯环，因此拉曼光谱常用于分析姜黄素的变化[36]。利用扫描电镜可以直观地观察β-环糊精-姜黄素传递载体的微观形貌[37]，β-环糊精和姜黄素二者形成复合物之后的形貌与先前的形貌具有明显差异，并且变得无规则化。在X射线衍射图谱上，姜黄素的衍射角(2θ)位于7.83°，8.78°，11.99°，13.76°，15.79°，17.13°，21.01°，而β-环糊精的衍射角(2θ)位于10°～15°和15°～20°，将β-环糊精和姜黄素进行物理混合，这些特征衍射角基本不变，而制备成β-环糊精-姜黄素传递载体以后，特征衍射角消失或减弱，证实了β-环糊精和姜黄素二者之间形成复合物[38]。与此类似，通过示差扫描热量仪观察β-环糊精和姜黄素的热分析图谱，根据热吸收峰的迁移变化也能证实β-环糊精和姜黄素二者并非简单的物理混合，而是形成结合紧密的复合物。

4 β-环糊精-姜黄素传递载体在食品和调味品中的应用

β-环糊精作为传递载体已经广泛应用于食品和调味品中并且取得了较好的效果。基于β-环糊精的传递载体可以提高姜黄素等一些不溶于水或难溶于水的物质的溶解性；通过包埋作用提高其对光、热、氧和酸碱的稳定性，改变姜黄素在食品基质中的表面理化性质，例如色变和结块等。β-环糊精-姜黄素传递载体有助于开发更多新颖的产品，例如将β-环糊精-姜黄素传递载体应用于香草冰激凌中，不仅赋予了冰激凌的色彩，而且增添了它独特的品质和风味[39]。此外，β-环糊精-姜黄素传递载体还可以用于面食、糖果、果酒、罐头、蛋白饮料及烹饪菜肴中，作为复合调味品添加于鸡精复合调味料、火锅调味酱、方便食品调味料、膨化调味料、膏状香精香料、调味酱菜、牛肉干制品、方便面及薯片等中，在食品和调味品中应用范围非常广泛。

5 结论与展望

姜黄素作为一种调味品、天然色素和功能性活性物质，在食品和调味品应用中具有悠久的历史，但是水溶性差、性质不稳定和生物利用率低一直都是限制其开发利用的难题。基于β-环糊精独特的化学结构、良好的运载性能、可以有效克服姜黄素的特点，大大拓展了姜黄素在食品和调味品中的应用范围。目前基于溶液的传递载体和基于固体颗粒的传递载体已经表现出很多实用的优点，但是基于凝胶的传递载体仍然值得进一步研究。由于凝胶自身独特的结构特性和理化性质，可以预见，未来β-环糊精凝胶会在食品领域得到更广泛的关注和研究，相信以后随着新技术和新工艺的发展，β-环糊精-姜黄素传递载体能够在食品工业中得到更多的应用。