胡椒碱的纳米传递载体研究进展

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）

胡椒是一种热带藤本植物，可作为香辛料，素有“香料之王”的美誉［1］。胡椒碱是胡椒中的主要活性成分，是一种重要的调味品成分，可赋予食物辛辣的口感，具有促进食欲的功效，在食品和调味品行业具有广泛的应用范围。此外，胡椒碱还具有抑菌、抗炎、降血糖、预防肿瘤、治疗惊厥等多种生理功能［2］。然而胡椒碱也存在一定的缺点，例如在酸性条件下，胡椒碱（C17H19O3N）会酸化形成胡椒酸（C17H19O4），而在碱性条件下，胡椒碱会水解产生含氮的杂环己烷（C5H11N）等物质，在光照条件下胡椒碱能够转化为异胡椒碱和异胡椒脂碱，这些转化后的产物将会减弱或丧失胡椒碱原本辛辣刺激的呈味效果以及胡椒碱的生理功能［3］。胡椒碱分子结构中含有苯环、烯烃双键、羰基等疏水性基团（见图1），分子极性较低，不溶于水，难以被人体消化吸收，生物利用率较低，仅有极少部分的胡椒碱能够实现其生理活性，这些缺点限制了对胡椒碱的进一步开发利用。

图1 胡椒碱的化学结构式Fig.1 Chemical structure of piperine

为了解决胡椒碱的上述问题，很多新方法和新技术被用于增加胡椒碱的水溶性、理化稳定性及其生物利用率，例如化学改性技术、乳化技术以及纳米技术等［4－6］。与其他技术相比，利用纳米技术制备的传递载体的粒径非常小，可以运载胡椒碱穿越细胞膜，实现靶向和控释的效果，能够增加胡椒碱的生物利用率［7］。此外，还可以利用纳米技术制备智能响应型传递载体，使胡椒碱在运输和贮藏期间能够稳定地包埋在纳米载体内，而在烹饪和调味过程中快速释放出来，提高了胡椒碱的贮藏稳定性。

目前关于胡椒碱的研究报道有很多，也有一些综述类论文，但是主要论述胡椒碱的提取工艺、检测方法以及化学改性和生物活性［8，9］，而对于胡椒碱的传递载体的研究缺乏系统总结和探讨。近年来利用纳米技术，以淀粉、油脂、蛋白质和多糖等天然生物大分子为材料制备的纳米传递载体，不仅可以有效地包埋和保护胡椒碱，提高胡椒碱的稳定性，而且传递载体具有高度的生物相容性、可消化降解性以及安全无毒等优点［10］。

1 胡椒碱的纳米传递载体概述

通常按照传递载体的结构性质差异，可将传递载体分为纳米颗粒、纳米乳液、纳米胶束、脂质体等［11－13］。这些传递载体或用于提高胡椒碱的水溶性，或用于提高胡椒碱的稳定性，或用于增加胡椒碱的生物利用率。其中纳米胶束和脂质体等主要是将胡椒碱应用于医药制剂方面，而纳米颗粒可以拓展胡椒碱在固态食品中的应用，纳米乳液可以拓展胡椒碱在液态食品中的应用。因此，本文将重点介绍胡椒碱的纳米颗粒和纳米乳液。

2 胡椒碱的纳米颗粒

在食品传递体系中，纳米颗粒一般是指粒径小于1000nm，内部可用于包埋和传递活性物质的固体颗粒，胡椒碱的纳米颗粒制备过程见图2。常用于制备纳米颗粒传递载体的天然材料包括乳清分离蛋白、大豆分离蛋白、酪蛋白、玉米醇溶蛋白等蛋白类物质；淀粉、壳聚糖、海藻酸钠和果胶等多糖类物质；以及固体脂肪和结构化的油凝胶和其他生物分子聚合物等。制备纳米颗粒的方法包括反溶剂沉淀法、复凝聚法、电喷雾法、冷冻干燥法、喷雾干燥法等。

图2 胡椒碱纳米颗粒的制备示意图Fig.2 Preparation diagram of piperine nano particles

Pachauri等利用聚乳酸制备的胡椒碱纳米颗粒粒径仅有131.1nm，具有较好的稳定性，但是包埋率较低，只有37%左右。包埋率（%）是纳米颗粒包埋的胡椒碱质量与制备纳米颗粒过程中使用的胡椒碱总质量的百分比，是衡量纳米颗粒包埋能力的重要指标，一般可采用反相液相色谱测定纳米颗粒中的胡椒碱含量，检出限可达0.1mg／kg［14］。为了提高胡椒碱的包埋率，常常利用多糖或甘油酯作为基质，例如以壳聚糖制备的纳米颗粒，将胡椒碱的包埋率提升至53%［15］，以甘油酯为基质制备固体脂肪颗粒，将胡椒碱的包埋率增加至78.71%，口服生物利用率和稳定性得到提高［16］。此外，以油酸甘油酯为基质制备胡椒碱的纳米颗粒还有很多其他优势，例如粒径很小，只有100～150nm，通过细胞实验和动物模型实验证实油酸甘油酯纳米颗粒可以提高胡椒碱及其他活性成分的生物利用率［17］，当胡椒碱和姜黄素同时包埋于油酸甘油酯纳米颗粒内，并进一步调控纳米颗粒粒径至60nm，纳米颗粒可穿越血脑屏障，辅助治疗帕金森症［18］。环糊精是一种独特的低聚糖，具有环状空腔结构，能将胡椒碱包裹其中形成一种粒径为纳米级的包合物，经喷雾干燥或冷冻干燥后即得到纳米颗粒。采用饱和水溶液法，并以微波辅助制备的环糊精-胡椒碱包合物，胡椒碱的包埋率高达88.12%［19］，包埋后的胡椒碱在水中的溶解度增加了2.6倍，热稳定性也显著提高［20］。

蛋白质作为胡椒碱传递载体的优点有很多，除了其自身安全无毒，可消化降解外，蛋白质分子较大，分子内部可以包埋胡椒碱，分子表面可以吸附胡椒碱。此外，在水溶液体系中蛋白质还具有一定的乳化稳定性，可用于稳定胡椒碱纳米颗粒。例如以牛血清蛋白为基质制备纳米颗粒，对胡椒碱的包埋率可达77.8%，可使胡椒碱在体内缓慢释放，提高生物利用率［21］。由于胡椒碱是一种疏水性分子，在水体系中与大多数蛋白质的相互作用力并不强，但是能够与疏水性蛋白质通过疏水作用力形成稳定的纳米颗粒。玉米醇溶蛋白中含有超过50%的疏水基团，不溶于水，但易溶于60%～90%的乙醇水溶液，是制备胡椒碱纳米载体的理想材料。但是玉米醇溶蛋白的等电点是6.2，单独的玉米醇溶蛋白颗粒分散液很容易在pH中性的环境中发生聚集而沉淀。因此，使用多糖与玉米醇溶蛋白复合以修饰其表面性质和颗粒结构，例如以玉米醇溶蛋白和壳聚糖为基质，采用电喷雾法制备胡椒碱的纳米颗粒，随着壳聚糖含量的增加，纳米颗粒的粒径逐渐变大，胡椒碱的包埋率也逐渐升高，粒径最大为527 nm，包埋率最高可达87%［22］。此外，胡椒碱能够与其他活性成分呈现协同效应，例如将胡椒碱与姜黄素同时包埋于玉米醇溶蛋白-壳聚糖纳米颗粒，姜黄素的生物利用率可提高9倍以上［23］。

3 胡椒碱的纳米乳液

纳米乳液的液滴粒径一般在10～100nm之间，物理稳定性较好，不易发生相分离、絮凝、聚集等现象［24］。乳液外观比较清澈，并且能够提高生物活性成分的贮藏稳定性和生物利用率［25］。通过纳米乳液的运载，可显著提高胡椒碱的水溶性和稳定性，大大拓展了胡椒碱在液态食品中的应用范围。

图3 纳米乳液的结构示意图［28］Fig.3 Structure diagram of nano emulsion

纳米乳液的制备过程一般是先将胡椒碱和乳化剂混合溶解于油相，然后一边快速搅拌，一边将油相加入水相中制备成乳液，再经过一系列均质处理最后形成均一的纳米乳液［26］。纳米乳液的结构见图3，胡椒碱溶解于油相液滴中，乳化剂的疏水基团伸入油相，亲水基团伸入水相，降低了油相和水相的界面张力，从而形成了稳定体系［27］。乳液液滴粒径是影响胡椒碱纳米乳液稳定性的一个重要指标，一般可以通过粒径仪进行表征，降低乳液液滴粒径尺寸的方法包括超声法、剪切法和高压均质法等高能法。利用高压均质法，以大豆油、水和磷脂为基质制备含胡椒碱的纳米乳液，液滴粒径仅有110nm［28］，研究发现高压均质的压力和循环次数对乳液液滴粒径尺寸有显著的影响，压力越大，循环次数越多，乳液的液滴粒径越小，最小可达15.65nm［29］。虽然高压均质法能有效降低纳米乳液的粒径尺寸，但是这些设备耗能比较高，仅有1%左右的机械能用于乳化，能量损失较大［30］。因此，研究者们又开发了一种低能耗的方法，即自乳化法，这种方法是将油相、表面活性剂、助表面活性剂混合成固体或液体，与水相混合后经搅拌自发地形成纳米乳液［31］，无需进行剪切、均质等辅助处理。利用油酸乙酯、吐温80和助表面活性剂制备的胡椒碱自乳化纳米乳液，粒径约为90nm，常温下贮藏4个月，胡椒碱的保留率高达92%，粒径保持90nm没有变化［32］。经过对油相、表面活性剂、助表面活性剂等配料成分的筛选和优化，自乳化纳米乳液的粒径可降低至19nm，胡椒碱的溶解量可提升至2%，远高于胡椒碱自身的溶解度（0.004%），并且自乳化纳米乳液的外观清澈透明，理化性质较稳定［33］。一般而言，纳米乳液的稳定性都比较好，通过热稳定性实验，在25～45℃温度范围内循环加热-冷却6次后保持48h，纳米乳液仍没有出现相分离现象［34］。通过蒸馏水将纳米乳液稀释2000倍，或在25℃下贮藏1个月，纳米乳液的粒径、电位和化学稳定性没有显著变化［35］。在纳米乳液中添加0.1% （W／W）的壳聚糖可使胡椒碱的纳米乳液的稳定性进一步提高，常温贮藏1年仍能保持稳定。

4 结论与展望

胡椒碱作为一种调味品成分和功能性活性物质，其辛辣刺激的呈味效果深受人们喜爱，在调味品和食品中具有良好的应用前景，但是水溶性差、性质不稳定和生物利用率低限制了胡椒碱的精深加工和开发利用。基于纳米技术，构建胡椒碱的纳米颗粒、纳米乳液等传递载体，不仅增加了胡椒碱的水溶性，而且提高了胡椒碱在酸、碱、光、热、氧条件下的抗降解能力，拓展了胡椒碱在固态、液态调味品和食品中的应用范围。目前基于纳米颗粒和纳米乳液的载体在传递胡椒碱的方面还属于比较前沿的研究，距离实际生产和应用仍需要一定的时间，相信未来关于胡椒碱的传递载体在调味品和食品领域能够得到更广泛的关注和研究，随着科学技术的进步，胡椒碱传递载体能够在调味品和食品工业中得到更多的应用。