基于生物大分子的辅酶Q10纳米传递载体的研究进展

陈 帅，高彦祥

（1 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京100083 2 武汉大学健康学院 武汉430071）

辅酶Q10（Coenzyme Q10，C59H90O4）是一种天然的醌类化合物，别名泛醌。主要分布于动物的内脏，植物的籽和叶，以及酵母菌中。研究表明，辅酶Q10具有很强的抗氧化活性，是人体中最重要的辅酶之一，具有清除人体自由基，提高免疫力，增强运动能力，缓解疲劳等作用，在预防和辅助治疗心血管疾病、糖尿病、肿瘤等慢性疾病等方面也具有良好的效果[1-3]。辅酶Q10的分子结构如图1所示，其中含有很多疏水性基团，如烷基、烯基和环己二烯等，辅酶Q10的分子极性较低，在水中的溶解性很差，而且辅酶Q10易发生光降解和热降解。辅酶Q10在人体消化道中的吸收率较低，大部分被排出体外[4]，这些因素都影响了辅酶Q10在食品体系中的推广和应用。

为了解决上述问题，纳米技术[5]、乳化法[6]、环糊精包埋[7]，以及化学改性[8]等很多方法被用于增加辅酶Q10的水分散性及提高其消化吸收率。负载辅酶Q10的纳米传递载体具有很多优势，例如：粒径小可以穿越细胞膜，而且包埋率和负载率较高，还能增强辅酶Q10的理化稳定性[5，9]。

目前，关于辅酶Q10的研究报道有很多，也有一些综述性论文，主要论述辅酶Q10的生产制备[10]、生理功能[11]、抗氧化作用[12]等方面的研究进展，缺乏对于辅酶Q10纳米载体的总结和探讨。基于天然生物大分子和纳米技术的辅酶Q10传递载体在开发辅酶Q10相关产品方面具有非常大的潜力[13]。

1 辅酶Q10 的纳米传递载体

辅酶Q10的传递载体主要有纳米乳液、脂质体、固体脂肪颗粒、纳米胶束、纳米颗粒等[14-16]（图2）。可用于制备纳米载体的材料包括油脂、蛋白质和淀粉等[12]，以及金属材料[17]、SiO2[18]和高分子聚合物等[19]。

2 纳米乳液传递载体

纳米乳液（nanoemulsion）的液滴比传统乳液更小，粒径一般在10～100 nm，乳液整体清澈，液滴的布朗运动能够抵抗重力作用引起沉淀，比较稳定[20]，并且具有较好的贮藏稳定性[21]，在食品和饮料行业的应用前景非常好。

纳米乳液的制备过程如图3所示，在搅拌作用下，将辅酶Q10、油相和乳化剂加入水相中形成粗乳液，再经过均质处理制备成纳米乳液[22]。乳液液滴粒径对辅酶Q10的贮藏稳定性和生物利用率也有影响，粒径越小，越容易在小肠内被人体消化吸收[23]。Amnuaikit 等[24]利用米糠油、水和乳化剂（聚山梨醇酯） 分别制备了辅酶Q10的纳米乳液（50～119 nm）和普通乳液（1 709～1 885 nm）。对比结果显示，负载辅酶Q10的普通乳液在50 ℃条件下贮存1 个月，颜色明显加深变暗，而纳米乳液基本稳定；此外，辅酶Q10纳米乳液的渗透能力显著（P＜0.05）高于普通乳液。

图1 辅酶Q10 的分子结构式Fig.1 Molecular structure of coenzyme Q10

图2 辅酶Q10 的纳米传递载体示意图[14-16]Fig.2 Nano delivery carriers of coenzyme Q10[14-16]

图3 辅酶Q10 的纳米乳液制备过程[22]Fig.3 Preparation process of coenzyme Q10-loaded nanoemulsion[22]

为了获得小而均匀的纳米乳液，超声仪、剪切机和高压均质机是常用的制备纳米乳液的辅助手段[25-26]。高压均质制备的纳米乳液粒径较小，在25℃下贮存2 个月仍然保持较好的稳定性[27]，而且使辅酶Q10在体内的传递效率更高。Zhou 等[25]采用高压均质法制备的辅酶Q10纳米乳液（粒径约50 nm） 被人体摄入后能够很快将辅酶Q10释放到心脏器官等目标位置，并且维持较高的辅酶Q10水平。高压均质乳化法虽然具有优势，但消耗能量较高，而且能量利用率低[28]。自乳化法将油脂、乳化剂、助乳化剂混合后，加入水相经搅拌自发形成乳液[29]。这种方法的优点在于不仅耗能较低，而且在人体胃肠消化中，由于大量乳化剂的存在使辅酶Q10不易以晶体形式析出，而是和油相形成乳糜微粒有利于消化吸收。Khattab 等[30]利用自乳化法制备了粒径范围极低的辅酶Q10纳米乳液（11.7～13.5 nm），负载量也提高到3.0%，相比于直接服用辅酶Q10，口服摄入纳米乳液的生物利用率也显著提高了2.1 倍。此外，乳化剂的存在对于纳米乳液的粒径、电位和贮藏稳定性都有显著影响。Kaci 等[31]对比研究了超声波+高压均质制备的辅酶Q10纳米乳液与添加乳化剂制备的辅酶Q10纳米乳液，发现乳化剂制备的纳米乳液粒径更小，电位更高，乳化效率由62.55%提高至99.37%。利用天然乳化剂替代合成乳化剂（例如吐温、司盘），逐渐成为未来研究趋势。Belhaj 等[32]以卵磷脂为乳化剂，三文鱼油为油相制备了辅酶Q10的纳米乳液，乳液液滴粒径为164～167 nm，辅酶Q10的最大负载量可达到81.30 mg/mL，通过动物实验评价，口服纳米乳液剂型辅酶Q10的生物利用率是非纳米乳液剂型（油相、水相和辅酶Q10的混合液）的2 倍多。此外，辅酶Q10纳米乳液还显示出一定的细胞抗氧化能力，能够保护细胞内DNA 免受自由基的攻击[33]。

除上述一些辅酶Q10纳米乳液的研究外，近年来关于辅酶Q10纳米乳液的研究如表1所示，这些研究结果的不同之处在于纳米乳液的组成配方、制备工艺（高压均质、自乳化），以及纳米液滴粒径和负载量。总体而言，这些辅酶Q10纳米乳液都能实现共同的目标，即显著地提高辅酶Q10的溶解性，口服生物利用率，理化稳定性以及贮藏稳定性。

3 纳米脂质体

脂质体主要是由磷脂等小分子乳化剂自组装形成的一种传递载体[39]，纳米脂质体囊泡结构壁厚一般只有5～7 nm[40]。制备辅酶Q10纳米脂质体的方法一般有溶剂注入法、薄膜分散法、冻融法、超临界流体快速扩散法等。Lee 等[41]利用溶剂注入法，以卵磷脂为原料成功制备粒径为150～200 nm的辅酶Q10纳米脂质体，包埋率最高达96.2%。Li等[42]以大豆磷脂为材料采用薄膜分散法制备了辅酶Q10的纳米脂质体，粒径约为166.0 nm，包埋率高达93.2%，将样品冻干后可以贮存3 个月保持稳定。Xu 等[43]利用超临界流体快速扩散法制备辅酶Q10的纳米脂质体，粒径仅有20～40 nm，包埋率高达90%以上。相比于其它纳米传递载体，脂质体由于其独特的双分子层膜结构，很容易渗透细胞膜将辅酶Q10运送到线粒体[44]，然而也存在自身缺陷，例如：纳米脂质体分散液的稳定性较差，对酸、碱、盐、热、氧和金属离子的抵抗能力有限。因此很多研究者都寻求改善纳米脂质体界面性质的方法，例如：添加多糖或小分子物质修饰纳米脂质体，以增加其理化稳定性。池金颖[45]以蛋黄卵磷脂和吐温80 为纳米脂质体的复合壁材，并通过抗坏血酸调节脂质双分子层的流动性和结构特性，显著提高了辅酶Q10的氧化稳定性和贮藏稳定性。Zhao 等[46]利用壳聚糖作为涂层，修饰卵磷脂基的纳米脂质体，常温光照30 d 和低温贮藏60 d 两组试验结果表明，修饰后纳米脂质体的理化稳定性更好，并且能够有效降低辅酶Q10在光照和贮藏过程中的降解。相比于非修饰的纳米脂质体，壳聚糖修饰的纳米脂质体除了能够提高自身稳定性以外，修饰后纳米脂质体运载的辅酶Q10口服生物利用率也显著提高3.4 倍[47]，此外，由于受到双重保护，辅酶Q10降解较少，其抗氧化活性和抗菌能力也得到明显提高[48]。除了壳聚糖外，海藻酸钠也是一种常用的修饰纳米脂质体的材料。Sakchareonkeat 等[48]研究表明海藻酸钠修饰后的脂质体能够显著提高其热稳定性，在40 ℃下加热5 d 仍能保持稳定，在模拟胃液环境中消化2 h 后，修饰后的脂质体比非修饰脂质体内的辅酶Q10的保留率提高16%，这意味着有更多的辅酶Q10能够进入小肠，增加了被人体吸收的几率。

表1 辅酶Q10 纳米乳液的研究Table 1 Research of coenzyme Q10-loaded nanoemulsion

4 固体脂质颗粒和纳米结构脂

固体脂质颗粒（Solid lipid nanoparticles）是以固体脂肪作为基质的一种传递载体，通常为球状颗粒，粒径一般在50～500 nm 之间，内部可以包埋脂溶性活性成分[49]。为了在室温下保持固体状态，固体脂质颗粒的油相基质一般选用熔点比较高的脂类，例如：天然的硬脂酸甘油酯、动物脂肪、长碳链脂肪酸、蜂蜡等[50]。制备固体脂质颗粒过程如图4所示[51]，先通过加热融化固态油脂和活性物质，然后与水相按照比例混合形成水包油乳液，超声或高压均质后冷却，即可形成固体脂质颗粒。此过程需要添加乳化剂，通常使用的天然乳化剂有卵磷脂、皂素皂苷、鼠李糖脂、烷基糖苷等，这些天然来源的油相基质和乳化剂，赋予固体脂质颗粒良好的安全性、生物相容性和可降解性。

图4 固体脂质颗粒制备过程[51]Fig.4 Preparation of solid lipid nanoparticles[51]

由于辅酶Q10是一种脂溶性化合物，所以固体脂质颗粒是辅酶Q10的优良载体。通过固体脂质颗粒的运载，可以将辅酶Q10在水相中的分散量由原来的不足0.1%提高到1.0%，并且固体脂质颗粒对辅酶Q10的包埋率非常高，接近100%[52-53]。Piao等[54]通过动物模型实验评价辅酶Q10的体内消化吸收效果，研究结果表明固体脂质颗粒内辅酶Q10在体内的吸收率是直接口服辅酶Q10的3 倍左右。通过高速剪切均质方法制备了负载辅酶Q10的固体脂质颗粒，粒径为152.4 nm，电位-13.67 mV，透射电镜观察显示辅酶Q10在固体脂质颗粒中是以非晶体形态存在[55]。虽然固体脂质颗粒作为辅酶Q10的传递载体，表现出很多优点，例如：包埋率和负载量高于其它传递载体，生物利用率也显著提高，然而其自身也存在一些缺点，例如：固体脂质颗粒内的油相只有达到一定的结晶度才能保持固体状态，并且其结晶晶型通常比较有序（图5a）[56]，这样留给辅酶Q10的空间比较小，影响包埋效果。在贮存过程中，固体脂质晶型由α 型-β 型-β' 型转变，结晶程度越来越整齐有序，会挤压原来包封于固体脂质颗粒内部的辅酶Q10，甚至引起泄漏[57]。

为了弥补固体脂质颗粒的不足，研究者们在固体脂质颗粒的基础上开发出一种新型的纳米传递载体，即纳米结构脂（图5b），它也可以被认为是第2 代固体脂肪颗粒。纳米结构脂是将固体脂质替换为半固态和半液态的混合脂质，这样形成的脂质晶体比较无序，留给辅酶Q10的空间相应较大，包封效果较好，避免了贮藏过程中发生泄漏[51]。Julia 等[58]通过高压均质制备了粒径仅为80 nm 的纳米结构脂，其对辅酶Q10的负载能力是固体脂质颗粒的3 倍左右。另有一些研究表明负载辅酶Q10的纳米结构脂生物利用率更高，而且能够有效清除人体内的氧化自由基[59]。这对于研发辅酶Q10抗衰老功能性食品具有非常重要的意义。

图5 固体脂质颗粒和纳米结构脂[56]Fig.5 Solid lipid nanoparticles and nanostructured lipid carriers[56]

由于固体脂肪颗粒和纳米结构脂的主要基质是油脂，口服摄入后在人体内代谢非常安全。油脂在人体胃肠消化过程中有助于辅酶Q10形成乳糜微粒，极大地提高了其生物利用率，并且油脂能够分解提供一些必需脂肪酸和能量。尤其是纳米结构脂的粒径非常小，对细胞膜的渗透作用较好，能够运载生物活性物质进入病变细胞内部，促进其凋亡[50]。纳米结构脂集合了固体脂肪颗粒、纳米乳液、脂质体的多种优点，例如：渗透性、颗粒分散性、高包埋率和高负载量等，是一种非常具有开发潜力和应用前景的纳米传递载体。

5 其它纳米传递载体

纳米颗粒、纳米胶囊、环糊精包合物等传递载体也可用于运载辅酶Q10[60]。这些传递载体各自都有其独特的优势，例如：利用变性淀粉制备的辅酶Q10纳米胶囊热稳定性好，90 ℃下加热3.5 h，仍然保持稳定[61]。利用卵磷脂制备的辅酶Q10纳米胶囊的粒径小于100 nm，口服生物利用率比游离辅酶Q10 提高了1.77 倍[62]。相比于纳米微胶囊，利用乳酸聚合物制备的辅酶Q10纳米颗粒在提高生物利用率方面更有优势，通过口服辅酶Q10纳米颗粒相比于游离辅酶Q10能够提高了4.28 倍[63]，并且纳米颗粒粒径很小，仅有72.2 nm，包埋率最高可达93.31%。Terao 等[64]对比了纤维素晶体和γ-环糊精2 种传递载体对提高辅酶Q10生物利用率的作用，并通过22 名志愿者进行人体试验，结果表明，γ-环糊精包合物对辅酶Q10具有更好的传递效果。

6 辅酶Q10 纳米传递载体在保健食品中的应用

由于辅酶Q10具有抗氧化活性，提高免疫，延缓衰老，增强心肌功能等一系列生理益处。几十年来关于辅酶Q10的基础研究和临床试验广泛展开，逐渐深入，理论研究也推动了市场前进的步伐。自2003年，美国食品和药物管理局（FDA）正式批准辅酶Q10作为食品添加剂以来，以辅酶Q10为功能成分的保健食品和药品大量涌现市场，至今已超过200 种。我国食品药品监督管理局（2009年566号文件）规定辅酶Q10只能用于保健食品，且每日食用量不得超过50 mg。目前国家卫生部已受理关于还原型辅酶Q10作为新资源食品的申请，将来辅酶Q10成为新资源食品后，不仅可以应用于保健食品，还可以应用于普通食品。

目前，生活水平的提高使高血压、高血脂和冠心病等心血管疾病的发病率也随之提高，“预防为主”逐渐成为人们的共识，因此辅酶Q10纳米载体在保健食品的开发利用方面具有非常大的潜力和前景。这些纳米载体除了能够提高辅酶Q10的溶解性、分散性和稳定性以外，还可以利用其自身独特的物理化学性质制备不同类型的产品。例如：可以开发成含有辅酶Q10的纳米乳液饮料、纳米颗粒固体冲剂、含有纳米颗粒的糖果、纳米胶囊、纳米脂质体分散液等一系列保健产品。Stratulat 等[65]以亚麻籽油为油相，卵磷脂为乳化剂，以海藻酸钠为乳液稳定剂制备了辅酶Q10纳米乳液，并将辅酶Q10的纳米乳液成功地应用于奶酪生产中。除了直接将辅酶Q10纳米载体应用于保健食品以外，还可以将辅酶Q10与其它天然活性成分复配以实现辅酶Q10的最大化利用，例如：将辅酶Q10和天然维生素E 复配，能够实现清除自由基、协同抗氧化作用等功效[66]。

7 结论和展望

自1957年辅酶Q10被人类发现以来，其有益健康的生理功效不断地被发现和证实，然而水溶性小、稳定性差、消化吸收难等问题阻碍了辅酶Q10的开发利用。以天然来源的生物材料如蛋白质、多糖、油脂、淀粉和磷脂等构建辅酶Q10的纳米传递载体，可以极大地提高辅酶Q10的溶解度（100倍以上），并且可以有效保护辅酶Q10不受光、热、氧和金属离子的影响发生降解。负载辅酶Q10的纳米传递载体被人体摄入后，可以延长辅酶Q10的消化时间，显著提高其生物利用率，甚至可以实现靶向递送到目标位置。

然而，辅酶Q10的纳米传递载体的研究也面临一些问题，一方面规模化生产的技术不够成熟。另一方面需要开发更多新型载体，虽然可用于制备辅酶Q10纳米传递载体的天然材质很多，但是目前已投入研究的还很有限，仍然有很多新的天然材质值得研究和开发。相信随着科学的进步和发展，未来会有更多的新技术和新材料能够应用于辅酶Q10的纳米传递载体，从而开发出更多的保健食品。