包封类胡萝卜素运载体系研究进展

2024-03-12王锡昌

中国食品学报 2024年2期

陈敏，王锡昌

（上海海洋大学上海 201306）

类胡萝卜素（Carotenoids）是维生素A 的前体物质，普遍存在于植物、真菌和藻类中，具有保护视力、降低患癌症和慢性病的风险[1-2]。类胡萝卜素在生理代谢过程中至关重要，然而其自身无法合成，只能从膳食中摄取。中国居民膳食指南指出1名成年男性每日需摄入800 μg 的维生素A，而1 mg β-胡萝卜素仅能转化成166 μg 维生素A[3-4]，说明日常膳食中对类胡萝卜素的摄入量不足，必须通过饮食和补充剂来增加类胡萝卜素的平均摄入量，从而合成更多的维生素A。

类胡萝卜素是含有多个共轭双键的异戊二烯结构，这就决定其对光照、氧气、强酸和温度等条件敏感，在加工运输和代谢过程中极不稳定，会在各种物理和化学作用下降解，从而导致类胡萝卜素生物利用度低（小于10%）[5-6]。针对如何提高类胡萝卜素的稳定性和生物利用度，最大程度地发挥其在体内的生物活性，研究人员开发了多种对类胡萝卜素进行包封的递送系统，比如乳液、水凝胶、固体脂质纳米颗粒和纳米结构脂质载体等[7]。

本文概述类胡萝卜素在体内的代谢过程和影响胡萝卜素生物利用度的因素及相关的研究现状，重点介绍几种类胡萝卜素递送系统的优势和局限性，以及如何提高类胡萝卜素生物利用度，并对这些类胡萝卜素递送系统的未来研究进行展望。

1 类胡萝卜素应用限制

1.1 影响类胡萝卜素稳定性和生物利用度的因素

影响类胡萝卜素稳定性的因素可分为体外因素和体内因素[5]。在体外，富含类胡萝卜素的食物在运输（光、氧、高温）和加工过程（蒸、炸、炒、煎）中不稳定、易暴露[8-9]；在体内，类胡萝卜素经人体摄入后，在口腔咀嚼和胃蠕动的物理作用及pH 值和各种消化酶的化学作用下，进一步释放并溶解成含有类胡萝卜素的油滴，转运至小肠后油滴在小肠上皮细胞中胰脂肪酶的作用下再被消化并与胆盐和磷脂形成混合胶束，之后混合胶束在被动扩散和载体蛋白的作用下转运至小肠上皮细胞的刷状缘细胞上并被吸收，最后进入血液或生理器官[10-11]。富含类胡萝卜素的食品在加工、贮藏、运输和代谢过程中易受到各种理化因素的影响，导致类胡萝卜素降解损失，失去其生物活性功能。

1.2 类胡萝卜素稳定性和生物可及性的研究现状

类胡萝卜素稳定性差和生物利用度低的缺陷极大地限制了其在食品领域的发展。为了解决这一问题，近年来，食品研究者主要是研究类胡萝卜素在食品基质中的应用和类胡萝卜素的包封技术和方法。

图1 类胡萝卜素消化吸收示意图[5]Fig. 1 Graphical summary of the current status of gastrointestinal digestion of carotenoids[5]

类胡萝卜素在食品基质中的应用主要是将类胡萝卜素掺入食物基质中，旨在保护类胡萝卜素的生物活性。Ursache 等[12]从乳清和阿拉伯胶中分离出蛋白质与从沙棘中提取的类胡萝卜素混合并经凝固和冻干处理后制成类胡萝卜微胶囊，该微胶囊应用在松饼的配方中，研究结果表明类胡萝卜素的包封效率为56%且松饼有较好的感官属性。Inroga 等[13]将含有β-胡萝卜素的纳米胶囊注入到苹果中，并评估了冷藏过程中苹果的理化稳定性，研究结果显示，该方法延长了苹果的保质期，苹果切片中类胡萝卜素的含量（β-胡萝卜素：300 μg/100 g，叶黄素：65 μg/100 g，玉米黄质：80 μg/100 g）高于未经处理的苹果。

关于类胡萝卜素的包封技术和方法是目前的研究热点。包封是一种物理化学过程，旨在将生物活性物质包封在微系统或纳米系统中，保护其不受外界环境条件（如：热、氧气、光、酶或pH 值变化）影响而发生降解，从而提高生物活性物质的稳定性；包封还可以通过调节亲脂性生物活性物质的溶解度、界面性质及其释放来增加亲脂性生物活性物质的稳定性和生物利用度[14]。关于类胡萝卜素稳定性和生物利用度的研究现状见表1。

2 包封类胡萝卜素的递送系统

包封技术起始于医药行业在药物和疫苗方面的研究，近几年也应用在食品领域中，主要是采用合适的材料对敏感的生物活性成分（如类胡萝卜素）进行包封，以改善类胡萝卜素的水溶性，提高其稳定性，并对其进行递送和控释，提高类胡萝卜素的稳定性和生物利用度。主要类胡萝卜素的递送系统有乳液、水凝胶、脂质体和微胶囊等。

2.1 乳液体系

传统乳液是指两种不混溶液体的体系（通常是油和水），其中一种液体以小液滴的形式分散在另一种液体中，形成非均匀的分散系统，乳液系统分为油包水（W/O）型和水包油（O/W）型，根据包封营养素的性质制备不同的乳液。传统乳液的制备是通过添加乳化剂均质而成，乳化剂的种类分为大分子乳化剂（如蛋白质、多糖）和小分子表面活性剂（如吐温）。以吐温80 作为表面活性剂制备负载番茄红素的O/W 型乳液并研究其在胃肠道中的消化吸收情况，结果表明番茄红素生物利用度提高[24]。传统乳液的物理稳定性差，包封率低，并易受极端条件（强酸或强碱、光、热、高压）的影响发生反乳化现象。针对这些问题，研究出不同结构和性质的乳液体系，如：微乳液、纳米乳液、皮克林乳液和多层乳液等。

2.1.1 微乳液微乳液是由水相、油相、乳化剂和助乳化剂组成，并按适当比例形成的一种透明或半透明的热力学稳定的分散体系[25]。微乳液的制备方法简单，主要有亲水亲油平衡值（HLB 值）法、盐度扫描法和相转化温度法等，同时还具有抗菌、抗氧化和增溶的作用，因此被广泛应用于包埋疏水性的活性成分（如：类胡萝卜素），从而提高其生物利用度[26]。与传统乳液相比，微乳液中表面活性乳化剂和助乳化剂的浓度更高，用量更多。

图2 不同类型类胡萝卜素递送系统[11]Fig. 2 Diagrammatic representation of systems for delivery of carotenoids[11]

使用吐温80 对叶黄素进行包埋制备成的微乳液应用在饮料中，发现叶黄素的生物利用度提高了6.25%[27]。以酪蛋白酸钠为表面活性剂稳定的负载β-胡萝卜素的微乳进行体外模拟消化试验，发现β-胡萝卜素的胶束化率和生物利用度提高至65%和15.04%[28]。在对小鼠进行灌胃和静脉注射的体内动物实验表明负载番茄红素的微乳液包封率为78%，在胃肠道中的生物利用度提高至6.8%[29]。

在制备微乳液的过程中使用大量的乳化剂和助乳化剂，存在乳液毒性、环境污染和成本增加的问题，未来微乳液的发展应着重于乳液毒性的降低、环保和低成本材料的研究上。

2.1.2 纳米乳液纳米乳液是由水相、油相和乳化剂组成，形成一种透明或半透明的热力学不稳定体系，适合应用于透明的食品和饮料中[30]。纳米乳液的制备过程是以类胡萝卜素为乳液的疏水核心，添加适量乳化剂得到粗乳液，再通过高速搅拌、高压均质和微射流等方法制成粒径较小的纳米乳液。与传统乳液相比，纳米乳液在重力分离和聚集作用下光学透性更强、更稳定，克服了传统乳液不稳定易絮凝沉淀的问题，提高了生物活性成分在胃肠道中的稳定性和生物利用度[31]，并在微乳液的基础上提高了生物活性成分的包封率和稳定性，降低了因使用大量乳化剂和助乳化剂而造成的毒性和环境污染。

早期对番茄中番茄红素的生物利用度进行研究，发现番茄红素的生物利用度低至3%[32]。Zhao等[33]用不同类型的油制备了负载番茄红素的纳米乳液，显示出较高的稳定性，且番茄红素的生物利用度提高至15%～25%。用油酸和亚油酸负载叶黄素制备成纳米乳液，模拟体外消化试验和体内动物实验中叶黄素的生物利用度分别提高了5.8%和2.3%[34]。

目前影响类胡萝卜素的生物利用度的因素主要是乳液粒径大小，这会影响消化过程中的胶束化率；虽然纳米乳液的粒径小，但其体积小、动力学稳定性低的特点，会随着储存时间的延长而降低其稳定性进而影响代谢过程中类胡萝卜素的生物利用度，因此未来可针对如何提高纳米乳液的稳定性作进一步研究。

2.1.3 皮克林乳液皮克林乳液是由水相、油相和固体颗粒组成，形成热力学稳定体系[35]，制备过程是以生物活性物质为乳液的疏水核心，多糖和蛋白质等可食用的固体颗粒对油水界面制备的乳液。与传统乳液相比，皮克林乳液的稳定剂多是蛋白质、多糖等，具有成本低、安全性高和环保等优势，同时还能提高生物活性成分在加工、运输和代谢过程中的稳定性，因此被广泛应用于医药、食品和化妆品行业。

辛烯基琥珀酸（Octenyl succinic acid，OSA）作为天然淀粉颗粒常被用作皮克林乳液的稳定剂，采用传统酸水解法从西米淀粉中提取淀粉纳米晶体，并用于稳定皮克林乳液，在室温下储存2个月后，发现该乳液表现出较好的稳定性[36-37]。Liu等[38]制备了一种凝胶状皮克林乳液，以加热的大豆球蛋白作为稳定剂，用于递送β-胡萝卜素，模拟体外消化的2 h 内，该乳液不仅减少了β-胡萝卜素的降解还表现其消化过程中的缓释能力，乳液的外观状态更稳定，微观图像中乳液的粒径更小，液滴絮凝更明显。Burgos-Díaz 等[39]用羽扇豆蛋白聚合物作稳定剂制备了负载虾青素的皮克林乳液并进行喷雾干燥，25 ℃和45 ℃下储存4 周，发现负载在皮克林乳液中的虾青素降解较少，在模拟体外肠消化试验中中虾青素的生物利用度高达80%，比游离虾青素的生物利用度高4 倍。

近年来，对于皮克林乳液负载类胡萝卜素后其生物利用度的研究少，且皮克林乳液的稳定剂多需对颗粒进行润湿处理，包括物理（热和机械）和化学处理（交联、取代或转化反应）。因此关于皮克林乳液在提高类胡萝卜素生物利用度方面和稳定皮克林乳液的固体颗粒材料方面有待研究。

2.1.4 多层乳液多层乳液，指在小液滴已经被乳化剂包封的基础上再由一种或多种生物聚合物对该液滴进一步涂覆，构成两层或多层的乳液体系。多层乳液的制备过程是将传统乳液先均质成初级乳状液，再向初级乳液中添加带相反电荷的生物聚合物，通过静电吸附作用形成第二层[40]。离子乳化剂，如卵磷脂和各种蛋白质，通常用于形成初级乳液，然后用生物聚合物（表面活性或非表面活性分子），主要是多糖和蛋白质，形成后续层[41]。多层乳液克服了单层乳液在极端环境下不稳定性和消化过程中类胡萝卜素易降解、快速释放的缺陷，从而提高了类胡萝卜素的生物利用度。

Liu 等[42]制备了带有阴离子（果胶）和阳离子（壳聚糖）生物聚合物的多层乳液包封虾青素，结果显示多层乳液提高了虾青素的化学稳定性，改善了乳液在高温和高离子强度条件下的凝聚性，与单层乳液相比，虾青素在多层乳液中的降解速度慢了3～4 倍。Fang 等[43]以OSA 淀粉和壳聚糖为乳化剂制备了负载β-胡萝卜素的单层乳液在胃肠消化中的保留率为73%～83%，β-胡萝卜素在多层乳液中表现出较好的保护作用，保留率为75%～85%。

多层乳液作为新型乳液，在提高类胡萝卜素生物利用度方面的研究甚少。

2.2 填充水凝胶

填充水凝胶是指水凝胶网络中存在水包油脂滴的系统。制备方法是由颗粒凝聚、注射和抗溶剂沉淀等方法形成，其中填充水凝胶颗粒最简单的方法是注射凝胶化，形成的填充水凝胶可以提高生物活性成分的稳定性并控制其释放[44]。

Jain 等[45]使用改性大米淀粉制备封装番茄红素的乳液和水凝胶，结果表明，番茄红素在水凝胶中的化学稳定性（35.6%）高于乳液（29.5%），而水凝胶中番茄红素的生物可及性（15.6%）低于乳液（20.2%）；体外消化试验表明，在模拟口胃条件下，含有番茄红素的水凝胶在消化后仍保持相对完整的结构，而在相同的模拟条件下，乳液部分降解。Zhang 等[46]通过挤压装置制成负载β-胡萝卜素的海藻酸钠水凝胶和纳米乳液，在高温和模拟胃肠消化过程中，β-胡萝卜素在水凝胶中的稳定性（92%）高于乳液（88%），而消化结束后部分β-胡萝卜素残留在含有海藻酸钠水凝胶的脂滴中，因此水凝胶中β-胡萝卜素的生物利用度降低了。相反，Mun 等[47]发现，相比乳液，β-胡萝卜素在填充水凝胶乳液中的生物利用度提高至50%～60%，推测这可能是因为水凝胶减少液滴在胃肠道中发生絮凝。

虽然填充凝胶乳液中类胡萝卜素生物利用度降低，但该体系抑制了类胡萝卜素的降解并可对其控释，未来可对关于填充水凝胶乳液中类胡萝卜素在胃肠道中的靶向释放和生物利用度方面作进一步研究。

2.3 脂质体

脂质体，具有双层脂质分子的封闭囊泡，是由表面活性剂（通常是磷脂）组成的球形结构，制备方法主要包括薄膜水合、溶剂注入、超临界流体和高压均质。它具有两亲性质，可用于封装不同极性的生物活性成分，并具有较好的生物相容性、降解性、靶向性和缓释性等特点，能提高被封装活性物质的稳定性，是目前食品和医药领域应用最多的递送系统[48]。

Zhu 等[49]采用薄膜水合法制备了番茄红素脂质体，研究结果表明在37 ℃，pH 值为7.0 的体外模拟消化过程中番茄红素的释放率可达72%。Xia等[50]研究了不同质量分数的脂质体（0.5%，1.0%，1.5%和2.0%）中叶黄素、番茄红素和β-胡萝卜素的生物利用度，研究结果发现在模拟胃肠消化过程中，脂质体质量分数越高，叶黄素、β-胡萝卜素和番茄红素的生物利用度越高，在脂质体质量分数为2%时，叶黄素、β-胡萝卜素和番茄红素的生物利用度分别提高至70%，60%和58%。

脂质体的制备成本高，生产工艺复杂，其次脂质体本质上是热力学不稳定体系，在递送过程中理化性质不稳定，这导致被包封的类胡萝卜素等生物活性成分在储存和递送过程中易降解。

固体脂质纳米颗粒（Solid-lipid nanoparticles，SLNs）和纳米结构脂质载体（Nanostructured lipid carriers，NLCs）可以解决脂质体在储存和递送过程中的聚集和降解等问题。它们是以脂质作为基质，内部包埋脂溶性的活性成分，外部用乳化剂来稳定的一种递送载体。SLNs 内部的脂质是固体脂质，如脂肪酸、石蜡、甘油酯、甘油三酯和蜡，而NLCs 内部的脂质是固体和液体脂质的混合物，主要的液体脂质包括饱和油（如中链甘油三酯）和不饱和油（如油酸和植物油）[51]。

2.3.1 固体脂质纳米颗粒 SLNs 是一种晶体结构，制备方法有高压均质化、热或冷均质和/或超声波、溶剂乳化和微乳液法，可以降低生物活性成分的流动和扩散，从而减缓了生物活性成分的释放，还可限制氧化剂和其它分子渗透进入内部脂质核心，减少生物活性成分发生化学降解。因其独特的结构和性质，SLNs 已被应用于多种脂溶性活性物质的包埋，更好地保护敏感的脂溶性活性物质，使其免受外部和胃肠道条件的降解，进而提高其生物利用度[52]。

利用相反转温度技术制成负载β-胡萝卜素的SLNs，该SLNs 能够减少β-胡萝卜素的降解，通过体外模拟胃肠道静态和动态消化模型显示，β-胡萝卜素的生物利用度分别为92%和20%[53]。Qian 等[54]以可可脂和氢化棕榈油的混合物为脂相制备了用于封装β-胡萝卜素的SLNs，研究了纳米颗粒的物理状态（固体脂质体纳米颗粒和液体脂质纳米颗粒），结果表明β-胡萝卜素在液体纳米颗粒中的稳定性更高，而固体脂质纳米颗粒并未有效减少β-胡萝卜素的降解，这可能是可可脂和氢化棕榈油混合物形成的晶体结构高度有序，从而导致了β-胡萝卜素从脂质晶体中流失，因此，在选择合适的脂质混合物上还需进一步研究。针对这一问题，Mehrad 等[55]以棕榈酸和玉米油为脂质基质，制备了乳清分离蛋白稳定的β-胡萝卜素负载SLNs，棕榈酸晶体形成的固体外壳起到了保护β-胡萝卜素的屏蔽作用，玉米油减少了β-胡萝卜素从固体脂质基质到SLNs 表面的排斥，乳清分离蛋白在该递送系统中的作用是增强SLNs 稳定性和改善β-胡萝卜素的抗氧化性，该SLNs 在75℃和85 ℃条件下，β-胡萝卜素被有效保护降解很少，而在高温和酸性等极端条件下，β-胡萝卜素降解速度加快。

虽然SLNs 是包埋亲脂性生物活性物质合适载体，但其高度填充的固体脂质基质会与包封的生物活性物质产生空间竞争关系，从而生物活性物质容易被挤到纳米颗粒表面，导致生物活性物质不稳定而降解。

2.3.2 纳米结构脂质载体 NLCs 在SLNs 的基础上开发的，克服了SLNs 的局限性，亲脂性生物活性化合物在液体脂质中的溶解度大于固体脂质，NLCs 的结构有更大的空间容纳生物活性物质，减少了生物活性物质的排出降解，提高了生物活性物质的分散性、稳定性和生物利用度，改善了生物活性物质的营养价值和食品系统安全性，可用于包封类胡萝卜素等脂溶性物质[56]。

Oliveira 等[57]比较了递送系统（SLNs 和NLCs）对β-胡萝卜素的负载能力和稳定性影响，结果证明了NLCs 中β-胡萝卜素的稳定性更高。Pezeshki等[58]的研究也证实了NLCs 具有作为β-胡萝卜素新型的递送载体的潜在作用，在25 ℃下14 d 内其封装率高达97%。Lacatusu 等[59]发现，与纳米乳液相比，用鱼油作为脂质基质制备的负载叶黄素的NLCs 具有更好的缓释性。上述研究表明纳米结构的脂质载体可以提高类胡萝卜素稳定性和生物利用度，且与SLNs 相比，NLCs 中对类胡萝卜素的保护作用更好。

2.4 微胶囊

微胶囊使用物理或化学方法将具有敏感性、挥发性的生物活性物质包封在合适的薄膜材料中。制备方法主要用食品级或可生物降解的材料（壁或外相）均匀地涂覆生物活性成分（芯或内相），以分离内相和周围的基质，再通过喷雾干燥法、相分离、混凝和界面聚合等物理或化学手段将其完全包裹，具有增强营养，掩盖异味，促进储存，延长保质期和缓释等作用[62]。

Zeng 等[60]从樱桃中提取出番茄红素并用海藻酸钠包封成膜，采用界面聚合的方法制成微胶囊，10 d 后番茄红素的保留率为95.12%，包封率在21.01%～29.73%之间。Zhang 等[61]使用琥珀酸正辛酯酸酐改性淀粉作为壁材，采用喷雾干燥的方法制备β-胡萝卜素微胶囊，50 d 后其包封率可达71.87%，体外模拟胃肠消化结束后β-胡萝卜素的释放率提高至34%。

微胶囊的加工过程需要特定的条件，例如高温、剪切力和pH 值等，这些条件反过来又会影响生物活性物质的保存，因此需要选择合适的封装技术和调整适合芯材的加工条件来开发微胶囊；其次某些微胶囊已被纳入商业食品中，而大多数仍处于研究阶段，其中微胶囊的功能特性（如封装效率和储存稳定性）虽已得到优化，但控制释放和生物利用度的评估的研究甚少。