不同包埋技術構建的食品級運載體系負載β胡蘿卜素的研究進展

王 健,鄧蘇夢,戴 燕,鄒 潔,劉 丹,鄒立強,劉 偉,彭盛峰,陳 興

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

王 健,鄧蘇夢,戴 燕,鄒 潔,劉 丹,鄒立強,劉 偉*,彭盛峰,陳 興

(南昌大學 食品科學與技術國家重點實驗室,江西南昌 330047)

β-胡蘿卜素具有多種對人體有益的生理活性,但其物理化學不穩定性、低水溶性,這些都會導致β-胡蘿卜素低的生物利用率,從而極大地限制了β-胡蘿卜素在食品工業中的應用。近年來,為了改善β-胡蘿卜素的物化不穩定性、低水溶性及低的生物利用率,越來越多利用不同包埋技術構建的食品級運載體系來負載β-胡蘿卜素。載β-胡蘿卜素食品級運載體的研究與開發能夠更加廣泛地提高β-胡蘿卜素的應用。本文綜述了近年來不同包埋形式的食品級運載體系對β-胡蘿卜素的負載特性和所存在的相關問題,為開發性能優良的食品級運載體系和提高β-胡蘿卜素的穩定性、生物利用率提供一定理論的參考。

β-胡蘿卜素,運載體系,溶解度,穩定性,生物利用率

β-胡蘿卜素(beta-carotene,BC)是最主要的類胡蘿卜素之一,最先在傘形科植物胡蘿卜中發現,廣泛存在、合成于植物和其他光合生物中,在某些非光合生物中如細菌、霉菌、酵母菌中也能合成[1]。人體自身不能合成β-胡蘿卜素,需要從日常飲食中攝取。β-胡蘿卜素對人體有許多健康益處,如抗氧化作用、抗炎癥作用、提高機體免疫、合成維生素A等[2]。據統計,β-胡蘿卜素全世界年需求量高達為1200～1500 t,且每年以10%～15%的速率增加[3]。β-胡蘿卜素具有多個雙鍵且雙鍵之間彼此共扼,這使得其對光、熱、氧極其敏感;同時β-胡蘿卜素的弱極性分子結構使得其溶解性較差,幾乎不溶于水,在室溫下只能微溶于油,這使得β-胡蘿卜素在運輸、儲存、應用等方面受到了極大的限制。食品級運載體系是近年來食品工業重點發展的高新技術,可用來包埋、保護生物活性物質,提高其在食品體系中的穩定性和溶解度,例如:利用脂質體技術將維生素E進行包埋后其在8周內都較穩定[4];將β-胡蘿卜素包埋在乳液中后更易貯藏[5]。食品級運載體系的原料一般為天然可食材料,如植物膠、糊精、蛋白質、脂質、纖維素、淀粉等[6]。無毒、包埋工藝簡單、包埋率高、生物利用率高、能保護生物活性物質在加工、儲藏過程中不被降解是食品級運載體系的最基本要求[7-8]。在實際應用中,食品運載體系還要求能夠添加在高水分食物基質中如飲料、甜品、調味品等。近年來,利用不同包埋技術構建的食品級運載體系有乳液、脂質體、固體脂質納米顆粒、環糊精、微膠囊、分子復合物等。本文綜述了近年來不同包埋技術構建的食品級運載體系對β-胡蘿卜素的包埋特性和存在的相關問題,并對其發展前景做出了展望。

1 β-胡蘿卜素的穩定特性及其生物利用率

1.1 β-胡蘿卜素的結構及其穩定性

β-胡蘿卜素屬于四萜類碳氫化合物,分子式為C40H56,分子量為536.88,是自然界最為普遍存在的天然色素。β-胡蘿卜素幾種主要的順反異構體結構式如圖1所示。β-胡蘿卜素的分子結構對稱,有兩個紫羅蘭酮環在其共軛多稀鍵兩端,因此β-胡蘿卜素對各種化學作用和環境的改變極敏感,易發生氧化降解反應。β-胡蘿卜素應該避光、低溫、密封保存;在弱堿性環境下保存較為穩定[9];在常見的金屬離子中,Cu2+、Fe3+對其穩定性影響較明顯[10]。Scita G等[11]研究表明β-胡蘿卜素在37 ℃、避光、5% CO2的條件下,48 h后其降解率僅為10%～15%;在紫外和熒光的照射下,48 h后β-胡蘿卜素基本全部降解。

圖1 β-胡蘿卜素順反式異構體的分子結構式Fig.1 Structures of cis-trans-isomers of beta-carotene

1.2 β-胡蘿卜素的生物利用率

β-胡蘿卜素的晶體構型不利于人體的消化吸收,單獨消化時不會形成膠束導致其生物利用率低[12]。同時β-胡蘿卜素在食物體系中的結合方式、膳食的結構、胃腸道的環境都會影響β-胡蘿卜素的生物可利用率。據報道,成人從日常膳食獲取的β-胡蘿卜素的吸收率只有11.9%～16%[13]。于是通過分離和萃取來獲得純的β-胡蘿卜素,并用食品級運載體系將其進行包埋,來提高β-胡蘿卜素的穩定性和生物利用率,成為了近年來食品研究領域的一個熱點[14]。Zhang R等[15]通過自乳化的方法制備了載有β-胡蘿卜素的納米乳液,研究了油脂的組分對β-胡蘿卜素穩定性和生物利用率的影響,模擬胃腸道的體外消化實驗表明當油脂的組分為50%長鏈脂肪酸和50%橙皮油時,β-胡蘿卜素的生物利用率達56%。

2 不同包埋技術構建的食品級運載體系的簡介及負載β-胡蘿卜素情況的介紹

運用各種的食品級原料并通過相應的包埋技術可構建不同的食品級運載體系,常見的運載體系有:乳液、脂質體、環糊精、固體脂質納米顆粒、微膠囊、分子復合物等。每一種食品級運載體系都具有各自的特點,在其制備工藝、原料成本、生物活性物質的運載量和包埋率、生物活性物質包埋后的保護效果和生物利用率以及食品體系中的相容性等方面大相徑庭[16]。

2.1 不同類型乳液負載β-胡蘿卜素的概況

乳液(emulsion)是指一種或幾種液體(分散相)以液滴形式分散于另一種與其不相溶的液體(連續相)中所形成的分散體系。乳液一般由分散相、連續相和乳化劑這三部分構成,粒徑一般在0.1～10 μm之間[17]。乳液屬于熱力學不穩定體系,會受到油水界面存在的表面張力的影響,但由于乳液制備簡單,使得其成為食物和飲料產品中應用最廣泛的膠體運載體系[18]。將β-胡蘿卜素包埋在乳液里,能提高β-胡蘿卜素的溶解度,還能保護其免受外界環境中不穩定因素影響而發生氧化降解,并提高其生物利用率。

目前研究較多的乳液有普通乳液、多層乳液、納米乳液、微乳、皮克林乳液等。Zhang C等[19]用大豆分離蛋白為乳化劑制備了類胡蘿卜素乳液,再分別用海藻酸鈉和殼聚糖修飾形成多層乳液,發現前者形成的雙層乳液在pH(3～7)和離子濃度(0～500 mmol/L NaCl)都較穩定,后者形成的雙層乳液在pH(3～6)和離子濃度(0～300 mmol/L NaCl)較穩定。納米乳液與普通乳液相比有以下優點:粒徑小、透光性好、容易形成、物理化學穩定性好[20]。Guan Y等[21]制備了水包油型β-胡蘿卜素納米乳液,提高了β-胡蘿卜素的熱穩定性和光穩定性,加入丁子香酚后,乳液的物理化學穩定性得到進一步地提高,在30 d的貯藏期內乳液的粒徑沒有明顯的變化,且在8小時的加熱和紫外輻射后,β-胡蘿卜素含量也沒有明顯地改變。微乳是一種加入了助表面活性劑的特殊乳液,屬于納米級熱力學穩定分散體系[22]。Chen H等[23]制備出粒徑小于10 nm的透明β-胡蘿卜素微乳分散體系,微乳本身的流變學特性和牛頓流體粘度在包埋β-胡蘿卜素后均未發生改變,在65 d儲藏期內保持穩定,且β-胡蘿卜素對熱和紫外輻射的耐受力明顯增強。Roohinejad S等[24]用短鏈單脂肪酸甘油三酯與吐溫80制備出透明的β-胡蘿卜素水包油微乳,粒徑分布在12～100 nm之間,能有效地抑制Caco-2細胞的增殖。皮克林乳液則是一種新型乳液,由固體粒子代替傳統的表面活性劑而穩定的乳液,一般由水相、油相和固體粒子三部分組成[25]。Shao Y等[26]用酸堿水解法結合高壓微射流技術,制備了用大豆分離蛋白納米粒子穩定的皮克林乳液,為β-胡蘿卜素提供了一個對腸靶向且具有緩釋作用的運載體系。Liu F等[27]將大豆球蛋白在100 ℃進行熱處理后,制備出凝膠狀皮克林乳液,對β-胡蘿卜素具有一定緩釋作用。

2.2 脂質體負載β-胡蘿卜素的概況

脂質體(liposome)是利用磷脂分散在水相中自發聚集而成的具有雙分子層膜的囊泡結構[28]。脂質體的磷脂雙分子層膜結構類似于生物體細胞膜,具有較好的生物相容性,毒性低;水分散性好;具有靶向性和緩釋性[29-30]。Marília M等[31]用噴霧干燥的方法將β-胡蘿卜素脂質體制成粉末制劑,在冰箱貯藏60 d后,β-胡蘿卜素基本沒有降解,粉末制劑的顏色不變,且復水后分散性和包埋率保持較好。Toniazzo T等[32]利用前脂質體制備β-胡蘿卜素脂質體,并加入黃原膠和瓜爾膠混合物,得到的囊泡直徑約為2000 nm,發現β-胡蘿卜素脂質體在95 d的貯藏期(冷藏在7～10 ℃)后,經脂質體包埋后的β-胡蘿卜素的保留率高達近90%。β-胡蘿卜素與脂質體磷脂雙分子層之間可以發生相互作用,有不少研究考察β-胡蘿卜素在脂質體雙分子層中的定位和定向,從而探索出脂質體對β-胡蘿卜素的保護效果與β-胡蘿卜素對磷脂雙分子膜的性質的影響[33-34]。Chen Tan等[35]利用薄膜分散法制備了β-胡蘿卜素脂質體,并分別測試了DPPH自由基清除率、鐵離子還原能力(FRAP)以及抗脂質體過氧化能力(LPLC),發現β-胡蘿卜素脂質體可以顯著提高β-胡蘿卜素的抗氧化能力,并表明類胡蘿卜素脂質體的抗氧化能力不僅與類胡蘿卜素自身的化學活性有關,還與類胡蘿卜素在脂質體雙分子層內的包埋率及其本身對膜性能調節作用有關。

2.3 β-環糊精包合物負載β-胡蘿卜素的概況

β-環糊精(β-cyclodextrin,β-CD)是環糊精葡萄糖轉移酶作用于淀粉發生一系列的酶循環反應而產生的環狀低聚糖,由7個葡萄糖分子以α-1,4糖苷鍵結合而成[36]。β-環糊精最主要的特點是具有特殊環狀空腔(中心相對疏水,表面相對親水)和化學穩定性好,可以與一些化合物形成包合物,β-環糊精作為“主體”,被包合的化合物分子則作為“客體”[37]。β-胡蘿卜素與β-環糊精通過非共價結合形成包合物,使得β-胡蘿卜素的溶解度、穩定性、抗氧化性都得到了提高。De Oliveira V E等[38]利用拉曼光譜和量子力學法對β-胡蘿卜素-β-環糊精包合物的結構進行了分析,證明了譜帶位置上的基體效應是由于包合物的形成而導致的。Ivanova T等[39]對β-胡蘿卜素-β-環糊精包合物形成的單層動力學模型進行了研究,確認了其界面相互作用的特征。Fernándezgarcía EA等[40]利用體外吸收模型刷狀緣膜囊體系(BBMVs)研究了類胡蘿卜素(β-胡蘿卜素、葉黃素和番茄紅素)經β-環糊精包埋后的吸收利用率,結果表明類胡蘿卜素的吸收率有明顯地提高,且不會受到高密度脂蛋白的抑制。周葉紅等[41]制備了β-胡蘿卜素-β-環糊精固體包合物,并進行了加熱、光照、氧化劑作用實驗,發現β-胡蘿卜素的保留率與未包埋的β-胡蘿卜素相比分別提高了34.4%、1.8%、64.2%。周葉紅研究小組[42]還將β-環糊精進行改性得2-羥丙基-β-環糊精、磺丁基醚-β-環糊精,并用以和β-胡蘿卜素進行包合,結果表明β-胡蘿卜素的溶解度分別增加了12倍和18倍,且穩定性有顯著提高。

2.4 固體脂質納米顆粒負載β-胡蘿卜素的概況

固體脂質納米顆粒(solid lipid nanoparticles,SLNs)是一種以生理相容、生物可降解的高熔點脂質材料(如飽和脂肪酸酸甘油脂、卵磷脂、硬脂酸等)為載體的固體膠粒運載體系[43]。固體脂質納米顆粒在室溫下呈固態,能形成無定型或者結晶態的基質,可用于包埋生物活性成分。固體脂質納米顆粒不僅物理穩定性高、毒性低,還具有緩釋、靶向的作用[44]。固體脂質納米顆粒的制備有高壓均質法、超聲分散法、溶劑-乳化揮發法、乳化蒸發法、微乳法等方法,其中高壓均質法是最經典、應用最廣泛、可靠并高效的一種方法[45]。Nik A M等[46]用高壓均質法制備了以非離子型表面活性劑泊洛沙姆188和吐溫20為基質的載β-胡蘿卜素固體脂質納米顆粒,研究了其在胃腸道中對β-胡蘿卜素的釋放,發現固體脂質納米顆粒在胃中較穩定而在腸道中不穩定,對β-胡蘿卜素有靶向釋放的作用。Ii M D T等[47]用高剪切均質的方法制備了以混合脂質(硬脂酸、牛磺膽酸、軟磷脂)為基質的載β-胡蘿卜素固體脂質納米顆粒,包埋的β-胡蘿卜素在一個月內沒有明顯的泄露。而Qian C等[48]研究了脂質顆粒的物理狀態對顆粒凝聚和β-胡蘿卜素降解的影響,發現液體脂質納米顆粒(LLNs)的穩定性較好于固體脂質納米顆粒,可能更適合包埋生物活性物質。

2.5 微膠囊負載β-胡蘿卜素的概況

微膠囊(microencapsulation)是指使用天然或者合成的高分子材料將細微的固體、液體或者氣體囊于其中,形成厚度為幾微米至幾百微米的微小容器,給予芯料物質保護及控制釋放的作用[49]。被包埋的物質稱為“芯材”,用做容器的物質被稱為“壁材”,一般根據芯材的性質,最終產品的性能,工藝的條件來選擇壁材。依據微膠囊的成囊條件、性質、形成機理,微膠囊制備的方法可分為物理法(噴霧干燥法、空氣懸浮法、擠壓法等)、化學法(輻射化學法、聚合法、乳化法等)、物理化學法(復凝聚法、相分離法、干燥浴法等)。Spada J C等[50]利用冷凍干燥的方法分別以原淀粉、改性淀粉(水解度分別為6個、12個葡萄糖值)、明膠為壁材制備了芯材為β-胡蘿卜素的微膠囊,發現以水解度為12個葡萄糖值的改性淀粉為壁材的微膠囊包封率最高,高達93.41%,在冰水中的溶解度高達90.25%。Jain A等[51]用復凝聚法制備了載β-胡蘿卜素微膠囊,當壁材乳清分離蛋白和阿拉伯膠的比例為2∶1時,包封率達77.3%,被包埋后的β-胡蘿卜素的穩定性得到了顯著的提高,同時體外釋放實驗表明其具有緩釋性。

2.6 其他包埋技術構建的食品級運載體系負載β-胡蘿卜素的概況

表1 現有運載體系的缺點及改進方法Table 1 The shortcomings and improvement methods of the delivery systems

針對β-胡蘿卜素的低水溶性、物化不穩定性、低生物利用率,利用各種包埋技術構建不同的食品級運載體系來改善β-胡蘿卜素的性質的研究層出不窮,并不能一一囊括,除了以上介紹的運用比較廣泛的乳液、脂質體、環糊精、固體脂質納米顆粒、微膠囊等運載體系外,還有分子復合物、凝膠、類脂質體等。張怡欣等[52]利用β-胡蘿卜素與酪蛋白的自組裝作用,制備了β-胡蘿卜素/酪蛋白納米復合物,提高了β-胡蘿卜素的水溶解度,通過體外消化實驗,發現β-胡蘿卜素的生物利用率也得到提高。Wang等[53]利用帶負電荷的氧化土豆淀粉水凝膠和帶正電荷的β-胡蘿卜素乳液之間的靜電作用進行包埋,不僅提高了β-胡蘿卜素的分散性和穩定性,還能控制β-胡蘿卜素只在小腸釋放,從而提高其生物利用率。Palozza P等[54]將β-胡蘿卜素包埋于類脂質體(也稱為非離子表面活性劑囊泡,一般由非離子表面活性劑與膽固醇自組裝而形成的類似脂質體的囊泡結構)中,研究發現被包埋后的β-胡蘿卜素對光、高溫、氧有較強的耐受力。

3 現有運載體系的不足

食品級運載體系最主要的作用是保護生物活性物質在被利用前不被降解以及提高生物活性物質在被利用時生物利用率。近年來,運用食品級運載體系包埋β-胡蘿卜素的研究層出不窮,在針對β-胡蘿卜素對光、熱、氧敏感,溶解度低和生物利用率低等問題上,各有各的優缺點。表1中列出了常見的運載體系的缺點和改進方法。

4 結束語

β-胡蘿卜素不僅能為人體產生很多健康效益,增強生物機體的特異性及非特異性免疫功能,還可在食品工業上作為天然著色劑。食品級運載體系用于包埋β-胡蘿卜素,能提高其穩定性和生物利用率,并擴大β-胡蘿卜素在食品行業的應用,而食品級運載體系的開發也能為β-胡蘿卜素在其他行業的運用帶來新的思路,并起到推動作用。而近年來,我國對β-胡蘿卜素的研究,主要集中在β-胡蘿卜素的提取和生產等方面,并已實現了產業化。雖然有不少研究者針對用于包埋β-胡蘿卜素的運載體系開展實驗,開發制備了各種不同的運載體系,但是很多工作都是停留在實驗室實驗階段。就目前而言,能在我國實現產業化的食品級運載體系主要是β-胡蘿卜素乳液,并由此開發了各種β-胡蘿卜素制劑[63-64]。同時每種食品級運載體系都各自存在缺點,如易泄露包埋物、包埋率低、易發生相分層等,針對每一種運載體系的特性,在制備工藝和成本合理的前提下,我們可以提出相應的改進方法,使得運載體系性能達到最佳狀態。為了將包埋β-胡蘿卜素的運載體系市場化,投入批量生產,我們要不斷改進工藝和方法,不斷克服缺點,對比并優化各種運載體系的性能,真正實現對β-胡蘿卜素的高效利用。

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Research progress in the food-grade delivery systems in different encapsulating technology loading beta-carotene

WANG Jian,DENG Su-meng,DAI Yan,ZOU Jie,LIU Dan,ZOU Li-qiang,LIU Wei*,PENG Sheng-feng,CHEN Xing

(State Key Laboratory of Food Science and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China)

Beta-carotene has various beneficial biological activities to human,but its poor physicochemical properties and solubility will lead to the low bioavailability,which can greatly limit the application of beta-carotene in the food industry. In recent years,in order to improve its poor physicochemical properties,solubility and bioavailability,more and more researches are carried out for the food-grade delivery systems in different encapsulating technology loading beta-carotene. As a result,the research and development of these food-grade delivery systems can widen the range of the application of beta-carotene. In this article,the characteristics of the loaded beta-carotene and the existing problem about the food-grade delivery systems in recent years were summarized,aiming to provide certain theory reference for developing the better food-grade delivery systems and improving the stability and bioavailability of beta-carotene.

beta-carotene;delivery systems;solubility;stability;bioavailability

2016-08-22

王健(1992-)，女，碩士研究生，研究方向：食品新技術與資源綜合利用，E-mail：jianli925@163.com。

*通訊作者:劉偉(1972-)，男，博士，教授，研究方向：食品新技術與資源綜合利用，E-mail：liuwei@ncu.edu.cn。

國家自然基金(31601468)；江西省教育廳青年基金(150089)。

TS201.8

A

:1002-0306(2017)03-0380-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.03.067