姜黃素的乳化和包埋及其應(yīng)用研究進展

張夢飛，曾慶晗，張亮，高彥祥

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

姜黃素（curcumin）是從姜科姜黃屬植物姜黃、郁金、莪術(shù)的干燥根莖中提取的一種天然有效成分，藥理作用廣泛，毒性低，耐受性好[1]。姜黃素最早是在1870年從姜黃Curcumalonga L.中首次分離出來一種低相對分子質(zhì)量的多酚類化合物，1910年闡明了其雙阿魏酰甲烷的化學(xué)結(jié)構(gòu)[2]。

姜黃素是我國食品添加劑標(biāo)準(zhǔn)中允許使用的一種天然色素[3]，其染色力大于其他天然色素和合成檸檬黃等。姜黃素還具有很多生理作用，如抗氧化、降脂、抗動脈粥樣硬化[4]、抗炎[5]、抗衰老[6]、抗腫瘤[7]等一系列生物藥理活性，對人體的毒副作用很小，應(yīng)用前景十分廣闊。但由于其理化穩(wěn)定性差、體內(nèi)生物利用度低，往往需很大用量才能達(dá)到作用劑量（當(dāng)口服達(dá)到10 g～12 g時才能在少數(shù)人體內(nèi)檢測到微量姜黃素），大大限制了姜黃素在功能保健食品和醫(yī)藥領(lǐng)域的推廣。將姜黃素乳化包埋后，可以在一定程度上解決其水溶性差、不穩(wěn)定等應(yīng)用方面的問題。本文主要闡述姜黃素的性質(zhì)、乳液和包合物的制備及其穩(wěn)定性的研究進展和發(fā)展前景。

1 姜黃素的結(jié)構(gòu)與功能

姜黃素的分子式為C21H20O6，分子量368.39，熔點180℃～183℃。姜黃素為橙黃色結(jié)晶粉末，味稍苦，不溶于水和乙醚，溶于乙醇、丙二醇，易溶于冰醋酸和堿溶液。姜黃素在堿性條件下呈紅褐色，在酸性條件下呈淺黃色，著色力較強，對蛋白質(zhì)著色較好，對光的敏感性特別強，須避光存儲，其最大吸收峰在425nm波長的附近[8]。姜黃素類的主要成分有姜黃素（curcumin），占比為60%～70%、去甲氧基姜黃素（demethoxycurcumin），占比為20%～27%以及去二甲氧基姜黃素（bisdemethyoxycurcumin），占比為10%～15%，3種分子結(jié)構(gòu)式如圖1所示[9]。其中姜黃素（3-甲氧基-4-羥基-苯基-1，6-庚二烯-3，5-二酮）是最主要的活性成分，屬于β二酮功能基團的多酚化合物[10]。

圖1 3種姜黃素的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structures of three types of curcumin

姜黃素對還原劑的穩(wěn)定性較強，著色性強，一經(jīng)著色后就不易退色，但對光、熱敏感，易與鐵離子形成螯合物。Zn2+、Fe2+、Fe3+、蔗糖、麥芽糖對姜黃素有增色作用，酒石酸、檸檬酸、苯甲酸鈉、Cu2+對姜黃素有褪色作用，而 K+、Na+、Mg2+、維生素 C 對姜黃素?zé)o明顯影響[11]。由于姜黃素分子兩端具有兩個羥基，在堿性條件下發(fā)生電子云偏離的共軛效應(yīng)，所以當(dāng)pH值大于8時，姜黃素會由黃變紅。現(xiàn)代化學(xué)利用此性能將其作為酸堿指示劑。

姜黃素是一種橙黃色醇溶性化合物，除了是世界通用型著色劑外還具有很多營養(yǎng)價值[12]。由于姜黃素結(jié)構(gòu)中存在多對碳碳雙鍵結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其化學(xué)性質(zhì)十分不穩(wěn)定，易在光照和加熱條件下發(fā)生氧化降解。同時不飽和結(jié)構(gòu)使其具有較強的抗氧化活性和自由基清除能力，因而具有一定的生理活性，能有效捕獲和清除體內(nèi)的活性氧自由基。大多數(shù)研究表明姜黃素能夠減輕氧化應(yīng)激反應(yīng)，這是由于姜黃素通過抑制甲醛和蛋白質(zhì)的碳基來抑制脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的氧化，而且姜黃素還刺激了各種抗氧化酶的活性,這其中包括超氧化物歧化酶和多種氧化催化酶[13]。姜黃素的諸多生理功能如姜黃素和白蛋白結(jié)合后具有抗癌和免疫調(diào)節(jié)功能[14]、減少紫外線引起的人類角蛋白細(xì)胞和人類表皮癌細(xì)胞的凋亡變化從而起到防曬作用[15-16]、降低特定癌癥的發(fā)生幾率[17]等，都與其抗氧化特性有著密不可分的關(guān)系。近些年的一些研究表明，姜黃素甚至對重度抑郁癥患者具有抗抑郁的作用[18-19]。

因為姜黃素的穩(wěn)定性較差以及溶解的局限性，所以可以利用變性淀粉、環(huán)糊精、阿拉伯膠、殼聚糖等多種食品膠體，玉米醇溶蛋白、小麥醇溶蛋白、大豆蛋白水解物、蛋清粉等多種蛋白多肽類化合物將其進行包埋，也可利用表面活性劑將其制備成液晶體系，還可將其制備成納米乳液，減少其在制備和貯藏過程中的降解和損失，提高其水溶性和生物利用率，增加其應(yīng)用開發(fā)價值。

2 姜黃素乳狀液

2.1 食品乳狀液的性質(zhì)

乳狀液是一種液體以液珠形式分散在與它不相混溶的另一種液體中而形成的分散體系。乳狀液一般不透明，呈乳白色[20]。乳狀液按水相和油相的空間位置可分水包油和油包水兩種類型。其中將水相作為外相、油相作為內(nèi)相的乳狀液稱為水包油型乳狀液（O/W型），反之則稱為油包水型乳狀液（W/O型）[21]，根據(jù)分類，幾種重要的食品乳狀液列于表1[22]。

乳狀液按照粒徑的大小，又可分為傳統(tǒng)乳液和納米乳液，傳統(tǒng)乳狀液液滴的平均粒徑在100 nm～100 μm之間，這種乳狀液是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。這是由于油水界面存在著較大的表面張力，同時因液滴粒徑與光波長相似，所以光散射作用較強，乳狀液一般不透明[23]。納米乳液可以看成是傳統(tǒng)乳液里包含的小液滴，平均粒徑在10 nm～100 nm之間[24]。乳狀液的鑒別方法也很簡單，常用的一種方法是稀釋法，即用水去沖稀乳狀液，如果能夠混溶則其連續(xù)相必定是水相，因而是水包油型乳狀液，如不能，則是油包水型乳狀液。另一種方法是染色法，即乳化前在油相中加入少量染料，乳化后在顯微鏡下觀察，液珠帶色是水包油型乳狀液，連續(xù)相帶色則是油包水型乳狀液。同理，也可把染料溶于水相來進行觀察[25]。

表1 食品乳狀液的類型Table 1 Types of food emulsions

乳狀液通常是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，會隨著貯存時間的延長而發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，見圖2[26]。如重力分離、絮凝、聚結(jié)、奧斯瓦爾德熟化等[27-28]。

圖2 乳狀液失穩(wěn)過程示意圖Fig.2 Diagram of the destabilization process of emulsion

2.2 食品乳狀液的制備方法

對于一般的食品級乳狀液，制備過程通常是將乳化對象配成油相，將乳化劑溶于水成為水相，然后將油相傾入水相中并進行各種處理，包括簡單熱處理、超聲乳化、均質(zhì)和超高壓均質(zhì)、納米研磨等[29]，具體原理與優(yōu)缺點如表2所示。

表2 食品乳狀液的制備方法Table 2 Preparation methods of food emulsion

乳狀液廣泛應(yīng)用于食品、飲料、醫(yī)藥和化妝品等行業(yè)，用于包埋、保護和傳遞功能成分，例如醇溶性色素、維生素、防腐劑和其他多種功能因子。在食品工業(yè)中，食品級乳狀液越來越多地引起人們的關(guān)注，許多原本應(yīng)用受限的食品配料及功能成分以乳狀液為載體添加到食品（保健品）中，可以在不影響食品體系穩(wěn)定性的前提下提升食品品質(zhì)和生物利用率[35]。作為醇溶性物質(zhì)，姜黃素在水性體系中很難溶解，可以利用剪切均質(zhì)、納米研磨、噴霧干燥等多種乳化包埋技術(shù)將其制成水包油型乳狀液或微膠囊，改變其溶解性，從而提高其利用的廣度和深度。

3 姜黃素乳狀液和包合物的制備

3.1 姜黃素納米乳狀液的制備

曾慶晗等[36]以中鏈甘油三酯（medium chain triglycerides，MCT）為油相，卵磷脂為乳化劑，采用高壓均質(zhì)技術(shù)制備出含不同油相濃度的姜黃素納米乳液，并于4、25、55℃條件下貯藏30 d，研究不同油相濃度對姜黃素納米乳液穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，油相濃度的提高可使姜黃素納米乳液中姜黃素包埋率、平均粒徑和Zeta電位增大，但同時也降低了乳液的離心穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。具體來說，當(dāng)油相濃度較低（5%、10%）時，姜黃素納米乳液具有較高的穩(wěn)定性，姜黃素保留率分別達(dá)到48.50%和48.99%，與此同時，乳液的粒徑分別增加了0.79%和15.78%；且4℃貯藏時，其理化穩(wěn)定性表現(xiàn)最好，30 d后姜黃素?fù)p失率僅為14.98%。姚艷玉等[37]在此基礎(chǔ)上以吐溫-80作為乳化劑，繼續(xù)探究不同油相（芥花籽油、亞麻籽油和中鏈甘油三酯）對高壓均質(zhì)法制備的姜黃素納米乳液物化特性和貯藏穩(wěn)定性的影響。試驗結(jié)果與之前的研究相吻合。研究發(fā)現(xiàn)與芥花籽油和亞麻籽油相比，以中鏈甘油三酯為油相制備的姜黃素納米乳液具有更小的平均粒徑、更高的包埋量（2.44 mg/mL）和離心穩(wěn)定性，但熱穩(wěn)定性略差。在貯藏試驗中，以中鏈甘油三酯為油相制備的姜黃素納米乳液理化穩(wěn)定性良好，姜黃素含量和平均粒徑變化不大。通過研究得出中鏈甘油三酯可作為良好的油相來制備理化穩(wěn)定性良好的水包油型姜黃素納米乳液，為拓展姜黃素在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。伍敏暉等[38]通過高壓微射流均質(zhì)建立了4種（蛋白質(zhì)類、多糖類、小分子合成乳化劑、磷脂類）穩(wěn)定的姜黃素乳液運載體系。以粒徑為考察指標(biāo)，采用Lumisizer穩(wěn)定性分析儀研究不同均質(zhì)壓力、均質(zhì)次數(shù)、乳化劑濃度對姜黃素乳液穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4種乳化劑中吐溫-80對乳液的粒徑影響最大，乳清蛋白次之，然后為卵磷脂和阿拉伯膠。當(dāng)制備穩(wěn)定的姜黃素乳液體系時，吐溫-80、乳清蛋白、卵磷脂和阿拉伯膠所需的均質(zhì)壓力分別為40、60、40 MPa和20 MPa；均質(zhì)次數(shù)分別為6、4、4次和2次；質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、2%、4%和4%。國外科研人員Kharat等[39]同樣借助高壓微射流儀制備了負(fù)載姜黃素的水包油型納米乳液，進而探究了抗氧化劑的類型（阿拉伯膠、皂苷、吐溫-80、酪蛋白酸鈉）和用量對納米乳液的制備以及穩(wěn)定性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入阿拉伯膠的納米乳液相對于皂苷和吐溫-80以及酪蛋白酸鈉的表面載量下降最快，也就是說，想要制備穩(wěn)定的乳液，需要使用大量的阿拉伯膠。經(jīng)貯藏試驗可知，高pH值（7.0）以及高溫（55℃）條件會加速姜黃素的降解，而且在加入皂苷的乳液中，姜黃素的含量下降的最快，這很可能是由于其具有促進過氧化反應(yīng)的能力，同時使用過量的乳化劑并不能顯著降低姜黃素的降解。

3.2 姜黃素環(huán)糊精包合物的制備

利用蛋白質(zhì)或多糖等生物高聚物對姜黃素進行包埋是近年來的研究熱點，主要是因為利用食品級生物聚合物可以得到商業(yè)價值更加廣泛的商品，并且生物聚合物可以改善姜黃素的各種性能。

環(huán)糊精（cyclodextrin，CD）是一種水溶性、非還原性、不易被酸水解的白色晶體，無毒，可食用，具有多孔性，它是通過催化酶從玉米或土豆等含淀粉的原料中提取的寡糖物，具有純植物性，不會引起過敏反應(yīng)，無E編碼。常見的環(huán)糊精是由6個、7個或8個葡萄糖單元以1，4-糖苷鍵結(jié)合而成的α-CD、β-CD以及γ-CD 3種[40]。環(huán)糊精分子的獨特之處在于它的環(huán)狀三維結(jié)構(gòu)：環(huán)糊精分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部能夠形成一個憎水性空腔，可吸收大小和形狀與其兼容的親脂性分子作為“客體”，其親水性表面則能夠確保分子在水基系統(tǒng)中的耐受性。而驗證環(huán)糊精包合物是否形成的方法也有很多種，如紫外、圓二色譜、紅外、X-射線衍射、差示掃描量熱等。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，分子模擬的方法也被更加頻繁地使用[41]。在食品工業(yè)中，環(huán)糊精能夠為穩(wěn)定水包油型乳液提供一種新的純植物性的選擇。

由于姜黃素的疏水性極強，因此吸收率低，而且生物利用率極低。若是提高姜黃素的劑量，不僅會導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加，而且生物利用率的問題并不能得到很好的解決。德國瓦克公司率先研發(fā)出一款γ-環(huán)糊精和姜黃素的包合物CAVACURMIN，不僅姜黃素含量高（＞15%）、自由流動性能好、顆粒尺寸較小且均一，而且能夠在水中很好的分散。經(jīng)動物實驗與人體體外體內(nèi)實驗表明，該產(chǎn)品的水溶性、生物利用率及抗氧化性能都得到了很大的提升[42]。

國內(nèi)的一些科研人員也對姜黃素環(huán)糊精包合物進行了一些研究，如李藝等[43]采用研磨法制備了姜黃素的環(huán)糊精分子包合物（cyclodextrin inclusion complex of curcumin，CCIC），并采用顯微觀察法、差示量熱掃描法和紅外光譜法來驗證包合物的形成。同時以溶解度為評價指標(biāo)，通過三因素三水平正交設(shè)計探究投料比、研磨時間、研磨溫度這3種對包合物制備影響較大的因素，以此來優(yōu)化CCIC的制備工藝。試驗發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)工藝條件下，即：當(dāng)包合投料比（摩爾比）為1∶1，研磨溫度為40℃，包合時間為1.5 h時，姜黃素溶解度較游離藥物提高了3.82×104倍。羅見春等[44]同樣采用研磨法制備出了（curcumin hydroxypropyl-β-cyclodextrin，CurcHD），結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3 姜黃素環(huán)糊精包合物示意圖Fig.3 Diagram of curcumin cyclodextrin encapsulation

試驗采用紫外可見分光光度法測定姜黃素羥丙基-β-環(huán)糊精包合物及姜黃素在大鼠體內(nèi)各腸段（十二指腸、空腸、回腸及結(jié)腸）的吸收速率常速（Ka）和有效滲透率（Papp）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，姜黃素羥丙基-β-環(huán)糊精包合物在水中的溶解度是姜黃素的33.68倍，并且姜黃素羥丙基-β-環(huán)糊精包合物在大鼠各腸段的吸收較姜黃素明顯提高。超臨界CO2法（supercritical carbon dioxide，SC-CO2）是近年來新興的一種制備包合物的方法[45]。張志云等[46]等采用超臨界CO2制備出了姜黃素羥丙基-β-環(huán)糊精包合物。試驗人員采用單因素法和Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計法并以溶解度為評價指標(biāo)優(yōu)化包合物的制備工藝，得到了高溶解度的姜黃素環(huán)糊精包合物。結(jié)果表明，包合物的最佳制備工藝為包合溫度57℃，包合時間2 h，壓力24 MPa，藥物與羥丙基-β-環(huán)糊摩爾比0.96∶1。所得包合物中姜黃素溶解度為34.24 μg/mL，約是姜黃素粉末的400倍。正是由于環(huán)糊精具有“內(nèi)疏水、外親水”的特殊立體環(huán)狀結(jié)構(gòu)；當(dāng)環(huán)糊精通過非共價鍵形式將難溶性藥物姜黃素包合進其疏水空腔后，不僅能提高姜黃素的水溶性，還能改善姜黃素見光易分解的缺陷。

國際上對姜黃素包合物的研究還有很多，如相關(guān)文獻(xiàn)[47]所報道的分別采用共沉淀、凍干和溶劑蒸發(fā)法與將姜黃素與β-環(huán)糊精復(fù)合。通過傅里葉紅外光譜法和傅里葉拉曼光譜法觀察到姜黃素芳香環(huán)的峰移來驗證共沉淀法對包合物的構(gòu)建。此外，借助光聲光譜和X射線衍射，發(fā)現(xiàn)了與芳香環(huán)相關(guān)的能帶的消失也能夠證明包合物的形成。Popat等[48]等則采用一種新穎的、可伸縮的噴霧干燥器制備出了高水溶性（3 mg/mL）的姜黃素-γ-環(huán)糊精空心球體。然后再將這種空心球體包埋在表面帶有正電荷的生物可降解的殼聚糖中，形成納米顆粒。然后再對這種納米顆粒采用透射電鏡、掃描電鏡、載藥量和體外釋放度等進行表征。在細(xì)胞試驗后發(fā)現(xiàn)，CUR-CD-CS納米粒子表現(xiàn)出優(yōu)異的體外釋放性能和較高的細(xì)胞毒性，細(xì)胞凋亡死亡率接近100%。這就表明環(huán)糊精不僅提高了姜黃素的溶解度，而且還提高了細(xì)胞的吸收率。這一研究結(jié)果給后續(xù)研究者提供了新的思路，也就是說設(shè)計出合理可生物降解的天然生物材料作為下一代疏水性藥物姜黃素輸送的納米載體具有巨大潛力。

4 姜黃素的創(chuàng)新應(yīng)用

隨著姜黃市場的增長，各大品牌商也在加緊市場的布局，推出越來越多樣化的產(chǎn)品，遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)膠囊補充劑的范疇，以滿足消費者的不同層次需求。目前國內(nèi)外已開發(fā)出多款水溶性和油溶性姜黃色素產(chǎn)品，通過復(fù)配生產(chǎn)出多種色調(diào)的姜黃素，已廣泛應(yīng)用于面食、飲料、果酒、糖果、糕點、罐頭、果汁及烹飪菜肴[9，49]，作為復(fù)合調(diào)味品應(yīng)用于雞精復(fù)合調(diào)味料、膨化調(diào)味料、方便面及面膨化制品、方便食品調(diào)味料、火鍋調(diào)味醬、膏狀香精香料、調(diào)味醬菜、牛肉干制品等。

張保軍等[50]將姜黃素添加在方便面中，不僅可以發(fā)揮姜黃素的生理功能，對人體有益，而且添加了姜黃素的方便面面餅色澤自然鮮亮，能夠增強人們的食欲，更重要的是姜黃素在天然色素中價格是最低廉的，因此能夠進一步壓縮成本，提高市場競爭力，具有廣闊的推廣前景。英國某乳制品公司在2019年推出了一種不含乳糖、芒果和姜黃口味的希臘式酸奶[51]。

由于姜黃具有顯著的抗炎功效，因此長期以來是酮類減肥者自制食譜中的主要原料。目前，各大品牌都推出了添加了姜黃的生酮湯。2019年3月，市場上出現(xiàn)一款全新的骨湯：主要成分是檸檬、姜黃和MCT油骨湯（草飼黃油和椰子油）。同時姜黃已經(jīng)滲透到日益增長的飲料市場。2018年8月，國外某飲料公司創(chuàng)新性地推出一款芒果荔枝汁，該果汁含有200 mg姜黃素。同時該產(chǎn)品還含有胡椒堿，以提高姜黃素的生物利用度。姜黃素產(chǎn)品正在增長和多樣化[52]。預(yù)期，隨著科研和技術(shù)開發(fā)的不斷深入，姜黃素產(chǎn)品將具有廣闊的發(fā)展前景。

5 結(jié)語

姜黃素是一種多酚類天然化合物，其生物活性成分已被證明具有廣泛的功能。除了用作食品添加劑（如著色劑和抗氧化劑），它還用于治療多種疾病。近年來，利用乳液包埋、保護和載運脂溶性功能成分（如油溶性風(fēng)味物質(zhì)、維生素、防腐劑、營養(yǎng)成分以及藥物）在食品、飲料和制藥行業(yè)引起了越來越多的關(guān)注。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，姜黃素納米級顆粒的研究逐漸深入，并且通過不同材料的包埋使姜黃素粒徑更小更均勻，穩(wěn)定性更高，不斷優(yōu)化其性能。此外，為了降低生產(chǎn)成本，設(shè)計出更加經(jīng)濟的方法來制造納米級姜黃素顆粒是工業(yè)化生產(chǎn)所必須面對的問題。另外，為了使姜黃素應(yīng)用于預(yù)防和治療各種疾病的納米級藥物和食品中的納米級添加劑中，仍然迫切需要研究和評價姜黃素應(yīng)用的毒理學(xué)安全性。