陳 帥 孫翠霞 代 蕾 楊淑芳 毛立科 高彥祥

（北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心 中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 北京100083）

姜黃素（curcumin，C21H20O6）是一種天然的多酚類化合物，主要來源于姜科、天南星科中的一些植物根莖的提取物。研究表明，姜黃素具有較強的抗氧化活性，能夠有效降低心血管疾病和癌癥的發(fā)病率[1]，改善腦神經細胞功能，預防老年癡呆[2]，以及保護肝臟等多種功效[3]。然而，姜黃素的水溶性很差（約11 ng/mL）[4]，很難將其應用于食品體系，而且姜黃素對光、熱、氧敏感，容易發(fā)生降解?？诜z入的姜黃素只有很少量被小腸吸收，會在腸細胞和肝細胞內與葡萄糖苷酸和硫化物結合，很快代謝并排出體外，難以發(fā)揮其生理活性[1]。姜黃素的生物利用率很低（約1%）[5]，限制了其在食品領域的應用。

針對姜黃素難以利用的問題，很多新方法和新技術被用于增加姜黃素的水溶性及提高其生物利用率，例如納米技術[6]，環(huán)糊精包合技術[7]，化學改性技術[8]，乳化技術[9]等。與其它幾種技術相比，利用納米技術制備的傳遞載體具有非常小的粒徑，可以攜帶姜黃素在細胞內釋放，實現靶向和緩釋雙重效果，具有更高的包埋率和負載量，使姜黃素具有更好的穩(wěn)定性和生物利用率[6]。

目前，關于姜黃素的納米傳遞系統有很多研究，也有一些綜述性論文報道，然而主要論述姜黃素納米劑型在醫(yī)學方面的研究和應用[10-12]。由于醫(yī)藥和食品在目標、用途和用量上都具有很大的差異，因此對傳遞載體的設計也有不同的要求。例如：醫(yī)藥制劑可以通過口服、注射和皮膚給藥等方式，而食品一般只能通過攝食方式。很多醫(yī)藥上用于制備姜黃素傳遞載體的材料并不能用于食品領域。近年來，利用納米技術以淀粉、蛋白質、多糖和脂類等天然生物大分子為材料制備的納米固體顆粒、納米乳液、納米脂質體等傳遞載體，不僅具有納米載體的自身優(yōu)勢，而且具有高度的生物相容性、可消化降解性以及安全、無毒的優(yōu)點[13]，在開發(fā)姜黃素的功能食品方面，具有十分重要的實用價值。基于天然生物大分子和納米運載的姜黃素，在食品領域具有非常好的應用前景。

1 姜黃素的納米傳遞載體

一般而言，按照結構性質的差異，姜黃素的傳遞載體可以分為聚合物納米顆粒、脂質體、納米乳液、固體脂肪顆粒、環(huán)糊精包合物等[14]（圖1）。用于制備姜黃素載體的材料既有天然來源的蛋白質、多糖和脂質等[14]，也有人工合成的金屬納米顆粒[15]、二氧化硅納米顆粒[16]和丙烯酸樹脂納米顆粒等[17]。以下主要介紹以可食用的天然材料制備的能夠應用于食品體系的納米傳遞載體。

1.1 生物分子聚合物納米顆粒

圖1 姜黃素的納米傳遞載體示意圖Fig.1 Nano delivery carriers of curcumin

自然界中能夠用于制備納米顆粒的生物分子聚合物有很多，由于來源廣泛、可再生、可體內降解、安全及較好的生物相容性等多種優(yōu)點，所以以多糖和蛋白質為基礎材料制備納米顆粒的研究最為廣泛。

常用于制備納米顆粒傳遞載體的天然多糖包括淀粉、殼聚糖、海藻酸鈉和果膠等。殼聚糖是唯一的天然陽離子動物性多糖，姜黃素表面帶有負電荷，殼聚糖可以和姜黃素通過乳液法在離子鹽誘導和靜電作用的條件下形成納米顆粒[18-19]。Yadav[18]等通過該方法制備的殼聚糖-姜黃素納米顆粒粒徑僅有50 nm，比天然的姜黃素具有更好的穩(wěn)定性，并具有螯合重金屬離子的能力，因而在預防重金屬中毒方面有很好的應用價值。為了進一步增加納米顆粒的穩(wěn)定性以及對姜黃素的負載量，可以利用兩種或兩種以上的多糖作為材料，通過多糖分子之間的相互作用形成復合納米顆粒用于傳遞姜黃素。Bhunchu 等[19]通過乳化法和離子凝膠法制備包埋姜黃素的海藻酸鈉-殼聚糖納米顆粒，在4 ℃下儲存3 個月不變化，并且隨著殼聚糖的比例增加，姜黃素的包埋率和負載量顯著增加。

常用于制備納米顆粒傳遞載體的蛋白質包括明膠、乳清分離蛋白、酪蛋白、乳鐵蛋白等動物性蛋白質；還有大豆分離蛋白、玉米醇溶蛋白等植物性蛋白質。蛋白質作為姜黃素傳遞載體的優(yōu)點有很多，除了其自身安全、無毒、可消化降解外，蛋白質分子較大，分子內部可以包埋姜黃素，分子表面可以吸附姜黃素[20]。此外，在水溶液體系中蛋白質還具有一定的乳化穩(wěn)定性，可用于穩(wěn)定姜黃素納米顆粒[21]。Yadav[22]研究表明，明膠對于反溶劑沉淀法制備的姜黃素納米顆粒起到一定的穩(wěn)定作用，并且能夠阻止姜黃素聚集結晶而將姜黃素納米顆粒的粒徑從195 nm 降至93 nm，而單獨使用海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉、纖維素甲酯等對姜黃素納米顆粒的穩(wěn)定效果均不理想。Pan 等[23]將姜黃素溶解于酪蛋白酸鈉的乙醇水溶液中，并通過噴霧干燥的方法制備負載姜黃素的酪蛋白酸鈉納米顆粒，此方法將姜黃素的水溶性提高40 倍，并且姜黃素-酪蛋白酸鈉納米顆粒的抗氧化性和抑制癌細胞增殖的能力也顯著增加。Bollimpelli 等[24]使用乳鐵蛋白和姜黃素制備復合納米顆粒，粒徑43～60 nm，細胞吸收率很高，而包埋率較低，僅61.3%，這是因為乳鐵蛋白與姜黃素的分子之間相互作用力較弱。

姜黃素是一種疏水性分子，在水體系中與大多數蛋白質的相互作用力并不強，而能夠與疏水性蛋白質通過疏水作用力形成穩(wěn)定的納米顆粒。玉米醇溶蛋白中含有超過50%的疏水基團，不溶于水，易溶于60%～90%乙醇水溶液，玉米醇溶蛋白很容易通過反溶劑沉淀法制備納米顆粒[25]（如圖2所示），因而是制備姜黃素納米載體的理想材料。玉米醇溶蛋白的等電點是6.2，單獨的玉米醇溶蛋白顆粒分散液很容易在pH 中性或人體環(huán)境中發(fā)生聚集而影響姜黃素的傳遞[20]。為了提高玉米醇溶蛋白納米顆粒的穩(wěn)定性，很多研究者嘗試使用多糖等其它生物分子材料與玉米醇溶蛋白復合以修飾其表面性質和顆粒結構[26]?；谟衩状既艿鞍缀投嗵堑纳锓肿泳酆衔锛{米顆粒的制備及對姜黃素包埋傳遞的研究報道見表1。此外，還有一些研究表明，利用玉米醇溶蛋白水解物和大豆可溶性多糖復合制備的納米顆粒，也可以作為姜黃素的傳遞載體，可以將姜黃素的水溶性由11 ng/mL 提高至135 μg/mL，并且復合納米顆粒復溶率高達90%以上[27]。

圖2 玉米醇溶蛋白和姜黃素反溶劑沉淀形成納米顆粒示意圖Fig.2 Formation of zein and curcumin nanoparticles by anti-solvent precipitation

表1 基于玉米醇溶蛋白和多糖的姜黃素納米顆粒的研究Table 1 Research of curcumin nanoparticles based on zein and polysaccharides

由表1可知，目前制備玉米醇溶蛋白-多糖復合物的方法主要有反溶劑沉淀法、電流體驅動霧化法、靜電沉積法等。電流體驅動霧化法的優(yōu)點在于粒徑范圍可以調控，消耗的溶劑較少。靜電沉積法需要蛋白質和多糖帶有正、負相反電荷才可以進行層層組裝成納米顆粒。反溶劑沉淀法制備的納米顆粒粒徑范圍相對小一些，而且不需要復雜的操作設備，應用范圍更廣。不同多糖和玉米醇溶蛋白進行復合形成的納米顆粒相互作用方式、粒徑大小，對姜黃素的包埋效果均不同。整體而言，蛋白質-多糖復合后形成的納米顆粒粒徑小，包埋率高，包埋后姜黃素對光、熱、氧、pH 等環(huán)境因素比單獨用蛋白質納米顆粒包埋的姜黃素更加穩(wěn)定，消化吸收率和生物利用率也均得到提高。

除多糖外，還有一些生物分子聚合物也可與玉米醇溶蛋白復合形成納米顆粒并表現出特殊的結構性質。蟲膠是一種天然的羥基脂肪酸和倍半萜烯酸形成的多元酯類聚合物，被FDA 認證為安全物質，可用作腸道靶向的功能活性成分的載體[32]，也是GB 2760-2014 中允許使用的一種物質。Sun 等[33]通過反溶劑共沉淀法，利用玉米醇溶蛋白和蟲膠制成復合顆粒用于包埋姜黃素，復合顆粒的包埋率（93.2%）顯著高于單獨使用玉米醇溶蛋白的納米顆粒（82.7%），可以有效保護姜黃素不被光和熱降解，而且蟲膠用量多時會發(fā)生分子交聯，復合納米顆粒的粒徑逐漸變大，并轉變?yōu)榻宦摼W絡結構的微米顆粒。

1.2 納米脂質體

脂質體由脂類（主要是磷脂和膽固醇）自組裝形成的具有類似細胞膜性質的雙分子層的囊膜結構，中間為微水相環(huán)境，可以運載親水性物質，雙分子層中間可以運載疏水性物質。由于具有獨特的結構和性質，所以脂質體在農業(yè)、食品、醫(yī)藥和化妝品領域都具有非常廣闊的應用前景[34]。

用于運載姜黃素的脂質體粒徑較小，納米脂質體囊泡結構的壁厚一般只有5～7 nm[34]。Chen[35]用磷脂、膽固醇和吐溫80 為材料，以動態(tài)高壓微射流的方法制備包埋姜黃素的納米脂質體，粒徑為68.1 nm，包埋率為57.1%，對pH 和金屬離子有抵抗能力，并且這種納米脂質體能夠提高姜黃素的抗氧化性和細胞滲透性。因膽固醇對于人體血脂水平的一些不利影響，故研究者們開始使用殼聚糖來代替膽固醇制備納米脂質體[36]。Peng等[37]利用殼聚糖和磷脂復合制備出一種新型的納米脂質體并用于運載姜黃素，這種復合納米脂質體對體系中離子強度的抵抗力高于僅用殼聚糖制備的納米脂質體，熱穩(wěn)定性也高于僅用磷脂制備的納米脂質體。

整體而言，脂質體作為姜黃素的傳遞載體，其優(yōu)勢在于可以增加姜黃素的水溶性和細胞滲透性，延長姜黃素在體內的停留時間和提高姜黃素的生物利用率[35，38]。同時也存在一些缺點，脂質體穩(wěn)定性較差，包埋率較低，包埋的姜黃素容易滲漏等，因此當前很多新的研究都在致力于改善納米脂質體的界面性質，例如使用鼠李糖脂、透明質酸等修飾納米脂質體，以增加其穩(wěn)定性和提高姜黃素的包埋率和生物利用率[39-40]。

1.3 納米乳液

納米乳液與傳統乳液相比具有更多的優(yōu)點，傳統乳液的液滴粒徑范圍100～100 μm，納米乳液的液滴粒徑一般在10～100 nm 之間，外觀較清澈，不易發(fā)生相分離，更加穩(wěn)定，并具有特殊的流變性質，在食品和飲料行業(yè)的應用前景非常好[41]。

Ahmed 等[42]對比了姜黃素的納米乳液和普通乳液的物理穩(wěn)定性，負載姜黃素普通乳液室溫儲存4 h 后上層即出現淺黃色渾濁，而納米乳液包埋的姜黃素非常穩(wěn)定。此外，姜黃素的納米乳液的化學穩(wěn)定性也非常好，Borrin 等[43]通過相反轉乳化法利用大豆油、水和甘油為基料，并使用吐溫80為乳化劑制備姜黃素的納米乳液，包埋的姜黃素儲藏60 d 后仍能保留70%不降解。

乳化劑是制備納米乳液的一種重要成分，不宜過多使用。為了減少乳化劑（例如吐溫）的使用量，一些研究者利用天然來源的蛋白質作為乳化劑。例如：Li 等[44]利用乳清分離蛋白作為乳化劑，制備姜黃素的納米乳液，對于離子強度和熱處理均有較好的耐受力和穩(wěn)定性。此外，嘗試使用多糖進一步提高姜黃素納米乳液的穩(wěn)定性時，發(fā)現多糖對納米乳液的理化穩(wěn)定性幾乎沒有促進作用。

油脂不僅是納米乳液中的主要組成成分，而且有助于姜黃素的消化吸收。Ahmed[42]等對比了不同油脂類型制備的納米乳液的消化速度和最終消化程度，消化速度的順序為短碳鏈油脂＞中碳鏈油脂＞長碳鏈油脂，而消化程度的順序為中碳鏈油脂＞短碳鏈油脂＞長碳鏈油脂。中碳鏈油脂更適合于制備姜黃素的納米乳液。姜黃素在油脂中的溶解度有限，一般以油脂為基質制備的納米乳液的姜黃素負載量低于1%，而利用油凝膠作為基質能夠將姜黃素的負載量提高至2.6%[4]。Yu 等[45]利用油凝膠作為基質制備姜黃素的納米乳液，其中的姜黃素主要通過消化-擴散的機制進入細胞，而且油凝膠納米乳液載體比單獨的油凝膠載體消化分解得更快、更徹底，將姜黃素的生物利用率提高了9 倍。

1.4 固體脂質納米顆粒

固體脂質納米顆粒是以固體油脂作為基質，內部包埋脂溶性功能成分，外部包裹有乳化劑的一種傳遞載體[46]，其外觀呈球形，粒徑一般在50～500 nm[47]。制備固體脂質納米顆粒油相基質的天然材料一般為三硬脂酸甘油酯、單硬脂酸甘油酯、蜂蠟、動物脂肪、長碳鏈脂肪酸等，天然乳化劑一般有卵磷脂、皂苷、烷基糖苷等，這些生物來源的材料都具有較好的生物相容性、安全性和易降解性[46]。

由于姜黃素是一種親脂性分子，所以固體脂質納米顆粒是姜黃素的良好載體。Kakkar 等[48]采用乳化-低溫固化法制備出一種粒徑約134.6 nm的運載姜黃素的固體脂質納米顆粒，包埋率為81.92%。這種納米脂質顆粒能夠在5 ℃條件下保存12 個月不變質。為了延長固體脂質納米顆粒在消化系統中停留的時間，從而實現緩釋姜黃素的目的，研究者嘗試使用多糖來修飾其界面性質，增強其黏膜吸附性，并提高其口服生物利用率[49-50]。Ramalingam 等[51]采用高速剪切均質和超聲波技術，制備出粒徑為451.8 nm 的姜黃素脂質納米顆粒，然后使用殼聚糖作為外層材料修飾脂質納米顆粒，粒徑增至739.26 nm，消化時間延長兩倍多，同時包埋率和負載量非常高。除了殼聚糖外，酪蛋白酸鈉和果膠也可作為固體脂質納米顆粒的表面涂層，并且酪蛋白酸鈉和果膠之間會形成共價鍵，從而使固體脂質納米顆粒的物理、化學穩(wěn)定性顯著提高，緩釋效果更好[52]。

由于固體脂質顆粒的主要成分是油脂，油脂在人體內易分解并提供營養(yǎng)和能量，因此，與其它幾種姜黃素的納米載體相比，固體脂質顆粒在人體內具有更高的安全性，它集合了生物聚合物納米顆粒、脂質體和納米乳液的多種優(yōu)勢，例如內部親脂性、可分散性、顆粒屬性等[48]。固體脂質顆?？梢詷O大地提高姜黃素的生物利用率，為單獨口服姜黃素的32～155 倍，此外，固體脂質納米顆粒對于細胞膜的滲透作用較好，它運載的姜黃素能夠比較容易地進入癌細胞并促使其凋亡，這對于研發(fā)抗癌食品有一定的積極意義[53]。

1.5 其它類型納米載體

除了上述幾種主要的姜黃素納米載體外，還有一些微膠束、納米晶體、納米環(huán)糊精包合物、樹枝狀大分子等可以用于運載姜黃素。例如：一些兩親性的蛋白質可以在水溶液中自發(fā)地形成微膠束，在37 ℃條件下，β-酪蛋白的臨界膠束濃度為8 mmol/L，姜黃素包裹在β-酪蛋白的疏水內核中，水溶性可提高2 500 倍[54]。

Onoue 等[55]采用濕磨法結合凍干法制備的姜黃素納米晶體，將姜黃素的口服生物利用率提高16 倍，并且增強了光化學穩(wěn)定性。Yallapu 等[56]將姜黃素的丙酮溶液與β-環(huán)糊精的水溶液混合，蒸發(fā)丙酮制備出姜黃素-β-環(huán)糊精納米包合物，粒徑約500 nm，平均每個β-環(huán)糊精可以包埋1～2 個姜黃素分子，姜黃素的穩(wěn)定性顯著增強。

2 姜黃素納米傳遞載體在食品中的應用

根據2016年最新實施的《食品安全國家標準食品添加劑姜黃素》[57]中規(guī)定姜黃素類化合物有3 種：姜黃素（C21H20O6）、去甲氧基姜黃素（C20H18O5）和雙去甲氧基姜黃素（C19H16O4），由于它們結構和生理活性高度相似，所以食品中應用的姜黃素產品中大多為三者的混合物，納米載體對3 種姜黃素均有很好的保護和傳遞作用。按照GB 2760-2014 《食品安全國家標準 食品添加劑使用標準》中規(guī)定[58]，姜黃素可在冷凍飲品、熟制堅果與籽類、可可制品、巧克力和糖果、糧食制品餡料、碳酸飲料、果凍以及膨化食品等多種食品中使用。

基于姜黃素對心血管疾病、糖尿病和高血脂等一些列慢性疾病的功效，可以預見姜黃素的納米載體在功能食品的開發(fā)利用方面具有非常大的潛力。例如：可以開發(fā)成含姜黃素納米載體的保健牛奶、功能飲料和固體速溶沖劑以及膠囊等。姜黃素的納米載體除了能夠更好地發(fā)揮姜黃素自身的生理活性外，還可以利用其獨特的物理化學特性制備乳液飲料。例如Joung 等[59]利用高壓均質制備的姜黃素納米乳液應用到牛奶中，納米乳液的液滴粒徑為90～122 nm，含姜黃素納米乳液的牛奶在室溫下能夠保持3 個月的物理穩(wěn)定性，而且牛奶的乳脂氧化速率也顯著低于普通牛奶。陳碩等[60]利用植物球蛋白-姜黃素納米顆粒制備水包油型的Pickering 乳液，這種乳液主要依靠納米顆粒的界面作用阻止乳液液滴聚集，從而減少乳化劑在食品中的使用[61]。姜黃素的納米載體在食品領域的應用范圍非常廣，市場潛力巨大。

3 結論和展望

姜黃素在食品和醫(yī)藥中的應用歷史悠久，然而溶解度低，穩(wěn)定性差和生物利用率低一直是制約開發(fā)利用姜黃素的瓶頸?；诩{米技術，以可食用的天然來源的蛋白質、多糖和脂質等為材料，制備姜黃素的納米傳遞載體，不僅增加了姜黃素的水溶性，而且保護姜黃素不被光、熱、氧等因素降解，實現姜黃素在食品體系中的穩(wěn)態(tài)化，并可以延長姜黃素在胃、腸內的滯留時間，實現緩釋效果，最終提高姜黃素在人體內的生物利用率。

姜黃素納米載體仍面臨一些亟待解決的問題，例如負載量低，大規(guī)模生產的工藝技術不成熟等。隨著科技的進步和發(fā)展，相信越來越多的新技術和新材料能夠用于解決這些問題，使姜黃素的納米載體能夠實現工業(yè)化生產，開發(fā)出更多的功能性食品。