微/納米包封技術在改善蝦青素水溶性和穩定性中的應用

萬百惠，李 敬，趙英源，梁興國

(中國海洋大學食品科學與工程學院，山東青島266003)

蝦青素(Astaxanthin)是一種非維生素A原的脂溶性類胡蘿卜素，主要存在于蝦蟹外殼、鮭魚、牡蠣以及某些藻類中。如圖1所示［1］，蝦青素的長鏈共軛烯烴結構賦予蝦青素有效淬滅活性氧的活性，是迄今為止自然界中發現的最強的抗氧化劑。經動物和臨床實驗研究表明，蝦青素具有較強的抗癌、增強免疫力、預防心血管疾病等保健功能。因此在營養補充劑中添加天然蝦青素對于改善人體健康具有非常實際的意義［1-4］。然而，蝦青素易氧化降解、不溶于水的特性嚴重影響其生物利用度，制約了它在醫藥、食品配方中的使用。近30年來研究人員圍繞改善蝦青素水溶性和穩定性的問題，嘗試利用化學修飾的方法合成水溶性蝦青素衍生物［5-9］，但是由于美國食品與藥品管理局(FDA)禁止化學合成的蝦青素進入食品與膳食補充劑市場，因此合成蝦青素及其衍生物主要用于養殖、日化領域。目前天然蝦青素已取得FDA一般性安全認證，利用物理方法(如微/納米包封)改善天然蝦青素水分散性和穩定性，有望打開蝦青素安全、高效、多元化應用的局面。

圖1 蝦青素分子結構Fig．1 Chemical structure of astaxanthin

受藥劑學方法改變劑型的啟發，微/納米包封技術［10］，如凝聚技術、主客體包結絡合技術、納米沉淀、乳化溶劑揮發技術、超臨界流體技術、微膠囊包埋技術等已逐漸應用于功能性蝦青素制劑的制備并取得了一些研究進展，但是研究結果零散且沒有系統的比較分析，本文針對已用于蝦青素微/納米包封的不同制備技術及其特點進行歸納介紹，評價現有制備方法及所制備產品的優勢與不足，綜述近年來微/納米包封技術在改善蝦青素水分散性和穩定性等方面的應用研究進展。

1 納米沉淀技術

納米沉淀即溶解在有機相(與水互溶)中的聚合物與活性物質在溶劑擴散、置換過程中發生自乳化并沉淀析出，最終形成包載活性物質的聚合物納米粒。Tachaprutinun等［11］利用該技術制備了包載蝦青素的聚(環氧乙烷)-4-甲氧基肉桂酰基鄰苯二甲酰基殼聚糖(PCPLC)納米粒，同時比較了PCPLC與其他兩種聚合物——乙烯醇-乙烯基-4-甲氧基肉桂酸酯共聚物(PB4)和乙基纖維素(EC)對蝦青素的包載能力。研究發現，含有較多疏水基團(鄰苯二甲酰亞胺和4-甲氧基肉桂基團)的PCPLC在溶劑擴散過程中可形成豐富的疏水微區高效包載脂溶性蝦青素分子，使蝦青素包封率高達98%;相比較而言，4-甲氧基肉桂基取代度低的PB4對蝦青素的包封效率僅達到78%，而僅含有乙氧基疏水基的EC因其疏水基與蝦青素之間的疏水相互作用較弱，因此不能有效包載蝦青素。此外，PCPLC為兩親性聚合物，其親水取代基——聚-(環氧乙烷)親水鏈的溶劑化有助于維持納米粒子間足夠的排斥力，利于納米懸液的穩定性和重懸性，制備的載蝦青素-PCPLC納米粒在凍干前后平均粒徑由(312±5．83)nm略增大到(319±7．87)nm，且凍干粉易于在溶液中均勻分散。

利用納米沉淀技術制備納米粒具有操作簡單，對設備要求不高的優點，通過輔以合適的干燥技術(如冷凍干燥等)可以獲得包載蝦青素的納米干粉。利用該技術制備易在水中分散、蝦青素含量高的納米粒，關鍵在于設計“完美”的聚合物分子。與包載其他脂溶性小分子物質相比，用于包載含多不飽和共軛多烯烴結構蝦青素的載體材料應滿足:擁有合適的疏水取代基，可以與蝦青素分子形成穩定疏水相互作用;納米粒表面應分散一定量的易溶劑化的親水基團，一方面使暴露在納米粒表面的帶電基團間排斥力大于吸引力，避免粒子間的團聚，另一方面具有空間位阻效應的親水基團，在納米粒表面與水分子作用形成電暈，進一步維持納米體系的穩定性。需要指出的是，由于聚合物材料多為人工合成或需經化學修飾，制備過程中材料的生物相容性、生物可降解性、毒性，以及有機溶劑殘留等問題均制約食用蝦青素微/納米制劑的開發與應用。

2 主客體包結絡合技術

主客體包結絡合技術利用分子間弱相互作用(如氫鍵、范德華力、疏水相互作用等)包結客體分子于含疏水空腔的主體分子內，形成包結絡合物［12］。環糊精及其衍生物由于具有疏水的內部空腔和親水的外部骨架［13］，常用于脂溶性小分子的包結絡合［14-16］。受藥物增溶劑的應用啟發，Lockwood［17］首次利用一種安全有效的環糊精衍生物Captisol?(磺丁基醚-β-環糊精)作為蝦青素的主體分子。制得的蝦青素-Captisol?包合物經甲醇預溶后其水溶性比蝦青素晶體提高了71倍，溶解度達2μg/mL。據報道，天然蝦青素發揮抗氧化、降血脂等活性的每日服用量在3～12mg。而蝦青素-Captisol?包合物的溶解度遠未達體內發揮活性的有效劑量，且包合物經有機溶劑預溶后并不適用于食品藥品領域。為了提高包合物中蝦青素含量，Kim等［18］比較了不同環糊精及其衍生物對蝦青素的包合能力，結果表明β-環糊精是蝦青素的最佳主體識別分子。為了提高β-環糊精對蝦青素的包合效率，劉風玲［19］研究了皂化條件對β-環糊精包合蝦青素效率的影響，發現在0．021mol/L氫氧化鈉溶液中，避光皂化反應20min后環糊精包合率從26．67%提高到87．77%，且經包合后蝦青素的穩定性提高20倍，但皂化反應造成13．46%的蝦青素損失。Chen等［20］研究了不同配比的蝦青素-β-環糊精包合物的貯存穩定性，當蝦青素和β-環糊精的摩爾比為1∶4時，包合物中蝦青素的熱穩定性和光照穩定性大大提高，并且包合物的水溶性略有改善(溶解度＜0．5mg/mL)。但是，由于β-環糊精自身在水中溶解度較低，因而不利于蝦青素-β-環糊精包合物在水中的分散，在水中易形成絮狀物而影響溶液的穩定性和透明度。為了提高蝦青素-環糊精包合物的水溶性，Yuan等［21］首次將更易溶于水的羥丙基-β-環糊精(HPCD)作為蝦青素的主體識別分子，將蝦青素包合物的溶解度提高到1mg/mL以上。通過計算機輔助分子模擬實驗驗證了蝦青素和HPCD以主客體分子比為2∶1的比例包合，即兩分子HPCD疏水空腔與一分子蝦青素包結絡合時，比其他配比所需的包合能量低［22］，且形成的配合物可以實現蝦青素的緩控釋和熱穩定性［23-24］。但是，HPCD作為一種昂貴、易溶于水的環糊精衍生物，它對蝦青素的包合效率較β-環糊精低，因此如何提高HPCD對蝦青素的包合效率還有待進一步研究。

利用環糊精的疏水空腔包結絡合客體分子是一種獨特的微/納米封裝技術，環糊精包合作用不僅能改善活性物質的水溶性，還可以保護其免受環境影響而降解失活。由于環糊精不易被胃腸道吸收，因此其口服制劑安全無毒［25］，但是根據眾多安全評價顯示，大部分環糊精及其衍生物(如 α-，β-，γ-CDs，HP-β-CDs等)不適合用于腸胃外給藥［13］。

3 乳化溶劑揮發技術

乳化溶劑揮發技術即溶解在有機相的聚合物在水相中經均質乳化后，隨著有機溶劑的蒸發逐漸析出形成納米粒的技術［26］。Anarjan 小組［27-30］的研究表明o/w型蝦青素納米乳較游離蝦青素有更高的細胞攝取率［31］，但對于提高蝦青素的穩定性來說效果并不明顯，制備的蝦青素納米乳在25℃靜置一周即損失46%的蝦青素，仍需通過添加生育酚等抗氧化劑改善其穩定性［32］。為了提高納米乳的穩定性，劉楠等［33］以殼聚糖、卵磷脂為包載材料，Tween-80為乳化劑，探究了不同投料比對納米粒電位，以及蝦青素包封率的影響，結果表明隨著卵磷脂/殼聚糖投料比例的增大，納米粒電位逐漸降低，在5∶1到20∶1的范圍內納米粒zeta電位均大于40mV，說明納米乳具有較好的穩定性;獲得的最佳蝦青素包封率為51．02% ，包載量為 10．34% 。此外，Kim 等［34］研究了兩種組成的o/w蝦青素納米乳，研究發現甘油檸檬酸鹽/乳酸/亞油酸酯/油酸酯混合納米乳化體系與氫化卵磷脂納米乳相比，具有更小的粒徑和更窄的粒徑分布，其小于-41mV的zeta電位值說明該納米乳具有良好的穩定性。

乳化溶劑揮發技術是一種制備較小粒徑(＜100nm)納米膠囊的有效手段，制得的納米膠囊具有圓整的球形、較高的包封率和細胞攝取率，且有緩釋功能。但是，該技術依賴于合適的乳化均質手段(如微射流、高壓、高速等)和干燥技術［35］，且乳化揮發過程中有機溶劑的殘留問題也可能影響蝦青素制品的食用安全性。此外，常用于制備納米乳的組分(如小分子表面活性劑等)在高濃度的食用條件下會表現出毒性［36］。在納米體系構建中，目前常用的天然生物大分子乳化劑，如蛋白質、變性淀粉等也常被使用［37-38］，但是這些天然表面活性劑不易在油水界面迅速展開，單純使用高速或高壓均質，很難得到小粒徑的納米乳。

4 凝聚相分離技術

凝聚相分離技術是指單一或混合聚電解質與活性物質共聚沉形成軟凝聚態，并逐漸從周圍溶液中分離形成納米復合體。可以通過調節聚電解質分子量、分子骨架柔韌性以及荷電性，溶液濃度、pH、溫度等因素調控聚電解質分子間相互作用及形成納米復合物的性質，從而實現活性物質的高效負載以及緩控釋［39-41］。Park 等［42］利用聚陰離子海藻酸鈉(SA)與氯化鈣分子間相互作用包封蝦青素，研究發現隨著微球粒徑的增大，蝦青素的包封率和抗氧化活性明顯提高，當平均粒徑為210μm時，100g海藻酸鈣可包封76．7g的蝦青素。金容震等首次公開了利用合成聚陰陽離子制備類胡蘿卜素(如蝦青素)雙層膠囊的方法(公開號CN101910256A)［43］:將類胡蘿卜素包封入具有陽離子官能團和疏水基團的陽離子聚合物(如烯酰胺單體與苯乙烯單體的無規則共聚物)中用于類胡蘿卜素的初步穩定，然后通過聚陰陽離子間相互作用使陰離子聚合物(如聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸等)吸附于初步制備的膠囊外部的陽離子基團上，加強聚合物膠囊的結構穩定性和攔截作用，使得被包封的類胡蘿卜素完全穩定于雙層膠囊內部。制備的膠囊粒徑范圍為0．1～50μm，微膠囊中類胡蘿卜素的含量達10%。

與乳化溶劑揮發技術相比，凝聚相分離技術是一種操作簡單、對設備要求較低的膠體制備方法，但同樣依賴于合適的干燥技術(如冷凍干燥等)。利用該技術可以制得高包封率的蝦青素微/納米復合物，但是聚合物材料的生物安全性，以及溶液pH、溫度等對微/納米復合體的穩定和安全應用至關重要，因此選擇合適的聚電解質包封材料以及控制溶液參數是制備的關鍵。

5 超臨界流體技術

超臨界流體是介于氣體和液體之間的一種狀態，它具有十分獨特的物理化學性質，如粘度接近于氣體、密度接近于液體、擴散系數大、介電常數大等。常用的超臨界流體溶媒有二氧化碳、水、甲烷等。超臨界溶液快速膨脹技術(RESS)［44］、超臨界流體抗溶劑技術(SAS)［45］等超臨界流體技術(SEDS)可以制備活性物質的超細微粒，特別適用于熱敏感活性物質的包封［46］。Quan 等［48］利用 RESS 技術制備了粒徑分布在0．3～0．8μm 的蝦青素超細微粒。掃描電鏡觀察制得的蝦青素超細微粒的粒徑在500nm左右，比自然條件下形成的蝦青素晶體(約5μm)小10倍，經超聲后可在水中均勻分散。Mezzomo利用SAS技術共沉淀桃紅對蝦蝦殼的提取物和聚合物，研究結果表明利用Pluronic F127可制得包封率達74%的微沉淀顆粒［49］。此外，Francisco 等［50］利用 SAS 技術從蝦青素和聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共聚物的二氯甲烷溶液中制得了蝦青素-聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共沉淀納米粒，研究發現壓力對共沉淀納米粒的粒徑大小影響最大，當壓力為100MPa時可以獲得粒徑為128nm的蝦青素-聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共沉淀納米粒。

選用二氧化碳作為超臨界流體，不僅價廉、無毒、不污染環境，而且制備過程可在低溫、惰性環境下進行，避免蝦青素降解［51］，形成的超細微粒粒徑分布均勻且形態圓整，說明該技術是制備蝦青素微/納米固體分散體的一種可行方法。然而，超臨界流體技術所涉及的設備均為壓力容器，且生產技術要求高，存在初始設備投資大、生產成本高等問題，目前用于大規模生產尚存在一定困難［52］。

6 微膠囊包埋技術

液態的微/納米分散體易存在粒子不可逆的聚集和化學不穩定，以及活性成分易泄露等問題。通過噴霧干燥進行微膠囊化可以將微/納米懸液轉化成固態形式，有效保持其物理穩定性，方便制劑摻入并均勻分散在食品配方中，是目前在食品工業中常用的技術［53-54］。Pu 等［55］利用該技術將芯材蝦青素-亞麻籽油乳劑包封于酪蛋白酸鈉和乳糖的混合壁材中，包封效率為84．84%，存在少量蝦青素油劑保留在微膠囊表面，而表面殘油在空氣中易被氧化產生異味而影響產品的品質［56］。Bustos-Garza 等［57］則研究了不同壁材(如阿拉伯膠、乳清蛋白及其與菊糖和麥芽糊精的混合物)經噴霧干燥后對蝦青素油劑的包封效果，研究發現以100%乳清蛋白為壁材的蝦青素微膠囊具有最高的抗氧化活性和穩定性，在25℃、pH6溶液中的半衰期達到169h，并且微膠囊在溶液中的高濁度適用于速溶粉末飲料的配方。

噴霧干燥微膠囊包埋技術是一種用于連續生產干粉的工業生產方法。由于具有處理時間短、單元操作簡便、連續生產的干粉水分含量低等優點而廣泛用于活性物質的封裝。但是，噴霧干燥過程中納米乳(納米懸液)易在空氣壓力作用下發生微米化，導致制備的干粉粒徑較大，影響其在溶液中的穩定性和透明度。目前在工業生產常用的高溫噴霧干燥并不利于處理對熱不穩定的蝦青素產品，而噴霧冷凍干燥技術克服了高溫噴霧干燥對熱敏物質易被破壞以及真空冷凍干燥技術能耗大、易引起多孔層塌陷等缺陷，特別適用于那些具有較高市場價值的產品制備和具有較高共晶點和玻璃化轉變溫度的溶液。但是目前關于噴霧冷凍干燥工藝的研究大多限于實驗室研究，存在規模化程度不高，噴霧冷凍干燥過程不連續、低溫液體處理不方便等缺點，還需進一步優化生產工藝。

7 結論與展望

天然蝦青素因其強大的抗氧化性而具有防治心血管疾病、降血壓、保護神經系統、減輕肥胖、干預糖尿病、保護皮膚、保護視力、增強糖尿病、防治癌癥等營養保健功能，利用水溶性分子物理包埋蝦青素可以解決蝦青素不溶于水、穩定性差的應用缺陷，其關鍵在于提高親水性微/納米載體對蝦青素的包封率。目前已報道多種微/納米包封技術用于制備可溶于水的蝦青素制品，如凝聚相分離技術、主客體包結絡合技術、納米沉淀、乳化溶劑揮發技術、超臨界流體技術、微膠囊包埋技術等。其中，利用微膠囊包埋技術和乳化溶劑揮發技術制備的天然蝦青素制品已上市，如美國BioAstin公司生產的可溶于水的天然蝦青素微囊粉，以及中國荊州市天然蝦青素有限公司生產的冷水分散型天然蝦青素微膠囊粉和乳劑等。此外，包結絡合技術能夠有效提高包合物的溶解度，納米沉淀和凝聚相分離技術操作簡便易行，超臨界流體技術安全可靠，均具有良好的工業化應用前景。但是，要達到應用多元化的要求、實現工業化生產還應在提高材料的食用安全性、蝦青素包封率、制劑生物利用率等方面綜合考慮，進行系統深入的研究。

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