基于β-環糊精的姜黃素傳遞載體的研究進展

陳帥，高彥祥

(中國農業大學 食品科學與營養工程學院，北京 100083)

姜黃素(curcumin)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。外觀為橙黃色的結晶粉末，辛香輕淡，略有生姜的辣味，在食物的“色、香、味”3個要素中具備“色和味”2個要素，可作為調味品和色素廣泛應用于食品工業中，在印度的咖喱和土耳其的烤肉卷中也常用姜黃粉或姜黃素作為調味品，姜黃素也可添加于雞精調味料、火鍋調味料等生產復合調味品中。此外，研究表明姜黃素具有較強的抗氧化性，能夠有效降低高血脂、高血壓等慢性疾病的發病率[1]，還具有預防老年癡呆[2]、保護肝臟等功效[3]。然而姜黃素在實際應用中也存在一些缺點，例如在水中的溶解度很低(約11 ng/mL)[4]，難以應用于水溶性食品體系，而且姜黃素在光、熱、氧條件下容易降解。口服攝入的姜黃素只有很少量被人體消化吸收，而且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，難以發揮其生理功效。構建傳遞載體是解決上述問題的一種有效方法，蛋白質、多糖和脂類等很多材料都可以作為傳遞載體的基礎物質，其中β-環糊精作為一種來源廣泛的天然材料，不僅具有優良的包埋性能，還可以在體內消化吸收，對人體安全無害，是一種較為理想的載體材料。以β-環糊精作為基質制備姜黃素的傳遞載體，可以充分地與姜黃素包埋結合，不僅增加了姜黃素的水溶性和穩定性，而且延長了姜黃素在胃腸內的停留時間，促進了消化吸收，提高了姜黃素的生物利用率。因此，本文結合近年來國內外的文獻報道，綜述了β-環糊精傳遞載體的構建及其在運載姜黃素方面的最新研究進展，旨在為姜黃素在食品和調味品中的開發和應用提供參考。

1 β-環糊精的結構和性質

β-環糊精(β-cyclodextrins)是由淀粉經過芽孢桿菌所產生的環糊精葡萄糖基轉移酶的作用，生成的一種環狀低聚糖[5]。

圖1 β-環糊精的分子結構

由圖1可知，β-環糊精分子含有7個D-吡喃葡萄糖，并以α-1,4糖苷鍵首尾相連而成環狀，每個葡萄糖都是椅型構象，其立體結構呈現上寬下窄中空的截錐狀空腔。β-環糊精的羥基均聚集在分子的外側邊緣，所以分子外部具有較強的親水性，分子內部由于存在C-H的屏蔽作用而具有疏水性[6]。由于β-環糊精獨特的化學結構，可以作為傳遞載體包裹姜黃素、白藜蘆醇、番茄紅素、蝦青素和香蘭素等天然活性化合物，從而實現對天然活性化合物的保護和控制釋放作用[7-13]。

β-環糊精的分子量為1135 Da，空腔高度約為7.9 ?，空腔直徑約為6.5 ?，室溫下水中的溶解度為1.85 g/dL。一般β-環糊精結構比較穩定，耐儲存，對酸、堿和熱都能保持一定的穩定性[14]。在化學反應方面，β-環糊精的C-2，C-3和C-6位置上的羥基上可以連接新的化學基團生成環糊精衍生物，例如生成酯化環糊精或醚化環糊精。此外，C-2-C-3化學鍵和C-O-C化學鍵也能經過化學斷鍵接枝聚合反應生成環糊精衍生物，使其能夠根據實際需求生產不同性質的環糊精衍生物，從而在構建傳遞載體方面具有更多的選擇性和優勢[15]。

2 β-環糊精-姜黃素傳遞載體的制備

圖2 姜黃素的分子結構

由圖2可知，姜黃素分子結構中含有2個苯環和1個碳鏈，這使得姜黃素的分子極性較低，疏水性較大，而β-環糊精是一個外部親水，內部疏水的空腔結構。因此，在疏水作用下姜黃素分子能夠自發進入β-環糊精的空腔內，通過自組裝形成一個傳遞體系(見圖3)[16]，減小了姜黃素與周圍環境的直接接觸，提高其對光、熱和氧的穩定性，并且有利于姜黃素-β-環糊精分散于水相中，拓展了姜黃素在食品工業中的應用范圍。

圖3 基于β-環糊精的姜黃素傳遞載體的制備過程

2.1 基于溶液的姜黃素傳遞載體

基于溶液的β-環糊精-姜黃素傳遞載體是在食品行業中應用最多的一種類型，利用β-環糊精包埋可以使姜黃素等很多不溶于水或難溶于水的物質在水相體系中增溶，使其更方便地在飲料、口服液等產品中應用。制備過程大致為：先配制β-環糊精的水溶液，然后按比例直接加入姜黃素或姜黃素的有機溶劑溶液，并充分混合，為了起到更好地包埋和增溶效果，通常還會選擇合適的溶劑、調節溫度和pH以及利用超聲波輔助等方法[17,18]。例如：Haiyee等用飽和水溶液法制備一種環糊精-姜黃素包合物，并且包合物可以很好地分散于水中。將β-環糊精進行衍生化反應得到的β-環糊精衍生物，能夠更好地包埋姜黃素和提高其溶解性，例如羥丙基-β-環糊精制備的傳遞載體對姜黃素的增溶效果優于β-環糊精。采用飽和水溶液法制備的羥丙基β-環糊精姜黃素傳遞載體，姜黃素在水中的溶解度增加了276倍[19], 口服生物利用率也提高了近3倍[20]。

2.2 基于固體顆粒的姜黃素傳遞載體

利用β-環糊精做成的固體顆粒傳遞載體，可以做成粉劑，便于運輸和儲存，而且應用范圍更廣。制備固體顆粒有2種工藝路線：一種是可以直接將β-環糊精和被包埋物質混合，用球磨機或在研缽中研磨混合，使被包埋物質充分地與β-環糊精結合[21,22]；另一種是利用β-環糊精和包埋物質在溶液中形成包合物后，利用溶劑蒸發、低溫干燥、冷凍干燥或噴霧干燥等方法得到固體顆粒[23,24]。基于固體顆粒的β-環糊精姜黃素傳遞載體，姜黃素的負載量最大能達到總重的1/2。利用研磨法制備的β-環糊精-姜黃素在水中的溶解度比游離態的姜黃素提高了約100倍，利用溶劑蒸發法制備的β-環糊精-姜黃素固體顆粒能將姜黃素的溶解度提高約1026倍，利用冷凍干燥法制備的β-環糊精-姜黃素能將姜黃素的溶解度提高1052倍[25]。此外，基于固體顆粒的β-環糊精-姜黃素傳遞載體具有非常好的貯存穩定性，在25 ℃條件下貯存3個月，姜黃素的保留率仍高達90%以上。

2.3 基于凝膠的姜黃素傳遞載體

凝膠(gel)是一種將液體包裹在三維網絡結構中的半固態基質[26]，不同的溶劑體系下β-環糊精形成凝膠的過程大同小異，見圖4。首先β-環糊精要先分散于溶劑中，在加熱的條件下，β-環糊精形成頭對頭、尾對尾的二聚體，大量的二聚體組裝為凝膠纖維簇，很多纖維簇彼此交織起來構成三維網絡結構的凝膠[27]。β-環糊精凝膠可以作為化學材料，也可以作為藥品、脂溶性天然物質的運載體。

圖4 β-環糊精形成凝膠過程的機理圖

凝膠可以分為水凝膠和有機凝膠2種傳遞載體。水凝膠是一種內部充滿水溶液的三維聚合物網絡結構的凝膠[28]。β-環糊精可以通過直接交聯、與其他單體共聚、固載于水凝膠基質中及超分子自組裝等方式形成水凝膠[29]。β-環糊精水凝膠具有溫度、觸變等刺激響應性和良好的生物相容性，在傳遞運載藥物和功能因子方面有著非常好的發展前景[30]。通過飽和溶液法制備β-環糊精-姜黃素的納米顆粒分散液，然后經過冷凍干燥得到固體顆粒，再將固體顆粒均勻混入丙烯酸聚合物(凝膠因子)的水溶液中，并調節pH使混合溶液凝膠化，即可得到β-環糊精-姜黃素的水凝膠[31]。通過研磨法制備β-環糊精-姜黃素的固體顆粒，與殼聚糖溶液混合，然后冷卻得到一種熱敏性的水溶膠[32]，β-環糊精-姜黃素的水凝膠具有非常好的滲透性，可用于皮膚涂抹輔助治療關節炎，也可添加于食品基質，通過口服攝入，在胃腸道消化過程中具有緩釋作用。

3 β-環糊精-姜黃素傳遞載體的分析和表征

一般而言，利用β-環糊精和姜黃素制備成傳遞載體后，姜黃素的供電子基團和發色基團進入β-環糊精空腔內，空腔內的高密度電子云與姜黃素苯環上的π電子流發生相互作用，從而使姜黃素的紫外吸收和熒光強度增強，在300～500 nm范圍內進行紫外波長掃描或者在450～600 nm范圍內進行熒光光譜掃描，根據波長遷移可以定性判斷β-環糊精對姜黃素的包埋效果。通過姜黃素的包埋率和負載率可以定量反映β-環糊精對姜黃素的包埋效果，包埋率是指被β-環糊精包埋的那部分姜黃素質量與全部姜黃素質量的百分比(%)，負載率是指被β-環糊精包埋的那部分姜黃素質量與整個傳遞載體質量的百分比(%)。計算包埋率和負載率的前提是需要對姜黃素進行定量檢測，可以使用紫外-可見分光光度計在444 nm波長下測定姜黃素的含量[33]，優點是簡便易操作，成本較低，節省時間，缺點是待測樣品中的其他成分也可能在444 nm下有光譜吸收，會對測量結果產生一定的干擾；也可以使用高壓液相色譜法對姜黃素進行定量檢測[34]，先將姜黃素通過色譜柱的洗脫與其他成分分離，然后通過檢測器定量分析，測定結果較準確，缺點是成本較高，消耗時間長。

常用于表征β-環糊精-姜黃素傳遞載體的方法包括紅外光譜(FTIR)、拉曼光譜(Raman)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)和示差掃描熱量儀(DSC)等。紅外光譜可用于表征β-環糊精和姜黃素分子之間的相互作用，主要反映分子的官能團變化，根據3300～3500 cm-1范圍內的波長遷移可以研究分子之間的氫鍵作用，根據1650 cm-1附近的波長遷移可以判斷分子之間的疏水效應等[35]。為了獲得更多分子間相互作用的信息，常采用拉曼光譜進行輔助判斷，拉曼光譜主要反映分子的骨架和生物大分子，由于環狀化合物在拉曼光譜可產生較強的譜帶，而姜黃素分子中含有2個苯環，因此拉曼光譜常用于分析姜黃素的變化[36]。利用掃描電鏡可以直觀地觀察β-環糊精-姜黃素傳遞載體的微觀形貌[37]，β-環糊精和姜黃素二者形成復合物之后的形貌與先前的形貌具有明顯差異，并且變得無規則化。在X射線衍射圖譜上，姜黃素的衍射角(2θ)位于7.83°，8.78°，11.99°，13.76°，15.79°，17.13°，21.01°，而β-環糊精的衍射角(2θ)位于10°～15°和15°～20°，將β-環糊精和姜黃素進行物理混合，這些特征衍射角基本不變，而制備成β-環糊精-姜黃素傳遞載體以后，特征衍射角消失或減弱，證實了β-環糊精和姜黃素二者之間形成復合物[38]。與此類似，通過示差掃描熱量儀觀察β-環糊精和姜黃素的熱分析圖譜，根據熱吸收峰的遷移變化也能證實β-環糊精和姜黃素二者并非簡單的物理混合，而是形成結合緊密的復合物。

4 β-環糊精-姜黃素傳遞載體在食品和調味品中的應用

β-環糊精作為傳遞載體已經廣泛應用于食品和調味品中并且取得了較好的效果。基于β-環糊精的傳遞載體可以提高姜黃素等一些不溶于水或難溶于水的物質的溶解性；通過包埋作用提高其對光、熱、氧和酸堿的穩定性，改變姜黃素在食品基質中的表面理化性質，例如色變和結塊等。β-環糊精-姜黃素傳遞載體有助于開發更多新穎的產品，例如將β-環糊精-姜黃素傳遞載體應用于香草冰激凌中，不僅賦予了冰激凌的色彩，而且增添了它獨特的品質和風味[39]。此外，β-環糊精-姜黃素傳遞載體還可以用于面食、糖果、果酒、罐頭、蛋白飲料及烹飪菜肴中，作為復合調味品添加于雞精復合調味料、火鍋調味醬、方便食品調味料、膨化調味料、膏狀香精香料、調味醬菜、牛肉干制品、方便面及薯片等中，在食品和調味品中應用范圍非常廣泛。

5 結論與展望

姜黃素作為一種調味品、天然色素和功能性活性物質，在食品和調味品應用中具有悠久的歷史，但是水溶性差、性質不穩定和生物利用率低一直都是限制其開發利用的難題。基于β-環糊精獨特的化學結構、良好的運載性能、可以有效克服姜黃素的特點，大大拓展了姜黃素在食品和調味品中的應用范圍。目前基于溶液的傳遞載體和基于固體顆粒的傳遞載體已經表現出很多實用的優點，但是基于凝膠的傳遞載體仍然值得進一步研究。由于凝膠自身獨特的結構特性和理化性質，可以預見，未來β-環糊精凝膠會在食品領域得到更廣泛的關注和研究，相信以后隨著新技術和新工藝的發展，β-環糊精-姜黃素傳遞載體能夠在食品工業中得到更多的應用。