蝦青素制劑技術及其對蝦青素穩定性影響的研究進展

彭 宇，任曉麗，陳 林，劉天中

(1.中國科學院 青島生物能源與過程研究所，山東 青島 266101； 2.中國海洋大學 食品科學與工程學院， 山東 青島 266101； 3.中國科學院大學，北京 100049)

蝦青素(化學名稱3，3′-二羥基-4，4-二酮基-β，β′-胡蘿卜素，分子式為C40H52O4)是一種脂溶性的酮式類胡蘿卜素，具有極強的抗氧化能力，其抗氧化活性是維生素E的500倍[1]，是β-胡蘿卜素的38倍[2]。臨床實驗和動物實驗證明，蝦青素在以下方面具有顯著效果：①淬滅機體內自由基和活性氧、終止自由基鏈式反應，保護有機體免受氧化傷害[3]；②減小心肌血栓，降低血壓，治療心腦血管疾?。虎鄯乐挂认佴?細胞的高血糖氧化損傷和恢復淋巴細胞的功能，緩解糖尿病癥狀；④防止UV-C誘導的皮膚加厚和膠原蛋白降解等皮膚損傷；⑤治療眼部感染；⑥緩解疲勞和焦慮；⑦免疫調節等。因此，蝦青素在食品、營養醫學、飼料和化妝品等行業都有廣泛的應用[4]。

目前，最主要的天然蝦青素來源是微藻雨生紅球藻[5]。雨生紅球藻厚壁孢子中蝦青素含量最高達到細胞干重的7%[6]。蝦青素分子兩端各有一個羥基，能與脂肪酸發生反應生成蝦青素酯。雨生紅球藻胞內蝦青素主要為酯化蝦青素和少量的游離蝦青素。2010年，衛生部批準雨生紅球藻為新資源食品；自2012年以來，國家食品藥品監督管理局陸續批準了多種雨生紅球藻來源蝦青素的保健食品，這些舉措對推動蝦青素產品的研究開發及產業快速發展具有積極意義。

蝦青素是具有多個共軛雙鍵的萜烯基團化合物，對光、氧、溫度等因素敏感，容易發生降解反應而失去生物活性[3]。此外，蝦青素不溶于水，也影響了其生物利用度。近年來，一些研究開始探究儲藏及加工條件對蝦青素穩定性的影響，證實了通過控制加工和制劑條件可以提高蝦青素的穩定性和生物利用度。本文綜述了蝦青素制劑技術及其對蝦青素穩定性影響的研究進展，旨在為天然蝦青素的進一步開發利用提供理論參考。

1 蝦青素的化學降解過程

蝦青素分子由位于兩側的羥基和羰基取代的紫羅蘭酮環和中央多聚烯鏈組成。由于分子結構中羥基酯化程度區別，蝦青素有游離態、單酯和雙酯3種[7]。由于分子結構中存在兩個手性碳原子，因而蝦青素存在左旋、右旋和內消旋體3種旋光異構體[7]。此外，由于長烯烴鏈中雙鍵的順反式，蝦青素存在全反式結構和多種順式異構體[8]，其中主要的順式異構體有9-順式蝦青素、13-順式蝦青素和15-順式蝦青素。3種常見的蝦青素幾何異構體的分子結構見圖1。結構上的區別決定其生理生化功能和生物活性存在很大差異，如左旋異構體的抗氧化性能強于右旋異構體和內消旋異構體[7]，9-順式蝦青素較13-順式和全反式蝦青素的生物利用度更高[9]。

圖1 3種常見的蝦青素幾何異構體的分子結構

研究報道，蝦青素易發生化學降解而出現生物活性降低、褪色等。酯化蝦青素在長期儲存中發生水解反應生成游離蝦青素[10]，而游離蝦青素更容易發生降解反應。Yang[9]、Zhao等[11]發現在紫外照射、微波輻射誘導下，全反式蝦青素發生向9-順式異構體和13-順式異構體的轉化，吸收光譜藍移2～10 nm并出現褪色現象，同時引起劇烈的全反式蝦青素降解，載色體降解斷裂，光譜向紫外漂移最終失去顏色[9]。蝦青素異構化過程中發生分子扭轉，導致的不成對自旋容易與氧反應，進而生成環氧化物、羰基化合物和不特定的低聚物，之后繼續氧化生成短支鏈的羰基化合物、二氧化碳和羧酸鏈[12]。Mendes-Pinto等[13]發現蝦青素末端紫羅蘭酮環，在堿性環境中逐步脫去2個或4個氫原子生成半蝦紅素和蝦紅素。之后，進一步的氧化反應可能與類胡蘿卜素類似，發生環氧化反應和羥基化反應。這一過程中可能涉及了雙鍵被單線態氧攻擊，氧化生成正離子自由基[14]。其氧化降解可以被直接過氧化加速，或者被脂肪酸氧化產生的自由基間接加速。根據其種類和化學鍵斷裂位置的不同，可生成多種衍生物，如維生素、植物激素及芳香類化合物等[15]。然而，蝦青素的具體降解過程目前還尚未明確。

2 蝦青素制劑技術及不同劑型中蝦青素的穩定性

蝦青素分子自被提取出之后就失去了細胞的保護，與環境因素直接接觸而更容易發生氧化降解從而失去生物活性，如藻油中類胡蘿卜素在不加保護條件下儲存30 d就幾乎全部降解[16]。此外，蝦青素的水溶性差，并且由于具有特殊的藻腥味，使其不能滿足某些特殊需求。為符合食品和化妝品等行業使用需求，必須提高蝦青素的穩定性而便于儲存，同時為針對特殊應用而需要改善蝦青素的水溶性或水分散性，以及掩蓋氣味，因此通常借鑒藥劑學方法，將蝦青素制備成符合應用的形式。

2.1 傳統蝦青素制劑技術及其對蝦青素穩定性的影響

蝦青素油脂是最早出現的蝦青素產品，也是目前使用最廣泛的劑型，通常有1%、5%和10%等規格。為使用方便，通常將高濃度蝦青素油溶解于食用油脂中，密封于明膠等軟質囊材中形成膠囊劑。如美國西亞諾泰克的BioAstin、日本富士化學的AstaReal、我國荊州天然蝦青素公司的艾詩特等品牌的10%蝦青素油脂或軟膠囊等。蝦青素油脂和軟膠囊屬于傳統制劑技術，制備技術簡單。蝦青素產品的穩定性通常受到分散劑、保護劑，以及產品中微量雜質和pH等因素的影響。

2.1.1 分散劑對蝦青素制劑穩定性的影響

蝦青素是脂溶性的，但終產品則依客戶要求而制備成油劑或水劑。Rao等[17]比較蝦青素保存在油脂和水劑中的穩定性差異，發現蝦青素分散于植物油中在70℃下8 h后的含量大于84%，特別是在棕櫚油中即使保存于更高溫度(90℃)下仍有90%的有效成分，而在同等條件下分散于水劑中僅有10%的蝦青素維持穩定。從蝦殼中提取的蝦青素，在亞麻籽油中保存于30℃下，其氧化降解速率低，同時也降低了亞麻籽油的脂質氧化速率[18]；在油劑中保存8周以上，蝦青素無明顯降解[19]。因此，通過將蝦青素溶入植物油中而形成油分散型制劑，以提高其穩定性，是最常見的產品劑型之一。

2.1.2 保護劑對蝦青素制劑穩定性的影響

為提高蝦青素的穩定性，延長產品保質期，通常需要在產品中加入保護劑，如添加抗氧化劑[16，20-21]。維生素E是一種脂溶性維生素類抗氧化劑，其添加可顯著抑制蝦青素的降解。當維生素E添加量為0.05%時，蝦青素的降解率僅為不添加保護劑的11.9%[21]。Tamjidi等[20]的研究也證明了維生素E對蝦青素的保護效果。維生素C也抑制蝦青素的降解，但是效果沒有維生素E強[16，20]。通過添加離子螯合劑，如乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)，可掩蔽金屬離子對蝦青素的降解作用。Zhou等[21]發現當添加0.05%的EDTA時，蝦青素的降解率僅為不添加保護劑的1.4%。離子螯合劑對蝦青素降解的抑制作用甚至優于抗氧化劑[20]。關于抗氧化劑和離子螯合劑合并使用對蝦青素穩定性的影響，Tamjidi等[20]認為二者結合使用的效果好于單獨使用，而Zhou等[21]則認為相反，因此需要更多的深入研究加以驗證。

2.1.3 雜質及pH對蝦青素制劑穩定性的影響

研究表明分散劑中的金屬離子雜質和pH也影響蝦青素的穩定性。銅離子、二價鐵離子和鐵離子等明顯降低蝦青素的穩定性[22]。尤其是Fe2+，即使在無光條件下也能誘導蝦青素發生氧化降解[22]。而鈣、鎂、鉀、鈉、鋅等金屬離子對蝦青素穩定性的影響不顯著[22-23]。短時間的酸性或堿性環境接觸對蝦青素化學穩定性影響不大，如在1 mol/L鹽酸中1 h蝦青素也未發生明顯的結構變化[24]，但是在長期弱酸條件下化學穩定性變差[25]；相反，在中性和弱堿性環境中蝦青素則表現得相當穩定[22-23]。因此，蝦青素提取物在制備過程中宜在中性和弱堿性環境中進行，且需要防止原料藻粉和加工過程的金屬離子導入，并在灌裝時避免金屬離子的接觸。

2.2 新型蝦青素制劑技術及其對蝦青素穩定性的影響

隨著蝦青素產品應用多元化和藥劑學方法的發展，一些新的產品形態，包括固態微/納米顆粒、水分散體系、超分子水溶液等逐步出現，其中已有部分類別的蝦青素產品問世。

2.2.1 蝦青素微/納米顆粒(固體分散型)

微/納米顆粒是由高分子材料包裹有效成分(囊心物)形成的微小貯庫型結構，直徑在微米范圍內的稱微囊和微球，直徑在納米范圍內的則稱為納米囊或納米球。微/納米顆粒制品屬于固體分散型制劑，具有水分散性能良好、物理化學性質穩定的特點，便于后期儲存及使用，還可以通過調節囊材以實現緩釋功能。目前，市場上的蝦青素顆粒制品主要包括日本富士化學的AstaReal EL25、以色列 AlgaTech 的AstaPure系列和我國荊州天然蝦青素公司的Asta-CWD2微囊粉劑等。

用于蝦青素微/納米顆粒的囊材或骨架包括多種天然聚合物，如海藻酸鈉[26]、酪蛋白、乳糖和葡萄糖美拉德反應產物[27]、槚如樹膠和明膠復合凝聚物[28]；或化學合成聚合物，如辛烯基琥珀酸淀粉酯[29-30]、羥丙基-β-環糊精[31]、聚(環氧乙烷)-4-甲氧基肉桂?；彵蕉柞；鶜ぞ厶荹32]、聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共聚物[33-34]等，具體見表1。

表1 蝦青素產品的微/納米顆粒制備技術

噴霧干燥法是目前蝦青素顆粒生產中最常用的方法。其過程是先將蝦青素油與囊材溶液通過均質形成穩定的水包油(O/W)乳化體系，再將乳化液噴入惰性熱氣流使液滴收縮成球形，進而干燥固化。噴霧干燥法使用的囊材有酪蛋白、乳糖和葡萄糖美拉德反應產物[27]、辛烯基琥珀酸淀粉酯[29-30]和羥丙基-β-環糊精[31]等。通過優化囊心物與囊材比例、均質壓力、噴霧干燥的進出口溫度等工藝參數，能夠實現90%以上的蝦青素包封率[27，29，31]。如黃文哲等[29]在辛烯基琥珀酸淀粉酯與麥芽糊精比例1∶1、均質壓力50 MPa、進口溫度190℃、出口溫度90℃條件下，蝦青素包封率達到98.3%。通過噴霧干燥法制備的蝦青素微囊，能夠明顯減少蝦青素的氧化降解[27，29-30]，提高蝦青素穩定性近8倍[29]。噴霧干燥微囊化技術由于干燥時間短、單元操作簡便、處理量大、連續生產等優點而廣泛用于活性物質的包封，但是噴霧干燥法一般只能制備微米級顆粒。需要注意的是，在噴霧干燥過程一定要嚴格控制溫度，否則蝦青素等熱敏性物質的活性損失較大。

相分離法是一種新的微囊化方法，通過調整條件使囊心物與囊材在液相中形成新相析出，從而實現微囊化。凝聚法是其中應用最早且最廣泛的方法，包括水相凝聚法(單凝聚法和復凝聚法)和有機相凝聚法。單凝聚法是用一種高分子材料加入凝聚劑使之凝聚成囊，固化定型。Park等[26]利用蝦青素油和海藻酸鈉，與吐溫80形成O/W乳化體系，噴射進入氯化鈣溶液中固化形成微膠囊。復凝聚法是利用兩種帶有相反電荷的高分子材料以離子間的作用相互交聯，從而形成復合型囊材的微膠囊。Gomez-Estaca等[28]利用槚如樹膠和明膠為囊材采用復凝聚法制備多核多態的微囊。在水相凝聚法中通過調整pH、離子強度和溫度等工藝參數，可以控制顆粒直徑，從而改善蝦青素包封率。如在pH 4～4.5時，以槚如樹膠和明膠為囊材形成的復凝聚微膠囊對蝦青素的包封率59.9%[28]。隨微球粒徑的增大，蝦青素包封率明顯提高。當平均粒徑為210 μm時，海藻酸鈉形成的單凝聚微膠囊對蝦青素的包封率達到75.7%[26]。有機相凝聚法在蝦青素微/納米顆粒制備過程中使用較少見。Tachaprutinun等[32]將蝦青素和聚(環氧乙烷)-4-甲氧基肉桂?；彵蕉柞；鶜ぞ厶?PCPLC)或者乙烯醇-乙烯基-4-甲氧基肉桂酸酯共聚物(PB4)溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中，再將有機相溶液通過水透析，隨著DMF與水互換，蝦青素-聚合物納米囊逐漸發生自乳化，并沉淀析出，最終形成聚合物納米顆粒。比較不同相分離法制備的蝦青素微囊，水相凝聚法所得蝦青素微囊粒徑一般在微米級[26，28]，而通過有機相凝聚法可得到粒徑300 nm的納米顆粒[32]；另一方面，水相凝聚法所得微囊的蝦青素包封率較低(59.9%)[28]，而有機相凝聚法所得微囊的包封率可高達98%[32]。通過相分離法制備微囊可有效地減緩蝦青素降解，提高蝦青素的穩定性[26，28，32]；大大改善了蝦青素的水分散性能，表現出很好的水分散性[32]，如蝦青素微囊可很好地溶解于原味酸奶中，并且在36℃下儲藏43 d未發現脂肪氧化產物[28]。此外，蝦青素納米顆粒還表現出良好的緩控釋性能，如PCPLC納米粒的凍干粉在丙酮中實現穩定的蝦青素釋放，60 min最高釋放85%[32]。相分離技術包封過程不需要熱處理且不需要特定設備，特別適用于包封熱敏性物質制備微米或納米粒，實現了高效負載和緩控釋，但是凝聚過程中涉及有毒有機溶劑的使用，存在溶劑殘留的安全風險，而且依賴于冷凍干燥等技術。

超臨界流體技術也應用于蝦青素微/納米顆粒的制備。超臨界流體快速膨脹技術(RESS)是將溶質高濃度溶解于超臨界流體中，之后通過快速減壓膨脹，使溶質在瞬間達到高度過飽和，并形成大量晶核，從而生成大量微小的、粒度分布均勻的超微顆粒。Quan等[35]利用RESS制備了平均粒徑500 nm的蝦青素納米顆粒，其粒徑是自然條件下形成的蝦青素晶體(約5 μm)的1/10。這一方法制備的納米顆?？梢酝ㄟ^超聲形成水分散體系。另一種超臨界流體技術是超臨界流體抗溶劑技術(SAS)。Machado等[33-34]利用超臨界CO2作為抗溶劑制備蝦青素和聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共聚物的共沉淀納米顆粒。當使用二氯甲烷作為共溶劑時的蝦青素最高包封率達到51.20%，在壓力為100 MPa時所得粒徑為128 nm。但是，超臨界流體技術必須使用高壓容器，對生產設備要求高，存在初始投資大、生產成本高等缺點。

2.2.2 蝦青素水分散體系(乳劑型)

目前，蝦青素也有制備成乳劑產品出售，如AstaReal?Water Soluble、荊州天然蝦青素公司的Asta-W05乳劑等。蝦青素乳劑可與水任意比例互溶，易于在食品、化妝品等含水量大的體系中得到應用。

蝦青素乳劑的制備過程是將蝦青素與乳化劑、助乳化劑和水等按一定比例溶解調制成均相的液體制劑。其重要的指標要求是乳化分散性和分散液的穩定性。蝦青素乳劑制備常用的乳化劑有酪蛋白酸鈉[25，36]、吐溫[20-21]、卵磷脂和殼聚糖[37]、聚山梨醇酯20和阿拉伯膠[36]。通過調整乳化體系pH、蝦青素和乳化劑量比、助乳化劑量等工藝參數，并采用高速均質、高壓微射流[21]、超聲[20，37]等均質方法，蝦青素可以形成粒徑幾十到幾百納米的穩定乳化體系。研究發現溫度、pH和離子強度影響蝦青素乳劑的物理穩定性。pH在酪蛋白等電點附近時，蝦青素會形成高度不穩定的液滴凝聚[25]。Zhou等[21]將蝦青素乙酸丁酯溶液加入吐溫和乙醇水溶液中，再依次經高速均質、高壓微射流乳化后，形成的乳化體系在20 d不發生變化。Tamjidi等[20]以吐溫80作為乳化劑，經過攪拌和超聲乳化后形成的蝦青素乳化體系15 d不發生明顯聚集。在穩定的乳化體系中，蝦青素降解速率和損失率顯著降低。Anarjan等[36]以聚山梨醇酯20、酪蛋白酸鈉和阿拉伯膠混合乳化劑制備了蝦青素納米分散體系，8周的蝦青素損失率僅5%；當將蝦青素納米乳化液添加至橘子汁和牛奶中時，蝦青素的生物可利用度明顯提高[38]。

2.2.3 蝦青素超分子水溶液(溶液型)

蝦青素固態粉末和乳劑型產品分散于水中后形成乳化體系，不能形成透明的蝦青素水溶液。近年來，一些學者開發出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，形成包結物的技術，即主客體包結絡合技術，將蝦青素分子通過分子間弱相互作用包結于親水大分子的疏水空腔內，可形成超分子結構的包合物[39]。Chen等[40]利用β-環糊精作為外部骨架，與蝦青素形成蝦青素-β-環糊精包合物，蝦青素溶解度提高至接近0.5 mg/mL。進一步地，Yuan等[41]利用水溶性更高的羥丙基-β-環糊精(HPCD)作為主體分子，在蝦青素和HPCD分子比2∶1時包結絡合，形成蝦青素包合物的溶解度提高到1 mg/mL，并實現了蝦青素的緩控釋和熱穩定。利用主客體包結絡合技術制備的蝦青素包合物是一種分子包埋技術，不僅改善蝦青素的水溶性，也保護其免受環境影響而降解失活。但是，目前主客體包結絡合技術對蝦青素的包合效率和形成包合物的溶解度還較低，羥丙基-β-環糊精作為主體分子的成本也較高，該技術還有待進一步研究。

2.3 蝦青素制劑包裝技術對蝦青素穩定性的影響

蝦青素經過加工制備成油脂、固體粉末、乳劑或水溶液后，需要經過包裝以進一步保護其功能、儲存和應用，即利用適當的材料或容器進行分、封裝等操作。研究發現，蝦青素的穩定性受到光照、溫度、氧濃度等環境因素的影響。高光照會導致蝦青素氧化降解。蝦青素在UV-C和日光燈下的降解速率分別是黑暗條件下的13倍和7.9倍[36]。劉鐵楠等[42]發現連續日光照射24 h，蝦青素即被完全破壞；室內自然光下，24 h后蝦青素含量為70%；避光保存時，蝦青素基本不會遭到破壞。低溫有利于維持蝦青素的穩定性。王紅霞等[43]發現儲藏溫度高于70℃時，蝦青素發生明顯的降解。此外，通過降低包裝中的氧濃度可以延長蝦青素穩定時間，在真空環境下較充氮環境更為有利[16，44]。通過包裝技術為蝦青素制劑創造合適的微環境，以避免與不利環境因素的接觸，將有利于蝦青素的長期儲存。如通過選擇遮光性好、透氧度小的包裝材料，并結合脫氧劑制造避光、無氧環境，并在低溫下保存，可以大大延長蝦青素穩定時間[19，36]，也可以通過向包裝瓶中通入氮氣來保護蝦青素[44]。

3 展 望

目前，市場上傳統的蝦青素油脂和軟膠囊產品仍然占主要份額，但新的蝦青素制劑產品呈逐年增長的趨勢。這很大程度上是因為新型制劑技術使蝦青素的穩定性和生物利用度得到提高且水溶性得以改善，使其得到更廣泛的應用。同時，新型制劑技術有著加工溫度低、可實現高效負載和緩控釋等優點，相對傳統劑型有更好的工業化應用前景。但是，溶劑殘留風險、對生產設備要求高、初始投資大等缺點是目前限制其發展的主要因素。未來要實現蝦青素大規模工業化生產還要依賴于人們對蝦青素穩定性和水溶性的改善、產品安全性和生產成本控制等多方面同步探索和推動。