姜黃素乳液的研究進展

曾慶晗,陳 帥,高彥祥

(北京食品營養與人類健康高精尖創新中心,中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

姜黃素被稱為姜黃根莖中的“黃色素”,是在姜科植物姜黃根莖中發現的飲食香料的活性成分,是一種具有活性功能的多酚類天然色素。姜黃素同時具有食用價值、醫藥價值和工業價值。作為一種常用的食用香料,姜黃素可賦予食物淡黃色,常用于烹飪[1];作為藥用成分,姜黃素在亞洲國家廣泛應用于各種疾病的治療至少已有2500年的歷史,具有抗腫瘤、抗炎、降血脂、抗老年癡呆等作用[2-3];而且其染色效果明顯強于其他天然色素以及合成色素如檸檬黃等。同時,姜黃素具有毒性低、不良反應小等特點,是目前世界上銷量最大的天然食用色素之一,已用于醫藥、食品等領域。但因其水溶性差、對光、熱較為敏感、遇氧穩定性差、單體的生物利用度低等缺點[4],在實際應用中常常受到一定限制。

近年來,乳液技術逐漸成為研究熱點,其在食品工業具有特殊的優勢。首先,可以提高運載生物活性成分的溶解度及穩定性,且較小的粒度對食品外觀影響較小;其次,運載物乳劑化后,活性成分能在人體中得到充分釋放,增強了活性成分原有功能或產生新功能。將姜黃素制備成乳液顆粒,可以在很大程度上解決其穩定性差、生物利用度低等缺點,逐步擴大其應用,具有十分廣闊的應用前景。本文主要闡述了姜黃素乳液的制備、穩定性及生物利用度的研究進展,并對其前景進行展望。

1 姜黃素的結構及功能

1.1 姜黃素的結構及性質

姜黃色素(Curcuminoid)一般主要包括姜黃素(Curcumin;77%)、脫甲氧基姜黃素(Demethoxycurcumin;17%)、雙脫甲氧基姜黃素(Bisdemethoxycurcumin;3%),三者結構相似[5],其結構式如圖1所示。其中姜黃素R1=R2=OCH3;脫甲氧基姜黃素R1=OCH3,R2=H;雙脫甲氧基姜黃素R1=R2=H。

圖1 姜黃色素的結構式Fig.1 Structural formula of curcuminoid

姜黃素是一種橙黃色結晶或結晶性粉末,帶有姜黃特有的氣味,熔點為183 ℃,分子式為C21H20O6,分子量為368.37 g/mol。姜黃素具有親脂性,難溶于水和乙醚,但易溶于乙醇、甲醇、丙二醇、冰醋酸及堿性溶劑等[5-6]。據報道,姜黃素在水中的溶解度僅有0.6 μg/mL,極大地限制了其在人體中的利用率[7]。而且姜黃素本身易氧化,在光、熱、金屬離子條件下容易降解,常常造成貯藏過程中色素的損失。此外,姜黃素的穩定性受pH影響較大,其可以穩定地保存在酸性和中性條件下,而當pH過高時,姜黃素分子兩端的羥基會發生電子云偏離的共軛效應而使姜黃素由黃變紅,顯示較差的穩定性[8]。

1.2 姜黃素的功能

作為一種天然色素,姜黃素具有一系列的藥理活性[9]。據記載,我國唐代藥學專著《唐本草》就有姜黃素入藥的記錄。《中國藥典》記載:姜黃根辛、苦、溫,歸脾、肝經,有破血行氣、通經止痛的功能,能夠用于胸肋刺痛、胸痹心痛、通經閉經、風濕肩臂疼痛、跌撲腫痛等[10]。

1.2.1 抗炎作用 醫藥學上,主要用一些甾類和非甾體抗炎藥(阿司匹林、布洛芬等)來治療炎癥性疾病,但是它們大多數都有副作用,長期使用會導致藥物依賴和腎上腺皮質功能衰退等。眾多研究表明,姜黃素具有良好的抗炎活性[11-12],其抗炎機制主要是姜黃素能夠抑制環氧化酶1,2、脂肪氧合酶、腫瘤壞死因子α、γ干擾素、誘導型一氧化氮合酶和核轉錄因子κB的作用[13]。牛成等[14]發現,姜黃素琥珀酸單酯和雙酯在大鼠足腫脹模型中表現出的抗炎效果與同等劑量下地塞米松的藥效相似,且更具有安全性。因此,在高效、低副作用的抗炎藥物的研制中,姜黃素具有較大的開發潛力。

1.2.2 抗氧化作用 姜黃素分子中含有酚羥基團,有很強的捕獲和清除自由基的能力[15-16],作為自由基清除劑,可直接中和環境中多余的自由基。有研究表明,姜黃素的羥基被其他官能團取代后,其清除自由基的能力普遍喪失[17]。此外,Jovanovic等[18]發現,姜黃素亞甲基中的氫解離也有助于其抗氧化活性,但其往往在偏酸性環境中表現出較高的活性,堿性條件下的反應則完全減弱。綜上所述,姜黃素可以作為多種活性氧的清除劑,防止活性氧對機體帶來的損傷。

1.2.3 抗腫瘤作用 大量研究表明,姜黃素可以抑制多種腫瘤細胞的生長,在預防多種癌癥,如肝癌、肺癌、乳腺癌等有一定的作用。其抗癌潛力源于它能夠抑制轉錄因子NF-κB、AP-1、Egr-1,下調COX2、LOX、NOS、MMPs等的表達,同時抑制多種酶的活性[19-20]。此外,也有證據表明姜黃素可以誘導腫瘤細胞凋亡。有學者探究了姜黃素納米微粒對人胃癌MGC803細胞凋亡機制的影響[21],結果發現,隨著劑量和時間的增加,姜黃素對胃癌細胞的抑制作用增強,使胃癌MGC803細胞阻滯于G2/M期;鄧珊等[22]發現姜黃素可使乳腺癌MCF-7細胞的周期阻滯在G0/G1期,誘導其凋亡。Mohandas等[23-24]通過流行病學研究發現,在印度,結腸癌、腺瘤、肺癌等發病率很低,這主要是因為其飲食中有很高水平的姜黃素等天然抗氧化劑的存在。姜黃素在抗腫瘤方面顯示出較大的潛力,研究人員應進一步揭示其抗腫瘤機制,將其開發為預防和治療腫瘤的一種新的靶向藥物,并逐步用于臨床。

1.2.4 抗老年癡呆作用 阿爾茲海默癥(Alzheimer’s disease,AD)是引發老年人癡呆的主要原因,姜黃素對于老年癡呆癥的治療主要是通過調控轉錄因子、細胞因子以及相關酶的活性來實現的。有研究人員開發了一種由姜黃素和褪黑素混合而成的化合物,作為AD的潛在抗病劑,這種化合物明顯降低了β淀粉樣蛋白在大腦的海馬和皮層區域的沉積,而且在口服50 mg/kg的劑量下治療12周后,也能夠減少氧化應激反應和炎癥反應[25-26]。這一發現無疑為治療這種可怕的疾病開創了一個新的方法和發展方向。

2 姜黃素乳液及其制備方法

姜黃素屬于脂溶性成分,人體攝入后只有很少量能被消化吸收,而且會很快代謝并排出體外,難以發揮其生理功效[4]。近年來,基于乳液的傳遞體系的穩定性正越來越多地應用于封裝親脂性生物活性成分。因此,可以將姜黃素制備成水包油乳液,減少環境應力對其的破壞,并在體內達到緩釋的效果,提高其穩定性和生物利用度。

2.1 姜黃素乳液簡介

姜黃素乳液主要由含有姜黃素的油相和水相混合而成,為了提升姜黃素的溶解度,首先將姜黃素溶解于各種油中制備出油相,再將該油相與含有乳化劑的水相混合,制備出姜黃素乳液。

油相是改善脂溶性生物活性分子溶解度的關鍵因素,姜黃素必須分散在合適的油相載體中,才能更好地納入乳液輸送體系以發揮其功效[27]。姜黃素在不同油相中溶解度差異顯著,許多研究表明姜黃素在中鏈甘油三酯(MCT)中溶解性較好。MCT無色無味,在低溫和高溫下抗氧化性能均較好,且不會發生大量聚合反應,因此在姜黃素乳液制備中被廣泛使用[28]。在前期實驗中,采用超聲促溶法將姜黃素溶解在不同的食品級油相中,發現其在中鏈甘油三酯(MCT)中的溶解度(12.4 mg/mL)是芥花籽油(4 mg/mL)近三倍,是亞麻籽油(7 mg/mL)、玉米油(6.2 mg/mL)和葵花籽油(5.4 mg/mL)的兩倍之多[29]。MCT顯示出最高的姜黃素溶解性,這與Joung等的結果相似[30]。同時,Ahmed等[31]發現,含有MCT作為脂質載體的乳劑能明顯提高姜黃素的生物利用度。

乳化劑決定了姜黃素乳液的性質,如液滴大小、表面電荷、穩定性等,其通常是由表面活性劑(吐溫系列、司盤系列等)或生物聚合物(蛋白質、多糖等)組成[32]。不同類型的乳化劑穩定的姜黃素乳液具有不同的性質,一般情況下,需選擇高親水親油平衡值(HLB)的乳化劑以制備O/W型姜黃素乳液。研究表明,含小分子乳化劑的乳液,如吐溫系列,表現出更小的液滴粒徑;而蛋白和多糖穩定的乳液粒徑較大,但在動力學穩定性方面變現更佳[33]。因此,在制備姜黃素乳液時,應結合乳液性質和用途選擇合適的油相及乳化劑。

2.2 姜黃素乳液制備方法

姜黃素乳液的制備實際上就是油相和水相均勻混合的過程,不同于其它水溶性物質,姜黃素乳液一般均為水包油型,即含有姜黃素的油相均勻分散在含有乳化劑的水相中。通常情況下,制備方法主要有高能乳化法和低能乳化法[34-35]。

2.2.1 高能制備法 高能乳化法主要利用機械設備產生強大的能量,打破油水相界面的能量壁壘,使油水兩相相互混合,油相形成較小的乳滴。高能乳化法主要包括高壓均質、微射流、超聲波等方法。

高壓均質法利用設備的剪切、撞擊、空化等作用,使液滴快速地發生作用,從而形成較小粒徑的乳狀液。馬培華等[29,36]采用高速剪切、高壓均質技術,以食品級的原料制備出姜黃素納米乳液,并探究乳液的貯藏穩定性,為拓寬姜黃素在食品工業中的應用提供參考,并逐步提高其溶解度和生物利用度。Joung等[30]以小分子乳化劑吐溫20通過高速勻漿器和高壓均質機制備姜黃素納米乳液,探究了乳化劑濃度對姜黃素納米乳液理化性質的影響,結果發現隨著乳化劑濃度的增加(0.97%上升到19.2%),乳液粒徑隨之減小,由126 nm降低到63 nm,且姜黃素的抗氧化活性有所提升。

微射流法與高壓均質法作用基本相似,二者均能產生粒徑較小、較為穩定的乳液,但微射流法能快速連續地制備乳液,而高壓均質法則需要經過多次均質。Raviadaran等[37]采用微射流和響應面法,從微射流壓力、循環次數和乳化劑濃度等方面對姜黃素乳液進行優化,在低乳化劑濃度(1%)和耗能低(350 bar、5次循環)的條件下,得到粒徑小(275.5 nm)、穩定性好的姜黃素微乳液。伍敏暉等[38]采用高壓微射流制備水包油型姜黃素乳液,通過改變均質壓力可以得到粒徑小于130 nm的穩定乳液,提高了姜黃素的穩定性。

超聲乳化法利用強烈的振動和空化作用打破油水界面,所得的乳液粒徑更小,但是由于超聲乳化法通常需要超聲探頭,所以一般只適用于少量樣品的制備[39-40]。有研究人員[35]采用高速剪切和超聲波乳化法制備姜黃素乳液,得到了粒徑210 nm的穩定乳液,并且提高了姜黃素的溶解度,達到了7.56 mg/mL。同時,其通過調整油相添加量、乳化劑添加量、超聲功率、超聲時間等參數,探究姜黃素乳液的穩定機理,為姜黃素乳液的開發提供技術和理論參考。此外,Anuchapreeda等[41]采用改性薄膜水合法成功地將姜黃素與納米脂質乳液顆粒結合,制備出了小粒徑(47～55 nm)、高負載、穩定性好、細胞毒性小的姜黃素乳液。

2.2.2 低能制備法 低能乳化法制備乳液則與界面動力學聯系緊密,主要是利用體系物理化學性質的變化,改變界面動力學參數,導致相轉變,進而得到乳液。低能乳化法根據體系自發曲率是否發生變化,主要分為自然乳化和相轉變乳化。

自然乳化法,即將油相與乳化劑混合,然后加入到水相中,經過輕微的攪拌形成乳液的方法。此法不需要強烈的機械攪拌,能自然形成乳液。相轉變乳化法常用的是相轉變溫度法,即通過加熱,使油相、水相及表面活性劑溫度上升到相轉變溫度附近,然后邊攪拌邊降溫,即可形成穩定的分散體系[42]。有研究表明,當體系中沒有乳化劑時,也能形成乳液體系,制備出的乳液性質主要由乳化劑和油相比值決定,一般情況下,比值越大,乳液粒徑越小[43-44]。Komaiko等[45]發現雖然增加乳液體系中乳化劑的量(乳化劑油相比SOR由0.1增加到1),但其粒徑仍然保持在微米級(約20 μm),明顯高于高能法制備的姜黃素乳液粒徑。

低能乳化法較之于高能乳化法,雖然輸入的能量較小,但制備出來的乳液粒徑明顯增大,且易受環境和諸多熱力學參數的影響。高能乳化法,尤其是高壓均質和微射流法生產能量大,制備的乳狀液粒徑小,分散度高,穩定性好,是目前最主要的乳液制備技術,在生產中得到了廣泛的應用[46]。

3 姜黃素乳液的穩定性

3.1 姜黃素乳液的失穩機理

從熱力學角度講,姜黃素乳液屬于熱力學不穩定體系,在其內部,相轉換、絮凝、聚集、分層、奧氏熟化等不穩定表現不斷進行,最終導致液滴完全聚集,乳液崩潰[47-48](表1)。

表1 姜黃素乳液的失穩機理(以O/W型姜黃素乳液為例)Table 1 Instability mechanism of curcumin emulsion(O/W type curcumin emulsion)

3.2 制備工藝對姜黃素乳液穩定性的影響

姜黃素乳液的理化性質會因均質條件、乳化劑種類及濃度、油相種類、乳化劑油相比(SOR)的變化而變化(表2)。

3.3 pH對姜黃素乳液穩定性的影響

pH對姜黃素乳液穩定性的影響主要有兩方面,一是酸堿度誘導姜黃素結構和理化穩定性的變化,二是pH的變化導致乳液液滴表面電荷改變,之間的靜電斥力隨之發生變化。

Kharat M[52]通過微射流法制備姜黃素水包油乳液,在30 d的貯藏期中,中堿性乳液(pH≥7)中姜黃素的殘留量有明顯的下降,而酸性乳液(pH<7)卻變化不大,殘留量分別為酸性85%、中性62%和堿性53%。而且,在調整pH的第一天,堿性乳液中姜黃素含量明顯低于酸性乳液,表明pH為堿性時姜黃素迅速降解。這主要是因為,姜黃素的疏水主鏈上附有極性基團,使其具有一些兩親特性,因此姜黃素會吸附到油水界面上。在堿性條件下,油水界面主要發生降解反應,姜黃素降解產物進入水相[53],油滴內部的姜黃素再被吸附而遷移到油水界面,導致降解進一步發生。在酸性條件下,姜黃素幾乎不發生降解,因此,姜黃素在酸性乳液中的穩定性好于堿性乳液。

pH對姜黃素乳液液滴表面電荷的影響主要和包封姜黃素的乳化劑等生物聚合物的性質有關,當以乳清分離蛋白(WPI)為乳化劑制備姜黃素乳液時,調節pH至WPI的等電點附近,乳液很可能會因為蛋白質絮凝而崩潰,大大降低了乳液的穩定性[54]。

3.4 溫度對姜黃素乳液穩定性的影響

姜黃素乳液本質上屬于熱力學不穩定體系,其內部分子時刻進行熱運動。當溫度升高時乳液體系能量隨之升高,熱運動加劇,液滴碰撞幾率增加,使已經分散的液滴很容易再發生聚集和沉降[55]。前期實驗中,采用避光保存的方式對姜黃素納米乳液進行不同溫度(4、25和55 ℃)的貯藏,并通過乳液粒徑和色素保留率評價姜黃素乳液的貯藏穩定性,結果發現,貯藏溫度越高,姜黃素納米乳液粒徑增加越大、色素保留率越低。4 ℃條件下,乳液表現出最小的粒徑變化率3.92%和最高的色素保留率85.02%,表明低溫條件有利于姜黃素乳液的穩定性。然而,伍敏暉等[56]將四種乳化劑穩定的姜黃素乳液分別置于不同溫度的水浴中加熱30 min,卻并未觀察到粒徑的增大。其原因可能是,液滴之間的靜電和空間斥力足以阻止短時間內液滴的聚集。通常情況下,溫度較高時,乳液顯示出較差的穩定性,同時高溫也會造成姜黃素的降解。因此,在姜黃素乳液貯藏時,應優先考慮低溫環境。

3.5 其他因素的影響

大量研究發現,將姜黃素制備成多重或多層乳液均使其穩定性發生變化。區別于傳統單層乳液,多重乳液是一種W/O和O/W型乳液共存,形成W/O/W型和O/W/O型乳液的復雜體系[57]。而多層乳液則是在單層乳液基礎上,通過層層靜電吸附法在界面上吸附一層帶相反電荷的生物聚合物,并重復該過程形成的[58]。

Aditya等[59]制備了一種親水性兒茶酚和疏水性姜黃素的W/O/W型雙乳液,發現提升了姜黃素的包封效率和在胃腸液中的穩定性。同時,乳液中姜黃素的生物利用度比單體姜黃素溶液中提升了4倍。Silva等[60]采用層層吸附法制備出殼聚糖穩定的乳清蛋白姜黃素乳液,結果表明,納米乳液和多層納米乳液均提升了姜黃素的抗氧化能力和穩定性,但雙層乳液作用更加明顯。

表2 制備工藝對姜黃素乳液穩定性的影響Table 2 Effect of preparation technology on the stability of curcumin emulsion

在為期35 d的低溫避光貯藏實驗中,多層乳液并未出現不穩定現象。Li等[61]采用MCT、吐溫80和卵磷脂制成姜黃素納米乳液,并分別用低、中、高分子量的殼聚糖對其進行包覆制備雙層乳液,研究發現,雙層乳液較單層乳液進一步提升了姜黃素在鹽離子、熱、紫外照射條件下的穩定性,但略微降低了姜黃素的生物利用度。但需要注意的是,在構建姜黃素多層乳液時應當充分考慮界面層生物聚合物的性質及相互作用,以免發生絮凝、沉淀等不穩定現象發生。

4 姜黃素乳液的生物利用度

作為功能活性因子,姜黃素需要較高的濃度才能顯示其治療效果。因此,在乳液遞送體系研究中,生物活性分子的高包封率和高生物利用度是先決條件之一。近年來,研究人員為此開展了大量研究,發現對乳化劑進行復配和改性以及對乳液進行生物聚合物的覆合是兩條可行的途徑。

Pan等[62]采用琥珀酸苷對乳清分離蛋白(WPI)及其水解產物(WPH)進行改性,作為新型乳化劑來制備姜黃素乳液。結果發現,酰基化后WPI和WPH的溶解度、乳化性和水油結合能力均得到了提升,同時也提升了乳液的穩定性。模擬消化實驗表明,酰基化后乳液中姜黃素的生物利用度均有顯著性的提升。這可能是因為,酰基化后的乳劑增加了姜黃素進入膠束相的量。馮濤等[63]利用直鏈淀粉經酶解脫支,得到不易被胃腸道中酸和酶降解的短鏈葡聚糖對姜黃素進行包封,并與吐溫80和卵磷脂等乳化劑進行復配使用。結果發現,短鏈葡聚糖-姜黃素納米乳液成功制備,且穩定性很好;經酶解脫支和復配后,延長了被包封的姜黃素的消化時間,使其得以靶向釋放,提升了其生物利用度。匡建[64]使用季銨鹽型雙子表面活性劑(其特點在于可以通過改變中間連接基團等,并控制分子間的相互作用,產生不同類型的聚集體),制備姜黃素微乳液,發現其耐堿性有一定的提升,隨著雙子表面活性劑含量降低,乳液對姜黃素的載藥量和包封率不斷增加,且緩釋效果不斷提升。此外,有研究人員在姜黃素乳液表面覆合上一層生物聚合物,例如殼聚糖、海藻酸鹽等,制備出多層乳液,結果發現,聚電解質層沉積進一步提升了姜黃素體外消化和抗氧化能力,但有時也會略微降低其生物利用度[60,65-66]。

近年來,在消化模型上,研究重心逐漸從體外模擬胃腸道模型轉向體內消化模型。楊梅、雷婷婷等[67-68]建立大鼠模型研究姜黃素體內吸收情況;Shen等[69]探究了以線蟲(與人類基因同源性很高)為模型的姜黃素生物活性研究,發現納米乳液增加了姜黃素的積累量,并可能進一步增強其體內吸收和生物利用度,取得了較好的研究進展。

5 姜黃素乳液的應用前景

目前,姜黃素在國內外主要作為調味品和色素廣泛應用于食品工業中。印度人喜歡使用咖喱,其中就含有較多的姜黃素,據資料顯示,印度人每天姜黃素攝入量多達100 mg[23-24]。中東地區常見的烤肉卷、泰國菜肴中常用的調味品以及芥菜醬中均可見到姜黃素的身影。國內已開發出質量較高的水溶性和油溶性姜黃素產品,并通過復配生產出多種色調的姜黃素,已廣泛應用于面食、飲料、果酒及烹飪菜肴等。有研究人員探究了天然姜黃素在果蔬飲料中的應用,糖和果酸對色素影響的實驗中發現,在飲料工藝的正常加工條件下,姜黃素的耐熱性優于常用的β-胡蘿卜素及梔子黃,以姜黃素為基礎在飲料生產中進行復配,也優于二者。因此,姜黃素應用于果蔬飲料作為基礎色調具有很大的優勢[70]。為進一步擴大其在食品中的應用,研究人員將姜黃素乳液加到牛奶中,發現在貯藏期內牛奶中脂質的氧化有了明顯降低[30]，且對巴氏殺菌穩定[44]。這些發現均表明,姜黃素及其乳液在食品工業尤其是飲品中具有廣闊的前景。

在醫藥學領域內,已有大量體外研究發現姜黃素乳液對于提升色素的抗氧化、抗炎、抗腫瘤等功效具有顯著地提升,這也在體外實驗和動物實驗中被證實[10-15,21-22,71]。同時,乳液對姜黃素具有良好的保護、傳遞以及控釋效果,因此,姜黃素乳液可應用于功能食品以及藥品的開發。

6 結語

近年來,利用乳液包封、傳遞姜黃素,提升了其溶解性、穩定性、功能活性和生物利用度,在食品、醫藥等行業引起了越來越多的關注。通常情況下,姜黃素乳液具有較小的粒徑,使其具有更好的動力學穩定性。然而,其易受環境因素的影響出現不穩定現象,尤其在胃腸道復雜環境下(生理pH、離子強度、酶等)和復雜的食品體系中影響更大。同時,仍有學者擔心其應用于人體后潛在的安全性問題。因此,姜黃素乳液的包封材料、技術還需進一步的研究,諸如開發穩定性更佳的雙層乳液的新壁材;進一步探究姜黃素發揮各種功能活性的機制及繪制其在生理消化過程中的物理、化學和生物圖譜(使用體外、體內和臨床試驗);探究制備姜黃素乳液的各種乳化劑、油相等在復雜食品體系中與食品基質間的反應等。最終,設計出富含姜黃素的食品、藥品以及保健品。