遞送體系運載β-胡蘿卜素的研究進展

張新，潘麗，李雪琴，尚方園

(河南工業大學 糧油食品學院，河南 鄭州，450001)

β-胡蘿卜素是自然界中廣泛存在的天然色素。β-胡蘿卜素具有多種生理功能，被廣泛應用于功能性食品中[1]。由于β-胡蘿卜素屬于脂溶性物質，難溶于水，人體直接攝入的β-胡蘿卜素通常吸收性差，生物利用率低，并且β-胡蘿卜素極其不穩定，對光、氧和熱敏感，易被降解和異構化，從而使β-胡蘿卜素的生物活性大大降低，限制了其在醫藥、食品、化妝品等領域的應用。為了提高β-胡蘿卜素的水溶性、穩定性以及生物利用率，在過去的幾十年里，人們對其進行了大量的研究。將β-胡蘿卜素封裝到合適的遞送載體中是提高其水溶性、穩定性以及生物利用率的有效方法。目前，主要應用的運載體系有脂質體、乳液、β-環糊精、微膠囊以及固體脂質納米顆粒等。本文綜述了近年來利用不同體系運載β-胡蘿卜素的研究進展。

1 β-胡蘿卜素簡介

1.1 β-胡蘿卜素的結構與性質

β-胡蘿卜素是一種四萜烯類化合物，是最重要的類胡蘿卜素之一，分子式為C40H56，相對分子質量為536.88，分子結構式如圖1所示。β-胡蘿卜素主要由2個紫羅蘭酮環和多個共軛烯烴雙鍵構成，屬于多烯色素。β-胡蘿卜素在室溫下呈結晶狀，是一種暗紅色粉末，稀溶液呈橙色或黃色，略有臭味，不溶于水，易溶于二硫化碳、二氯甲烷及三氯甲烷等有機溶劑，微溶于乙醚、石油醚和環己烷。β-胡蘿卜素對光、氧及熱很敏感，容易被降解。β-胡蘿卜素具有較高的維生素A活性，其維生素A活性在類胡蘿卜素中位列第一[2]。

圖1 全反式β-胡蘿卜素的分子結構式Fig.1 Molecular structural formula of all-trans β-carotene

1.2 β-胡蘿卜素的生理功能

β-胡蘿卜素具有抗氧化性、抗癌、增強免疫力以及提高繁殖性能等生理功能。β-胡蘿卜素中所含的共軛雙鍵能夠吸收未配對的電子，可以有效清除人體內的自由基和活性氧[3]；其還能抑制皮膚中脂肪過氧化物的生成，增強皮膚彈性[4]，可以作為口服防曬霜。β-胡蘿卜素能通過抑制細胞周期進程和影響細胞間信號傳遞，如抑制癌細胞增殖或誘導癌細胞凋亡等達到抗癌的效果，其還能通過多種途徑從蛋白或者核酸的水平來影響機體免疫系統，增強機體免疫力。研究表明，攝入一定量的β-胡蘿卜素有益于人體健康，例如可預防黃斑變性、白內障或心血管疾病等[5-7]。給動物飼喂一定量的β-胡蘿卜素還能達到提高動物繁殖性能的目的[8-9]。此外，作為活性最高的維生素A前體物質，β-胡蘿卜素還具有抗炎、保護視力、促進細胞分裂等生理功能。β-胡蘿卜素的多種生理功能使其成為人類飲食中重要的營養素之一。

1.3 β-胡蘿卜素的生物利用率

β-胡蘿卜素的生物利用率是指攝入的β-胡蘿卜素可用于生理功能的部分所占比例。研究表明，一個健康的成年人對日常飲食中攝取的β-胡蘿卜素的吸收率只有14%左右[10]。全反式β-胡蘿卜素與順式β-胡蘿卜素相比更不容易溶解，生物利用率更低[11]。人體吸收β-胡蘿卜素通常是在小腸階段進行的，β-胡蘿卜素進入人體經胃腸消化后到達小腸，通過被動擴散被小腸吸收[12]。因此，人們常采用體外消化試驗來評價β-胡蘿卜素的生物利用率[13]。為了提高β-胡蘿卜素的水溶性、穩定性以及生物利用率，研究者采用多種手段將β-胡蘿卜素進行包埋[14]，一方面能防止其被氧化降解，增強水溶性和穩定性，另一方面還能將其輸送到易于人體吸收的特定位置，提高生物利用率。

2 體系運載β-胡蘿卜素

2.1 脂質體運載β-胡蘿卜素

脂質體是由磷脂組成的球狀雙分子層或多層囊泡，粒徑通?？刂圃? 000 nm內，低于100 nm的一般稱納米脂質體。由于其獨特的性質，如控釋性能、生物相容性和保護作用等，常被用作藥物輸送系統[15]。

MORAES等[16]通過噴霧干燥法得到的β-胡蘿卜素脂質體粉末在真空下冷藏貯存60 d后，β-胡蘿卜素的降解率不足10%，顯著提高了β-胡蘿卜素的貯存穩定性。TAN等[17]用薄膜蒸發法制備了β-胡蘿卜素納米脂質體，并對其DPPH自由基清除率、鐵離子還原能力以及脂質過氧化抑制能力進行測定，研究發現脂質體包埋后的β-胡蘿卜素抗氧化能力顯著增強，同時還發現β-胡蘿卜素的載入提高了脂質體的穩定性，二者之間存在著協同保護作用。TONIAZZO等[18]向負載β-胡蘿卜素的脂質體中加入黃原膠和瓜爾豆膠，研究發現這2種混合物可顯著提高脂質體在貯藏過程中的穩定性，3個月后被包埋的β-胡蘿卜素的保留率依然高達90%。鄭景霞[19]制備了β-胡蘿卜素-薏苡仁油復合脂質體，發現復合脂質體較普通脂質體分散更均勻、抗氧化能力更強，用果膠和殼聚糖對脂質體修飾后還提高了β-胡蘿卜素的貯藏穩定性和緩釋作用。

脂質體不僅可以運載脂溶性物質，還可以運載水溶性物質，特殊的結構使其具有較強的細胞親和力，能被很好地吸收利用。此外，脂質體的粒徑小、電位絕對值高、靶向性能好以及包封率高，并且油脂含量低，還可根據需求調控其囊泡的大小。脂質體的諸多優點使它得到了廣泛的應用，但是也存在一定的缺點，如脂質體在貯藏過程中極易受外界影響而發生沉淀，在食品行業的應用依然受到一定的限制。

2.2 乳液運載β-胡蘿卜素

乳液即一相液體以微小液滴狀態分散于另一相液體中形成的非均相液體分散系，一般由3部分組成：連續相、分散相和乳化劑。過去乳液運載功能因子主要應用在醫藥領域，近年來隨著保健食品的發展，乳液在運載食品功能因子方面得到了廣泛的研究與應用[20]。

FU等[21]將β-胡蘿卜素包裹在由小麥面筋納米顆粒-黃原膠復合物形成的生物聚合物顆粒穩定的皮克林乳液中，發現其貯藏穩定性高于單獨使用小麥面筋納米顆粒穩定的乳液。ZHONG等[22]研究發現用燕麥分離蛋白-平菇β-葡聚糖偶聯物穩定的水包油乳狀液包埋后的β-胡蘿卜素在胃腸中的穩定性和生物利用率均得到有效提高。GASA-FALCON等[23]分別用乳鐵蛋白、海藻酸鈉和ε-聚-L-賴氨酸層層包埋β-胡蘿卜素制成3層乳液，與單層乳液(乳鐵蛋白)和雙層乳液(乳鐵蛋白、海藻酸鈉)相比，3層乳液包埋后β-胡蘿卜素的生物利用率更高。HAN等[24]將β-胡蘿卜素包埋在由扇貝性腺分離蛋白制備的乳狀液中，提高了β-胡蘿卜素的穩定性，然后又將這種乳液包埋在藻酸鈣微珠中，β-胡蘿卜素的穩定性進一步得到了提高。

將β-胡蘿卜素制成乳液不僅能提高水溶性，還可以提高生物利用率，且制備方法也較為簡便。但是乳液在貯藏期間容易發生奧氏熟化現象，出現絮凝和分層[25]，不利于長時間保存。

2.3 β-環糊精包合物運載β-胡蘿卜素

β-環糊精是一種由多個葡萄糖單元構成的低聚糖，呈環狀分子結構。這種結構的內表面具有疏水性，能夠攜帶一些香料、色素等有機物，而外表面具有親水性，可溶于水。有研究利用這一特點將脂溶性芯材嵌入到β-環糊精的疏水空腔內，可達到提高芯材水溶性的目的[26]。

簡云飛等[27]制備了β-胡蘿卜素/β-環糊精包合物，通過一系列表征確認兩者形成的包合物非常穩定。

ARIKAN等[28]研究發現β-環糊精可將β-胡蘿卜素成功地輸送到體外培養的動物細胞內。周葉紅等[29]分別用β-環糊精及改性后的β-環糊精(2-羥丙基-β-環糊精、磺丁基醚-β-環糊精)包埋β-胡蘿卜素，發現包埋后均提高了β-胡蘿卜素的穩定性和抗氧化能力，且經改性后的β-環糊精包埋形成的包合物使β-胡蘿卜素的水溶性提高了12倍以上。NIU等[30]用辛烯基琥珀酸酐對β-環糊精進行改性，發現經改性后的β-環糊精包埋后,β-胡蘿卜素的物理穩定性和氧化穩定性均得到提高；與未改性的β-環糊精相比較，改性后的β-環糊精制備的包合物的粒徑更小、Zeta電位的絕對值更高。

據文獻[31]報道，β-環糊精與芯材可形成穩定的包合物，對芯材起到了良好的保護效果。但β-環糊精的水溶性差，直接作為載體運載的效果并不理想，可以通過改性生成衍生物，或引入新基團提高水溶性。

2.4 微膠囊運載β-胡蘿卜素

微膠囊是一種將固體、液體或氣體包埋后封存在微型容器或包埋物內，形成微小粒子的保護技術，可以在保留芯材物質原有特性的基礎上實現其緩慢釋放、瞬間釋放或持久保存[32]。

JAIN等[33]觀察到用阿拉伯膠與乳清分離蛋白(whey protein isolation，WPI)制成的β-胡蘿卜素微膠囊在具備有良好外觀形貌的同時還可起到緩釋的作用。孫瑞瑞[34]用阿拉伯膠和明膠制備的β-胡蘿卜素微膠囊可明顯提高其貯藏穩定性及生物利用率。白麗娜等[35]用WPI和半乳糖的美拉德反應產物 (MRPs)制備的β-胡蘿卜素微膠囊具有較好的表面結構和較小的粒徑，熱穩定性也表現良好。JIANG等[36]發現以WPI和半乳糖的美拉德反應產物為原料制備的β-胡蘿卜素微膠囊提高了β-胡蘿卜素的貯存穩定性，且效果優于以WPI和半乳糖為原料制備的β-胡蘿卜素微膠囊。THAKUR等[37]采用酪蛋白和瓜爾豆膠通過復合凝聚技術制備了β-胡蘿卜素油性分散體微膠囊，并觀察到這種微膠囊的表面形貌比較均勻，然后將制備的微膠囊進行凍干，發現凍干后仍保留了β-胡蘿卜素的功能結構，體外模擬實驗顯示β-胡蘿卜素能完好地到達胃腸中，證實了此方法適合口服。

微膠囊能夠有效提高β-胡蘿卜素的穩定性，但是其粒徑偏大，容易殘留有機物，可通過開發新型壁材和改進工藝來滿足不同的需求。

2.5 固體脂質納米顆粒運載β-胡蘿卜素

固體脂質納米顆粒是由天然存在或人工合成的固態類脂為載體，將藥物鑲嵌于類脂核或黏附于類脂表面制備而成的固體膠粒給藥系統[38]。固體脂質納米顆粒具有生物相容性好、易降解等特性，是一種發展前景良好的新型給藥系統的載體[39]。

MEHRAD等[40]用含有棕櫚酸和玉米油的固體脂質納米顆粒包埋β-胡蘿卜素，并用WPI進行穩定，發現其穩定性得到了提高，并且包埋物的氧化穩定性也得到了改善。JAIN等[41]以單硬脂酸甘油酯和明膠作為原料包埋β-胡蘿卜素，制備成的固體脂質納米顆粒可提高其生物利用率和抗癌特性。OLIVEIRA等[42]分別以天然和游離的酪蛋白酸鈉為表面活性劑制備了固體脂質納米顆粒，研究發現用游離酪蛋白酸鈉穩定的β-胡蘿卜素納米顆粒表現出更好的防止生物活性降解的保護作用。ABREU-MARTINS等[43]發現固體脂質納米顆粒中含有高濃度氫化棕櫚油比含有硬脂酸甘油酯消化慢，但對于β-胡蘿卜素的生物利用率來說，前者比后者高。這說明可通過調配固體脂質相滿足不同的需求，為尋找具有最佳生物活性的輸送系統提供了新思路。

固體脂質納米顆粒不僅有較好的靶向性能，而且毒性較低，適合規模化生產。但是這種方法沒有脂質體的包埋率高，而且類脂的物理狀態較為復雜，油相容易結晶，真正投入生產還有待進一步改進技術。

2.6 其他體系運載β-胡蘿卜素

除了以上介紹的載體以外，固體分散體、凝膠、膠束以及納米結構脂質等也可以運載β-胡蘿卜素。ISHIMOTO等[44]利用熱熔技術將β-胡蘿卜素制備成的固體分散體可大大提高其水溶性。CUI等[45]將β-胡蘿卜素加入到含有不同含量的單甘油酯的有機凝膠中，發現在一定范圍內，β-胡蘿卜素的保留率隨著單甘油酯含量的增加而升高，還發現有機凝膠有望為親脂性生物活性物質提供更高的負載量和穩定性。BOCKUVIENE等[46]通過機械化學方法將β-胡蘿卜素和殼寡糖制備成復合物，發現該絡合作用可提高β-胡蘿卜素的水溶性，并且不會降低β-胡蘿卜素自由基的清除能力，為進一步開發出親脂性和不穩定化合物的新型遞送系統提供了依據。納米結構脂質載體是在固體脂質納米顆粒的基礎上研發的第二代脂質納米顆粒，相比具有載藥量高、穩定性好等優點。HEJRI等[47]使用溶劑擴散法制備的含有β-胡蘿卜素的納米結構脂質載體不僅有較小的粒徑，而且有效提高了β-胡蘿卜素的穩定性。

3 結論

β-胡蘿卜素因其可給人體帶來諸多健康效益被廣泛研究。作為一種脂溶性化合物，人們為了提高其穩定性、水溶性以及生物利用率，將β-胡蘿卜素包埋在各種微/納米載體中，目前雖然已有多種包埋方法將其成功包埋，并達到了一定效果，但都處在理論階段，并且在試驗階段用到的是體外消化模型，并沒有進行臨床試驗，能否真正達到理論的效果還有待進一步驗證。此外，現有的包埋技術雖然在某方面提高了β-胡蘿卜素的功能性，但是也存在一定的弊端，例如乳液的穩定性較差，β-環糊精的水溶性不理想，固體脂質納米顆粒的包埋率較低并且成本較高等。對現有的運載體系技術進行改進，優化工藝，開發新型的包埋技術，真正實現β-胡蘿卜素的高效利用是未來研究的重點方向。