乳液輸送體系包埋海洋源脂溶性活性物質研究進展

李晉禎,鄭惠娜,2,3,4*,任鼎鼎,楊文,曹文紅,2,3,4,林海生,2,3,4,秦小明,2,3,4,章超樺,2,3,4

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東 湛江,524088) 2(廣東海洋大學 深圳研究院,廣東 深圳,518108) 3(國家貝類加工技術研發分中心(湛江),廣東省水產品加工與安全重點實驗室, 廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東 湛江,524088) 4(海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協同創新中心,大連工業大學,遼寧 大連,116034)

海洋一直是地球上重要的食物來源地,海洋生物更是天然物質的重要來源,這些天然產物具有潛在的有助于人類健康的各種生理活性[1]。大量研究從海洋生物如魚、蝦、貝、藻等獲得許多具有增強機體免疫、緩解疲勞、降血脂、降血糖、抗氧化、改善生長發育等多種生理活性的化合物[2]。近年來研究發現,海洋源蝦青素、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)、巖藻黃質等脂溶性活性物質在預防人體疾病中起到積極的促進作用(表1)。

盡管海洋源脂溶性活性物質在功能食品、藥品、保健品領域具有廣泛的應用前景,但是其水溶性差,易降解,感官特性差,對環境中的光、氧、熱敏感,難以應用到上述的領域中[3]。并且通過口服攝入的脂溶性活性物質很難被小腸的上皮細胞吸收消化,生物利用度低,不能有效發揮其生理活性,這些缺陷使其在食品、藥品領域中的應用受到了限制[4]。為了解決這些活性物質的理化穩定性差、生物利用度低等缺點,研究人員在食品、藥品領域進行了使用乳液輸送體系包埋蝦青素、EPA、DHA、巖藻黃質等海洋源脂溶性活性物質的研究,如傳統乳液、納米乳液、多層乳液、Pickering乳液等。通過開發有效的乳液輸送體系來遞送這些活性物質[5],在增強功能性食品營養價值的同時,又不會對食品的感官特性產生不利影響。

脂溶性活性物質可以通過專門設計的乳液輸送體系加入到食品中,以達到一定程度的保護并到達特定的靶點,即控制它們在胃腸道內的特定位置進行釋放。輸送體系應能夠保護這些化合物在加工、處理和儲存過程中免受物理、化學降解,并將它們輸送到胃腸道中所需的位置,而不會對食品的外觀、穩定性、質地或風味產生不良影響。本文介紹了常見的乳液輸送體系及其制備方法,重點介紹了幾種海洋源脂溶性活性物質乳液輸送體系的優勢及局限性,同時針對這些乳液輸送體系提高其溶解度和生物利用度的研究現狀進行綜述,并對海洋源脂溶性活性物質乳液輸送體系的未來發展進行展望,以期為海洋源脂溶性活性成分在功能食品中的廣泛應用提供參考。

1 乳液輸送體系類型及其制備方法

近10年來,有關“乳液”、“包埋”、“活性物質”為共同關鍵詞檢索的論文發表數量呈現增長趨勢,同時被引用量增長數量驚人,這說明乳液輸送體系在包埋活性物質研究越來越被重視(Web of Science數據庫)。乳液輸送體系可用于包埋、遞送、保護和控制疏水性活性成分的釋放、消化和吸收[15]。在功能性食品研究領域,包埋技術常用于將對外界環境敏感的活性物質加入食品運載體系中,設計合理的運載體系可以改善活性物質的水溶性,提高其對光和熱的穩定性,改善食品感官和品質,防止聚集、沉淀的產生及提高緩釋功效及靶向輸送。它們的功能可以通過控制其化學成分和物理性質來設計,常見類型有傳統乳液、納米乳液、多層乳液、Pickering乳液等(圖1),不同類型的乳液輸送體系的主要特性也不一樣(表2)。

1.1 傳統乳液

傳統乳液作為食品工業中最重要的輸送體系,被廣泛應用于親脂性活性物質和其他食品活性成分的包埋[20]。傳統乳液的制備是將親脂性化合物混合在油相,親水性化合物混合在水相,再通過高能均質或者低能均質技術將兩相混合形成粒徑大于100 nm的乳液[18]。在乳化劑存在的情況下,根據水相和油相的初始濃度,可得到2種不同類型的乳液；在高油濃度時可形成油包水(W/O)型乳液,在低油濃度時可形成水包油(O/W)型乳液。目前,大多數的傳統乳液是使用高能均質技術生產的,一般采用超聲均質機、高壓混合器、微通道和高壓閥均質器等高壓均質系統,如研究人員利用6種不同的乳化劑通過超聲波均質制備蝦青素O/W型乳液,發現由乳清蛋白(whey protein isolate,WPI)穩定的乳液能夠顯著增加細胞對蝦青素的攝取[21]。而為了更好地改善傳統乳液的熱力學不穩定性,可以通過添加乳化劑、改變乳液兩相的組成成分、優化制備工藝等方法解決其性質的問題,并將脂溶性活性物質分散在油相中,形成穩定的乳液輸送體系,從而提高活性物質的生物利用度和消化吸收。

1.2 納米乳液

與傳統乳液相比,納米乳液作為疏水性活性成分的輸送體系被廣泛使用[22],因為其液滴更小,粒徑一般在10～100 nm,乳液整體清澈,液滴的布朗運動能夠抵抗重力作用引起的沉淀從而不易發生相分離[23],具有較好的貯藏穩定性和更高的生物利用度。納米乳液的制備是在攪拌作用下,將油相和乳化劑加入水相中形成粗乳液,再經過均質處理制備成納米乳液,還可以通過超聲儀、剪切機和高壓均質機等輔助手段制備小而均勻的納米乳液[24]。納米乳液作為功能性食品的輸送體系,可用于改善多種疏水性活性物質的穩定性和生物利用度[25],在食品領域具有一定的潛力。

1.3 多層乳液

多層乳液是一種通過靜電相互作用,具有相反電荷的乳化劑穩定的乳液體系。近年來,利用逐層靜電沉積制備多層乳液的研究日益受到重視[26]。該方法首先用乳化劑制備表面帶電荷的初級乳液,然后通過靜電相互作用逐步沉積帶相反電荷的物質,如圖1-c所示,最終在界面上形成多層結構[27]。

傳統乳液中的液滴通常是由單層乳化劑包裹,一旦遇到高溫、光照、鹽濃度增加等因素時其容易發生相分離,從而導致活性物質泄露,降低包埋率[28]。與傳統乳液相比,多層乳液可以包埋脂溶性或水溶性活性物質,且包埋率高,有效改善乳液對物理化學因素引起的不穩定性[29],被廣泛應用于食品、藥品和化妝品等領域[30]。目前使用逐層靜電沉積法制備的多層乳液已被應用于食品中,且具有控制釋放包埋活性成分、提高乳液在加工過程中的穩定性以及調節胃腸道內脂質消化的能力[31]。

1.4 Pickering乳液

Pickering乳液一般是指具有穩定乳液能力的膠體顆?；蚬腆w顆粒充當乳化劑穩定的乳液[32],其固體顆粒可以在油水界面形成致密的薄膜而防止液滴聚集,且該過程是不可逆的[33]。與傳統乳液相比,Pickering乳液具有低毒性、高抗聚集性等優勢,不僅能夠有效包埋活性物質,還進一步對其成分起到保護、輸送、定向釋放等作用[34]。Pickering乳液研究的首要目的是提高乳液的穩定性,進而研究其在胃腸道的靶向遞送相關的功能性質,最后尋求天然的、綠色的Pickering顆粒,如蛋白質等固體顆粒[35]制備食品級Pickering乳液。

Pickering乳液中存在油水界面顆粒層,可更加穩定包埋活性物質及提高其生物可及性[36]。此外,Pickering乳液可有效改善傳統乳液的穩定性差、安全性低、生物不相容與難降解等缺點,且Pickering乳液由于不含表面活性劑,可以改善表面活性劑的刺激性和溶血性等不良影響,在化妝品和制藥領域應用方面有良好的發展前景。

2 海洋源脂溶性活性物質的乳液輸送體系

2.1 蝦青素

蝦青素是一種親脂性的類胡蘿卜素,廣泛存在于藻類、蝦類、鮭魚和虹鱒魚等多種生物中,其中雨生紅球藻是天然蝦青素含量最高的生物來源。如圖2所示,蝦青素的分子結構中含有2個β-紫羅蘭酮環和羥基,11個共軛雙鍵,其分子中13個不飽和鍵組成了共軛大Π鍵,是目前已知共軛雙鍵最多的化合物[37]。由于蝦青素比其他類胡蘿卜素具有更強的生物活性[38],包括但不限于抗氧化、增強機體免疫、抗腫瘤、抗癌癥、預防心血管疾病、治療糖尿病腎病等活性功能[39-40],因此其被廣泛用作食品、化妝品和醫藥產品的色素和保健成分的來源。然而,目前蝦青素由于化學不穩定性、生物利用度低,在食品加工后無法保證其原有的活性[41]。乳液輸送體系被認為是提高蝦青素穩定性和生物利用度的有效方法[42]。

圖2 蝦青素的結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of astaxanthin

以WPI作為乳化劑和0.5%黃原膠(xanthan gum,XG)的O/W型乳液包埋蝦青素,與單獨使用WPI穩定的O/W型乳液相比,WPI-XG聯合使用降低了蝦青素的消化和釋放,可獲得更好的控制釋放輸送能力[43]。傳統乳液有效提高了蝦青素的體內釋放、消化及生物利用度,但是在改善蝦青素易氧化降解方面仍有欠缺?；讦?生育酚可以有效緩解類胡蘿卜素乳液體系的氧化,SHANMUGAPRIYA等[44]通過自乳化法和超聲乳化法制備了蝦青素-α生育酚納米乳液,細胞毒性試驗發現納米乳液在作用24～48 h后,癌細胞存活率顯著下降3%～6%,表明蝦青素在48 h內不易被降解。納米乳液的出現可以提高蝦青素的穩定性及降低降解速度,但是在功能食品或營養補充劑中提高蝦青素生物利用度的潛力,或制備更為安全可靠、天然綠色的乳液輸送體系仍然存在不足。LIU等[28]創建了蝦青素的全天然乳液輸送體系,將陰離子(果膠)和陽離子(殼聚糖)生物聚合物依次靜電沉積到陰離子皂素包埋的脂滴上形成多層乳液,并測試乳液包埋和保護蝦青素的能力,結果表明,蝦青素多層乳液在15 d的儲存過程中沒有表現出任何明顯的相分離,緩解蝦青素降解能力是傳統乳液的3～4倍。BURGOS-DíAZ等[45]采用食品級Pickering乳液對蝦青素進行包埋,經噴霧干燥后的蝦青素乳液粉末包埋率在90%以上、生物利用度在80%左右。以羽扇豆蛋白質形成的蛋白質顆粒聚集體作為乳化劑穩定食品級Pickering乳液,使蝦青素在貯藏過程中表現出良好的抗氧化性和穩定性。多層乳液為蝦青素在功能食品的應用提供了可能,也為天然安全的蝦青素乳液輸送體系創造了條件,而食品級Pickering乳液能更好地包埋蝦青素以及提高其生物利用度,Pickering乳液輸送體系的發展使得天然蝦青素的高效利用成為了可能。

2.2 n-3多不飽和脂肪酸

海洋性魚類含有高比例的n-3多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFAs),特別是EPA和DHA,具有防治心血管疾病、改善脂質代謝、預防糖尿病、抗炎癥、抗癌癥等生理活性功能[46-48],而膳食中n-3 PUFAs攝入量較低會導致自閉癥、注意力缺陷或多動癥等神經發育障礙[49],所以聯合國糧食及農業組織建議成年人每天攝入0.25～2 g EPA和DHA[50]。EPA、DHA的結構如圖3所示,其分子結構含有許多不飽和的雙鍵導致其不穩定,而難溶于水和腥味重的缺點使得魚油的感官風味差、生物利用度低[51]。

圖3 二十碳五烯酸(a)和二十二碳六烯酸(b)的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of EPA (a) and DHA(b)

因此,可將魚油封裝在乳液輸送體系中或將其作為乳液的油相,制備含有魚油的乳液,以改善其穩定性、增溶性和感官風味,同時提高EPA和DHA的生物利用度。

研究人員將不同類型的蛋白質及其組合作為表面活性劑制備魚油乳液[52],結果表明,添加0.5%(質量分數)酪蛋白和0.5%(質量分數)明膠的組合對魚油的氧化保護效果優于所有其他蛋白質組合及未包埋的魚油。而酪蛋白-糖結合物具有高表面活性和表面疏水性,可穩定魚油乳液和降低其脂肪降解速率,從而進一步緩解魚油的脂肪氧化[53]。蛋白質作為乳化劑能夠改善傳統乳液的穩定性、乳化性,從而保護了魚油免受氧化的影響,但是傳統乳液在緩解魚油的降解、減少魚油的腥味方面不能體現優勢。SALVIA-TRUJILLO等[54]研究多糖的添加對n-3 PUFAs納米乳液的流變性、物理穩定性和氧化穩定性的影響,結果表明海藻酸鈉既促進n-3 PUFAs納米乳液的乳化,又抑制n-3 PUFAs的脂質氧化,且比甲基纖維素和殼聚糖具有更強的抗氧化性。此外,同時將棕櫚酸、槲皮素、WPI添加到魚油固體脂質納米乳液中,槲皮素提高魚油的氧化穩定性,棕櫚酸可以減小乳液的液滴大小及起到抗氧化作用[55]。納米乳液輸送體系相比傳統乳液輸送體系,在乳液乳化和抑制n-3 PUFAs的脂質氧化方面便突出了更為優越的性能。

2.3 巖藻黃質

巖藻黃質是僅存在于藻類中而不存在陸地植物中的一種特殊的類胡蘿卜素,其主要存在于褐藻和硅藻中[56]。巖藻黃質具有抗氧化、抗糖尿病、抗肥胖、抗癌癥、抗炎癥等生物活性[57-59],在食品、醫藥領域的潛力巨大。巖藻黃質具有丙烯鍵、5,6-單環氧化物和9個共軛雙鍵(圖4),這些分子結構特點使其具有易氧化降解、易溶于有機溶劑等活潑的化學性質[60]。與蝦青素等類胡蘿卜素一樣具有化學不穩定、水溶性差、熔點高等特點,從而限制了其在食品工業中的應用。類胡蘿卜素的乳液輸送體系可以提高其穩定性和抗氧化活性,可靠的包埋體系可以讓巖藻黃質在遞送、控制釋放、代謝和生化過程中保持活性,提高生物利用度[61]。

圖4 巖藻黃質的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of fucoxanthin

O/W型乳液能夠作為一種方便、有效的系統將巖藻黃質輸送到食品中,從而提高其穩定性和生物利用度。物理化學因素在一定程度上對傳統乳液的性質有影響,特別是pH、光照、溫度等。有研究人員發現巖藻黃質在乳液中對pH具有一定的依賴穩定性,即在偏酸性的環境下,傳統乳液中的巖藻黃質含量下降幅度較大,而在pH 7.4的偏中性環境中,巖藻黃質穩定性較高[62],其原因可能是 pH能夠有效改變決定降解程度的質子化和氧化還原電位的大小,中性條件下質子化程度降低,還原電位增加,緩解了乳液中巖藻黃質的降解速度。為了驗證巖藻黃質乳液能有效應用到食品領域中,MOK等[63]將巖藻黃質添加到牛奶(O/W型乳液)中并儲存1個月,結果發現其具有良好的穩定性,經3次巴氏殺菌后的巖藻黃質仍有91%的保留率。O/W型傳統乳液不僅證明巖藻黃質在食品中應用的可行性,也間接說明巖藻黃質在乳液中能夠耐受巴氏殺菌的溫度,還能進一步提高巖藻黃質的生物可及性,但是在巖藻黃質傳統乳液的活性能力和胃腸道消化能力方面未得到測定和驗證。納米乳液不僅可以提高巖藻黃質的體外消化能力、生物可及性,還表現出較為明顯的生物活性。SARAVANA等[64]利用超聲輔助乳化技術制備κ-卡拉膠納米乳液,用其包埋富含巖藻黃質的海藻油,在控制較小液滴體積的基礎上可以有效提高巖藻黃質的氧化穩定性、體外消化能力和生物可及性,還能對少數癌細胞產生良好的抑制作用。

3 展望

綜上所述,從海洋生物中提取分離的脂溶性活性物質具有降血脂、抗氧化、抗癌癥、緩解或預防人類慢性疾病等多種生理活性功能,但是其溶解度差、易降解,生物利用度低,使得這些活性物質的生物可及性受到限制。近年來,科研人員設計不同類型的乳液輸送體系對海洋源脂溶性活性脂質進行包埋,發現該技術可有效保護活性物質免受物理化學因素的影響,提高溶解度,在體外消化模擬中可顯著提高活性物質的生物利用度、實現緩釋和靶部位釋放,是一種安全、簡便的技術手段。然而,目前相關研究仍存在一些問題：(1)目前乳液輸送體系包埋海洋源脂溶性活性物質的研究集中在理化穩定上,對于有效輸送至靶組織或靶器官的生物利用度方面相關研究甚少,忽略對整個體系有效性評價；(2)海洋源脂溶性活性物質固有的生理活性,在經過乳液輸送體系包埋后,缺乏活性驗證實驗,無法證實在形成穩定的乳液體系后,被包埋物質的生理活性是否還存在；(3)關于脂溶性活性物質-乳液體系的優化、不同因素的影響研究較多,而關于其在食品領域、工業化生產的實際應用研究甚少,能否根據工業生產需求設計出一個具有較強應用價值的產品還有待深入研究。

因此,今后在設計海洋源脂溶性活性物質的乳液輸送體系時,有幾個方面需要關注：(1)為了保證海洋源脂溶性活性物質對人體產生的積極影響,在進行乳液包埋和輸送環節,應當著重考慮活性物質的包埋量和可控的靶向輸送,從而保證設計的乳液輸送體系生物利用度；(2)對于包埋后的海洋源脂溶性活性物質,當前是從胃腸道消化角度進行研究,為了確保輸送到靶組織或靶器官后的活性物質依舊具有生物活性,應當進一步進行活性驗證實驗,包括體外細胞實驗和體內小鼠活體實驗,從而驗證乳液輸送體系是有效可行的；(3)設計符合實際要求的產品,探究多種海洋源脂溶性活性脂質和制備方法對輸送體系的影響,在對所包埋的物質不產生負面影響的基礎上,更好地提升體系的輸送能力,以實現海洋源活性物質的高效利用。此外,由于海洋源特有的風味,特別是腥味特征降低了消費者的可接受程度,乳液體系對海洋源脂溶性活性物質風味特征的影響有待進一步深入研究。