食品水凝膠-多酚遞送體系構建及其提高多酚生物利用度研究進展

饒哲楠,陳媛媛,王啟明,雷小娟,趙吉春,曾凱芳,2,明建,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715) 2(西南大學食品貯藏與物流研究中心,重慶,400715)

水凝膠是聚合物通過物理或化學作用而高度交聯形成的,具有三維網絡結構,且聚合物存在各種官能團,這賦予了水凝膠與其他物質結合的優良特性：可以吸收大量的水而不溶解;能與藥物通過物理或者共價非共價結合,實現遞送和緩釋作用,且釋放表現出一定的環境敏感性。一般來說,構成水凝膠聚合物的來源主要有兩類：(1) 天然高分子聚合物(生物聚合物),如多糖(海藻酸鹽[1]、纖維素[2]、殼聚糖[3]、淀粉[4]等),蛋白質(乳清蛋白[5]、玉米醇溶蛋白[6]、酪蛋白等[7]),脂類(脂質體)[8];(2) 合成高分子聚合物,如聚丙烯酸[9]、聚丙烯酰胺[10]和聚乙二醇[11]等。

而天然聚合物具有較好的生物相容性,安全性高、易降解,因此,用食品來源的生物聚合物合成的食品水凝膠用于生物活性物質的遞送更受青睞。

多酚是一類有利于人體健康的植物次級代謝產物,具有多種功能活性,如抗炎、抗氧化、抗癌、抗神經性疾病、抗糖尿病等[12]。但由于多酚的一些理化特性,比如溶解度低、紫外穩定性差、不耐酸堿、在胃腸道中被動擴散、易代謝排出等,導致大多數多酚的生物利用度很低,在臨床上不能發揮出其理想的生物活性。而水凝膠的特殊結構,可通過物理或化學的方式與多酚結合,能保護多酚在不良環境下不受損害,且能夠提高多酚的溶解度,進而提高多酚的生物利用度[13]。因此,水凝膠作為有效的遞送系統引起了人們很大的興趣[14]。本文綜述了食品水凝膠的特性,食品水凝膠-多酚遞送體系構建方法及其在提高多酚生物利用度方面的優勢,并對食品水凝膠發展前景進行了展望。

1 食品水凝膠的特性

食品水凝膠之所以被選擇作為多酚遞送體系的材料,與其優良的特性密切相關。食品水凝膠具有優良的生物相容性和生物降解性,故其能作為安全的載體物質而不對人體產生傷害。同時食品水凝膠特殊的物理或化學結構,使其具有載藥性,并且能控制藥物釋放的速度。一些經過特殊設計的水凝膠,可以將藥物運送至指定位置靶向釋放,大大提高藥物的利用率。

1.1 生物降解性和生物相容性

生物降解性是指聚合物在微生物或化學的作用下,化學鍵被破壞后分解成低聚物和單體的過程,對于人體來說,即物質能在體內分解代謝,不會累積造成傷害。生物相容性是指食品水凝膠進入人體后,不會引起人體的炎癥或免疫反應。食品水凝膠主要是基于蛋白質、多糖和脂類等食品級原料制備的,可被胃腸道中分泌的胃蛋白酶、淀粉酶及脂肪酶很好地降解[15]。部分多糖(如膳食纖維)在小腸中不被消化吸收,但能在結腸中通過微生物發酵,產生有益人體健康的次生代謝產物[16]。正是因為大部分食品水凝膠具有優良的生物降解性和生物相容性,所以能攜帶多酚進入人體而不產生毒副作用。

1.2 載藥性和控釋性

由于食品水凝膠中的特殊網狀或多孔結構,及部分官能團(如苯環、羥基、羧基、肽鍵和磺酸基)能促進氫鍵、疏水及范德華力等相互作用,從而具有一定的藥物負載能力[3]。載藥的方式主要包括：(1)物理包埋;(2)非共價相互作用;(3)共價相互作用。在某些特定的條件下或快或慢地釋放出負載藥物。常見的控釋機制可分為3種類型：擴散控釋、溶脹控釋和化學控釋。

大分子物質一般是通過物理包埋方式負載到水凝膠網絡結構中；而小分子物質如多酚負載到水凝膠網絡結構的主要方式是通過與聚合物之間的非共價和共價相互作用[17]。

物理包埋的物質很容易隨著水凝膠的膨脹而擴散出來,其擴散速度很大程度上受到水凝膠孔徑的影響。若被載藥物比水凝膠的孔徑小很多,則藥物很容易就從水凝膠中擴散出來。反之,如果比孔徑大很多,則不容易從水凝膠中擴散?？讖酱笮∪Q于水凝膠的制備方法、聚合物種類和濃度、交聯方式以及外部環境等[18]。用海藻酸鹽制備的水凝膠因具有較大的孔徑而容易造成多酚的擴散損失,在制備過程中需添加其他聚合物(如菊粉)以克服海藻酸鹽水凝膠孔徑大的問題[19-20]。

對于通過共價或者非共價作用與水凝膠結合的藥物,其釋放機制還是與水凝膠的溶脹有關,藥物的解離、藥物與聚合物的相互作用以及水凝膠的膨脹都會受到外界環境如溫度、pH、離子強度及酶等的影響,通過改變外界環境條件則可以控制藥物的釋放[21]。在特定環境的化學作用或酶作用下觸發水凝膠基質分解,結構破壞,導致藥物釋放[22]。如殼聚糖基水凝膠在堿性條件下的去質子化會增強與多酚的結合,而在酸性條件下會提高多酚的釋放率,一定程度上能用于癌癥的靶向治療[23]。

1.3 靶向性

通過設計食品水凝膠顆粒,如選擇合適的生物聚合物,或將生物聚合物改性,使其可以將多酚保留、保護并運送至胃腸道內的特定區域或者指定細胞內定點釋放。而定點釋放主要是基于水凝膠對環境的敏感性,主要包括pH、離子、溫度及酶等。制備水凝膠成分的性質決定了負載多酚的水凝膠顆粒靶向釋放的部位。通常利用基于部分蛋白、多糖,如乳清蛋白、淀粉、海藻酸鈉等的水凝膠可用于將多酚輸送至小腸中釋放,以提高其生物利用度[5,19]。但蛋白質和淀粉等在上消化道內均可消化,不適合開發結腸遞送系統的水凝膠顆粒。膳食纖維基水凝膠不會在上消化道中被消化降解,但在結腸中,存在的微生物濃度遠高于胃腸道其他區域[24],膳食纖維基水凝膠可以被微生物分解,觸發多酚的釋放。殼聚糖基水凝膠在pH 5(對應腫瘤細胞微環境)的環境中加速多酚的釋放,從而使其具有一定的靶向給藥的應用潛力[23]。

2 食品水凝膠-多酚遞送體系的構建方法

食品水凝膠-多酚遞送體系的構建分為2種：

(1)第一步是形成多酚-聚合物小液滴或溶液,第二步是將聚合物通過物理或化學方法交聯形成凝膠。具體方法分別是自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)。自上而下是指通過特定的機械裝置驅動多酚-聚合物液滴的形成,再通過物理或者化學方法使聚合物凝膠化(擠壓法、噴霧干燥法、乳液模板法等)。自下而上是指多酚/聚合物根據環境條件(pH、離子強度、溫度等)改變,利用分子間的親和力聚集形成水凝膠顆粒(如反溶劑沉淀法、凝聚法等)。

(2)通過自上而下或自下而上的方法合成不含多酚的水凝膠,然后通過噴霧干燥或冷凍干燥等干燥方法形成水凝膠顆粒,最后浸泡到含有多酚的水溶液中充分溶脹以吸收多酚,稱之為溶脹吸附法。

表1概括了主要方法的優勢或者不足,下文僅對這些方法的原理進行簡要描述。

2.1 擠壓法

將包含多酚的水凝膠基質液體混合物通過噴嘴或注射器針頭等小孔擠壓,使其以液滴的形式滴入交聯液中凝膠化,形成負載多酚的水凝膠顆粒(圖1)。噴頭直徑、液滴流速及黏度決定水凝膠顆粒的大小。由于傳統擠壓法的一些不足,所以在原有的基礎上加上電場,稱之為靜電擠壓法。有研究將裝有海藻酸鈉和多酚混合液的注射器固定在注射泵中,并施加一定的電壓,使液滴以一定的流速滴入預先制備好的交聯液中[30]。電場的加入使帶電的聚合物液體中產生排斥的靜電相互作用而分散成為更小的液滴,從而可以批量準確地生產尺寸更小的水凝膠顆粒。

目前擠壓法主要是用于以海藻酸鈉為基質的水凝膠微球的制備,而用于其他材料的研究相對較少。但是海藻酸鹽水凝膠機械穩定性較低,在極端環境結構容易坍塌,該問題可以通過添加多糖比如菊粉得以部分解決[31]。

圖1 利用擠壓法構建的多酚-水凝膠顆粒Fig.1 Polyphenol-hydrogel particles constructed by extrusion method

2.2 噴霧干燥法和噴霧冷卻法

噴霧干燥法是將包含多酚的生物聚合物溶液通過霧化裝置分解成大量細小液滴,在加熱室內通過熱氣流進行快速干燥形成粉末,然后通過旋風分離器收集。噴霧干燥法形成凝膠通常有2種方式：

(1)制備出含有多酚的水凝膠分散液,再通過噴霧干燥得到水凝膠微膠囊。KAVOUSI等[32]用芹菜種子漿液和酪蛋白酸鈉2種食品級生物聚合物混合,加入姜黃素充分攪拌,然后通過滴入體積分數為1% HCl溶液調節pH至4來實現凝聚,再經充分攪拌后形成水凝膠懸浮液。最后經噴霧干燥得到載藥水凝膠微膠囊。

(2)可以使生物聚合物在干燥的過程中直接交聯形成凝膠,最后得到微凝膠粉末。但這個方法需要對聚合物進行改性處理引入基團,從而在蒸發加熱過程中發生原位Diels-Alder反應形成水凝膠顆粒。如WEI等[33]先用N-馬來酰丙氨酸和琥珀酸酰胺將淀粉改性,然后通過噴霧干燥和Diels-Alder反應制備出載藥淀粉水凝膠微球,實驗結果表明該水凝膠微球具有良好的生物相容性,且能提高藥物的穩定性和生物利用度。

噴霧冷卻法使用與噴霧干燥相似的霧化裝置,將霧化后的含有多酚的生物聚合物液滴送入到冷卻室中形成凝膠。該方法適合易在低溫下形成冷至凝膠的生物聚合物,如明膠和瓊脂等。但應用這一方法制備水凝膠遞送體系的例子較少,可能是未來的一個研究方向。

2.3 溶脹吸附法

溶脹吸附法是常見也簡單的食品水凝膠-多酚遞送體系的構建方法,將干燥后的水凝膠塊、微球、顆粒等浸泡在含有多酚的水溶液中充分溶脹,多酚隨著溶劑一同進入到水凝膠網絡中(圖2)。

HU等[13]利用salecan和N,N,N-三甲基殼聚糖(TMC)2種食品級多糖的靜電相互作用制備出了一種新型聚電解質復合物水凝膠,經冷凍干燥后完全浸泡在1%的綠茶多酚溶液中24 h。結果表明,綠茶多酚的包封率隨著salecan/TMC比率增加而增加,在7/3時達到最大為94.1%；綠茶多酚在酸性胃液環境中釋放率極低,而在堿性小腸環境中大量釋放,有利于溶解性多酚在小腸的吸收。

而有研究團隊以L-組氨酸或半胱氨酸偶聯殼聚糖,包埋于植物合成的氧化鋅納米顆粒(zinc oxide nanoparticles,ZNPs),最后利用雙醛纖維素(dialdehyde cellulose,DAC)為交聯劑制備出了納米雜化水凝膠,同樣經冷凍干燥后浸泡于含有柚皮素、姜黃素等難溶于水多酚的溶液中,使游離的多酚充分分散在水凝膠網絡中。以該方法制得的納米雜化水凝膠在弱酸性條件下的釋藥速率明顯高于弱堿性環境,而腫瘤細胞的微環境也為微酸性,表現出一定的靶向性[23]。

溶脹吸附法理論上也可與擠壓法和噴霧干燥法結合。先利用擠壓法制備水凝膠顆粒懸浮液,經冷凍干燥或者噴霧干燥得到微凝膠顆粒,再浸泡到含有多酚的水溶液中吸附多酚；或者使生物聚合物在干燥的過程中直接形成凝膠,再浸泡到含多酚的水溶液中。

2.4 乳液模板法

乳液模板法是利用油包水(W/O或O/W/O)乳液作為模板,將含有油和疏水表面活性劑的油相與含有多酚和生物聚合物的水相溶液均質形成W/O或O/W/O乳狀液,使水相均勻地分散在油相中。然后通過適當的方式使生物聚合物凝膠化,比如升高/降低溫度形成冷至/熱至凝膠,或者加入交聯液,擴散進水相中使生物聚合物交聯。最后通過離心、過濾或用有機溶劑萃取以除去殘留的油相,再將水凝膠顆粒干燥或分散在水溶液中[34](圖3)。SUNG等[27]利用玉米油和含有乳清蛋白的水相合成了O/W/O乳液,然后經加熱使乳清蛋白凝固,形成水凝膠顆粒。這種凝膠顆粒可用于包裹親脂性生物活性成分。

a-通過均質形成W/O乳液；b-物理或化學交聯誘導水相凝膠化；c-去除油相圖3 乳液模板法步驟Fig.3 Steps of emulsion template method

采用乳液模板法時,可以通過改變均質條件(壓力和次數)或溶液組成(油水比、乳化劑種類及比例)來控制水滴的大小,以產生具有特定尺寸的水凝膠[28]。

2.5 其他方法

反溶劑沉淀法很早就已用于納米顆粒的合成,該法的前提是生物聚合物在一種溶劑中溶解性較好,而在另一種溶劑中溶解性較差。首先將多酚與聚合物溶解在溶解度較好的溶液中,然后向溶液中注入抗溶劑,由于疏水相互作用,生物聚合物分子彼此締合并形成水凝膠顆粒。

光刻法是將含有多酚的生物聚合物倒入特定尺寸和形狀的模板(光刻法制備)中,通過物理或化學的方式使其凝膠化。該法適合制備特定尺寸和大小的水凝膠顆粒,但不太適合大規模制備[35]。

凝聚法也稱為相分離法。將要封裝的物質分散在含生物聚合物的溶液中,通過改變pH、溫度、離子強度或者加入凝聚誘導劑、抗溶劑等使聚合物與溶液發生相分離,形成“水包水(W1/W2)”乳狀液。驅動相分離的動力為吸引時,稱為靜電絡合,而驅動相分離的動力為排斥作用時,稱之為熱力學不相容。然后通過物理或化學凝膠方法,使凝聚相沉積在要封裝的化合物周圍,形成負載封裝化合物的聚凝層顆粒。通過該方法制備的水凝膠顆粒對pH和離子強度敏感度高[36]。

當然還有隧道法、剪切法、高壓微流化法等等。在構建水凝膠-多酚遞送體系時,應根據材料的特性和所需水凝膠的性質而選擇合適的方法。對于易于膠凝的物質且對尺寸沒有特別要求,可以選擇擠壓法；需要合成特定尺寸或尺寸較小的水凝膠顆?？梢赃x擇乳液模板法或者反溶劑沉淀法；噴霧干燥法適合聚合物濃度較低的情況,且可以較大批量合成；對于溶脹吸附法,可以根據材料的不同,利用多種方法合成干燥的水凝膠顆粒,然后再溶脹吸附多酚。該法前提是合成的水凝膠顆粒在干燥的過程中三維結構不坍塌且具有良好的復水性和吸附性。

3 食品水凝膠遞送體系提高多酚生物利用度的優勢

生物利用度就是攝取的營養物質最終進入體內循環并在特定部位發揮生理作用的那一部分。而生物利用度是由多種影響因素共同決定的。排除個體差異,對于多酚而言,影響其生物利用度的主要因素包括在水溶液的溶解度、在各種人體環境中的穩定性及吸收代謝特性(表2)。

表2 常見食品水凝膠對多酚生物利用度的提高Table 2 Improvement of the bioavailability of polyphenols in common food hydrogels

3.1 提高多酚的水溶解度

水溶解度對多酚的利用很重要,決定多酚能否很好地被人體吸收利用。對于口服的多酚來說,只有在水中溶解才能被胃腸道上皮細胞吸收[43]。多酚可以與生物聚合物鏈上的官能團相互作用而結合形成負載多酚的水凝膠顆粒,負載多酚的水凝膠顆粒表面足夠高的電荷和良好的水合性可以使其在水中保持穩定,從而提高多酚的溶解度。有研究表明,姜黃素水溶液在貯存一定時間后,由于沉淀而變得完全無色。但將姜黃素包封在乳清蛋白微凝膠中,能在水中形成均一的分散液,且未觀察到沉淀的產生,這表明乳清蛋白包封的姜黃素水溶解度得到很大的提升[37]。還有研究將脂質體包裹的姜黃素與硫代殼聚糖制備形成水凝膠,也能明顯提高姜黃素的溶解度[3]。HUANG等[44]制備負載多酚的脂質體殼聚糖水凝膠微粒也可用來增強槲皮素、白藜蘆醇和表兒茶素的溶解性。

3.2 增強多酚的穩定性

多酚在游離的情況下很容易受到pH、溫度、酶、鹽離子、微生物等的影響,導致其化學結構發生改變,從而降低甚至失去生物化學活性,導致其生物利用度下降。由于水凝膠的載藥性及控釋特性,可保護并延緩多酚的釋放,縮短多酚在不良環境的暴露時間,減少多酚的氧化和降解等,從而提高多酚的穩定性。水凝膠對多酚的緩釋作用可保證持續給藥和有長時間的生物活性,而不是突然釋放被快速代謝,從而提高人體對多酚的利用度。比如有研究制備的殼聚糖基納米雜化水凝膠在保證正常細胞的生物相容性同時,在pH為5時釋放時間延長至12 h,且具有腫瘤細胞靶向性[25]。已有很多研究表明蛋白質和多酚結合能夠提高多酚的穩定性,并且能改善多酚的抗氧化特性,如牛血清蛋白、β-乳球蛋白、酪蛋白等[45-46]。而蛋白基水凝膠就結合了水凝膠和蛋白質的優良特性。有研究將合成的乳清蛋白微凝膠用于負載姜黃素,結果表明負載姜黃素的乳清蛋白微凝膠抗氧化性明顯提高,且在模擬胃腸條件下具有緩釋作用[37]。

增強穩定性也能在一定程度降低多酚的首過效應。首過效應是指藥物首次通過腸壁或經門靜脈進入肝時被主要存在于腸道和肝臟中的多種酶代謝,從而使全身循環的藥物減少[47]。首過代謝的結果是,攝入的多酚中只有一小部分到達全身循環,這導致多酚的口服生物利用度很低。水凝膠可以減少多酚在胃腸道不利條件下的暴露,從而最大程度地減少酶促和非酶促降解。

3.3 促進多酚的吸收

小腸是大多數營養物質的吸收部位,用凝膠封裝能夠增加多酚在胃腸道中的吸收。一方面,部分食品水凝膠能包封多酚,減少在口腔和胃部環境的釋放,在小腸弱堿性條件下水凝膠分解釋放出大量多酚,營造一個高濃度多酚環境,從而促進多酚的被動運輸。有研究發現結冷膠和負載芹菜素的微乳液制備出復合水凝膠,在小腸弱堿性條件下受侵蝕影響而大量釋放出芹菜素[41]。又如海藻酸鹽水凝膠會在模擬小腸環境中迅速釋放出多酚[38]。

另一方面,也可考慮細胞直接攝取負載多酚的納米水凝膠顆粒以提高多酚的生物利用度。納米凝膠體積極小,滲透性能好,它可以通過細胞旁路或跨細胞途徑穿透小腸上皮細胞,并影響最小的毛細血管[21]。納米凝膠可能通過與黏液的相互作用,可逆地打開上皮細胞之間的緊密連接而增加腸通透性,從而促進細胞旁路運輸[48]。如陽離子多糖殼聚糖通過靜電相互作用導致緊密連接成分結構重組和擴展,從而有效增強細胞旁路運輸[49]。

4 展望

食品水凝膠表現出的優良特性使其在遞送多酚方面表現出巨大的潛力。選擇合適的基質材料和制備方法可以控制負載多酚水凝膠顆粒一些重要性質,如尺寸、生物相容性、載藥性能、遞送部位等。

新的可利用食品材料層出不窮,充分了解這些材料的性質,選擇多種材料結合,或者利用一定的方法使基質材料改性,可使食品水凝膠具有更好的載藥性、穩定性及靶向性等。每種制備方法都有自身的優點和缺點,因此需要確定和優化最合適的方法來用于多酚的遞送。將多種方法結合來制備出性能品質更加優良的食品是凝膠載體,比如尺寸均勻,載藥穩定,包埋率高等。食品水凝膠可以通過改善多酚的溶解性、提高多酚的穩定性以及促進多酚的吸收等方面來增強多酚的生物利用度。

但是,在設計和應用食品水凝膠遞送系統時,仍存在許多挑戰,目前研究還只局限于實驗室,還沒有大規模的用于生產。食品水凝膠中的多酚在胃腸道中的穩定性以及在特定區域內定向釋放和被吸收的能力還需要得到進一步證明。因此還需要開發新的制備方法,開發新的材料,更多地開展細胞實驗和完整的動物實驗,探究食品水凝膠遞送體系的穩定性、釋放吸收特性以及最終多酚的利用程度等方面,并評價其安全性,最后進行人體實驗探究其有效性及安全性，這樣方可應用于食品醫藥工業。