基于生物来源和纳米技术的姜黄素传递载体的研究进展

陈 帅 孙翠霞 代 蕾 杨淑芳 毛立科 高彦祥

（北京食品营养与人类健康高精尖创新中心 中国农业大学食品科学与营养工程学院 北京100083）

姜黄素（curcumin，C21H20O6）是一种天然的多酚类化合物，主要来源于姜科、天南星科中的一些植物根茎的提取物。研究表明，姜黄素具有较强的抗氧化活性，能够有效降低心血管疾病和癌症的发病率[1]，改善脑神经细胞功能，预防老年痴呆[2]，以及保护肝脏等多种功效[3]。然而，姜黄素的水溶性很差（约11 ng/mL）[4]，很难将其应用于食品体系，而且姜黄素对光、热、氧敏感，容易发生降解。口服摄入的姜黄素只有很少量被小肠吸收，会在肠细胞和肝细胞内与葡萄糖苷酸和硫化物结合，很快代谢并排出体外，难以发挥其生理活性[1]。姜黄素的生物利用率很低（约1%）[5]，限制了其在食品领域的应用。

针对姜黄素难以利用的问题，很多新方法和新技术被用于增加姜黄素的水溶性及提高其生物利用率，例如纳米技术[6]，环糊精包合技术[7]，化学改性技术[8]，乳化技术[9]等。与其它几种技术相比，利用纳米技术制备的传递载体具有非常小的粒径，可以携带姜黄素在细胞内释放，实现靶向和缓释双重效果，具有更高的包埋率和负载量，使姜黄素具有更好的稳定性和生物利用率[6]。

目前，关于姜黄素的纳米传递系统有很多研究，也有一些综述性论文报道，然而主要论述姜黄素纳米剂型在医学方面的研究和应用[10-12]。由于医药和食品在目标、用途和用量上都具有很大的差异，因此对传递载体的设计也有不同的要求。例如：医药制剂可以通过口服、注射和皮肤给药等方式，而食品一般只能通过摄食方式。很多医药上用于制备姜黄素传递载体的材料并不能用于食品领域。近年来，利用纳米技术以淀粉、蛋白质、多糖和脂类等天然生物大分子为材料制备的纳米固体颗粒、纳米乳液、纳米脂质体等传递载体，不仅具有纳米载体的自身优势，而且具有高度的生物相容性、可消化降解性以及安全、无毒的优点[13]，在开发姜黄素的功能食品方面，具有十分重要的实用价值。基于天然生物大分子和纳米运载的姜黄素，在食品领域具有非常好的应用前景。

1 姜黄素的纳米传递载体

一般而言，按照结构性质的差异，姜黄素的传递载体可以分为聚合物纳米颗粒、脂质体、纳米乳液、固体脂肪颗粒、环糊精包合物等[14]（图1）。用于制备姜黄素载体的材料既有天然来源的蛋白质、多糖和脂质等[14]，也有人工合成的金属纳米颗粒[15]、二氧化硅纳米颗粒[16]和丙烯酸树脂纳米颗粒等[17]。以下主要介绍以可食用的天然材料制备的能够应用于食品体系的纳米传递载体。

1.1 生物分子聚合物纳米颗粒

图1 姜黄素的纳米传递载体示意图Fig.1 Nano delivery carriers of curcumin

自然界中能够用于制备纳米颗粒的生物分子聚合物有很多，由于来源广泛、可再生、可体内降解、安全及较好的生物相容性等多种优点，所以以多糖和蛋白质为基础材料制备纳米颗粒的研究最为广泛。

常用于制备纳米颗粒传递载体的天然多糖包括淀粉、壳聚糖、海藻酸钠和果胶等。壳聚糖是唯一的天然阳离子动物性多糖，姜黄素表面带有负电荷，壳聚糖可以和姜黄素通过乳液法在离子盐诱导和静电作用的条件下形成纳米颗粒[18-19]。Yadav[18]等通过该方法制备的壳聚糖-姜黄素纳米颗粒粒径仅有50 nm，比天然的姜黄素具有更好的稳定性，并具有螯合重金属离子的能力，因而在预防重金属中毒方面有很好的应用价值。为了进一步增加纳米颗粒的稳定性以及对姜黄素的负载量，可以利用两种或两种以上的多糖作为材料，通过多糖分子之间的相互作用形成复合纳米颗粒用于传递姜黄素。Bhunchu 等[19]通过乳化法和离子凝胶法制备包埋姜黄素的海藻酸钠-壳聚糖纳米颗粒，在4 ℃下储存3 个月不变化，并且随着壳聚糖的比例增加，姜黄素的包埋率和负载量显著增加。

常用于制备纳米颗粒传递载体的蛋白质包括明胶、乳清分离蛋白、酪蛋白、乳铁蛋白等动物性蛋白质；还有大豆分离蛋白、玉米醇溶蛋白等植物性蛋白质。蛋白质作为姜黄素传递载体的优点有很多，除了其自身安全、无毒、可消化降解外，蛋白质分子较大，分子内部可以包埋姜黄素，分子表面可以吸附姜黄素[20]。此外，在水溶液体系中蛋白质还具有一定的乳化稳定性，可用于稳定姜黄素纳米颗粒[21]。Yadav[22]研究表明，明胶对于反溶剂沉淀法制备的姜黄素纳米颗粒起到一定的稳定作用，并且能够阻止姜黄素聚集结晶而将姜黄素纳米颗粒的粒径从195 nm 降至93 nm，而单独使用海藻酸钠、羧甲基纤维素钠、纤维素甲酯等对姜黄素纳米颗粒的稳定效果均不理想。Pan 等[23]将姜黄素溶解于酪蛋白酸钠的乙醇水溶液中，并通过喷雾干燥的方法制备负载姜黄素的酪蛋白酸钠纳米颗粒，此方法将姜黄素的水溶性提高40 倍，并且姜黄素-酪蛋白酸钠纳米颗粒的抗氧化性和抑制癌细胞增殖的能力也显著增加。Bollimpelli 等[24]使用乳铁蛋白和姜黄素制备复合纳米颗粒，粒径43～60 nm，细胞吸收率很高，而包埋率较低，仅61.3%，这是因为乳铁蛋白与姜黄素的分子之间相互作用力较弱。

姜黄素是一种疏水性分子，在水体系中与大多数蛋白质的相互作用力并不强，而能够与疏水性蛋白质通过疏水作用力形成稳定的纳米颗粒。玉米醇溶蛋白中含有超过50%的疏水基团，不溶于水，易溶于60%～90%乙醇水溶液，玉米醇溶蛋白很容易通过反溶剂沉淀法制备纳米颗粒[25]（如图2所示），因而是制备姜黄素纳米载体的理想材料。玉米醇溶蛋白的等电点是6.2，单独的玉米醇溶蛋白颗粒分散液很容易在pH 中性或人体环境中发生聚集而影响姜黄素的传递[20]。为了提高玉米醇溶蛋白纳米颗粒的稳定性，很多研究者尝试使用多糖等其它生物分子材料与玉米醇溶蛋白复合以修饰其表面性质和颗粒结构[26]。基于玉米醇溶蛋白和多糖的生物分子聚合物纳米颗粒的制备及对姜黄素包埋传递的研究报道见表1。此外，还有一些研究表明，利用玉米醇溶蛋白水解物和大豆可溶性多糖复合制备的纳米颗粒，也可以作为姜黄素的传递载体，可以将姜黄素的水溶性由11 ng/mL 提高至135 μg/mL，并且复合纳米颗粒复溶率高达90%以上[27]。

图2 玉米醇溶蛋白和姜黄素反溶剂沉淀形成纳米颗粒示意图Fig.2 Formation of zein and curcumin nanoparticles by anti-solvent precipitation

表1 基于玉米醇溶蛋白和多糖的姜黄素纳米颗粒的研究Table 1 Research of curcumin nanoparticles based on zein and polysaccharides

由表1可知，目前制备玉米醇溶蛋白-多糖复合物的方法主要有反溶剂沉淀法、电流体驱动雾化法、静电沉积法等。电流体驱动雾化法的优点在于粒径范围可以调控，消耗的溶剂较少。静电沉积法需要蛋白质和多糖带有正、负相反电荷才可以进行层层组装成纳米颗粒。反溶剂沉淀法制备的纳米颗粒粒径范围相对小一些，而且不需要复杂的操作设备，应用范围更广。不同多糖和玉米醇溶蛋白进行复合形成的纳米颗粒相互作用方式、粒径大小，对姜黄素的包埋效果均不同。整体而言，蛋白质-多糖复合后形成的纳米颗粒粒径小，包埋率高，包埋后姜黄素对光、热、氧、pH 等环境因素比单独用蛋白质纳米颗粒包埋的姜黄素更加稳定，消化吸收率和生物利用率也均得到提高。

除多糖外，还有一些生物分子聚合物也可与玉米醇溶蛋白复合形成纳米颗粒并表现出特殊的结构性质。虫胶是一种天然的羟基脂肪酸和倍半萜烯酸形成的多元酯类聚合物，被FDA 认证为安全物质，可用作肠道靶向的功能活性成分的载体[32]，也是GB 2760-2014 中允许使用的一种物质。Sun 等[33]通过反溶剂共沉淀法，利用玉米醇溶蛋白和虫胶制成复合颗粒用于包埋姜黄素，复合颗粒的包埋率（93.2%）显著高于单独使用玉米醇溶蛋白的纳米颗粒（82.7%），可以有效保护姜黄素不被光和热降解，而且虫胶用量多时会发生分子交联，复合纳米颗粒的粒径逐渐变大，并转变为交联网络结构的微米颗粒。

1.2 纳米脂质体

脂质体由脂类（主要是磷脂和胆固醇）自组装形成的具有类似细胞膜性质的双分子层的囊膜结构，中间为微水相环境，可以运载亲水性物质，双分子层中间可以运载疏水性物质。由于具有独特的结构和性质，所以脂质体在农业、食品、医药和化妆品领域都具有非常广阔的应用前景[34]。

用于运载姜黄素的脂质体粒径较小，纳米脂质体囊泡结构的壁厚一般只有5～7 nm[34]。Chen[35]用磷脂、胆固醇和吐温80 为材料，以动态高压微射流的方法制备包埋姜黄素的纳米脂质体，粒径为68.1 nm，包埋率为57.1%，对pH 和金属离子有抵抗能力，并且这种纳米脂质体能够提高姜黄素的抗氧化性和细胞渗透性。因胆固醇对于人体血脂水平的一些不利影响，故研究者们开始使用壳聚糖来代替胆固醇制备纳米脂质体[36]。Peng等[37]利用壳聚糖和磷脂复合制备出一种新型的纳米脂质体并用于运载姜黄素，这种复合纳米脂质体对体系中离子强度的抵抗力高于仅用壳聚糖制备的纳米脂质体，热稳定性也高于仅用磷脂制备的纳米脂质体。

整体而言，脂质体作为姜黄素的传递载体，其优势在于可以增加姜黄素的水溶性和细胞渗透性，延长姜黄素在体内的停留时间和提高姜黄素的生物利用率[35，38]。同时也存在一些缺点，脂质体稳定性较差，包埋率较低，包埋的姜黄素容易渗漏等，因此当前很多新的研究都在致力于改善纳米脂质体的界面性质，例如使用鼠李糖脂、透明质酸等修饰纳米脂质体，以增加其稳定性和提高姜黄素的包埋率和生物利用率[39-40]。

1.3 纳米乳液

纳米乳液与传统乳液相比具有更多的优点，传统乳液的液滴粒径范围100～100 μm，纳米乳液的液滴粒径一般在10～100 nm 之间，外观较清澈，不易发生相分离，更加稳定，并具有特殊的流变性质，在食品和饮料行业的应用前景非常好[41]。

Ahmed 等[42]对比了姜黄素的纳米乳液和普通乳液的物理稳定性，负载姜黄素普通乳液室温储存4 h 后上层即出现浅黄色浑浊，而纳米乳液包埋的姜黄素非常稳定。此外，姜黄素的纳米乳液的化学稳定性也非常好，Borrin 等[43]通过相反转乳化法利用大豆油、水和甘油为基料，并使用吐温80为乳化剂制备姜黄素的纳米乳液，包埋的姜黄素储藏60 d 后仍能保留70%不降解。

乳化剂是制备纳米乳液的一种重要成分，不宜过多使用。为了减少乳化剂（例如吐温）的使用量，一些研究者利用天然来源的蛋白质作为乳化剂。例如：Li 等[44]利用乳清分离蛋白作为乳化剂，制备姜黄素的纳米乳液，对于离子强度和热处理均有较好的耐受力和稳定性。此外，尝试使用多糖进一步提高姜黄素纳米乳液的稳定性时，发现多糖对纳米乳液的理化稳定性几乎没有促进作用。

油脂不仅是纳米乳液中的主要组成成分，而且有助于姜黄素的消化吸收。Ahmed[42]等对比了不同油脂类型制备的纳米乳液的消化速度和最终消化程度，消化速度的顺序为短碳链油脂＞中碳链油脂＞长碳链油脂，而消化程度的顺序为中碳链油脂＞短碳链油脂＞长碳链油脂。中碳链油脂更适合于制备姜黄素的纳米乳液。姜黄素在油脂中的溶解度有限，一般以油脂为基质制备的纳米乳液的姜黄素负载量低于1%，而利用油凝胶作为基质能够将姜黄素的负载量提高至2.6%[4]。Yu 等[45]利用油凝胶作为基质制备姜黄素的纳米乳液，其中的姜黄素主要通过消化-扩散的机制进入细胞，而且油凝胶纳米乳液载体比单独的油凝胶载体消化分解得更快、更彻底，将姜黄素的生物利用率提高了9 倍。

1.4 固体脂质纳米颗粒

固体脂质纳米颗粒是以固体油脂作为基质，内部包埋脂溶性功能成分，外部包裹有乳化剂的一种传递载体[46]，其外观呈球形，粒径一般在50～500 nm[47]。制备固体脂质纳米颗粒油相基质的天然材料一般为三硬脂酸甘油酯、单硬脂酸甘油酯、蜂蜡、动物脂肪、长碳链脂肪酸等，天然乳化剂一般有卵磷脂、皂苷、烷基糖苷等，这些生物来源的材料都具有较好的生物相容性、安全性和易降解性[46]。

由于姜黄素是一种亲脂性分子，所以固体脂质纳米颗粒是姜黄素的良好载体。Kakkar 等[48]采用乳化-低温固化法制备出一种粒径约134.6 nm的运载姜黄素的固体脂质纳米颗粒，包埋率为81.92%。这种纳米脂质颗粒能够在5 ℃条件下保存12 个月不变质。为了延长固体脂质纳米颗粒在消化系统中停留的时间，从而实现缓释姜黄素的目的，研究者尝试使用多糖来修饰其界面性质，增强其黏膜吸附性，并提高其口服生物利用率[49-50]。Ramalingam 等[51]采用高速剪切均质和超声波技术，制备出粒径为451.8 nm 的姜黄素脂质纳米颗粒，然后使用壳聚糖作为外层材料修饰脂质纳米颗粒，粒径增至739.26 nm，消化时间延长两倍多，同时包埋率和负载量非常高。除了壳聚糖外，酪蛋白酸钠和果胶也可作为固体脂质纳米颗粒的表面涂层，并且酪蛋白酸钠和果胶之间会形成共价键，从而使固体脂质纳米颗粒的物理、化学稳定性显著提高，缓释效果更好[52]。

由于固体脂质颗粒的主要成分是油脂，油脂在人体内易分解并提供营养和能量，因此，与其它几种姜黄素的纳米载体相比，固体脂质颗粒在人体内具有更高的安全性，它集合了生物聚合物纳米颗粒、脂质体和纳米乳液的多种优势，例如内部亲脂性、可分散性、颗粒属性等[48]。固体脂质颗粒可以极大地提高姜黄素的生物利用率，为单独口服姜黄素的32～155 倍，此外，固体脂质纳米颗粒对于细胞膜的渗透作用较好，它运载的姜黄素能够比较容易地进入癌细胞并促使其凋亡，这对于研发抗癌食品有一定的积极意义[53]。

1.5 其它类型纳米载体

除了上述几种主要的姜黄素纳米载体外，还有一些微胶束、纳米晶体、纳米环糊精包合物、树枝状大分子等可以用于运载姜黄素。例如：一些两亲性的蛋白质可以在水溶液中自发地形成微胶束，在37 ℃条件下，β-酪蛋白的临界胶束浓度为8 mmol/L，姜黄素包裹在β-酪蛋白的疏水内核中，水溶性可提高2 500 倍[54]。

Onoue 等[55]采用湿磨法结合冻干法制备的姜黄素纳米晶体，将姜黄素的口服生物利用率提高16 倍，并且增强了光化学稳定性。Yallapu 等[56]将姜黄素的丙酮溶液与β-环糊精的水溶液混合，蒸发丙酮制备出姜黄素-β-环糊精纳米包合物，粒径约500 nm，平均每个β-环糊精可以包埋1～2 个姜黄素分子，姜黄素的稳定性显著增强。

2 姜黄素纳米传递载体在食品中的应用

根据2016年最新实施的《食品安全国家标准食品添加剂姜黄素》[57]中规定姜黄素类化合物有3 种：姜黄素（C21H20O6）、去甲氧基姜黄素（C20H18O5）和双去甲氧基姜黄素（C19H16O4），由于它们结构和生理活性高度相似，所以食品中应用的姜黄素产品中大多为三者的混合物，纳米载体对3 种姜黄素均有很好的保护和传递作用。按照GB 2760-2014 《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》中规定[58]，姜黄素可在冷冻饮品、熟制坚果与籽类、可可制品、巧克力和糖果、粮食制品馅料、碳酸饮料、果冻以及膨化食品等多种食品中使用。

基于姜黄素对心血管疾病、糖尿病和高血脂等一些列慢性疾病的功效，可以预见姜黄素的纳米载体在功能食品的开发利用方面具有非常大的潜力。例如：可以开发成含姜黄素纳米载体的保健牛奶、功能饮料和固体速溶冲剂以及胶囊等。姜黄素的纳米载体除了能够更好地发挥姜黄素自身的生理活性外，还可以利用其独特的物理化学特性制备乳液饮料。例如Joung 等[59]利用高压均质制备的姜黄素纳米乳液应用到牛奶中，纳米乳液的液滴粒径为90～122 nm，含姜黄素纳米乳液的牛奶在室温下能够保持3 个月的物理稳定性，而且牛奶的乳脂氧化速率也显著低于普通牛奶。陈硕等[60]利用植物球蛋白-姜黄素纳米颗粒制备水包油型的Pickering 乳液，这种乳液主要依靠纳米颗粒的界面作用阻止乳液液滴聚集，从而减少乳化剂在食品中的使用[61]。姜黄素的纳米载体在食品领域的应用范围非常广，市场潜力巨大。

3 结论和展望

姜黄素在食品和医药中的应用历史悠久，然而溶解度低，稳定性差和生物利用率低一直是制约开发利用姜黄素的瓶颈。基于纳米技术，以可食用的天然来源的蛋白质、多糖和脂质等为材料，制备姜黄素的纳米传递载体，不仅增加了姜黄素的水溶性，而且保护姜黄素不被光、热、氧等因素降解，实现姜黄素在食品体系中的稳态化，并可以延长姜黄素在胃、肠内的滞留时间，实现缓释效果，最终提高姜黄素在人体内的生物利用率。

姜黄素纳米载体仍面临一些亟待解决的问题，例如负载量低，大规模生产的工艺技术不成熟等。随着科技的进步和发展，相信越来越多的新技术和新材料能够用于解决这些问题，使姜黄素的纳米载体能够实现工业化生产，开发出更多的功能性食品。