包封類胡蘿卜素運載體系研究進展

陳 敏，王錫昌

（上海海洋大學 上海 201306）

類胡蘿卜素（Carotenoids）是維生素A 的前體物質，普遍存在于植物、真菌和藻類中，具有保護視力、降低患癌癥和慢性病的風險[1-2]。類胡蘿卜素在生理代謝過程中至關重要，然而其自身無法合成，只能從膳食中攝取。中國居民膳食指南指出1名成年男性每日需攝入800 μg 的維生素A，而1 mg β-胡蘿卜素僅能轉化成166 μg 維生素A[3-4]，說明日常膳食中對類胡蘿卜素的攝入量不足，必須通過飲食和補充劑來增加類胡蘿卜素的平均攝入量，從而合成更多的維生素A。

類胡蘿卜素是含有多個共軛雙鍵的異戊二烯結構，這就決定其對光照、氧氣、強酸和溫度等條件敏感，在加工運輸和代謝過程中極不穩定，會在各種物理和化學作用下降解，從而導致類胡蘿卜素生物利用度低（小于10%）[5-6]。針對如何提高類胡蘿卜素的穩定性和生物利用度，最大程度地發揮其在體內的生物活性，研究人員開發了多種對類胡蘿卜素進行包封的遞送系統，比如乳液、水凝膠、固體脂質納米顆粒和納米結構脂質載體等[7]。

本文概述類胡蘿卜素在體內的代謝過程和影響胡蘿卜素生物利用度的因素及相關的研究現狀，重點介紹幾種類胡蘿卜素遞送系統的優勢和局限性，以及如何提高類胡蘿卜素生物利用度，并對這些類胡蘿卜素遞送系統的未來研究進行展望。

1 類胡蘿卜素應用限制

1.1 影響類胡蘿卜素穩定性和生物利用度的因素

影響類胡蘿卜素穩定性的因素可分為體外因素和體內因素[5]。在體外，富含類胡蘿卜素的食物在運輸（光、氧、高溫）和加工過程（蒸、炸、炒、煎）中不穩定、易暴露[8-9]；在體內，類胡蘿卜素經人體攝入后，在口腔咀嚼和胃蠕動的物理作用及pH 值和各種消化酶的化學作用下，進一步釋放并溶解成含有類胡蘿卜素的油滴，轉運至小腸后油滴在小腸上皮細胞中胰脂肪酶的作用下再被消化并與膽鹽和磷脂形成混合膠束，之后混合膠束在被動擴散和載體蛋白的作用下轉運至小腸上皮細胞的刷狀緣細胞上并被吸收，最后進入血液或生理器官[10-11]。富含類胡蘿卜素的食品在加工、貯藏、運輸和代謝過程中易受到各種理化因素的影響，導致類胡蘿卜素降解損失，失去其生物活性功能。

1.2 類胡蘿卜素穩定性和生物可及性的研究現狀

類胡蘿卜素穩定性差和生物利用度低的缺陷極大地限制了其在食品領域的發展。為了解決這一問題，近年來，食品研究者主要是研究類胡蘿卜素在食品基質中的應用和類胡蘿卜素的包封技術和方法。

圖1 類胡蘿卜素消化吸收示意圖[5]Fig. 1 Graphical summary of the current status of gastrointestinal digestion of carotenoids[5]

類胡蘿卜素在食品基質中的應用主要是將類胡蘿卜素摻入食物基質中，旨在保護類胡蘿卜素的生物活性。Ursache 等[12]從乳清和阿拉伯膠中分離出蛋白質與從沙棘中提取的類胡蘿卜素混合并經凝固和凍干處理后制成類胡蘿卜微膠囊，該微膠囊應用在松餅的配方中，研究結果表明類胡蘿卜素的包封效率為56%且松餅有較好的感官屬性。Inroga 等[13]將含有β-胡蘿卜素的納米膠囊注入到蘋果中，并評估了冷藏過程中蘋果的理化穩定性，研究結果顯示，該方法延長了蘋果的保質期，蘋果切片中類胡蘿卜素的含量（β-胡蘿卜素：300 μg/100 g，葉黃素：65 μg/100 g，玉米黃質：80 μg/100 g）高于未經處理的蘋果。

關于類胡蘿卜素的包封技術和方法是目前的研究熱點。包封是一種物理化學過程，旨在將生物活性物質包封在微系統或納米系統中，保護其不受外界環境條件（如：熱、氧氣、光、酶或pH 值變化）影響而發生降解，從而提高生物活性物質的穩定性；包封還可以通過調節親脂性生物活性物質的溶解度、界面性質及其釋放來增加親脂性生物活性物質的穩定性和生物利用度[14]。關于類胡蘿卜素穩定性和生物利用度的研究現狀見表1。

2 包封類胡蘿卜素的遞送系統

包封技術起始于醫藥行業在藥物和疫苗方面的研究，近幾年也應用在食品領域中，主要是采用合適的材料對敏感的生物活性成分（如類胡蘿卜素）進行包封，以改善類胡蘿卜素的水溶性，提高其穩定性，并對其進行遞送和控釋，提高類胡蘿卜素的穩定性和生物利用度。主要類胡蘿卜素的遞送系統有乳液、水凝膠、脂質體和微膠囊等。

2.1 乳液體系

傳統乳液是指兩種不混溶液體的體系（通常是油和水），其中一種液體以小液滴的形式分散在另一種液體中，形成非均勻的分散系統，乳液系統分為油包水（W/O）型和水包油（O/W）型，根據包封營養素的性質制備不同的乳液。傳統乳液的制備是通過添加乳化劑均質而成，乳化劑的種類分為大分子乳化劑（如蛋白質、多糖）和小分子表面活性劑（如吐溫）。以吐溫80 作為表面活性劑制備負載番茄紅素的O/W 型乳液并研究其在胃腸道中的消化吸收情況，結果表明番茄紅素生物利用度提高[24]。傳統乳液的物理穩定性差，包封率低，并易受極端條件（強酸或強堿、光、熱、高壓）的影響發生反乳化現象。針對這些問題，研究出不同結構和性質的乳液體系，如：微乳液、納米乳液、皮克林乳液和多層乳液等。

2.1.1 微乳液 微乳液是由水相、油相、乳化劑和助乳化劑組成，并按適當比例形成的一種透明或半透明的熱力學穩定的分散體系[25]。微乳液的制備方法簡單，主要有親水親油平衡值（HLB 值）法、鹽度掃描法和相轉化溫度法等，同時還具有抗菌、抗氧化和增溶的作用，因此被廣泛應用于包埋疏水性的活性成分（如：類胡蘿卜素），從而提高其生物利用度[26]。與傳統乳液相比，微乳液中表面活性乳化劑和助乳化劑的濃度更高，用量更多。

圖2 不同類型類胡蘿卜素遞送系統[11]Fig. 2 Diagrammatic representation of systems for delivery of carotenoids[11]

使用吐溫80 對葉黃素進行包埋制備成的微乳液應用在飲料中，發現葉黃素的生物利用度提高了6.25%[27]。以酪蛋白酸鈉為表面活性劑穩定的負載β-胡蘿卜素的微乳進行體外模擬消化試驗，發現β-胡蘿卜素的膠束化率和生物利用度提高至65%和15.04%[28]。在對小鼠進行灌胃和靜脈注射的體內動物實驗表明負載番茄紅素的微乳液包封率為78%，在胃腸道中的生物利用度提高至6.8%[29]。

在制備微乳液的過程中使用大量的乳化劑和助乳化劑，存在乳液毒性、環境污染和成本增加的問題，未來微乳液的發展應著重于乳液毒性的降低、環保和低成本材料的研究上。

2.1.2 納米乳液 納米乳液是由水相、油相和乳化劑組成，形成一種透明或半透明的熱力學不穩定體系，適合應用于透明的食品和飲料中[30]。納米乳液的制備過程是以類胡蘿卜素為乳液的疏水核心，添加適量乳化劑得到粗乳液，再通過高速攪拌、高壓均質和微射流等方法制成粒徑較小的納米乳液。與傳統乳液相比，納米乳液在重力分離和聚集作用下光學透性更強、更穩定，克服了傳統乳液不穩定易絮凝沉淀的問題，提高了生物活性成分在胃腸道中的穩定性和生物利用度[31]，并在微乳液的基礎上提高了生物活性成分的包封率和穩定性，降低了因使用大量乳化劑和助乳化劑而造成的毒性和環境污染。

早期對番茄中番茄紅素的生物利用度進行研究，發現番茄紅素的生物利用度低至3%[32]。Zhao等[33]用不同類型的油制備了負載番茄紅素的納米乳液，顯示出較高的穩定性，且番茄紅素的生物利用度提高至15%～25%。用油酸和亞油酸負載葉黃素制備成納米乳液，模擬體外消化試驗和體內動物實驗中葉黃素的生物利用度分別提高了5.8%和2.3%[34]。

目前影響類胡蘿卜素的生物利用度的因素主要是乳液粒徑大小，這會影響消化過程中的膠束化率；雖然納米乳液的粒徑小，但其體積小、動力學穩定性低的特點，會隨著儲存時間的延長而降低其穩定性進而影響代謝過程中類胡蘿卜素的生物利用度，因此未來可針對如何提高納米乳液的穩定性作進一步研究。

2.1.3 皮克林乳液 皮克林乳液是由水相、油相和固體顆粒組成，形成熱力學穩定體系[35]，制備過程是以生物活性物質為乳液的疏水核心，多糖和蛋白質等可食用的固體顆粒對油水界面制備的乳液。與傳統乳液相比，皮克林乳液的穩定劑多是蛋白質、多糖等，具有成本低、安全性高和環保等優勢，同時還能提高生物活性成分在加工、運輸和代謝過程中的穩定性，因此被廣泛應用于醫藥、食品和化妝品行業。

辛烯基琥珀酸（Octenyl succinic acid，OSA）作為天然淀粉顆粒常被用作皮克林乳液的穩定劑，采用傳統酸水解法從西米淀粉中提取淀粉納米晶體，并用于穩定皮克林乳液，在室溫下儲存2個月后，發現該乳液表現出較好的穩定性[36-37]。Liu等[38]制備了一種凝膠狀皮克林乳液，以加熱的大豆球蛋白作為穩定劑，用于遞送β-胡蘿卜素，模擬體外消化的2 h 內，該乳液不僅減少了β-胡蘿卜素的降解還表現其消化過程中的緩釋能力，乳液的外觀狀態更穩定，微觀圖像中乳液的粒徑更小，液滴絮凝更明顯。Burgos-Díaz 等[39]用羽扇豆蛋白聚合物作穩定劑制備了負載蝦青素的皮克林乳液并進行噴霧干燥，25 ℃和45 ℃下儲存4 周，發現負載在皮克林乳液中的蝦青素降解較少，在模擬體外腸消化試驗中中蝦青素的生物利用度高達80%，比游離蝦青素的生物利用度高4 倍。

近年來，對于皮克林乳液負載類胡蘿卜素后其生物利用度的研究少，且皮克林乳液的穩定劑多需對顆粒進行潤濕處理，包括物理（熱和機械）和化學處理（交聯、取代或轉化反應）。因此關于皮克林乳液在提高類胡蘿卜素生物利用度方面和穩定皮克林乳液的固體顆粒材料方面有待研究。

2.1.4 多層乳液 多層乳液，指在小液滴已經被乳化劑包封的基礎上再由一種或多種生物聚合物對該液滴進一步涂覆，構成兩層或多層的乳液體系。多層乳液的制備過程是將傳統乳液先均質成初級乳狀液，再向初級乳液中添加帶相反電荷的生物聚合物，通過靜電吸附作用形成第二層[40]。離子乳化劑，如卵磷脂和各種蛋白質，通常用于形成初級乳液，然后用生物聚合物（表面活性或非表面活性分子），主要是多糖和蛋白質，形成后續層[41]。多層乳液克服了單層乳液在極端環境下不穩定性和消化過程中類胡蘿卜素易降解、快速釋放的缺陷，從而提高了類胡蘿卜素的生物利用度。

Liu 等[42]制備了帶有陰離子（果膠）和陽離子（殼聚糖）生物聚合物的多層乳液包封蝦青素，結果顯示多層乳液提高了蝦青素的化學穩定性，改善了乳液在高溫和高離子強度條件下的凝聚性，與單層乳液相比，蝦青素在多層乳液中的降解速度慢了3～4 倍。Fang 等[43]以OSA 淀粉和殼聚糖為乳化劑制備了負載β-胡蘿卜素的單層乳液在胃腸消化中的保留率為73%～83%，β-胡蘿卜素在多層乳液中表現出較好的保護作用，保留率為75%～85%。

多層乳液作為新型乳液，在提高類胡蘿卜素生物利用度方面的研究甚少。

2.2 填充水凝膠

填充水凝膠是指水凝膠網絡中存在水包油脂滴的系統。制備方法是由顆粒凝聚、注射和抗溶劑沉淀等方法形成，其中填充水凝膠顆粒最簡單的方法是注射凝膠化，形成的填充水凝膠可以提高生物活性成分的穩定性并控制其釋放[44]。

Jain 等[45]使用改性大米淀粉制備封裝番茄紅素的乳液和水凝膠，結果表明，番茄紅素在水凝膠中的化學穩定性（35.6%）高于乳液（29.5%），而水凝膠中番茄紅素的生物可及性（15.6%）低于乳液（20.2%）；體外消化試驗表明，在模擬口胃條件下，含有番茄紅素的水凝膠在消化后仍保持相對完整的結構，而在相同的模擬條件下，乳液部分降解。Zhang 等[46]通過擠壓裝置制成負載β-胡蘿卜素的海藻酸鈉水凝膠和納米乳液，在高溫和模擬胃腸消化過程中，β-胡蘿卜素在水凝膠中的穩定性（92%）高于乳液（88%），而消化結束后部分β-胡蘿卜素殘留在含有海藻酸鈉水凝膠的脂滴中，因此水凝膠中β-胡蘿卜素的生物利用度降低了。相反，Mun 等[47]發現，相比乳液，β-胡蘿卜素在填充水凝膠乳液中的生物利用度提高至50%～60%，推測這可能是因為水凝膠減少液滴在胃腸道中發生絮凝。

雖然填充凝膠乳液中類胡蘿卜素生物利用度降低，但該體系抑制了類胡蘿卜素的降解并可對其控釋，未來可對關于填充水凝膠乳液中類胡蘿卜素在胃腸道中的靶向釋放和生物利用度方面作進一步研究。

2.3 脂質體

脂質體，具有雙層脂質分子的封閉囊泡，是由表面活性劑（通常是磷脂）組成的球形結構，制備方法主要包括薄膜水合、溶劑注入、超臨界流體和高壓均質。它具有兩親性質，可用于封裝不同極性的生物活性成分，并具有較好的生物相容性、降解性、靶向性和緩釋性等特點，能提高被封裝活性物質的穩定性，是目前食品和醫藥領域應用最多的遞送系統[48]。

Zhu 等[49]采用薄膜水合法制備了番茄紅素脂質體，研究結果表明在37 ℃，pH 值為7.0 的體外模擬消化過程中番茄紅素的釋放率可達72%。Xia等[50]研究了不同質量分數的脂質體（0.5%，1.0%，1.5%和2.0%）中葉黃素、番茄紅素和β-胡蘿卜素的生物利用度，研究結果發現在模擬胃腸消化過程中，脂質體質量分數越高，葉黃素、β-胡蘿卜素和番茄紅素的生物利用度越高，在脂質體質量分數為2%時，葉黃素、β-胡蘿卜素和番茄紅素的生物利用度分別提高至70%，60%和58%。

脂質體的制備成本高，生產工藝復雜，其次脂質體本質上是熱力學不穩定體系，在遞送過程中理化性質不穩定，這導致被包封的類胡蘿卜素等生物活性成分在儲存和遞送過程中易降解。

固體脂質納米顆粒（Solid-lipid nanoparticles，SLNs）和納米結構脂質載體（Nanostructured lipid carriers，NLCs）可以解決脂質體在儲存和遞送過程中的聚集和降解等問題。它們是以脂質作為基質，內部包埋脂溶性的活性成分，外部用乳化劑來穩定的一種遞送載體。SLNs 內部的脂質是固體脂質，如脂肪酸、石蠟、甘油酯、甘油三酯和蠟，而NLCs 內部的脂質是固體和液體脂質的混合物，主要的液體脂質包括飽和油（如中鏈甘油三酯）和不飽和油（如油酸和植物油）[51]。

2.3.1 固體脂質納米顆粒 SLNs 是一種晶體結構，制備方法有高壓均質化、熱或冷均質和/或超聲波、溶劑乳化和微乳液法，可以降低生物活性成分的流動和擴散，從而減緩了生物活性成分的釋放，還可限制氧化劑和其它分子滲透進入內部脂質核心，減少生物活性成分發生化學降解。因其獨特的結構和性質，SLNs 已被應用于多種脂溶性活性物質的包埋，更好地保護敏感的脂溶性活性物質，使其免受外部和胃腸道條件的降解，進而提高其生物利用度[52]。

利用相反轉溫度技術制成負載β-胡蘿卜素的SLNs，該SLNs 能夠減少β-胡蘿卜素的降解，通過體外模擬胃腸道靜態和動態消化模型顯示，β-胡蘿卜素的生物利用度分別為92%和20%[53]。Qian 等[54]以可可脂和氫化棕櫚油的混合物為脂相制備了用于封裝β-胡蘿卜素的SLNs，研究了納米顆粒的物理狀態（固體脂質體納米顆粒和液體脂質納米顆粒），結果表明β-胡蘿卜素在液體納米顆粒中的穩定性更高，而固體脂質納米顆粒并未有效減少β-胡蘿卜素的降解，這可能是可可脂和氫化棕櫚油混合物形成的晶體結構高度有序，從而導致了β-胡蘿卜素從脂質晶體中流失，因此，在選擇合適的脂質混合物上還需進一步研究。針對這一問題，Mehrad 等[55]以棕櫚酸和玉米油為脂質基質，制備了乳清分離蛋白穩定的β-胡蘿卜素負載SLNs，棕櫚酸晶體形成的固體外殼起到了保護β-胡蘿卜素的屏蔽作用，玉米油減少了β-胡蘿卜素從固體脂質基質到SLNs 表面的排斥，乳清分離蛋白在該遞送系統中的作用是增強SLNs 穩定性和改善β-胡蘿卜素的抗氧化性，該SLNs 在75℃和85 ℃條件下，β-胡蘿卜素被有效保護降解很少，而在高溫和酸性等極端條件下，β-胡蘿卜素降解速度加快。

雖然SLNs 是包埋親脂性生物活性物質合適載體，但其高度填充的固體脂質基質會與包封的生物活性物質產生空間競爭關系，從而生物活性物質容易被擠到納米顆粒表面，導致生物活性物質不穩定而降解。

2.3.2 納米結構脂質載體 NLCs 在SLNs 的基礎上開發的，克服了SLNs 的局限性，親脂性生物活性化合物在液體脂質中的溶解度大于固體脂質，NLCs 的結構有更大的空間容納生物活性物質，減少了生物活性物質的排出降解，提高了生物活性物質的分散性、穩定性和生物利用度，改善了生物活性物質的營養價值和食品系統安全性，可用于包封類胡蘿卜素等脂溶性物質[56]。

Oliveira 等[57]比較了遞送系統（SLNs 和NLCs）對β-胡蘿卜素的負載能力和穩定性影響，結果證明了NLCs 中β-胡蘿卜素的穩定性更高。Pezeshki等[58]的研究也證實了NLCs 具有作為β-胡蘿卜素新型的遞送載體的潛在作用，在25 ℃下14 d 內其封裝率高達97%。Lacatusu 等[59]發現，與納米乳液相比，用魚油作為脂質基質制備的負載葉黃素的NLCs 具有更好的緩釋性。上述研究表明納米結構的脂質載體可以提高類胡蘿卜素穩定性和生物利用度，且與SLNs 相比，NLCs 中對類胡蘿卜素的保護作用更好。

2.4 微膠囊

微膠囊使用物理或化學方法將具有敏感性、揮發性的生物活性物質包封在合適的薄膜材料中。制備方法主要用食品級或可生物降解的材料（壁或外相）均勻地涂覆生物活性成分（芯或內相），以分離內相和周圍的基質，再通過噴霧干燥法、相分離、混凝和界面聚合等物理或化學手段將其完全包裹，具有增強營養，掩蓋異味，促進儲存，延長保質期和緩釋等作用[62]。

Zeng 等[60]從櫻桃中提取出番茄紅素并用海藻酸鈉包封成膜，采用界面聚合的方法制成微膠囊，10 d 后番茄紅素的保留率為95.12%，包封率在21.01%～29.73%之間。Zhang 等[61]使用琥珀酸正辛酯酸酐改性淀粉作為壁材，采用噴霧干燥的方法制備β-胡蘿卜素微膠囊，50 d 后其包封率可達71.87%，體外模擬胃腸消化結束后β-胡蘿卜素的釋放率提高至34%。

微膠囊的加工過程需要特定的條件，例如高溫、剪切力和pH 值等，這些條件反過來又會影響生物活性物質的保存，因此需要選擇合適的封裝技術和調整適合芯材的加工條件來開發微膠囊；其次某些微膠囊已被納入商業食品中，而大多數仍處于研究階段，其中微膠囊的功能特性（如封裝效率和儲存穩定性）雖已得到優化，但控制釋放和生物利用度的評估的研究甚少。

3 類胡蘿卜素包封系統的存在問題及展望

3.1 存在問題

目前已經研究和開發出了很多類胡蘿卜素遞送系統，例如：乳液、水凝膠、脂質體和微膠囊等，尤其以乳液和脂質體的遞送系統研究為主，這確實提高了其在加工、運輸、儲存和代謝中的穩定性和生物利用度；然而，關于類胡蘿卜素遞送系統的研究遠不止如此，仍然有很多問題需做進一步探討。

1）研究不夠深入 類胡蘿卜素遞送系統的評估主要是其理化性質變化（如；形態學特征、粒徑大小和穩定性等）及包封效率、類胡蘿卜素的保留率和生物利用度，由此可見目前的研究仍停留在表面并未涉及核心問題，仍未說明遞送系統中出現各種變化的真正原因及類胡蘿卜素的活性變化。

2）安全問題尚不明確 類胡蘿卜素遞送系統采用的包封壁材以化工材料為主，如；海藻酸鈉、吐溫80、改性淀粉，這些材料在人體代謝過程中的毒性情況有待闡明。

3）生產成本高、普惠性差 類胡蘿卜素遞送系統仍處于科學研究階段，其制備過程繁瑣、操作成本高，未來如何更好的在食品商業中應用以及如何惠及日常膳食生活。

3.2 未來重點研究方向

1）遞送系統在的根本目的是為了充分發揮類胡蘿卜素抗氧化的生物活性功能，未來研究要重點關注遞送系統中類胡蘿卜素的物理結構變化（順式、反式的異構等）和抗氧化活性的變化及關系，更深層面探討類胡蘿卜素遞送系統的功能。

2）類胡蘿卜素遞送系統中多以化工材料為主，人體代謝過程中的毒性問題要得到重視，未來應在動物和人體消化模型中進行毒性測試，以評估其功效和潛在的毒性。

3）類胡蘿卜素遞送系統仍處于實驗室研究階段，在未來，研究的重點應該是生產可用于食品商業應用方面的遞送系統，并且在工業生產時應考慮使用通用簡單的處理操作和經濟有效的擴大生產規模。此外，要從實際出發，將類胡蘿卜素遞送系統拓展應用到食物基質中，會更具有現實意義。

綜上所述，讓類胡蘿卜素充分發揮其抗氧化的生物活性，可以提高人體氧化應激反應來增強免疫力；對類胡蘿卜素遞送系統的全面解析不僅可以推動人類營養衛生事業的進步，也為食品行業中有關類胡蘿卜素遞送系統的相關產業鏈和供應鏈的發展起到理論支撐和推動作用。