虾青素的生物功效及其运载体系研究现状

姜燕蓉，刘锴锴，齐筱莹，牛宁，郝志娜，胡建恩，卢航，赵慧

(大连海洋大学 食品科学与工程学院，辽宁 大连，116600)

虾青素(3, 3’-二羟基-4, 4’-二酮基-β, β’-胡萝卜素)主要存在于藻类、酵母、甲壳类动物和鱼类表皮[1]，它是具有13个共轭双键的酮式类胡萝卜素。由于具有特殊的分子结构，虾青素可以通过多种途径防止氧化应激损伤，具有强抗氧化性[2]。另外，虾青素还具有抗炎、抗糖尿病、抗肿瘤、免疫等多种生物功效[3]。

虾青素在消化液中的溶解度以及与肠道中胆碱、脂类等的结合过程影响虾青素的生物利用度，即被机体吸收进入体循环参加生理功能(或经过存储后供以后使用)的剂量和吸收速度[4]。由于虾青素难溶于水，在光照(特别是紫外光照射)和高温等条件下易降解，在胃肠道中的稳定性差，最终导致虾青素的生物利用度低，进而限制了其在功能性食品和医药行业中的应用[5]。

虾青素运载体系是近年来重点发展的高新技术之一，通过运载体系的包埋作用，不仅可以降低储存期间外界环境对虾青素的不利影响，还可以控制虾青素释放速率及在生物体内的释放部位，从而提高了虾青素的生物利用度。因此，在总结了虾青素生物功效的基础上，该文探讨了不同运载体系及其负载虾青素的特性，对通过运载体系的作用改善虾青素稳定性的发展前景进行了总结和展望。

1 虾青素的生物功效

1.1 抗氧化功效

机体内自由基和活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平超过了内源性抗氧化酶系统的抗氧化能力时会引起氧化应激，进而造成DNA损伤、脂质过氧化和细胞凋亡等问题[1]。虾青素特殊的分子结构(共轭不饱和双键和末端环上酮基(—CO)和羟基(—OH))能够通过清除自由基和ROS终止链反应，能够穿过细胞膜的磷脂双分子层，保护细胞免于脂质过氧化，另外还可以提高机体内抗氧化酶系统降低自由基和ROS水平，实现多种途径防止氧化应激损伤。张珊珊等[6]发现5 μg/mL虾青素预处理,降低了H2O2诱导产生氧化应激的小鼠肝脏原代细胞的凋亡率，提高了细胞中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)活性，从而保护肝脏。虾青素(10 μmol/L)能有效降低H2O2诱导产生氧化应激的脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells, HUVEC)内ROS水平，减少p53和Casepase-3的表达，提高线粒体膜电位，抑制H2O2引起的HUVEC细胞坏死，对心血管疾病具有防治作用[7]。10 μmol/L虾青素预处理H2O2诱导产生氧化应激的PC-3细胞后，可以通过减少Casepase-3及提高Bcl-2/Bax比率,降低细胞凋亡率，还可以激活细胞膜上ERK和PI3K/Akt信号通路，使转录因子Nrf2从Keap1-Nrf2的复合体上脱落，由细胞质转入细胞核，与ARE结合后增强抗氧化Ⅱ相酶的表达，保护机体免受ROS的侵害[8]。对β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ)诱导的阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)大鼠灌胃21 d后，虾青素(25 mg/kg)显著提高了大鼠海马组织中SOD活性，降低了乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)、丙二醛(malonic dialdehyde, MDA)及磷酸化Tau含量，抑制了AD大鼠海马组织的氧化应激损伤，对AD具有一定的治疗效果[9]。虾青素还能通过提高对氧磷酶活性使谷胱甘肽含量增加,防止脂质过氧化作用[10]。

1.2 抗炎功效

炎症是一种十分常见的病理过程，组织对损伤因子所发生的防御反应均被视为炎症。当外界病原微生物或化学物质入侵机体时，炎症因子通过内源性化学因子的作用引起炎症反应并导致多种疾病的发生[11]。虾青素的抗炎功效涉及到多种炎症因子(TNF-α、IL-6、IL-Iβ和IL-10等)的调控。研究表明,虾青素能抑制脂多糖诱导的细胞炎症反应，脂多糖被巨噬细胞表面的炎症因子TLR4识别,并激活NF-κb/蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)等信号通路，触发炎症级联反应，虾青素能抑制信号通路并显著降低炎症因子(TNF-α、IL-6、IL-Iβ和IL-10)的含量[11-12]。连续2周以30 mg/kg/d的投喂量灌胃虾青素，脓毒症小鼠体内炎症因子TNF-α和IL-6的释放被显著抑制，对小鼠重要器官具有保护作用，从而降低了小鼠的死亡率[13]。对冬训期间的足球运动员进行研究后发现，连续7周每天服用6 mg虾青素，其血清炎症因子中促炎症因子(TNF-α、IL-6、IL-Iβ和CRP)的水平显著降低，炎症抑制因子(IL-10和IL-37)的水平显著提高，从而改善了足球运动员由于负荷带来的炎症反应[14]。另外，还有研究表明虾青素抗炎功效可能与糖尿病、抑郁症和神经元损伤有关。高血糖会增加IL-6、IL-Iβ等炎症因子含量，损伤糖尿病小鼠海马、杏仁核和丘脑神经元，使小鼠产生抑郁症状，在30 mg/kg的剂量下，小鼠连续10周口服虾青素可以抑制炎症因子，保护糖尿病小鼠海马椎体，从而减轻抑郁症状[15]。

1.3 抗肿瘤功效

虾青素的抗肿瘤功效主要是抑制肿瘤细胞增殖、促进肿瘤细胞凋亡和防止肿瘤细胞转移。虾青素(15 mg/kg)连续灌胃口腔癌小鼠14周后，发现虾青素可以通过抑制STAT-3的磷酸化来抑制JAK/STAT信号传导，并对核因子κb、细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)分子靶标抑制口腔癌细胞增殖[16]。A549非小细胞肺癌细胞经100 μmol/L的虾青素处理后，细胞增殖被显著抑制，并且虾青素能够降低抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，增加促凋亡蛋白Bax的表达，从而促进A549癌细胞凋亡[17]。100 μmol/L虾青素作用于人类胃癌细胞(KATO-1和SNU-1)后，通过抑制ERK的磷酸化，增强周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinases, CDK)中p27 Kip的表达，使细胞周期停滞在G0/G1期，有效抑制了细胞增殖[18]。CHEN等[19]用虾青素处理黑素瘤细胞A375和A2058，发现其通过抑制MMPS金属蛋白酶1,2和9的表达，防止了黑素瘤细胞转移。另外，细胞间隙连接通讯功能异常可能导致肿瘤发生，肿瘤细胞间缺乏细胞间隙连接通讯功能，其修复往往会降低肿瘤细胞的增殖[20]。乳腺癌细胞(MDA-MB-4355和MCF-7)经过虾青素(60 μmol/L)处理后，细胞间隙连接通讯功能增强[21]。虾青素通过抑制间隙连接43蛋白的磷酸化增加通讯功能，抑制人皮肤成纤维细胞的增殖[22]。

1.4 其他功效

除上述生物功效外，虾青素还有提高免疫、抑制肥胖和防止皮肤光损伤等功效。虾青素提高和改善免疫功能主要通过提高淋巴细胞(T淋巴细胞、B淋巴细胞和自然杀伤细胞(natural killer cell,NK))和巨噬细胞水平，促进免疫球蛋白及抗体的产生。连续30 d虾青素以0.5 g/kg/d的投喂量灌胃ICR小鼠，能够增强小鼠淋巴细胞、单核-巨噬细胞水平，从而增强其免疫能力[23]。虾青素(15 mg/kg)连续灌胃小鼠14周后能够促进淋巴细胞中γ-干扰素和白细胞介素-2(IL-2)的产生，从而提高淋巴细胞免疫反应[24]。大负荷运动小鼠由于大强度运动造成的血清中免疫球蛋白(IgM、IgD、IgG、IgA和IgE)含量的减少,可通过喂食虾青素进行抑制，提高细胞的免疫功能，从而提高机体的免疫能力[25]。连续灌胃虾青素(0.3 g/kg)12周能有效改善肥胖小鼠肝功能，抑制高脂肪、高果糖(high fat and fructose diet, HFFD)引起的血浆胆固醇和肝脏三酰甘油(triacylglycerol, TAG)含量升高，明显减少脂肪沉积，从而抑制体重增加[26]；70 μg/mL虾青素还可以与胰脂肪酶非共价结合降低胰脂肪酶活性，降低脂肪吸收，达到减肥效果[27]。涂抹虾青素-胶原蛋白耦合物(10 mg/mL)6周能有效缓解皮肤增生，修复皮肤胶原纤维和纤维网状结构，改善UV引起的皮肤光老化损伤[28]。

尽管体外实验验证了虾青素具有上述多种功效，但体内实验相关研究报道还比较少，另外对其作用机制的研究也需要进一步深入。

2 虾青素运载体系

2.1 乳液运载体系

乳液是将生物活性物质溶于油相或水相中后，通过外力作用(均质、超声波等)将其分散在不相容的水相或油相中形成的稳定分散体系[29]。油水界面由于不混溶而具有高界面张力，导致乳液的热不稳定性问题，所以在乳液制备过程中加入乳化剂，使其吸附在油相和水相之间，可以降低界面张力，从而提高乳液的热稳定性[30]。近年来研究表明，纳米乳液由于粒径较小(10～100 nm)并具有高光学透明度，相比较传统乳液可以更好地提高生物活性物质的稳定性和生物利用度[31]。以人参皂苷(ginsenoside, GS)为乳化剂制备虾青素纳米乳液时，随着乳化剂浓度的增加，界面张力从21.0 mN/m降低至8.7 mN/m，且温度为90 ℃，时间为30 min时，稳定性显著提高[32]。以大豆卵磷脂为乳化剂得到负载率为90.41%的虾青素纳米乳液，4 ℃避光保存1周后，虾青素保留率(85.34%)明显高于棕榈油负载的虾青素保留率(54.92%)，纳米乳液有效降低了虾青素的降解速率，提高了其稳定性[33]。将抗性淀粉/大豆分离蛋白(LABS/SPI)结合物作为乳化剂制备的虾青素纳米乳液，在6、20和37 ℃储存条件下，能够显著提高虾青素的稳定性，在体外消化实验中显著降低游离脂肪酸的释放，从而抑制了虾青素的氧化[34]。使用绞股蓝皂甙为乳化剂得到的纳米乳液在pH(6～8)和热处理(60～120 ℃)条件下显示出较高的稳定性，并在5 ℃和25 ℃下储存30 d能更有效地抑制虾青素降解[35]。另外，比较改性卵磷脂(modified lecithin, ML)和酪蛋白酸钠(sodium caseinate, SC)虾青素纳米乳液发现，SC虾青素纳米乳液稳定性高于ML虾青素纳米乳液，但ML虾青素纳米乳液显示出更高的生物利用度[31]。

虽然纳米乳液已被逐渐应用于食品、医药行业，但在纳米乳液制备时高压均质、超声等操作易使体系中敏感化合物结构发生变化，生物活性降低等问题仍需研究解决。

2.2 脂质体运载体系

脂质体是由磷脂分散在水相中自发聚集而形成具有双分子层膜结构的囊泡，结构类似于细胞膜。虾青素的多烯链部分嵌入磷脂非极性尾端疏水长链形成疏水核心区域，末端环嵌入磷脂极性头部形成双分子层囊泡表面，这种结构有利于提高虾青素的水溶性和生物利用度[36]。研究发现,大豆磷脂酰胆碱(soybean phosphatidylcholine, SPC)/虾青素脂质体在4 ℃条件下保存15 d,保留率为82.29%，显著降低了虾青素的降解速率，并有效提高了虾青素的DPPH清除能力[37]。在Hep3B、HepG2细胞转运研究中发现，蛋黄卵磷脂和胆固醇/虾青素脂质体能显著提高虾青素进入细胞的速度，更有效地激活抗氧化酶，从而提高虾青素的生物利用度[38]。连续7 d口服10 mg/kg虾青素脂质体能够更有效地提高肝内细胞抗氧化酶活性(SOD和GSH-PX)，降低炎症因子IL-6和TNF-α含量，从而提高虾青素的生物利用度[39]。暴露在紫外线下的小鼠皮肤，通过涂抹虾青素脂质体(4 mL 0.2%)能更好地改善光损伤引起的病理变化并减轻胶原损伤[40]。另外，将硅化虾青素脂质体作用于皮肤后，初始24 h虾青素释放率为10.7 μmol/(mg·h)，随着虾青素逐渐释放，其自由基清除活性逐渐增加，硅化虾青素脂质体能够控制释放，并显示出其在化妆品行业的应用潜力[41]。

脂质体具有较高生物相容性和安全性优势，并且具有靶向性和缓释性，可以应用于食品工业和药物系统。但脂质体仍存在一些亟须解决的问题：粒径分布范围广，需要对其制备方法进行改良；稳定性差，随着储存时间的增加，脂质体存在易凝集和脂质层中不饱和脂肪酸易氧化[42]。

2.3 固体脂质纳米颗粒运载体系

固体脂质纳米颗粒运载体系(solid lipid nanoparticles, SLNs)是以高熔点脂质材料为载体的固体胶粒运载体系。固体脂质纳米颗粒将生物活性物质包埋在脂质晶格内，可以提高生物活性物质的稳定性和生物利用度[43]。比较以甘油单硬脂酸酯(glycerin monostearate, GMS)、甘油二硬脂酸酯(glycerin distearate, GDS)和硬脂酸(stearic acid, SA)为载体的虾青素固体脂质纳米颗粒发现，在光照条件下15 d后,SA虾青素固体脂质纳米颗粒具有最佳保留率(96%)，显著高于游离虾青素(68.3%)，SA虾青素固体脂质纳米颗粒还提高了虾青素在H2O2溶液中的保留率[(85.6±1.2)%，2h]，抗氧化性被显著提高[44]。另外，SA虾青素固体脂质纳米颗粒(10 μL,4 mg/kg)处理嗜铬细胞瘤-12细胞系后，发现其对H2O2诱导的氧化应激具有良好的抗氧化潜力，并且能够通过鼻腔给药对大鼠大脑进行靶向释放[45]。近年来有研究将固体脂质和液体脂质在一定温度下混合制备成改良SLNs：纳米结构脂质载体(nanostructured lipid carriers, NLCs)。NLCs具有无定形固体结构或缺陷型晶体结构，将生物活性成分溶解在液体脂质中后，共同包封在固体脂质中能够提高生物活性成分的负载率和控释能力[46]。以油酸(液体脂质)和甘油山嵛酸酯(固体脂质)作为合适的脂质混合物(比率为0.765)负载虾青素，结果表明pH和温度对其无显著影响，具有较高的稳定性[47-48]。

目前应用于虾青素的SLNs和NLCs研究较少，但有研究证明SLNs和NLCs不仅在药物递送系统中发挥效用，在食品工业中也是新颖且有前景的纳米载体。作为亲脂性营养保健品的递送系统，可以增加其稳定性、生物利用度和在水性介质(如饮料)中的溶解度。

2.4 微胶囊运载体系

微胶囊运载是将微量固体、液体或气体颗粒包埋在高分子材料形成直径为几微米到几毫米容器的过程，被包埋的物质称为“芯材”，用作容器的物质被称为“壁材”[49]。壁材在芯材的外层形成保护，使其与外界隔离，提高芯材的稳定性，并在特定环境下将芯材释放出来发挥生物功效。研究表明乳蛋白和可溶性玉米纤维(SCF 70)作为壁材得到的虾青素微胶囊(包埋率为95%)能有效降低过氧化值(peroxide values, PVs)，减少氧气对虾青素氧化的影响[50]。利用葡萄糖和木糖两种还原糖对玉米醇溶蛋白(Zein)进行糖接枝改性后,对虾青素进行微胶囊化，95 ℃条件下8 h,保留率达到75%，而未微胶囊化虾青素同条件下保留率仅为25%[51]。腰果胶和明胶在pH 4.0～4.2条件下复合凝聚成功包埋虾青素，溶解度为(28.6±4.7)%，储藏36 d后保留率为47%，明显优于未微胶囊虾青素(9%)，能够很好地分散在酸奶中[52]。

微胶囊化还可以明显提高虾青素的生物功效。微晶纤维素(microcrystalline cellulose, MCC)和羧甲基纤维素钠(sodium carboxymethylcellulose, CMC-Na)相互作用对虾青素进行包埋后，显著提高了虾青素的DPPH清除能力[53]。食品级低甲氧基果胶和藻酸钠包埋的虾青素油在52周后，总虾青素保留率在4℃/无光照/有氧条件下最高[(94.4±4.1)%]，并表现出更强的自由基清除活性[54]。麦芽糊精和阿拉伯胶为壁材制备的虾青素微胶囊具有高溶解度(>92%)，模拟胃肠消化过程中此微胶囊相比较未微胶囊化虾青素更容易与脂肪分解酶反应，具有更高的生物利用度[55]。以β-环糊精和蔗糖脂肪酸酯为壁材制备的虾青素微胶囊，其自由基清除率显著高于虾青素油剂，且在弱碱环境下(pH 8～10)比虾青素表现出更好的稳定性[56]。另外，口服灌胃100 mg/(kg·d)乳清蛋白/阿拉伯胶酯化虾青素微胶囊和油树脂虾青素3 d后发现，灌胃虾青素微胶囊小鼠血浆中虾青素的含量[(0.36±0.08)μg/mL]是灌胃油树脂虾青素小鼠的3倍，说明该微胶囊有效提高了虾青素的生物利用度[57]。

近年来，微胶囊运载体系在改善虾青素稳定性和生物利用度上取得了显著的效果，但是微胶囊化虾青素存在的有机物残留、粒径偏大等问题，还需要通过改进工艺和开发新型壁材解决。

3 结论

根据不同用途，选择合适的运载体系，能够改善虾青素稳定性和生物利用度，并且能够实现虾青素更好地释放和转运。但目前研究中仍然存在以下问题：

首先，目前食品领域和医药领域中虾青素运载体系大多数仍处于初步研究阶段，不能实现虾青素在体内的靶向释放和转运，使得其不能在特定的位点进行释放和靶向吸收，导致虾青素在体内生物利用率一直在较低的水平。其次，由于运载体系指标过程中所需的安全高效的乳化剂及壁材选材范围较窄，所以未来要将虾青素应用于功能性食品和药品还存在一定困难。

根据目前虾青素运载体系存在的问题，今后的研究应侧重于以下几个方面：(1)每种运载体系都有各自存在的缺点，如负载率低、易氧化等问题，可以将不同运载体系进行结合，从而更有效地提高虾青素稳定性和生物利用度；(2)纳米级材料可以更有效地促进胃肠道的吸收，通过将虾青素颗粒尺寸从微米级缩小到纳米级，从而提高其生物利用率；(3)采用特定功能的壳材料和乳化剂(如蛋白质或多糖)制备虾青素的运载体系，从而有效地实现虾青素在消化道内的靶向释放及体内靶向组织的定点释放。