食品运载体系包埋叶黄素的研究进展

郭 静，胡 坦，潘思轶*

（华中农业大学食品科学技术学院，湖北 武汉 430070）

类胡萝卜素按化学结构的元素组成分为两类，即胡萝卜素类和叶黄素类。叶黄素是叶黄素类的一种萜类化合物[1]，在体内可以合成VA，也是构成人眼视网膜黄斑区域的主要色素[2]。人体自身无法合成叶黄素，体内的叶黄素大多来源于膳食摄取[3]。叶黄素主要存在于万寿菊、蛋制品、绿叶蔬菜以及一些水果中（表1）。它不仅被认为是天然食品着色剂，还是一种天然的抗氧化剂，具有多种生物活性功能[4]。叶黄素可有效抵抗紫外线照射，避免视网膜色素上皮细胞（retinal pigment epithelium，RPE）受蓝光损伤，并预防黄斑变性（agerelated macular degeneration，AMD）[5]、心脑血管疾病和癌症等多种疾病的发生[6]。据统计，大多数美国人每日从膳食中获得的叶黄素大约为1～3 mg，而叶黄素的每日推荐摄入量为6 mg，说明其叶黄素的摄入量明显不够，应提供叶黄素功能食品或补充剂来增加叶黄素的平均摄入水平[7]。

表1 各食物中叶黄素含量[8-9]Table 1 Lutein concentrations in various foods[8-9]

叶黄素是一种长链疏水分子，且分子结构中含有多个共轭双键，因此化学稳定性较差，对酸性条件、氧气、温度和光照等因素较为敏感，故在食品加工、贮存、运输和应用过程中容易受到化学、机械或物理等因素的影响，导致生物活性和产品品质的损失[10]。为了解决叶黄素水溶性和理化稳定性较差、生物利用度较低等缺点，研究人员进行了大量的研究工作。目前在食品、药物领域已经开展了使用递送系统（例如脂质体、纳米颗粒、乳液、微胶囊等包埋）运载叶黄素的研究。

本综述分析了限制叶黄素利用的原因，重点介绍了几种叶黄素递送体系的优势及局限性，并针对这些递送体系提高叶黄素溶解性和生物利用度的研究现状进行总结，同时对叶黄素递送体系的未来发展进行展望。

1 叶黄素应用限制

叶黄素在人体口腔通过咀嚼和酶的作用下，被大量释放到胃肠道中，在膳食脂肪、胰液和胆汁的帮助下分散到人体消化道中，在小肠形成的混合胶束期内被溶解，之后直接被上皮细胞吸收，最后被包装成脂蛋白输送到血液中[11-12]。然而叶黄素由于溶解度低，难以到达消化道被小肠上皮细胞吸收，这就导致了叶黄素的吸收效率和生物利用率很低。叶黄素的结构非常不稳定，易发生异构化、降解和氧化，将含有叶黄素的食物暴露在油炸和烘烤等极端条件下会降低叶黄素含量和活性[13-14]。因此叶黄素的生物利用度主要受食物基质[15]、脂类[16]、食品加工处理方法[17]等影响。

2 包埋技术

在食品、药品研究领域，常常将对光照、温度、pH值等外界环境敏感的功能活性物质（如叶黄素）进行包埋，以改善其水溶性，提高稳定性，控制递送、释放，进而提高其生物利用度。常用的叶黄素包埋系统有脂质体、纳米颗粒、乳液、微胶囊等（图1），其特点如表2所示。

图1 各种类型的叶黄素运载体系Fig.1 Diagrammatic representation of nanodelivery systems for lutein

表2 不同种类运载体系的特性及优缺点对比Table 2 Comparison of characteristics, advantages and disadvantages of different delivery systems

2.1 脂质体

脂质体是一种具有生物膜结构的球形或近似球形的囊泡，通常由一个或者多个磷脂双分子层或薄层构成。它具有亲水亲油的两性性质，能包裹亲水性物质和亲脂性化合物，还能将两性制剂包埋于水相与膜内部的交界磷脂上，因此脂质体具有良好的生物相容性、缓释性和靶向性，能够用于包裹生物活性物质并抑制其在光等环境条件下的降解[18]。采用乙醇注入法制备叶黄素脂质体，叶黄素被包埋在磷脂双层中，磷脂双层作为囊泡进行靶向递送，包埋率达92%，但存在有机溶剂污染的问题[19]。采用超临界反溶剂法制备由叶黄素和氢化大豆磷脂酰胆碱组成的脂质体能解决有机溶剂污染的问题，且制备过程简单、包埋率高达90%[20]。同样，使用超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide，SC-CO2）也能制备叶黄素脂质体，与其他方法相比，SC-CO2绿色环保、操作条件温和。对于采用SC-CO2制备的脂质体，叶黄素在脂质体中的包埋率和位置取决于压力，这是因为减压过程中磷脂和叶黄素聚集体发生重组，导致叶黄素在脂质体中有更高的包埋率（包埋率达（97.0±0.8）%）[21]。但脂质体属于热力学不稳定性体系，在理化稳定性方面存在贮存过程中容易发生融合、聚集、磷脂水解和氧化等问题，对贮存条件要求过高[22]。纳米脂质体技术可以解决上述问题，它能够提高生物活性物质的溶解度和生物利用度、体外和体内稳定性，也是目前研究最广泛的一种保护和控制叶黄素释放的包埋系统。如制备的以蛋黄卵磷脂和胆固醇为膜材的纳米脂质可以保护叶黄素，使其在纳米脂质体内部均匀分布，减少叶黄素在光、热、pH值等各种贮存条件下的损失，且还可以提高叶黄素的抗氧化性[23]。采用亲水性阳离子多肽多聚赖氨酸修饰后的叶黄素纳米脂质体粒径增大、电位升高，叶黄素的消化吸收利用率也得到了提高，这是因为多聚赖氨酸通过静电吸附作用与叶黄素脂质体结合，提高了脂质体对叶黄素的包埋率，且多聚赖氨酸亲水性和生物穿膜性能强，可以提高叶黄素脂质体在胃肠中的吸收和释放性能，从而改善叶黄素的生物利用率[24]。多肽加入叶黄素纳米脂质体后，除了可以提高叶黄素的包埋和释放性能，还可以提高脂质体抗氧化活性和抗癌活性，保护叶黄素免受外界环境的氧化[25]。

2.2 纳米颗粒

纳米颗粒传递体系，是指通过纳米颗粒对生物活性成分进行包埋并递送，以实现对其控释的目的[26]。纳米颗粒体积小、稳定性高，对药物的负载率也高，使用纳米载体包埋不稳定营养素可以减少其在食品加工、贮藏过程中的损失，因此构建纳米颗粒是当下食品、医药和化妆品行业进行物质运载常用且有效的方法[27]。纳米载体一般为多糖纳米粒子和蛋白质纳米粒子以及复合纳米载体。

制备纳米载体最常用的多糖之一为壳聚糖。壳聚糖包裹的纳米颗粒可促进细胞膜的通透性，从而增强肠上皮吸收，且其来源广、成本低，因此可以作为一种理想的壁材用来包埋活性物质[28]。Hong等[29]制备的壳聚糖/γ-聚谷氨酸纳米粒可以提高叶黄素的水溶性，是未经纳米封装叶黄素溶解度的12 倍。而Toragall等[30]用离子凝胶法制备壳聚糖-油酸-海藻酸钠复合纳米载体的不仅能提高叶黄素的溶解度（比游离叶黄素高1 000 倍），也能提高其热稳定性和生物利用度，且急性和亚急性毒性实验结果显示即使在较高浓度（半数致死量大于100 mg/kgmb）下也没有毒性作用。

通常用于纳米载体的蛋白质包括动物来源的蛋白质或植物来源的蛋白质。天然植物蛋白来源多种多样，通常比动物蛋白便宜易得，且具有可持续性和可再生性。近年来天然植物蛋白已比动物蛋白更受欢迎，因此，天然植物蛋白是生产天然纳米颗粒的理想来源[31]。玉米醇溶蛋白也称玉米朊，是一种天然植物大分子，来源广泛、价格低廉、富含多种氨基酸[32-33]。因其具有良好的生物相容性、生物可降解性、自组装特性以及骨诱导性，在食品、医药等领域有着广泛的研究和应用[34-35]。研究人员采用简易的抗溶剂沉淀法，在体积分数75%乙醇溶液中，玉米醇溶蛋白能与叶黄素自组装形成球形纳米粒子，且玉米醇溶蛋白负载叶黄素的纳米颗粒可以显著降低天然色素叶黄素的光降解速率，包埋率达到80%左右[36]。但由单一蛋白质制成的纳米颗粒，封装通常不稳定，叶黄素在胃中受到保护，然而在肠中易被蛋白酶降解，破坏纳米颗粒的结构，降低了叶黄素的胶束化效率[37]；因此蛋白质基通常需要涂上一层其他化合物，以提高稳定性和封装效率。为了提高胶体稳定性，研究人员最近使用了一些多糖来稳定玉米醇溶蛋白颗粒，如果胶、海藻酸钠和卡拉胶等。然而，这些多糖在水中较差的溶解性和室温下较高的黏度可能限制了其应用。大豆多糖是一种天然阴离子多糖，具有优异的水溶性，且在室温下具有较低的黏度，可用于稳定玉米醇溶蛋白纳米颗粒并提高其胶体稳定性。与纯玉米醇溶蛋白纳米粒相比，大豆多糖涂层可以作为物理屏障，阻挡光照和氧，保护叶黄素不被降解，在胃肠中还可以阻碍蛋白酶对玉米醇溶蛋白的水解，因此玉米醇溶蛋白/大豆多糖复合纳米粒的水溶性、化学稳定性、pH值稳定性和盐稳定性都有较大提高[38]。除了多糖能稳定玉米醇溶蛋白颗粒外，一些小分子表面活性剂也可以提高胶体稳定性，例如与茶皂素结合或与槐糖脂结合，制备的纳米粒子包埋率达90%以上，水溶性也是单独叶黄素的80 倍左右，稳定性和生物利用度也得到了较大提高，而且表面活性剂和叶黄素的加入改变了玉米醇溶蛋白的二级结构[39-40]。

除了玉米醇溶蛋白，还有一些不同来源的蛋白质被用作叶黄素的载体，例如大米蛋白、牛血清白蛋白。大米蛋白因高生物效价、低致敏性和高消化率以及氨基酸含量高等特点成为公认的优质且营养的天然植物蛋白。Xu Yu等[41]以天然大米蛋白为原料开发大米蛋白酶水解物-羧甲基纤维素纳米载体，包埋脂溶性生物活性分子叶黄素，成功构建了叶黄素的食品运载体系，该体系能够有效保护叶黄素，提高其稳定性，还可以有效地减缓叶黄素在胃中的释放，促进在小肠内释放，抑制乳腺癌细胞增殖和促进细胞吸收。侯惠静等[42]利用牛血清白蛋白制备的牛血清白蛋白-葡聚糖-叶黄素纳米颗粒同样可以提高叶黄素的贮藏稳定性，包埋率达95%，具有更好的细胞抗氧化活性。

2.3 乳液体系

传统的乳液是将油-水两相混合后，添加乳化剂均质而成，物理稳定性低，容易在极端环境（冷却、加热、高离子强度和极端pH值）下发生破乳现象。为了解决这些问题，已研究出多种不同结构和性质的乳液体系，如微乳、多重乳液、纳米乳液和Pickering乳液等。

2.3.1 微乳

微乳液至少由3 种组分组成：非极性相、极性相和表面活性剂，在某些情况下，需要额外的组分（例如助表面活性剂），这几种组分在适当比例下形成的无色、透明（或半透明）和低黏度的稳定热力学体系[43-44]。微乳液的制备与传统乳液相比需要更高的表面活性剂浓度，但制备过程更简单，同时也具有提高食品组分消化率、抗氧化以及抑菌的作用，因此被广泛应用于包裹疏水性物质，提高其在胃肠道的生物利用度[45]。使用食品级非离子表面活性剂（Tween-80）制备的微乳液已被证明能有效地将叶黄素和玉米黄质包裹在饮料中，并提高其生物利用率[46]。中链甘油三酯（medium-chain triglycerides，MCT）30.00%、聚氧乙烯氢化蓖麻油（cremophor RH40）41.37%、聚乙二醇-400（polyethylene glycol-400，PEG-400）28.63%时形成叶黄素微乳的负载量为1 mg/g，其在10 min内可基本溶出，溶出百分比为67%左右，但负载量较低、酸性环境下易降解，需后续继续研究[47]。以Tween-80和无水乙醇分别为表面活性剂和助表面活性剂，采用转相乳化法制备叶黄素微乳，能够克服普通乳液的热力学不稳定性，提高叶黄素水溶性，并且可以运用到实际食品生产中[48]。但在微乳形成过程中表面活性剂和助表面活性剂用量较大，增加了微乳的毒性；且在食品加工过程中，微乳结构会被水相稀释及由于各种成分的添加而破坏，引起微乳相变。微乳液除了可以包埋叶黄素外还可以作为提取剂来提取万寿菊中的叶黄素，逐渐成为叶黄素提取的新方法。

2.3.2 多重乳液

多重乳液是一种复杂的三相体系，乳液的分散相液滴中还分散着另一相与之不互溶的液滴[49]。多重乳液种类较多，分别为油包水包油（oil in water in oil，O/W/O）型和水包油包水（water in oil in water，W/O/W）型[50]。传统乳液进行包埋时，常出现泄露，导致包埋率低。与传统乳液相比，多重乳液包埋率高，还可同时包埋亲疏性不同的物质，广泛地应用于食品、医药和化妆品等领域中[51]。例如，通过静电层层组装技术，利用乳清分离蛋白、壳聚糖和亚麻籽胶形成不同界面层的叶黄素乳状液，双层及3 层乳液的物理稳定性和化学稳定性都明显优于单层乳液[52]。由鱼明胶、乳清分离蛋白和十二烷基三甲基溴化铵形成的多重乳液也被证明可提高叶黄素的稳定性[53]。

2.3.3 纳米乳液

纳米乳液是一种热力学不稳定体系，平均粒径在50～200 nm[54]。纳米乳液通常分为油包水（water in oil，W/O）型、水包油（oil in water，O/W）型和双连续（bicontinuous，B.C）型[55]。与传统乳液相比，纳米乳液粒径较小，贮存过程不易发生沉淀，还能够避免体系发生絮凝现象，因此研究人员广泛使用纳米乳液来包裹活性成分，以提高其理化稳定性和生物利用度[56]。采用高压均质法构建以酪蛋白酸钠为乳化剂的叶黄素纳米乳液，显示出显著的自由基清除活性，且纳米乳液在4 ℃下保存30 d后仍保持物理稳定性，能有效降低叶黄素的化学降解速率[57-58]。虽然蛋白质被认为是良好的乳化剂，但蛋白质通常对pH值的变化、高温、高离子强度等十分敏感，在其等电点附近溶解度也较低。为了解决这个问题，Gumus等[59]研究发现以酪蛋白-葡萄糖美拉德共价复合物为乳化剂的乳液在pH 3～7下和不同温度下对叶黄素有较好的保护作用，这是因为葡聚糖提供了强烈的空间排斥，同时美拉德共价复合物不会影响叶黄素的消化。Caballero等[60]开发了以豌豆蛋白-葡聚糖美拉德共价复合物为乳化剂的叶黄素乳液，与酪蛋白-葡聚糖美拉德共价复合物对比，两者都能在不同离子强度、不同贮存温度下有较好的物理稳定性，但两者都不能抑制叶黄素褪色。有学者发现在由酪蛋白-葡聚糖美拉德共价复合物制备的纳米乳液中添加白藜芦醇和葡萄籽油可抑制叶黄素降解和叶黄素在不同温度下的褪色，有效提高叶黄素的化学稳定性，这是因为白藜芦醇具有很强的抗氧化性，此外葡萄籽油中存在内源性抗氧化剂，进一步提高了叶黄素的化学稳定性[61]。但目前纳米乳液应用仍受到限制，原因之一是纳米乳液的热力学性质不稳定，加热不利于其稳定性。除热力学不稳定性外，纳米乳液的工业化应用还受到生产成本、毒性等多个方面的限制[62]，因此还需要深入研究纳米乳液，以提高其热稳定性。

2.3.4 Pickering乳液

Pickering乳液是一种以固体颗粒为乳化剂而不是表面活性剂稳定的乳液[63]。这些固体颗粒具有明确的粒径分布，且能降低油和水之间的界面能，有助于生成稳定的Pickering乳液[64]。Pickering乳液与传统乳液相比，具有低毒性、高抗聚结稳定性和高贮存稳定性等优势，同时还可以包埋生物活性成分，并对其成分起到保护、递送、控制释放等作用，在食品、药品等行业具有广泛的应用[65-67]。目前，常用于稳定Pickering乳液的固体颗粒一般为多糖、蛋白质和复合颗粒。Li Songnan等[68]通过调节油相体积分数构建了不同界面活性及乳液结构的辛烯基琥珀酸藜麦淀粉（octenylsuccinate quinoa starch，OSQS）Pickering乳液凝胶来递送叶黄素，贮存31 d后，叶黄素保留率达55.38%。而Su Jiaqi等[69]选择β-乳球蛋白-阿拉伯树胶作为叶黄素传递的颗粒稳定剂，制备的Pickering乳液具有很高的抗絮凝性和聚结性，并且具有显著的化学稳定性，贮存12 周后仍保留了91.1%的叶黄素。蛋白质除了和多糖结合外，还可以通过非共价相互作用与表没食子儿茶素没食子酸酯（epigallocatechingallate，EGCG）组成蛋白质基复合颗粒，复合颗粒稳定的Pickering乳液能够抑制叶黄素的降解[70]。近年来，虽然蛋白质、多糖等可食性固体颗粒因其低毒性、环保性和高稳定性得到广泛应用，但其自身存在一定的局限性，需采取水解、加热和复配等方法改善其湿润性、粒径和表面粗糙度等。另外，Pickering乳液在包埋叶黄素时提高其生物利用率的研究也较少，因此寻找新型具有良好双亲性和可食性的固体颗粒制备Pickering乳液和通过Pickering乳液提高叶黄素生物利用率等方面还有待研究。表3总结了关于运载叶黄素的各种乳液类型及乳液特性。

表3 运载叶黄素乳液的制备及性能Table 3 Preparation and properties of emulsions for lutein delivery

2.4 微胶囊

微胶囊使用成膜材料将敏感性、具有挥发性或反应活性的固体或液体包裹成微小颗粒，在保护天然活性成分稳定性和延缓释放等方面有着广泛的应用，但仍存在环境污染、芯材释放时间长等缺点[71]。许多研究表明，叶黄素的微胶囊化可以提高叶黄素的水溶性和稳定性，并控制叶黄素的释放[72-73]。微胶囊化的方法中，喷雾干燥技术具有生产率高、能耗低、开发周期短、灵活性好等优点，几十年来已成为食品行业最主要的微胶囊化方法之一[74]。在喷雾干燥微胶囊化过程中，微胶囊壁材的选择至关重要。在各种类型的微胶囊壁材中，多糖类聚合物（如低聚糖、麦芽糊精、透明质酸和淀粉）因其成本低、溶解度高、黏度低和具有抗氧化性的特性而最常用[75]。Zhang Lihua等[76]将叶黄素均匀地分散在改性淀粉和蔗糖基质中，用玉米淀粉包裹，使用喷雾干燥技术制备叶黄素微胶囊，制备出的叶黄素微胶囊可以使叶黄素直接溶于水中形成均匀的液体，使得叶黄素溶解性和贮藏稳定性也得到了提高，并且增加了叶黄素的生物利用度，相对生物利用度也达到139.1%。Ding Zhuang等[77]选择了3 种不同类型的多糖（海藻糖、菊粉和变性淀粉）及其组合，采用三因素三水平实验制备叶黄素微胶囊。研究显示以菊粉和变性淀粉为复合包埋材料的微胶囊的最大包埋率为（80.0±0.6）%，稳定性也得到了显著性提高。微胶囊的壁材除了多糖类聚合物，还有蛋白类聚合物（如蛋白和明胶），它们具有良好的生物降解性和相容性[78]。近几年，选择合适的蛋白质类壁材以及复配和改性蛋白质成为了研究热点。Qu Xiaoying等[72]以阿拉伯树胶和明胶作为微胶囊的壁材，用复凝聚法制备叶黄素微胶囊，并优化其制备条件，提高了叶黄素对光照、温度、相对湿度的稳定性。Zhao Tong等[79]制备了不同的叶黄素微胶囊（卵磷脂-叶黄素微胶囊和酪蛋白-叶黄素微胶囊），并研究温度、光照和pH值对叶黄素稳定性的影响，结果表明酪蛋白-叶黄素微胶囊具有更好的稳定性，且比天然叶黄素更易被肠道Caco-2细胞吸收。

3 结 语

近年来叶黄素的生理活性功能已被广泛研究。摄入适量叶黄素不仅有助于眼睛健康，还可预防心脑血管疾病、促进大脑发育等，且叶黄素还是一种天然的食品着色剂和抗氧化剂。但由于叶黄素水溶性差、化学稳定性差和生物利用度低的缺点，限制了其在食品中的应用。然而各种包埋体系（如脂质体、纳米颗粒、乳液体系和微胶囊）可以改善叶黄素的包埋、递送和释放，提高其在人体内的生物利用率。但在开发叶黄素包埋系统时，也存在着一些不足之处，比如叶黄素的颜色问题，叶黄素是天然着色剂，所以含有叶黄素的产品要考虑其化学降解速率，还有一些包埋技术成本高、工业化生产难度大且存在纳米级封装系统的安全性等问题。除此之外，叶黄素在各种运载体系中消化吸收和代谢机制研究也较少，不同运载体系对叶黄素的吸收代谢起到的作用也需进一步了解。因此，未来的趋势应集中在研究大规模工业化生产的经济可行的叶黄素运载体系、纳米级封装系统的安全性、消化吸收机制并开发更多由天然食品级聚合物（如蛋白质和多糖）组装而成的包埋系统。