乳液輸送體系包埋海洋源脂溶性活性物質(zhì)研究進展

李晉禎,鄭惠娜,2,3,4*,任鼎鼎,楊文,曹文紅,2,3,4,林海生,2,3,4,秦小明,2,3,4,章超樺,2,3,4

1(廣東海洋大學 食品科技學院,廣東 湛江,524088) 2(廣東海洋大學 深圳研究院,廣東 深圳,518108) 3(國家貝類加工技術研發(fā)分中心(湛江),廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室, 廣東省海洋生物制品工程實驗室,廣東 湛江,524088) 4(海洋食品精深加工關鍵技術省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,大連工業(yè)大學,遼寧 大連,116034)

海洋一直是地球上重要的食物來源地,海洋生物更是天然物質(zhì)的重要來源,這些天然產(chǎn)物具有潛在的有助于人類健康的各種生理活性[1]。大量研究從海洋生物如魚、蝦、貝、藻等獲得許多具有增強機體免疫、緩解疲勞、降血脂、降血糖、抗氧化、改善生長發(fā)育等多種生理活性的化合物[2]。近年來研究發(fā)現(xiàn),海洋源蝦青素、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid,DHA)、巖藻黃質(zhì)等脂溶性活性物質(zhì)在預防人體疾病中起到積極的促進作用(表1)。

盡管海洋源脂溶性活性物質(zhì)在功能食品、藥品、保健品領域具有廣泛的應用前景,但是其水溶性差,易降解,感官特性差,對環(huán)境中的光、氧、熱敏感,難以應用到上述的領域中[3]。并且通過口服攝入的脂溶性活性物質(zhì)很難被小腸的上皮細胞吸收消化,生物利用度低,不能有效發(fā)揮其生理活性,這些缺陷使其在食品、藥品領域中的應用受到了限制[4]。為了解決這些活性物質(zhì)的理化穩(wěn)定性差、生物利用度低等缺點,研究人員在食品、藥品領域進行了使用乳液輸送體系包埋蝦青素、EPA、DHA、巖藻黃質(zhì)等海洋源脂溶性活性物質(zhì)的研究,如傳統(tǒng)乳液、納米乳液、多層乳液、Pickering乳液等。通過開發(fā)有效的乳液輸送體系來遞送這些活性物質(zhì)[5],在增強功能性食品營養(yǎng)價值的同時,又不會對食品的感官特性產(chǎn)生不利影響。

脂溶性活性物質(zhì)可以通過專門設計的乳液輸送體系加入到食品中,以達到一定程度的保護并到達特定的靶點,即控制它們在胃腸道內(nèi)的特定位置進行釋放。輸送體系應能夠保護這些化合物在加工、處理和儲存過程中免受物理、化學降解,并將它們輸送到胃腸道中所需的位置,而不會對食品的外觀、穩(wěn)定性、質(zhì)地或風味產(chǎn)生不良影響。本文介紹了常見的乳液輸送體系及其制備方法,重點介紹了幾種海洋源脂溶性活性物質(zhì)乳液輸送體系的優(yōu)勢及局限性,同時針對這些乳液輸送體系提高其溶解度和生物利用度的研究現(xiàn)狀進行綜述,并對海洋源脂溶性活性物質(zhì)乳液輸送體系的未來發(fā)展進行展望,以期為海洋源脂溶性活性成分在功能食品中的廣泛應用提供參考。

1 乳液輸送體系類型及其制備方法

近10年來,有關“乳液”、“包埋”、“活性物質(zhì)”為共同關鍵詞檢索的論文發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)增長趨勢,同時被引用量增長數(shù)量驚人,這說明乳液輸送體系在包埋活性物質(zhì)研究越來越被重視(Web of Science數(shù)據(jù)庫)。乳液輸送體系可用于包埋、遞送、保護和控制疏水性活性成分的釋放、消化和吸收[15]。在功能性食品研究領域,包埋技術常用于將對外界環(huán)境敏感的活性物質(zhì)加入食品運載體系中,設計合理的運載體系可以改善活性物質(zhì)的水溶性,提高其對光和熱的穩(wěn)定性,改善食品感官和品質(zhì),防止聚集、沉淀的產(chǎn)生及提高緩釋功效及靶向輸送。它們的功能可以通過控制其化學成分和物理性質(zhì)來設計,常見類型有傳統(tǒng)乳液、納米乳液、多層乳液、Pickering乳液等(圖1),不同類型的乳液輸送體系的主要特性也不一樣(表2)。

1.1 傳統(tǒng)乳液

傳統(tǒng)乳液作為食品工業(yè)中最重要的輸送體系,被廣泛應用于親脂性活性物質(zhì)和其他食品活性成分的包埋[20]。傳統(tǒng)乳液的制備是將親脂性化合物混合在油相,親水性化合物混合在水相,再通過高能均質(zhì)或者低能均質(zhì)技術將兩相混合形成粒徑大于100 nm的乳液[18]。在乳化劑存在的情況下,根據(jù)水相和油相的初始濃度,可得到2種不同類型的乳液；在高油濃度時可形成油包水(W/O)型乳液,在低油濃度時可形成水包油(O/W)型乳液。目前,大多數(shù)的傳統(tǒng)乳液是使用高能均質(zhì)技術生產(chǎn)的,一般采用超聲均質(zhì)機、高壓混合器、微通道和高壓閥均質(zhì)器等高壓均質(zhì)系統(tǒng),如研究人員利用6種不同的乳化劑通過超聲波均質(zhì)制備蝦青素O/W型乳液,發(fā)現(xiàn)由乳清蛋白(whey protein isolate,WPI)穩(wěn)定的乳液能夠顯著增加細胞對蝦青素的攝取[21]。而為了更好地改善傳統(tǒng)乳液的熱力學不穩(wěn)定性,可以通過添加乳化劑、改變?nèi)橐簝上嗟慕M成成分、優(yōu)化制備工藝等方法解決其性質(zhì)的問題,并將脂溶性活性物質(zhì)分散在油相中,形成穩(wěn)定的乳液輸送體系,從而提高活性物質(zhì)的生物利用度和消化吸收。

1.2 納米乳液

與傳統(tǒng)乳液相比,納米乳液作為疏水性活性成分的輸送體系被廣泛使用[22],因為其液滴更小,粒徑一般在10～100 nm,乳液整體清澈,液滴的布朗運動能夠抵抗重力作用引起的沉淀從而不易發(fā)生相分離[23],具有較好的貯藏穩(wěn)定性和更高的生物利用度。納米乳液的制備是在攪拌作用下,將油相和乳化劑加入水相中形成粗乳液,再經(jīng)過均質(zhì)處理制備成納米乳液,還可以通過超聲儀、剪切機和高壓均質(zhì)機等輔助手段制備小而均勻的納米乳液[24]。納米乳液作為功能性食品的輸送體系,可用于改善多種疏水性活性物質(zhì)的穩(wěn)定性和生物利用度[25],在食品領域具有一定的潛力。

1.3 多層乳液

多層乳液是一種通過靜電相互作用,具有相反電荷的乳化劑穩(wěn)定的乳液體系。近年來,利用逐層靜電沉積制備多層乳液的研究日益受到重視[26]。該方法首先用乳化劑制備表面帶電荷的初級乳液,然后通過靜電相互作用逐步沉積帶相反電荷的物質(zhì),如圖1-c所示,最終在界面上形成多層結構[27]。

傳統(tǒng)乳液中的液滴通常是由單層乳化劑包裹,一旦遇到高溫、光照、鹽濃度增加等因素時其容易發(fā)生相分離,從而導致活性物質(zhì)泄露,降低包埋率[28]。與傳統(tǒng)乳液相比,多層乳液可以包埋脂溶性或水溶性活性物質(zhì),且包埋率高,有效改善乳液對物理化學因素引起的不穩(wěn)定性[29],被廣泛應用于食品、藥品和化妝品等領域[30]。目前使用逐層靜電沉積法制備的多層乳液已被應用于食品中,且具有控制釋放包埋活性成分、提高乳液在加工過程中的穩(wěn)定性以及調(diào)節(jié)胃腸道內(nèi)脂質(zhì)消化的能力[31]。

1.4 Pickering乳液

Pickering乳液一般是指具有穩(wěn)定乳液能力的膠體顆?；蚬腆w顆粒充當乳化劑穩(wěn)定的乳液[32],其固體顆?？梢栽谟退缑嫘纬芍旅艿谋∧ざ乐挂旱尉奂?且該過程是不可逆的[33]。與傳統(tǒng)乳液相比,Pickering乳液具有低毒性、高抗聚集性等優(yōu)勢,不僅能夠有效包埋活性物質(zhì),還進一步對其成分起到保護、輸送、定向釋放等作用[34]。Pickering乳液研究的首要目的是提高乳液的穩(wěn)定性,進而研究其在胃腸道的靶向遞送相關的功能性質(zhì),最后尋求天然的、綠色的Pickering顆粒,如蛋白質(zhì)等固體顆粒[35]制備食品級Pickering乳液。

Pickering乳液中存在油水界面顆粒層,可更加穩(wěn)定包埋活性物質(zhì)及提高其生物可及性[36]。此外,Pickering乳液可有效改善傳統(tǒng)乳液的穩(wěn)定性差、安全性低、生物不相容與難降解等缺點,且Pickering乳液由于不含表面活性劑,可以改善表面活性劑的刺激性和溶血性等不良影響,在化妝品和制藥領域應用方面有良好的發(fā)展前景。

2 海洋源脂溶性活性物質(zhì)的乳液輸送體系

2.1 蝦青素

蝦青素是一種親脂性的類胡蘿卜素,廣泛存在于藻類、蝦類、鮭魚和虹鱒魚等多種生物中,其中雨生紅球藻是天然蝦青素含量最高的生物來源。如圖2所示,蝦青素的分子結構中含有2個β-紫羅蘭酮環(huán)和羥基,11個共軛雙鍵,其分子中13個不飽和鍵組成了共軛大Π鍵,是目前已知共軛雙鍵最多的化合物[37]。由于蝦青素比其他類胡蘿卜素具有更強的生物活性[38],包括但不限于抗氧化、增強機體免疫、抗腫瘤、抗癌癥、預防心血管疾病、治療糖尿病腎病等活性功能[39-40],因此其被廣泛用作食品、化妝品和醫(yī)藥產(chǎn)品的色素和保健成分的來源。然而,目前蝦青素由于化學不穩(wěn)定性、生物利用度低,在食品加工后無法保證其原有的活性[41]。乳液輸送體系被認為是提高蝦青素穩(wěn)定性和生物利用度的有效方法[42]。

圖2 蝦青素的結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of astaxanthin

以WPI作為乳化劑和0.5%黃原膠(xanthan gum,XG)的O/W型乳液包埋蝦青素,與單獨使用WPI穩(wěn)定的O/W型乳液相比,WPI-XG聯(lián)合使用降低了蝦青素的消化和釋放,可獲得更好的控制釋放輸送能力[43]。傳統(tǒng)乳液有效提高了蝦青素的體內(nèi)釋放、消化及生物利用度,但是在改善蝦青素易氧化降解方面仍有欠缺。基于α-生育酚可以有效緩解類胡蘿卜素乳液體系的氧化,SHANMUGAPRIYA等[44]通過自乳化法和超聲乳化法制備了蝦青素-α生育酚納米乳液,細胞毒性試驗發(fā)現(xiàn)納米乳液在作用24～48 h后,癌細胞存活率顯著下降3%～6%,表明蝦青素在48 h內(nèi)不易被降解。納米乳液的出現(xiàn)可以提高蝦青素的穩(wěn)定性及降低降解速度,但是在功能食品或營養(yǎng)補充劑中提高蝦青素生物利用度的潛力,或制備更為安全可靠、天然綠色的乳液輸送體系仍然存在不足。LIU等[28]創(chuàng)建了蝦青素的全天然乳液輸送體系,將陰離子(果膠)和陽離子(殼聚糖)生物聚合物依次靜電沉積到陰離子皂素包埋的脂滴上形成多層乳液,并測試乳液包埋和保護蝦青素的能力,結果表明,蝦青素多層乳液在15 d的儲存過程中沒有表現(xiàn)出任何明顯的相分離,緩解蝦青素降解能力是傳統(tǒng)乳液的3～4倍。BURGOS-DíAZ等[45]采用食品級Pickering乳液對蝦青素進行包埋,經(jīng)噴霧干燥后的蝦青素乳液粉末包埋率在90%以上、生物利用度在80%左右。以羽扇豆蛋白質(zhì)形成的蛋白質(zhì)顆粒聚集體作為乳化劑穩(wěn)定食品級Pickering乳液,使蝦青素在貯藏過程中表現(xiàn)出良好的抗氧化性和穩(wěn)定性。多層乳液為蝦青素在功能食品的應用提供了可能,也為天然安全的蝦青素乳液輸送體系創(chuàng)造了條件,而食品級Pickering乳液能更好地包埋蝦青素以及提高其生物利用度,Pickering乳液輸送體系的發(fā)展使得天然蝦青素的高效利用成為了可能。

2.2 n-3多不飽和脂肪酸

海洋性魚類含有高比例的n-3多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFAs),特別是EPA和DHA,具有防治心血管疾病、改善脂質(zhì)代謝、預防糖尿病、抗炎癥、抗癌癥等生理活性功能[46-48],而膳食中n-3 PUFAs攝入量較低會導致自閉癥、注意力缺陷或多動癥等神經(jīng)發(fā)育障礙[49],所以聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織建議成年人每天攝入0.25～2 g EPA和DHA[50]。EPA、DHA的結構如圖3所示,其分子結構含有許多不飽和的雙鍵導致其不穩(wěn)定,而難溶于水和腥味重的缺點使得魚油的感官風味差、生物利用度低[51]。

圖3 二十碳五烯酸(a)和二十二碳六烯酸(b)的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of EPA (a) and DHA(b)

因此,可將魚油封裝在乳液輸送體系中或?qū)⑵渥鳛槿橐旱挠拖?制備含有魚油的乳液,以改善其穩(wěn)定性、增溶性和感官風味,同時提高EPA和DHA的生物利用度。

研究人員將不同類型的蛋白質(zhì)及其組合作為表面活性劑制備魚油乳液[52],結果表明,添加0.5%(質(zhì)量分數(shù))酪蛋白和0.5%(質(zhì)量分數(shù))明膠的組合對魚油的氧化保護效果優(yōu)于所有其他蛋白質(zhì)組合及未包埋的魚油。而酪蛋白-糖結合物具有高表面活性和表面疏水性,可穩(wěn)定魚油乳液和降低其脂肪降解速率,從而進一步緩解魚油的脂肪氧化[53]。蛋白質(zhì)作為乳化劑能夠改善傳統(tǒng)乳液的穩(wěn)定性、乳化性,從而保護了魚油免受氧化的影響,但是傳統(tǒng)乳液在緩解魚油的降解、減少魚油的腥味方面不能體現(xiàn)優(yōu)勢。SALVIA-TRUJILLO等[54]研究多糖的添加對n-3 PUFAs納米乳液的流變性、物理穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性的影響,結果表明海藻酸鈉既促進n-3 PUFAs納米乳液的乳化,又抑制n-3 PUFAs的脂質(zhì)氧化,且比甲基纖維素和殼聚糖具有更強的抗氧化性。此外,同時將棕櫚酸、槲皮素、WPI添加到魚油固體脂質(zhì)納米乳液中,槲皮素提高魚油的氧化穩(wěn)定性,棕櫚酸可以減小乳液的液滴大小及起到抗氧化作用[55]。納米乳液輸送體系相比傳統(tǒng)乳液輸送體系,在乳液乳化和抑制n-3 PUFAs的脂質(zhì)氧化方面便突出了更為優(yōu)越的性能。

2.3 巖藻黃質(zhì)

巖藻黃質(zhì)是僅存在于藻類中而不存在陸地植物中的一種特殊的類胡蘿卜素,其主要存在于褐藻和硅藻中[56]。巖藻黃質(zhì)具有抗氧化、抗糖尿病、抗肥胖、抗癌癥、抗炎癥等生物活性[57-59],在食品、醫(yī)藥領域的潛力巨大。巖藻黃質(zhì)具有丙烯鍵、5,6-單環(huán)氧化物和9個共軛雙鍵(圖4),這些分子結構特點使其具有易氧化降解、易溶于有機溶劑等活潑的化學性質(zhì)[60]。與蝦青素等類胡蘿卜素一樣具有化學不穩(wěn)定、水溶性差、熔點高等特點,從而限制了其在食品工業(yè)中的應用。類胡蘿卜素的乳液輸送體系可以提高其穩(wěn)定性和抗氧化活性,可靠的包埋體系可以讓巖藻黃質(zhì)在遞送、控制釋放、代謝和生化過程中保持活性,提高生物利用度[61]。

圖4 巖藻黃質(zhì)的結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of fucoxanthin

O/W型乳液能夠作為一種方便、有效的系統(tǒng)將巖藻黃質(zhì)輸送到食品中,從而提高其穩(wěn)定性和生物利用度。物理化學因素在一定程度上對傳統(tǒng)乳液的性質(zhì)有影響,特別是pH、光照、溫度等。有研究人員發(fā)現(xiàn)巖藻黃質(zhì)在乳液中對pH具有一定的依賴穩(wěn)定性,即在偏酸性的環(huán)境下,傳統(tǒng)乳液中的巖藻黃質(zhì)含量下降幅度較大,而在pH 7.4的偏中性環(huán)境中,巖藻黃質(zhì)穩(wěn)定性較高[62],其原因可能是 pH能夠有效改變決定降解程度的質(zhì)子化和氧化還原電位的大小,中性條件下質(zhì)子化程度降低,還原電位增加,緩解了乳液中巖藻黃質(zhì)的降解速度。為了驗證巖藻黃質(zhì)乳液能有效應用到食品領域中,MOK等[63]將巖藻黃質(zhì)添加到牛奶(O/W型乳液)中并儲存1個月,結果發(fā)現(xiàn)其具有良好的穩(wěn)定性,經(jīng)3次巴氏殺菌后的巖藻黃質(zhì)仍有91%的保留率。O/W型傳統(tǒng)乳液不僅證明巖藻黃質(zhì)在食品中應用的可行性,也間接說明巖藻黃質(zhì)在乳液中能夠耐受巴氏殺菌的溫度,還能進一步提高巖藻黃質(zhì)的生物可及性,但是在巖藻黃質(zhì)傳統(tǒng)乳液的活性能力和胃腸道消化能力方面未得到測定和驗證。納米乳液不僅可以提高巖藻黃質(zhì)的體外消化能力、生物可及性,還表現(xiàn)出較為明顯的生物活性。SARAVANA等[64]利用超聲輔助乳化技術制備κ-卡拉膠納米乳液,用其包埋富含巖藻黃質(zhì)的海藻油,在控制較小液滴體積的基礎上可以有效提高巖藻黃質(zhì)的氧化穩(wěn)定性、體外消化能力和生物可及性,還能對少數(shù)癌細胞產(chǎn)生良好的抑制作用。

3 展望

綜上所述,從海洋生物中提取分離的脂溶性活性物質(zhì)具有降血脂、抗氧化、抗癌癥、緩解或預防人類慢性疾病等多種生理活性功能,但是其溶解度差、易降解,生物利用度低,使得這些活性物質(zhì)的生物可及性受到限制。近年來,科研人員設計不同類型的乳液輸送體系對海洋源脂溶性活性脂質(zhì)進行包埋,發(fā)現(xiàn)該技術可有效保護活性物質(zhì)免受物理化學因素的影響,提高溶解度,在體外消化模擬中可顯著提高活性物質(zhì)的生物利用度、實現(xiàn)緩釋和靶部位釋放,是一種安全、簡便的技術手段。然而,目前相關研究仍存在一些問題：(1)目前乳液輸送體系包埋海洋源脂溶性活性物質(zhì)的研究集中在理化穩(wěn)定上,對于有效輸送至靶組織或靶器官的生物利用度方面相關研究甚少,忽略對整個體系有效性評價；(2)海洋源脂溶性活性物質(zhì)固有的生理活性,在經(jīng)過乳液輸送體系包埋后,缺乏活性驗證實驗,無法證實在形成穩(wěn)定的乳液體系后,被包埋物質(zhì)的生理活性是否還存在；(3)關于脂溶性活性物質(zhì)-乳液體系的優(yōu)化、不同因素的影響研究較多,而關于其在食品領域、工業(yè)化生產(chǎn)的實際應用研究甚少,能否根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)需求設計出一個具有較強應用價值的產(chǎn)品還有待深入研究。

因此,今后在設計海洋源脂溶性活性物質(zhì)的乳液輸送體系時,有幾個方面需要關注：(1)為了保證海洋源脂溶性活性物質(zhì)對人體產(chǎn)生的積極影響,在進行乳液包埋和輸送環(huán)節(jié),應當著重考慮活性物質(zhì)的包埋量和可控的靶向輸送,從而保證設計的乳液輸送體系生物利用度；(2)對于包埋后的海洋源脂溶性活性物質(zhì),當前是從胃腸道消化角度進行研究,為了確保輸送到靶組織或靶器官后的活性物質(zhì)依舊具有生物活性,應當進一步進行活性驗證實驗,包括體外細胞實驗和體內(nèi)小鼠活體實驗,從而驗證乳液輸送體系是有效可行的；(3)設計符合實際要求的產(chǎn)品,探究多種海洋源脂溶性活性脂質(zhì)和制備方法對輸送體系的影響,在對所包埋的物質(zhì)不產(chǎn)生負面影響的基礎上,更好地提升體系的輸送能力,以實現(xiàn)海洋源活性物質(zhì)的高效利用。此外,由于海洋源特有的風味,特別是腥味特征降低了消費者的可接受程度,乳液體系對海洋源脂溶性活性物質(zhì)風味特征的影響有待進一步深入研究。