萬百惠，李 敬，趙英源，梁興國(guó)

(中國(guó)海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266003)

蝦青素(Astaxanthin)是一種非維生素A原的脂溶性類胡蘿卜素，主要存在于蝦蟹外殼、鮭魚、牡蠣以及某些藻類中。如圖1所示［1］，蝦青素的長(zhǎng)鏈共軛烯烴結(jié)構(gòu)賦予蝦青素有效淬滅活性氧的活性，是迄今為止自然界中發(fā)現(xiàn)的最強(qiáng)的抗氧化劑。經(jīng)動(dòng)物和臨床實(shí)驗(yàn)研究表明，蝦青素具有較強(qiáng)的抗癌、增強(qiáng)免疫力、預(yù)防心血管疾病等保健功能。因此在營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑中添加天然蝦青素對(duì)于改善人體健康具有非常實(shí)際的意義［1-4］。然而，蝦青素易氧化降解、不溶于水的特性嚴(yán)重影響其生物利用度，制約了它在醫(yī)藥、食品配方中的使用。近30年來研究人員圍繞改善蝦青素水溶性和穩(wěn)定性的問題，嘗試?yán)没瘜W(xué)修飾的方法合成水溶性蝦青素衍生物［5-9］，但是由于美國(guó)食品與藥品管理局(FDA)禁止化學(xué)合成的蝦青素進(jìn)入食品與膳食補(bǔ)充劑市場(chǎng)，因此合成蝦青素及其衍生物主要用于養(yǎng)殖、日化領(lǐng)域。目前天然蝦青素已取得FDA一般性安全認(rèn)證，利用物理方法(如微/納米包封)改善天然蝦青素水分散性和穩(wěn)定性，有望打開蝦青素安全、高效、多元化應(yīng)用的局面。

圖1 蝦青素分子結(jié)構(gòu)Fig．1 Chemical structure of astaxanthin

受藥劑學(xué)方法改變劑型的啟發(fā)，微/納米包封技術(shù)［10］，如凝聚技術(shù)、主客體包結(jié)絡(luò)合技術(shù)、納米沉淀、乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)、超臨界流體技術(shù)、微膠囊包埋技術(shù)等已逐漸應(yīng)用于功能性蝦青素制劑的制備并取得了一些研究進(jìn)展，但是研究結(jié)果零散且沒有系統(tǒng)的比較分析，本文針對(duì)已用于蝦青素微/納米包封的不同制備技術(shù)及其特點(diǎn)進(jìn)行歸納介紹，評(píng)價(jià)現(xiàn)有制備方法及所制備產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)與不足，綜述近年來微/納米包封技術(shù)在改善蝦青素水分散性和穩(wěn)定性等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 納米沉淀技術(shù)

納米沉淀即溶解在有機(jī)相(與水互溶)中的聚合物與活性物質(zhì)在溶劑擴(kuò)散、置換過程中發(fā)生自乳化并沉淀析出，最終形成包載活性物質(zhì)的聚合物納米粒。Tachaprutinun等［11］利用該技術(shù)制備了包載蝦青素的聚(環(huán)氧乙烷)-4-甲氧基肉桂酰基鄰苯二甲?；鶜ぞ厶?PCPLC)納米粒，同時(shí)比較了PCPLC與其他兩種聚合物——乙烯醇-乙烯基-4-甲氧基肉桂酸酯共聚物(PB4)和乙基纖維素(EC)對(duì)蝦青素的包載能力。研究發(fā)現(xiàn)，含有較多疏水基團(tuán)(鄰苯二甲酰亞胺和4-甲氧基肉桂基團(tuán))的PCPLC在溶劑擴(kuò)散過程中可形成豐富的疏水微區(qū)高效包載脂溶性蝦青素分子，使蝦青素包封率高達(dá)98%;相比較而言，4-甲氧基肉桂基取代度低的PB4對(duì)蝦青素的包封效率僅達(dá)到78%，而僅含有乙氧基疏水基的EC因其疏水基與蝦青素之間的疏水相互作用較弱，因此不能有效包載蝦青素。此外，PCPLC為兩親性聚合物，其親水取代基——聚-(環(huán)氧乙烷)親水鏈的溶劑化有助于維持納米粒子間足夠的排斥力，利于納米懸液的穩(wěn)定性和重懸性，制備的載蝦青素-PCPLC納米粒在凍干前后平均粒徑由(312±5．83)nm略增大到(319±7．87)nm，且凍干粉易于在溶液中均勻分散。

利用納米沉淀技術(shù)制備納米粒具有操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高的優(yōu)點(diǎn)，通過輔以合適的干燥技術(shù)(如冷凍干燥等)可以獲得包載蝦青素的納米干粉。利用該技術(shù)制備易在水中分散、蝦青素含量高的納米粒，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)“完美”的聚合物分子。與包載其他脂溶性小分子物質(zhì)相比，用于包載含多不飽和共軛多烯烴結(jié)構(gòu)蝦青素的載體材料應(yīng)滿足:擁有合適的疏水取代基，可以與蝦青素分子形成穩(wěn)定疏水相互作用;納米粒表面應(yīng)分散一定量的易溶劑化的親水基團(tuán)，一方面使暴露在納米粒表面的帶電基團(tuán)間排斥力大于吸引力，避免粒子間的團(tuán)聚，另一方面具有空間位阻效應(yīng)的親水基團(tuán)，在納米粒表面與水分子作用形成電暈，進(jìn)一步維持納米體系的穩(wěn)定性。需要指出的是，由于聚合物材料多為人工合成或需經(jīng)化學(xué)修飾，制備過程中材料的生物相容性、生物可降解性、毒性，以及有機(jī)溶劑殘留等問題均制約食用蝦青素微/納米制劑的開發(fā)與應(yīng)用。

2 主客體包結(jié)絡(luò)合技術(shù)

主客體包結(jié)絡(luò)合技術(shù)利用分子間弱相互作用(如氫鍵、范德華力、疏水相互作用等)包結(jié)客體分子于含疏水空腔的主體分子內(nèi)，形成包結(jié)絡(luò)合物［12］。環(huán)糊精及其衍生物由于具有疏水的內(nèi)部空腔和親水的外部骨架［13］，常用于脂溶性小分子的包結(jié)絡(luò)合［14-16］。受藥物增溶劑的應(yīng)用啟發(fā)，Lockwood［17］首次利用一種安全有效的環(huán)糊精衍生物Captisol?(磺丁基醚-β-環(huán)糊精)作為蝦青素的主體分子。制得的蝦青素-Captisol?包合物經(jīng)甲醇預(yù)溶后其水溶性比蝦青素晶體提高了71倍，溶解度達(dá)2μg/mL。據(jù)報(bào)道，天然蝦青素發(fā)揮抗氧化、降血脂等活性的每日服用量在3～12mg。而蝦青素-Captisol?包合物的溶解度遠(yuǎn)未達(dá)體內(nèi)發(fā)揮活性的有效劑量，且包合物經(jīng)有機(jī)溶劑預(yù)溶后并不適用于食品藥品領(lǐng)域。為了提高包合物中蝦青素含量，Kim等［18］比較了不同環(huán)糊精及其衍生物對(duì)蝦青素的包合能力，結(jié)果表明β-環(huán)糊精是蝦青素的最佳主體識(shí)別分子。為了提高β-環(huán)糊精對(duì)蝦青素的包合效率，劉風(fēng)玲［19］研究了皂化條件對(duì)β-環(huán)糊精包合蝦青素效率的影響，發(fā)現(xiàn)在0．021mol/L氫氧化鈉溶液中，避光皂化反應(yīng)20min后環(huán)糊精包合率從26．67%提高到87．77%，且經(jīng)包合后蝦青素的穩(wěn)定性提高20倍，但皂化反應(yīng)造成13．46%的蝦青素?fù)p失。Chen等［20］研究了不同配比的蝦青素-β-環(huán)糊精包合物的貯存穩(wěn)定性，當(dāng)蝦青素和β-環(huán)糊精的摩爾比為1∶4時(shí)，包合物中蝦青素的熱穩(wěn)定性和光照穩(wěn)定性大大提高，并且包合物的水溶性略有改善(溶解度＜0．5mg/mL)。但是，由于β-環(huán)糊精自身在水中溶解度較低，因而不利于蝦青素-β-環(huán)糊精包合物在水中的分散，在水中易形成絮狀物而影響溶液的穩(wěn)定性和透明度。為了提高蝦青素-環(huán)糊精包合物的水溶性，Yuan等［21］首次將更易溶于水的羥丙基-β-環(huán)糊精(HPCD)作為蝦青素的主體識(shí)別分子，將蝦青素包合物的溶解度提高到1mg/mL以上。通過計(jì)算機(jī)輔助分子模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了蝦青素和HPCD以主客體分子比為2∶1的比例包合，即兩分子HPCD疏水空腔與一分子蝦青素包結(jié)絡(luò)合時(shí)，比其他配比所需的包合能量低［22］，且形成的配合物可以實(shí)現(xiàn)蝦青素的緩控釋和熱穩(wěn)定性［23-24］。但是，HPCD作為一種昂貴、易溶于水的環(huán)糊精衍生物，它對(duì)蝦青素的包合效率較β-環(huán)糊精低，因此如何提高HPCD對(duì)蝦青素的包合效率還有待進(jìn)一步研究。

利用環(huán)糊精的疏水空腔包結(jié)絡(luò)合客體分子是一種獨(dú)特的微/納米封裝技術(shù)，環(huán)糊精包合作用不僅能改善活性物質(zhì)的水溶性，還可以保護(hù)其免受環(huán)境影響而降解失活。由于環(huán)糊精不易被胃腸道吸收，因此其口服制劑安全無毒［25］，但是根據(jù)眾多安全評(píng)價(jià)顯示，大部分環(huán)糊精及其衍生物(如 α-，β-，γ-CDs，HP-β-CDs等)不適合用于腸胃外給藥［13］。

3 乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)

乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)即溶解在有機(jī)相的聚合物在水相中經(jīng)均質(zhì)乳化后，隨著有機(jī)溶劑的蒸發(fā)逐漸析出形成納米粒的技術(shù)［26］。Anarjan 小組［27-30］的研究表明o/w型蝦青素納米乳較游離蝦青素有更高的細(xì)胞攝取率［31］，但對(duì)于提高蝦青素的穩(wěn)定性來說效果并不明顯，制備的蝦青素納米乳在25℃靜置一周即損失46%的蝦青素，仍需通過添加生育酚等抗氧化劑改善其穩(wěn)定性［32］。為了提高納米乳的穩(wěn)定性，劉楠等［33］以殼聚糖、卵磷脂為包載材料，Tween-80為乳化劑，探究了不同投料比對(duì)納米粒電位，以及蝦青素包封率的影響，結(jié)果表明隨著卵磷脂/殼聚糖投料比例的增大，納米粒電位逐漸降低，在5∶1到20∶1的范圍內(nèi)納米粒zeta電位均大于40mV，說明納米乳具有較好的穩(wěn)定性;獲得的最佳蝦青素包封率為51．02% ，包載量為 10．34% 。此外，Kim 等［34］研究了兩種組成的o/w蝦青素納米乳，研究發(fā)現(xiàn)甘油檸檬酸鹽/乳酸/亞油酸酯/油酸酯混合納米乳化體系與氫化卵磷脂納米乳相比，具有更小的粒徑和更窄的粒徑分布，其小于-41mV的zeta電位值說明該納米乳具有良好的穩(wěn)定性。

乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)是一種制備較小粒徑(＜100nm)納米膠囊的有效手段，制得的納米膠囊具有圓整的球形、較高的包封率和細(xì)胞攝取率，且有緩釋功能。但是，該技術(shù)依賴于合適的乳化均質(zhì)手段(如微射流、高壓、高速等)和干燥技術(shù)［35］，且乳化揮發(fā)過程中有機(jī)溶劑的殘留問題也可能影響蝦青素制品的食用安全性。此外，常用于制備納米乳的組分(如小分子表面活性劑等)在高濃度的食用條件下會(huì)表現(xiàn)出毒性［36］。在納米體系構(gòu)建中，目前常用的天然生物大分子乳化劑，如蛋白質(zhì)、變性淀粉等也常被使用［37-38］，但是這些天然表面活性劑不易在油水界面迅速展開，單純使用高速或高壓均質(zhì)，很難得到小粒徑的納米乳。

4 凝聚相分離技術(shù)

凝聚相分離技術(shù)是指單一或混合聚電解質(zhì)與活性物質(zhì)共聚沉形成軟凝聚態(tài)，并逐漸從周圍溶液中分離形成納米復(fù)合體?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)聚電解質(zhì)分子量、分子骨架柔韌性以及荷電性，溶液濃度、pH、溫度等因素調(diào)控聚電解質(zhì)分子間相互作用及形成納米復(fù)合物的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)的高效負(fù)載以及緩控釋［39-41］。Park 等［42］利用聚陰離子海藻酸鈉(SA)與氯化鈣分子間相互作用包封蝦青素，研究發(fā)現(xiàn)隨著微球粒徑的增大，蝦青素的包封率和抗氧化活性明顯提高，當(dāng)平均粒徑為210μm時(shí)，100g海藻酸鈣可包封76．7g的蝦青素。金容震等首次公開了利用合成聚陰陽離子制備類胡蘿卜素(如蝦青素)雙層膠囊的方法(公開號(hào)CN101910256A)［43］:將類胡蘿卜素包封入具有陽離子官能團(tuán)和疏水基團(tuán)的陽離子聚合物(如烯酰胺單體與苯乙烯單體的無規(guī)則共聚物)中用于類胡蘿卜素的初步穩(wěn)定，然后通過聚陰陽離子間相互作用使陰離子聚合物(如聚苯乙烯磺酸、聚丙烯酸等)吸附于初步制備的膠囊外部的陽離子基團(tuán)上，加強(qiáng)聚合物膠囊的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和攔截作用，使得被包封的類胡蘿卜素完全穩(wěn)定于雙層膠囊內(nèi)部。制備的膠囊粒徑范圍為0．1～50μm，微膠囊中類胡蘿卜素的含量達(dá)10%。

與乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)相比，凝聚相分離技術(shù)是一種操作簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)備要求較低的膠體制備方法，但同樣依賴于合適的干燥技術(shù)(如冷凍干燥等)。利用該技術(shù)可以制得高包封率的蝦青素微/納米復(fù)合物，但是聚合物材料的生物安全性，以及溶液pH、溫度等對(duì)微/納米復(fù)合體的穩(wěn)定和安全應(yīng)用至關(guān)重要，因此選擇合適的聚電解質(zhì)包封材料以及控制溶液參數(shù)是制備的關(guān)鍵。

5 超臨界流體技術(shù)

超臨界流體是介于氣體和液體之間的一種狀態(tài)，它具有十分獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，如粘度接近于氣體、密度接近于液體、擴(kuò)散系數(shù)大、介電常數(shù)大等。常用的超臨界流體溶媒有二氧化碳、水、甲烷等。超臨界溶液快速膨脹技術(shù)(RESS)［44］、超臨界流體抗溶劑技術(shù)(SAS)［45］等超臨界流體技術(shù)(SEDS)可以制備活性物質(zhì)的超細(xì)微粒，特別適用于熱敏感活性物質(zhì)的包封［46］。Quan 等［48］利用 RESS 技術(shù)制備了粒徑分布在0．3～0．8μm 的蝦青素超細(xì)微粒。掃描電鏡觀察制得的蝦青素超細(xì)微粒的粒徑在500nm左右，比自然條件下形成的蝦青素晶體(約5μm)小10倍，經(jīng)超聲后可在水中均勻分散。Mezzomo利用SAS技術(shù)共沉淀桃紅對(duì)蝦蝦殼的提取物和聚合物，研究結(jié)果表明利用Pluronic F127可制得包封率達(dá)74%的微沉淀顆粒［49］。此外，F(xiàn)rancisco 等［50］利用 SAS 技術(shù)從蝦青素和聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共聚物的二氯甲烷溶液中制得了蝦青素-聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共沉淀納米粒，研究發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)共沉淀納米粒的粒徑大小影響最大，當(dāng)壓力為100MPa時(shí)可以獲得粒徑為128nm的蝦青素-聚(羥基丁酸酯-羥基戊酸酯)共沉淀納米粒。

選用二氧化碳作為超臨界流體，不僅價(jià)廉、無毒、不污染環(huán)境，而且制備過程可在低溫、惰性環(huán)境下進(jìn)行，避免蝦青素降解［51］，形成的超細(xì)微粒粒徑分布均勻且形態(tài)圓整，說明該技術(shù)是制備蝦青素微/納米固體分散體的一種可行方法。然而，超臨界流體技術(shù)所涉及的設(shè)備均為壓力容器，且生產(chǎn)技術(shù)要求高，存在初始設(shè)備投資大、生產(chǎn)成本高等問題，目前用于大規(guī)模生產(chǎn)尚存在一定困難［52］。

6 微膠囊包埋技術(shù)

液態(tài)的微/納米分散體易存在粒子不可逆的聚集和化學(xué)不穩(wěn)定，以及活性成分易泄露等問題。通過噴霧干燥進(jìn)行微膠囊化可以將微/納米懸液轉(zhuǎn)化成固態(tài)形式，有效保持其物理穩(wěn)定性，方便制劑摻入并均勻分散在食品配方中，是目前在食品工業(yè)中常用的技術(shù)［53-54］。Pu 等［55］利用該技術(shù)將芯材蝦青素-亞麻籽油乳劑包封于酪蛋白酸鈉和乳糖的混合壁材中，包封效率為84．84%，存在少量蝦青素油劑保留在微膠囊表面，而表面殘油在空氣中易被氧化產(chǎn)生異味而影響產(chǎn)品的品質(zhì)［56］。Bustos-Garza 等［57］則研究了不同壁材(如阿拉伯膠、乳清蛋白及其與菊糖和麥芽糊精的混合物)經(jīng)噴霧干燥后對(duì)蝦青素油劑的包封效果，研究發(fā)現(xiàn)以100%乳清蛋白為壁材的蝦青素微膠囊具有最高的抗氧化活性和穩(wěn)定性，在25℃、pH6溶液中的半衰期達(dá)到169h，并且微膠囊在溶液中的高濁度適用于速溶粉末飲料的配方。

噴霧干燥微膠囊包埋技術(shù)是一種用于連續(xù)生產(chǎn)干粉的工業(yè)生產(chǎn)方法。由于具有處理時(shí)間短、單元操作簡(jiǎn)便、連續(xù)生產(chǎn)的干粉水分含量低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于活性物質(zhì)的封裝。但是，噴霧干燥過程中納米乳(納米懸液)易在空氣壓力作用下發(fā)生微米化，導(dǎo)致制備的干粉粒徑較大，影響其在溶液中的穩(wěn)定性和透明度。目前在工業(yè)生產(chǎn)常用的高溫噴霧干燥并不利于處理對(duì)熱不穩(wěn)定的蝦青素產(chǎn)品，而噴霧冷凍干燥技術(shù)克服了高溫噴霧干燥對(duì)熱敏物質(zhì)易被破壞以及真空冷凍干燥技術(shù)能耗大、易引起多孔層塌陷等缺陷，特別適用于那些具有較高市場(chǎng)價(jià)值的產(chǎn)品制備和具有較高共晶點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溶液。但是目前關(guān)于噴霧冷凍干燥工藝的研究大多限于實(shí)驗(yàn)室研究，存在規(guī)?；潭炔桓?，噴霧冷凍干燥過程不連續(xù)、低溫液體處理不方便等缺點(diǎn)，還需進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝。

7 結(jié)論與展望

天然蝦青素因其強(qiáng)大的抗氧化性而具有防治心血管疾病、降血壓、保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)、減輕肥胖、干預(yù)糖尿病、保護(hù)皮膚、保護(hù)視力、增強(qiáng)糖尿病、防治癌癥等營(yíng)養(yǎng)保健功能，利用水溶性分子物理包埋蝦青素可以解決蝦青素不溶于水、穩(wěn)定性差的應(yīng)用缺陷，其關(guān)鍵在于提高親水性微/納米載體對(duì)蝦青素的包封率。目前已報(bào)道多種微/納米包封技術(shù)用于制備可溶于水的蝦青素制品，如凝聚相分離技術(shù)、主客體包結(jié)絡(luò)合技術(shù)、納米沉淀、乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)、超臨界流體技術(shù)、微膠囊包埋技術(shù)等。其中，利用微膠囊包埋技術(shù)和乳化溶劑揮發(fā)技術(shù)制備的天然蝦青素制品已上市，如美國(guó)BioAstin公司生產(chǎn)的可溶于水的天然蝦青素微囊粉，以及中國(guó)荊州市天然蝦青素有限公司生產(chǎn)的冷水分散型天然蝦青素微膠囊粉和乳劑等。此外，包結(jié)絡(luò)合技術(shù)能夠有效提高包合物的溶解度，納米沉淀和凝聚相分離技術(shù)操作簡(jiǎn)便易行，超臨界流體技術(shù)安全可靠，均具有良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。但是，要達(dá)到應(yīng)用多元化的要求、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)還應(yīng)在提高材料的食用安全性、蝦青素包封率、制劑生物利用率等方面綜合考慮，進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。

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