納米乳液包埋技術(shù)在功能性食品組分運輸中的應(yīng)用

納米乳液包埋技術(shù)在功能性食品組分運輸中的應(yīng)用

納米技術(shù)是指使用材料在納米規(guī)模（1.10納米）中表現(xiàn)出不同于宏觀物體和單一孤立原子的新的化學(xué)和生物學(xué)特性的產(chǎn)品，包括納米、納米裝置、納米加工和檢測技術(shù)等。目前,隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域已逐漸從電子、信息、生命科學(xué)等高新技術(shù)領(lǐng)域,向化工、機械、食品、農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中滲透,并迅速發(fā)展成為農(nóng)業(yè)和食品領(lǐng)域的一個重要戰(zhàn)略平臺。其中,針對食品中功能性營養(yǎng)成分(例如:類胡蘿卜素、黃酮類、植物甾醇、多不飽和脂肪以及油溶性維生素等)構(gòu)建的納米運輸載體(例如:納米脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)納米粒、聚合物納米囊、納米球、納米分散液、微乳液、納米乳液等),一直是食品納米技術(shù)研究的重點和熱點。納米載體技術(shù)可謂是微膠囊技術(shù)向縱深的發(fā)展,納米級的粒徑賦予其特殊的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。因此,除了能很好的實現(xiàn)對營養(yǎng)素的保護以外,納米載體往往顯示出更高的穩(wěn)定性和更卓越的體內(nèi)吸收、控釋和靶向性功能。然而,近期Lee等人的研究顯示,通過均質(zhì)/有機溶劑揮發(fā)法制備的納米小球,因為界面表面活性劑的緊密結(jié)構(gòu),而表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的乳液低的體外消化效率和生物轉(zhuǎn)化率。因此,在構(gòu)建納米體系時,納米顆粒的粒徑是否越小越好,結(jié)構(gòu)是否越牢固越好,成為了人們廣泛關(guān)注的熱點。同時,“納米級的粒徑”這把雙刃劍也給該技術(shù)應(yīng)用于人體時可能存在的安全性及毒性帶來了風(fēng)險。為了降低界面張力和飽和超大界面,納米體系通常需要采用高表面活性的乳化劑,而且添加量大,不可避免地給食品安全帶來隱患。而且,納米級的顆?？赡軙淖冋５奈胀緩?干擾物質(zhì)的吸收、分布、代謝和排泄的過程,引起生物體內(nèi)一些潛在的不確定變化,帶來所謂的“Nanotoxicology”。統(tǒng)觀現(xiàn)有的諸多納米載體技術(shù),納米乳液技術(shù)可能最具在食品中安全有效運用的潛力。首先,從形成方式看,納米乳液的納米粒徑通常是高能外力作用的結(jié)果,相比于自組裝或以共價鍵結(jié)合的納米載體,吸收后被包埋物質(zhì)從載體中釋放并被利用的可能性大;其次,從定義來看,納米乳液是指粒徑在10~100nm之間的膠體分散體系,相比于熱力學(xué)穩(wěn)定、粒徑在10~30nm之間的微乳,納米乳液體系對表面活性劑的界面活性要求低,用量少,且可使用生物兼容性強的生物大分子表面活性劑。因此,作者著眼于納米乳液體系,綜述了其在人體胃腸道內(nèi)消化、吸收、代謝和排泄過程中的變化,并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了影響納米乳液包埋營養(yǎng)素的生物利用率和納米乳液潛在毒性的因素。1納米乳液在人體腸道的消化與吸收自2009年,Singh等人綜述了乳液在人體胃腸道的脂解過程后,2011年,Mcclements等人發(fā)表了關(guān)于納米乳液在人體胃腸道的消化與吸收的綜述。從文獻報道可以看出,伴隨著人體消化道內(nèi)不同部位復(fù)雜的物理化學(xué)和生物學(xué)條件,納米乳液的結(jié)構(gòu)和所運載的營養(yǎng)素的存在形式都會發(fā)生顯示的變化,并對乳液的生物學(xué)效應(yīng)和生物安全性產(chǎn)生影響。以下將概括介紹納米乳液在人體內(nèi)的消化、吸收、代謝和排泄的途徑,為其生物學(xué)效應(yīng)和潛在毒性的研究提供理論依據(jù)。1.1納米乳液的分離純化如圖1所示,納米乳液攝入后,在通過口腔、胃、小腸和大腸的消化過程中,主要受到不同部位的pH值、離子強度、消化酶、表面活性成分和剪切力的影響,而發(fā)生結(jié)構(gòu)的變化。首先,在口腔強力的咀嚼推動力下,納米粒子的結(jié)構(gòu)可能發(fā)生部分裂解,形成不完整的碎片。之后,在胃液的高酸度(pH為1~3)條件下,顆粒所帶電荷可能發(fā)生中和,從而導(dǎo)致顆粒間的聚集。如圖2所示,Sarkar等人考察了以β-乳球蛋白穩(wěn)定的乳液經(jīng)過胃液后的粒徑大小變化,共聚焦顯微照片顯示顆粒間發(fā)生部分聚集,粒徑也隨之增大。同時,在胃液和腸液中各種消化酶的作用開始啟動,水解納米乳液顆粒的組成部分:胰脂肪酶/脂肪酶共同轉(zhuǎn)換甘油三酯和甘油二酯形成甘油單酸酯和游離脂肪酸;磷脂酶轉(zhuǎn)換磷脂形成游離脂肪酸及其他親脂性物質(zhì);蛋白酶轉(zhuǎn)換蛋白形成肽和氨基酸。在此過程中,內(nèi)源性和外源性表面活性物質(zhì)(例如:磷脂和蛋白質(zhì))將通過競爭性吸附從脂質(zhì)的液滴表面取代原來的表面活性,脂類的消化產(chǎn)物,親脂性成分(如保健食品或藥品),在此過程中被載入膽鹽/磷脂形成的膠束或是囊泡中,然后通過腸表面的粘膜層被吸收。1.2細(xì)胞吸收機制一旦納米乳液的液滴和/或它們的消化產(chǎn)物到達(dá)胃腸道的表面,它們即可被吸收利用。根據(jù)Sahay研究小組最近的研究報道,其吸收的機制可能存在以下兩種:1)細(xì)胞間吸收機制,如果納米顆粒的粒徑足夠小,它將直接通過上皮細(xì)胞間的間隙被吸收,進入血液或淋巴系統(tǒng)。此機制很好地解釋了Yuan等人在考察固態(tài)脂肪納米顆粒穿越上皮細(xì)胞時的情況。2)跨細(xì)胞吸收機制,納米粒子可能被上皮細(xì)胞通過被動或主動運輸機制直接吸收。該情況下,納米粒子通常會被細(xì)胞粘膜層包裹,然后在此膜中形成囊泡后被吸收,見圖3所示。接下來被上皮細(xì)胞吸收后的納米顆?？赡艽嬖谝韵聨追N代謝途徑:1)被細(xì)胞內(nèi)的酶消化并進一步被吸收利用;2)被細(xì)胞直接運輸?shù)窖夯蛄馨拖到y(tǒng);3)在特定部位的細(xì)胞中累積。而通過以上途徑進入血液或淋巴系統(tǒng)后的顆粒,會在人體內(nèi)循環(huán),其后可能被代謝、排泄在特殊器官內(nèi)累積。2在納米溶液運輸系統(tǒng)中，養(yǎng)分的生物利用率2.1腸道生物利用活性物質(zhì)在以上總結(jié)的乳液顆粒的消化吸收過程中,被包裹在其中的活性成分的吸收也會受到影響,其生物利用率(F)主要取決于以下幾個因素:F=FB×FA×FM,其中FB是指從納米載體中釋放到胃腸道內(nèi)的可以被生物利用的那部分活性物質(zhì);FA是指釋放出來能被小腸上皮細(xì)胞吸收的那部分活性物質(zhì);FM是指吸收成分中能到達(dá)全身而不被代謝循環(huán)的那部分活性物質(zhì)。如圖4所示,這三部分分別對應(yīng)于納米乳液在攝入、消化和吸收的各個步驟,并取決于乳液顆粒在此過程中發(fā)生的變化,并隨著顆粒的組成成分和物理化學(xué)特性的變化而改變。2.2納米乳液輸送體系實驗中,往往可以通過設(shè)計具有不同顆粒特性的納米乳液輸送體系,來控制被包埋在其中的生物活性成分的生物利用率。以下就這些乳液特性具體展開綜述。2.2.1細(xì)胞模型模擬汲取吸收在人體腸道內(nèi)消化時,小的粒徑能夠增加顆粒的表面積,從而增加顆粒與消化酶的接觸面積,提高乳液的消化效率,從而提高營養(yǎng)物的生物轉(zhuǎn)化率。Troncoso等人的研究正好證明了此點,如圖5所示,隨著乳液顆粒由86nm下降到30nm,消化過程中的滯后時間由22.52min下降到4.09min,而且最終的消化效率由61.2%提高到71.09%。同時,Mcclements等人進一步通過細(xì)胞模型模擬攝取吸收過程。研究發(fā)現(xiàn):被β-乳球蛋白包埋的橘皮素納米乳液的吸收攝取率顯著高于分散在水中或油脂體系中的橘皮素,而且隨著乳液粒徑的減小,吸收效率顯著提高。然而,Tan等人在制備β-胡蘿卜素納米乳液時發(fā)現(xiàn),在4℃儲藏12周后,隨著體系粒徑從77.7nm降低到55.7nm,乳液中β-胡蘿卜素的保留率也從32.1%下降到25.2%。因此,在構(gòu)建納米體系時,應(yīng)在物理化學(xué)和生物學(xué)特性間尋求一個平衡點,達(dá)到最好的效果。2.2.2體外消化法檢測姜黃色素納米凝膠的生物利用率在乳液的主要成分中,生物活性物質(zhì)的溶劑———脂類,通過其甘油三酯在人體腸道內(nèi)的消化速率和程度的不同,而影響著活性成分的生物利用率。例如:Ahmed等人分別選用短鏈、中鏈和長鏈的甘油三酯作為油相,制備得到姜黃色素的納米乳液,并采用體外模型模擬小腸內(nèi)乳液消化過程。如圖6所示,初始的消化速率表現(xiàn)為短鏈>中鏈>長鏈,而最終的消化程度表現(xiàn)為中鏈>短鏈>長鏈,消化結(jié)束后的姜黃色素的生物利用率表現(xiàn)為中鏈>長鏈>>短鏈。Yu等人也選用中鏈甘油三酯、玉米油、椰子油以及菜籽油制備姜黃色素納米凝膠,結(jié)果同樣顯示中鏈甘油三酯能夠更好的提高姜黃色素的生物利用率。同時,本研究小組在選用棕櫚仁油和中鏈甘油三酯制備β-胡蘿卜素的納米乳液時發(fā)現(xiàn),使用棕櫚仁油的包埋體系顯示更高的體外生物利用效率。不同的脂質(zhì)成分表現(xiàn)出的不同的消化特性,主要取決于其在消化過程中形成的游離脂肪酸在水中的分散性。2.2.3改性淀粉對-胡蘿卜素納米乳液的制備乳液在人體腸道內(nèi)的消化轉(zhuǎn)運過程,是一種發(fā)生在界面表面活性成分競爭吸附的反應(yīng)。因此,乳液的界面特性也是決定消化吸收效率的主要因素。而在乳液的顆粒組成中,界面的特性主要由使用的表面活性劑的特性決定。如圖7所示,是幾種常用于食品中的乳化劑形成的界面情況。在早期的研究中,Wickham等人已發(fā)現(xiàn),被包覆在磷脂中的脂肪顆粒的消化速度要快于包覆在蛋白質(zhì)中的脂肪顆粒。Mun等人的進一步總結(jié)發(fā)現(xiàn),以不同乳化劑制備得到的脂肪顆粒在消化過程中表現(xiàn)出不同的阻力,依次表現(xiàn)為:非離子型表面活性劑(吐溫20)<磷脂酰膽堿(卵磷脂)<蛋白(酪蛋白或WPI)。蛋白質(zhì)和多糖通過美拉德反應(yīng)得到的產(chǎn)物也被用來制備乳液,以期增加乳化層厚度,來控制乳液在胃腸道內(nèi)的消化速率。本研究小組也采用不同相對分子質(zhì)量的改性淀粉制備β-胡蘿卜素納米乳液。研究發(fā)現(xiàn),隨著淀粉分子分散密度和多分枝結(jié)構(gòu)的降低,乳液顆粒的消化效率提高,β-胡蘿卜素生物利用率也隨之增加。這些研究表明,通過合理地選擇初始乳化劑,便可控制脂質(zhì)的消化的速率以及活性成分的轉(zhuǎn)運情況。2.2.4不同藥物對乳液顆粒及聚結(jié)的影響納米乳液的液滴聚集狀態(tài)受液滴間膠體相互作用力的影響,會對脂質(zhì)的消化速率和程度產(chǎn)生顯著影響。這不僅取決于乳化劑的類型(例如:電荷,厚度,消化率),還取決于納米乳液在體內(nèi)所處的環(huán)境條件(例如:pH值,離子強度,溫度和成分間的相互作用力)。如果液滴發(fā)生聚結(jié),暴露于消化酶中的脂質(zhì)總表面積將會減少,這可能會減慢消化過程。如果液滴發(fā)生絮凝,消化酶將需要穿過液滴才能到達(dá)絮凝物形成的脂滴中心,這將再次延緩預(yù)期的消化。因此,控制液滴在胃腸道內(nèi)的聚集狀態(tài)可能是一種有效的控制活性成分運輸?shù)姆绞?。如圖8所示,Golding等人采用共聚焦顯微鏡記錄了均一乳液粒子A在模擬胃腸液整個消化過程中的結(jié)構(gòu)變化。B顯示在胃液消化初期,乳液顆粒發(fā)生部分絮凝,這可能是由于胃部酸性環(huán)境導(dǎo)致表面電荷下降所致;隨著消化時間的延長,在乳液進入腸液消化后,不同的乳液顆粒就表現(xiàn)出了不同的結(jié)構(gòu),C顯示的是以β-乳球蛋白穩(wěn)定的乳液,在進入腸液后pH值達(dá)到中和,而且顆粒能很好的重新分散,而以離子型表面活性劑制備的乳液,根據(jù)所選油相的不同會表現(xiàn)出聚結(jié)D或部分聚結(jié)E。若表面活性劑的界面作用很弱,這些粒子很可能就完全失去乳狀液的結(jié)構(gòu),發(fā)生相分離F。因此,通過調(diào)節(jié)乳液的組成來控制其在消化過程中的聚集狀態(tài),從而調(diào)控消化過程,改變活性成分的利用率。3潛在的生物毒性最后,由于納米乳液會改變其在人體腸道內(nèi)的消化吸收過程,因此,有必要對其攝入后可能存在的負(fù)面影響進行考察。目前關(guān)于食品級納米乳液的潛在生物毒性的實驗數(shù)據(jù)幾乎沒有,但從大量的物理化學(xué)和生物學(xué)機理不難推測,納米顆粒的行為主要取決于它們的大小,形狀以及同周圍組織的相互作用活動性。其潛在生物毒性可能由以下幾個方面造成:3.1包埋劑對hepg的影響由于納米乳液的載體效應(yīng),被包埋的生物活性成分的存在狀態(tài)將發(fā)生改變。對于水溶性的茶多酚,Ru等人的研究顯示,經(jīng)過包埋后的EGCG乳液,與純的EGCG相比較,在相同給藥質(zhì)量濃度50μg/mL時,HepG2的存活率從62%下降到40%。對于水不溶的姜黃色素,Yu等人采用變性淀粉的膠束包埋后,其對HepG2殺傷力顯著提高,見圖9。作者分析,這可能是由于包埋體系的運載和保護作用,使可溶性的活性成分濃度增加,生物利用率提高,產(chǎn)生一定的生物毒性。如果生物活性成分的納米體系被加入到一種被經(jīng)常消耗產(chǎn)品,例如:軟飲料或飲料乳液中時,這種作用將不容忽視。3.2對腸道功能的影響非常小的液滴,具有高的比表面積和曲率,以及不同尋常的表面反應(yīng)活性,當(dāng)納米粒子通過口腔,胃和小腸時,可能會改變膽汁鹽,脂肪酶,和其他消化成分在液滴表面的作用情況,從而改變正常的胃腸道功能。例如:吸附到顆粒表面的蛋白質(zhì),可能會導(dǎo)致變性,失去正常功能,這可能對人體健康的不利。而且,這些粒子可能與細(xì)胞膜受體結(jié)合,破壞細(xì)胞的正常代謝和功能?？傊?集小尺寸、高表面積和高表面能為一身的納米乳劑顆粒,在生物系統(tǒng)可能帶來不可預(yù)測影響。3.3制備聚合物納米乳液通常用于制備納米乳液的一些成分,在高濃度的食用條件下會顯示毒性,例如:乳化劑和溶劑。目前,最廣泛使用的制備納米乳液的乳化劑是小分子表面活性劑(有時也作為輔助表面活性劑),此類乳化劑在高濃度下,會表現(xiàn)出毒性。Gong等人對吐溫80的溶血特性進行了測定,結(jié)果顯示:當(dāng)質(zhì)量濃度為4mg/mL時,其溶血系數(shù)達(dá)到60%左右。LeeSC等人也得到相同的研究結(jié)果。因此,在食品級納米乳液的構(gòu)建中,天然的生物大分子乳化劑,例如:蛋白質(zhì)、變性淀粉也常被使用。然而,這些天然的表面活性劑,不易在油水界面上迅速展開,在制備過程中,如果單純使用高速或高壓均質(zhì),很難得到粒徑小于100nm的乳液。因此,一些新的納米乳液制備方法(例如:溶劑的置換或蒸發(fā)方法)不斷呈現(xiàn)。在這些乳液制備過程中,有機溶劑(例如:丙酮、己烷或乙酸乙酯)通常是通過蒸發(fā)除去,但在最終產(chǎn)物中可能會有一定的溶劑