浙江微流纳米生物技术有限公司
植物多酚是近年来广受关注的天然来源抗氧化剂之一,其本质是具有多个酚羟基的植物次生代谢产物。多酚独特的化学结构使其具有清除体内各种自由基、抗菌、抗氧化、抗衰老、清除亚硝酸根离子等多种生物活性。但是大多数多酚的溶解度差,致使其胃肠道吸收少;多酚稳定性不佳,在光照、高温、极端pH条件下易丧失原有的生物活性,导致生物利用率低,极大限制了植物多酚在食品工业中的应用。乳液运输体系可有效解决植物多酚具有的光热不稳定性、溶解度差、苦涩等负面性质。乳状液根据粒径及自身形式的差异可分为宏观乳状液、微乳液、纳米乳液三类。宏观乳状液如牛奶、蛋黄酱等粒径直径通常为100nm~100 μm,是热力学不稳定体系,易产生奥式熟化、分层等不稳定现象。而微乳液和纳米乳液结构相似,主要区别在于热力学是否稳定,微乳液无需外界机械能即可自发形成小于100 nm的小粒径,属于热力学稳定体系。纳米乳液为热力学不稳定体系,但稳定性优于常规乳。利用纳米乳作为运载酚类的载体,制得的乳液粒径小、油水两相分散均匀、乳液体系稳定性佳、生物相容性良好,除具有缓释和控释作用外,生物利用率也得以提升。相较于微乳液,纳米乳液使用少剂量的乳化剂,更具实用价值,在靶向性方面拥有更广的应用。随着纳米乳液包埋天然植物多酚的研究的推进,纳米乳液的配方与性质被不断优化,越来越多具有健康益处的纳米乳液被应用于食品工业中。植物性健康食品已成为未来食品的发展大趋势,因此多酚纳米乳液或成为极具潜力的未来食品。
1 多酚的作用及分类
植物多酚中含有的活性酚羟基具有抗氧化活性,可通过释放氢离子实现对氧化链式反应的破坏。除此之外,部分酚类物质还具有捕获自由基的还原活性。植物多酚作为天然抗菌剂可抑制肉及肉制品中的致病菌以及腐败菌的生长,使产品品质不被破坏延长货架期。多酚可以作为天然着色剂,例如:姜黄素是一种被FDA认可的可添加到食品中的防腐剂和着色剂, 具有防止血小板聚集、降低血液胆固醇水平等生物活性。槲皮素作为一种果蔬中广泛分布的类黄酮,已被证实在抗氧化、抗炎、抗高血压等方面有光明的应用前景。酚类中的黄酮类化合物具有很高的抗癌潜力,体外研究发现具有抑制肿瘤细胞的增殖与转移,并激发凋亡细胞程序化死亡功效。目前多酚主要有两种分类方式:Ⅰ按照多酚的碳原子骨架分类;Ⅱ按照酚环数量以及与其它环不同的结合元素作用分类,按照此种分类方式可将多酚分为类黄酮、芪、木酚类以及酚酸四大类。如图1所示。 虽然多酚有诸多功效,但在实际应用中,其稳定性较差导致实际生物利用率较低。未被包埋的天然多酚会与口腔唾液蛋白结合,产生独特的涩味,令人不喜食用。构建多酚纳米乳液不但提升了游离态多酚较 差的生物利用率,且解决了涩味问题,拓宽了多酚物质的应用。目前,白藜芦醇、姜黄素、槲皮素等天然植物多酚的纳米乳递送体系的构建已被广泛研究。
2 多酚纳米乳液的制备新技术
2.1 新型改性纳米乳化剂特点
选择合适的乳化剂与助乳化剂可降低两相间界面涨落与张力,从而提升纳米乳稳定性、延长纳米乳货 架期。目前新型聚合物乳化剂展现了良好的乳液稳定能力。
Ⅰ改性多糖:多糖是相对较大的分子,吸附到脂滴表面的速度较慢,在产生细滴时效率较低,且大多天然多糖主要由亲水单糖组成,乳化性较差。利用乙酸酐法制备乙酰化可溶性大豆多糖,接入疏水的乙酰基后,大豆多糖提升了两亲性而改善了多糖乳化性。改性大豆多糖稳定的纳米乳液展现出良好的pH、贮藏稳定性,改性大豆多糖的优良性质为纳米乳的乳化剂选择提供了新方向。在改性多糖中,改性淀粉在食品工业中应用较多,改性淀粉稳定的精油纳米乳通常具有良好的贮存稳定性。
Ⅱ改性蛋白:目前,蛋白改性主要以酸碱化,酰化,糖基化,磷酸化等化学改性方法为主。与其他化学改性方法相比,Maillard 共价交联改性由于不需要额外的化学交联剂而更绿色、无毒。这种简单的改性方法通过改变蛋白质结构,大大改善蛋白质在高盐浓度和温度下的生理化学特性,包括溶解度、酸热稳定性和胶体稳定性。有研究表明,与单独使用乳清分离蛋白作为乳化剂相比,经过 Maillard共价交联改性的乳清分离蛋白-乳糖/表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)稳定的乳剂表现出更均匀的液滴分布、更强的热稳定性和更高的姜黄素保留率。研究发现Maillard共价交联改性的乳清蛋白分离物-EGCG 纳米复合物稳定的乳液比乳清蛋白分离物-EGCG 纳米复合物具有更大的储存、盐离子和热稳定性。此外,该乳液对活性化合物的降解产生了相当大的抑制作用。因此,使用新型共聚物乳化剂构建多酚纳米乳为改善乳液理化性质提供了可能。
2.2 输送水敏感型多酚的新型纳米乳液类型
除传统乳液类型外,使用膜乳化法、均质法和微 通道乳化法三种制备方法可以获得油包乙醇型(E/O)乳液,也可进一步将 E/O 型乳液制成水包油包乙醇(E/O/W)型乳液。此种具有特殊结构的非传统型 纳米乳液有望应用于食品、医药等领域。
非水乳液(O/O 型)由互不相溶的极性(如甲醇、N,N-二甲基甲酰胺等)和非极性有机相(己烷、辛烷等)组成,可用于负载油水两难溶物质,如多酚类物质中槲皮素就具有强疏水性。非水乳液已成为有前 途的传统乳液的非水替代品,为包埋输送水敏感型化 合物提供了可能。将脱氧熊果苷包埋入 O/O 型非水乳液,与含水乳液相比非水乳液在25 ℃下放 置100d的脱氧熊果苷保留率显著提高,在45 ℃下非水乳液中脱氧熊果苷可保持约40d而含水乳液中脱氧 熊果苷在两周内完全腐坏。无水乳液系统可以提供一个相对稳定的环境,可以延迟脱氧熊果苷在25和45 ℃下的降解。已有研究成功制备了一种搭载槲皮素的非水多重自乳化体系(O/O/W 型),显著提高了槲皮素的口服利用率。虽然目前非水乳液的制备及其稳 定性提升还有待进一步完善,但在作为稳定性差、油水两不溶多酚的载体方面的应用潜能值得深入研究。
2.3 多酚纳米乳液封装技术
纳米乳液是一种不能自发形成的非平衡、非热力学稳定系统,只能利用乳液系统中自身化学潜能或是借助机械产能等外力形成纳米乳液。其制备方法一般根据乳化的能量来源分为借助外能的高能乳化法和利用自身潜能的低能乳化法。相较于超声乳化法、微射流乳化法等其他高能乳化法,高压均质乳化法较为多用。在实际制备过程中,要综合考虑均质压力的设定,过高的均质压力会引起乳液的升温,升温会对乳液体系中的活性成分造成变性、失活等负面影响,也会对蛋白质交联作用产生影响:蛋白质交联作用增大,导致粒径增大。高压均质法并不适用于所有纳米乳的乳化,在乳化黏性较大的乳液时高压均质法表现欠佳。低能乳化法无需外力只利用自身化学潜能的特点,使其近年来广受关注。由于乳化过程不需借助昂 贵的仪器仅靠简单搅拌而完成,节省了成本与投入,因此更有利于实际工业化生产,生产与应用前景光明。如图2总结了目前多酚纳米乳封装技术的原理。
2.4 提高纳米乳液稳定性的优化措施
2.4.1 基于增厚界面层的优化措施
纳米乳液作为新型的递送系统有着优秀的缓释作用,为拓宽纳米乳液应用面,最关键是解决稳定性问题。通常情况下,乳化剂界面越厚,空间斥力越强,斥力范围越广。乳化剂在油水界面的分子结构差异很大,这影响了它们在液滴间产生空间斥力的能力。例如,多糖类乳化剂可形成厚界面层,可以通过空间相互作用有效抑制液滴聚集。而球状蛋白只能形成薄界面层,空间斥力较弱,不能有效地防止液滴聚集。通过静电沉积形成多层界面,使乳化剂界面层增厚从而获得高界面电荷密度及良好的界面特性,为纳米乳液小液滴间提供了更强的静电排斥作用及空间位阻作用,同时具有较高的乳液稳定性。
2.4.2 抑制奥式熟化的优化措施
在纳米乳制备过程中,还可以通过抑制纳米乳液的不稳定机制来提高乳液稳定性。有研究表明,在以异十六烷为基础的O/W 型纳米乳液体系中添加角鲨烯后,随着角鲨烷含量的增加,奥式熟化出现系统性下降,证明在水相中加入低溶解度的第二种油可以减轻乳液的奥式熟化。对于乙氧基化的非离子表面活性剂体系,可以通过添加特定的第二种表面活性剂抑制奥式熟化,后加入的第二种表面活性剂需要具有与主表面活性剂相同的烷基链长度和更高的乙氧基化程度。
2.4.3 新型固化技术的优化措施
固化-将乳液干燥制作成固体粉末以期提高稳定性具有可行性。通常食品工业常采用的固化方式为喷雾干燥,但是对于负载多酚物质的纳米乳液体系而言,传统喷雾干燥温度较高易破坏纳米乳搭载的活性成分。真空冷冻干燥技术是在单一冷冻技术的基础上同时将真空技术有机结合起来的新型干燥技术,制出的成品复水性好、品质损失小。
3.多酚纳米乳液在食品中的应用
3.1在饮料中的应用
与传统乳液相比,纳米乳液粒径小、动力学稳定且光学透明度高,还可以调节产品质地,使其在许多技术应用中具有优势。目前,负载多酚的纳米乳液在医药品和功能性食品领域有着光明的前景和工业化生产的可能性。但纳米乳的实际应用与工业化生产并未成熟,有待更深入地考察和完善。多酚纳米乳由于其稳定性和高透明度可用于饮料生产,Aquanova公司利用纳米技术提供了一种饮料生产方案,可以生产含天然色素(叶黄素、β-胡萝卜素、姜黄素等)的饮料,且 Aquanova公司声称此方案增强了封装的功能化合物和标准添加剂浓度的稳定性。
3.2在乳制品中的应用
多酚纳米乳有望应用于乳制品中,将富含多酚的拟爱神木粗提物制成纳米乳液加入牛奶 中,显著提高了乳中总多酚含量使乳的抗氧化性也随之增加。且与直接向牛奶中加入拟爱神木粗提物相比,加入粗提物纳米乳液能减小添加物带来的感官变化,使人们更易接受。
3.3在保鲜中的应用
多酚纳米乳也有望应用于果蔬保鲜技术中,作为可食性涂膜达到抑菌、气调、减缓失水的效果。目前使用的化学防腐剂会对人体产生不利影响,而塑料包装材料缺少抗菌性且造成环境负担。以多酚纳米乳液作为可食性涂膜可以解决上述食品安全问题及环境问题,此种可 食用涂膜对果蔬的感官性质影响小、甚至可以改善果蔬光泽、延长果蔬货架期。除了果蔬保鲜外,多酚纳米乳液还可应用于肉类、鱼类保鲜,研究表明以多酚纳米乳作为涂膜能显著延长猪肉的货架期,降低pH值和色泽变化,延缓脂肪和蛋白质氧化,保持嫩度,抑制微生物生长。以丁香酚壳聚糖纳米乳液作为保鲜涂层能有效地阻断氧气和微生物对带鱼的影响,保持带鱼的品质,延缓脂质和蛋白质的氧化。
4结语
多酚纳米体系的构建以及工业化生产仍存在许多问题。纳米乳液中发生的聚结、奥式熟化等不稳定机制会影响体系稳定性进而影响产品货架期。故制备多酚纳米乳液时需注意使用合适的制备方法及选择相宜的表面活性剂及助活性剂以降低或阻止纳米乳液失稳。人们仍需探究如何降低低能乳化法中乳化剂添加量,人工合成的乳化剂大剂量使用仍对人体有潜在危害,故使用低能乳化法可供选择的乳化剂种类较少,限制了低能乳化法的实际应用;Ⅲ现阶段运载多酚的纳米乳液大多只起缓释作用,不能实现对运载物质的靶向释放以及靶向吸收。近年来,药物纳米递送系统利用生物仿生等技术实现了纳米乳液的靶向释放,为多酚纳米递送体系的靶向性实现提供了可能。未来,多酚纳米乳液体系应着重于全材料的天然、无毒、绿色,使构建的递送体系能广泛应用于食品及医药领域。高能乳化法需要复杂的仪器且需要消耗、 浪费极多的能量,应开发利用可投入大规模工业化生产的低能乳化法。构建可以靶向递送、靶向吸收的多酚纳米乳液将极大的提高运载多酚的生物利用率。
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