纳米乳液改善多酚性能及在食品中的应用进展.pdf
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1、现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 353 纳米乳液改善多酚性能及在食品中的应用进展 王思宇1,蔡轶男1,王宇加1,王婷婷1,张頔1,樊梓鸾1,2*(1.东北林业大学林学院,黑龙江哈尔滨 150040)(2.黑龙江省森林食品资源利用重点实验室,黑龙江哈尔滨 150040)摘要:国内外研究人员一直关注植物多酚促进人体健康的潜在作用,发现在实际应用中,多酚的稳定性差、溶解性差、生物利用率低等问题亟待解决。纳米乳液递送体系粒径小、稳定性佳,是极佳的多酚递送体系,应用前景广阔。经纳米乳液包埋后的多酚可改善稳定性,提高在体
2、内的生物利用率,表现出更佳的生物可及性、抗氧化性及抗肿瘤活性,更适合应用于食品工业。该研究结合国内外研究者的成果综述了多酚的分类及作用;多酚纳米乳液制备新技术;纳米乳包载对多酚多种性能的改善效果与作用机制。基于多酚纳米乳液需解决的首要问题提出了乳液优化方案,并阐述了多酚纳米乳液在食品工业中的现状及潜在应用,对多酚纳米乳液未来的制备方向进行展望。关键词:纳米乳液;生物利用度;天然乳化剂;稳定性;生物可及性;改性蛋白 文章编号:1673-9078(2023)09-353-363 DOI:10.13982/j.mfst.1673-9078.2023.9.1163 Improvement of Pol
3、yphenol Properties of Nanoemulsion System and Its Application in Food WANG Siyu1,CAI Yinan1,WANG Yujia1,WANG Tingting1,ZHANG Di1,FAN Ziluan1,2*(1.College of Forestry,Northeast Forestry University,Haerbin 150040,China)(2.Key Laboratory of Forest Food Resources Utilization of Heilongjiang Province,Hae
4、rbin 150040,China)Abstract:Researchers have been focusing on the potential of using plant polyphenols for promoting human health and have identified that the problems of poor stability,poor solubility,and low bioavailability of polyphenols in practical applications need to be urgently solved.The nan
5、oemulsion delivery system has a small droplet size and good stability,thus is an excellent polyphenol delivery system with promising applications.Nanoemulsion-encapsulated polyphenols show improved stability,in vivo bioavailability,bioaccessibility,and antioxidant and antitumor activities,making it
6、more suitable for application in the food industry.This paper reviews the current research on the classification and role of polyphenols,novel technologies for the preparation of polyphenol nanoemulsions,and the mechanism of nanoemulsion encapsulation and its effects on various properties of polyphe
7、nols.Based on the current problems posed when using polyphenol nanoemulsions,emulsion optimization scheme is proposed.Overall,the application status and potential use of polyphenol nanoemulsions in the food industry were explored.The findings of this study provide insights into future application di
8、rections of polyphenol nanoemulsions.Key words:nanoemulsion;bioavailability;natural emulsifier;stability;bioaccessibility;modified protein 引文格式:王思宇,蔡轶男,王宇加,等.纳米乳液改善多酚性能及在食品中的应用进展J.现代食品科技,2023,39(9):353-363 WANG Siyu,CAI Yinan,WANG Yujia,et al.Improvement of polyphenol properties of nanoemulsion syst
9、em and its application in food J.Modern Food Science and Technology,2023,39(9):353-363 收稿日期:2022-09-14 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572019BA09);黑龙江省高等教育教学改革项目(SJGY20200018);黑龙江省自然科学基金联合引导项目(LH2020C035);中国博士后科学基金项目(2016M600239);国家自然科学基金项目(31170510)作者简介:王思宇(1999-),女,硕士研究生,研究方向:植物资源功能活性研究,E-mail: 通讯作者:樊梓鸾(1
10、981-),女,博士,副教授,研究方向:天然产物分离纯化及功能活性评价,E-mail:fzl_ 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 354 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1。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2。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3,极大限制了植物多酚在食品工业中的应用。乳液运输
11、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(Nanoemulsion)三类4。宏观乳状液如牛奶、蛋黄酱等粒径直径通常为 100 nm100 m,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
12、利用率也得以提升5。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6。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7。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8。多酚可以作为天然着色剂,例如:
13、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9。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10。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11。目前多酚主要有两种分类方式:按照多酚的碳原子骨架分类12;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
14、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13。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。图 1 多酚分类 Fig.1 Classification of polyphenol 现代食品科技 Modern Food Science and Technolog
15、y 2023,Vol.39,No.9 355 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。Xu 等14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。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,Maill
16、ard 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(Whey Protein Isolate,WPI)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(Epigallocatechingallate,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15。Wang 等16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
17、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。除了被广泛研究应用的化学改性方法外,还可利用化学-物理复合改性方法对蛋白质进行改性。如天然豌豆蛋白在中性pH 条件下的水溶性较低,功能性质较差,限制了应用,利用极端碱性pH 值偏移与超声波相结合对豌豆分离蛋白进行改性处理,可使嵌在紧密蛋白质结构内的氨基酸侧链暴露,提高豌豆分离蛋白的乳化能力,具有输送多酚等亲脂生物活性物的潜能17。2.2 加入乳液体系的新型油相、水相 近年来,深共晶溶剂及离子液体
18、正逐渐被研究加入乳液体系,二者具有类似的优良性质:良好的稳定性、高溶质溶解度、皆为有潜能的生物相容介质。离子液体可以替代水相形成油包离子液体体系,此种乳液体系可以改善疏水性药物的溶解度。在伪三元相图中离子液体比水相具有更大的能区18,有潜力用于构建搭载疏水性多酚的纳米乳液。深共晶溶剂(Deep Eutectic Solvent,DES)是一种自缔合液体混合物,将氢键供体和氢键受体以适当的摩尔比混合在一起,通过加热、冷冻干燥或研磨即可获得DES,其熔点低于每个单独成分的熔点,相较于离子液体而言具有制备方便、价格低廉的优势,可与生物质的氢键系统产生有效相互作用19。DES 具有高热稳定性、化学稳定
19、性、生物降解性、低毒性和高生物降解性。纳米乳液中油相通常由传统的有机溶剂组成,但部分有机溶剂存在着毒性、高挥发性等隐患。因此使用新型油相取代传统有机溶剂,以期提高纳米乳安全性,更具有实用价值。Divya 等20使用摩尔比为 1:2 的四正丁基氯化铵和正癸酸混合组成的疏水深层共晶溶剂作为油相,制备搭载姜黄素的微乳。在不改变姜黄素结构完整性的条件下,可使姜黄素溶解度增加至51 mg/mL,极大地增溶了姜黄素。此类微乳体系为提高难溶性生物活性物质的溶解性及稳定性提供了新途径。2.3 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
20、(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21。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22,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。Lin 等23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 100 d 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40 d而含水乳液中脱氧熊
21、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24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。2.4 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25。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。现代食品科技 Modern
22、Food Science and Technology 2023,Vol.39,No.9 356 2.4.1 高能乳化法 相较于超声乳化法26、微射流乳化法27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28。2.4.2 低能乳化法 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
23、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29。如图230和表 1、2 总结了目前多酚纳米乳封装技术的原理及优缺点。图 2 PIT 法和 PIC 法制备纳米乳液原理 Fig.2 The principle of nanoemulsion prepared by PIT method and PIC method 表 1 纳米乳制备方法原理及优缺点 Table 1 Nanoemulsions principle of preparation methods and relative merits 制备方法 原理 特点 优缺点 高压均质法(High-Pre
24、ssure Homogenization,HPH)利用强剪切力、强撞击力等作用力,使大液滴分散为小液滴 能制备出最小粒径且稳定性好的纳米乳液,且制得的乳剂通常有较高的包封率5 可投入大规模工业化生产,需要注意均质参数的设定,不适合制备黏性较大乳液 超声波法(Ultrasonic Emulsification,UE)利用超声波振动在乳液中产生强剪切力和压力梯度,使大液滴被细化通常使用低频范围的超声波制备乳液 可连续制备纳米乳液,能耗小于高压均质法,成本低31 高速剪切法(High-Shear Homogenization,HS)利用转子与定子之间所产生的机械力和流体力学效应,使液体物料受到强剪切
25、、摩擦、撞击 制备的乳液粒径较大 一般用来制备粗乳液,需要进一步均质32 微射流均质法(Micro-Jet Homogenization,MJ)高压下产生的高速流动相相互碰撞可控制制备的液滴大小、均质效率不被乳化剂种类影响,但输出能量过高会影响生物大分子活性33 可连续生产纳米乳液,但维护成本高33 自乳化法(Spontaneous Emulsification,SE)在油水界面的边界处,水相被油相中反胶束增溶,形成双连续微乳,而后双连续相被破坏自发形成纳米乳液。制备时的温度、搅拌乳液速度以及油相添加速度对乳液粒径尺寸及稳定性都有重要影响,制备乳液时需注意合适的比例及条件34 对乳液配比要求严
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