虾青素制剂技术及其对虾青素稳定性影响的研究进展

彭 宇，任晓丽，陈 林，刘天中

(1.中国科学院 青岛生物能源与过程研究所，山东 青岛 266101； 2.中国海洋大学 食品科学与工程学院， 山东 青岛 266101； 3.中国科学院大学，北京 100049)

虾青素(化学名称3，3′-二羟基-4，4-二酮基-β，β′-胡萝卜素，分子式为C40H52O4)是一种脂溶性的酮式类胡萝卜素，具有极强的抗氧化能力，其抗氧化活性是维生素E的500倍[1]，是β-胡萝卜素的38倍[2]。临床实验和动物实验证明，虾青素在以下方面具有显著效果：①淬灭机体内自由基和活性氧、终止自由基链式反应，保护有机体免受氧化伤害[3]；②减小心肌血栓，降低血压，治疗心脑血管疾病；③防止胰腺β-细胞的高血糖氧化损伤和恢复淋巴细胞的功能，缓解糖尿病症状；④防止UV-C诱导的皮肤加厚和胶原蛋白降解等皮肤损伤；⑤治疗眼部感染；⑥缓解疲劳和焦虑；⑦免疫调节等。因此，虾青素在食品、营养医学、饲料和化妆品等行业都有广泛的应用[4]。

目前，最主要的天然虾青素来源是微藻雨生红球藻[5]。雨生红球藻厚壁孢子中虾青素含量最高达到细胞干重的7%[6]。虾青素分子两端各有一个羟基，能与脂肪酸发生反应生成虾青素酯。雨生红球藻胞内虾青素主要为酯化虾青素和少量的游离虾青素。2010年，卫生部批准雨生红球藻为新资源食品；自2012年以来，国家食品药品监督管理局陆续批准了多种雨生红球藻来源虾青素的保健食品，这些举措对推动虾青素产品的研究开发及产业快速发展具有积极意义。

虾青素是具有多个共轭双键的萜烯基团化合物，对光、氧、温度等因素敏感，容易发生降解反应而失去生物活性[3]。此外，虾青素不溶于水，也影响了其生物利用度。近年来，一些研究开始探究储藏及加工条件对虾青素稳定性的影响，证实了通过控制加工和制剂条件可以提高虾青素的稳定性和生物利用度。本文综述了虾青素制剂技术及其对虾青素稳定性影响的研究进展，旨在为天然虾青素的进一步开发利用提供理论参考。

1 虾青素的化学降解过程

虾青素分子由位于两侧的羟基和羰基取代的紫罗兰酮环和中央多聚烯链组成。由于分子结构中羟基酯化程度区别，虾青素有游离态、单酯和双酯3种[7]。由于分子结构中存在两个手性碳原子，因而虾青素存在左旋、右旋和内消旋体3种旋光异构体[7]。此外，由于长烯烃链中双键的顺反式，虾青素存在全反式结构和多种顺式异构体[8]，其中主要的顺式异构体有9-顺式虾青素、13-顺式虾青素和15-顺式虾青素。3种常见的虾青素几何异构体的分子结构见图1。结构上的区别决定其生理生化功能和生物活性存在很大差异，如左旋异构体的抗氧化性能强于右旋异构体和内消旋异构体[7]，9-顺式虾青素较13-顺式和全反式虾青素的生物利用度更高[9]。

图1 3种常见的虾青素几何异构体的分子结构

研究报道，虾青素易发生化学降解而出现生物活性降低、褪色等。酯化虾青素在长期储存中发生水解反应生成游离虾青素[10]，而游离虾青素更容易发生降解反应。Yang[9]、Zhao等[11]发现在紫外照射、微波辐射诱导下，全反式虾青素发生向9-顺式异构体和13-顺式异构体的转化，吸收光谱蓝移2～10 nm并出现褪色现象，同时引起剧烈的全反式虾青素降解，载色体降解断裂，光谱向紫外漂移最终失去颜色[9]。虾青素异构化过程中发生分子扭转，导致的不成对自旋容易与氧反应，进而生成环氧化物、羰基化合物和不特定的低聚物，之后继续氧化生成短支链的羰基化合物、二氧化碳和羧酸链[12]。Mendes-Pinto等[13]发现虾青素末端紫罗兰酮环，在碱性环境中逐步脱去2个或4个氢原子生成半虾红素和虾红素。之后，进一步的氧化反应可能与类胡萝卜素类似，发生环氧化反应和羟基化反应。这一过程中可能涉及了双键被单线态氧攻击，氧化生成正离子自由基[14]。其氧化降解可以被直接过氧化加速，或者被脂肪酸氧化产生的自由基间接加速。根据其种类和化学键断裂位置的不同，可生成多种衍生物，如维生素、植物激素及芳香类化合物等[15]。然而，虾青素的具体降解过程目前还尚未明确。

2 虾青素制剂技术及不同剂型中虾青素的稳定性

虾青素分子自被提取出之后就失去了细胞的保护，与环境因素直接接触而更容易发生氧化降解从而失去生物活性，如藻油中类胡萝卜素在不加保护条件下储存30 d就几乎全部降解[16]。此外，虾青素的水溶性差，并且由于具有特殊的藻腥味，使其不能满足某些特殊需求。为符合食品和化妆品等行业使用需求，必须提高虾青素的稳定性而便于储存，同时为针对特殊应用而需要改善虾青素的水溶性或水分散性，以及掩盖气味，因此通常借鉴药剂学方法，将虾青素制备成符合应用的形式。

2.1 传统虾青素制剂技术及其对虾青素稳定性的影响

虾青素油脂是最早出现的虾青素产品，也是目前使用最广泛的剂型，通常有1%、5%和10%等规格。为使用方便，通常将高浓度虾青素油溶解于食用油脂中，密封于明胶等软质囊材中形成胶囊剂。如美国西亚诺泰克的BioAstin、日本富士化学的AstaReal、我国荆州天然虾青素公司的艾诗特等品牌的10%虾青素油脂或软胶囊等。虾青素油脂和软胶囊属于传统制剂技术，制备技术简单。虾青素产品的稳定性通常受到分散剂、保护剂，以及产品中微量杂质和pH等因素的影响。

2.1.1 分散剂对虾青素制剂稳定性的影响

虾青素是脂溶性的，但终产品则依客户要求而制备成油剂或水剂。Rao等[17]比较虾青素保存在油脂和水剂中的稳定性差异，发现虾青素分散于植物油中在70℃下8 h后的含量大于84%，特别是在棕榈油中即使保存于更高温度(90℃)下仍有90%的有效成分，而在同等条件下分散于水剂中仅有10%的虾青素维持稳定。从虾壳中提取的虾青素，在亚麻籽油中保存于30℃下，其氧化降解速率低，同时也降低了亚麻籽油的脂质氧化速率[18]；在油剂中保存8周以上，虾青素无明显降解[19]。因此，通过将虾青素溶入植物油中而形成油分散型制剂，以提高其稳定性，是最常见的产品剂型之一。

2.1.2 保护剂对虾青素制剂稳定性的影响

为提高虾青素的稳定性，延长产品保质期，通常需要在产品中加入保护剂，如添加抗氧化剂[16，20-21]。维生素E是一种脂溶性维生素类抗氧化剂，其添加可显著抑制虾青素的降解。当维生素E添加量为0.05%时，虾青素的降解率仅为不添加保护剂的11.9%[21]。Tamjidi等[20]的研究也证明了维生素E对虾青素的保护效果。维生素C也抑制虾青素的降解，但是效果没有维生素E强[16，20]。通过添加离子螯合剂，如乙二胺四乙酸二钠(EDTA)，可掩蔽金属离子对虾青素的降解作用。Zhou等[21]发现当添加0.05%的EDTA时，虾青素的降解率仅为不添加保护剂的1.4%。离子螯合剂对虾青素降解的抑制作用甚至优于抗氧化剂[20]。关于抗氧化剂和离子螯合剂合并使用对虾青素稳定性的影响，Tamjidi等[20]认为二者结合使用的效果好于单独使用，而Zhou等[21]则认为相反，因此需要更多的深入研究加以验证。

2.1.3 杂质及pH对虾青素制剂稳定性的影响

研究表明分散剂中的金属离子杂质和pH也影响虾青素的稳定性。铜离子、二价铁离子和铁离子等明显降低虾青素的稳定性[22]。尤其是Fe2+，即使在无光条件下也能诱导虾青素发生氧化降解[22]。而钙、镁、钾、钠、锌等金属离子对虾青素稳定性的影响不显著[22-23]。短时间的酸性或碱性环境接触对虾青素化学稳定性影响不大，如在1 mol/L盐酸中1 h虾青素也未发生明显的结构变化[24]，但是在长期弱酸条件下化学稳定性变差[25]；相反，在中性和弱碱性环境中虾青素则表现得相当稳定[22-23]。因此，虾青素提取物在制备过程中宜在中性和弱碱性环境中进行，且需要防止原料藻粉和加工过程的金属离子导入，并在灌装时避免金属离子的接触。

2.2 新型虾青素制剂技术及其对虾青素稳定性的影响

随着虾青素产品应用多元化和药剂学方法的发展，一些新的产品形态，包括固态微/纳米颗粒、水分散体系、超分子水溶液等逐步出现，其中已有部分类别的虾青素产品问世。

2.2.1 虾青素微/纳米颗粒(固体分散型)

微/纳米颗粒是由高分子材料包裹有效成分(囊心物)形成的微小贮库型结构，直径在微米范围内的称微囊和微球，直径在纳米范围内的则称为纳米囊或纳米球。微/纳米颗粒制品属于固体分散型制剂，具有水分散性能良好、物理化学性质稳定的特点，便于后期储存及使用，还可以通过调节囊材以实现缓释功能。目前，市场上的虾青素颗粒制品主要包括日本富士化学的AstaReal EL25、以色列 AlgaTech 的AstaPure系列和我国荆州天然虾青素公司的Asta-CWD2微囊粉剂等。

用于虾青素微/纳米颗粒的囊材或骨架包括多种天然聚合物，如海藻酸钠[26]、酪蛋白、乳糖和葡萄糖美拉德反应产物[27]、槚如树胶和明胶复合凝聚物[28]；或化学合成聚合物，如辛烯基琥珀酸淀粉酯[29-30]、羟丙基-β-环糊精[31]、聚(环氧乙烷)-4-甲氧基肉桂酰基邻苯二甲酰基壳聚糖[32]、聚(羟基丁酸酯-羟基戊酸酯)共聚物[33-34]等，具体见表1。

表1 虾青素产品的微/纳米颗粒制备技术

喷雾干燥法是目前虾青素颗粒生产中最常用的方法。其过程是先将虾青素油与囊材溶液通过均质形成稳定的水包油(O/W)乳化体系，再将乳化液喷入惰性热气流使液滴收缩成球形，进而干燥固化。喷雾干燥法使用的囊材有酪蛋白、乳糖和葡萄糖美拉德反应产物[27]、辛烯基琥珀酸淀粉酯[29-30]和羟丙基-β-环糊精[31]等。通过优化囊心物与囊材比例、均质压力、喷雾干燥的进出口温度等工艺参数，能够实现90%以上的虾青素包封率[27，29，31]。如黄文哲等[29]在辛烯基琥珀酸淀粉酯与麦芽糊精比例1∶1、均质压力50 MPa、进口温度190℃、出口温度90℃条件下，虾青素包封率达到98.3%。通过喷雾干燥法制备的虾青素微囊，能够明显减少虾青素的氧化降解[27，29-30]，提高虾青素稳定性近8倍[29]。喷雾干燥微囊化技术由于干燥时间短、单元操作简便、处理量大、连续生产等优点而广泛用于活性物质的包封，但是喷雾干燥法一般只能制备微米级颗粒。需要注意的是，在喷雾干燥过程一定要严格控制温度，否则虾青素等热敏性物质的活性损失较大。

相分离法是一种新的微囊化方法，通过调整条件使囊心物与囊材在液相中形成新相析出，从而实现微囊化。凝聚法是其中应用最早且最广泛的方法，包括水相凝聚法(单凝聚法和复凝聚法)和有机相凝聚法。单凝聚法是用一种高分子材料加入凝聚剂使之凝聚成囊，固化定型。Park等[26]利用虾青素油和海藻酸钠，与吐温80形成O/W乳化体系，喷射进入氯化钙溶液中固化形成微胶囊。复凝聚法是利用两种带有相反电荷的高分子材料以离子间的作用相互交联，从而形成复合型囊材的微胶囊。Gomez-Estaca等[28]利用槚如树胶和明胶为囊材采用复凝聚法制备多核多态的微囊。在水相凝聚法中通过调整pH、离子强度和温度等工艺参数，可以控制颗粒直径，从而改善虾青素包封率。如在pH 4～4.5时，以槚如树胶和明胶为囊材形成的复凝聚微胶囊对虾青素的包封率59.9%[28]。随微球粒径的增大，虾青素包封率明显提高。当平均粒径为210 μm时，海藻酸钠形成的单凝聚微胶囊对虾青素的包封率达到75.7%[26]。有机相凝聚法在虾青素微/纳米颗粒制备过程中使用较少见。Tachaprutinun等[32]将虾青素和聚(环氧乙烷)-4-甲氧基肉桂酰基邻苯二甲酰基壳聚糖(PCPLC)或者乙烯醇-乙烯基-4-甲氧基肉桂酸酯共聚物(PB4)溶解于二甲基甲酰胺(DMF)中，再将有机相溶液通过水透析，随着DMF与水互换，虾青素-聚合物纳米囊逐渐发生自乳化，并沉淀析出，最终形成聚合物纳米颗粒。比较不同相分离法制备的虾青素微囊，水相凝聚法所得虾青素微囊粒径一般在微米级[26，28]，而通过有机相凝聚法可得到粒径300 nm的纳米颗粒[32]；另一方面，水相凝聚法所得微囊的虾青素包封率较低(59.9%)[28]，而有机相凝聚法所得微囊的包封率可高达98%[32]。通过相分离法制备微囊可有效地减缓虾青素降解，提高虾青素的稳定性[26，28，32]；大大改善了虾青素的水分散性能，表现出很好的水分散性[32]，如虾青素微囊可很好地溶解于原味酸奶中，并且在36℃下储藏43 d未发现脂肪氧化产物[28]。此外，虾青素纳米颗粒还表现出良好的缓控释性能，如PCPLC纳米粒的冻干粉在丙酮中实现稳定的虾青素释放，60 min最高释放85%[32]。相分离技术包封过程不需要热处理且不需要特定设备，特别适用于包封热敏性物质制备微米或纳米粒，实现了高效负载和缓控释，但是凝聚过程中涉及有毒有机溶剂的使用，存在溶剂残留的安全风险，而且依赖于冷冻干燥等技术。

超临界流体技术也应用于虾青素微/纳米颗粒的制备。超临界流体快速膨胀技术(RESS)是将溶质高浓度溶解于超临界流体中，之后通过快速减压膨胀，使溶质在瞬间达到高度过饱和，并形成大量晶核，从而生成大量微小的、粒度分布均匀的超微颗粒。Quan等[35]利用RESS制备了平均粒径500 nm的虾青素纳米颗粒，其粒径是自然条件下形成的虾青素晶体(约5 μm)的1/10。这一方法制备的纳米颗粒可以通过超声形成水分散体系。另一种超临界流体技术是超临界流体抗溶剂技术(SAS)。Machado等[33-34]利用超临界CO2作为抗溶剂制备虾青素和聚(羟基丁酸酯-羟基戊酸酯)共聚物的共沉淀纳米颗粒。当使用二氯甲烷作为共溶剂时的虾青素最高包封率达到51.20%，在压力为100 MPa时所得粒径为128 nm。但是，超临界流体技术必须使用高压容器，对生产设备要求高，存在初始投资大、生产成本高等缺点。

2.2.2 虾青素水分散体系(乳剂型)

目前，虾青素也有制备成乳剂产品出售，如AstaReal®Water Soluble、荆州天然虾青素公司的Asta-W05乳剂等。虾青素乳剂可与水任意比例互溶，易于在食品、化妆品等含水量大的体系中得到应用。

虾青素乳剂的制备过程是将虾青素与乳化剂、助乳化剂和水等按一定比例溶解调制成均相的液体制剂。其重要的指标要求是乳化分散性和分散液的稳定性。虾青素乳剂制备常用的乳化剂有酪蛋白酸钠[25，36]、吐温[20-21]、卵磷脂和壳聚糖[37]、聚山梨醇酯20和阿拉伯胶[36]。通过调整乳化体系pH、虾青素和乳化剂量比、助乳化剂量等工艺参数，并采用高速均质、高压微射流[21]、超声[20，37]等均质方法，虾青素可以形成粒径几十到几百纳米的稳定乳化体系。研究发现温度、pH和离子强度影响虾青素乳剂的物理稳定性。pH在酪蛋白等电点附近时，虾青素会形成高度不稳定的液滴凝聚[25]。Zhou等[21]将虾青素乙酸丁酯溶液加入吐温和乙醇水溶液中，再依次经高速均质、高压微射流乳化后，形成的乳化体系在20 d不发生变化。Tamjidi等[20]以吐温80作为乳化剂，经过搅拌和超声乳化后形成的虾青素乳化体系15 d不发生明显聚集。在稳定的乳化体系中，虾青素降解速率和损失率显著降低。Anarjan等[36]以聚山梨醇酯20、酪蛋白酸钠和阿拉伯胶混合乳化剂制备了虾青素纳米分散体系，8周的虾青素损失率仅5%；当将虾青素纳米乳化液添加至橘子汁和牛奶中时，虾青素的生物可利用度明显提高[38]。

2.2.3 虾青素超分子水溶液(溶液型)

虾青素固态粉末和乳剂型产品分散于水中后形成乳化体系，不能形成透明的虾青素水溶液。近年来，一些学者开发出利用分子间弱相互作用(如氢键、范德华力、疏水相互作用等)包结客体分子于含疏水空腔的主体分子内，形成包结物的技术，即主客体包结络合技术，将虾青素分子通过分子间弱相互作用包结于亲水大分子的疏水空腔内，可形成超分子结构的包合物[39]。Chen等[40]利用β-环糊精作为外部骨架，与虾青素形成虾青素-β-环糊精包合物，虾青素溶解度提高至接近0.5 mg/mL。进一步地，Yuan等[41]利用水溶性更高的羟丙基-β-环糊精(HPCD)作为主体分子，在虾青素和HPCD分子比2∶1时包结络合，形成虾青素包合物的溶解度提高到1 mg/mL，并实现了虾青素的缓控释和热稳定。利用主客体包结络合技术制备的虾青素包合物是一种分子包埋技术，不仅改善虾青素的水溶性，也保护其免受环境影响而降解失活。但是，目前主客体包结络合技术对虾青素的包合效率和形成包合物的溶解度还较低，羟丙基-β-环糊精作为主体分子的成本也较高，该技术还有待进一步研究。

2.3 虾青素制剂包装技术对虾青素稳定性的影响

虾青素经过加工制备成油脂、固体粉末、乳剂或水溶液后，需要经过包装以进一步保护其功能、储存和应用，即利用适当的材料或容器进行分、封装等操作。研究发现，虾青素的稳定性受到光照、温度、氧浓度等环境因素的影响。高光照会导致虾青素氧化降解。虾青素在UV-C和日光灯下的降解速率分别是黑暗条件下的13倍和7.9倍[36]。刘铁楠等[42]发现连续日光照射24 h，虾青素即被完全破坏；室内自然光下，24 h后虾青素含量为70%；避光保存时，虾青素基本不会遭到破坏。低温有利于维持虾青素的稳定性。王红霞等[43]发现储藏温度高于70℃时，虾青素发生明显的降解。此外，通过降低包装中的氧浓度可以延长虾青素稳定时间，在真空环境下较充氮环境更为有利[16，44]。通过包装技术为虾青素制剂创造合适的微环境，以避免与不利环境因素的接触，将有利于虾青素的长期储存。如通过选择遮光性好、透氧度小的包装材料，并结合脱氧剂制造避光、无氧环境，并在低温下保存，可以大大延长虾青素稳定时间[19，36]，也可以通过向包装瓶中通入氮气来保护虾青素[44]。

3 展 望

目前，市场上传统的虾青素油脂和软胶囊产品仍然占主要份额，但新的虾青素制剂产品呈逐年增长的趋势。这很大程度上是因为新型制剂技术使虾青素的稳定性和生物利用度得到提高且水溶性得以改善，使其得到更广泛的应用。同时，新型制剂技术有着加工温度低、可实现高效负载和缓控释等优点，相对传统剂型有更好的工业化应用前景。但是，溶剂残留风险、对生产设备要求高、初始投资大等缺点是目前限制其发展的主要因素。未来要实现虾青素大规模工业化生产还要依赖于人们对虾青素稳定性和水溶性的改善、产品安全性和生产成本控制等多方面同步探索和推动。