姜黄素纳米载体的制备与应用研究进展

曹佳勇，刘媛，周杰，王健*，徐东辉，刘广洋*

1. 河北北方学院农林科技学院，河北省农产品食品质量安全分析检测重点实验室（张家口 075000）；2. 中国农业科学院蔬菜花卉研究所，蔬菜生物育种全国重点实验室，农业农村部蔬菜质量安全控制重点实验室，农业农村部蔬菜产品质量安全风险评估实验室（北京 100081）

姜黄素（CUR）是一种疏水性多酚化合物，化学式为C21H20O6，主要来源于草本植物姜黄的根茎、菖蒲根茎、郁金等传统中药材，主要由3种单体组成，姜黄素、单脱甲氧基姜黄素和双脱甲氧基姜黄素[1]，3种单体的结构如图1所示。

图1 姜黄素的3种单体结构

姜黄素是一种橙黄色结晶粉末，味道略带苦味，是一种对人体基本无毒害的物质。在食品中经常被用作天然食用色素和香料。同时，由于姜黄素具有抗氧化、抗衰老、抗癌、抗炎，以及预防和治疗帕金森病等生理活性功能，因此被广泛应用于医药及功能性食品行业。但由于姜黄素在水溶液中溶解度较低，仅能吸收总剂量的1/4，且在生理pH下会快速降解，导致自身生物利用度低、药代动力学差，因此口服摄入的姜黄素只有少部分会被人体消化吸收，而且会在胃肠道细胞内与葡萄糖苷酸和硫化物结合，被迅速代谢掉并排出体外，很难发挥其原有的生理功效[2]。而将姜黄素进行物理包埋或化学修饰制成纳米载体可在一定程度上解决姜黄素水溶性差、不稳定、生物利用率低等问题，同时还能起到缓控释的作用，减少胃肠道严峻环境对姜黄素的破坏及影响，使其最大保留到达吸收部位[3]。通过介绍姜黄素纳米载体的常用制备方法与缓释负载的机理机制，以及最新前沿应用，以期为姜黄素的纳米制剂的研究提供一定实际参考价值。

1 姜黄素纳米递送载体的制备

姜黄素在加工过程（光、热、氧和金属离子）和肠黏膜条件（酶和酸碱度）下会发生降解，生物利用度低，并可与其他食物成分相互作用。因此可通过纳米技术制备传递载体，利用不同技术对姜黄素进行纳米封装，从而提高姜黄素的溶解性、稳定性、降低对食品感官特性的不良影响[1]，纳米载体具有非常小的粒径，携带姜黄素在细胞内释放，实现靶向和缓控释双重效果，达到更高的包埋率和负载量，使姜黄素具有更好的稳定性和生物利用率[4]。

1.1 超声法

超声法是制备姜黄素纳米载体最常用的方法之一。超声法是将熔融状态下的磷脂，胆固醇等物质作为油相，有机溶剂（甲醇、二甲基亚砜等）作为水相，根据所制备的载体种类不同，将姜黄素分散于水相或油相中，在磁力搅拌的条件下，将水相均匀加入油相中，形成水包油型乳液，搅拌至特定时间后进行超声，冷却，过膜，最终得到姜黄素纳米载体。程洋等[5]采用溶解-超声法，以质量比9∶1的肉豆蔻酸赤藓糖醇单酯和月桂酸乙二醇单酯复配物为原料制得粒径（265.42 nm）较小、分布均匀（PDI 0.30）的姜黄素脂质纳米载体，结果表明，姜黄素的包载效果优良，包载率为94.60%，在37 ℃和42 ℃下姜黄素的快速释放率达到98%以上。

1.2 乳化法

乳化法是将一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶（或部分相溶）的另一种液体中的过程[6]。通过乳化的这个过程就能得到姜黄素纳米乳液。乳化又分为2种即高能乳化法（如高压均质法、微流化、超声乳化等）和低能乳化法（如自发乳化、水凝胶法、相转变温度法）。高能乳化法使用机械力破坏2个不混溶的相，乳化剂降低界面张力，将它们转化为纳米级液滴的稳定乳液。相反，低能乳化法利用内部化学能进行乳化，由于温度或组成的改变，系统中会发生相变或自发乳化。通过乳化的作用将姜黄素包裹在纳米乳液中，纳米乳液可以看成是传统乳液里包含的小液滴，其平均颗粒粒径在20～500 nm[7]，具有包埋率高、表面积大、体积小、热力学稳定等优点，对于疏水性化合物具有更好的稳定性，并且可通过控制液滴大小来控制活性物质的溶解度和功效。它的主要缺点是表面活性剂的含量相对较高，具有潜在的毒性作用[8]。

1.3 溶剂挥发法

溶剂挥发法是制备纳米微球和纳米胶束的重要方法。在溶剂蒸发过程中，聚合物被溶解在一个合适的有机溶剂中，药物被分散或溶解于该聚合物溶液中。所得溶液或分散液乳化在水性的连续相中以形成离散的液滴。微球的形成中，有机溶剂必须先扩散到水相中，在水空气界面蒸发，随着溶剂的蒸发，适当过滤和干燥后，可以得到微球硬化和自由流动的微球。程继等[9]通过溶剂挥发法制备姜黄素载药胶束，以普朗尼克（Pluronic）为载体材料，制备姜黄素@普朗尼克载药胶束。经体外消化试验得到，姜黄素@普朗尼克载药胶束72 h体外释药可达80%，具有一定缓释效果，可显著提高姜黄素在细胞内的蓄积水平，增强姜黄素对前列腺癌PC-3细胞的体外抗肿瘤作用，并呈现出一定的体内抗肿瘤效果。

1.4 超临界流体技术

超临界流体技术是一种新型的姜黄纳米载体制备技术。超临界流体是指物质处于其临界温度和临界压强以上而形成的一种特殊状态的流体，处于超临界状态时，气液两相性质非常接近[10]。在超临界流体技术工业化应用中，大部分采用的是超临界二氧化碳（SC-CO2）。

Ali等[11]利用SC-CO2研发一种新型姜黄素绿色纳米颗粒的制造方法，利用纳米多孔淀粉气凝胶和SCCO2技术生成低结晶度姜黄素纳米颗粒，纳米多孔淀粉气凝胶（NSAs；表面积60 m2/g、孔径20 nm、密度0.11 g/cm3、孔隙率93%）作为模具在超临界二氧化碳的帮助下生产姜黄素纳米颗粒。姜黄素纳米粒子的平均粒径为66 nm，浸渍到NSA中可降低姜黄素的结晶度，并且不会在姜黄素纳米颗粒和NSA基质之间产生任何化学键合，最高浸渍能力为224.2 mg姜黄素/g NSA。与传统姜黄素相比，姜黄素纳米颗粒将姜黄素的生物利用率显著提高173倍。将姜黄素浸渍到NSA基质后，生物可利用的姜黄素质量浓度从0.003 mg/mL提高到0.125 mg/mL，既提高生物利用率，也降低结晶度，可最大限度地利用姜黄素，表明这是一种生产食品级姜黄素纳米颗粒的新方法。

1.5 静电纺丝技术

静电纺丝技术，是指利用静电作用力将高分子聚合物转变成微纳米级超细纤维的一种技术。静电纺丝技术的基本原理：高聚合物受到一定的压力，从针尖射出，经过高压电场的强静电的相互作用，液滴向低电势端伸展，在伸展过程中细化成纳米纤维，在静电作用、空气阻力、重力、库仑斥力、表面张力和粘弹力的作用下使溶剂挥发，形成纳米沉积[12]（如图2所示）。

图2 静电纺丝的基本原理示意图

Chen等[13]通过静电纺丝技术制备一种新型姜黄素负载的三明治状纳米纤维膜（CSNM），这种3层纳米纤维膜具有良好的吸水能力和水蒸气透过率，并控制姜黄素的释放。此外，CSNM还显示出优异的止血性能、抗氧化活性和抗菌能力。体内研究表明，制备的CSNM通过抗氧化作用，增强表皮再生和胶原沉积，并显著降低炎症反应。

1.6 透析法

透析法[14]是将水溶性差的聚合物和药物先溶于与水互溶的有机溶剂，将溶液装入截留分子量小于药物和聚合物但大于溶剂的透析袋中，将透析袋浸入去离子水或缓冲溶液中搅拌透析，随着水的渗入与溶剂的渗出，共聚物逐渐形成胶束。为减少药物在正常组织中的不良反应，并在肿瘤组织中实现快速释放，通常聚合物-药物胶束设计成只响应肿瘤内的特殊靶点[15]。Tian等[16]通过透析法获得CUR-HSC胶束，并经进一步体内模拟试验、细胞毒性试验，表明该胶束具有穿越血脑屏障和靶向胶质瘤的能力，同时在生理条件下可以保持稳定，表现出最有效的细胞摄取、细胞毒性和凋亡效果。此外，该胶束在通过血脑屏障时可保持完整，并有效地在大脑中积累。

通过了解上述几种主要的姜黄素纳米载体的制备方法，本文对其原理和优缺点进行比较，如表1所示。

表1 不同制备方法的原理及优缺点

2 姜黄素缓释的机理机制

载体负载的机理机制，主要通过活性物质与载体材料间的非共价力，如氢键、π-π堆积、范德华力、静电作用等，以及通过化学组装的方式进行活性物质的装载吸附。一方面纳米载体表面存在大量官能团，或者通过化学方法引入官能团，使姜黄素与纳米载体共价偶联，结合在一起。另一方面带有羧基和胺基等官能团的纳米载体会增加疏水药物的溶解度，这些高密度官能团使姜黄素与纳米载体系统通过静电相互作用结合在一起。除此以外，纳米载体的空腔结构具有疏水特性，内腔的疏水性质使得可以通过疏水作用或氢键在纳米载体中加入更多的姜黄素。Priyanka等[17]就是通过氢键与π-π堆积使得姜黄素与纳米载体纤维素纳米纤维（CNF）相互连接。CNF内部形成相互连接、组织良好的多孔结构，如图3（a）所示，这是由于纤维素之间的氢键作用所致。CNF+CUR的结合亲和力为-4.7 kcal/mol，这表明姜黄素可以通过氢键和π-π相互作用与纤维素结合。在CUR封装后，在CNF表面上观察到CUR晶体的均匀分布，在CNF上形成均匀单层，如图3（b）所示。在CNF表面没有发现晶体聚集体，这表明CUR完全融入CNF的结构中[14]。

图3 CNF的SEM图像（a）及CUR封装的CNF的SEM图像（b）

姜黄素的缓释机理主要通过几个方法达到缓释的目的：一是pH倾向缓释，当达到一定pH时，纳米载体材料就开始裂解，里面包裹的姜黄素就可以逐渐释放出来，进而达到缓释的目的；二是通过酶解或热分解达到缓释，纳米载体在适宜的环境条件下，可被酶逐步分解，使姜黄素暴露出来，或达到特定温度载体材料就开始发生降解，都可以达到缓释的效果；三是纳米缓释系统作为载体将活性物质负载，到达相应的目标环境后，可由载体材料的种类或配比不同而具有不同的释药速率，通过调整载体材料种类或配比，可控制姜黄素的释放速率；四是通过化学键的裂解进行缓释，如氢键的断裂，纳米载体与姜黄素偶联物缓慢地扩散到细胞中或特定环境中，结合在一起的化学键断裂或非共价力解离，使姜黄素逐渐被缓释出来。

3 姜黄素活性及其应用

3.1 姜黄素的抗癌特性

姜黄素被认为是有效的抗致突变剂和抗促癌剂，对癌细胞有显著抑制作用。癌症是由于细胞受到致癌物的攻击发生突变导致，姜黄素可以发挥抗突变作用，阻断致癌物对于细胞的攻击，阻止细胞发生癌变[18]。姜黄素的抗癌机制主要是抑制由TPA产生的生物学效应和调节花生四烯酸的代谢2个途径。研究发现，姜黄素可对癌细胞产生毒害作用但又不对正常细胞造成损伤，同时还可以可抑制与肿瘤生长相关的多种蛋白激酶活性，并诱发肿瘤细胞凋亡，阻止癌细胞增殖[19]。

为进一步探究姜黄素的抗癌效果，范子梁等[20]通过研究用新型十一烯酸-接枝-ε-多聚赖氨酸（ε-PLLUNA）聚合物构建一种姜黄素纳米胶束，载药量可达12.22%±2.13%、包封率则高达85.12%±3.64%，该纳米胶束48 h释放84%的姜黄素，具有良好的缓释作用，与姜黄素溶液相比，该纳米胶束能明显抑制胶质瘤细胞球的生长。

3.2 姜黄素的抗炎活性

炎症是机体对病原体、化学物质等有害刺激物或身体损伤对组织和细胞造成损害的即时反应。炎症细胞在酶和细胞因子的作用下，可修复组织损伤。试验证明[21]，姜黄素可以抑制脂质过氧化反应和降低丝氨酸活性，达到抑制结肠细胞的炎症反应，还发现能够调控炎症反应中皮质类固醇的活性，这是抗炎作用的一个新靶点[22]。为达到一个较好治疗效果，邵君飞等[23]研制一种姜黄素微球，在最初的24 h内，有超过40%的姜黄素释放，在随后的120 h内，共释放出80%的姜黄素。这样就为保持一定有效的血药浓度提供保证，实现更好的抗炎效果。当微球载体进入机体后被降解崩塌，微球的表面被体内的酶溶蚀，药物和载体发生解离扩散，使微球中所包含的药物缓慢、可控定量地释放出来，从而使微球中包裹的药物释放速度减慢，成为长效缓释的制剂，达到缓释目的，并且大幅减少给药频率，还可以消减药物峰谷现象[24]。

3.3 姜黄素在神经性疾病上的预防及治疗作用

姜黄素是一种有效的抗氧化剂，可以清除自由基、保护神经，并可以调节多种信号通路，参与调节转录因子、生物酶、生长因子及多种蛋白的合成表达，从而阻断相关神经性疾病的分子合成途径。姜黄素通过其2个与β-二酮连接体连接的甲氧基苯酚基团具有金属螯合特性，有助于清除超氧化物和羟基自由基，从而保护谷胱甘肽，从而减轻氧化应激反应[25]。通过探究姜黄素对帕金森病模型大鼠学习记忆能力的影响研究，朱江等[26]证明经过姜黄素的干预，能够减轻大鼠神经细胞被6-羟基-多巴胺的毒害作用，促进其多巴胺、二羟苯乙酸、高香草酸水平升高，从而控制帕金森病大鼠病情发展，能显著提高帕金森病模型大鼠学习记忆能力。同样，姜黄素对阿尔茨海默病（AD）也有明显的治疗效果，姜黄素与β-淀粉样肽（Aβ）相结合使其抗氧化、清除自由基的能力显著提高，可以使AD病情发展减缓。

3.4 姜黄素在食品领域的应用

姜黄素在食品添加剂、功能性食品、饮料等食品工业中被广泛应用。姜黄素作为一种天然的食品添加剂，具有无污染、可降解、抗菌、抗氧化等优点，在食品保鲜领域中，含有姜黄素的微球、脂质体、纳米粒以及胶体等物质，可以通过缓释延长食品保质期。姜黄素在一定条件和浓度下可以诱导细菌发生一系列变化，如Ca2+流入和DNA链的断裂，姜黄素通过诱导细菌细胞膜的生成，影响细菌细胞膜的结构，通过破坏细胞膜起到抗菌作用[27]。另外在光照条件下，可以引起姜黄素的活性氧爆发，破坏细胞的自适应机制和铁的代谢，解除铁硫团簇的生物合成，最终导致细胞死亡[28]。因此姜黄素具有抑菌保鲜、抗氧化的优势，在食品领域具有应用潜力。Hee等[29]制备一种可添加到牛奶中降低脂肪氧化的姜黄素纳米乳液（Cur-Nes），促进姜黄素在油相中的溶解，从而增加抗氧化活性，延缓脂质降解。

4 结语与展望

姜黄素是一种具有多种活性作用的天然多酚类化合物，被广泛应用于食品生物医药等领域，然而，姜黄素在体内的生物利用率较差，在一定程度上限制其研究进程和临床推广。而姜黄素纳米载体制剂的制备在很大程度上改善了姜黄素的生物利用，在细胞水平上增加姜黄素的作用效果，为进一步临床研究和功能性食品的研发奠定基础。但是姜黄素的纳米载体制备还存在一些问题亟待解决，如实际应用技术与研究水平还相差甚远、转化率不高、制备成本高昂、缺乏毒理学验证、大多都只停留在实验室阶段、未应用到工业化生产上等问题。为解决这些问题，一方面需要降低生产成本，简化生产工艺，提高实际转化率；另一方面，对于纳米载体材料的选择上要更趋于绿色、无毒、环保、可获得性。