综述：生物基酚类纳米颗粒的制备方法、机理及应用综述

《Foods》：A Review of Preparation Methods, Mechanisms, and Applications of Bio-Based Phenolic Nanoparticles

　　

随着人们生活质量的提高，与食品健康和营养补充相关的问题引起了广泛关注。多酚已被确认为对人类健康具有多种有益效果的生物活性化合物。然而，由于其化学不稳定性和对环境因素的敏感性，多酚在食品加工过程中受到限制，并且在人体内的吸收率降低。本综述批判性地研究了通过纳米颗粒技术对多酚进行封装，重点强调了制备方法、机理途径和应用性能，特别是在油基体系中的氧化稳定性（oxidative stability）。研究人员全面讨论了纳米颗粒封装对多酚生物可及性（bioaccessibility）的影响，旨在提高其生物可及性并拓宽其在食品、化妆品和制药领域的适用性。这些发现为未来将多酚纳入食品基质提供了重要的参考价值。

2. 多酚纳米载体的基质材料分类
纳米递送系统在解决多酚生物利用度低的问题上展现出显著潜力，这些多酚因水溶性差、化学不稳定和肠道渗透性不足而受限。口服后，纳米颗粒封装的多酚主要通过内吞、被动跨细胞转运和细胞旁路途径被吸收。直径小于500 nm的纳米颗粒不会被巨噬细胞系统清除，从而延长了封装生物活性化合物在体内的循环时间。根据基质材料的来源，传统递送系统可分为生物聚合物基纳米载体和合成聚合物基纳米载体两大类。与合成载体相比，生物基纳米载体具有小尺寸（通常低于100 nm）、高比表面积和良好生物相容性等优势，可促进多酚的高效吸收和控释。生物聚合物载体与多酚之间的分子相互作用决定了其组装行为，每种载体类型具有独特特性，该技术有望增强药物靶向效率并减少副作用，在食品保鲜和营养递送领域也取得了显著进展。

2.1 蛋白质-多酚相互作用
动植物来源的蛋白质是食品中氨基酸和生物功能成分的主要膳食来源，具有调节体重、降压、增强产热和饱腹感以及改善心血管代谢生物标志物等生理作用。蛋白质与多酚不仅作为有益健康的生物活性物质和营养吸收库，其理化相互作用还关键影响食品质量和功能。通过非共价相互作用和共价结合，蛋白质与多酚可形成复合物或颗粒结构。光谱方法（如傅里叶变换红外光谱（FTIR）和荧光光谱）用于检测氢键及多酚诱导的蛋白质构象变化；Zeta电位测量通过监测表面电荷变化提供静电相互作用的证据。多酚的酚羟基（-OH）和儿茶酚基团可作为氢供体或受体，与蛋白质的肽羰基（-C=O）和氨基侧链（-NH₂、-COOH）形成氢键。共价结合可通过氧化偶联和酶促交联等机制发生。这些颗粒可作为功能性成分改善食品功能并传递多酚的健康益处。例如，基于玉米蛋白/明胶-原花青素-氧化锌纳米颗粒的复合纳米纤维膜可延长甜樱桃的货架期。蛋白质与多酚的相互作用取决于两者的具体类型，可导向疏水或亲水结合。玉米醇溶蛋白等蛋白质对疏水分子有强亲和力，可用于制备纳米颗粒以递送疏水物质。蛋白质载体可在胃肠道转运前保护多酚，这一现象在茶儿茶素与动物和植物蛋白的结合中已被证实。某些蛋白质-多酚颗粒通过将中等极性多酚物质吸附到等电点附近的蛋白质上形成，主要依靠非共价键结合，且在消化后处理中可逆。一项临床研究指出，当多酚以富含蛋白质的豆类或乳制品饮料形式而非胶囊形式摄入时，其生物利用度或酚类代谢物排泄量无显著差异。目前，已从多种蛋白质源和酚类化合物制备出多种蛋白质-多酚复合物，显示出广泛的功能增强。代表性体系包括：豌豆蛋白-姜黄素（共价糖基化）、大豆蛋白-儿茶素（共价结合）、大豆蛋白纤维-表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）/姜黄素（非共价静电/疏水组装）、植物蛋白-苹果多酚以及血清白蛋白-儿茶素（非共价结合）。例如，豌豆蛋白分离物可与姜黄素形成共价复合物，改善乳化和控释性能；大豆蛋白分离物与儿茶素共价结合增强其生物利用度；大豆蛋白纤维与多酚（包括姜黄素和EGCG）的非共价相互作用可提高紫外线稳定性；植物蛋白和血清白蛋白分别通过非共价力与苹果多酚和儿茶素有效结合。定量性能方面，富含脯氨酸残基的酪蛋白酸钠纳米颗粒可将槲皮素的水溶性提高3034倍，并将咖啡酸的生物可及性显著提升至57.13%。乳清蛋白分离物也是亲脂性多酚的有效载体，报告的功能结果主要反映了生物可及性的增强。

2.2 多糖-多酚相互作用
多酚水溶性低、化学稳定性差，限制了其体内功效。通过多糖基封装提高多酚水溶性和稳定性已成为研究热点。多糖链引入多酚-多糖复合物可增加羟基亲水性，从而提高整体溶解度。槲皮素、白藜芦醇、阿魏酸等多种多酚化合物因多糖物质的引入，其水溶性和稳定性显著改善。多酚与多糖主要通过共价和非共价相互作用结合，非共价结合力包括氢键、离子相互作用和疏水相互作用。多糖上的羟基（-OH）、羧基（-COOH）和氨基（-NH₂）为与多酚酚羟基的氢键和静电相互作用提供了多个位点。例如，壳聚糖的氨基在酸性条件下可质子化为-NH₃⁺，从而与多酚的负电性酚盐基团发生静电吸引。共价结合力主要包括氧化键合和自由基接枝，可自发发生或由酶、酸、碱、金属离子催化，也可由自由基诱导形成聚合物结构。证据表明，多酚与多糖的相互作用主要涉及官能团修饰，导致结构改变，从而增强多酚的稳定性、生物活性和生物利用度，并扩大其在生物医学、功能食品和化学工程领域的应用。与单体组分相比，多酚-多糖聚集体表现出显著增强的抗氧化、抗菌和流变性能。例如，壳聚糖-亚硫酸盐共聚物通过标准自由基淬灭实验和电子顺磁共振光谱验证，显著提高了对活性氧的清除能力。此类多糖-多酚聚合物可作为水凝胶添加剂用于伤口愈合，其中多酚-壳聚糖复合物具有更高的溶解度、抗氧化活性和流变行为，是先进伤口敷料材料的理想候选。此外，利用果胶和壳聚糖构建纳米载体递送蓝莓花青素，通过静电自组装方法制成的纳米载体能有效保护花青素免受氧化反应、热应力和紫外线照射引起的降解。经这些纳米载体处理的秀丽隐杆线虫表现出寿命延长、繁殖能力增强、运动活性提高和脂褐素积累减少，进一步证实壳聚糖-果胶纳米颗粒可作为递送载体改善花青素的稳定性和生物利用度。多糖与多酚结合可减弱多酚在小肠中的降解，增加其在结肠中的代谢物水平，从而提高多酚的生物利用度。多糖封装可有效屏蔽多酚免受不利环境因素影响，例如，阿拉伯胶纳米颗粒封装姜黄素在高盐食品体系中稳定性良好，在高浓度氯化钠条件下姜黄素含量仍保持在80%以上，证实了阿拉伯胶纳米颗粒可提高姜黄素在高盐食品基质中的利用效率。

2.3 脂质-多酚相互作用
多酚化合物因在水性和亲脂性介质中溶解度差以及庞大的多环结构，导致其生物利用度低且应用受限。这些内在理化性质阻碍了其通过非主动或被动扩散途径的吸收。为解决这些限制，已提出多种策略，包括乳液、脂质体和纳米颗粒。其中，磷脂复合物作为有前景的治疗剂受到关注。磷脂是兼具疏水性和亲水性结构域的两亲分子，其独特的界面特性和良好的生物相容性使其成为药物辅料或递送载体的理想选择。磷脂对多酚具有天然亲和力，可形成非共价复合物，从而增强多酚的溶解度和生物利用度。例如，通过乙醇蒸发法合成短链烷基没食子酸酯-磷脂复合物，可延长短链烷基没食子酸酯的全身滞留时间。磷脂复合物还可通过抑制葡萄糖醛酸化并提高水溶性来改善白藜芦醇的生物利用度。在定量递送性能方面，脂质基纳米载体也广泛用于多酚递送。例如，一项研究报道，封装在固体脂质纳米颗粒中的槲皮素口服生物利用度显著高于游离槲皮素，但该结果来自啮齿动物模型，需要进一步验证对人类受试者的定量外推，因为胃肠道生理学和代谢酶谱的种间差异可能影响实际吸收效率。此外，Zhou等人的研究表明，乳剂体系中亲脂性多酚（姜黄素、白藜芦醇和槲皮素）的胃肠道稳定性高度依赖于其油-水分配行为，油相保留率越高，生物可及性越好。总体而言，尽管许多研究报道纳米载体可增强多酚的生物利用度，但大多数发现来自体外消化模型或动物研究，因此将这些定量结果外推到人类应用时应谨慎，需要进一步开展临床研究。

3. 多酚纳米颗粒的形成机制及影响因素
3.1 多酚纳米颗粒的制备
基于蛋白质、脂质和多糖的纳米递送系统已被开发用于生物活性化合物的靶向递送，旨在提高水溶性、化学稳定性、生物活性和胃肠道吸收。已采用多种制备技术，包括磷酸化、超声技术、高压均质、反溶剂沉淀和pH驱动法。这些技术可分为两大类纳米结构制备方法。自上而下法利用精确工具或设备通过外部破坏性机械力将结构材料尺寸减小至纳米级，常见方法包括热分解、超声和均质。例如，高压均质用于制备大豆蛋白分离物-白藜芦醇纳米颗粒。相反，自下而上法涉及分子自组织/自组装，通过纳米级沉降形成纳米颗粒，代表性例子包括：玉米蛋白/虫胶/琼脂基质中槲皮素的反溶剂沉淀、玉米蛋白/虫胶/植酸复合物中姜黄素的pH驱动组装、玉米蛋白/多糖载体中花青素的静电沉积结合反溶剂沉淀、藜麦蛋白中阿魏酸的反溶剂沉淀。此外，磷酸化结合超声用于制备葵花籽蛋白-槲皮素纳米颗粒，冷等离子体处理玉米蛋白封装姜黄素，与未处理的玉米蛋白纳米颗粒（包封效率52.83%）相比，冷等离子体处理（85 W，2 min）的玉米蛋白纳米颗粒包封效率显著提高至76.31%，相对提升约44.4%，同时粒径更小（100.03 nm vs. 145.33 nm）、Zeta电位更高（41.07 mV vs. 28.94 mV），表明胶体稳定性增强。超声处理也应用于大豆蛋白分离物，用于共递送儿茶素和姜黄素。这些制备策略广泛分为自上而下和自下而上方法，无论采用何种方法，都需要严格控制化合物比例、浓度、温度和pH以获得最佳颗粒形成。

3.2 影响多酚纳米颗粒稳定性的因素
多酚在胃肠道条件下稳定性差，分子结构完整性难以保持，限制其实际应用并损害生物功能。纳米封装可能成为保护多酚免受不利环境因素的有效策略，确保其稳定性并促进该技术的广泛应用。然而，多酚纳米颗粒的形成和稳定性受多种因素影响。

3.2.1 多酚纳米颗粒制备过程中的影响因素
制备多酚纳米颗粒涉及多个关键参数，影响制备过程的效率和有效性以及所得纳米颗粒的稳定性。粒径包括尺寸规模和比表面积两个方面。较小颗粒具有更大比表面积，可提高溶解度和分散稳定性，从而促进更快吸收并最终改善生物利用度，但较小颗粒表面能更高，更易聚集，可能损害结构稳定性，且非常小的颗粒易被快速清除，缩短全身滞留时间。包封效率方面，高包封效率不仅是制备性能的关键指标，还直接影响最终产品的储存稳定性，未封装的多酚在暴露于光和氧时更易降解，而有效封装提供物理屏障，延缓外部因素的有害影响。在多酚纳米颗粒中，载体材料充当多酚的保护屏障，阻碍光、氧、水分子等外部因素渗透，延缓氧化降解，提高整体稳定性。

3.2.2 基质材料性质对多酚纳米颗粒的影响
基质材料的理化性质关键决定多酚纳米载体的稳定性和性能。蛋白质、多糖和脂质等生物聚合物基质在包封能力、结合亲和力和控释行为方面各有优势，但每种基质也存在固有局限性：蛋白质对pH和热应力敏感，在某些加工条件下可能变性并丧失功能；多糖虽具有pH响应性粘附，但对高度疏水性多酚的包封能力有限；脂质尽管具有优异的生物利用度增强特性，但长期储存中易发生氧化降解。此外，多糖可作为益生元，在肠道菌群发酵过程中与多酚协同产生短链脂肪酸代谢物，这是蛋白质或脂质载体不具备的优势。为克服单一组分系统的局限性，通过美拉德反应、酶催化或碱处理开发蛋白质-多糖复合物，可改善乳化性能、热稳定性和抗氧化活性。在治疗方面，脂质基纳米载体除增强生物利用度外，还能通过促进葡萄糖摄取和减少氧化应激改善糖尿病治疗。总之，基质材料的选择应依据具体应用需求，复合系统通常提供协同优势，克服单一组分载体的固有局限。

3.2.3 食品加工和环境条件对多酚纳米载体稳定性的影响
在食品加工应用中，多酚纳米载体暴露于储存时间、温度变化和离子强度等多种环境应力。需区分两种相关的胶体系统：多酚纳米颗粒（固体或半固体颗粒载体，10-1000 nm）和多酚纳米乳液（亚微米液滴悬浮于不混溶连续相），尽管结构组成不同，但加工和储存中的稳定性受共同环境参数控制。多酚纳米载体在食品加工和储存中的稳定性受三个主要环境参数影响：储存时间、热处理和离子强度。对于纳米乳液系统，液滴尺寸因絮凝和聚结随时间增加，而蛋白质-多糖复合物制备的固体纳米颗粒因界面和空间稳定性增强而表现出更优异的稳定性。多酚的掺入可改善热稳定性，如亚麻籽多酚在纳米乳液中以及儿茶素-米糠蛋白复合物减少液滴聚集并提高耐热性。离子强度通过削弱静电相互作用促进颗粒聚集，可通过超声处理或pH调节组装形成更紧密的超分子结构来缓解。pH响应性稳定性和控释机制详见第4.3.1节。上述因素——包括多酚固有性质、基质材料性质、加工和储存条件以及温度、pH和离子强度等环境参数——被系统总结，理解这些影响因素对于有效保护生物活性化合物和改善食品应用中的风味特性至关重要。

4. 多酚纳米颗粒的形成、保护及缓释机制
纳米封装技术通过稳定化合物、促进其完整形式吸收利用并增强生物利用度，其功能功效源于三步顺序过程：首先，动态自组装通过非共价相互作用形成稳定纳米载体；其次，基质提供抗氧化、抗pH极端和感官缺陷的多维保护；第三，刺激响应结构通过pH或温度触发实现靶点控释。这些系统的分子相互作用、环境响应性（pH和温度）及保护机制被系统总结。

4.1 多酚纳米颗粒分子间的形成机制及相互作用
多酚化合物作为天然生物活性分子，不仅具有抗氧化和抗炎等治疗功能，还通过丰富的酚羟基和儿茶酚基团表现出强大的非共价组装能力。这些化合物可通过弱分子间相互作用（如氢键、疏水相互作用和金属-配体配位）自组装成pH/酶/氧化还原响应型智能纳米载体。多酚自组装系统具有三大优势：动态可逆性，可通过pH、酶或氧化还原反应机制实现药物的时空控制释放；功能集成性，系统可同时作为治疗剂和递送载体；优异生物相容性。这些协同特性为开发高效安全药物递送平台建立了新范式。多酚自组装指分子通过非共价相互作用自发组织成有序结构，可发生在多酚及其衍生物之间，也可发生在多酚与其他分子（包括金属、蛋白质和核酸）之间。多酚间的自组装主要依赖氢键。在天然多酚复合物中，鞣花酸（EA）、没食子酸（GA）和儿茶素（C）的三元体系通过内在分子结构实现层级组装，其中EA和GA通过π-π堆积和氢键形成二维结构，C通过三维氢键网络和疏水相互作用促进最终“核-壳”层状构型组装。除多酚间自组装外，多酚还可通过氢键和疏水相互作用与蛋白质相互作用，也可与修饰蛋白质相互作用。例如，合成改性丁基糖苷醚（BGE）侧链生成水溶性改性丝素蛋白-丁基糖苷醚（SF-BGE），单宁酸（TA）的酚羟基与SF-BGE形成多重氢键相互作用，同时氧化锌纳米颗粒与TA的儿茶酚基团配位形成具有多重交联网络的纳米复合物。多酚与聚合物（如聚乙二醇（PEG）和聚乙烯吡咯烷酮）的相互作用主要通过氢键发生，这些聚合物通常与多酚的酚羟基和没食子酰基团相互作用。TA的没食子酰基和儿茶酚基团在水溶液中与PEG的羟基通过氢键形成pH依赖性纳米颗粒，当pH从6.6升高至8.3时，纳米颗粒数量减少，可能归因于pH变化过程中TA酚羟基的去质子化。

4.2 纳米颗粒对多酚的保护机制
多酚纳米颗粒可为多酚赋予多维环境应力抗性，有效隔离外部应力，从而在产品货架期内维持化学稳定性和生物活性。抗氧化保护方面，生物纳米颗粒通过显著降低氧、自由基和催化活性金属离子向核心区域的渗透，发挥物理分离作用，有效抑制氧化降解。pH稳定性方面，生物纳米颗粒为封装的多酚提供相对独立的微环境，缓冲外部食品基质中的极端pH值，物理隔离有效防止核心物质在酸性饮料或中性/碱性食品系统中因pH剧烈波动而发生水解、电离状态改变或沉淀。纳米封装可有效屏蔽生物活性多酚免受不利环境反应，保护不稳定多酚免受氧化及其他化学降解，掩蔽不良味道和气味，减少挥发，改变理化性质，改变壁材释放曲线延长持续时间，克服溶解度限制，实现控释，最终提高生物利用度。此外，某些纳米颗粒具有内在抗氧化特性，例如绿茶提取物富含多酚但可诱发皮肤刺激反应，而用壳聚糖封装后，所得纳米颗粒通过增强多酚保留和清除活性氧表现出保护性抗氧化活性。

4.3 纳米颗粒对多酚的缓释机制
4.3.1 pH响应
食品加工、储存和胃肠道消化过程中通常存在明显的pH梯度，因此pH响应性释放策略被广泛采用。该方法将生物活性化合物与pH敏感载体整合以实现控释。该技术在食品科学中的应用有助于延长货架期、改善感官质量并提高食品安全和公共卫生。例如，在食品保鲜中，含有丁香酚负载纳米颗粒的明胶薄膜表现出酸响应释放特性，有效延长食品货架期而不影响质量。在pH响应药物递送系统中，活性物质的释放由物理传质过程、化学触发和生物激活机制控制。物理过程主导的释放机制分为三类：扩散诱导释放，活性剂通过聚合物微孔或大孔结构扩散并从薄膜表面输送到食品基质，某些疏水组分的初始释放主要由扩散介导机制控制；溶胀诱导释放，聚合物置于相容液体介质中，液体渗入聚合物基质引起膨胀，在溶胀状态下活性剂扩散系数增大，从而加速释放速率，此类释放常见于水分敏感包装材料，如蛋白质和多糖基薄膜；分解诱导释放，主要由聚合物基质理化性质变化引起的降解、裂解或变形导致。化学触发和生物激活释放分为三类：离子化基团的质子化调节静电相互作用，导致聚电解质溶胀或收缩，从而加速或减缓释放速率，羧基（-COOH）在酸性条件下质子化促进收缩，碱性条件下去质子化形成亲水性-COO^-基团导致溶胀并释放，而氨基（-NH₂）在酸性条件下质子化为-NH₃⁺促进释放，较高pH值下去质子化导致收缩和扩散受限；pH依赖性抗氧化激活释放，许多强效酚类抗氧化剂（如阿魏酸和槲皮素）的自由基清除活性具有pH依赖性，受酚羟基酸解离常数（pKa）控制，在酸性溶液中分子形式占主导，而在碱性介质（pH > pKa）中阴离子形式是主要物种；自由基诱导降解作为释放触发机制，包装系统设计用于检测和抵消食品腐败过程中产生的自由基，当包装系统暴露于氧化促进条件（如光、温度和金属离子）时，食品中引发自由基链式反应，生成脂质过氧化自由基（LOO·），这些LOO·自由基作为关键链载体，通过夺取脂质中的氢传播循环，形成脂质过氧化氢（LOOH），随后分解为挥发性气味物质和更多自由基，在酸性至中性条件下，羟基自由基（·OH）的形成速率通常高于碱性条件，较高pH值下过氧化氢（H₂O₂）更易分解，从而减少其用于活性氧生成的可用性，且较高pH值下整体反应动力学受阻。

4.3.2 温度响应
通过温度控制释放内容物的多酚纳米颗粒称为热敏性聚合物纳米颗粒。这些纳米系统由两亲共聚物组成，其中疏水核心作为多酚化合物的储库，亲水壳提供胶体稳定性。其温度敏感性使其在温和升温时发生构象或相变，从而在靶点释放封装物。考虑热敏性聚合物纳米颗粒时，需定义两个基本参数：低临界溶解温度（LCST）和高临界溶解温度（UCST）。LCST定义为聚合物可溶的温度下限，高于该温度聚合物变得不溶；UCST定义为聚合物可溶的温度上限，高于该温度相分离发生。这些临界温度对热敏性聚合物纳米颗粒的设计和应用至关重要，因为其控制聚合物溶解性转变的条件，从而调节结构行为。当环境温度超过LCST时，热敏性壳在核心周围塌陷，从而触发封装多酚的释放。

5. 多酚纳米颗粒的应用
生物基多酚纳米颗粒在食品、化妆品和医药系统中展现出广泛的应用潜力。

5.1 在食品中的应用
食用油脂，特别是富含不饱和脂肪酸的油脂，在加工和储存过程中极易氧化变质。该自氧化过程由金属催化的自由基生成启动，随后不饱和脂肪酸与分子氧反应形成氢过氧化物的链式反应，这些初级氧化产物分解为次级挥发性化合物（包括醛、酮和短链酸）直接导致过氧化值（PV）、茴香胺值（p-AnV）和酸价（AV）升高以及异味产生。同时，油脂可能因酸、碱和高温发生水解，生成游离脂肪酸（FFA），过量FFA会损害油脂品质，表现为不良气味和口感。氧化和水解途径并非独立，而是在加工和储存中协同加速油脂劣变。添加抗氧化剂清除自由基是防止油脂氧化的有效策略。目前，食用油行业主要依赖合成抗氧化剂，但积累的证据对其潜在肝毒性和内分泌干扰效应提出担忧。为降低合成抗氧化剂风险，监管机构（如美国FDA和欧洲食品安全局）对其使用范围和最大允许限量实施严格限制。过去几十年，天然抗氧化剂因其高安全性和强抗氧化能力而受到日益关注。多酚是优良的天然抗氧化剂，具有强自由基清除活性，并提供心血管保护、免疫增强、抗衰老和抗癌等额外健康益处。然而，游离多酚在油脂系统中的直接应用面临重大实际障碍，包括亲水性限制其在亲脂性基质中的溶解度以及加工过程中易受热降解。在食品加工中，利用脂质基或生物聚合物基天然颗粒的纳米封装技术可保护易变质的生物活性化合物（如多酚）免受氧化、光照和pH波动等环境因素诱导的降解，并设计在特定环境或生理刺激下释放负载物，从而增强封装多酚的生物利用度和功效。在食品系统中，特别是富含不饱和脂肪酸的油脂中，多酚纳米颗粒通过三种主要机制发挥作用：自由基清除以中断自氧化链式反应；纳米颗粒基质提供的物理屏障效应延缓多酚降解；在酸性或高温条件下控释以维持加工和储存期间的抗氧化活性。这些机制共同有助于降低过氧化值、茴香胺值和酸价，从而延长货架期。尽管这些机制前景广阔，但仍有几个关键挑战未解决：