《Sustainable Food Technology》：Novel delivery systems to enhance the stability of docosahexaenoic acid for food fortificationOpen Access
二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid, DHA）是一种ω-3脂肪酸，主要存在于多脂鱼类和海洋微藻中，对认知功能和视觉敏锐度至关重要。脂质氧化导致的鱼腥异味、低氧化稳定性及低生物利用度限制了DHA在食品强化中的应用。要拓展其在食品领域的适用性，必须深入理解影响氧化稳定性的因素及其增强机制。近年来，研究者采用多种技术对DHA进行包封，包括喷雾干燥、冷冻干燥、纳米喷雾干燥、乳液凝胶、纳米乳液、纳米脂质体和纳米纤维。DHA稳定性的提升使其能够被掺入包括婴儿配方奶粉和乳制品在内的多种强化食品中，为消费者提供了一种便捷的途径来增加DHA摄入并改善整体健康。本综述探讨了克服DHA稳定性挑战的策略，如其较差的水溶性和快速氧化问题，为研究人员提供关于DHA强化潜力的研究见解，从而提高其生物利用度并实现可控释放。
一、引言
ω-3脂肪酸如二十二碳六烯酸（Docosahexaenoic acid, DHA）和二十碳五烯酸（Eicosapentaenoic acid, EPA）是公认具有心血管保护和认知增强等健康功效的必需营养素。这些必需脂肪酸主要存在于鲑鱼、鲭鱼和沙丁鱼等多脂鱼类中，也存在于微藻（特别是裂殖壶菌Schizochytrium limacinum）、核桃和亚麻籽中。DHA在产前和产后早期的大脑发育及视觉敏锐度中发挥重要作用。研究表明，DHA在减轻炎症方面发挥重要作用，并可能对阿尔茨海默病和抑郁症等疾病有益。世界卫生组织（WHO）和美国食品药品监督管理局（FDA）等健康组织强烈推荐摄入富含多不饱和脂肪酸（PUFA）的食物，以降低精神疾病、类风湿性关节炎和肥胖的风险。
尽管DHA具有诸多健康益处，但其在膳食配方中的应用受到水溶性差、生物利用度低和易氧化等限制。为解决这些问题，研究人员探索了多种包封方法来减少DHA的氧化劣变，从而提高其稳定性。包封是将固体、液体或气体生物活性分子包裹在惰性基质中的过程，可提高其稳定性并实现在生理活性位点的控制释放。包封技术在医药和食品工业中被广泛用于掩蔽不良味道或气味。包封过程产生的均质颗粒有助于提高DHA的稳定性和包封效率。包封能够实现被包裹物质的可控释放，保护其免受不良化学反应的影响。微囊化技术产生微米级颗粒，而纳米包封技术产生的颗粒尺寸在20至200纳米之间。喷雾干燥、冷冻干燥、纳米喷雾干燥、乳液凝胶、纳米乳液、纳米脂质体和纳米纤维等递送系统已被用于包封和递送DHA等生物活性化合物。
选择合适的包封方法能显著提高DHA的稳定性、消化性和生物利用度。包括超声处理、微流化和高压均质在内的多种包封方法可产生均质稳定的颗粒并延长货架期。乳化剂通过在配方中形成界面层在维持稳定性方面发挥关键作用。对于微乳液和纳米乳液等递送系统，水相和油相之间的界面张力应保持较低以维持其稳定性。纳米包封保护DHA免受酸性胃酶的影响，并促进其向肠道和大脑的靶向递送。因此，有效的递送技术和具有良好包封性能的乳化剂可产生高度稳定的DHA液滴，并提高体内吸收率。
尽管DHA具有众多健康益处，但其在食品中的应用因水溶性低、对氧化高度敏感以及在高温下产生脂质过氧化物和醛类导致鱼腥异味而受到限制。这些挑战对食品质量和消费者接受度产生不利影响。尽管大量研究集中于从不同来源鉴定和提取DHA，但缺乏有效的商业化DHA强化食品技术。本综述通过讨论各种可增强DHA氧化稳定性的包封技术来弥补这一空白，从而在食品强化过程中保持其功效。
二、DHA包封技术
由于DHA在加工和储存过程中极易氧化，已采用各种微米和纳米包封技术将DHA包埋在载体中，以保护并提高其氧化稳定性和生物利用度。包封方法的选择取决于生物活性物质的理化属性、预期释放特性以及壁材和乳化剂的特性。
2.1 微囊化技术
2.1.1 喷雾干燥
喷雾干燥是将含有目标生物活性化合物和壁材的乳液或溶液进行雾化的过程。壁材首先在水中水化，然后通过高剪切力与生物活性化合物混合形成稳定乳液，该乳液随后可进行喷雾干燥。喷雾干燥的粉末颗粒相对较小且具有多个孔隙。研究表明，使用脱脂奶粉和吐温80（Tween 80）作为壁材包封核桃油并进行喷雾干燥，其包封效率高于使用脱脂奶粉和麦芽糊精制备的粉末。另一项研究中，使用蜡质玉米淀粉作为壁材，通过喷雾干燥技术包封DHA（含量≥40%）。研究发现，在8.63 m s-1剪切速度、1.75 × 108 Pa均质压力、6次均质循环和170 °C入口温度条件下，可产生光滑、球形、无孔隙或裂纹的微粒。喷雾干燥是一种简单、成本效益高的工艺，适合大规模生产。然而，该技术的缺点是在干燥过程中使用高温，可能导致热敏性生物活性化合物降解。
2.1.2 冷冻干燥
冷冻干燥（冻干）是一种利用低温保护敏感生物活性化合物免受高温影响的干燥过程。冷冻干燥涉及三个主要过程：冷冻、升华和解吸。近期研究中，使用浓缩乳清蛋白和改性淀粉作为壁材，通过冷冻干燥包封奇亚籽油。浓缩乳清蛋白与改性淀粉以25:75比例组合时，产生了表面光滑、无孔的微胶囊，并具有增强的氧化稳定性。这些微胶囊还显示出较高的α-亚麻酸保留率（59.54%），包封效率达97%。冷冻干燥相比喷雾干燥为热敏性生物活性化合物提供更好的保护，但其应用受限于较长的处理时间和较低的规模化能力。
2.1.3 复合凝聚
复合凝聚技术产生的微胶囊粒径比喷雾冷却、挤出技术和流化床包衣方法更小，范围约为1至1000微米。凝聚体通过两种带相反电荷的生物聚合物的相分离形成，随后沉积在溶液中形成液体微胶囊。获得的液体微胶囊可进一步通过喷雾干燥或冷冻干燥技术进行干燥。复合凝聚技术产生更小的微胶囊并具有改善的氧化稳定性。与喷雾干燥不同，复合凝聚过程不依赖干燥过程来减小粒径，因为干燥过程仅去除水分。使用菊粉和大豆分离蛋白通过复合凝聚技术包封鱼油，包封效率达94%，总产率为61%。复合凝聚技术适用于热敏性生物活性化合物的包封，并提供抗氧化保护。然而，颗粒的稳定性可能受pH、离子强度和温度等环境条件的影响。
2.1.4 流化床包衣
该技术最初主要为制药工业开发。它可以通过将碳水化合物、蛋白质和聚合物等包衣物质喷涂到固体颗粒（粉末颗粒或微胶囊）的外层来实现。食品工业利用该技术生产功能性食品。为生产包衣颗粒，将壁材喷涂在流化床粉末上。该过程的第一步是使待包衣颗粒在气流中像流体一样流动。然后，通过雾化器喷嘴将壁材喷涂到颗粒表面。最后，壁材与加热空气接触，溶剂蒸发并粘附在颗粒表面。生产包衣颗粒时应考虑温度、喷雾压力、包衣进料速率和湿度等参数。流化床包衣技术产生的颗粒具有均匀的包衣厚度，并促进包封颗粒的控制释放。然而，与喷雾干燥技术相比，其处理时间较长，且可能导致颗粒团聚。
2.1.5 超临界流体技术
超临界流体技术是一种环境友好且节能的方法，使用无害的超临界流体（例如超临界二氧化碳气体）包封生物活性化合物。溶剂以经济可行的方式使用，但对高压和精密机械的要求仍是该技术广泛应用的障碍。超临界流体是在给定临界点以上具有液体性质（高密度和更好的溶解性）和气体特性（低粘度和更高的传质）的气体。二氧化碳、氮气、水和丙烷是能够在临界温度和压力下达到超临界状态的物质示例。近期研究中，通过超临界流体萃取技术提取富含ω-3多不饱和脂肪酸的鱼油，并使用聚己内酯作为包衣聚合物、丙酮作为有机溶剂进行包封，产生了6至73纳米之间的均质颗粒，包封效率约为40%。
2.1.6 挤出-滴落技术
在挤出-滴落技术中，生物活性化合物与壁材混合并通过喷嘴形成液滴。液滴在交联剂存在下迅速转变为固体颗粒。壁材或聚合物溶液的粘度、喷嘴直径、交联剂类型和凝胶化时间等因素影响所产生颗粒的整体稳定性。尽管这些技术已被广泛用于包封各种亲脂性和疏脂性化合物，但专门针对DHA包封的研究仍然稀缺，因为其产生较大颗粒，限制了可扩展性。
2.2 纳米包封技术
2.2.1 纳米乳液
纳米乳液是不混溶液体的分散体系，可以是水包油型或油包水型，液滴尺寸范围为10至1000纳米。乳液透明或浑浊的外观归因于较小的液滴尺寸，而较大的液滴或粗乳液可能呈现乳白色。纳米乳液在结构方面和热力学稳定性上与微乳液不同。纳米乳液使用高能方法配制，如高压均质和超声处理，这些方法产生强烈的机械力以破碎和减小液滴尺寸。纳米乳液用于食品和饮料强化以及补充制剂中，以保护亲脂性生物活性营养素。根据浊度不同，它们可以添加到果汁和水中。在饮料中加入纳米乳液可通过防止液滴聚集和重力分离来提高稳定性，同时增加生物利用度。
包封DHA可保护其免于降解，并有助于在乳制品和液体饮料中稳定DHA。通过相转化法制备的包封DHA和EPA的纳米乳液被掺入苹果汁中。表面活性剂、水相和油相的组成等因素显著影响粒径。研究发现，在低温储存下纳米乳液稳定，而在较高温度下不稳定。天然抗氧化剂丁子香酚被用于纳米乳液中以保护亚麻籽油免受氧化降解。纳米乳液的小液滴尺寸可防止乳析，并增强生物活性化合物的生物利用度和肠道吸收。然而，其生产需要高能设备，且在储存过程中易发生奥斯特瓦尔德熟化。
2.2.2 纳米脂质体
纳米脂质体是指直径小于200纳米的连续双层结构脂质体。这些纳米脂质体具有更高的生物利用度、优异的物理稳定性和更好的光学透明度。磷脂酰胆碱是天然磷脂中的常见成分。薄膜法广泛用于脂质体制备。该过程涉及蒸发主要由磷脂和其他疏水性化合物组成的溶剂溶液。其他制备方法包括机械分散和溶剂耗竭技术。研究表明，超声处理产生更小、更稳定的纳米脂质体，增强了虾油保留并掩蔽了其不良风味。在类似研究中，纳米脂质体包封用于防止鱼油的氧化不稳定性，同时保留了较高量的DHA和EPA。对脂质体和乳液在包封、消化和吸收方面的比较研究表明，脂质体形式的小鼠血清DHA和EPA水平显著高于乳液形式。与纳米乳液类似，该技术增强了包封颗粒的生物利用度。然而，其较高的生产成本可能限制其可扩展性。
2.2.3 乳液凝胶
乳液凝胶是乳液液滴被固定在三维凝胶网络中的半固体体系。乳液凝胶具有类似固体的力学性质和类似凝胶的网络结构。乳液凝胶主要用于食品工业中作为亲脂性包封方法以及脂肪替代品。与乳液不同，乳液凝胶有助于防止相分离、奥斯特瓦尔德熟化和聚结。因此，将乳液转化为凝胶可提高包括DHA在内的包封生物活性化合物的稳定性。较高的稳定性归因于其三维聚合物网络，该网络通过交联来截留乳液液滴。乳液凝胶分为两种类型：乳液填充凝胶（交联聚合物网络）和乳液颗粒凝胶（聚集的乳化液滴）。乳液凝胶具有更高的热力学稳定性和粘弹性。
乳液凝胶是包封ω-3脂肪酸、多酚和维生素的安全介质，也可用作食品工业中的脂肪替代品。一项研究中，使用黄原胶开发了DHA纳米乳液凝胶。为此，首先制备DHA纳米乳液，然后将其加入黄原胶凝胶基质中形成纳米乳液凝胶。在该研究中，DHA在120天内保持稳定，具有较高的DHA保留率。研究表明，随着黄原胶浓度的增加，乳液粘度增加，其性质从牛顿流体行为变为非牛顿（凝胶样）行为。另一项研究使用壳聚糖作为乳化剂包封ω-3多不饱和脂肪酸，壳聚糖的掺入增加了乳液粘度，导致类似于假塑性流体的行为。胶凝剂使乳液凝胶更粘稠的潜力可通过降低颗粒迁移率来增强其稳定性，从而防止相分离。
2.2.4 离子凝胶化
离子凝胶化方法通过不同电荷分子之间的静电相互作用产生纳米颗粒，涉及至少一种聚合物在机械搅拌下。离子凝胶化有两种类型：内部凝胶化和外部凝胶化。在外部凝胶化方法中，乳液首先分散钙盐，有助于保持凝胶的稳定性。在内部凝胶化方法中，阳离子与离子聚合物相互作用形成强交联结构。离子凝胶化过程适用于包封精油和生物活性化合物。此外，该技术因使用较低温度而保护敏感化合物免受损伤。然而，pH和温度等因素影响包封颗粒的稳定性。离子凝胶化方法用于使用壳聚糖-海藻酸钠纳米颗粒共包封DHA和阿莫西林（一种抗生素）。研究发现，所配制的纳米颗粒对胃溃疡具有抗菌活性和愈合特性。
2.2.5 固体脂质纳米颗粒
固体脂质纳米颗粒（SLNs）由覆盖固体脂质核心的乳化剂层组成，脂质核心来自甘油三酯和脂肪酸。固体脂质纳米颗粒的合成技术包括分散、乳化、均质和沉淀。根据目标生物活性化合物的理化特性选择合适的方法。生产SLNs最常用的方法是热均质和冷均质技术。对于DHA等热敏性化合物的包封，冷均质更为合适。SLNs具有较高的物理稳定性，并提供良好的抗氧化保护。一项研究使用三硬脂精和鱼油开发了纳米脂质载体（NLCs），发现纳米结构晶体行为的改变保护了ω-3脂肪酸，并由于脂质纳米颗粒周围脂质层的立即固化而减少了氧化。另一项研究使用硬脂精和大豆卵磷脂制备了掺入富含DHA和EPA的南极磷虾油的NLCs，将NLCs添加到饮料中，在pH 3.4条件下维持并储存十天，发现添加包封DHA的饮料在4 °C下保持稳定。
2.2.6 静电纺丝
静电纺丝是一种电流体动力学过程，可产生具有小纤维间孔径、高透气性和大表面积等特性的纳米纤维。蛋白质（乳清蛋白、酪蛋白和大豆分离蛋白）和多糖（壳聚糖、纤维素、海藻酸盐和普鲁兰多糖）是用于生产纳米纤维的常见壁材。DHA、EPA和多酚等生物活性化合物因其在预防疾病和改善健康方面的需求不断增加而被广泛研究用于功能性食品和营养保健品。注射泵、收集板和高电压电源是静电纺丝系统的典型组件。此外，与喷雾干燥等传统包封技术相比，静电纺丝为热不稳定生物活性化合物的包封提供了独特优势，因为该过程在室温下进行。此外，在最佳条件下，电纺纳米纤维可以改善食品基质相容性、降低突释并提高截留效率。
鱼油在约500纳米的电纺玉米醇溶蛋白纤维中的氧化稳定性在储存14天后得到提高。一项研究使用同轴静电纺丝将鱼油包封在电纺玉米醇溶蛋白纤维中，包封效率达94%。鱼源抗氧化肽已通过静电纺丝包封在壳聚糖/聚乙烯醇（PVA）纤维中。负载抗氧化肽的电纺纤维（156-196纳米）显示出一致的无珠结构。静电纺丝的缺点是产量低，阻碍了其广泛应用。其优点包括使用简便、优异的力学性能、亲水性化学品和优异的包封效率。
2.2.7 电喷雾
电喷雾，也称为电流体动力学雾化过程，产生小而均匀的液滴。尽管静电纺丝和电喷雾过程的实验装置相同，但最终产物取决于聚合物溶液的粘度。较高粘度的聚合物溶液产生纳米纤维，而较低粘度的溶液产生纳米颗粒。一项研究使用高粱醇溶蛋白分离物在不同电压和流速下包封鱼油（20 wt%），产生的纳米胶囊具有较高的包封效率（94%）。加压气体辅助电喷雾（EAPG）是一种新技术，已成功用于在玉米醇溶蛋白胶囊中稳定DHA。通过电喷雾过程使用玉米醇溶蛋白胶囊包封DHA，在较高相对湿度下具有增强的化学稳定性，且异味明显减少。
2.2.8 纳米喷雾干燥
该方法与传统干燥过程相当类似，涉及从含有壁材的流体中形成纳米液滴，并进一步用加热的干燥气体干燥。流体含量、温度和喷雾速度影响干燥样品的尺寸。传统喷雾干燥器与纳米喷雾干燥器之间的主要区别包括：对进料实施高效雾化机制、有效的粉末回收方法以及干燥室内干燥空气的受控层流。纳米喷雾干燥器产生更细的颗粒，具有更高的包封效率。然而，其生产率低于传统喷雾干燥。此外，一项研究将氯化钠与棕榈油制成的干燥脂质载体结合作为壁材，发现氯化钠防止了纳米结构脂质载体的聚集，且更多脂质分子被包裹在盐颗粒中。水溶性维生素、多酚以及来自ω-3脂肪酸、薄荷油、丁子香酚油和葵花籽油的纳米乳液已成功使用该技术进行包封。
2.2.9 纳米沉淀
纳米沉淀是一种常用的低能量、低成本技术，用于开发聚合物纳米颗粒。它有时被称为溶剂蒸发或界面沉积方法。为递送亲脂性生物活性物质，用于包封的聚合物应首先与生物活性分子一起溶解在有机溶剂中。溶解的组分随后被添加到含有表面活性剂的水溶液中。为防止颗粒聚集，必须选择在水溶液中不溶的聚合物。产生的纳米颗粒通过超速离心过程收集，收集的颗粒进行蒸发。然后，蒸发后的颗粒进一步过滤或冷冻干燥。纳米沉淀依赖于界面沉积，其中溶剂引入非溶剂中诱导聚合物溶解，导致核形成、晶体生长和纳米沉淀。尽管纳米沉淀方法已被广泛用于保护姜黄素、维生素E和白藜芦醇等各种亲脂性生物活性化合物，但关于DHA和其他ω-3脂肪酸包封的研究相对不足。使用有机溶剂进行纳米颗粒合成是局限性之一。需要进一步研究来评估这些聚合物纳米颗粒在食品中的应用。因此，使用食品级溶剂和绿色纳米沉淀方法对于促进DHA和其他亲脂性生物活性化合物向功能性食品应用的转化至关重要。
三、DHA的稳定性挑战及增强其稳定性的策略
3.1 DHA的物理和氧化不稳定性
DHA的稳定性是制造膳食补充剂和食品时需要考虑的关键因素。DHA的稳定性取决于产品质量、储存条件和制造工艺。限制DHA在食品体系中应用的主要因素包括其溶解度降低、不良感官特性（味道和气味）、高氧化敏感性以及因存在多个不饱和脂肪酸而具有的高反应性。
与其他脂肪酸相比，DHA由于存在六个顺式双键而更容易受到氧化降解。氧气、较高温度、水分、光照和与金属离子（铁和铜）接触等因素引发脂质氧化。脂质氢过氧化物和次级氧化产物如醛类、酮类和醇类导致DHA产生不良的鱼腥异味。这些氧化产物不仅降低生物利用度，还降低食品的货架期和质量，从而降低消费者接受度。此外，DHA水溶性差限制了其在水性食品体系（如饮料和乳制饮品）中的掺入。DHA直接掺入食品基质中影响其物理稳定性，导致分散不良、相分离和储存期间沉降。这些因素影响食品的外观和适口性。此外，巴氏杀菌、烘焙以及长时间暴露于较高温度和氧气等加工条件加速氧化降解。
因此，需要合适的载体来递送和保护DHA等敏感脂肪酸。这些载体包括阿拉伯胶、鼠尾草多酚、乳清分离蛋白、明胶、酪蛋白、β-环糊精、腰果胶和奇亚籽胶，它们通过减少氧化来提高稳定性。DHA的物理稳定性受温度、乳化剂的厚度和浓度、界面张力、静电稳定性和离子强度的影响。DHA的氧化稳定性受温度、光照、氧化、静电稳定性、界面厚度、乳化剂浓度和液滴尺寸的影响。使用合适的技术和正确选择乳化剂包封DHA可防止氧化并提高其稳定性。
3.2 包封DHA的胃肠道稳定性增强、吸收和生物利用度
具有良好稳定性的DHA微米/纳米颗粒可提高其吸收和生物利用度。包封过程防止DHA在高度酸性的胃环境中降解，并有助于其在肠道中释放。释放的DHA在肠道细胞中更好地被吸收，提高其生物利用度。
包封的DHA，特别是DHA纳米颗粒/液滴，在口服给药后遇到多种肠道屏障，如粘液层、上皮连接和消化酶。纳米颗粒跨肠道屏障的有效转运取决于纳米颗粒的粒径、表面电荷和释放动力学。值得注意的是，并非所有纳米颗粒都能穿透肠道屏障；有些可能被降解或排泄。旁细胞转运（上皮细胞之间）、跨细胞转运（通过肠上皮细胞）和M细胞介导的摄取是纳米颗粒肠道吸收涉及的三种主要转运途径。
颗粒尺寸在肠道穿透和吸收中起重要作用。50-200纳米范围内的颗粒显示出有效的肠道吸收，而小于100纳米的颗粒表现出更好的上皮转运。应注意，小于20纳米的颗粒可能穿透非特异性组织，这可能引起毒理学关注。受控的纳米颗粒穿透对于提高DHA的生物可及性和生物利用度至关重要。包封保护DHA免受胃环境的影响，并在脂质消化和吸收发生的小肠中实现安全可控的释放。一旦游离DHA被释放并与胆汁盐和胰脂肪酶形成的胶束混合，它将跨肠上皮细胞转运。然后，DHA被重新酯化为甘油三酯并掺入乳糜微粒中，通过淋巴系统进入血液循环。DHA的控制释放改善其向靶组织和器官的分布，延长其在血浆中的可用性，从而提高其生物利用度。在一项先前的研究中，配制了DHA纳米乳液凝胶并口服补充给小鼠60天。与补充纯DHA油的小鼠相比，DHA纳米乳液凝胶补充组表现出改善的记忆功能和显著更高的DHA生物利用度，反映在大脑组织中DHA浓度增加和胶质细胞增殖增强。另一项研究报告，纳米包封DHA粉末改善了DHA生物利用度，补充小鼠脑组织中DHA保留率更高。因此，对于纳米包封DHA强化食品，用于包封的壁材或乳化剂应在胃条件下保护DHA，并在肠道中释放DHA以获得更好的吸收和靶向递送。
3.3 用于增强DHA递送稳定性的乳化剂和壁材
用于DHA包封的各种合成和天然乳化剂应易于获得、易于采购且无毒。
3.3.1 合成乳化剂
合成乳化剂是化学制造的，用于稳定水相和油相以防止相分离并延长货架期。一些常见的合成乳化剂类型包括由甘油合成的脂肪酸单甘油酯和双甘油酯、通过山梨醇与脂肪酸反应合成的聚山梨酯以及单双甘油二乙酰酒石酸酯（DATEM）。合成乳化剂根据电荷分类。阴离子和阳离子乳化剂分别在其活性段含有负电荷和正电荷。非离子乳化剂没有电荷，但具有亲脂和亲水部分。两性乳化剂的电荷取决于溶液的pH和酸度。使用壳聚糖和三聚磷酸钠（STPP）的组合包封富含多不饱和脂肪酸的军曹鱼肝油，形成的纳米颗粒稳定且具有较高的氧化稳定性。在类似研究中，使用卵磷脂（3%）和吐温40（Tween 40）（3%）作为乳化剂开发了纳米包封的长链ω-3脂肪酸富集藻油。乳化剂有助于产生更小的颗粒（0.267微米），促进DHA在胃pH下的更高消化性。
