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提高EGCG生物利用度应用技术的研究进展

来源: 美食研究
阅读 51 | 0 | 2020-12-25 |

茶,作为一种天然饮料,因其独特的风味和保健功效,深受世界人民的喜爱。[1,2]茶叶中以表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)为主的儿茶素类物质是茶叶的主要功能成分,在预防心血管疾病、抗辐射、防癌抗癌、抗菌杀菌和抗氧化方面发挥重要作用。[3]

EGCG是2-连苯酚基苯并吡喃与没食子酸形成的酯,具有酚类抗氧化剂的共性。因结构中有6个邻位酚羟基(图1),EGCG在许多性质上优于其他儿茶素。虽然EGCG已被广泛应用于食品、医药和日用化工领域,但在实际应用中仍存在一定的局限性。LAIPNSKI等[4]提出生物利用度低的化合物具有以下的化学结构特征:(1)化合物的相对分子质量>500,CLog P>5;(2)化合物中的-OH或-NH数量≥5;(3)化合物中可形成氢键的N基或O基数≥10。如表1所示,EGCG的3项指标均高于其他儿茶素类物质,如表没食子儿茶素(EGC)和表儿茶素(EC),所以其生物利用度低于EGC和EC。[4]特殊化学结构还使得EGCG遇到光照、高温、碱性等外界环境因素易发生氧化聚合反应;生物体内的p H、酶等生理环境因素会影响其稳定性。[5]另外,EGCG在生物体内的吸收率极低,体内90%以上的EGCG会通过粪便或尿液排出体外。[6]由此可见,EGCG的化学性质以及在生物体内的稳定性,均对其生物利用度造成影响,使其无法在人体发挥更好的作用。[7,8]目前,主要采用结构修饰的方法和递送体制备工艺改善EGCG的脂溶性和稳定性,从而提高EGCG进入人体后的生物活性和可利用度。

图1 EGCG的化学结构式

图1 EGCG的化学结构式

表1 茶叶中的几种活性化合物生物利用度比较

表1 茶叶中的几种活性化合物生物利用度比较

注:a表示-OH和-NH的总和;b表示O和N基数的总和;c数字越大,生物利用度越低。

1 结构修饰方法

结构修饰方法包括化学结构修饰和微生物转化修饰。化学结构修饰法是对EGCG的8个酚羟基进行修饰,使其全部或部分发生甲基化、酰基化或糖苷化;微生物转化修饰是一种生化反应,主要是利用微生物代谢过程中产生的酶对EGCG进行结构修饰。[9-12]经修饰的EGCG衍生物比EGCG有更好的稳定性和生物利用度。[13]

1.1 甲基化修饰法

甲基化修饰是将EGCG部分或全部的酚羟基转化成甲基醚的分子修饰方法。SAIJO[14]首次从茶树鲜叶中分离出EGCG 3″Me,但是它在茶树中的含量少且分离困难。因此,科研工作者利用化学合成法将EGCG苯环上的酚羟基进行甲基化修饰,从而提高EGCG的稳定性。MENG等[9]以CH3I为溶剂与EGCG一同加入丙酮溶液中,在碳酸钾的催化下,水浴超声3 h合成得到3种甲基化的EGCG衍生物。吕海鹏团队[15]用同样的方法合成了5种甲基化的EGCG衍生物,并发现EGCG的4'位最易被甲基化。研究表明EGCG的羟基被更稳定的甲氧基取代后,其稳定性及脂溶性得到提升,进而提高衍生物的生物利用度并改善生物活性。[13]甲基化的EGCG在抗过敏、消炎等方面表现出比EGCG更强的药理作用。最近还发现EGCG 3″Me和EGCG 4″Me具有抗氧化、保护肝细胞、降血压等功能。[16]此外,EGCG″Me的口服吸收率要比EGCG高9倍,而且它在动物血液中的稳定性明显高于EGCG。[16]甲基化修饰的缺点是试剂多为剧毒化学物质,在化学反应过程中产生较多的副产物,增加了分离和纯化的难度。

1.2 酰基化修饰法

酰基化修饰是将长链或短链脂肪链选择性地接在EGCG分子的8个酚羟基上形成酯键的修饰方法。该法主要以酸酐和酰氯为酰基供体,用N,N-二甲氨基吡啶(DMAP)或吡啶为催化剂,得到一系列酰化衍生物。LAM等[10]用酰基修饰方法得到了8个全乙酰化的EGCG,酚羟基被酰基保护的EGCG的稳定性比EGCG提高6倍,抑制蛋白酶体和诱导MCF7乳腺癌细胞凋亡的生物活性也随之增强。杜亚俊[17]证实经乙酰化修饰后,EGCG的稳定性、脂溶性和生物利用度都大幅提高。另外,全乙酰化EGCG在He La细胞中表现出的抗癌活性高于EGCG,并且与阿霉素联用还可以明显提高阿霉素对癌细胞的抑制作用。[18]但是酰基化修饰存在的缺点也是不容忽视的。合成线路单一和酰化位点不确定导致难以实现定点修饰;合成的EGCG衍生物的酰化程度不一致,增加了后期分离纯化的难度;酰基化修饰造成EGCG酚羟基数目的减少,对其生物活性和生物利用度均有影响;有毒溶剂的添加也限制了EGCG在药品和食品领域的应用。

1.3 糖苷化修饰

糖苷修饰是将亲水性的单糖分子选择性地接到EGCG分子上的修饰方法,以此提高EGCG的水溶性及其在人体内的代谢活性。EGCG经糖苷化修饰后,其水溶性提高了50~100倍,葡萄糖苷元的甜味可减轻EGCG的涩味,其抗氧化能力未受影响并提升了稳定性,表现出更强的清除细胞质内的自由基的能力。[19]MOON等[11]用酶的糖苷化修饰方法在C-4'位和C-7位引入α-D-吡喃葡萄糖基,分离纯化后得到3种微生物产物,紫外线照射实验发现糖苷化的EGCG具有比EGCG更强的抗褐变能力,稳定性和生物利用度明显改善。张盼[20]采用化学合成法,即Click反应所合成的糖苷化的EGCG衍生物表现出更好的稳定性和抗肿瘤活性。化学合成法成本较低,在糖苷化EGCG的工业化生产中应用较多,但化学合成法合成路线复杂,对反应条件比较苛刻。相比而言,酶法温和,反应过程高效,而且底物专一,反应路线也较为简单,但酶法合成成本过高,不利于工业化生产。

1.4 微生物转化修饰法

微生物转化修饰是一种生化反应。主要是利用微生物代谢过程中的某一种或一系列酶对EGCG进行结构修饰。其原理是:在肠道微生物的作用下EGCG可发生水解、环裂解、脱羟基或内酯化等酶促反应,最终降解转化成EGC、三羟基苯-异丙醇、戊酸类化合物、γ-丙戊内酯等一系列小分子酚酸代谢产物。[12]目前,人肠道细菌、鼠肠道菌群、乳酸菌及各种真菌是EGCG进行转化的主要微生物媒介。真菌或乳酸菌可水解EGCG生成EGC和GA,[21]并且真菌黑曲霉和烟曲霉可将EGCG转化为EGC等儿茶素类氧化物,[22]而EGC可进一步转化产生其他衍生物或代谢产物。其中,EGC不仅具有更高的生物利用度,而且还保留了EGCG原有的抗氧化、抗肿瘤和免疫调节活性。[12]已证实经微生物转化修饰的EGCG可明显提高其在小鼠体内的吸收率、生物可利用率和抗氧化能力。[23]由此可见,微生物转化修饰有特异性强、周期短和反应条件温和的优点。[24]更重要的是在加工过程中由于不添加有害物质,相比化学结构修饰,此方法更加绿色、环保和无污染。

2 递送体制备技术

以蛋白质纳米颗粒、多糖纳米颗粒、金属或非金属纳米颗粒、脂质体或水凝胶作为递送体包载药物,能防止EGCG发生异构和氧化反应,提高其缓释性和稳定性,并且实现了靶向输送,从而扩展EGCG的应用范围。[25]

2.1 以蛋白质或多糖为载体的EGCG纳米颗粒制备

蛋白质和多糖由于良好的生物相容性和可生物降解的特征,被视为递送生物活性成分的良好壁材。多糖载体多以壳聚糖、果胶、透明质酸等为壁材。LIU等[26]以壳聚糖所制备的EGCG-CS纳米颗粒显著提升了EGCG抑制乳腺癌细胞增殖的能力。但是多糖的多孔性、包埋率低和加芯材,影响EGCG-CS纳米颗粒在肠道中的稳定性。

牛血清白蛋白、酪蛋白、乳铁蛋白、β-乳球蛋白以及玉米醇溶蛋白(zein)是较为常用的载体蛋白。DONSI等[27]运用反溶剂法所制备的EGCG-zein纳米颗粒不仅增强稳定性,还显著提升表面抗氧化活性和生物可利用率。酪蛋白封装后的EGCG在结肠癌细胞中仍具有抗恶性细胞增生的活性。[28]相较游离的EGCG,由β-乳球蛋白(p H6.5)和EGCG生成的共组装纳米颗粒对人体恶性黑色素瘤细胞的抑制活性增强了近70%,同时对食管癌细胞增殖的抑制活性也提升了63.7%,更重要的是该纳米颗粒对正常人结肠细胞和小鼠非肿瘤细胞的生长均没有明显的抑制作用,说明该纳米颗粒可有效提高EGCG的抗癌活性,且对正常细胞几乎没有不良反应。[29]

2.2 以金属或非金属为载体的EGCG纳米颗粒制备

纳米金粒子是研究最多的一种金属纳米粒子,由于具有体积小、穿透性强、靶向性高及良好的生物相容性的特点,为心血管疾病和癌症的临床治疗提供了新的思路。[30,31]KHOOBCHANDANI等[31]制成的EGCG交联金纳米颗粒可用来替代药物涂层支架,为心血管疾病的治疗提供了新的方法。而纳米金粒子与EGCG结合治疗癌症的效果也明显。另外,以非金属硒为载体制备EGCG纳米硒颗粒,能有效抑制H22肝癌细胞的增殖,从而弥补了药理剂量的EGCG不能抑制H22癌细胞增殖的不足。[32]SAMUTPRASERT等[33]制备的EGCG-Zn O共晶纳米颗粒,既可以使EGCG的稳定性得到改善,并且促进癌细胞对锌元素的吸收和积累,以起到与EGCG协同抵抗肝癌、胰腺癌以及前列腺癌的效果。营养学家认为多种微量矿物质在人体内起着重要的作用,但是过量使用任何一种微量矿物质都是有害的。因此,金属纳米颗粒的制备应严格控制剂量。

2.3 以脂质为载体的EGCG纳米颗粒制备

EGCG由于脂溶性较差,致使在细胞中的渗透性较差,且吸收率较低,导致其在临床治疗中的口服利用率很低。脂质体是磷脂双分子层分散在水中自然形成的多层囊泡,这种结构特性使得亲脂性和亲水性药物得以包封。因此,采用脂质体包裹可显著提高EGCG的生物利用度。多项研究证实EGCG脂质体比单体EGCG具有更好的贮存稳定性、包埋性和缓释性,其抗癌活性也比单体EGCG更高,在食品和制药领域广泛应用。然而,脂质体在消化过程中,易受弱酸环境和消化酶的破坏,导致被载物泄露。因此,脂质体作为EGCG的递送载体仍需要深入研究。

2.4 以水凝胶为载体的EGCG纳米颗粒制备

D-葡糖糖醛酸和N-乙酰葡糖胺双糖组成的酸性黏多糖,是一种透明质酸,是目前使用最多的水凝胶载体,这种载体具有吸水性强、质地柔软、低免疫原性和可生物降解性等特点。[34]LEE等[35]研究发现经由透明质酸交联而形成的水凝胶,可显著提高EGCG的生物稳定性。JIANG等[36]发现,相较于游离的EGCG,透明质酸-EGCG有更强地抑制淀粉样β凝蛋白聚集的作用,从而推迟阿尔茨海默病的发病年龄。水凝胶制备技术成熟且方法多样,且可延长食品贮藏和保存期限,已被广泛应用于食品工业;其不足在于水凝胶在高温下容易分解,且生产成本也比较高。

3 总结

综上所述,经酚基化修饰后,虽然EGCG的脂溶性和稳定性都有所提高,但是EGCG衍生物的羟基数目的减少使其生物活性也有所降低。另外,有毒化学试剂的使用限制了其在食品和药品领域的应用;而酶法又因成本过高,也不适合工业化生产。相比之下,微生物转化修饰的EGCG不仅提高了生物利用度,还保留了EGCG原有的抗氧化、抗肿瘤、免疫调节等活性,更重要的是方法上更加绿色环保。然而,大多数微生物的代谢途径和催化酶系的相关研究尚不明晰,对代谢产物的生物活性也知之甚少。EGCG递送体制备技术完整地保留EGCG的8个活性酚羟基,为增强EGCG的稳定性、缓释性和靶向性提供了新的思路。随着新技术的发现,EGCG会具有良好的应用前景。

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Research progress of applied technology in improving the bioavailability of EGCG: A review

表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)是茶叶中特有的儿茶素类物质。EGCG特殊的化学结构使其同时具有强抗氧化活性和低生物利用度特征,深度应用受到限制。近年来,随着结构修饰及递送体制备技术等新方法的发展,不仅提高了经改良的EGCG的稳定性、脂溶性和生物利用度,而且还保留了其原有的抗氧化、抗肿瘤、降血脂、降血糖及免疫调节等活性,但也存在一定的问题,有待进一步研究。Epigallocatechin gallate(EGCG) is a unique catechin substance in tea.The special chemical structure of EGCG makes it possess strong antioxidant activity and low bioavailability characteristics,and its deep application is limited.In recent years,with the development of new methods such as structural modification and delivery system preparation technology,it has not only improved the stability,fat solubility and bioavailability of the modified EGCG,but also retained its original antioxidant,anti-tumor,reducing blood sugar and lipid,and improving immunity activities.However,still there remain certain problems to be studied.

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