《食品科学》：中国农业大学贺晓云副教授等：基于乳铁蛋白的纳米颗粒递送食品功能因子的研究进展

乳铁蛋白是一种来自于哺乳动物乳汁的球状蛋白，其含有约700 个氨基酸残基并且具有约80 kDa的分子质量。乳铁蛋白是一种铁结合蛋白，具有调节代谢与免疫、细胞增殖调控、抗菌等多种生理功能。

乳铁蛋白纳米颗粒已经被应用于抗菌保鲜、成像、对抗伤口感染等方向。基于对癌细胞的靶向能力，乳铁蛋白纳米颗粒在癌症治疗方向表现出良好前景。乳铁蛋白具有跨血脑屏障的能力，以乳铁蛋白为材料或使用乳铁蛋白修饰的纳米颗粒也被用于脑靶向递送和神经退行性疾病的治疗。

迄今为止，已经有许多依托于乳铁蛋白制造的食品功能因子胶体递送系统。中国农业大学食品科学与营养工程学院的王腾、张轶然、贺晓云*等聚焦于最新的乳铁蛋白纳米颗粒设计，针对乳铁蛋白纳米颗粒的结构、功能和其用于增强食品功能因子生物利用度的应用进行综述。

01

乳铁蛋白

1.1 乳铁蛋白结构

乳铁蛋白是一种单链铁结合糖蛋白，由两个球状结构域组成，每个球状结构域可以与一个铁离子结合。其N叶或左半球（残基1～333）和C叶或右半球（残基345～389）通过残基334～344之间的单个盐桥结合在一起。在铁释放或结合过程中，这个由α-螺旋组成的盐桥相互作用起着控制铰链点的作用，控制乳铁蛋白叶瓣的打开和关闭。每个半球还可以进一步划分为两个亚单位，包括左叶的N1（残基1～90和残基251～333）和N2（残基91～250）以及右叶的C1（残基345～431和残基595～676）和C2（残基432～592）（图1）。人乳铁蛋白和牛乳铁蛋白具有约68%的同源性，它们之间结构和生物活性是保守的。乳铁蛋白表面常伴随糖基化修饰，这种聚糖链在结构上不参与受体结合，但它们可能有助于消化期间乳铁蛋白的结构完整性。乳铁蛋白具有相对高的等电点（8～9），这意味着它在广泛的pH值条件下具有正电荷，能够与阴离子多糖和蛋白形成复合物。

1.2 乳铁蛋白受体

乳铁蛋白可以被多种细胞识别并摄取，肠道表达的凝集素，肝脏表达的脱唾液酸糖蛋白受体，脑、骨和成纤维细胞表达的低密度脂蛋白受体相关蛋白单核细胞表达的分化抗原簇14和淋巴细胞表达的核仁素都具有与乳铁蛋白结合并促进乳铁蛋白内吞的功能。

乳铁蛋白的N1.1结构域（残基1～90）具有与肠道受体结合并促进细胞内吞的能力。乳铁蛋白在与肠道上皮细胞表面的乳铁蛋白受体结合后通过网格蛋白介导的内吞作用实现高效的内化。相较于其他蛋白，乳铁蛋白在被肠道细胞摄取后具有更高的跨细胞释放，这为乳铁蛋白修饰的纳米载体提高肠道摄取和跨肠道释放提供了基础。人乳铁蛋白和牛乳铁蛋白都与凝集素结合后内吞进入细胞并于一段时间内在早期内体中保持稳定，但值得注意的是，牛乳铁蛋白并不具有人乳铁蛋白定位于细胞核的特性，这可能使牛乳铁蛋白修饰的纳米载体更加有利于跨细胞运输。此外，乳铁蛋白与血脑屏障上的低密度脂蛋白受体相关蛋白受体结合后还具有跨过血脑屏障转运能力。配体修饰会改变纳米载体的细胞内途径，影响胞吐、再循环和降解，对纳米载体在细胞转运中的影响比核心材料的组成更重要。乳铁蛋白结构的相对稳定性，同时具有和细胞表面受体结合促进内吞和跨屏障转运的能力，这些特性使其成为了食品功能因子纳米递送载体的理想材料。不同组织和细胞表达的乳铁蛋白受体总结见表1。

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基于乳铁蛋白的纳米颗粒增强食品功能因子稳定性

2.1 包埋食品功能因子

通过包埋封装等方式将食品功能因子搭载于纳米颗粒中，以提高其光、热、化学和储藏稳定性是提高食品功能因子生物利用度的常见手段。乳铁蛋白天然具有与铁离子结合的能力。通过纳米喷雾干燥技术生产负载铁离子的乳铁蛋白纳米颗粒，能够解决直接在食品中添加的铁离子易被氧化且带来不良风味的问题。此外，叶酸、槲皮素、单宁酸等小分子可以通过疏水相互作用、范德华力、氢键和静电相互作用直接与乳铁蛋白表面结合或结合于乳铁蛋白疏水空腔中。

将疏水性食品功能因子包封在可食用纳米颗粒中，通过将它们与周围的水相隔离并提供保护性微环境，能够改善疏水性食品功能因子的分散性和化学稳定性。乳铁蛋白和多糖自组装形成的纳米颗粒可以通过疏水作用包封姜黄素等脂溶性小分子食品功能因子，增强其溶解度和保护其免受降解。

Li Xueqi等以乳铁蛋白、表没食子儿茶素没食子酸酯和透明质酸为材料，通过简单的pH值偏移方法使其自组装为145 nm的纳米颗粒，表现出86%的姜黄素包封率和5.8%的高负载量。该纳米颗粒包封后显著提高了姜黄素的光热稳定性和储藏稳定性，同时表现出良好的再分散性。

Chen Yufeng等通过反溶剂沉淀法制备了玉米醇溶蛋白-乳铁蛋白纳米颗粒，玉米醇溶蛋白和乳铁蛋白通过疏水相互作用和氢键形成的球形结构提高了7,8-二羟黄酮的水溶性和化学稳定性，此外，复合纳米颗粒也显示出更宽的pH值稳定性、更高的离子强度稳定性和长期储藏稳定性。在此基础上，通过美拉德反应将乳铁蛋白与葡聚糖偶联进一步制备了玉米醇溶蛋白-糖基化乳铁蛋白复合颗粒，通过糖基化起到的静电屏蔽作用和表面空间位阻效应解决了基于玉米醇溶蛋白和乳铁蛋白的纳米颗粒耐盐性差的问题，其包封7,8-二羟黄酮表现出更佳的热稳定性和储藏稳定性。

乳铁蛋白不仅有直接与食品功能因子结合的能力，基于乳铁蛋白的纳米颗粒用于包封食品功能因子也能够增强食品功能因子光、热、盐和储藏稳定性，并在提高疏水性食品功能因子溶解性方面表现出优异的效果（图2）。然而相对于其他包埋体系，乳铁蛋白成本高和纳米颗粒负载量相对较低的问题可能是未来制约乳铁蛋白纳米颗粒应用于包埋提高食品功能因子稳定性的因素。

2.2 通过Pickering机制稳定包埋食品功能因子的乳液

与传统乳液相比，用蛋白质-多糖复合固体颗粒稳定的Pickering乳液因为具有固体壳，增加了空间斥力，降低了范德华力。同时纳米颗粒可以提高分离油滴的水相的黏度，从而抑制液滴的运动，增加整个体系的类固体特性，防止Pickering乳液聚集，进而使其更加稳定。在纳米颗粒稳定的Pickering乳液中添加乳铁蛋白可以通过诱导竞争性置换、吸附到颗粒表面或在界面处多层沉积等方式掺入到乳液界面，通过形成粒子桥和粒子网络增加乳液包封的食品功能因子的物理化学稳定性，同时在体外消化条件下抑制释放。

蛋白质和多糖组成的复合颗粒能够改善蛋白质颗粒的高聚集倾向和多糖较差的表面活性和乳化性质，使得所得颗粒能够更好地应用于稳定Pickering乳液。Xi Xiaohong等制备了乳铁蛋白-褐藻糖胶复合颗粒稳定的包封丁香油的Pickering乳液，乳铁蛋白-褐藻糖胶复合颗粒能够减小液滴尺寸，并允许液滴在更紧密的堆积情况下保持稳定

乳液具有相对容易制造、功能性多样的优势，由于疏水性组分可以非常容易地溶解于脂滴的疏水内部，因此特别适用于包封非极性生物活性组分。乳铁蛋白纳米颗粒通过Pickering机制稳定的乳液能够封装大量食品功能因子并增强其稳定性，然而Pickering乳液在口服与胃肠道中的释放和消化吸收行为仍需要进一步探究。

03

3 基于乳铁蛋白的纳米颗粒增强食品功能因子肠道吸收

针对食品功能因子生物利用度低的问题，常通过提高胃肠道消化稳定性和促进肠上皮吸收两种思路设计递送载体。通过设计纳米颗粒增强食品功能因子在胃肠道中的稳定性和生物可及性，是增强其生物利用度的有效手段。

3.1 提高食品功能因子胃肠道消化稳定性

乳铁蛋白天然具有一定的消化抗性，经胃蛋白酶消化后最高可以存在58%左右的蛋白不被消化。使用乳铁蛋白表面修饰的纳米材料具有更低的体内释放速率、胃肠道消化条件下更高的生物利用度和显著提升的跨细胞运输的优异性能。然而，在还原真实的胃部消化环境评估单纯乳铁蛋白纳米颗粒包封姜黄素的消化稳定性时，发现单纯乳铁蛋白制备的纳米颗粒在胃部模拟消化环境中1 h内释放包封的全部姜黄素，提示以乳铁蛋白为唯一组分的纳米颗粒不能很好地保护递送分子。因此，越来越多的乳铁蛋白-多糖、乳铁蛋白-蛋白复合载体被设计用于增强胃肠道消化抗性。

Chen Yufeng等制备了玉米醇溶蛋白-糖基化乳铁蛋白复合纳米颗粒封装的7,8-二羟黄酮，发现糖基化的乳铁蛋白可能通过提供更大的空间排斥力减少酶与离子和胶体界面层的接触，从而提升纳米颗粒的胃肠道消化稳定性。此外，该纳米颗粒包封后能够减少7,8-二羟黄酮的结晶形式比例，同时糖基化乳铁蛋白部分消化后产生的水溶性肽可以进一步结合7,8-二羟黄酮，增加溶解性，进一步促进胃肠道吸收。

利用乳铁蛋白在胃肠道消化过程中的相对稳定性，构建的纳米颗粒能够在该环境中保持相对稳定，通过交联和表面糖基化修饰能够进一步抵抗胃肠道恶劣环境和酶的水解（图3）。乳铁蛋白纳米颗粒通过保护食品功能因子避免在胃肠道环境中快速分解，有效提高了食品功能因子的生物利用度。

3.2 提高食品功能因子靶向性与细胞摄取

利用受体与肠上皮细胞受体间的相互作用促进纳米载体吸收也是常用的肠道递送思路。肠凝集素1是在肠上皮细胞中高表达的乳铁蛋白受体，纳米载体与之结合能够促进细胞摄取。因此，乳铁蛋白也常因其靶向功能和促进细胞摄取的能力被用于修饰于纳米颗粒表面。

Banun等制备了乳铁蛋白自组装纳米颗粒，乳铁蛋白通过多个能够与辅酶Q10结合的位点高效搭载了辅酶Q10，并使其溶解度提高了300 倍。此外，在体外实验中，负载了辅酶Q10的乳铁蛋白纳米颗粒表现出增强的跨Caco-2细胞单层的表观渗透系数，表明乳铁蛋白纳米颗粒可能具有促进其搭载的食品功能因子经肠道上皮细胞吸收的功能。

依托乳铁蛋白可以被肠道受体识别并具有促进转运的功能，乳铁蛋白修饰的纳米颗粒也被广泛应用于搭载食品功能因子缓解胃肠道疾病。部分多糖无法在胃肠道中被消化，只有在盲肠和结肠微生物的辅助下才能够消化降解，这类多糖常被用于结肠靶向的纳米颗粒。Elmorshedy等将菊粉和羟甲基纤维素与玉米醇溶蛋白交联，包裹乳铁蛋白制备了微囊化的纳米颗粒用于治疗结肠癌。微囊化后的纳米颗粒有效避免了在胃肠道被蛋白酶水解并减少了纳米颗粒在小肠的吸收摄取，使其成功靶向至结肠被结肠癌细胞通过受体介导内吞，表现出口服结肠靶向递送潜力。

除了使用多糖包封外，酵母细胞壁因其天然具有巨噬细胞靶向能力、防止递送系统被胃环境破坏的作用和促进负载药物从递送系统缓慢释放的功能，也被认为是有潜力的递送材料。Pu Xiulan等通过静电力驱动的自沉积方法将乳铁蛋白包封大黄素后形成的纳米颗粒加载到酵母细胞壁微粒中，通过酵母细胞壁在结肠被肠道微生物代谢，实现靶向递送。同时乳铁蛋白和酵母细胞壁分别靶向肠上皮细胞和巨噬细胞，这种双重靶向策略可以增强大黄素在抗炎和黏膜修复方面的双重作用。

与靶向递送至肠道的细胞不同，以肠道微生物为靶点的递送载体通过将食品功能因子递送给益生菌，间接调节人体营养健康。Peled等通过美拉德反应将3 种寡糖和乳铁蛋白水解产物交联，使其自组装为胶束结构后与三偏磷酸三钠交联，该核-壳结构的纳米颗粒显著增加了胃肠道消化抗性，同时抑制了小肠上皮的吸收。依托于结肠益生菌独特的膜锚定结合蛋白，该纳米颗粒具有特异性靶向结肠益生菌功能，为改善肠道微生物群生态失调提供了新思路。

除了肠道靶向递送外，乳铁蛋白也被用于增加纳米载体在全身各处的细胞摄取和其他器官的靶向递送。Paulino Da Silva Filho等将乳铁蛋白衍生的细胞穿透肽酰化，并通过非共价相互作用官能化于聚乳酸-乙醇酸共聚物，显著增强了纳米载体的细胞摄取，增强了递送能力。

乳铁蛋白-多糖、乳铁蛋白-聚合物、乳铁蛋白-蛋白纳米颗粒已经被广泛应用于食品功能因子的口服递送，通过在纳米颗粒表面糖基化、修饰小分子配体或包裹酵母细胞壁已经可以很好地实现肠道上皮细胞、肠道巨噬细胞和肠道微生物的靶向递送（图4）。然而肠道乳铁蛋白受体介导的乳铁蛋白纳米颗粒的细胞摄取通过网格蛋白途径实现，通过该途径内化后的纳米颗粒有较高比例被溶酶体截留并降解，限制了穿过肠上皮屏障的纳米颗粒的比例。未来，通过多种方式交联乳铁蛋白或与多糖等材料复合进一步提高胃肠道消化稳定性、调节乳铁蛋白纳米颗粒的内化途径、增强纳米颗粒的跨细胞转运或许是进一步研究的方向。此外，通过肠道吸收后进一步靶向至体内其他器官的乳铁蛋白纳米颗粒更有利于食品功能因子在靶器官的积累，同样是具有前景的研究方向。

04

基于乳铁蛋白的纳米颗粒实现食品功能因子受控缓释

食品功能因子在体内往往具有较短的半衰期，与短时间内爆发性的高浓度食品功能因子释放相比，长时间缓慢释放更有利于长时间将食品功能因子维持在有效浓度之上，有助于其发挥功效。

Rofeal等通过将乳铁蛋白与羧基化可得然胶化学交联，制备了负载丁香酚的纳米颗粒，实现丁香酚在37 ℃环境中72 h内受控制的缓慢释放。贾前生等制备了负载姜黄素的乳铁蛋白纳米颗粒，该纳米颗粒不仅具有缓释作用，还能够有效降低肝脏首过效应，增加口服后姜黄素在血液中的浓度，并在更长的时间内维持血浆中姜黄素较高水平。

利用基于乳铁蛋白的纳米颗粒已经可以实现胃肠道缓释、延长血液中食品功能因子在有效浓度以上的时间（图5）。未来可以通过增强乳铁蛋白纳米颗粒的肠道黏液层黏附等手段进一步延长缓释时间。

结 语

乳铁蛋白表现出的独特生物活性与物理化学性质使得以其为原料制备的纳米颗粒成为食品功能因子递送的理想载体。然而，目前的乳铁蛋白纳米颗粒仍然存在跨胃肠道转运效率低、跨屏障转运后对靶器官的靶向性差和成本相对较高等不足。优化乳铁蛋白生产工艺、简化纳米载体构建步骤和提高纳米颗粒中食品功能因子负载量等方法有助于降低成本，实现工业化应用。未来，使用计算机辅助，通过分子对接和分子动力学模拟等手段作为传统实验程序的补充，更深入地了解乳铁蛋白与各种分子的结合机制和纳米载体的稳定性，进而辅助纳米递送系统的设计或许是可行的方向。

通信作者：

贺晓云副教授， 中国农业大学，博导； 农业农村部农产品质量检验测试中心（北京），副主任、技术负责人； 全国农产品质量安全与营养健康科普基地，副主任。 主要从事食品安全性评价，食品功能因子功效与机制研究。 先后主持国家科技支撑计划、转基因生物新品种培育重大专项、科技创新 2030等纵向课题10 项，主持横向课题20余项。 以第一或通信作者发表学术论文60余篇，其中SCI论文50 篇； 副主编教材8 部； 获得授权专利11 项； 获省级/行业协会科技奖励6 项； 参与制修订行业标准18 项； 获得省部级成果鉴定4 项。 指导学生获得省部级及以上创新创业竞赛奖励8 项，获得校级教学成果奖2 项。

第一作者：

王腾主要研究方向为食品功能因子功效与机制研究和食品功能因子精准递送。

2023/08至今 中国农业大学，食品科学与营养工程学院，硕士研究生。

2019/09—2023/06 中国农业大学，食品科学与营养工程学院，学士。

本文《 基于乳铁蛋白的纳米颗粒递送食品功能因子的研究进展 》来源于《食品科学》2024年45卷第17期 357-365 页，作者：王腾，张轶然，张凤，李懿，庞洋，贺晓云。DOI: 10.7506/spkx1002-6630-20231124-201 。点击下方 阅读原文 即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方 阅读原文 即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

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