王浩楠，邱哲瀚，田文妮，肖 杰，2*
（1 華南農業大學食品學院 廣州 510642 2 廣東省功能食品活性物重點實驗室 廣州 510642）
姜黃素類化合物在樺木科、巴西豆科、馬尾樹科、蒟蒻薯科等多科植物中均有發現，主要從姜黃根莖（含量為2%～6%）中提取[1]。自古以來，中國和印度利用姜黃素進行著色以及香料制作，印度亦用其進行改善消化、消除蠕蟲、緩解腸胃脹氣、清潔肝臟[2]等。傳統中藥則將姜黃素用于行氣破淤、活血止痛。在現代工業中，姜黃素被用于著色劑、酸堿指示劑、功能性食品以及膳食補充劑等領域。市場研究公司SPINS 數據顯示[3]，僅2019年，含姜黃提取物的冷熱谷物產品分別增長928%和620%，市場銷售總額近135 萬美元。除谷物產品，在飲料產品、零食產品、乳制品中都可見姜黃提取物的身影。2020年美國植物委員會報告顯示[4]，姜黃提取物銷售情況位列第4，產品主要解決免疫健康、關節健康、消化健康等方面存在的問題。姜黃素具有的健康效應引起人們的關注并帶動姜黃產業的發展，解析其健康效應產生的物質基礎和過程機制并最大化其健康效應，是姜黃素類化合物研究中非常重要的科學問題。
1.1 類別與結構
姜黃素類化合物具有一條庚烷長鏈和雙苯環的基礎結構，在此基礎上，根據姜黃素類化合物庚烷母體長鏈上含氧取代基的種類和數目以及是否成環進一步分為單氧代型、雙氧代型、三氧代型、吡喃取代型、呋喃取代型、大環醚型、二聚體型等7 個類型（圖1）。一般而言，姜黃素類化合物是指姜黃素【1，7-雙（4-羥基-3-甲氧基苯基）-1，6-庚二烯-3，5-二酮】、去甲氧基姜黃素【4-羥基肉桂酰基-（4-羥基-3-甲氧基肉桂酰基）甲烷】和雙去甲氧基姜黃素【雙-（4-羥基肉桂酰）甲烷】的混合物（圖1）。它們具有相同的庚烷長鏈和雙苯環結構，區別在于苯環上的甲氧基數目不同。其中，姜黃素含兩個甲氧基，去甲氧基姜黃素含一個甲氧基，雙去甲氧基姜黃素不含甲氧基，在它們的長鏈上存在著酮-烯醇式互變結構，以晶體形式和無定形分子形式存在時均為烯醇式結構，特殊情況下可向酮結構轉變[5-6]。天然來源的典型姜黃素類化合物組成為52%～63%姜黃素、19%～27%去甲氧基姜黃素、18%～28%雙去甲氧基姜黃素[7]。以姜黃素為例，分子結構以β-二酮結構中心對稱，降低了分子極性，母體鏈中存在多個雙鍵結構，這是使它成為一種高效抗氧化劑的前提，而兩端的對位酚羥基也可增加其活性[8-10]。此外，姜黃素是一種天然的熒光標記物，在醇溶液和二甲基甲酰胺（DMF）作為潛在氫鍵供體時，熒光范圍在536～560 nm 范圍[11-12]，而在極性溶液中其熒光光譜在408～540 nm 范圍[13]。
圖1 姜黃素類化合物分類及其3 種常見姜黃素類化合物的化學結構Fig.1 Classification of curcuminoids and chemical structures of three kinds of major components of curcuminoids
1.2 姜黃素的穩定性及生物利用度
姜黃素難溶于水（小于50 μmol/L）[14]，其水溶液在中性至堿性條件下不穩定，主要分解產物為阿魏酰甲烷（4-羥基-3-甲氧基肉桂酰甲烷）、阿魏酸（4-羥基-3-甲氧基肉桂酸）和香草醛（3-甲氧基-4-羥基苯甲醛）[15]。姜黃素是一種光敏性物質，在24 h 強光照射條件下姜黃素無水乙醇溶液被完全降解，其溶液由黃色轉變為無色[16]。經口攝入后在胃液及小腸液溶解度低，其小腸透過性低[17]，可被腸腔游離的還原酶、上皮細胞和肝臟代謝（Ⅰ相和Ⅱ相）并排除[18]，最終導致其生物利用度極低。Perkins 等[19]進行小鼠體內實驗，高效液相色譜法測定口服100 mg/kg 姜黃素后，小鼠血漿中僅有0.22 μg/mL 姜黃素；
Yang 等[20]結合LC-MS/MS 方法測定口服500 mg/kg 姜黃素的大鼠血漿中姜黃素濃度，血藥質量濃度僅達0.06 μg/mL。
針對上述姜黃素存在的穩定性差以及口服生物利用度低的問題，研究人員嘗試了多種穩態遞送體系對其進行包埋和遞送[21-23]。前期研究[24]以高粱醇溶蛋白-羧甲基殼聚糖納米顆粒對姜黃素進行包埋遞送，改善了姜黃素在胃腸道的溶解度和細胞攝取效率。利用粉碎淀粉顆粒穩定的Pickering 乳液遞送姜黃素[25]，試驗顯示包封姜黃素的生物可及性比游離姜黃素高22.1%。Karade 等[26]制備抗壞血酸和姜黃素共遞送的結腸定向微球，以抗壞血酸為pH 值調節劑可使姜黃素在結腸堿性環境中保持穩定，最終結腸釋放的姜黃素生物利用度提高7 倍。
1.3 姜黃素的健康效應
姜黃素作為一種被廣泛關注的活性物，臨床耐受可達12 g/d 而無不良反應[27-28]，是一種具備高效保健潛力的功能食品配料，常作為遞送體系研究的模式物。姜黃素在體外和體內表現出多種生物學活性，如抗癌[29-31]、抗炎[29，32-33]、抗氧化[34-36]、抗HIV[37]、抗動脈粥樣硬化[38-39]、抗糖尿病[40-41]、心血管疾病[42]，降脂保肝[43-45]，保護神經等。近年來，其對阿爾茨海默癥等神經退行性疾病的預防作用受到人們的關注[46-48]。
首先，姜黃素顯示出突出的體內抗氧化健康效應。活性氧（ROS）和其它自由基是機體正常代謝的副產物，可傳導細胞信號和維持體內穩態。一旦體內ROS 水平急劇上升則可造成細胞損傷[49]。姜黃素可以在這種氧化應激過程中對機體起到保護作用，其健康效應歸功于其抗氧化能力，包括清除自由基、過氧化氫和金屬螯合等[50]。Hejazi 等[51]通過雙盲試驗評估姜黃素的抗氧化能力，患者以3 g/d 的劑量口服，試驗結果顯示超氧化物歧化酶（SOD）活性下降且血漿總抗氧化能力（TAC）增加。抗炎作用是姜黃素另一明確的、受到廣泛研究的健康效應。研究表明，姜黃素能夠抑制炎癥相關的信號通路，包括核因子κB（NF-κB）、環氧合酶（COX）和脂氧合酶通路，從而降低促炎細胞因子水平和減少體內產生的前列腺素[52]。Desai 等[53]評估結腸靶向微丸遞送姜黃素和環孢菌素對腸道炎癥的干預效果，藥效學研究結果表明，其在乙酸誘導的結腸炎癥模型中有治療效果且與環孢菌素顯示出協同作用。錯誤折疊的淀粉樣蛋白在體內累積是突觸損傷和神經元溝通受損的主要原因之一，最終可發展成神經退行性疾病[54]。除上述抗炎機制，姜黃素可以透過血腦屏障（BBB）[55]，抑制淀粉樣蛋白的聚集和減輕其神經毒性作用[56]。此外，姜黃素可提高神經元生長因子（如NGF、BDNF、GDNF）的表達水平，這對減少突觸損傷和神經元死亡具有重要作用[57]。Maiti 等[58]通過固體脂質納米粒遞送姜黃素發現其通過激活分子伴侶（如HSP70、HSP90、HSP60 和HSP40 等蛋白）起到神經保護作用。
姜黃素顯著的、多樣的健康效應被廣泛報道，而這與其在物理穩定性差、上消化道生物利用度及藥代動力學特征存在巨大反差，姜黃素健康效應的發揮機制是長期以來困擾科學家的重要科學問題。解析姜黃素的體內吸收代謝途徑是解決上述科學問題的關鍵所在。
2.1 姜黃素體內代謝轉化過程
以回腸-盲腸為分界點，口腔、胃、十二指腸、空腸和回腸通常被統稱為上消化道，盲腸、結腸、直腸被稱為下消化道。姜黃素在體內的吸收代謝及分布情況一直以來被廣泛研究，研究對象包括小鼠、大鼠以及人體（如表1所示）。從表1 結果可知，只有痕量姜黃素可以被上皮細胞吸收，并在肝臟和血漿中分布，而絕大多數無法吸收的姜黃素最終隨著消化進程的推進進入結腸。研究表明，諸如兒茶素[59-61]、大豆異黃酮[62-65]、姜黃素等多種化合物由于體內代謝位點的不同，會發生不同的代謝反應并產生不同的代謝產物。姜黃素經口攝入后在上消化道被還原酶代謝發生還原反應，同時部分被吸收進入小腸上皮細胞，在上皮細胞作用下發生結合反應。雖然部分姜黃素可避免小腸首過效應進入肝臟，但仍會在肝臟處發生代謝生成極性更大的代謝產物并排出體外。由于姜黃素水溶性低和小腸透過性差，絕大部分姜黃素未經小腸消化直接進入結腸部位，經過結腸微生物及其相應酶系的羥基化、乙酰化、甲基化、還原、去甲氧基等作用，母體姜黃素被進一步代謝降解，其代謝產物可經過腸壁吸收進入體循環或隨糞便排出體外（圖2）。
圖2 姜黃素體內吸收代謝過程示意圖Fig.2 Adsorption and metabolic pathways of curcumin in vivo
表1 姜黃素在體內的吸收分布研究（體內試驗）Table 1 Absorption and distribution of curcumin（derived from in vivo experiments）
2.2 姜黃素在上消化道的代謝轉化
姜黃素在上消化道主要發生氧化反應，還原反應和結合反應（圖3）。氧化反應生成雙環戊二酮衍生物，其有兩種產生途徑：一種是姜黃素發生自氧化，另一種是通過脂肪氧化酶（LOX）和COX的催化作用產生，母鏈上羥基的氫脫去并發生環化和氧合，從而產生醌甲基和庚二酮鏈中的離域自由基，隨后醌甲基繼續發生水合和重排反應，最終姜黃素轉化成雙環戊二酮衍生物。雖然在體內有兩種途徑可以產生雙環戊二酮衍生物，但是酶催化氧化產生的速率更快，在LOX 和COX 含量高的細胞里，雙環戊二酮衍生物的含量通常高于其它代謝產物[10，79]。
圖3 姜黃素在上消化道的代謝轉化途徑Fig.3 Metabolic transformation pathways of curcumin in the upper gastrointestinal tract
還原反應是姜黃素在上消化道中發生的更為普遍的反應，還原酶存在時姜黃素即可能被還原。由于存在多個雙鍵，姜黃素能根據發生氧化雙鍵的個數分別被氧化為二氫、四氫、六氫和八氫代謝產物，以姜黃素為例，四氫姜黃素和六氫姜黃素的代謝水平較高，血漿中以四氫姜黃素的形式存在為主[80]。值得注意的是，腸道內姜黃素及其還原產物在進入腸道上皮細胞和到達肝臟之后很容易發生結合反應，主要分為葡萄糖醛酸化和硫酸化兩種，可分別發生或者共同發生。以葡萄糖醛酸化為例，在β-葡萄糖醛酸苷酶的作用下姜黃素主鏈羥基上或是苯環上的氫被葡萄糖醛酸取代，增加化合物的極性便于溶解和排出體外。多項研究顯示[81-83]，六氫姜黃素-葡萄糖醛酸結合物是姜黃素在體液、器官和細胞中的主要代謝物。
長期以來研究人員普遍認為上消化道是消化代謝的主要場所，下消化道主要負責水分、電解質的重吸收和排泄，然而針對提高姜黃素上消化道吸收所作出的嘗試并未取得重大成效。近年來，學界開始意識到姜黃素極有可能在分布水平較高的下消化道發揮作用[66]，包括代謝成具有更高活性的代謝物[84]和調節腸道菌群區系，從而直接或間接影響其在體內表現出的健康效應。
3.1 姜黃素在下消化道的代謝轉化
相較于上消化道代謝產物的種類，姜黃素經下消化道腸道菌群代謝所產生的代謝產物更為豐富。其主要反應包括甲基化、去甲基化、羥基化、去羥基化、還原和去甲氧基化等反應途徑，基本代謝產物如圖4所示。值得注意的是，不同反應之間可以相互疊加，從而產生一些含量水平較低、結構更為復雜的次級代謝產物。例如，去甲基姜黃素和雙去甲氧基姜黃素可以在人類結腸代謝產物中發現[85]，它們可提高β-淀粉樣蛋白降解酶的活性，減少β-淀粉樣蛋白在海馬體和大腦皮層中蓄積，而母體姜黃素則不能。姜黃素的兩個苯環上各有一個甲氧基，當-OCH3被替代成-H 屬于去甲氧基化，當甲氧基上的-CH3被腸道菌群代謝轉換為-H，則為去甲基化過程；
與去甲基化不同的是，有研究顯示[86-87]甲基化反應可以發生在姜黃素母鏈的醇羥基上，也可以發生在苯環上的酚羥基上，存在較多可能。羥基化是發生在姜黃素母鏈上的代謝途徑，腸道菌群在母鏈的碳原子上引入一個氧原子，從而形成一個羥基或者進一步生成羰基，而去羥基化則是更傾向于脫去母鏈上的羥基。因為還原酶在體內大量存在，結腸也不例外，所以姜黃素及其代謝產物在進入結腸后也可以繼續發生還原反應。
圖4 姜黃素在下消化道的代謝途徑Fig.4 Metabolic transformation pathways of curcumin in the lower gastrointestinal tract
腸道菌群對姜黃素的生物轉化研究主要應用人類糞便漿液以及單一細菌菌株兩類試驗模型。雖然兩種模型的分析方法相近，但通過人類糞便漿液模型所產生的代謝產物種類更為豐富，足見菌群多樣性對代謝產物種類和水平的影響。姜黃素的腸道菌群代謝產物種類繁多（表2），以阿魏酸、四氫姜黃素、八氫姜黃素、去甲氧基姜黃素、雙去甲氧基姜黃素等為主。已有研究證明這些代謝產物具有比姜黃素更高的生物活性，并可以通過不同途徑影響姜黃素的炎癥治療和保護神經效果[88-91]。
表2 腸道菌群對姜黃素類化合物的代謝研究Table 2 Studies on the metabolism of curcumins by gut microbiota
3.2 姜黃素對腸道菌群的調節作用
姜黃素進入結腸后不僅會受到腸道菌群影響，同時也可以影響腸道菌群結構，這種結構上的調整可間接影響姜黃素健康效應的發揮[92]。腸道菌群結構表現為菌群的豐富度、多樣性及表達水平。保持腸道有益菌群水平處于優勢有助于人體健康，而致病菌一旦過度繁殖會導致機體產生系統性疾病，盡管生物失調和疾病之間的直接因果關系尚不明確，但它們之間相互影響的關系越來越被學界認可[93-94]。研究表明，姜黃素的攝入往往會調節結腸內腸道菌群的豐富度和多樣性[92，95]。Shen 等[92]探究了口服姜黃素對C57BL/6 小鼠腸道微生物區系的調節作用，普雷沃氏菌科、理研菌科和類桿菌科等代表性菌屬的表達水平顯著下降。Sun 等[96]研究了姜黃素與APP/PS1 雙轉基因小鼠腸道微生物區系的相互作用，與對照組相比，姜黃素處理組類桿菌科、普雷沃氏菌科和乳桿菌科的豐度顯著下降，而理研菌的豐度顯著提升。Sreng等[97]發現姜黃素處理影響到不同的菌屬，顯著增加類桿菌科而減少了理研菌科的豐度。盡管不同試驗對腸道菌群相同菌屬的影響可能不同，但姜黃素能顯著影響的菌群種類已經逐漸清晰，這種影響與姜黃素健康效應之間的關系有望被理清。其次，口服姜黃素可提高產短鏈脂肪酸有益菌群水平，而短鏈脂肪酸對心血管疾病、代謝疾病、神經退行性疾病和免疫疾病[98-99]等領域都具有重要貢獻。Li 等[100]對姜黃素給藥后結腸內的乙酸、丙酸、丁酸、異丁酸、戊酸、異戊酸和己酸進行定量分析，除丁酸外基本回到正常表達水平，丙酸表達水平甚至超過對照組。
姜黃素在下消化道所引起的變化讓研究人員不得不重新審視姜黃素發揮健康效應的作用途徑。低生物利用度和廣泛的健康效應之間的矛盾可能需要通過姜黃素與腸道菌群區系之間的相互作用進行闡釋，高活性的姜黃素代謝物直接引起機體的健康效應，而腸道菌群結構的調節影響有益、有害代謝產物和疾病相關因子的產生，從而間接促進健康效應的發揮。
姜黃素的諸多健康效應如抗炎、抗氧化、抗神經退行性疾病等都已經被證實。令人不解的是，姜黃素在體內由于溶解性差和透過性差導致有效濃度低下，這與其廣泛的健康效應相違背，以至于學界對其發揮功效的物質基礎和作用途徑存在較大爭議。一直以來對姜黃素的研究都集中于上消化道，一定程度上是由于人們過度區分上下消化道的功能作用，從而忽略了下消化道可能存在的代謝和吸收。隨著腸道菌群被視為人體的“第二大腦”，包括姜黃素在內的植物化學活性物質是否可通過結腸發揮健康效應逐漸得到重視。目前姜黃素的口服遞送增效體系的設計目標旨在增強上消化道的吸收從而提高生物利用度，然而這對姜黃素的功效發揮不一定是有利的。在下消化道與腸道菌群相互作用更可能是其發揮健康效應的基礎，通過結腸靶向遞送體系規避上消化道吸收的同時提高下消化道的釋放，是探究姜黃素健康效應作用機制的有效手段。
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