微胶囊的研究进展与展望

汤 虎，张 浩，栾 倩，黄凤洪，郑明明，邓乾春，向 霞，杨 陈

（中国农业科学院油料作物研究所，油料脂质化学与营养湖北省重点实验室，湖北武汉 430062）

微胶囊的研究进展与展望

汤 虎，张 浩，栾 倩，*黄凤洪，郑明明，邓乾春，向 霞，杨 陈

（中国农业科学院油料作物研究所，油料脂质化学与营养湖北省重点实验室，湖北武汉 430062）

微胶囊因其优越的结构和性能特征使得微胶囊技术成为当今世界重点发展的技术之一，它的出现解决了工业领域中的许多难题。通过阐述微胶囊的优良特性、常用壁材分类、主要制备技术，以及微胶囊在化妆品、医药、食品领域中的应用情况，对微胶囊技术的应用前景进行了展望。

微胶囊；壁材；芯材；功能活性物质

微胶囊技术是一种发展迅速、用途广泛而又比较成熟的高新技术[1]，是将天然或者人工合成高分子材料作为包囊材料，将囊芯（固体、液体或者气体）物质包覆形成一种具有半透性或密封囊膜的微胶囊技术，其中包裹芯材的物质为壁材，被包裹的物质为芯材[2]。微胶囊技术始于20世纪30年代，由大西洋海岸渔业公司提出并用于制备鱼肝油-明胶微胶囊，经过几十年的发展，随着微胶囊制备技术日益成熟，已被广泛地用于化妆品、医药、农业、食品等领域[3-7]。

1 微胶囊的特性

微胶囊技术主要通过采用高分子材料包埋功能活性物质，在芯材周围形成一个致密的物理屏障，以减少其与外界环境的反应[8]。对活性物质进行微胶囊化可以改善物质的物理性质，提高其稳定性，防止或减少活性物质失活，减少有毒物质对环境和人类造成的不利影响[9]。近年来的研究表明，微胶囊具有以下较为突出的优点[10]。

（1）减少了外界环境（如光、氧气、水等条件）对功能活性物质的影响，延长了保存期。许多易氧化、易见光分解、易受温度或水分影响的活性物质经微胶囊包埋后，由于壁材的保护有效阻止了其氧化，避免或降低了温度和湿度等方面的影响，提高了芯材的稳定性。

（2）减少了活性物质向环境的扩散和蒸发，从而降低风味成分的挥发性，减少风味损失。

（3）具有控释或缓释作用，可降低毒性。采用微胶囊技术制造的药物制剂，可以通过控制芯材的释放来达到定向释放效果，减轻对胃肠道的毒副作用。

（4）改善感官特性，以掩盖其令人厌恶的味道或气味，同时改善其视觉外观及结构。

（5）可通过将液体转换为更易处理、使用和储存的固体颗粒来改善流动特性。

2 微胶囊壁材

微胶囊壁材主要用于保护芯材免受外界环境影响、防止芯材和其他成分过早反应，以及根据预设条件控制芯材释放等方面。微胶囊技术的应用效果很大程度上取决于壁材的选择，不同壁材决定着微胶囊产品的理化性质[8]。理想的微胶囊壁材选择必须遵循以下3个原则：①壁材与芯材不发生化学反应；②壁材具有一定的力学强度；③壁材具备适当的溶解性、流动性、乳化性、渗透性和稳定性等[11]。用于制作微胶囊壁材的材料通常为成膜性能较好的高分子材料，包括天然高分子材料、半合成高分子材料和全合成高分子材料三大类[12-13]。

2.1 天然高分子材料

天然高分子材料因为具有无毒、良好的化学稳定性、良好的生物相容性和生物可降解性等优点而被广泛用作微胶囊壁材，碳水化合物和蛋白质是最常用的两类。碳水化合物类壁材主要有海藻酸钠、壳聚糖、纤维素、阿拉伯胶等，蛋白质类壁材主要有明胶、白蛋白、大豆蛋白等[14]。

2.1.1 海藻酸钠

海藻酸钠是最常用的微胶囊壁材之一，它是来源于海洋植物巨藻、海带和马尾藻中的一种由β-D-甘露糖醛酸（M段）和α-L-古罗糖醛酸（G段）通过（1-4）糖苷键聚合而成的线性阴离子天然多糖。海藻酸钠作为增稠剂、乳化剂和稳定剂，已被广泛地应用于食品和化妆品等领域[15-16]。海藻酸钠的一个重要性质是在室温下遇到二价阳离子，如Ca2+，Ba2+等，会出现交联而形成凝胶，这种温和的转变条件对于保持细胞或生物分子活性相当重要，而且凝胶的三维网状结构有助于细胞的生长及代谢[17]。李胜等人[18]制备了海藻酸钠-壳聚糖微胶囊，并将其用于包埋β-榄香烯，包封率为70%，体外释放7 d的释放率仅为35%，极大地降低了释放速率，表现出一定的缓释性质。

2.1.2 明胶

明胶是一种亲水性胶体，具有保护胶体的性质，可用作疏水性胶体的稳定剂和乳化剂。由于明胶的熔点和凝固点均低于人体体温，制备成微胶囊后具有入口即化的优点[19]。张岩等人[20]以明胶为壁材、芝麻油为芯材制备的微胶囊，显著地提高了芝麻油的稳定性。

2.2 半合成高分子材料

可用作微胶囊壁材的半合成高分子材料主要是纤维素衍生物，如甲基纤维素、乙基纤维素等，此外还有双硬脂酸甘油酯、羟基硬脂醇等油类。半合成高分子材料的特点是毒性较小、黏性大、易水解、不宜高温处理，需现用现配。Clinton R等人[21]以乙基纤维素作为壁材，制备了大小均一的杨梅多酚微胶囊颗粒，分别研究了其在模拟胃酸环境（pH值2.0）和肠道环境（pH值8.0）下的释放行为，缓释率分别为2.56%～15.14%和87.37%。

全合成高分子材料是一类成膜性好、化学性质稳定、力学强度大、储存运输方便的材料，但由于这类材料在制备过程中使用的有机溶剂不仅成本高，也可能造成环境污染，近年来发展起来的可生物降解材料引起广泛关注[12]。常见的全合成高分子材料有聚乙二醇（PEG）、聚酰胺和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等[19]。

3 微胶囊的制备方法

制备微胶囊的方法一直是许多科研工作者的主要研究方向之一，从原理上可分为物理法、化学法和物理化学法三大类，根据不同的操作工艺又可进一步分成若干种制备方法，各制备方法都具有各自的特点、适用范围和使用对象[22-23]。

3.1 物理法

3.1.1 喷雾干燥法

喷雾干燥法是将壁材与芯材制备成混合溶液，通过喷雾干燥喷嘴，将热空气带走水分后得到颗粒状的产品，其使用成本低、设备要求低、易于获取，能够连续加工进行大批量生产，颗粒大小大多保持在1 mm左右[24]。刘楠楠[25]采用喷雾干燥法，以阿拉伯胶和大豆分离蛋白为壁材用于包埋芝麻油，显著提高了芝麻油的热稳定性。

3.1.2 挤压法

挤压法是最普遍的利用亲水胶体制备微胶囊的方法，将制备的亲水胶体溶液与芯材混合，采用注射式针头挤压混合溶液，使其逐滴滴入固定液中，通过针头的直径和液滴下落的距离来控制产品的形状与大小，操作简单、成本低[26]。著名的益生素生产商Vesale Pharma公司基于挤压法制备的益生菌微胶囊直径为150～600 μm，并且可以在许多不利条件中保持良好的存活率[27]。

近年来，医药行业的发展取得长足的进步，但随之而来的垄断问题为其发展蒙上厚重阴影，各类药品的超高定价、屡屡断供是药品行业垄断最直接的表现，其在原料药的供应与定价上表现得尤为明显。2015年国家发展和改革委员会发布《关于印发推进药品价格改革意见的通知》，决定从同年6月1日起取消除麻醉药品和第一类精神药品以外药品的政府定价，逐步建立以市场为主导的药品价格形成机制，最大程度上降低政府对药价形成的干预力度①。中国的药品价格形成机制经历了药品分类管理模式、政府指导定价模式到当前的市场形成机制，实现了根本性的转变，但由于缺乏有效的管控机制，药品行业价格垄断行为频频发生、屡禁不止，给药品行业造成巨大冲击。

3.1.3 空气悬浮法

空气悬浮法是用流化床的强气流将固体芯材颗粒悬浮于空气中，将一定黏度的壁材溶液涂覆于芯材颗粒表面，通过提高气流温度使壁材中的溶剂挥发，从而形成微胶囊[28]。黄序等人[29]采用空气悬浮法制备的微胶囊可以保护益生菌免受胃酸破坏，而且壁材具有肠溶性，可以有效地起到益生作用。

3.2 化学法

3.2.1 界面聚合

界面聚合是将2种活性单体分别溶解于不同的溶剂中，然后分别加入乳化剂以形成乳液，当一种溶液分散在另一种溶液中时，在2种溶液的界面会发生聚合反应以制备微胶囊的方法，通过该法制备的微胶囊适用于液体芯材（如甘油和药用润滑油等）的包埋[14]。董利敏等人[30]采用界面聚合法制备了以聚氨酯为壁材、橄榄油为芯材的护肤微胶囊。

3.2.2 原位聚合

原位聚合法需先将聚合物单体溶解在含有乳化剂的水溶液中，再加入不溶于水的芯材后，经过剧烈搅拌使单体均匀分散在溶液中，交联后形成微胶囊的方法。原位聚合法与其他的微胶囊制备方法相比，具有成球相对容易、成本低、收率高等优点，易用于工业化生产[28]。来水利等人[31]采用原位聚合法制备了以苯乙烯-二乙烯基苯为壁材、环氧树脂和苯甲醇为芯材的具有自修复功能的微胶囊。

3.2.3 锐孔-凝固浴法

锐孔-凝固浴法是将高聚物壁材和芯材溶解在同一溶液中，使用滴管或注射器等微孔装置将混合溶液滴加到固化剂中，高聚物在固化剂中迅速固化从而形成微胶囊[14]。屈小媛等人[32]采用锐孔-凝固浴法，以海藻酸钠和壳聚糖为壁材、黑树莓果汁为芯材，包埋率可达87.15%。

3.3 物理化学法

3.3.1 单凝聚法

单凝聚法也称为沉淀法，是将芯材分散于聚合物壁材溶液中加入沉淀剂，使壁材和芯材一起从溶液中析出，从而制备微胶囊的方法[14]。杜静玲等人[33]以明胶和聚天冬氨酸为壁材，采用单凝聚法制备了VA棕榈酸酯微胶囊，包埋率达84.3%，并通过试验证实了稳定性的提高。

3.3.2 复凝聚法

复凝聚法是利用2种带相反电荷的高分子材料通过离子间相互作用而交联，因体系接近等电点使得溶解度降低，从溶液中析出形成微胶囊[34]。Hari P等人[35]采用复凝聚法制备了海藻酸盐-壳聚糖微胶囊用于包埋牛血清蛋白，并研究了其在不同pH值条件下的释放行为。

3.3.3 干燥浴法（复相乳液法）

干燥浴法是将壁材与芯材的混合溶液乳化后以微滴形式分散到具有挥发性的介质中，再通过加热、减压、搅拌、溶液萃取、冷冻、干燥等手段除去溶剂，从而实现微胶囊化[36]。

4 微胶囊的应用

4.1 化妆品

目前，市场上的各种美容护肤类化妆品大多是与水不相溶的油脂、表面活性剂和水组成的油包水或水包油的体系；此外，激素、酶、防晒剂、祛斑剂、抗皱成分等功能物质常常被添加到此体系中以获得保湿、润肤、美容等作用。然而，这些功能物质常常对外界环境（如温度、氧气、水、微生物等）敏感，会因为氧化、分解而变质使功能下降，有些甚至会对皮肤造成一定的伤害。将这些功能成分作为芯材制备成微胶囊来改善这些不足，近年来备受关注，微胶囊化妆品主要优点如下[37-38]。

（1）控制释放，达到定时、缓慢释放，能够减少化妆品的涂抹次数。例如，将黄芪、甘草、芦荟、熊果苷、当归、沙棘等包埋于微胶囊中，利用其缓释功能可延长活性成分的作用时间，减少涂抹次数。

（2）减少添加剂对皮肤的刺激作用。果酸等对皮肤有良好再生、抗衰老功效，但直接与皮肤接触会对皮肤造成刺激反应，包埋于微胶囊中可防止刺激，为皮肤提供持久的保护[36]。

（3）避免原料物质之间发生化学反应。如果原料中有容易发生反应的几种物质组成，将其中的某种物质制备成微胶囊实现隔离作用，可以避免几种物质之间发生化学反应，从而增加稳定性、延长保质期。例如，染发类化妆品的配制过程中，将氧化剂或染发剂制备成微胶囊，从而获得方便使用的染发类化妆品[39]。

（4）屏蔽作用。如亚麻油具有良好的护肤作用，但是它散发出难闻的气味限制了其在化妆品行业中的应用，将其制备成微胶囊后再添加到化妆品中，可以有效地掩盖难闻的气味[39]。

4.2 医药

微胶囊在医药领域中起着重要作用，许多不能直接使用的药物或者直接使用时治疗效果不理想，采用合适的微胶囊包埋药物可以实现定时、定点的释放药物来改善治疗效果。目前有越来越多的疗法都涉及到微胶囊，主要优点如下。

（1）提高药物的半衰期。很多药物在人体血液中的半衰期短，不能长时间使浓度保持在有效治疗浓度以上，采用微胶囊技术包埋药物后，可以实现药物的缓慢控释，不仅减少了给药次数，也避免了高浓度药物对人体的副作用。Vandenberg G等人[40]以壳聚糖和阴离子海藻酸钠为壁材制备的微胶囊用于药物的包埋，能够显著地降低药物在酸性条件下的释放速度。

（2）保护药物。蛋白质类药物容易被蛋白酶降解；此外，外源性蛋白在体内会产生抗原抗体反应，使药物失去活性，采用微胶囊包埋药物，可以避免此现象发生。Wang D等人[41]以聚（乳酸-乙醇酸）为壁材制备了包埋质粒DNA疫苗的微胶囊，可以保护质粒DNA免受脱氧核糖核酸酶的降解作用。

（3）靶向给药。有些药物（如抗癌药物）对正常细胞有杀伤作用，采用微胶囊包埋药物，并在微胶囊表面接上与癌细胞有亲和作用的分子，就可给予抗癌药物一定的靶向作用。吴远等人[42]将丝裂霉素和磁性四氧化三铁共同包埋在以聚碳酸酯为壁材的微胶囊中，制备了具有磁靶向作用的载药微胶囊。结果表明，此微胶囊具有良好的磁响应性能，并且肿瘤抑制率远远超出无磁性的载药微胶囊。

（4）提高药物的吸收。皮肤、胃肠壁以及黏膜是防止外物入侵的重要防线，药物不容易吸收，采用微胶囊包埋药物可提高人体对药物的吸收程度。Thanou M等人[43]以三甲基壳聚糖盐为壁材制备的微胶囊用于包埋蛋白类药物，结果表明三甲基化率为60%的壳聚糖能促进肠壁对药物的吸收。

4.3 食品

微胶囊技术在食品加工领域已经得到国际认可，并被列为21世纪重点研究的技术，解决了食品工业的许多难题，表现出巨大的优越性。主要优点如下。

（1）将活性成分与外界环境隔离，保护对热、pH值、水分、氧化剂等环境条件敏感的食品组分。保健食品中的膳食纤维、活性多糖、多不饱和脂肪酸、活性肽和活性蛋白等生理活性物质具有增强人体免疫力、抗衰老、防疾病等功能，但是这些物质大多不稳定，易受光、热、氧气等因素影响，采用微胶囊技术可以提高它们在功能性食品中的可用性[44]。Wang Y等人以多孔淀粉和明胶为壁材制成叶黄素微胶囊，研究表明叶黄素微胶囊较游离的叶黄素有着更好的抵抗温度、光照、pH值和氧气浓度变化能力，并且缓释能力可提高15%～50%。

（2）降低或掩盖食品中的某些组分给产品带来的异味、不良颜色等。在食品中添加食品添加剂既能改善食品的色、香、味等感官品质，也能满足一定的防腐和加工工艺的需要，但一些不良因素也会被带入食品中，如不良气味和色泽等，而微胶囊技术可以改善包埋物质的物理性质，屏蔽味道和气味。螺旋藻是一种营养成分全面的优质食品添加剂，但是藻腥味限制了其应用，徐建样等人[45]将其微胶囊化，不仅大大降低了藻腥味，同时也增强了贮藏稳定性。

（3）缓慢释放，避免副作用。食品工业中一般用防腐剂抑制有害微生物的生长和繁殖，以延长食品的货架期，但是防腐剂中常常含有对人体有害物质。孙肖明等人[46]以硬化油脂为壁材、山梨酸为芯材制备的微胶囊，不仅可以避免山梨酸与食品直接接触，同时也可以实现缓慢释放出防腐剂的目的，得到更好的杀菌效果。

（4）增强食品的风味和提高食品风味稳定性。在糖果、肉制品、鸡精等食品中添加香精和香料等可以增加食品的香气与食欲，采用微胶囊技术包埋香精和香料不仅可以防止它们直接接触食品，同时也可以避免在高温高压等条件下受到破坏。朱卫红等人[47]以β-环糊精为壁材、薄荷油为芯材制备的微胶囊香料，结果表明添加微胶囊香料比直接添加香料具有更强的风味。

5 微胶囊的发展趋势

微胶囊因其优越的结构和性能上的特征使得微胶囊技术成为当今世界重点发展的技术之一，有关微胶囊的研究和开发也取得较大的进展，许多难题都因微胶囊技术的应用而得到解决，如保护功能活性物质免受外界环境的影响，屏蔽不良的颜色、气味和味道，降低毒性，延长功能活性物质的存储时间等。但是，微胶囊技术还存在着许多不成熟之处，许多基础理论和实际应用问题需要深入研究与解决。例如，微胶囊粒径和性能均一性的把控，微胶囊芯材释放速率的精密控制，性能优良、价格低廉的微胶囊壁材开发，微胶囊技术工业化生产等。

随着人们对微胶囊技术研究和认识的不断加深，特别是新的壁材不断被发现，新制备技术的不断开发，生产设备的不断升级，微胶囊技术将为化妆品、医药以及食品等领域发展起到积极的推进作用。我国微胶囊技术研究起步较晚，大部分依赖进口的现状使得微胶囊的应用成本明显提高，限制了微胶囊在国内的广泛使用。随着社会、经济和科学技术的发展，人们对生活质量要求的提高，对微胶囊的需求也因其应用领域的不断增加而增大，有助于开展具有生物相容性的新型生物活性物质（益生菌等）微胶囊、多重响应性微胶囊以及多种药物共包埋微胶囊的研究。

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Research Progress and Prospect of Microencapsulation

TANG Hu，ZHANG Hao，LUAN Qian，*HUANG Fenghong，ZHENG Mingming，DENG Qianchun，XIANG Xia，YANG Chen
（Oil Crops Research Institute，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Hubei Key Laboratory of Lipid Chemistry and Nutrition，Wuhan，Hubei 430062，China）

Microencapsulation technology has become one of the most important technology due to the good structure and properties of microencapsulation.It has solved many problems in industry.This paper reviews the research on microencapsulation，includingproperties，classificationofwallmaterials，preparationtechnology，applicationincosmetil，mediune，foodandprospect.

TN104.3

A

10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2016.11.013

1671-9646（2016）11a-0043-05

2016-08-15

中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-2013-OCRI）；国家公益性科研院所专项资金项目（1610172016006）。

汤 虎（1982—），男，博士，助理研究员，研究方向为天然高分子材料的改性和功能化。

*通讯作者：黄凤洪（1965—），男，博士，教授，研究方向为油料加工、油脂营养与功能产品。