微胶囊技术在保护天然活性成分中的应用研究进展

耿 凤，邵 萌，魏 健，郭学平

（华熙生物科技股份有限公司，山东 济南 250101）

天然活性成分是动植物、昆虫、海洋生物、微生物等提取产物/代谢产物及人与动物体内多种内源性化学成分的统称，有重要的生理活性和功能。然而，大部分天然活性成分（如植物精油、维生素类、视黄醇等）的性质不稳定，在保存过程中易挥发或氧化变质，限制了其广泛应用。缓释技术可实现天然活性成分的缓慢释放，并起到保护天然活性成分的作用，拓宽了天然活性成分的应用领域和应用价值。微胶囊技术是缓释技术的重要技术之一，在保护天然活性成分稳定性和活性方面发挥了越来越重要的作用。本文从微胶囊技术的定义、制备方法、壁材选择等方面，阐述微胶囊技术及其应用现状。

1 微胶囊制备方法

微胶囊技术一般指借助某些物理、化学及生物学的手段，将某一目的物（芯或内相）用天然或合成的高分子材料连续薄膜（壁或外相）完全包裹起来[1]，达到增加芯材稳定性和缓释的效果，通过施予外部刺激破坏壁材或通过缓释作用使芯材的生理活性得以表现。

微胶囊的制备方法达200多种，大体可分为物理法、化学法、物理化学法3个大类，其中应用较广泛的主要有原位聚合法、喷雾干燥法、复凝聚法、界面聚合法、层-层自组装法等。

1.1 原位聚合法

原位聚合法的前提条件是形成壁材的聚合物单体可溶，而聚合物不溶。将芯材（不溶于水）加至溶解有聚合物单体的水溶液（含乳化剂）中，剧烈搅拌使单体很好地分散于溶液中，然后加热使单体交联形成聚合物从溶液中析出附着于芯材表面形成微胶囊，见图1。龚圣等[2]以茶树油为芯材，以原位聚合法制备微胶囊，载药量达45 %，4 d释放量约为68 %，解决了茶树精油气味难闻、易挥发和易氧化的缺点。Lin等[3]通过原位聚合法制备的茉莉花乳液精油微胶囊，粒径仅860 nm，耐沸水和耐酸碱腐蚀，包封率达92 %，在水中的释放时间长达22 d，在香料工业中有潜在的应用价值。

图1 原位聚合微胶囊化工艺示意图[4]

1.2 喷雾干燥法

喷雾干燥法是以喷雾装置将芯材和壁材的混合乳液喷洒至高温干燥介质中，使溶剂快速蒸发进而囊膜固化得微胶囊的方法。但该方法不适合热敏感的天然活性成分，高温会使热敏感的活性成分失活；且喷雾干燥法制备的微胶囊溶剂短时间内蒸发，囊壁容易出现裂缝，致密性得不到保证，不适用于包裹液体芯材，主要用于粉末香料和粉末油脂的包封。Álvarez-Henao等[5]用阿拉伯胶、麦芽糊精和改性淀粉作为壁材，利用喷雾干燥法对叶黄素进行包埋，包埋后的叶黄素具有良好的稳定性。

1.3 复凝聚法

复凝聚法利用带有不同电荷的两种高分子材料作壁材，在适宜状态下发生交联后和芯材凝聚成囊，具体工艺示意图见图2。只有两种物质所带的电荷相等时方能获得最大的产率，而带电荷量又与pH 值和浓度这两个条件密切相关，使反应条件较难控制。但是复凝聚法能避免引入有机溶剂与化学交联剂，且能实现非水溶性液体的微胶囊化。李强等[6]用复凝聚法制备了当归精油的壳聚糖-明胶微胶囊，其抗氧化率约为当归精油的8倍。董志俭等[7]用复合凝聚法合成了薄荷油微胶囊，得到的球状多核微胶囊有良好性能：控制释放、耐高温高湿等。

图2 复凝聚微胶囊化工艺示意图

1.4 界面聚合法

界面聚合法是将两种溶解特性不同（一种可溶于水相，一种可溶于有机相）的壁材单体分别溶解，芯材于分散相溶剂中溶解。而后在水相和有机相中加入乳化剂形成乳液，两相中的壁材单体从内部向相界面发生移动，在两相界面上发生反应形成单体聚合物，包裹芯材形成微胶囊，见图3。董利敏等[8]用界面聚合法制备橄榄油微胶囊，该微胶囊的形状规则、粒径均匀，稳定性好，受温度影响小。Wang等[9]以薰衣草香料为芯材，聚异氰酸酯为壁材，通过界面聚合法成功制备了薰衣草香料的聚脲微粒，包封率为75.68 %，在沉积12周后，薰衣草仅失去不到50 %香气，气相色谱法/氢火焰离子化检测表明用薰衣草微胶囊处理芳香织物比香料乳液具有更好的缓释性能。

图3 界面聚合微胶囊化工艺示意图

1.5 层-层自组装法

层-层自组装法借助各层分子间的强相互作用（如化学键等）或弱相互作用（如静电引力、氢键、配位键等），使层与层自发形成结构完整、性能稳定的分子聚集体。该方法实现了对胶囊的结构、形态、大小、囊壁厚度纳米层面上的精准控制。黄晶等[10]采用层层自组装的方法对百里香精油进行包覆，优化最适的成囊条件，包埋率高达80.23 %。东南大学[11]以有一定功效的活性物质为核，以带相反电荷的聚电解质为壳层，通过层层自组装的方法制备功能纳米微胶囊水溶液，本发明可方便且低成本地制备单一功效或者多功效复合的纳米微胶囊面膜。Ribeiro等[12]报道了制备生物相容性中空多层微胶囊的方法，用壳聚糖和海藻酸盐层序沉积在多孔碳酸钙微核上，再经模板溶解法制备分散良好的中空多层微胶囊，该微胶囊为平均直径5 μm的非聚集球形，激光扫描显微镜观察到成纤维细胞对微胶囊的吸收增强，证明其适合细胞内化。生物相容性中空多层微胶囊具有良好的应用前景，可作为生物活性分子成功包封、保护和控制释放的微胶囊，为药物/基因传递、细胞内转运和组织工程开辟了新途径。

2 微胶囊壁材

微胶囊的壁材对微胶囊制备及其保护效果至关重要。微胶囊壁材的选择需遵循下列原则：①壁材不和芯材发生反应；② 壁材具有一定成膜性、稳定性和机械性能，能将芯材封闭其中；③ 壁材能在特定环境下有效释放芯材；④具有适当的吸湿性和溶解性；⑤ 能满足食品、医药等领域安全卫生的需求；⑥ 用于药品、化妆品、食品等的包封材料最好具有生物黏附性、生物相容性和生物可降解性等特点。

微胶囊的壁材种类有很多，一般为高分子聚合物，主要包括天然的、人工合成的和半人工合成的（见表1）。人工合成材料主要有聚乙二醇、聚乙烯乙醇等，人工合成材料由于其高机械性能、热稳定性能在食品包装、印刷和涂层过程备受青睐，大大增益了天然活性成分如驱虫、防腐等精油的功效和性能。但由于人工合成材料有较大毒副作用，不宜用于经口或经皮产品。半人工合成高分子材料黏性大，较人工合成高分子材料毒性低，但因其易水解且需现配现用的特点，应用也受到限制。而天然高分子材料由于其生物相容性、可生物降解性等优越性能，越来越多地被应用到不稳定天然活性成分的包封中。天然高分子材料微胶囊壁材大致可分为蛋白类聚合物和多糖类聚合物，蛋白类聚合物包括白蛋白和明胶等，多糖类聚合物包括壳聚糖、海藻酸盐、多孔淀粉、透明质酸等。

2.1 蛋白类聚合物

2.1.1 明胶 明胶是由动物皮肤、骨、肌膜等结缔组织中的胶原部分降解而成的白色或淡黄色、半透明、微带光泽的薄片或粉粒，其结构与生物体组织结构相似，是一种天然的高分子材料，因此具有良好的生物相容性。一定浓度的明胶水溶液体系在改变环境条件时会发生溶胶、凝胶之间的状态转换。当溶液浓度高于1 %，温度为0～5 ℃时，体系呈高黏度的凝胶，温度高于35 ℃时，体系为低黏度的溶胶；当溶液中浓度低于1 %时，即使较大程度改变条件也未见到凝胶化作用。正是这些特性使明胶成为微胶囊的良好壁材。明胶易于化学交联或改性，交联度决定了芯材在明胶微胶囊中的释放。井乐刚等[13]以阿魏酸为交联剂制备交联度10 %以上的交联明胶，并以其为壁材，以维生素等的混合物为芯材，采用喷雾干燥工艺，制备出了具有一定缓释性能的复合维生素微胶囊，包埋率在85 %以上。

表1 微胶囊技术常用壁材汇总

2.1.2 白蛋白 白蛋白是一种可生物降解的水溶性蛋白，在循环系统中起重要作用，参与渗透压力调节，并将营养物质输送到细胞。白蛋白具有黏性、胶质性，在pH 4～9范围内是稳定的，可在60 ℃下加热10 h而不产生任何有害影响，常被用作微胶囊的壁材。白蛋白会被蛋白酶分解，有助于微胶囊在小肠中释放活性物质。Lu等[14]提出了一种通过在有机液滴表面吸附白蛋白，然后蒸发有机溶剂来制造空心白蛋白胶囊的方法，所制备出的白蛋白微胶囊粒径只有几微米，形态均匀，性质稳定，适合作为生物相容性容器用于药物递送系统。

2.2 多糖类聚合物

2.2.1 壳聚糖 壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的甲壳素经脱乙酰作用得到的，化学名称为β-(1→4)-2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是自然界中含量第二高的多糖，有良好的药物特性，如生物相容性、生物黏附性、原位凝胶化、对酶水解的敏感性、无毒性及生产成本低等[15]。这些特性及其易于修饰的特性使壳聚糖成为一种多功能的生物活性聚合物，可用于微胶囊壁材。Vishnu等[16]以香草酸接枝改性的壳聚糖为壁材制备了平均粒径2.3 μm的沙丁鱼鱼油微胶囊，鱼油包埋率84 %，有好的抗氧化性能。Kujur等[17]研究了壳聚糖为壁材的原高香精油微胶囊对黄曲霉毒素分泌的抑制及其作用模式。微胶囊化的原高香精油呈粒径7.00～90.0 μm的均匀球形，比未囊化的原高香精油有更强的真菌和黄曲霉毒素双抑制活性，结果表明，壳聚糖包封材料在提高原高香精油的抗菌性能和稳定性方面具有潜在的应用价值。卢亚会等[18]采用原位聚合法制备包覆薰衣草精油的壳聚糖-聚氨酯双层壳香味微胶囊，平均粒径为0.756 μm，分布系数为0.623，可获得较好的香味缓释效果。

2.2.2 海藻酸钠 海藻酸钠是从褐藻类的海带或马尾藻中提取碘和甘露醇之后的副产物。其分子由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸通过（1→4）键连接而成，是一种天然多糖。海藻酸钠的稳定性、溶解性、黏附性和安全性较好，适合作为药物制剂的辅料。中山大学[19]公开了一种壳核香料香精微胶囊及其制备方法，以香料香精为芯材，海藻酸钠和壳聚糖为壁材，通过微流控技术与层层裹覆的方法结合，制备出粒径分布均匀的海藻酸钠-壳聚糖层层裹覆微胶囊，对香料香精微胶囊产品的整体粒径均匀性、缓释性能及稳定性有积极意义。

2.2.3 多孔淀粉 多孔淀粉作为新型的改性天然高分子材料，与天然淀粉相比，经过酶处理以后的多孔淀粉是呈马蜂窝状的中空颗粒，有很好的吸附性。有学者将多孔淀粉用作微胶囊壁材，取得了不错的成果。Lei等[20]通过考察橄榄油与多孔淀粉的质量比、浸渍温度和浸渍时间等限制因素，优化橄榄油微胶囊制备条件，在最佳封装条件下制备的橄榄油微胶囊的最大负载率为33.22 %；考察微胶囊的氧化稳定性，结果表明，橄榄油微胶囊4 d的过氧化值仍高于国家油脂标准。与游离橄榄油相比，橄榄油微胶囊有稳定的橄榄油装载率和显著的氧化稳定性改善。

2.2.4 透明质酸 透明质酸是一种非硫酸化的糖胺聚糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺形成的二糖交替连接而成。透明质酸作为一种可生物降解、生物相容性好、无毒、无免疫原性的天然多糖，存在羧基、羟基等多个可进行交联等化学改性的位点，已有研究将其作为微胶囊的壁材包裹天然活性成分。

透明质酸微胶囊可应用于日化用品。专利CN105832580A[21]介绍了一种含精油微胶囊功效洗发水的制备方法，将具有抑菌作用的茶树精油包裹于透明质酸和海藻酸钠为壁材的微胶囊中，避免了其他化学抑菌剂带来的脱发等问题。专利CN105310894A[22]公开了一种微胶囊型的抗皱眼霜，以透明质酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠为壁材，将活性成分包裹于微胶囊中，实现了活性成分的缓慢均匀释放，避免了因短时间释放给皮肤带来过多的油分和营养而引起的脂肪粒等皮肤问题。

透明质酸微胶囊可应用于抗肿瘤药物。有研究表明，CD44有促进侵袭性肿瘤存活的能力，在肿瘤细胞中的表达明显高于正常细胞，而CD44又是细胞表面最重要的透明质酸受体[23]，基于此，透明质酸已被用在肿瘤药物的传递系统中。将透明质酸作为壁材制备抗肿瘤微胶囊药物，既能在特定部位实现药物释放而达到抗肿瘤药物的靶向作用，又能提高紫杉醇等天然药物的稳定性。Harada等[24-29]一直致力于开发以辐射为导向，利用微胶囊释放对辐射有反应的抗癌药物。先后以透明质酸/壳聚糖、透明质酸/海藻酸钠、透明质酸/鱼精蛋白为壁材制备抗肿瘤药物微胶囊，最终制备了较小粒径（743±34 nm）的微胶囊，解决了微粒较大在全身注射时可能被肺、脑、脾脏等捕获的问题。杨越等[30]用层层自组装法，以巯基改性的透明质酸/壳聚糖为壁材，制备了还原响应性微胶囊，实现了蛋白质的控制释放。

随着透明质酸修饰技术进一步发展及其本身所具有的药物和生物特性，透明质酸及其衍生物在微胶囊壁材等递送系统中的应用也越来越广泛。

3 结论与展望

微胶囊技术可有效地保护天然活性成分，已经实现了在药物、化妆品等产品领域的应用，但还有许多问题未解决，保护效果也需进一步提高。目前主要挑战是提高天然活性成分在生物环境中的稳定性，介导活性成分的生物分布，改善装载量及与生物屏障建立更大的相互作用。壁材的选择与开发是未来研究的主要关注点，进一步开发生物相容性高、生物可降解性好的天然高分子材料应用到微胶囊壁材中，将大大提升天然活性成分的应用价值，也将大大拓展微胶囊的应用领域。