微膠囊的研究進展與展望

湯 虎，張 浩，欒 倩，黃鳳洪，鄭明明，鄧乾春，向 霞，楊 陳

（中國農業科學院油料作物研究所，油料脂質化學與營養湖北省重點實驗室，湖北武漢 430062）

微膠囊的研究進展與展望

湯 虎，張 浩，欒 倩，*黃鳳洪，鄭明明，鄧乾春，向 霞，楊 陳

（中國農業科學院油料作物研究所，油料脂質化學與營養湖北省重點實驗室，湖北武漢 430062）

微膠囊因其優越的結構和性能特征使得微膠囊技術成為當今世界重點發展的技術之一，它的出現解決了工業領域中的許多難題。通過闡述微膠囊的優良特性、常用壁材分類、主要制備技術，以及微膠囊在化妝品、醫藥、食品領域中的應用情況，對微膠囊技術的應用前景進行了展望。

微膠囊；壁材；芯材；功能活性物質

微膠囊技術是一種發展迅速、用途廣泛而又比較成熟的高新技術[1]，是將天然或者人工合成高分子材料作為包囊材料，將囊芯（固體、液體或者氣體）物質包覆形成一種具有半透性或密封囊膜的微膠囊技術，其中包裹芯材的物質為壁材，被包裹的物質為芯材[2]。微膠囊技術始于20世紀30年代，由大西洋海岸漁業公司提出并用于制備魚肝油-明膠微膠囊，經過幾十年的發展，隨著微膠囊制備技術日益成熟，已被廣泛地用于化妝品、醫藥、農業、食品等領域[3-7]。

1 微膠囊的特性

微膠囊技術主要通過采用高分子材料包埋功能活性物質，在芯材周圍形成一個致密的物理屏障，以減少其與外界環境的反應[8]。對活性物質進行微膠囊化可以改善物質的物理性質，提高其穩定性，防止或減少活性物質失活，減少有毒物質對環境和人類造成的不利影響[9]。近年來的研究表明，微膠囊具有以下較為突出的優點[10]。

（1）減少了外界環境（如光、氧氣、水等條件）對功能活性物質的影響，延長了保存期。許多易氧化、易見光分解、易受溫度或水分影響的活性物質經微膠囊包埋后，由于壁材的保護有效阻止了其氧化，避免或降低了溫度和濕度等方面的影響，提高了芯材的穩定性。

（2）減少了活性物質向環境的擴散和蒸發，從而降低風味成分的揮發性，減少風味損失。

（3）具有控釋或緩釋作用，可降低毒性。采用微膠囊技術制造的藥物制劑，可以通過控制芯材的釋放來達到定向釋放效果，減輕對胃腸道的毒副作用。

（4）改善感官特性，以掩蓋其令人厭惡的味道或氣味，同時改善其視覺外觀及結構。

（5）可通過將液體轉換為更易處理、使用和儲存的固體顆粒來改善流動特性。

2 微膠囊壁材

微膠囊壁材主要用于保護芯材免受外界環境影響、防止芯材和其他成分過早反應，以及根據預設條件控制芯材釋放等方面。微膠囊技術的應用效果很大程度上取決于壁材的選擇，不同壁材決定著微膠囊產品的理化性質[8]。理想的微膠囊壁材選擇必須遵循以下3個原則：①壁材與芯材不發生化學反應；②壁材具有一定的力學強度；③壁材具備適當的溶解性、流動性、乳化性、滲透性和穩定性等[11]。用于制作微膠囊壁材的材料通常為成膜性能較好的高分子材料，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類[12-13]。

2.1 天然高分子材料

天然高分子材料因為具有無毒、良好的化學穩定性、良好的生物相容性和生物可降解性等優點而被廣泛用作微膠囊壁材，碳水化合物和蛋白質是最常用的兩類。碳水化合物類壁材主要有海藻酸鈉、殼聚糖、纖維素、阿拉伯膠等，蛋白質類壁材主要有明膠、白蛋白、大豆蛋白等[14]。

2.1.1 海藻酸鈉

海藻酸鈉是最常用的微膠囊壁材之一，它是來源于海洋植物巨藻、海帶和馬尾藻中的一種由β-D-甘露糖醛酸（M段）和α-L-古羅糖醛酸（G段）通過（1-4）糖苷鍵聚合而成的線性陰離子天然多糖。海藻酸鈉作為增稠劑、乳化劑和穩定劑，已被廣泛地應用于食品和化妝品等領域[15-16]。海藻酸鈉的一個重要性質是在室溫下遇到二價陽離子，如Ca2+，Ba2+等，會出現交聯而形成凝膠，這種溫和的轉變條件對于保持細胞或生物分子活性相當重要，而且凝膠的三維網狀結構有助于細胞的生長及代謝[17]。李勝等人[18]制備了海藻酸鈉-殼聚糖微膠囊，并將其用于包埋β-欖香烯，包封率為70%，體外釋放7 d的釋放率僅為35%，極大地降低了釋放速率，表現出一定的緩釋性質。

2.1.2 明膠

明膠是一種親水性膠體，具有保護膠體的性質，可用作疏水性膠體的穩定劑和乳化劑。由于明膠的熔點和凝固點均低于人體體溫，制備成微膠囊后具有入口即化的優點[19]。張巖等人[20]以明膠為壁材、芝麻油為芯材制備的微膠囊，顯著地提高了芝麻油的穩定性。

2.2 半合成高分子材料

可用作微膠囊壁材的半合成高分子材料主要是纖維素衍生物，如甲基纖維素、乙基纖維素等，此外還有雙硬脂酸甘油酯、羥基硬脂醇等油類。半合成高分子材料的特點是毒性較小、黏性大、易水解、不宜高溫處理，需現用現配。Clinton R等人[21]以乙基纖維素作為壁材，制備了大小均一的楊梅多酚微膠囊顆粒，分別研究了其在模擬胃酸環境（pH值2.0）和腸道環境（pH值8.0）下的釋放行為，緩釋率分別為2.56%～15.14%和87.37%。

全合成高分子材料是一類成膜性好、化學性質穩定、力學強度大、儲存運輸方便的材料，但由于這類材料在制備過程中使用的有機溶劑不僅成本高，也可能造成環境污染，近年來發展起來的可生物降解材料引起廣泛關注[12]。常見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 微膠囊的制備方法

制備微膠囊的方法一直是許多科研工作者的主要研究方向之一，從原理上可分為物理法、化學法和物理化學法三大類，根據不同的操作工藝又可進一步分成若干種制備方法，各制備方法都具有各自的特點、適用范圍和使用對象[22-23]。

3.1 物理法

3.1.1 噴霧干燥法

噴霧干燥法是將壁材與芯材制備成混合溶液，通過噴霧干燥噴嘴，將熱空氣帶走水分后得到顆粒狀的產品，其使用成本低、設備要求低、易于獲取，能夠連續加工進行大批量生產，顆粒大小大多保持在1 mm左右[24]。劉楠楠[25]采用噴霧干燥法，以阿拉伯膠和大豆分離蛋白為壁材用于包埋芝麻油，顯著提高了芝麻油的熱穩定性。

3.1.2 擠壓法

擠壓法是最普遍的利用親水膠體制備微膠囊的方法，將制備的親水膠體溶液與芯材混合，采用注射式針頭擠壓混合溶液，使其逐滴滴入固定液中，通過針頭的直徑和液滴下落的距離來控制產品的形狀與大小，操作簡單、成本低[26]。著名的益生素生產商Vesale Pharma公司基于擠壓法制備的益生菌微膠囊直徑為150～600 μm，并且可以在許多不利條件中保持良好的存活率[27]。

近年來，醫藥行業的發展取得長足的進步，但隨之而來的壟斷問題為其發展蒙上厚重陰影，各類藥品的超高定價、屢屢斷供是藥品行業壟斷最直接的表現，其在原料藥的供應與定價上表現得尤為明顯。2015年國家發展和改革委員會發布《關于印發推進藥品價格改革意見的通知》，決定從同年6月1日起取消除麻醉藥品和第一類精神藥品以外藥品的政府定價，逐步建立以市場為主導的藥品價格形成機制，最大程度上降低政府對藥價形成的干預力度①。中國的藥品價格形成機制經歷了藥品分類管理模式、政府指導定價模式到當前的市場形成機制，實現了根本性的轉變，但由于缺乏有效的管控機制，藥品行業價格壟斷行為頻頻發生、屢禁不止，給藥品行業造成巨大沖擊。

3.1.3 空氣懸浮法

空氣懸浮法是用流化床的強氣流將固體芯材顆粒懸浮于空氣中，將一定黏度的壁材溶液涂覆于芯材顆粒表面，通過提高氣流溫度使壁材中的溶劑揮發，從而形成微膠囊[28]。黃序等人[29]采用空氣懸浮法制備的微膠囊可以保護益生菌免受胃酸破壞，而且壁材具有腸溶性，可以有效地起到益生作用。

3.2 化學法

3.2.1 界面聚合

界面聚合是將2種活性單體分別溶解于不同的溶劑中，然后分別加入乳化劑以形成乳液，當一種溶液分散在另一種溶液中時，在2種溶液的界面會發生聚合反應以制備微膠囊的方法，通過該法制備的微膠囊適用于液體芯材（如甘油和藥用潤滑油等）的包埋[14]。董利敏等人[30]采用界面聚合法制備了以聚氨酯為壁材、橄欖油為芯材的護膚微膠囊。

3.2.2 原位聚合

原位聚合法需先將聚合物單體溶解在含有乳化劑的水溶液中，再加入不溶于水的芯材后，經過劇烈攪拌使單體均勻分散在溶液中，交聯后形成微膠囊的方法。原位聚合法與其他的微膠囊制備方法相比，具有成球相對容易、成本低、收率高等優點，易用于工業化生產[28]。來水利等人[31]采用原位聚合法制備了以苯乙烯-二乙烯基苯為壁材、環氧樹脂和苯甲醇為芯材的具有自修復功能的微膠囊。

3.2.3 銳孔-凝固浴法

銳孔-凝固浴法是將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裝置將混合溶液滴加到固化劑中，高聚物在固化劑中迅速固化從而形成微膠囊[14]。屈小媛等人[32]采用銳孔-凝固浴法，以海藻酸鈉和殼聚糖為壁材、黑樹莓果汁為芯材，包埋率可達87.15%。

3.3 物理化學法

3.3.1 單凝聚法

單凝聚法也稱為沉淀法，是將芯材分散于聚合物壁材溶液中加入沉淀劑，使壁材和芯材一起從溶液中析出，從而制備微膠囊的方法[14]。杜靜玲等人[33]以明膠和聚天冬氨酸為壁材，采用單凝聚法制備了VA棕櫚酸酯微膠囊，包埋率達84.3%，并通過試驗證實了穩定性的提高。

3.3.2 復凝聚法

復凝聚法是利用2種帶相反電荷的高分子材料通過離子間相互作用而交聯，因體系接近等電點使得溶解度降低，從溶液中析出形成微膠囊[34]。Hari P等人[35]采用復凝聚法制備了海藻酸鹽-殼聚糖微膠囊用于包埋牛血清蛋白，并研究了其在不同pH值條件下的釋放行為。

3.3.3 干燥浴法（復相乳液法）

干燥浴法是將壁材與芯材的混合溶液乳化后以微滴形式分散到具有揮發性的介質中，再通過加熱、減壓、攪拌、溶液萃取、冷凍、干燥等手段除去溶劑，從而實現微膠囊化[36]。

4 微膠囊的應用

4.1 化妝品

目前，市場上的各種美容護膚類化妝品大多是與水不相溶的油脂、表面活性劑和水組成的油包水或水包油的體系；此外，激素、酶、防曬劑、祛斑劑、抗皺成分等功能物質常常被添加到此體系中以獲得保濕、潤膚、美容等作用。然而，這些功能物質常常對外界環境（如溫度、氧氣、水、微生物等）敏感，會因為氧化、分解而變質使功能下降，有些甚至會對皮膚造成一定的傷害。將這些功能成分作為芯材制備成微膠囊來改善這些不足，近年來備受關注，微膠囊化妝品主要優點如下[37-38]。

（1）控制釋放，達到定時、緩慢釋放，能夠減少化妝品的涂抹次數。例如，將黃芪、甘草、蘆薈、熊果苷、當歸、沙棘等包埋于微膠囊中，利用其緩釋功能可延長活性成分的作用時間，減少涂抹次數。

（2）減少添加劑對皮膚的刺激作用。果酸等對皮膚有良好再生、抗衰老功效，但直接與皮膚接觸會對皮膚造成刺激反應，包埋于微膠囊中可防止刺激，為皮膚提供持久的保護[36]。

（3）避免原料物質之間發生化學反應。如果原料中有容易發生反應的幾種物質組成，將其中的某種物質制備成微膠囊實現隔離作用，可以避免幾種物質之間發生化學反應，從而增加穩定性、延長保質期。例如，染發類化妝品的配制過程中，將氧化劑或染發劑制備成微膠囊，從而獲得方便使用的染發類化妝品[39]。

（4）屏蔽作用。如亞麻油具有良好的護膚作用，但是它散發出難聞的氣味限制了其在化妝品行業中的應用，將其制備成微膠囊后再添加到化妝品中，可以有效地掩蓋難聞的氣味[39]。

4.2 醫藥

微膠囊在醫藥領域中起著重要作用，許多不能直接使用的藥物或者直接使用時治療效果不理想，采用合適的微膠囊包埋藥物可以實現定時、定點的釋放藥物來改善治療效果。目前有越來越多的療法都涉及到微膠囊，主要優點如下。

（1）提高藥物的半衰期。很多藥物在人體血液中的半衰期短，不能長時間使濃度保持在有效治療濃度以上，采用微膠囊技術包埋藥物后，可以實現藥物的緩慢控釋，不僅減少了給藥次數，也避免了高濃度藥物對人體的副作用。Vandenberg G等人[40]以殼聚糖和陰離子海藻酸鈉為壁材制備的微膠囊用于藥物的包埋，能夠顯著地降低藥物在酸性條件下的釋放速度。

（2）保護藥物。蛋白質類藥物容易被蛋白酶降解；此外，外源性蛋白在體內會產生抗原抗體反應，使藥物失去活性，采用微膠囊包埋藥物，可以避免此現象發生。Wang D等人[41]以聚（乳酸-乙醇酸）為壁材制備了包埋質粒DNA疫苗的微膠囊，可以保護質粒DNA免受脫氧核糖核酸酶的降解作用。

（3）靶向給藥。有些藥物（如抗癌藥物）對正常細胞有殺傷作用，采用微膠囊包埋藥物，并在微膠囊表面接上與癌細胞有親和作用的分子，就可給予抗癌藥物一定的靶向作用。吳遠等人[42]將絲裂霉素和磁性四氧化三鐵共同包埋在以聚碳酸酯為壁材的微膠囊中，制備了具有磁靶向作用的載藥微膠囊。結果表明，此微膠囊具有良好的磁響應性能，并且腫瘤抑制率遠遠超出無磁性的載藥微膠囊。

（4）提高藥物的吸收。皮膚、胃腸壁以及黏膜是防止外物入侵的重要防線，藥物不容易吸收，采用微膠囊包埋藥物可提高人體對藥物的吸收程度。Thanou M等人[43]以三甲基殼聚糖鹽為壁材制備的微膠囊用于包埋蛋白類藥物，結果表明三甲基化率為60%的殼聚糖能促進腸壁對藥物的吸收。

4.3 食品

微膠囊技術在食品加工領域已經得到國際認可，并被列為21世紀重點研究的技術，解決了食品工業的許多難題，表現出巨大的優越性。主要優點如下。

（1）將活性成分與外界環境隔離，保護對熱、pH值、水分、氧化劑等環境條件敏感的食品組分。保健食品中的膳食纖維、活性多糖、多不飽和脂肪酸、活性肽和活性蛋白等生理活性物質具有增強人體免疫力、抗衰老、防疾病等功能，但是這些物質大多不穩定，易受光、熱、氧氣等因素影響，采用微膠囊技術可以提高它們在功能性食品中的可用性[44]。Wang Y等人以多孔淀粉和明膠為壁材制成葉黃素微膠囊，研究表明葉黃素微膠囊較游離的葉黃素有著更好的抵抗溫度、光照、pH值和氧氣濃度變化能力，并且緩釋能力可提高15%～50%。

（2）降低或掩蓋食品中的某些組分給產品帶來的異味、不良顏色等。在食品中添加食品添加劑既能改善食品的色、香、味等感官品質，也能滿足一定的防腐和加工工藝的需要，但一些不良因素也會被帶入食品中，如不良氣味和色澤等，而微膠囊技術可以改善包埋物質的物理性質，屏蔽味道和氣味。螺旋藻是一種營養成分全面的優質食品添加劑，但是藻腥味限制了其應用，徐建樣等人[45]將其微膠囊化，不僅大大降低了藻腥味，同時也增強了貯藏穩定性。

（3）緩慢釋放，避免副作用。食品工業中一般用防腐劑抑制有害微生物的生長和繁殖，以延長食品的貨架期，但是防腐劑中常常含有對人體有害物質。孫肖明等人[46]以硬化油脂為壁材、山梨酸為芯材制備的微膠囊，不僅可以避免山梨酸與食品直接接觸，同時也可以實現緩慢釋放出防腐劑的目的，得到更好的殺菌效果。

（4）增強食品的風味和提高食品風味穩定性。在糖果、肉制品、雞精等食品中添加香精和香料等可以增加食品的香氣與食欲，采用微膠囊技術包埋香精和香料不僅可以防止它們直接接觸食品，同時也可以避免在高溫高壓等條件下受到破壞。朱衛紅等人[47]以β-環糊精為壁材、薄荷油為芯材制備的微膠囊香料，結果表明添加微膠囊香料比直接添加香料具有更強的風味。

5 微膠囊的發展趨勢

微膠囊因其優越的結構和性能上的特征使得微膠囊技術成為當今世界重點發展的技術之一，有關微膠囊的研究和開發也取得較大的進展，許多難題都因微膠囊技術的應用而得到解決，如保護功能活性物質免受外界環境的影響，屏蔽不良的顏色、氣味和味道，降低毒性，延長功能活性物質的存儲時間等。但是，微膠囊技術還存在著許多不成熟之處，許多基礎理論和實際應用問題需要深入研究與解決。例如，微膠囊粒徑和性能均一性的把控，微膠囊芯材釋放速率的精密控制，性能優良、價格低廉的微膠囊壁材開發，微膠囊技術工業化生產等。

隨著人們對微膠囊技術研究和認識的不斷加深，特別是新的壁材不斷被發現，新制備技術的不斷開發，生產設備的不斷升級，微膠囊技術將為化妝品、醫藥以及食品等領域發展起到積極的推進作用。我國微膠囊技術研究起步較晚，大部分依賴進口的現狀使得微膠囊的應用成本明顯提高，限制了微膠囊在國內的廣泛使用。隨著社會、經濟和科學技術的發展，人們對生活質量要求的提高，對微膠囊的需求也因其應用領域的不斷增加而增大，有助于開展具有生物相容性的新型生物活性物質（益生菌等）微膠囊、多重響應性微膠囊以及多種藥物共包埋微膠囊的研究。

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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

中國農業科學院科技創新工程（CAAS-ASTIP-2013-OCRI）；國家公益性科研院所專項資金項目（1610172016006）。

湯 虎（1982—），男，博士，助理研究員，研究方向為天然高分子材料的改性和功能化。

*通訊作者：黃鳳洪（1965—），男，博士，教授，研究方向為油料加工、油脂營養與功能產品。