復凝聚法制備精油微膠囊的研究進展

許琳琳，鄭文靜，劉磊，李思佳，崔媛媛，劉容，孫衛東

（廣西大學 輕工與食品工程學院，南寧 530000）

1 概述

微膠囊化也被定義為包裝技術，固體、液體或氣體材料的單個液滴或顆粒被包埋在微米至毫米范圍內的膠囊中，可以在特定條件下控制性地釋放芯材［1，2］。微膠囊的壁材可以由多種材料配制，包括天然化合物和合成聚合物。在微膠囊化過程中使用天然聚合物壁材近年來受到相當大的關注，特別是從成本、環境問題和安全性的觀點來看，因為在自然條件下，合成聚合物的生物降解非常緩慢，其中一些根本不經歷生物降解［3］，這樣就造成了環境污染。已經研究出的制備微膠囊的方法大致可以分為三類：物理機械法、化學法、物理化學法。其中，化學法包括界面聚合法、原位聚合法、界面配位法等；物理化學法包括相分離法、單凝聚法、復凝聚法、干燥浴法、熔化－冷凝法等；物理機械法包括噴霧干燥法、噴霧冷卻法、噴霧冷凝法、包結絡合法、擠壓法等［4］。在這些制備精油微膠囊的方法中，復凝聚法是最常用且最溫和的方法，因為此法不涉及高溫。

2 復凝聚法

復凝聚法被認為是真正的微膠囊化，因為芯材完全被連續的壁材所包圍。復凝聚涉及一個或多個相互作用的水解膠體，特別是在同一反應介質中帶相反電荷的蛋白質和多糖。復凝聚依賴于生物聚合物攜帶的電荷、凝聚混合物的pH、離子強度、兩種生物聚合物之間的比率和其他化學、物理因素。pH值在復雜的凝聚中起著重要的作用，因為它通過影響蛋白質官能團（氨基）和碳水化合物（羧基）的電離度影響蛋白質和碳水化合物凝聚的形成［5］。在一個混合物中含有一種陰離子多糖和一種蛋白質，調節pH值低于等電點（pI）或等電點pH（IEP）會導致兩種生物聚合物的最大靜電吸引力攜帶相反的電荷。

Tiebackx等［6］最早使用復凝聚法制備微膠囊，但Bungenberg和Kruyt［7］是第一個系統地研究明膠－阿拉伯膠的凝聚現象并創造了復合凝聚這個名字的人。凝聚是在膠體體系中分離成兩個液相，更集中于膠體組分的相是凝聚層，另一相是平衡溶液。如果存在靜電吸引力，則會發生兩種聚合物在水中的締合相分離。復合凝聚是由兩個帶相反電荷的膠體相互作用引起的凝聚。之后，Overbeek和Voorn發展了第一個理論模型［8］。隨后的理論模型由 Veis等人開發［9－12］。1957年，美國NCR公司的Green B K等發明了相分離法，首次將液體材料進行微膠囊化［13］，采用復合凝聚原理制備出芯材為油相的微膠囊，并直接將微膠囊技術應用于壓敏性無碳復寫紙，開創了以復凝聚法為基礎的相分離微膠囊技術制備新型功能材料的新領域［14，15］。從復合凝聚物的生物學和實際意義上來看，關于復合凝聚物的研究是相當稀缺的。DNA與轉錄和儲存蛋白質的相互作用以及肝素、透明質酸和硫酸軟骨素與蛋白質的結合是蛋白質和聚電解質之間體內結合的實例。近些年，復凝聚法常用于制備精油微膠囊，如大蒜油微膠囊、芥末油微膠囊、薰衣草油微膠囊、茶樹油微膠囊、檸檬油微膠囊、甜橙油微膠囊、香茅油微膠囊等。

復凝聚已經在微膠囊化方面引起了很大興趣，它被用于農業化學品、藥品和食品等產品［16］。復合凝聚相比于其他方法的最主要優點是它非常高的裝載率（高達99%）和可以控制釋放或者緩釋。對比其他微膠囊技術如噴霧干燥，復凝聚是一個溫和的過程，因為其不涉及高溫。因此，在這個過程中可以避免風味的退化或蒸發。凝聚微膠囊不透氧，因為芯材完全被連續的壁材所包圍。因此，芯材可以被保護免受氧化或蒸發。

3 復合壁材

多糖和蛋白質是兩種常見的天然水溶性高分子聚合物，它們生物相溶性好、易于生物降解、無毒無害的性質也使它們成為復凝聚法中最常用的復合壁材。

3.1 多糖

常用于復凝聚法中的多糖包括阿拉伯膠、殼聚糖、果膠、瓊脂、海藻酸鈉和卡拉膠等。

阿拉伯膠也稱阿拉伯樹膠，因為結構上帶有部分蛋白質及鼠李糖等多糖，使其有良好的親水和親油特性，易溶于水，粘度低。阿拉伯膠也具備良好的乳化香精能力和優越的成膜性能，對香氣物質具有良好的保持能力，所以被廣泛應用于包埋精油。

殼聚糖（CS）具有許多獨特的生物學性質，如無毒，可生物降解性和有抗菌活性。CS是親水性陽離子聚合物，在酸性溶液中能發生質子化反應，能與聚陰離子發生成膜反應，是一種性能良好的包埋壁材。

卡拉膠可以使用水或堿性水從紅藻里提取，隨后進行醇沉淀。κ－卡拉膠是由半乳糖和脫水半乳糖通過糖苷鍵連接組成的線性多糖。它由一個帶負電荷的硫酸酯基組成，在高于60℃的溫度下可溶。通過足量的膠凝陽離子，κ－卡拉膠可以毫無困難地形成凝膠。所以，卡拉膠是凝膠制劑的良好賦形劑、懸浮穩定劑、食品和藥妝產品中的增稠劑，并且適合作為控釋和緩釋遞送載體［17］。

3.2 蛋白質

蛋白可分為動物蛋白（如明膠、乳蛋白、清蛋白、絲蛋白等）和植物蛋白（如豌豆蛋白、扁豆蛋白、大豆蛋白以及它們的分離物）［18］。

明膠是哺乳動物膠原蛋白的部分水解產生的水溶性蛋白質［19］。明膠可以分為兩類：A型明膠，是通過豬皮的酸水解產生；而B型明膠，是由堿水解動物皮膚產生［20］。明膠的等電點范圍為pH 4.5～5.3。明膠具有良好的乳化性、成膜性、可降解性，生物相容性好，并且安全可食用，來源廣泛，所以是一種良好的包埋壁材。

大豆分離蛋白是食品工業中廣泛應用的一種原料，具有較強的成膜性，已被應用于活性成分的微膠囊化研究。大豆分離蛋白不僅來源豐富，而且是一種兩性電解質，在其等電點（pH 4.5～4.8）以下帶正電［21］，當調節pH在其等電點以上時，可以和聚陽離子的殼聚糖產生靜電作用而形成復凝聚體系。

3.3 復凝聚體系

特定pH下，帶不同電荷的蛋白質和多糖可以組成復合壁材。因為改變pH時，作為兩性電解質的蛋白質既能和陰離子多糖發生靜電作用又能和陽離子多糖發生靜電作用而形成可溶或者難溶的凝聚物。已經研究出的這樣的復凝聚體系有明膠－阿拉伯膠、明膠－殼聚糖、明膠－瓊脂、明膠－海藻酸鈉、明膠－果膠、乳清蛋白－阿拉伯膠、大豆分離蛋白－阿拉伯膠、大豆分離蛋白－殼聚糖、大豆分離蛋白－果膠、大豆分離蛋白－海藻酸鈉等。在特殊的條件下，兩種多糖間也可發生復合凝聚如殼聚糖－阿拉伯膠和殼聚糖－海藻酸鈉［22］。

4 復凝聚法制備精油微膠囊實例

Liu等［23］研究了殼聚糖和明膠作為壁材包埋廣藿香油制作微膠囊。通過掃描電子顯微鏡表征形態分析，結果表明微膠囊呈球形，粒徑分布在1～2μm范圍內。包埋率和裝載量分別為50.69%和30.31%。然后，使用2D樹脂作為交聯劑將所得微膠囊接枝到棉織物上。掃描電子顯微鏡顯示微膠囊不僅被接枝到織物的表面，而且還插入了纖維里。最后，洗滌25次后，金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌率均為65%左右，這表明其在諸如抗菌面膜、抑菌片和保健服裝等領域具有潛在的應用前景。

Dong等［24］以谷氨酰胺轉氨酶為固化劑，使用明膠和阿拉伯膠作壁材制作薄荷油微膠囊。在不同的分散介質中研究薄荷油微膠囊的釋放規律。結果表明：其釋放規律遵循一級釋放動力學熱水模型和高溫烘箱中的零級釋放動力學模型。微膠囊在熱水中的釋放階段可以分為初始的快速釋放階段和后來的緩慢釋放階段。在冷水中貯存40天，僅釋放了約7%的薄荷油，表現出優異的儲存穩定性。

Specos M M［25］以明膠－阿拉伯膠為壁材，以香茅油為芯材制備香茅油微膠囊并應用于棉紡織品以研究所得織物的驅避效力。處理過的紡織品中釋放的香茅油是由其主要組分的可提取物間接監測的。與用精油乙醇溶液噴過的織物相比，用香茅油微膠囊進行處理的織物提供了更長和更持久的昆蟲防護，確保驅避效果高于90%的時間長達3周。

劉萬龍［26］以明膠－阿拉伯膠作為壁材，以薰衣草精油為芯材，制備薰衣草油多核微膠囊。考察了pH值、芯/壁比、壁材濃度、攪拌速度、交聯劑和均質速度對微膠囊外觀、平均粒徑、產率、負載量和包埋率的影響。得出最佳條件是pH值3.5、芯/壁比3∶2、壁材濃度1%、攪拌速度450r/min，均質速率19000r/min，戊二醛作為交聯劑。在最佳條件下，最高產率為（65.8±1.0）%；最大裝載量為（61.3±0.7）%；最高包埋率為（66.0±0.3）%。

Leefong S等［27］以A型或B型明膠和阿拉伯膠作為壁材，以大蒜油作為芯材制備大蒜油微膠囊。研究了pH值對其包埋率和裝載率的影響。結果顯示，在pH 4.5時包埋率最高，在pH 3.5時裝載率最高。掃描電子顯微鏡觀察顯示A型或B型明膠－阿拉伯膠制備的微膠囊呈球形，光滑。制備的微膠囊在pH為2的胃蛋白酶溶液中，5h期間表現出可以控制釋放大蒜油。在45℃貯存12天期間，由A型或B型明膠－阿拉伯膠制成的微膠囊凝聚層保護了大蒜油免受初次和二次氧化。

張松等［28］以殼聚糖、海藻酸鈉、氯化鈣為復合壁材，以檸檬醛為芯材制備微膠囊，研究了殼聚糖、氯化鈣、海藻酸鈉用量對微膠囊含油量、粒徑、孔徑和比表面積的影響，確定了檸檬醛微膠囊的最佳制備條件，并測試了其緩釋性能。檸檬醛微膠囊的最佳制備工藝條件為：在殼聚糖1.2011g/50mL H2O、海藻酸鈉3g/dL H2O、氯化鈣1.5g/50mL H2O、精油1mL時，檸檬醛含量為2.18%。

Lv等［29］使用明膠和阿拉伯樹膠作為模型系統建立凝聚層和相應的微膠囊之間的緊密相關性。通過比濁滴定和ζ電位測量，在pH 4.1、混合比例為1∶1（W/W）下獲得最佳的凝聚層。其中zeta電位測量有助于建立壁材的混合比率；濁度分析有利于找到適合最高濁度的最佳pH值，從而制成完美的微膠囊。

近10年國內外復凝聚法制備的精油微膠囊種類見表1。

表1 近10年國內外復凝聚法制備的精油微膠囊

5 精油微膠囊在調味品中的應用

將天然香辛料直接加入食品，這種方法的不足之處是不能最大限度利用原料，況且有些香辛料必須要經過預先發制，這樣使用起來會很不方便。為了改善這種情況，學者們研究并提取了芥末精油、生姜精油、大蒜精油等調味精油，為方便調味品譜寫了新的篇章。然而，這些精油又存在易揮發、易被氧化的缺點，所以儲存周期短、效益較低。近些年，學者們又提出將這些精油進行微膠囊化，相繼制備出芥末精油微膠囊、生姜精油微膠囊、大蒜精油微膠囊等精油微膠囊，抑制了精油的揮發損失，提高了其有效成分含量，方便儲存，商品貨架期變長。微膠囊化方法有很多，復凝聚法以其制備過程溫和而常被學者們應用，吳珺［30］研究了復凝聚法可控制備生姜精油微/納米膠囊，結果顯示：生姜精油微膠囊耐熱性好，大小均勻，囊壁厚度適中，能夠長時間保持穩定，包埋前后生姜精油主要成分沒有變化，緩釋性能良好。黃國清等［31］研究了大豆分離蛋白－殼聚糖復凝聚法制備大蒜油微膠囊，結果顯示：此法制備的大蒜油微膠囊保留了典型的蒜香味，且降低了大蒜油的刺激性氣味。

6 結論與展望

從大量的文獻來看，相分離主要是由熵驅動的，并且最可能歸因于蛋白質和多糖的相反離子的離域。在強聚酸的情況下，通常是形成沉淀物而不是液體凝聚相。濃縮聚合物相的結構似乎與連續聚合物相似，蛋白質以及單個多糖分子可以在其中擴散。時間尺度的擴散從幾毫秒到幾天，取決于互動的強度。從流變學的角度來看，濃縮相比彈性更粘稠，并且流變學類似于濃縮顆粒分散體的行為。由于難以描述系統中相關的電荷分布，理論發展是有限的。

蛋白質和多糖的絡合在理論和實際上都是令人感興趣的。關于實際的復配有明確的結論。它們可以被認為是新的膠體實體，實際上是不帶電的，并且相互吸引形成稱為凝聚相的濃縮相。增加的離子強度減少了相互作用。因此，離子強度在氣液過渡中具有與溫度類似的作用。與此觀察一致的是凝聚相轉變的溫度獨立性。在高濃度下，濃縮相似乎是亞穩態的。在理論層面上，一致地描述一系列實際現象是一個相當大的挑戰。所以，復合凝聚層的實際應用仍需繼續研究。