微乳液凝膠顆粒制備及其應用研究進展

閆文佳，賈 鑫，顏金鑫，殷麗君

（中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院, 北京 100083）

親脂活性分子，如脂溶性維生素、香精油、活性脂質等，幾乎不溶于水且對氧氣、溫度和日光都比較敏感[1?3]，在食品加工和人體胃腸道消化過程中其活性被部分或完全破壞，其在食品基質中的應用面臨一定挑戰(zhàn)[4]。此外，這些親脂性活性化合物在腸粘膜的擴散受限，通過腸上皮細胞的滲透性低，極大地降低了它們在人體中的生物利用度[5]。因此，有必要保護這些親脂性化合物，并將其在靶向位置高效釋放以提高其生物利用度，如香精油在口腔中的突然釋放，或保護脂溶性維生素順利通過胃部并在腸道中大量釋放。近年來，在食品研究中以乳化為基礎的包封脂溶性分子的方法有很多，如傳統(tǒng)乳液、納米乳液、雙乳液、乳液凝膠等，微乳液凝膠顆粒是一類相對較新的軟固體[6]。目前，關于其作為親脂活性分子遞送體系的制備、控制釋放特性和實際應用仍缺少系統(tǒng)性的總結。因此，本文結合國內外的文獻報道，綜述食品微乳液凝膠顆粒這一傳遞載體的最新研究進展，并重點探討了微乳液凝膠制備技術、控制釋放特性及其應用，旨在為食品微乳液凝膠顆粒的制備工藝及其在食品領域的開發(fā)利用提供一定的借鑒。

1 微乳液凝膠顆粒的制備

微乳液凝膠顆粒是一種相對較新的軟固體。微乳液凝膠顆粒的微觀結構與乳液凝膠的結構相似，但兩者的物理特性和尺寸不同。在微乳液凝膠顆粒中，乳化劑使得乳化液滴均勻且穩(wěn)定地分布于分散相中，膠凝劑使得幾個乳化液滴周圍形成柔軟的固體外殼，然后將其并入連續(xù)的凝膠基質中[7]。常用的天然大分子乳化劑和凝膠基質主要是蛋白質和多糖這兩類食品膠體。蛋白質類包括大豆分離蛋白、乳清分離蛋白等，多糖類主要有瓊脂、結冷膠和海藻酸鈉等。構建微乳液凝膠顆粒傳遞載體并不是將原材料進行簡單混合，而是采用一定的技術手段、工藝過程使其形成有序并具有特定功能的結構。微乳液凝膠顆粒制備機理是基于分子相互作用，在適當?shù)臈l件下（如離子強度、溫度、pH等）使用不同的技術，將初始乳液直接凝膠化成微米大小的軟乳液凝膠顆粒。常用的微乳液凝膠顆粒制備方法主要包括聚合物擠出法、多重乳液凝膠法和流體凝膠法等。

1.1 聚合物擠出法

聚合物擠出是指較高濃度的聚合物在一定的壓力、流速和溫度下通過噴嘴被擠出的過程，擠出的聚合物通常會由于與釋放的蒸汽或離子發(fā)生反應而改變質地，從而導致其凝膠化[8]。乳液微凝膠顆粒的形成是通過將乳液通過一個噴嘴來實現(xiàn)的。研究人員已使用這種方法成功制備出乳清蛋白乳液凝膠微顆粒或“乳清蛋白乳狀凝膠珠”[9]。研究表明通過注射器將經(jīng)過變性的乳清分離蛋白（Whey Protein Isolate，WPI）穩(wěn)定化的乳液液滴注入裝有CaCl2溶液中時，所得顆粒的彈性、大小和形態(tài)均受到鈣離子濃度的影響。Lin等[10]用聚合物擠出法制備了海藻酸鈉/大豆分離蛋白復合乳液凝膠顆粒；油滴表面吸附的大豆分離蛋白可以阻止油滴在凝膠過程中的再結合，海藻酸鈉凝膠增強了膠體顆粒的結構穩(wěn)定性。聚合物擠出技術的主要缺點是形成的微凝膠顆粒尺寸較大（＞500 μm）。當微粒超過100 μm時，會影響食物的感官，所以當微粒加入到食物中時，可能會有一些不利的感官方面的影響。通過調節(jié)噴嘴或注射器的直徑、乳化劑的濃度、均質條件、攪拌速度和油體積分數(shù)等參數(shù)可以更好地控制粒徑。

1.2 多重乳液凝膠法

基于多重乳液制備乳液微凝膠顆粒是一種較新的方法。Sung等[11]和Egan等[12]分別通過熱處理和Ca2+誘導水相中的乳清蛋白凝膠，使油包水包油的多重乳液的水相膠凝化，后使用有機溶劑將乳液微凝膠顆粒與第二油相分離（圖1）。該方法的優(yōu)點是可以產(chǎn)生小顆粒（均直徑（D32）約為12 nm）。然而，該方法所需處理步驟繁多且涉及有機溶劑的使用，限制了其在食品中的廣泛應用。

圖1 采用多重乳液凝膠法制備微乳液凝膠顆粒流程圖Fig.1 Fabrication of microemulsion gel particles using multiple emulsion gelation method

1.3 流體凝膠法

基于多重乳液水凝膠和剪切凝膠制備方法，Moakes等[13]提出了流體凝膠的新技術。將剪切力施加到正在經(jīng)歷溶膠-凝膠轉變的生物聚合物溶液中，阻止形成連續(xù)的凝膠網(wǎng)絡，從而產(chǎn)生離散的球形凝膠顆粒。首先將WPI溶液和高油酸混合液高速剪切制備水包油乳液，然后對該乳液進行熱處理（0.5 ℃/min至80 ℃），使得WPI開始變性且發(fā)生疏水性聚集；同時施加剪切力（450 r/min），防止乳液發(fā)生連續(xù)膠凝并且增強了顆粒之間的相互作用。最終，吸附在油滴上的WPI凝膠化，形成乳液凝膠顆粒。凝膠顆粒的物理性質（例如粒度、形態(tài)和顆粒間的相互作用）由剪切速率和熱處理共同控制[14]。

2 微乳液凝膠顆粒的控釋特性

親脂性活性分子的釋放速率可以定義為活性分子在一定時間內從一個環(huán)境或狀態(tài)遷移到另一個環(huán)境或狀態(tài)。親脂活性化合物在人體靶向位置的釋放量和釋放速率對功能食品的質量有著重要的影響[15?16]。微乳液凝膠顆粒包埋的親脂活性分子釋放速度取決于親脂性分子的理化性質、初始濃度、包埋基質對外界環(huán)境的響應特性等（圖2a）。當攝入的微乳液凝膠顆粒通過人體胃腸道系統(tǒng)的不同部位時，其暴露于各種生化條件（如稀釋、離子強度、pH、胃蛋白酶、淀粉酶、胰酶、黏蛋白和膽汁鹽）。親脂性活性分子主要通過兩種途徑從微乳液凝膠顆粒中釋放: 一是因pH和環(huán)境離子強度而引起的凝膠顆粒膨脹；二是消化酶的降解造成的乳液凝膠顆粒的侵蝕。微乳液凝膠顆粒對pH、消化酶的響應能力對于其在人體的靶向位置釋放親脂性活性分子具有重要意義。本文主要針對微乳液凝膠顆粒傳遞載體的pH或鹽離子響應，消化酶響應這兩方面的控制釋放特性進行闡述。

2.1 pH或鹽離子響應型微乳液凝膠顆粒的控釋特性

含有離子化或可離子化基團的乳液凝膠顆粒會發(fā)生溶脹，具體取決于環(huán)境的pH和離子強度[17]。當具有可電離基團的乳液微凝膠暴露于特定的pH時，同種電荷導致的基團間相互排斥作用可能誘導乳液微凝膠顆粒膨脹，乳液凝膠顆粒孔徑變大。如果包埋的親脂性活性分子小于拉伸的孔徑，它們可以更容易擴散出去。若活性分子被靜電結合，當離子環(huán)境發(fā)生變化時，它們將更容易釋放（圖2b）。研究人員發(fā)現(xiàn)疏水風味物質（烯丙基甲基二硫醚，AMDS）在海藻酸鈣微乳液凝膠中的物理穩(wěn)定性和風味的保留特性受鹽離子濃度影響較大。添加氯化鈉（0～500 mmol）加速海藻酸鈣微乳液凝膠在模擬烹飪過程中的解體及風味釋放[18]。乳清蛋白乳液微凝膠顆粒也具有良好的pH響應特性，在胃酸pH為3.0環(huán)境下，微凝膠顆粒表面的所有帶負電荷的羧基被中和，但是蛋白質鏈上幾乎沒有帶正電荷的胺基，從而導致較低的靜電排斥力，此時乳液凝膠顆粒不會大量溶脹。在腸道（pH6.8）時，乳清蛋白微凝膠表面具有大量帶負電荷的羧基，導致分子間強大的靜電排斥力。在靜電排斥力作用下，微凝膠顆粒吸水溶脹，使得乳化液滴在腸道中大量釋放[19]。蛋白質濃度對凝膠顆粒的溶脹特性也有一定的影響。在較高的蛋白質濃度下，微凝膠網(wǎng)絡的交聯(lián)密度較高，從而導致溶脹率降低[13]。綜上，調控凝膠顆粒微觀結構和設計pH響應特性對于凝膠顆粒控制溶脹和精準釋放包封的親脂性活性分子具有重要意義。

2.2 酶響應型微乳液凝膠顆粒的控釋特性

在生理過程中，消化酶會降解生物聚合物，從而侵蝕基質并釋放封裝的化合物（圖2c）。與溶脹相比，基質被部分或完全破壞，從而使腐蝕中的破裂釋放[20?21]。因此，淀粉基微凝膠顆粒則會被淀粉酶消化，而蛋白類乳液微凝膠顆粒將被蛋白水解酶（例如胰蛋白酶或胃蛋白酶）消化。Hasanvand等[22]發(fā)現(xiàn)包埋了維生素D3的淀粉納米顆粒是一種典型的淀粉酶響應型小腸靶向的控釋載體，其不受胃酸環(huán)境和胃蛋白酶水解的影響，在小腸環(huán)境中被淀粉酶大量水解從而有效釋放包埋的維生素D3，提高了維生素D3的吸收和生物利用度。乳清蛋白微乳液凝膠顆粒由于乳清蛋白的羧基與鈣離子之間形成的網(wǎng)狀結構保護了蛋白的芳香氨基酸不被胃蛋白酶裂解，緊密的凝膠孔徑阻止酶擴散到乳狀液滴的表面，限制了界面蛋白的胃蛋白酶解。在體外腸道條件下，乳清蛋白微凝膠顆粒在膽鹽和蛋白水解的共同作用下發(fā)生解體，使乳清蛋白微凝膠中的游離脂肪酸和包埋的脂溶性活性成分得以充分釋放[23]。

圖2 微乳液凝膠顆粒的控釋特性Fig.2 Controlled release property of emulsion microgel particle

3 微乳液凝膠顆粒的應用

微乳液凝膠顆粒可作為親脂性功能因子（脂溶性維生素、活性油脂、脂肪酸、食品香精油等）的遞送體系。微乳液凝膠顆粒實現(xiàn)了親脂性活性分子在食品體系的均勻分散，且作為屏障可以在胃中保護功能因子并在腸道消化過程中的特定位置釋放生物活性分子，提高親脂性活性分子的生物利用度。

3.1 脂溶性維生素

脂溶性維生素（維生素A、D、E、K）具有多種生物活性功能，是人體必須的微量元素，常被用作膳食補充劑，但是這些脂溶性維生素的生物利用度低且對外界環(huán)境因素（如光照、高溫、氧氣）敏感[24?26]。研究表明微乳液凝膠顆粒是一種良好的脂溶性維生素的包載體系，其提高了這些親脂維生素在加工和儲存過程中的穩(wěn)定性，并防止這些化合物與其他食品成分之間的不良相互作用。Wang等[27]采用明膠與六偏磷酸鈉復合乳液凝膠顆粒作為多種脂溶性維生素（維生素A、D3、E、K2）的包載體系，大大提高了維生素的抗氧化性指數(shù)，且乳化剪切速度和時間等參數(shù)對該復合乳液凝膠顆粒的表面油含量、包封有效率等有較大影響。淀粉乳液凝膠顆粒[22]、多糖和蛋白復合乳液微凝膠顆粒[28]也是良好的維生素D3的遞送載體，其包埋的維生素D3能夠在小腸中大量有效釋放，大大提高維生素D3的生物利用度。

3.2 油脂和脂肪酸

乳液凝膠顆粒在控制脂肪消化方面引起越來越多的關注。一方面，乳液凝膠顆粒可促進活性脂質的胃腸道輸運和生物利用度。近年來，人們對添加生物活性油（亞麻籽油、葡萄籽油）和必需脂肪酸（二十碳五烯酸（EPA）、二十二碳六烯酸（DHA））的新型食品的需求不斷增長，因為它們對個人健康起著至關重要的作用，如降低血壓、減少心臟病發(fā)作、有利于嬰兒大腦發(fā)育等[29?32]。但生產(chǎn)含有多不飽和脂肪酸或生物活性油的強化食品仍是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為它們在食品加工、儲存和穿過人體消化系統(tǒng)的過程中很容易發(fā)生自氧化反應，乳液微凝膠顆粒遞送體系能有效地克服這一缺點。研究表明將金槍魚油作為油相，明膠和六偏磷酸鈉（SHMP）復合物作為水相均質得到的O/W乳液經(jīng)過轉谷氨酰胺酶催化誘導可形成乳液凝膠顆粒[33]。該體系優(yōu)化了ω-3油的穩(wěn)定性，可作為功能性食品基料。Hashim等[34]研究發(fā)現(xiàn)兩種富含ω-3油（魚油和亞麻籽油）和殼聚糖制備的微乳液凝膠顆粒比游離魚油和亞麻籽油具有更強的抗菌活性。

另一方面，乳液凝膠顆粒能控制釋放未消化的脂質，其在延緩脂肪水解、降低食欲、控制體重方面具有一定的健康意義[35]。當未消化的脂質到達遠端腸消化道，能夠激活回腸制動機制。回腸制動是一種源自回腸的負反饋機制，這種負反饋過程能夠抑制食物消化、降低食欲，從而增加飽腹感并減少食物攝入量[36]。乳液凝膠顆粒的生物聚合物凝膠網(wǎng)絡在模擬胃腸道中的結構變化[37?38]、油滴的尺寸[39?40]、消化酶或油滴與生物聚合物網(wǎng)絡之間的分子相互作用[41]等因素均對脂質的釋放量有影響。

3.3 香精油

食品香精油指從芳香植物或香辛料中提取出的，具有強烈呈味和呈香作用的揮發(fā)性油狀液體物質[42]。食品香精油成分十分復雜，通常含有20～60種不同的易揮發(fā)化合物。食品香精油幾乎不溶水，其對氧氣、溫度和日光都比較敏感[43]。利用包埋技術將食品香精油封裝在微乳液凝膠顆粒傳遞載體中可以有效保護食品香精油，減少風味物質的揮發(fā)損失，減少食品用天然香料用量；隔絕食品香精油與空氣和日光的接觸，提高加工穩(wěn)定性和儲藏穩(wěn)定性，減少呈香物質的降解，大大拓展了食品香精精油在食品中的應用范圍[44]。以天然食品膠體為基質，香精油為油相，采用一定的技術手段制備呈微乳液凝膠顆粒，將食品香精油完全包裹起來。食品香精油的微乳液凝膠顆粒傳遞載體可以根據(jù)實際需求設計成不同的大小、厚度、智能響應類型[6]。例如在微乳液凝膠顆粒外層添加親水性基團，可以增加香精油在水相中的分散性和溶解度；調控微乳液凝膠顆粒的顆粒大小，利用其屏蔽作用來保持內部包載的食品香精油理化性質的穩(wěn)定，延長其貯藏時間；再利用智能響應的材料或者在凝膠微球表面添加智能響應的物質，通過酸、堿、鹽濃度以及溫度等外部刺激，控制內部包埋的食品香精在特殊部位或特殊時間釋放出來。Kwan等[45]利用橙油、中鏈甘油三酸酯（MCT）油和WPI制備負載香橙香精油的穩(wěn)定乳液凝膠顆粒（768±36 ）nm。實驗結果表明該微乳液凝膠顆粒在人工唾液存在下（pH7）實現(xiàn)包封橙油的全部釋放。Shetta等[46]研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖乳液凝膠顆粒是一種良好的薄荷香精和綠茶香精油的pH響應型包埋載體，其保持了兩種香精油中總酚含量的穩(wěn)定性，而且使薄荷精油和綠茶精油的抗氧化活性分別提高了約2倍和2.4倍。該凝膠顆粒在pH=3環(huán)境下的薄荷精油和綠茶精油的釋放速率和釋放量均大于其在pH7.4環(huán)境下的對應值。

4 結語

常見的微乳液凝膠顆粒的制備方法有聚合物擠出法、多重乳液凝膠法和流體凝膠法。環(huán)境響應型微乳液凝膠顆粒主要通過兩種途徑在人體靶向位置有效釋放包埋的脂溶性活性分子: 一是pH和離子強度變化導致凝膠基質的溶脹；二是人體消化酶對微乳液凝膠基質的侵蝕作用。采用獨特且合適的材料制備微乳液凝膠顆粒仍需科研工作者進一步的深入。天然非淀粉類多糖、改性淀粉和植物蛋白等天然大分子是具有潛力的可用于制備乳液微凝膠顆粒的原材料，因為它們既是天然大分子乳化劑又是良好的膠凝劑。此外，通過改性手段使這些生物聚合物對pH、離子強度、消化酶等具有更加靈敏智能的響應性，這對于發(fā)展綠色創(chuàng)新型乳液微凝膠顆粒具有重要意義。