控釋型植物精油微膠囊的制備及其機理研究現狀

DOI：10.3969/j.issn.1000-9973.2025.07.034

中圖分類號：TS225.1 文獻標志碼：A 文章編號：1000-9973（2025）07-0228-07

Research Status of Preparation and Mechanism of Controlled-Release Plant Essential Oil Microcapsules

WU Fan1，GUO Lin-na1，CUI Yao-ming1，YANG Jing¹ ，ZHANG Li^-1 ，YUAN Zhi-xia1 ， CAO Ying-bo1，GUAN Jun-jun^1* ，TANG Chao-jie2 （1.School of Biological Engineering，Henan University of Technology， Zhengzhou 450oo1，China; 2.Rural Social Undertakings Development Service Center in Henan Province， Zhengzhou ，China）

Abstract： Plant essential oils have important research value due to their antibacteria， antioxidant， anti-inflammatory and other bioactivities.However，plant essential oils have the disadvantages such as strong volatility， poor water solubility and chemical instability，which limit their wide application. The use of microcapsule technology to encapsulate esential oils can improve their volatility，waterinsolubility and stability，thus enhancing their bioactivities，and can also realize the intelligent release of essential oils in response to environmental changes，which has great application prospects in the field of essential oils. In this paper，the preparation technology and controled-release mechanism of typical controlled-release essential oil microcapsules，and the application of controlled-release essential oil microcapsules in the field of food processing are reviewed，so as to provide references for the further research and application of controlled-release essential oil microcapsules in the field of food processing and other fields.

Key words： plant essential oil;microcapsule technology;controlled release

植物精油（EOs）是從植物的種子、葉、根、莖、花和果實中通過蒸餾、蒸汽蒸餾、干餾或機械壓榨等技術進行提取，且含有揮發性有機化合物的復雜天然混合物[1]。植物精油是一種包含多達數百種揮發性化合物、具有多種組分和疏水特性的混合物。植物精油的化合物較復雜，大體可以將植物精油化合物劃分為萜類化合物（單萜類、倍半萜類、二萜類）芳香族化合物（萜類衍生物、苯丙烷類衍生物）、脂肪族化合物（直鏈/支鏈結構的醇類、酮類、醛類、酯類、烷烴類）和含氮與含硫化合物四大類[2-3]。

植物精油在食品中可用作調味劑和芳香劑，且具有抗氧化、殺菌抑菌等生物活性，從而受到廣泛關注[4]。但是植物精油極不穩定，一些外部因素（如氧、光、酸性或堿性條件等）會導致精油降解、轉化或揮發，并降低其生物活性[5]。微膠囊技術是以活性物質作為芯材，并以天然或合成的高分子材料、無機材料等作為壁材，構建出核殼結構的技術[6]。研究發現，利用微膠囊技術將植物精油包埋在壁材中，形成一個保護層，降低生物活性物質在環境中的影響，防止精油快速降解，實現活性物質的可控釋放并提高其穩定性[-8]。

傳統微膠囊大多無法主動調控芯材的釋放，這限制了其在調味品、醫藥、紡織品、食品等領域的應用，所以，控釋型微膠囊（又稱刺激響應型微膠囊）為滿足特殊情況下的需求而開發[9]。當受到 pH 、溫度、光照等的影響，這些微膠囊能夠實現芯材的控制釋放。一般而言，微膠囊的釋放機制可劃分為兩個階段[10]：激發控制釋放階段，以及隨后的調節控制釋放階段。本文主要介紹了控釋型精油微膠囊的制備技術和釋放機理及其在食品加工領域的應用，以期為進一步利用控釋型植物精油微膠囊進行食品保鮮提供理論依據。

1控釋型植物精油微膠囊制備工藝

1.1控釋型植物精油微膠囊的分類

用于控釋型植物精油微膠囊制備的方法可分為三類，包括物理方法、物理化學方法和化學方法。物理方法包括噴霧干燥、冷凍干燥和流化床包衣等；物理化學方法包括凝聚、乳化、脂質體和離子凝膠化等；化學方法包括界面聚合和分子包埋技術等[11]。以下討論了用于控釋型精油微膠囊的主要制備方法。

1.1. 1 噴霧干燥技術

噴霧干燥是在干燥室中利用熱空氣或氮氣流，將液體瞬時轉化為自由流動的粉末的過程[12]。噴霧干燥器由3個主要部件組成，即霧化器、干燥室和收集器。噴霧干燥流程示意圖見圖1[13]。

由圖1可知，首先，通過將起始材料溶解或分散在液體溶液中來制備原料。再將原料輸送至霧化器，霧化器將液體原料轉化為大量的小液滴。然后液滴立即與熱干燥氣體接觸，從而迅速蒸發水分，形成固體顆粒。最后，干燥后形成的顆粒通過氣旋分離器與氣流分開，利用離心力將固體顆粒分離，并收集到容器中[14]。

蓋旭等[15采用噴霧干燥法制備肉豆蔻精油微膠囊，成功包埋出表面光滑、無裂縫，呈規則飽滿的球形，且包埋率可達 79.53% ，在室溫下的水中具有良好釋放性的肉豆蔻精油微膠囊。研究發現，以阿拉伯膠和麥芽糊精為壁材，采用噴霧干燥法包埋杜松子精油，發現微膠囊具有良好的緩釋效果[16]。微膠囊的包埋率、粉末產率和穩定性受壁材-芯材的特性、進料乳液的性質、噴霧干燥工藝參數的影響，因此在噴霧干燥技術應用中，要選擇合適的壁材，開發新設備并優化工藝參數。

1.1.2冷凍干燥技術

冷凍干燥技術是將包埋好的乳液經預凍后在真空、低壓的條件下進行升華，制成疏松多孔固體的技術[17]。冷凍干燥流程示意圖見圖2。

由圖2可知，冷凍干燥過程可分為4個階段：混合物的預冷凍、低壓升華干燥、解吸（二次干燥）、微膠囊的收集和儲存[18-19]。

研究發現，以麥芽糊精和明膠作為壁材，通過冷凍干燥技術制備了檸檬草精油微膠囊，其顯著提高了檸檬草精油的熱穩定性和氧化穩定性，減少了揮發性和對環境因素的敏感性[20]。Kean等[21]采用4種方法對肉桂精油進行微膠囊化，其中冷凍干燥具有最高的包埋率 （92.3%～95.2%） 。共聚焦激光掃描顯微鏡觀察表明，肉桂精油被很好地包埋在冷凍干燥的微膠囊中。

1. 1.3 離子凝膠化技術

該過程基于帶相反電荷的聚合物之間、聚合物與聚陽離子、聚合物與聚陰離子之間的離子相互作用[22]離子凝膠化技術示意圖[23]見圖3。

由圖3可知，該技術開始于通過不斷攪拌將載體物質溶液霧化或滴入離子溶液中，然后將生物活性物質加入載體溶液中溶解，這種溶液的液滴到達離子溶液中后，轉化為球形凝膠顆粒。

Anand等[24]采用離子凝膠法制備了多香果精油納米乳液，結果表明，該微膠囊有較高的包埋率 （85.84% ）和載油量 （8.26% ，與純精油相比，多香果精油納米乳液在較低劑量時表現出更有效的抗真菌和抗黃曲霉毒素活性。以海藻酸鈉和明膠為壁材，采用離子凝膠法制備女貞子精油微膠囊，包埋率可達 85.56% ，DSC和TGA結果表明，微膠囊提高了精油的熱穩定性，且對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有強烈的抗菌活性[25]。張玉榮等[26]采用離子凝膠法制備茶樹精油微膠囊，其外形圓潤、無拖尾、強度高、形態飽滿，包埋率可達 79.12% ，同時具有良好的緩釋效果。

1. 1.4 凝聚法

凝聚法分為兩種形式：簡單凝聚法和復合凝聚法。簡單凝聚法是將絮凝劑添加到高分子溶液中，以阻止高分子與溶劑的相互作用力，再通過控制外界條件降低單一高分子的溶解度，進而通過凝聚得到微膠囊[6]。復合凝聚法示意圖[7]見圖4。

由圖4可知，凝聚過程通常分為4個步驟：將芯材和壁材懸浮在水相中，通過靜電相互作用將壁材從溶液中分離（a）、得到第二固相（凝聚層）（b）、凝聚層周圍液體聚合物的沉積（c）、膠凝和微膠囊壁的固化（d）。

采用復合凝聚法制備了 β -紫羅蘭酮微膠囊，微膠囊具有球形多核結構，粒徑大小均勻，包埋率為 80.5% ，具有良好的熱穩定性、緩釋性能和穩定性[28]。以明膠（GE）與羧甲基纖維素（CMC）為壁材，采用復合凝聚法成功包埋香菇精油，香菇精油微膠囊具有高負載率，提高了精油的氧化穩定性和氣味衰減效果[29]。

1. 1.5 分子包埋法

分子包埋法是通過物理或化學作用，如氫鍵、范德華力或疏水相互作用將活性物質包埋在聚合物中[30]。分子包理法常使用 β -環糊精或其衍生物作為壁材，利用其內部疏水、外部親水的特性，將疏水性芯材包埋進 β 環糊精的空腔中，以達到保護芯材的目的[31]。環糊精（CD）是與多種有機物形成包合物時使用最廣泛的壁材。

由圖5可知，CD為天然的環狀D-吡喃葡萄糖低聚物，包含6個 α-CD，7 個 β -CD或8個γ-CD吡喃葡萄糖單元，這些單元由 α^-（1，4） -糖昔鍵連接，從而形成圓環形結構。 α -CD ?_?β -CD和 γ-CD 的空腔直徑分別約為5.7，7.8，9.5A，但三者腔深相同 （7.8AA） 。客體分子與主體CD之間的形狀或尺寸在很大程度上決定了微膠囊的形成及其穩定性，所以不同種類的CD與相同客體分子的包埋能力不同，導致顯著不同的生物學性質和物理化學性質[32]。

以羥丙基 _-β -環糊精為壁材，利用分子包埋技術成功制備出包埋率為 97.48% 的脂溶性迷迭香提取物微膠囊，且具有一定的緩釋性能[33]。

1.1.6 界面聚合技術

界面聚合法是將兩種可聚合單體分別溶于不相溶的溶劑中（如水相與油相），通過乳化劑將芯材均勻分散于其中一種溶液中，再加入另一種溶液形成水包油或油包水體系。在兩相界面處，單體聚合形成高分子膜，包裹芯材制成微膠囊，見圖 6^[34-35] 。界面聚合技術分為兩個步驟：形成穩定的微乳液和在乳液界面處的聚合反應[36]。

Fig.6Schematicdiagramofinterfacepolymerizationmethod

利用界面聚合法制備甜橙精油微膠囊，制得的微膠囊形貌良好、粒徑均勻，芯材含量高達 75%^[37] 。Liu等[38]采用界面聚合法制備桂花精油微膠囊，通過優化制備工藝，包埋率可達80. 31% ，并對微膠囊進行表征，發現其具有優良的緩釋和貯存穩定性。

1.2精油微膠囊制備方法的優缺點

精油微膠囊的制備方法及其優缺點見表1。不同的制備方法在工藝復雜度、成本、包埋率以及對精油穩定性的影響等方面存在顯著性差異。例如噴霧干燥法具有操作簡單、成本相對較低的優點，但包埋率可能會受到高溫的影響；凝聚法雖然能實現較高的包埋率，但成本高。所以，根據需要選擇合適的制備方法至關重要。

表1精油微膠囊的制備方法及其優缺點對比

2控釋型精油微膠囊的釋放機理

微膠囊技術是近年來廣泛研究的一種控制釋放方法，尤其在精油的應用中展現出顯著的優勢。控釋型植物精油微膠囊的釋放示意圖見圖7。

微膠囊控釋機理主要依賴于壁材的選擇和制備技術，由圖7可知，精油作為壁材包埋微膠囊，利用特定的壁材在環境刺激（如溫度、pH、光照和濕度）的作用下實現精油的釋放[5]

2.1溫度控釋精油微膠囊

熱敏聚合物被廣泛應用于微膠囊的壁材中。當溫度升高超過低臨界溶解溫度（LCST）時，這類聚合物的親水性會轉變為疏水性，導致微膠囊的體積收縮和孔隙擴大，精油因此釋放出來[47]。

2.2pH控釋精油微膠囊

pH控釋精油微膠囊通常用酸敏感或堿敏感的聚合物作為壁材，或通過將它們接枝到壁材上以包埋精油來制備。這些聚合物通常易于質子化或去質子化，可以通過物理解離、鍵解離和溶脹來控制精油的釋放[48]]。

2.3光照控釋精油微膠囊

光照控釋微膠囊主要借助壁材的改性以及光敏化合物的封裝來完成。此類微膠囊的芯材釋放有3種機理：其一，光活性基團（如偶氮苯、螺吡喃、硝基苯、香豆素）對微膠囊壁材改性，使壁材于特定光照下發生結構改變，進而釋放精油；其二，用于壁材改性的光吸收劑（通常為金屬或金屬氧化物納米顆粒，如改性的二氧化硅和二氧化鈦）能夠誘導光熱效應，促使聚合物壁材降解，導致精油流出；其三，封裝的精油在光刺激下可能產生氣體，造成壁材膨脹破裂，從而使芯材得以釋放[9，47]。

2.4精油微膠囊的控釋特性

植物精油微膠囊的控釋特性受到溫度、pH和光照等環境因素的影響。不同的植物精油在不同的壁材和制備方法下，其控釋效果有所差異。植物精油微膠囊的控釋效果分析見表2。

表2植物精油微膠囊的控釋效果分析

3控釋型精油微膠囊在食品加工領域的應用

植物精油不僅因其芳香風味可以作為調味劑，而因且其獨特的化學物質具備廣譜抑菌和抗氧化活性，能有效抑制食品中的病原微生物，所以常被用作天然食品保鮮劑，在食品保鮮貯藏中有著廣泛的應用。

以明膠為壁材制備牛至精油- ?β -環糊精微膠囊控釋抗菌膜（OEO _?β -CD）發現，該保鮮膜可防止魚片總揮發性鹽基氮（TVB-N）、硫代巴比妥酸（TBA）值升高，抑制腐敗菌生長，延長貨架期 2～3d^[59] 。采用簡單共沉淀法制備了紫蘇精油溫控微膠囊（PEOM），研究發現，PEOM處理的桃子的總細菌數（TBC）在存放10d時為 ，而對照組在同一時間為6.78logCFU/g 。微膠囊能夠提升桃子的質量和延長其貨架期[60]。選用γ-聚谷氨酸為壁料制備 ΔpH 敏感型高良姜精油脂質體并應用于柑橘的保鮮，能有效減緩柑橘的氧化速度和微生物的生長；將高良姜精油包埋在脂質體中并以脫鎂葉綠酸a為光敏壁材，高良姜精油脂質體能夠顯著延長冷鮮豬肉的保質期至 13d^[61] 。李彬[62]將肉桂精油乳液與可食用基膜（食品級海藻酸鈉、甘油等）混合，構建了溫度響應型控釋活性薄膜。將此薄膜浸涂于葡萄表面，在 4°C 下貯藏12d，葡萄外觀形態良好，硬度與抗壞血酸含量下降，果實失重率、可溶性固形物含量、pH和丙二醛含量上升。使用二氧化肽為光敏材料制備牛至精油微膠囊，在 4°C 條件下對雞胸肉進行保鮮試驗發現，添加牛至精油微膠囊的雞胸肉在貯藏6d后總活菌數（TVC）、pH、硫代巴比妥酸反應物（TBARS）值和揮發性鹽基氮（TVB-N）值均較低，可延長貨架期2 d[63]。

針對不同種類的食品，控釋型植物精油微膠囊都能延長食品的貨架期，保障食品品質，未來有望在食品保鮮行業得到更廣泛的應用與發展。

4結論與展望

植物精油是天然的植物提取物，精油的生物活性物質在食品加工領域有著巨大的應用價值。將精油包被于壁材中制備控釋型微膠囊，從而提高精油的穩定性，并且植物精油微膠囊受外界環境因素（如溫度、pH、光照等）的影響，可實現精油的可控釋放，延緩其快速揮發與降解。將其應用于不同的食品中，不僅給食品增加了風味，而且能起到延長食品貨架期的作用。

有些控釋型精油微膠囊在制備技術上存在成本高、釋放精準性差、工業化生產難的問題，所以在未來的研究中，應致力于研發低成本天然壁材、新型設備和優化制備工藝，開發更加智能的控釋體系以提高釋放精準性。

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