复凝聚法制备精油微胶囊的研究进展

许琳琳，郑文静，刘磊，李思佳，崔媛媛，刘容，孙卫东

（广西大学 轻工与食品工程学院，南宁 530000）

1 概述

微胶囊化也被定义为包装技术，固体、液体或气体材料的单个液滴或颗粒被包埋在微米至毫米范围内的胶囊中，可以在特定条件下控制性地释放芯材［1，2］。微胶囊的壁材可以由多种材料配制，包括天然化合物和合成聚合物。在微胶囊化过程中使用天然聚合物壁材近年来受到相当大的关注，特别是从成本、环境问题和安全性的观点来看，因为在自然条件下，合成聚合物的生物降解非常缓慢，其中一些根本不经历生物降解［3］，这样就造成了环境污染。已经研究出的制备微胶囊的方法大致可以分为三类：物理机械法、化学法、物理化学法。其中，化学法包括界面聚合法、原位聚合法、界面配位法等；物理化学法包括相分离法、单凝聚法、复凝聚法、干燥浴法、熔化－冷凝法等；物理机械法包括喷雾干燥法、喷雾冷却法、喷雾冷凝法、包结络合法、挤压法等［4］。在这些制备精油微胶囊的方法中，复凝聚法是最常用且最温和的方法，因为此法不涉及高温。

2 复凝聚法

复凝聚法被认为是真正的微胶囊化，因为芯材完全被连续的壁材所包围。复凝聚涉及一个或多个相互作用的水解胶体，特别是在同一反应介质中带相反电荷的蛋白质和多糖。复凝聚依赖于生物聚合物携带的电荷、凝聚混合物的pH、离子强度、两种生物聚合物之间的比率和其他化学、物理因素。pH值在复杂的凝聚中起着重要的作用，因为它通过影响蛋白质官能团（氨基）和碳水化合物（羧基）的电离度影响蛋白质和碳水化合物凝聚的形成［5］。在一个混合物中含有一种阴离子多糖和一种蛋白质，调节pH值低于等电点（pI）或等电点pH（IEP）会导致两种生物聚合物的最大静电吸引力携带相反的电荷。

Tiebackx等［6］最早使用复凝聚法制备微胶囊，但Bungenberg和Kruyt［7］是第一个系统地研究明胶－阿拉伯胶的凝聚现象并创造了复合凝聚这个名字的人。凝聚是在胶体体系中分离成两个液相，更集中于胶体组分的相是凝聚层，另一相是平衡溶液。如果存在静电吸引力，则会发生两种聚合物在水中的缔合相分离。复合凝聚是由两个带相反电荷的胶体相互作用引起的凝聚。之后，Overbeek和Voorn发展了第一个理论模型［8］。随后的理论模型由 Veis等人开发［9－12］。1957年，美国NCR公司的Green B K等发明了相分离法，首次将液体材料进行微胶囊化［13］，采用复合凝聚原理制备出芯材为油相的微胶囊，并直接将微胶囊技术应用于压敏性无碳复写纸，开创了以复凝聚法为基础的相分离微胶囊技术制备新型功能材料的新领域［14，15］。从复合凝聚物的生物学和实际意义上来看，关于复合凝聚物的研究是相当稀缺的。DNA与转录和储存蛋白质的相互作用以及肝素、透明质酸和硫酸软骨素与蛋白质的结合是蛋白质和聚电解质之间体内结合的实例。近些年，复凝聚法常用于制备精油微胶囊，如大蒜油微胶囊、芥末油微胶囊、薰衣草油微胶囊、茶树油微胶囊、柠檬油微胶囊、甜橙油微胶囊、香茅油微胶囊等。

复凝聚已经在微胶囊化方面引起了很大兴趣，它被用于农业化学品、药品和食品等产品［16］。复合凝聚相比于其他方法的最主要优点是它非常高的装载率（高达99%）和可以控制释放或者缓释。对比其他微胶囊技术如喷雾干燥，复凝聚是一个温和的过程，因为其不涉及高温。因此，在这个过程中可以避免风味的退化或蒸发。凝聚微胶囊不透氧，因为芯材完全被连续的壁材所包围。因此，芯材可以被保护免受氧化或蒸发。

3 复合壁材

多糖和蛋白质是两种常见的天然水溶性高分子聚合物，它们生物相溶性好、易于生物降解、无毒无害的性质也使它们成为复凝聚法中最常用的复合壁材。

3.1 多糖

常用于复凝聚法中的多糖包括阿拉伯胶、壳聚糖、果胶、琼脂、海藻酸钠和卡拉胶等。

阿拉伯胶也称阿拉伯树胶，因为结构上带有部分蛋白质及鼠李糖等多糖，使其有良好的亲水和亲油特性，易溶于水，粘度低。阿拉伯胶也具备良好的乳化香精能力和优越的成膜性能，对香气物质具有良好的保持能力，所以被广泛应用于包埋精油。

壳聚糖（CS）具有许多独特的生物学性质，如无毒，可生物降解性和有抗菌活性。CS是亲水性阳离子聚合物，在酸性溶液中能发生质子化反应，能与聚阴离子发生成膜反应，是一种性能良好的包埋壁材。

卡拉胶可以使用水或碱性水从红藻里提取，随后进行醇沉淀。κ－卡拉胶是由半乳糖和脱水半乳糖通过糖苷键连接组成的线性多糖。它由一个带负电荷的硫酸酯基组成，在高于60℃的温度下可溶。通过足量的胶凝阳离子，κ－卡拉胶可以毫无困难地形成凝胶。所以，卡拉胶是凝胶制剂的良好赋形剂、悬浮稳定剂、食品和药妆产品中的增稠剂，并且适合作为控释和缓释递送载体［17］。

3.2 蛋白质

蛋白可分为动物蛋白（如明胶、乳蛋白、清蛋白、丝蛋白等）和植物蛋白（如豌豆蛋白、扁豆蛋白、大豆蛋白以及它们的分离物）［18］。

明胶是哺乳动物胶原蛋白的部分水解产生的水溶性蛋白质［19］。明胶可以分为两类：A型明胶，是通过猪皮的酸水解产生；而B型明胶，是由碱水解动物皮肤产生［20］。明胶的等电点范围为pH 4.5～5.3。明胶具有良好的乳化性、成膜性、可降解性，生物相容性好，并且安全可食用，来源广泛，所以是一种良好的包埋壁材。

大豆分离蛋白是食品工业中广泛应用的一种原料，具有较强的成膜性，已被应用于活性成分的微胶囊化研究。大豆分离蛋白不仅来源丰富，而且是一种两性电解质，在其等电点（pH 4.5～4.8）以下带正电［21］，当调节pH在其等电点以上时，可以和聚阳离子的壳聚糖产生静电作用而形成复凝聚体系。

3.3 复凝聚体系

特定pH下，带不同电荷的蛋白质和多糖可以组成复合壁材。因为改变pH时，作为两性电解质的蛋白质既能和阴离子多糖发生静电作用又能和阳离子多糖发生静电作用而形成可溶或者难溶的凝聚物。已经研究出的这样的复凝聚体系有明胶－阿拉伯胶、明胶－壳聚糖、明胶－琼脂、明胶－海藻酸钠、明胶－果胶、乳清蛋白－阿拉伯胶、大豆分离蛋白－阿拉伯胶、大豆分离蛋白－壳聚糖、大豆分离蛋白－果胶、大豆分离蛋白－海藻酸钠等。在特殊的条件下，两种多糖间也可发生复合凝聚如壳聚糖－阿拉伯胶和壳聚糖－海藻酸钠［22］。

4 复凝聚法制备精油微胶囊实例

Liu等［23］研究了壳聚糖和明胶作为壁材包埋广藿香油制作微胶囊。通过扫描电子显微镜表征形态分析，结果表明微胶囊呈球形，粒径分布在1～2μm范围内。包埋率和装载量分别为50.69%和30.31%。然后，使用2D树脂作为交联剂将所得微胶囊接枝到棉织物上。扫描电子显微镜显示微胶囊不仅被接枝到织物的表面，而且还插入了纤维里。最后，洗涤25次后，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均为65%左右，这表明其在诸如抗菌面膜、抑菌片和保健服装等领域具有潜在的应用前景。

Dong等［24］以谷氨酰胺转氨酶为固化剂，使用明胶和阿拉伯胶作壁材制作薄荷油微胶囊。在不同的分散介质中研究薄荷油微胶囊的释放规律。结果表明：其释放规律遵循一级释放动力学热水模型和高温烘箱中的零级释放动力学模型。微胶囊在热水中的释放阶段可以分为初始的快速释放阶段和后来的缓慢释放阶段。在冷水中贮存40天，仅释放了约7%的薄荷油，表现出优异的储存稳定性。

Specos M M［25］以明胶－阿拉伯胶为壁材，以香茅油为芯材制备香茅油微胶囊并应用于棉纺织品以研究所得织物的驱避效力。处理过的纺织品中释放的香茅油是由其主要组分的可提取物间接监测的。与用精油乙醇溶液喷过的织物相比，用香茅油微胶囊进行处理的织物提供了更长和更持久的昆虫防护，确保驱避效果高于90%的时间长达3周。

刘万龙［26］以明胶－阿拉伯胶作为壁材，以薰衣草精油为芯材，制备薰衣草油多核微胶囊。考察了pH值、芯/壁比、壁材浓度、搅拌速度、交联剂和均质速度对微胶囊外观、平均粒径、产率、负载量和包埋率的影响。得出最佳条件是pH值3.5、芯/壁比3∶2、壁材浓度1%、搅拌速度450r/min，均质速率19000r/min，戊二醛作为交联剂。在最佳条件下，最高产率为（65.8±1.0）%；最大装载量为（61.3±0.7）%；最高包埋率为（66.0±0.3）%。

Leefong S等［27］以A型或B型明胶和阿拉伯胶作为壁材，以大蒜油作为芯材制备大蒜油微胶囊。研究了pH值对其包埋率和装载率的影响。结果显示，在pH 4.5时包埋率最高，在pH 3.5时装载率最高。扫描电子显微镜观察显示A型或B型明胶－阿拉伯胶制备的微胶囊呈球形，光滑。制备的微胶囊在pH为2的胃蛋白酶溶液中，5h期间表现出可以控制释放大蒜油。在45℃贮存12天期间，由A型或B型明胶－阿拉伯胶制成的微胶囊凝聚层保护了大蒜油免受初次和二次氧化。

张松等［28］以壳聚糖、海藻酸钠、氯化钙为复合壁材，以柠檬醛为芯材制备微胶囊，研究了壳聚糖、氯化钙、海藻酸钠用量对微胶囊含油量、粒径、孔径和比表面积的影响，确定了柠檬醛微胶囊的最佳制备条件，并测试了其缓释性能。柠檬醛微胶囊的最佳制备工艺条件为：在壳聚糖1.2011g/50mL H2O、海藻酸钠3g/dL H2O、氯化钙1.5g/50mL H2O、精油1mL时，柠檬醛含量为2.18%。

Lv等［29］使用明胶和阿拉伯树胶作为模型系统建立凝聚层和相应的微胶囊之间的紧密相关性。通过比浊滴定和ζ电位测量，在pH 4.1、混合比例为1∶1（W/W）下获得最佳的凝聚层。其中zeta电位测量有助于建立壁材的混合比率；浊度分析有利于找到适合最高浊度的最佳pH值，从而制成完美的微胶囊。

近10年国内外复凝聚法制备的精油微胶囊种类见表1。

表1 近10年国内外复凝聚法制备的精油微胶囊

5 精油微胶囊在调味品中的应用

将天然香辛料直接加入食品，这种方法的不足之处是不能最大限度利用原料，况且有些香辛料必须要经过预先发制，这样使用起来会很不方便。为了改善这种情况，学者们研究并提取了芥末精油、生姜精油、大蒜精油等调味精油，为方便调味品谱写了新的篇章。然而，这些精油又存在易挥发、易被氧化的缺点，所以储存周期短、效益较低。近些年，学者们又提出将这些精油进行微胶囊化，相继制备出芥末精油微胶囊、生姜精油微胶囊、大蒜精油微胶囊等精油微胶囊，抑制了精油的挥发损失，提高了其有效成分含量，方便储存，商品货架期变长。微胶囊化方法有很多，复凝聚法以其制备过程温和而常被学者们应用，吴珺［30］研究了复凝聚法可控制备生姜精油微/纳米胶囊，结果显示：生姜精油微胶囊耐热性好，大小均匀，囊壁厚度适中，能够长时间保持稳定，包埋前后生姜精油主要成分没有变化，缓释性能良好。黄国清等［31］研究了大豆分离蛋白－壳聚糖复凝聚法制备大蒜油微胶囊，结果显示：此法制备的大蒜油微胶囊保留了典型的蒜香味，且降低了大蒜油的刺激性气味。

6 结论与展望

从大量的文献来看，相分离主要是由熵驱动的，并且最可能归因于蛋白质和多糖的相反离子的离域。在强聚酸的情况下，通常是形成沉淀物而不是液体凝聚相。浓缩聚合物相的结构似乎与连续聚合物相似，蛋白质以及单个多糖分子可以在其中扩散。时间尺度的扩散从几毫秒到几天，取决于互动的强度。从流变学的角度来看，浓缩相比弹性更粘稠，并且流变学类似于浓缩颗粒分散体的行为。由于难以描述系统中相关的电荷分布，理论发展是有限的。

蛋白质和多糖的络合在理论和实际上都是令人感兴趣的。关于实际的复配有明确的结论。它们可以被认为是新的胶体实体，实际上是不带电的，并且相互吸引形成称为凝聚相的浓缩相。增加的离子强度减少了相互作用。因此，离子强度在气液过渡中具有与温度类似的作用。与此观察一致的是凝聚相转变的温度独立性。在高浓度下，浓缩相似乎是亚稳态的。在理论层面上，一致地描述一系列实际现象是一个相当大的挑战。所以，复合凝聚层的实际应用仍需继续研究。