微乳液凝胶颗粒制备及其应用研究进展

闫文佳，贾 鑫，颜金鑫，殷丽君

（中国农业大学食品科学与营养工程学院, 北京 100083）

亲脂活性分子，如脂溶性维生素、香精油、活性脂质等，几乎不溶于水且对氧气、温度和日光都比较敏感[1−3]，在食品加工和人体胃肠道消化过程中其活性被部分或完全破坏，其在食品基质中的应用面临一定挑战[4]。此外，这些亲脂性活性化合物在肠粘膜的扩散受限，通过肠上皮细胞的渗透性低，极大地降低了它们在人体中的生物利用度[5]。因此，有必要保护这些亲脂性化合物，并将其在靶向位置高效释放以提高其生物利用度，如香精油在口腔中的突然释放，或保护脂溶性维生素顺利通过胃部并在肠道中大量释放。近年来，在食品研究中以乳化为基础的包封脂溶性分子的方法有很多，如传统乳液、纳米乳液、双乳液、乳液凝胶等，微乳液凝胶颗粒是一类相对较新的软固体[6]。目前，关于其作为亲脂活性分子递送体系的制备、控制释放特性和实际应用仍缺少系统性的总结。因此，本文结合国内外的文献报道，综述食品微乳液凝胶颗粒这一传递载体的最新研究进展，并重点探讨了微乳液凝胶制备技术、控制释放特性及其应用，旨在为食品微乳液凝胶颗粒的制备工艺及其在食品领域的开发利用提供一定的借鉴。

1 微乳液凝胶颗粒的制备

微乳液凝胶颗粒是一种相对较新的软固体。微乳液凝胶颗粒的微观结构与乳液凝胶的结构相似，但两者的物理特性和尺寸不同。在微乳液凝胶颗粒中，乳化剂使得乳化液滴均匀且稳定地分布于分散相中，胶凝剂使得几个乳化液滴周围形成柔软的固体外壳，然后将其并入连续的凝胶基质中[7]。常用的天然大分子乳化剂和凝胶基质主要是蛋白质和多糖这两类食品胶体。蛋白质类包括大豆分离蛋白、乳清分离蛋白等，多糖类主要有琼脂、结冷胶和海藻酸钠等。构建微乳液凝胶颗粒传递载体并不是将原材料进行简单混合，而是采用一定的技术手段、工艺过程使其形成有序并具有特定功能的结构。微乳液凝胶颗粒制备机理是基于分子相互作用，在适当的条件下（如离子强度、温度、pH等）使用不同的技术，将初始乳液直接凝胶化成微米大小的软乳液凝胶颗粒。常用的微乳液凝胶颗粒制备方法主要包括聚合物挤出法、多重乳液凝胶法和流体凝胶法等。

1.1 聚合物挤出法

聚合物挤出是指较高浓度的聚合物在一定的压力、流速和温度下通过喷嘴被挤出的过程，挤出的聚合物通常会由于与释放的蒸汽或离子发生反应而改变质地，从而导致其凝胶化[8]。乳液微凝胶颗粒的形成是通过将乳液通过一个喷嘴来实现的。研究人员已使用这种方法成功制备出乳清蛋白乳液凝胶微颗粒或“乳清蛋白乳状凝胶珠”[9]。研究表明通过注射器将经过变性的乳清分离蛋白（Whey Protein Isolate，WPI）稳定化的乳液液滴注入装有CaCl2溶液中时，所得颗粒的弹性、大小和形态均受到钙离子浓度的影响。Lin等[10]用聚合物挤出法制备了海藻酸钠/大豆分离蛋白复合乳液凝胶颗粒；油滴表面吸附的大豆分离蛋白可以阻止油滴在凝胶过程中的再结合，海藻酸钠凝胶增强了胶体颗粒的结构稳定性。聚合物挤出技术的主要缺点是形成的微凝胶颗粒尺寸较大（＞500 μm）。当微粒超过100 μm时，会影响食物的感官，所以当微粒加入到食物中时，可能会有一些不利的感官方面的影响。通过调节喷嘴或注射器的直径、乳化剂的浓度、均质条件、搅拌速度和油体积分数等参数可以更好地控制粒径。

1.2 多重乳液凝胶法

基于多重乳液制备乳液微凝胶颗粒是一种较新的方法。Sung等[11]和Egan等[12]分别通过热处理和Ca2+诱导水相中的乳清蛋白凝胶，使油包水包油的多重乳液的水相胶凝化，后使用有机溶剂将乳液微凝胶颗粒与第二油相分离（图1）。该方法的优点是可以产生小颗粒（均直径（D32）约为12 nm）。然而，该方法所需处理步骤繁多且涉及有机溶剂的使用，限制了其在食品中的广泛应用。

图1 采用多重乳液凝胶法制备微乳液凝胶颗粒流程图Fig.1 Fabrication of microemulsion gel particles using multiple emulsion gelation method

1.3 流体凝胶法

基于多重乳液水凝胶和剪切凝胶制备方法，Moakes等[13]提出了流体凝胶的新技术。将剪切力施加到正在经历溶胶-凝胶转变的生物聚合物溶液中，阻止形成连续的凝胶网络，从而产生离散的球形凝胶颗粒。首先将WPI溶液和高油酸混合液高速剪切制备水包油乳液，然后对该乳液进行热处理（0.5 ℃/min至80 ℃），使得WPI开始变性且发生疏水性聚集；同时施加剪切力（450 r/min），防止乳液发生连续胶凝并且增强了颗粒之间的相互作用。最终，吸附在油滴上的WPI凝胶化，形成乳液凝胶颗粒。凝胶颗粒的物理性质（例如粒度、形态和颗粒间的相互作用）由剪切速率和热处理共同控制[14]。

2 微乳液凝胶颗粒的控释特性

亲脂性活性分子的释放速率可以定义为活性分子在一定时间内从一个环境或状态迁移到另一个环境或状态。亲脂活性化合物在人体靶向位置的释放量和释放速率对功能食品的质量有着重要的影响[15−16]。微乳液凝胶颗粒包埋的亲脂活性分子释放速度取决于亲脂性分子的理化性质、初始浓度、包埋基质对外界环境的响应特性等（图2a）。当摄入的微乳液凝胶颗粒通过人体胃肠道系统的不同部位时，其暴露于各种生化条件（如稀释、离子强度、pH、胃蛋白酶、淀粉酶、胰酶、黏蛋白和胆汁盐）。亲脂性活性分子主要通过两种途径从微乳液凝胶颗粒中释放: 一是因pH和环境离子强度而引起的凝胶颗粒膨胀；二是消化酶的降解造成的乳液凝胶颗粒的侵蚀。微乳液凝胶颗粒对pH、消化酶的响应能力对于其在人体的靶向位置释放亲脂性活性分子具有重要意义。本文主要针对微乳液凝胶颗粒传递载体的pH或盐离子响应，消化酶响应这两方面的控制释放特性进行阐述。

2.1 pH或盐离子响应型微乳液凝胶颗粒的控释特性

含有离子化或可离子化基团的乳液凝胶颗粒会发生溶胀，具体取决于环境的pH和离子强度[17]。当具有可电离基团的乳液微凝胶暴露于特定的pH时，同种电荷导致的基团间相互排斥作用可能诱导乳液微凝胶颗粒膨胀，乳液凝胶颗粒孔径变大。如果包埋的亲脂性活性分子小于拉伸的孔径，它们可以更容易扩散出去。若活性分子被静电结合，当离子环境发生变化时，它们将更容易释放（图2b）。研究人员发现疏水风味物质（烯丙基甲基二硫醚，AMDS）在海藻酸钙微乳液凝胶中的物理稳定性和风味的保留特性受盐离子浓度影响较大。添加氯化钠（0～500 mmol）加速海藻酸钙微乳液凝胶在模拟烹饪过程中的解体及风味释放[18]。乳清蛋白乳液微凝胶颗粒也具有良好的pH响应特性，在胃酸pH为3.0环境下，微凝胶颗粒表面的所有带负电荷的羧基被中和，但是蛋白质链上几乎没有带正电荷的胺基，从而导致较低的静电排斥力，此时乳液凝胶颗粒不会大量溶胀。在肠道（pH6.8）时，乳清蛋白微凝胶表面具有大量带负电荷的羧基，导致分子间强大的静电排斥力。在静电排斥力作用下，微凝胶颗粒吸水溶胀，使得乳化液滴在肠道中大量释放[19]。蛋白质浓度对凝胶颗粒的溶胀特性也有一定的影响。在较高的蛋白质浓度下，微凝胶网络的交联密度较高，从而导致溶胀率降低[13]。综上，调控凝胶颗粒微观结构和设计pH响应特性对于凝胶颗粒控制溶胀和精准释放包封的亲脂性活性分子具有重要意义。

2.2 酶响应型微乳液凝胶颗粒的控释特性

在生理过程中，消化酶会降解生物聚合物，从而侵蚀基质并释放封装的化合物（图2c）。与溶胀相比，基质被部分或完全破坏，从而使腐蚀中的破裂释放[20−21]。因此，淀粉基微凝胶颗粒则会被淀粉酶消化，而蛋白类乳液微凝胶颗粒将被蛋白水解酶（例如胰蛋白酶或胃蛋白酶）消化。Hasanvand等[22]发现包埋了维生素D3的淀粉纳米颗粒是一种典型的淀粉酶响应型小肠靶向的控释载体，其不受胃酸环境和胃蛋白酶水解的影响，在小肠环境中被淀粉酶大量水解从而有效释放包埋的维生素D3，提高了维生素D3的吸收和生物利用度。乳清蛋白微乳液凝胶颗粒由于乳清蛋白的羧基与钙离子之间形成的网状结构保护了蛋白的芳香氨基酸不被胃蛋白酶裂解，紧密的凝胶孔径阻止酶扩散到乳状液滴的表面，限制了界面蛋白的胃蛋白酶解。在体外肠道条件下，乳清蛋白微凝胶颗粒在胆盐和蛋白水解的共同作用下发生解体，使乳清蛋白微凝胶中的游离脂肪酸和包埋的脂溶性活性成分得以充分释放[23]。

图2 微乳液凝胶颗粒的控释特性Fig.2 Controlled release property of emulsion microgel particle

3 微乳液凝胶颗粒的应用

微乳液凝胶颗粒可作为亲脂性功能因子（脂溶性维生素、活性油脂、脂肪酸、食品香精油等）的递送体系。微乳液凝胶颗粒实现了亲脂性活性分子在食品体系的均匀分散，且作为屏障可以在胃中保护功能因子并在肠道消化过程中的特定位置释放生物活性分子，提高亲脂性活性分子的生物利用度。

3.1 脂溶性维生素

脂溶性维生素（维生素A、D、E、K）具有多种生物活性功能，是人体必须的微量元素，常被用作膳食补充剂，但是这些脂溶性维生素的生物利用度低且对外界环境因素（如光照、高温、氧气）敏感[24−26]。研究表明微乳液凝胶颗粒是一种良好的脂溶性维生素的包载体系，其提高了这些亲脂维生素在加工和储存过程中的稳定性，并防止这些化合物与其他食品成分之间的不良相互作用。Wang等[27]采用明胶与六偏磷酸钠复合乳液凝胶颗粒作为多种脂溶性维生素（维生素A、D3、E、K2）的包载体系，大大提高了维生素的抗氧化性指数，且乳化剪切速度和时间等参数对该复合乳液凝胶颗粒的表面油含量、包封有效率等有较大影响。淀粉乳液凝胶颗粒[22]、多糖和蛋白复合乳液微凝胶颗粒[28]也是良好的维生素D3的递送载体，其包埋的维生素D3能够在小肠中大量有效释放，大大提高维生素D3的生物利用度。

3.2 油脂和脂肪酸

乳液凝胶颗粒在控制脂肪消化方面引起越来越多的关注。一方面，乳液凝胶颗粒可促进活性脂质的胃肠道输运和生物利用度。近年来，人们对添加生物活性油（亚麻籽油、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断增长，因为它们对个人健康起着至关重要的作用，如降低血压、减少心脏病发作、有利于婴儿大脑发育等[29−32]。但生产含有多不饱和脂肪酸或生物活性油的强化食品仍是一个巨大的挑战，因为它们在食品加工、储存和穿过人体消化系统的过程中很容易发生自氧化反应，乳液微凝胶颗粒递送体系能有效地克服这一缺点。研究表明将金枪鱼油作为油相，明胶和六偏磷酸钠（SHMP）复合物作为水相均质得到的O/W乳液经过转谷氨酰胺酶催化诱导可形成乳液凝胶颗粒[33]。该体系优化了ω-3油的稳定性，可作为功能性食品基料。Hashim等[34]研究发现两种富含ω-3油（鱼油和亚麻籽油）和壳聚糖制备的微乳液凝胶颗粒比游离鱼油和亚麻籽油具有更强的抗菌活性。

另一方面，乳液凝胶颗粒能控制释放未消化的脂质，其在延缓脂肪水解、降低食欲、控制体重方面具有一定的健康意义[35]。当未消化的脂质到达远端肠消化道，能够激活回肠制动机制。回肠制动是一种源自回肠的负反馈机制，这种负反馈过程能够抑制食物消化、降低食欲，从而增加饱腹感并减少食物摄入量[36]。乳液凝胶颗粒的生物聚合物凝胶网络在模拟胃肠道中的结构变化[37−38]、油滴的尺寸[39−40]、消化酶或油滴与生物聚合物网络之间的分子相互作用[41]等因素均对脂质的释放量有影响。

3.3 香精油

食品香精油指从芳香植物或香辛料中提取出的，具有强烈呈味和呈香作用的挥发性油状液体物质[42]。食品香精油成分十分复杂，通常含有20～60种不同的易挥发化合物。食品香精油几乎不溶水，其对氧气、温度和日光都比较敏感[43]。利用包埋技术将食品香精油封装在微乳液凝胶颗粒传递载体中可以有效保护食品香精油，减少风味物质的挥发损失，减少食品用天然香料用量；隔绝食品香精油与空气和日光的接触，提高加工稳定性和储藏稳定性，减少呈香物质的降解，大大拓展了食品香精精油在食品中的应用范围[44]。以天然食品胶体为基质，香精油为油相，采用一定的技术手段制备呈微乳液凝胶颗粒，将食品香精油完全包裹起来。食品香精油的微乳液凝胶颗粒传递载体可以根据实际需求设计成不同的大小、厚度、智能响应类型[6]。例如在微乳液凝胶颗粒外层添加亲水性基团，可以增加香精油在水相中的分散性和溶解度；调控微乳液凝胶颗粒的颗粒大小，利用其屏蔽作用来保持内部包载的食品香精油理化性质的稳定，延长其贮藏时间；再利用智能响应的材料或者在凝胶微球表面添加智能响应的物质，通过酸、碱、盐浓度以及温度等外部刺激，控制内部包埋的食品香精在特殊部位或特殊时间释放出来。Kwan等[45]利用橙油、中链甘油三酸酯（MCT）油和WPI制备负载香橙香精油的稳定乳液凝胶颗粒（768±36 ）nm。实验结果表明该微乳液凝胶颗粒在人工唾液存在下（pH7）实现包封橙油的全部释放。Shetta等[46]研究发现壳聚糖乳液凝胶颗粒是一种良好的薄荷香精和绿茶香精油的pH响应型包埋载体，其保持了两种香精油中总酚含量的稳定性，而且使薄荷精油和绿茶精油的抗氧化活性分别提高了约2倍和2.4倍。该凝胶颗粒在pH=3环境下的薄荷精油和绿茶精油的释放速率和释放量均大于其在pH7.4环境下的对应值。

4 结语

常见的微乳液凝胶颗粒的制备方法有聚合物挤出法、多重乳液凝胶法和流体凝胶法。环境响应型微乳液凝胶颗粒主要通过两种途径在人体靶向位置有效释放包埋的脂溶性活性分子: 一是pH和离子强度变化导致凝胶基质的溶胀；二是人体消化酶对微乳液凝胶基质的侵蚀作用。采用独特且合适的材料制备微乳液凝胶颗粒仍需科研工作者进一步的深入。天然非淀粉类多糖、改性淀粉和植物蛋白等天然大分子是具有潜力的可用于制备乳液微凝胶颗粒的原材料，因为它们既是天然大分子乳化剂又是良好的胶凝剂。此外，通过改性手段使这些生物聚合物对pH、离子强度、消化酶等具有更加灵敏智能的响应性，这对于发展绿色创新型乳液微凝胶颗粒具有重要意义。