基于喷雾干燥法制备微胶囊作为生物活性成分递送体系的研究进展

孙铭悦，王 欢，江连洲

（东北农业大学食品学院，哈尔滨 150030）

功能食品的工业化生产涉及从植物中提取的生物活性成分的掺入，以调节颜色、风味、质地，并增加有益的健康效果[1]。这些生物活性成分在加工条件下通常是不稳定的，如暴露于高温、pH变化和光与氧气存在时，化合物易分解，这限制了它们的加工与应用。包封是将不同成分包裹在载体（壁材）中形成递送体系，在特定条件下以受控速率释放的过程[2]。常用的成分包封技术包括喷雾干燥、冷冻干燥、挤压、凝聚、脂质体、乳化和微囊化等[3]。

微囊化过程是将食品级可生物降解材料均匀地包覆在功能成分上的包封技术，达到分离内部相和周围基质、增强营养、掩盖异味的效果，并在不影响其物理、化学或功能特性的情况下延长货架寿命[4]。微囊化产生的微胶囊是一种将活性成分嵌入到另一种材料或系统中进行固定化、保护、结构化和功能化的递送体系[5]。微胶囊的粒径范围界定为1～1 000 mm[4]。一般来说，微胶囊是规则的球体，也有少数非球形的微胶囊[6]。微胶囊化活性成分可称为芯材、核材、填料、内相或有效载荷相、模板、货物、封装物或活性剂，涂层材料也可称为壁材、壳材、壳壁、载体、封装剂、基质、膜或外相[7]。

微胶囊具有多种功能特性，包括包封效率、大小、制备过程中大小分布和形态、储存稳定性以及体外和体内释放特性。其中，包封效率和生物利用率是微胶囊作为递送体系的重要评价指标。包封效率指递送体系内包含核心材料的量比被包封成分和递送体系的总量。生物利用率是指被人体吸收并可参与生理活动的物质占物质总量的比[8]。微胶囊的壁材材料对微胶囊的稳定性能和释放性能起着至关重要的作用，具有适当性能的微胶囊具有提高芯材活性和稳定性的潜力。在食品工业中广泛用于制备微胶囊的常见技术主要有原位聚合法、界面聚合法、复凝聚法和喷雾干燥法[9]（见图1）。

图1 原位聚合法、界面聚合法、复凝聚法制备微胶囊

在众多微胶囊的制备方法中，喷雾干燥包封是最具吸引力和最常用的方法，具有调整包封材料胶体和表面性质及其可控释放行为的潜力。有研究表明，80%～90%的花青素包封是喷雾干燥实现的[10]。因此，文中综述了喷雾干燥技术在生物活性物质包埋方面的应用，并重点对喷雾干燥微胶囊常用的壁材进行了分类讨论，主要为蛋白型（乳清蛋白和植物蛋白）、多糖型（麦芽糊精、魔芋葡甘露聚糖和阿拉伯胶）及复合型（多糖-多糖和蛋白-多糖）壁材。最后，列举了喷雾干燥法在递送生物活性成分（β-胡萝卜素、姜黄素和辅酶Q10）方面的应用，以期为喷雾干燥在功能性食品中的应用提供参考。

1 喷雾干燥

1.1 原理

喷雾干燥（Spray drying，SD）是一种通过热干燥介质使液体从液体形态转变为粉末颗粒的脱水过程。喷雾干燥装置见图2。当水从颗粒中蒸发时，核心成分被固定在壳内[11]。因为在高温下暴露时间短，喷雾干燥的优点之一是其适用于热敏性材料。此外，喷雾干燥操作成本低，微胶囊质量高，溶解度大，体积小，微胶囊稳定性高[12]。

图2 喷雾干燥装置

1.2 微胶囊制备

喷雾干燥制备微胶囊主要可分为三个阶段：第一阶段是芯材在壁材溶液中形成精细稳定的乳液，要雾化的混合物是通过将疏水性质的核心材料分散到壁材溶液中来制备的。在进入喷雾干燥设备之前，形成的乳液必须在一定时间内保持稳定，油滴应相当小，粘度应足够低，以防止颗粒中含有空气[13]。另外，喷雾干燥微胶囊过程中芯材的保留受乳液的组成和性能以及干燥条件的影响，因此，第二阶段可根据壁材材料的乳化性能考虑是否添加乳化剂，并对分散体进行加热和均质[14]。第三阶段是干燥。所得的物料被雾化，加热气流供给干燥室，溶剂蒸发形成微胶囊。当喷射的粒子通过气体介质时，油滴呈球形被包封在水相中，瞬时暴露和水分快速蒸发使核心材料的温度保持在40℃以下[15]。

2 壁材选择

喷雾干燥包封过程中最具挑战性的问题之一是选择合适的壁材，理想的壁材材料应具有生物相容性、可生物降解、无毒、低成本等特点。食品成分的微胶囊化通常是通过各种来源的生物聚合物来实现的，如天然胶（阿拉伯胶、海藻酸盐、卡拉胶等）、蛋白质（牛奶或乳清蛋白、明胶等）、具有不同葡萄糖等价物的麦芽糊精、蜡及其混合物（见图3）。最常用的壁材材料是蛋白质和糖类。

图3 微胶囊壁材材料选择

2.1 蛋白型

进入喷雾干燥前，保持物料液滴的界面结构是保证高包封效率和保护芯材的关键[16]。蛋白质可在油和水均质化过程中吸附在界面上，通过降低界面张力促进其均化，并通过在油滴周围形成一层保护层来阻止聚结[17]。常用做壁材的蛋白质主要是乳清蛋白和植物蛋白。

（1）乳清蛋白

乳清蛋白主要是β-乳球蛋白、α-乳白蛋白、牛血清白蛋白和免疫球蛋白的混合物，是奶工业的一种有价值的副产品，广泛应用于乳制品/非乳制品饮料、甜点和肉制品中[18]。Parthasarathi和Anandharamakrishnan[19]以分离乳清蛋白为壁材，采用喷雾干燥、冷冻干燥和喷雾冷冻干燥3种工艺制备了维生素E微胶囊，提高了低水溶性生物活性化合物维生素的口服生物利用度。Duongthingoc等[20]研究了乳清蛋白凝聚对鲍氏酵母菌喷雾干燥微胶囊的影响。

（2）植物蛋白

除了乳清蛋白外，植物蛋白作为壁材通过喷雾干燥制备微胶囊的研究受到较多的关注。在植物蛋白中，大豆分离蛋白[21]，豌豆蛋白分离物[22]和谷物蛋白[23]常被用作壁材成分。Moser等[24]评估鹰嘴豆蛋白对喷雾干燥法巴西莓油微胶囊化的影响，成功微囊化高效率和高稳定性的巴西莓油。

2.2 多糖型

糖类（主要是多糖）也是很重要的壁材材料，高固体含量的同时具有较低的粘度和良好的溶解性，可提高疏水核心材料的水溶性。另外，多糖的胶凝特性可以促进乳液的稳定，防止絮凝和聚结，进而提高体系的稳定性和芯材的生物利用度。喷雾干燥制备微胶囊最常用的糖类壁材是麦芽糊精、魔芋葡甘露聚糖和阿拉伯胶，其他多糖（如壳聚糖、果胶、海藻酸盐）也有过报道[25]。

（1）麦芽糊精

麦芽糊精（Maltodextrin，MD）是由玉米淀粉酸解或酶解产生的（1-4）-D-葡萄糖组成的多糖[26]。其价格低廉，水溶性高（＞75%），水溶液粘度低，能够形成覆盖物，将芯材包封并最大限度地减少其与氧气的接触[27]。MD按其葡萄糖当量（DE）进行分类。一些研究表明，具有不同DEs的MDs产生的微粒具有不同的物理化学性质，可以保护敏感物质[28]。Zhu等[29]采用喷雾干燥技术将含有不同DEs的MDs包封在大豆OBs中，评估了MD的DE对喷雾干燥微胶囊OBs理化性质和抗氧化活性的影响，制备了稳定OBs并提高其食品营养价值的稳定体系。另外，MD的含量也是影响微胶囊形成的关键因素。Balasubramani等[30]以大蒜油树脂为芯材、添加不同含量的麦芽糊精（40%、50%和60%）为壁材，采用喷雾干燥技术制备大蒜油树脂微胶囊，评估大蒜油树脂微胶囊包封效率和优化配方条件后微胶囊的微观形貌，表明麦芽糊精含量60%时，包封效率最大为81.9%，粉末呈球形，表面光滑，无凹痕，具有良好的包覆性和活性化合物的保藏性。

（2）魔芋葡甘露聚糖

魔芋葡甘露聚糖（Konjac mannan，KGM）是从魔芋块根中提取的一种膳食纤维，由β-1,4-连接D-葡萄糖和D-甘露糖组成的线性多糖[31]，具有独特的生物相容性和生物降解性。KGM及其衍生物作为功能性食品成分对人体健康有益，如减少和延缓葡萄糖吸收、抑制脂肪酸合成、控制肥胖等[32]。KGM具有良好的水溶性、吸附性、乳化性和成膜性，单独使用或与蛋白结合形成的复合结构可通过喷雾干燥形成微胶囊的良好壁材[33]。Wattanaprasert等[34]利用KGM以喷雾干燥包封穿心莲内酯，比较其微囊化效率从包封率和产率两方面，研究了KGM溶液的粘度对穿心莲内酯微胶囊质量的影响。

（3）阿拉伯胶

阿拉伯胶（Gum arabic，GA）是一种生物高聚物树胶，由D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、D-半乳糖和Larabinose组成，能在较广的pH范围内与大多数油形成稳定的乳液[35]。阿拉伯胶是水溶性膳食纤维，在人肠道中难以消化，但在结肠中发酵产生短链脂肪酸，具有益生元作用[36]，常用作喷雾干燥的包封壁材。Bajac等[37]采用喷雾干燥法制备了食品级杜松子精油微胶囊，研究了阿拉伯胶对粉末的物理性能、保油率和包封率的影响。GA价格偏高、供应有限和不同来源的质量差异特点限制其广泛应用，因此经常被麦芽糊精、改性淀粉和蛋白质替代或结合应用于喷雾干燥制备微胶囊中[35]。

2.3 复合型

大多数单一壁材缺乏较好的界面性能。例如由某些多糖制成的壁材可能有较大的孔隙，导致被包封的物质暴露或扩散[38]。因此，在单一体系中加入其他化合物，形成结构紧凑的复合壁材以提高性能[39]。对糖类进行化学修饰是改善其作为微胶囊壁材包封性能的一种新方法[40]。另外，多糖和蛋白的特性可互补不足，制备具有高溶解性和乳化性的复合壁材。Chew等[41]研究了β-环糊精与阿拉伯胶和酪蛋白酸钠复合喷雾干燥红麻精油微囊化的潜力，分别建立3种微胶囊模型，包括蛋白质型（β-环糊精/酪蛋白酸钠）、多糖型（β-环糊精/阿拉伯胶）和混合型（β-环糊精/阿拉伯胶/酪蛋白酸钠），表明多糖型微胶囊的微胶囊化效率最高，其次是蛋白型微胶囊和混合型微胶囊。

（1）多糖-多糖复合壁材

多糖与多糖复合制备的微胶囊壁材性能主要影响因素是不同多糖的配比。Baiocco等[42]采用喷雾干燥法制备了由阿拉伯胶和真菌壳聚糖组成的水杨酸乙基油微胶囊，研究了阿拉伯胶与壳聚糖的配比对制备微胶囊物理力学性能的影响。

（2）蛋白-多糖复合壁材

蛋白-多糖复合壁材：多糖与蛋白质结合时可促进协同效应，从而形成不同的组织结构[43]。Leylak等[44]采用乳清粉（WP）和阿拉伯胶（GA）混合物喷雾干燥制备嗜酸乳杆菌LA-5微胶囊，在模拟胃肠道条件下对嗜酸乳杆菌的保护效果较好，可用于乳制品和其他食品。蛋白和多糖复合制备的微胶囊壁材包封效果与蛋白和多糖的比例密切相关。Meena等[45]将姜黄素溶解于油脂中，然后以脱脂乳、WPC-80、麦芽糊精和阿拉伯胶为壁材，通过改变芯壁比和壁材固形物中蛋白质和碳水化合物的比例，开发了能抵抗胃消化作用、可被肠液消化的姜黄素微胶囊。

3 生物活性成分递送

有许多生物活性成分对人类健康不是必需的，但如果摄入足够高的水平，能够增强健康和幸福感，具有一些与营养素（天然存在于食物中）和药物（有特定的健康益处）相似的特性，被称为营养物质[46]。然而，大部分这些生物活性成分是亲脂的，需要特定的递送系统。姜黄素、β-胡萝卜素和辅酶Q10常被通过喷雾干燥制备微胶囊作为提高生物利用率的递送体系。

3.1 姜黄素

姜黄素（Curcumin，CUR）是一种多酚类植物化学物质，是姜黄中主要的姜黄素类成分之一，有许多潜在的健康益处，包括抗菌、抗炎、抗氧化、抗肿瘤和抗病毒活性。近年来，姜黄素作为一种生物活性成分在功能食品、药品和化妆品中的潜在应用得到了广泛的研究[47]。为提高其溶解性、分散性及生物利用率，研究人员常常采用喷雾干燥法对其进行包封。Nogami等[48]采用喷雾干燥法制备了聚乙烯吡咯烷酮和环糊精的组合，开发了一种稳定的、可溶性增强的姜黄素递送体系（见附表）。

3.2 β-胡萝卜素

β-胡萝卜素（β-Carotene）是主要的类胡萝卜素之一，是已知的表明维生素A原活性的类胡萝卜素之一，对癌症、光敏障碍、心血管疾病、年龄相关疾病等具有抑制作用，还可作为食品、化妆品和护理产品的着色剂[49]。Zhang等[50]以辛烯基琥珀酸酐（OSA）-淀粉和海藻糖为原料，采用湿磨和喷雾干燥相结合的方法制备了无溶剂高负载β-胡萝卜素微胶囊，提高了其在热、光处理过程中β-胡萝卜素的保留率，验证了复合壁材的抑氧性能（见附表）。

附表 生物活性成分递送体系

3.3 辅酶Q10

辅酶Q10（Co-enzyme Q10，CoQ10）是一种脂溶性营养素，通过线粒体呼吸链产生细胞能量，具有预防高血压、阿尔茨海默病、心肌梗死和癌症的作用[51]。CoQ10几乎不溶于水，其口服生物利用度较低。因此，研究人员不断设计特定的递送系统提高其生物利用率[52]。Huang等[53]采用喷射喷雾干燥技术研究辅酶Q10（CoQ10）和维生素E的共包封，制备了稳定保留率和抗氧化能力的微胶囊（见附表）。

4 结语

各种生物活性成分由于其良好的抗炎、抗氧化和抗癌作用受到关注，喷雾干燥已经作为常用的微胶囊制备方法提高其溶解性、稳定性及生物利用率。文中综述了喷雾干燥制备微胶囊的过程，壁材的类型及组成及姜黄素、β-胡萝卜素和辅酶Q10递送体系的应用实例。然而，喷雾干燥过程中的参数，直接影响包封效率和制微胶囊的稳定性。因此，不断优化喷雾干燥技术参数和应用新型喷雾干燥设备成为必然趋势。此外，当前已广泛使用蛋白-多糖复合形成高效的食品级壁材材料，但由于蛋白-多糖分子间存在的相互作用机制不同，形成的微胶囊包封效果有较大差异，因此，应进一步开发更具保护性的壁材，以提高基于喷雾干燥制备的生物活性成分微胶囊封装效率和稳定性能。