微膠囊技術(shù)在保護(hù)天然活性成分中的應(yīng)用研究進(jìn)展

耿 鳳，邵 萌，魏 健，郭學(xué)平

（華熙生物科技股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

天然活性成分是動(dòng)植物、昆蟲、海洋生物、微生物等提取產(chǎn)物/代謝產(chǎn)物及人與動(dòng)物體內(nèi)多種內(nèi)源性化學(xué)成分的統(tǒng)稱，有重要的生理活性和功能。然而，大部分天然活性成分（如植物精油、維生素類、視黃醇等）的性質(zhì)不穩(wěn)定，在保存過程中易揮發(fā)或氧化變質(zhì)，限制了其廣泛應(yīng)用。緩釋技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天然活性成分的緩慢釋放，并起到保護(hù)天然活性成分的作用，拓寬了天然活性成分的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用價(jià)值。微膠囊技術(shù)是緩釋技術(shù)的重要技術(shù)之一，在保護(hù)天然活性成分穩(wěn)定性和活性方面發(fā)揮了越來越重要的作用。本文從微膠囊技術(shù)的定義、制備方法、壁材選擇等方面，闡述微膠囊技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀。

1 微膠囊制備方法

微膠囊技術(shù)一般指借助某些物理、化學(xué)及生物學(xué)的手段，將某一目的物（芯或內(nèi)相）用天然或合成的高分子材料連續(xù)薄膜（壁或外相）完全包裹起來[1]，達(dá)到增加芯材穩(wěn)定性和緩釋的效果，通過施予外部刺激破壞壁材或通過緩釋作用使芯材的生理活性得以表現(xiàn)。

微膠囊的制備方法達(dá)200多種，大體可分為物理法、化學(xué)法、物理化學(xué)法3個(gè)大類，其中應(yīng)用較廣泛的主要有原位聚合法、噴霧干燥法、復(fù)凝聚法、界面聚合法、層-層自組裝法等。

1.1 原位聚合法

原位聚合法的前提條件是形成壁材的聚合物單體可溶，而聚合物不溶。將芯材（不溶于水）加至溶解有聚合物單體的水溶液（含乳化劑）中，劇烈攪拌使單體很好地分散于溶液中，然后加熱使單體交聯(lián)形成聚合物從溶液中析出附著于芯材表面形成微膠囊，見圖1。龔圣等[2]以茶樹油為芯材，以原位聚合法制備微膠囊，載藥量達(dá)45 %，4 d釋放量約為68 %，解決了茶樹精油氣味難聞、易揮發(fā)和易氧化的缺點(diǎn)。Lin等[3]通過原位聚合法制備的茉莉花乳液精油微膠囊，粒徑僅860 nm，耐沸水和耐酸堿腐蝕，包封率達(dá)92 %，在水中的釋放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)22 d，在香料工業(yè)中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖1 原位聚合微膠囊化工藝示意圖[4]

1.2 噴霧干燥法

噴霧干燥法是以噴霧裝置將芯材和壁材的混合乳液噴灑至高溫干燥介質(zhì)中，使溶劑快速蒸發(fā)進(jìn)而囊膜固化得微膠囊的方法。但該方法不適合熱敏感的天然活性成分，高溫會(huì)使熱敏感的活性成分失活；且噴霧干燥法制備的微膠囊溶劑短時(shí)間內(nèi)蒸發(fā)，囊壁容易出現(xiàn)裂縫，致密性得不到保證，不適用于包裹液體芯材，主要用于粉末香料和粉末油脂的包封。álvarez-Henao等[5]用阿拉伯膠、麥芽糊精和改性淀粉作為壁材，利用噴霧干燥法對(duì)葉黃素進(jìn)行包埋，包埋后的葉黃素具有良好的穩(wěn)定性。

1.3 復(fù)凝聚法

復(fù)凝聚法利用帶有不同電荷的兩種高分子材料作壁材，在適宜狀態(tài)下發(fā)生交聯(lián)后和芯材凝聚成囊，具體工藝示意圖見圖2。只有兩種物質(zhì)所帶的電荷相等時(shí)方能獲得最大的產(chǎn)率，而帶電荷量又與pH 值和濃度這兩個(gè)條件密切相關(guān)，使反應(yīng)條件較難控制。但是復(fù)凝聚法能避免引入有機(jī)溶劑與化學(xué)交聯(lián)劑，且能實(shí)現(xiàn)非水溶性液體的微膠囊化。李強(qiáng)等[6]用復(fù)凝聚法制備了當(dāng)歸精油的殼聚糖-明膠微膠囊，其抗氧化率約為當(dāng)歸精油的8倍。董志儉等[7]用復(fù)合凝聚法合成了薄荷油微膠囊，得到的球狀多核微膠囊有良好性能：控制釋放、耐高溫高濕等。

圖2 復(fù)凝聚微膠囊化工藝示意圖

1.4 界面聚合法

界面聚合法是將兩種溶解特性不同（一種可溶于水相，一種可溶于有機(jī)相）的壁材單體分別溶解，芯材于分散相溶劑中溶解。而后在水相和有機(jī)相中加入乳化劑形成乳液，兩相中的壁材單體從內(nèi)部向相界面發(fā)生移動(dòng)，在兩相界面上發(fā)生反應(yīng)形成單體聚合物，包裹芯材形成微膠囊，見圖3。董利敏等[8]用界面聚合法制備橄欖油微膠囊，該微膠囊的形狀規(guī)則、粒徑均勻，穩(wěn)定性好，受溫度影響小。Wang等[9]以薰衣草香料為芯材，聚異氰酸酯為壁材，通過界面聚合法成功制備了薰衣草香料的聚脲微粒，包封率為75.68 %，在沉積12周后，薰衣草僅失去不到50 %香氣，氣相色譜法/氫火焰離子化檢測(cè)表明用薰衣草微膠囊處理芳香織物比香料乳液具有更好的緩釋性能。

圖3 界面聚合微膠囊化工藝示意圖

1.5 層-層自組裝法

層-層自組裝法借助各層分子間的強(qiáng)相互作用（如化學(xué)鍵等）或弱相互作用（如靜電引力、氫鍵、配位鍵等），使層與層自發(fā)形成結(jié)構(gòu)完整、性能穩(wěn)定的分子聚集體。該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠囊的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、大小、囊壁厚度納米層面上的精準(zhǔn)控制。黃晶等[10]采用層層自組裝的方法對(duì)百里香精油進(jìn)行包覆，優(yōu)化最適的成囊條件，包埋率高達(dá)80.23 %。東南大學(xué)[11]以有一定功效的活性物質(zhì)為核，以帶相反電荷的聚電解質(zhì)為殼層，通過層層自組裝的方法制備功能納米微膠囊水溶液，本發(fā)明可方便且低成本地制備單一功效或者多功效復(fù)合的納米微膠囊面膜。Ribeiro等[12]報(bào)道了制備生物相容性中空多層微膠囊的方法，用殼聚糖和海藻酸鹽層序沉積在多孔碳酸鈣微核上，再經(jīng)模板溶解法制備分散良好的中空多層微膠囊，該微膠囊為平均直徑5 μm的非聚集球形，激光掃描顯微鏡觀察到成纖維細(xì)胞對(duì)微膠囊的吸收增強(qiáng)，證明其適合細(xì)胞內(nèi)化。生物相容性中空多層微膠囊具有良好的應(yīng)用前景，可作為生物活性分子成功包封、保護(hù)和控制釋放的微膠囊，為藥物/基因傳遞、細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)和組織工程開辟了新途徑。

2 微膠囊壁材

微膠囊的壁材對(duì)微膠囊制備及其保護(hù)效果至關(guān)重要。微膠囊壁材的選擇需遵循下列原則：①壁材不和芯材發(fā)生反應(yīng)；② 壁材具有一定成膜性、穩(wěn)定性和機(jī)械性能，能將芯材封閉其中；③ 壁材能在特定環(huán)境下有效釋放芯材；④具有適當(dāng)?shù)奈鼭裥院腿芙庑?；?能滿足食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域安全衛(wèi)生的需求；⑥ 用于藥品、化妝品、食品等的包封材料最好具有生物黏附性、生物相容性和生物可降解性等特點(diǎn)。

微膠囊的壁材種類有很多，一般為高分子聚合物，主要包括天然的、人工合成的和半人工合成的（見表1）。人工合成材料主要有聚乙二醇、聚乙烯乙醇等，人工合成材料由于其高機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性能在食品包裝、印刷和涂層過程備受青睞，大大增益了天然活性成分如驅(qū)蟲、防腐等精油的功效和性能。但由于人工合成材料有較大毒副作用，不宜用于經(jīng)口或經(jīng)皮產(chǎn)品。半人工合成高分子材料黏性大，較人工合成高分子材料毒性低，但因其易水解且需現(xiàn)配現(xiàn)用的特點(diǎn)，應(yīng)用也受到限制。而天然高分子材料由于其生物相容性、可生物降解性等優(yōu)越性能，越來越多地被應(yīng)用到不穩(wěn)定天然活性成分的包封中。天然高分子材料微膠囊壁材大致可分為蛋白類聚合物和多糖類聚合物，蛋白類聚合物包括白蛋白和明膠等，多糖類聚合物包括殼聚糖、海藻酸鹽、多孔淀粉、透明質(zhì)酸等。

2.1 蛋白類聚合物

2.1.1 明膠 明膠是由動(dòng)物皮膚、骨、肌膜等結(jié)締組織中的膠原部分降解而成的白色或淡黃色、半透明、微帶光澤的薄片或粉粒，其結(jié)構(gòu)與生物體組織結(jié)構(gòu)相似，是一種天然的高分子材料，因此具有良好的生物相容性。一定濃度的明膠水溶液體系在改變環(huán)境條件時(shí)會(huì)發(fā)生溶膠、凝膠之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)溶液濃度高于1 %，溫度為0～5 ℃時(shí)，體系呈高黏度的凝膠，溫度高于35 ℃時(shí)，體系為低黏度的溶膠；當(dāng)溶液中濃度低于1 %時(shí)，即使較大程度改變條件也未見到凝膠化作用。正是這些特性使明膠成為微膠囊的良好壁材。明膠易于化學(xué)交聯(lián)或改性，交聯(lián)度決定了芯材在明膠微膠囊中的釋放。井樂剛等[13]以阿魏酸為交聯(lián)劑制備交聯(lián)度10 %以上的交聯(lián)明膠，并以其為壁材，以維生素等的混合物為芯材，采用噴霧干燥工藝，制備出了具有一定緩釋性能的復(fù)合維生素微膠囊，包埋率在85 %以上。

表1 微膠囊技術(shù)常用壁材匯總

2.1.2 白蛋白 白蛋白是一種可生物降解的水溶性蛋白，在循環(huán)系統(tǒng)中起重要作用，參與滲透壓力調(diào)節(jié)，并將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到細(xì)胞。白蛋白具有黏性、膠質(zhì)性，在pH 4～9范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，可在60 ℃下加熱10 h而不產(chǎn)生任何有害影響，常被用作微膠囊的壁材。白蛋白會(huì)被蛋白酶分解，有助于微膠囊在小腸中釋放活性物質(zhì)。Lu等[14]提出了一種通過在有機(jī)液滴表面吸附白蛋白，然后蒸發(fā)有機(jī)溶劑來制造空心白蛋白膠囊的方法，所制備出的白蛋白微膠囊粒徑只有幾微米，形態(tài)均勻，性質(zhì)穩(wěn)定，適合作為生物相容性容器用于藥物遞送系統(tǒng)。

2.2 多糖類聚合物

2.2.1 殼聚糖 殼聚糖又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的甲殼素經(jīng)脫乙酰作用得到的，化學(xué)名稱為β-(1→4)-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，是自然界中含量第二高的多糖，有良好的藥物特性，如生物相容性、生物黏附性、原位凝膠化、對(duì)酶水解的敏感性、無毒性及生產(chǎn)成本低等[15]。這些特性及其易于修飾的特性使殼聚糖成為一種多功能的生物活性聚合物，可用于微膠囊壁材。Vishnu等[16]以香草酸接枝改性的殼聚糖為壁材制備了平均粒徑2.3 μm的沙丁魚魚油微膠囊，魚油包埋率84 %，有好的抗氧化性能。Kujur等[17]研究了殼聚糖為壁材的原高香精油微膠囊對(duì)黃曲霉毒素分泌的抑制及其作用模式。微膠囊化的原高香精油呈粒徑7.00～90.0 μm的均勻球形，比未囊化的原高香精油有更強(qiáng)的真菌和黃曲霉毒素雙抑制活性，結(jié)果表明，殼聚糖包封材料在提高原高香精油的抗菌性能和穩(wěn)定性方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。盧亞會(huì)等[18]采用原位聚合法制備包覆薰衣草精油的殼聚糖-聚氨酯雙層殼香味微膠囊，平均粒徑為0.756 μm，分布系數(shù)為0.623，可獲得較好的香味緩釋效果。

2.2.2 海藻酸鈉 海藻酸鈉是從褐藻類的海帶或馬尾藻中提取碘和甘露醇之后的副產(chǎn)物。其分子由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸通過（1→4）鍵連接而成，是一種天然多糖。海藻酸鈉的穩(wěn)定性、溶解性、黏附性和安全性較好，適合作為藥物制劑的輔料。中山大學(xué)[19]公開了一種殼核香料香精微膠囊及其制備方法，以香料香精為芯材，海藻酸鈉和殼聚糖為壁材，通過微流控技術(shù)與層層裹覆的方法結(jié)合，制備出粒徑分布均勻的海藻酸鈉-殼聚糖層層裹覆微膠囊，對(duì)香料香精微膠囊產(chǎn)品的整體粒徑均勻性、緩釋性能及穩(wěn)定性有積極意義。

2.2.3 多孔淀粉 多孔淀粉作為新型的改性天然高分子材料，與天然淀粉相比，經(jīng)過酶處理以后的多孔淀粉是呈馬蜂窩狀的中空顆粒，有很好的吸附性。有學(xué)者將多孔淀粉用作微膠囊壁材，取得了不錯(cuò)的成果。Lei等[20]通過考察橄欖油與多孔淀粉的質(zhì)量比、浸漬溫度和浸漬時(shí)間等限制因素，優(yōu)化橄欖油微膠囊制備條件，在最佳封裝條件下制備的橄欖油微膠囊的最大負(fù)載率為33.22 %；考察微膠囊的氧化穩(wěn)定性，結(jié)果表明，橄欖油微膠囊4 d的過氧化值仍高于國(guó)家油脂標(biāo)準(zhǔn)。與游離橄欖油相比，橄欖油微膠囊有穩(wěn)定的橄欖油裝載率和顯著的氧化穩(wěn)定性改善。

2.2.4 透明質(zhì)酸 透明質(zhì)酸是一種非硫酸化的糖胺聚糖，由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰葡糖胺形成的二糖交替連接而成。透明質(zhì)酸作為一種可生物降解、生物相容性好、無毒、無免疫原性的天然多糖，存在羧基、羥基等多個(gè)可進(jìn)行交聯(lián)等化學(xué)改性的位點(diǎn)，已有研究將其作為微膠囊的壁材包裹天然活性成分。

透明質(zhì)酸微膠囊可應(yīng)用于日化用品。專利CN105832580A[21]介紹了一種含精油微膠囊功效洗發(fā)水的制備方法，將具有抑菌作用的茶樹精油包裹于透明質(zhì)酸和海藻酸鈉為壁材的微膠囊中，避免了其他化學(xué)抑菌劑帶來的脫發(fā)等問題。專利CN105310894A[22]公開了一種微膠囊型的抗皺眼霜，以透明質(zhì)酸、海藻酸鈉、羧甲基纖維素鈉為壁材，將活性成分包裹于微膠囊中，實(shí)現(xiàn)了活性成分的緩慢均勻釋放，避免了因短時(shí)間釋放給皮膚帶來過多的油分和營(yíng)養(yǎng)而引起的脂肪粒等皮膚問題。

透明質(zhì)酸微膠囊可應(yīng)用于抗腫瘤藥物。有研究表明，CD44有促進(jìn)侵襲性腫瘤存活的能力，在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)明顯高于正常細(xì)胞，而CD44又是細(xì)胞表面最重要的透明質(zhì)酸受體[23]，基于此，透明質(zhì)酸已被用在腫瘤藥物的傳遞系統(tǒng)中。將透明質(zhì)酸作為壁材制備抗腫瘤微膠囊藥物，既能在特定部位實(shí)現(xiàn)藥物釋放而達(dá)到抗腫瘤藥物的靶向作用，又能提高紫杉醇等天然藥物的穩(wěn)定性。Harada等[24-29]一直致力于開發(fā)以輻射為導(dǎo)向，利用微膠囊釋放對(duì)輻射有反應(yīng)的抗癌藥物。先后以透明質(zhì)酸/殼聚糖、透明質(zhì)酸/海藻酸鈉、透明質(zhì)酸/魚精蛋白為壁材制備抗腫瘤藥物微膠囊，最終制備了較小粒徑（743±34 nm）的微膠囊，解決了微粒較大在全身注射時(shí)可能被肺、腦、脾臟等捕獲的問題。楊越等[30]用層層自組裝法，以巰基改性的透明質(zhì)酸/殼聚糖為壁材，制備了還原響應(yīng)性微膠囊，實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的控制釋放。

隨著透明質(zhì)酸修飾技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展及其本身所具有的藥物和生物特性，透明質(zhì)酸及其衍生物在微膠囊壁材等遞送系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

3 結(jié)論與展望

微膠囊技術(shù)可有效地保護(hù)天然活性成分，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在藥物、化妝品等產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用，但還有許多問題未解決，保護(hù)效果也需進(jìn)一步提高。目前主要挑戰(zhàn)是提高天然活性成分在生物環(huán)境中的穩(wěn)定性，介導(dǎo)活性成分的生物分布，改善裝載量及與生物屏障建立更大的相互作用。壁材的選擇與開發(fā)是未來研究的主要關(guān)注點(diǎn)，進(jìn)一步開發(fā)生物相容性高、生物可降解性好的天然高分子材料應(yīng)用到微膠囊壁材中，將大大提升天然活性成分的應(yīng)用價(jià)值，也將大大拓展微膠囊的應(yīng)用領(lǐng)域。