基于噴霧干燥法制備微膠囊作為生物活性成分遞送體系的研究進(jìn)展

孫銘悅，王 歡，江連洲

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，哈爾濱 150030）

功能食品的工業(yè)化生產(chǎn)涉及從植物中提取的生物活性成分的摻入，以調(diào)節(jié)顏色、風(fēng)味、質(zhì)地，并增加有益的健康效果[1]。這些生物活性成分在加工條件下通常是不穩(wěn)定的，如暴露于高溫、pH變化和光與氧氣存在時(shí)，化合物易分解，這限制了它們的加工與應(yīng)用。包封是將不同成分包裹在載體（壁材）中形成遞送體系，在特定條件下以受控速率釋放的過程[2]。常用的成分包封技術(shù)包括噴霧干燥、冷凍干燥、擠壓、凝聚、脂質(zhì)體、乳化和微囊化等[3]。

微囊化過程是將食品級可生物降解材料均勻地包覆在功能成分上的包封技術(shù)，達(dá)到分離內(nèi)部相和周圍基質(zhì)、增強(qiáng)營養(yǎng)、掩蓋異味的效果，并在不影響其物理、化學(xué)或功能特性的情況下延長貨架壽命[4]。微囊化產(chǎn)生的微膠囊是一種將活性成分嵌入到另一種材料或系統(tǒng)中進(jìn)行固定化、保護(hù)、結(jié)構(gòu)化和功能化的遞送體系[5]。微膠囊的粒徑范圍界定為1～1 000 mm[4]。一般來說，微膠囊是規(guī)則的球體，也有少數(shù)非球形的微膠囊[6]。微膠囊化活性成分可稱為芯材、核材、填料、內(nèi)相或有效載荷相、模板、貨物、封裝物或活性劑，涂層材料也可稱為壁材、殼材、殼壁、載體、封裝劑、基質(zhì)、膜或外相[7]。

微膠囊具有多種功能特性，包括包封效率、大小、制備過程中大小分布和形態(tài)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性以及體外和體內(nèi)釋放特性。其中，包封效率和生物利用率是微膠囊作為遞送體系的重要評價(jià)指標(biāo)。包封效率指遞送體系內(nèi)包含核心材料的量比被包封成分和遞送體系的總量。生物利用率是指被人體吸收并可參與生理活動(dòng)的物質(zhì)占物質(zhì)總量的比[8]。微膠囊的壁材材料對微膠囊的穩(wěn)定性能和釋放性能起著至關(guān)重要的作用，具有適當(dāng)性能的微膠囊具有提高芯材活性和穩(wěn)定性的潛力。在食品工業(yè)中廣泛用于制備微膠囊的常見技術(shù)主要有原位聚合法、界面聚合法、復(fù)凝聚法和噴霧干燥法[9]（見圖1）。

圖1 原位聚合法、界面聚合法、復(fù)凝聚法制備微膠囊

在眾多微膠囊的制備方法中，噴霧干燥包封是最具吸引力和最常用的方法，具有調(diào)整包封材料膠體和表面性質(zhì)及其可控釋放行為的潛力。有研究表明，80%～90%的花青素包封是噴霧干燥實(shí)現(xiàn)的[10]。因此，文中綜述了噴霧干燥技術(shù)在生物活性物質(zhì)包埋方面的應(yīng)用，并重點(diǎn)對噴霧干燥微膠囊常用的壁材進(jìn)行了分類討論，主要為蛋白型（乳清蛋白和植物蛋白）、多糖型（麥芽糊精、魔芋葡甘露聚糖和阿拉伯膠）及復(fù)合型（多糖-多糖和蛋白-多糖）壁材。最后，列舉了噴霧干燥法在遞送生物活性成分（β-胡蘿卜素、姜黃素和輔酶Q10）方面的應(yīng)用，以期為噴霧干燥在功能性食品中的應(yīng)用提供參考。

1 噴霧干燥

1.1 原理

噴霧干燥（Spray drying，SD）是一種通過熱干燥介質(zhì)使液體從液體形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉勰╊w粒的脫水過程。噴霧干燥裝置見圖2。當(dāng)水從顆粒中蒸發(fā)時(shí)，核心成分被固定在殼內(nèi)[11]。因?yàn)樵诟邷叵卤┞稌r(shí)間短，噴霧干燥的優(yōu)點(diǎn)之一是其適用于熱敏性材料。此外，噴霧干燥操作成本低，微膠囊質(zhì)量高，溶解度大，體積小，微膠囊穩(wěn)定性高[12]。

圖2 噴霧干燥裝置

1.2 微膠囊制備

噴霧干燥制備微膠囊主要可分為三個(gè)階段：第一階段是芯材在壁材溶液中形成精細(xì)穩(wěn)定的乳液，要霧化的混合物是通過將疏水性質(zhì)的核心材料分散到壁材溶液中來制備的。在進(jìn)入噴霧干燥設(shè)備之前，形成的乳液必須在一定時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，油滴應(yīng)相當(dāng)小，粘度應(yīng)足夠低，以防止顆粒中含有空氣[13]。另外，噴霧干燥微膠囊過程中芯材的保留受乳液的組成和性能以及干燥條件的影響，因此，第二階段可根據(jù)壁材材料的乳化性能考慮是否添加乳化劑，并對分散體進(jìn)行加熱和均質(zhì)[14]。第三階段是干燥。所得的物料被霧化，加熱氣流供給干燥室，溶劑蒸發(fā)形成微膠囊。當(dāng)噴射的粒子通過氣體介質(zhì)時(shí)，油滴呈球形被包封在水相中，瞬時(shí)暴露和水分快速蒸發(fā)使核心材料的溫度保持在40℃以下[15]。

2 壁材選擇

噴霧干燥包封過程中最具挑戰(zhàn)性的問題之一是選擇合適的壁材，理想的壁材材料應(yīng)具有生物相容性、可生物降解、無毒、低成本等特點(diǎn)。食品成分的微膠囊化通常是通過各種來源的生物聚合物來實(shí)現(xiàn)的，如天然膠（阿拉伯膠、海藻酸鹽、卡拉膠等）、蛋白質(zhì)（牛奶或乳清蛋白、明膠等）、具有不同葡萄糖等價(jià)物的麥芽糊精、蠟及其混合物（見圖3）。最常用的壁材材料是蛋白質(zhì)和糖類。

圖3 微膠囊壁材材料選擇

2.1 蛋白型

進(jìn)入噴霧干燥前，保持物料液滴的界面結(jié)構(gòu)是保證高包封效率和保護(hù)芯材的關(guān)鍵[16]。蛋白質(zhì)可在油和水均質(zhì)化過程中吸附在界面上，通過降低界面張力促進(jìn)其均化，并通過在油滴周圍形成一層保護(hù)層來阻止聚結(jié)[17]。常用做壁材的蛋白質(zhì)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，是奶工業(yè)的一種有價(jià)值的副產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于乳制品/非乳制品飲料、甜點(diǎn)和肉制品中[18]。Parthasarathi和Anandharamakrishnan[19]以分離乳清蛋白為壁材，采用噴霧干燥、冷凍干燥和噴霧冷凍干燥3種工藝制備了維生素E微膠囊，提高了低水溶性生物活性化合物維生素的口服生物利用度。Duongthingoc等[20]研究了乳清蛋白凝聚對鮑氏酵母菌噴霧干燥微膠囊的影響。

（2）植物蛋白

除了乳清蛋白外，植物蛋白作為壁材通過噴霧干燥制備微膠囊的研究受到較多的關(guān)注。在植物蛋白中，大豆分離蛋白[21]，豌豆蛋白分離物[22]和谷物蛋白[23]常被用作壁材成分。Moser等[24]評估鷹嘴豆蛋白對噴霧干燥法巴西莓油微膠囊化的影響，成功微囊化高效率和高穩(wěn)定性的巴西莓油。

2.2 多糖型

糖類（主要是多糖）也是很重要的壁材材料，高固體含量的同時(shí)具有較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，多糖的膠凝特性可以促進(jìn)乳液的穩(wěn)定，防止絮凝和聚結(jié)，進(jìn)而提高體系的穩(wěn)定性和芯材的生物利用度。噴霧干燥制備微膠囊最常用的糖類壁材是麥芽糊精、魔芋葡甘露聚糖和阿拉伯膠，其他多糖（如殼聚糖、果膠、海藻酸鹽）也有過報(bào)道[25]。

（1）麥芽糊精

麥芽糊精（Maltodextrin，MD）是由玉米淀粉酸解或酶解產(chǎn)生的（1-4）-D-葡萄糖組成的多糖[26]。其價(jià)格低廉，水溶性高（＞75%），水溶液粘度低，能夠形成覆蓋物，將芯材包封并最大限度地減少其與氧氣的接觸[27]。MD按其葡萄糖當(dāng)量（DE）進(jìn)行分類。一些研究表明，具有不同DEs的MDs產(chǎn)生的微粒具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，可以保護(hù)敏感物質(zhì)[28]。Zhu等[29]采用噴霧干燥技術(shù)將含有不同DEs的MDs包封在大豆OBs中，評估了MD的DE對噴霧干燥微膠囊OBs理化性質(zhì)和抗氧化活性的影響，制備了穩(wěn)定OBs并提高其食品營養(yǎng)價(jià)值的穩(wěn)定體系。另外，MD的含量也是影響微膠囊形成的關(guān)鍵因素。Balasubramani等[30]以大蒜油樹脂為芯材、添加不同含量的麥芽糊精（40%、50%和60%）為壁材，采用噴霧干燥技術(shù)制備大蒜油樹脂微膠囊，評估大蒜油樹脂微膠囊包封效率和優(yōu)化配方條件后微膠囊的微觀形貌，表明麥芽糊精含量60%時(shí)，包封效率最大為81.9%，粉末呈球形，表面光滑，無凹痕，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）是從魔芋塊根中提取的一種膳食纖維，由β-1,4-連接D-葡萄糖和D-甘露糖組成的線性多糖[31]，具有獨(dú)特的生物相容性和生物降解性。KGM及其衍生物作為功能性食品成分對人體健康有益，如減少和延緩葡萄糖吸收、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，單獨(dú)使用或與蛋白結(jié)合形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)可通過噴霧干燥形成微膠囊的良好壁材[33]。Wattanaprasert等[34]利用KGM以噴霧干燥包封穿心蓮內(nèi)酯，比較其微囊化效率從包封率和產(chǎn)率兩方面，研究了KGM溶液的粘度對穿心蓮內(nèi)酯微膠囊質(zhì)量的影響。

（3）阿拉伯膠

阿拉伯膠（Gum arabic，GA）是一種生物高聚物樹膠，由D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、D-半乳糖和Larabinose組成，能在較廣的pH范圍內(nèi)與大多數(shù)油形成穩(wěn)定的乳液[35]。阿拉伯膠是水溶性膳食纖維，在人腸道中難以消化，但在結(jié)腸中發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，具有益生元作用[36]，常用作噴霧干燥的包封壁材。Bajac等[37]采用噴霧干燥法制備了食品級杜松子精油微膠囊，研究了阿拉伯膠對粉末的物理性能、保油率和包封率的影響。GA價(jià)格偏高、供應(yīng)有限和不同來源的質(zhì)量差異特點(diǎn)限制其廣泛應(yīng)用，因此經(jīng)常被麥芽糊精、改性淀粉和蛋白質(zhì)替代或結(jié)合應(yīng)用于噴霧干燥制備微膠囊中[35]。

2.3 復(fù)合型

大多數(shù)單一壁材缺乏較好的界面性能。例如由某些多糖制成的壁材可能有較大的孔隙，導(dǎo)致被包封的物質(zhì)暴露或擴(kuò)散[38]。因此，在單一體系中加入其他化合物，形成結(jié)構(gòu)緊湊的復(fù)合壁材以提高性能[39]。對糖類進(jìn)行化學(xué)修飾是改善其作為微膠囊壁材包封性能的一種新方法[40]。另外，多糖和蛋白的特性可互補(bǔ)不足，制備具有高溶解性和乳化性的復(fù)合壁材。Chew等[41]研究了β-環(huán)糊精與阿拉伯膠和酪蛋白酸鈉復(fù)合噴霧干燥紅麻精油微囊化的潛力，分別建立3種微膠囊模型，包括蛋白質(zhì)型（β-環(huán)糊精/酪蛋白酸鈉）、多糖型（β-環(huán)糊精/阿拉伯膠）和混合型（β-環(huán)糊精/阿拉伯膠/酪蛋白酸鈉），表明多糖型微膠囊的微膠囊化效率最高，其次是蛋白型微膠囊和混合型微膠囊。

（1）多糖-多糖復(fù)合壁材

多糖與多糖復(fù)合制備的微膠囊壁材性能主要影響因素是不同多糖的配比。Baiocco等[42]采用噴霧干燥法制備了由阿拉伯膠和真菌殼聚糖組成的水楊酸乙基油微膠囊，研究了阿拉伯膠與殼聚糖的配比對制備微膠囊物理力學(xué)性能的影響。

（2）蛋白-多糖復(fù)合壁材

蛋白-多糖復(fù)合壁材：多糖與蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)可促進(jìn)協(xié)同效應(yīng)，從而形成不同的組織結(jié)構(gòu)[43]。Leylak等[44]采用乳清粉（WP）和阿拉伯膠（GA）混合物噴霧干燥制備嗜酸乳桿菌LA-5微膠囊，在模擬胃腸道條件下對嗜酸乳桿菌的保護(hù)效果較好，可用于乳制品和其他食品。蛋白和多糖復(fù)合制備的微膠囊壁材包封效果與蛋白和多糖的比例密切相關(guān)。Meena等[45]將姜黃素溶解于油脂中，然后以脫脂乳、WPC-80、麥芽糊精和阿拉伯膠為壁材，通過改變芯壁比和壁材固形物中蛋白質(zhì)和碳水化合物的比例，開發(fā)了能抵抗胃消化作用、可被腸液消化的姜黃素微膠囊。

3 生物活性成分遞送

有許多生物活性成分對人類健康不是必需的，但如果攝入足夠高的水平，能夠增強(qiáng)健康和幸福感，具有一些與營養(yǎng)素（天然存在于食物中）和藥物（有特定的健康益處）相似的特性，被稱為營養(yǎng)物質(zhì)[46]。然而，大部分這些生物活性成分是親脂的，需要特定的遞送系統(tǒng)。姜黃素、β-胡蘿卜素和輔酶Q10常被通過噴霧干燥制備微膠囊作為提高生物利用率的遞送體系。

3.1 姜黃素

姜黃素（Curcumin，CUR）是一種多酚類植物化學(xué)物質(zhì)，是姜黃中主要的姜黃素類成分之一，有許多潛在的健康益處，包括抗菌、抗炎、抗氧化、抗腫瘤和抗病毒活性。近年來，姜黃素作為一種生物活性成分在功能食品、藥品和化妝品中的潛在應(yīng)用得到了廣泛的研究[47]。為提高其溶解性、分散性及生物利用率，研究人員常常采用噴霧干燥法對其進(jìn)行包封。Nogami等[48]采用噴霧干燥法制備了聚乙烯吡咯烷酮和環(huán)糊精的組合，開發(fā)了一種穩(wěn)定的、可溶性增強(qiáng)的姜黃素遞送體系（見附表）。

3.2 β-胡蘿卜素

β-胡蘿卜素（β-Carotene）是主要的類胡蘿卜素之一，是已知的表明維生素A原活性的類胡蘿卜素之一，對癌癥、光敏障礙、心血管疾病、年齡相關(guān)疾病等具有抑制作用，還可作為食品、化妝品和護(hù)理產(chǎn)品的著色劑[49]。Zhang等[50]以辛烯基琥珀酸酐（OSA）-淀粉和海藻糖為原料，采用濕磨和噴霧干燥相結(jié)合的方法制備了無溶劑高負(fù)載β-胡蘿卜素微膠囊，提高了其在熱、光處理過程中β-胡蘿卜素的保留率，驗(yàn)證了復(fù)合壁材的抑氧性能（見附表）。

附表 生物活性成分遞送體系

3.3 輔酶Q10

輔酶Q10（Co-enzyme Q10，CoQ10）是一種脂溶性營養(yǎng)素，通過線粒體呼吸鏈產(chǎn)生細(xì)胞能量，具有預(yù)防高血壓、阿爾茨海默病、心肌梗死和癌癥的作用[51]。CoQ10幾乎不溶于水，其口服生物利用度較低。因此，研究人員不斷設(shè)計(jì)特定的遞送系統(tǒng)提高其生物利用率[52]。Huang等[53]采用噴射噴霧干燥技術(shù)研究輔酶Q10（CoQ10）和維生素E的共包封，制備了穩(wěn)定保留率和抗氧化能力的微膠囊（見附表）。

4 結(jié)語

各種生物活性成分由于其良好的抗炎、抗氧化和抗癌作用受到關(guān)注，噴霧干燥已經(jīng)作為常用的微膠囊制備方法提高其溶解性、穩(wěn)定性及生物利用率。文中綜述了噴霧干燥制備微膠囊的過程，壁材的類型及組成及姜黃素、β-胡蘿卜素和輔酶Q10遞送體系的應(yīng)用實(shí)例。然而，噴霧干燥過程中的參數(shù)，直接影響包封效率和制微膠囊的穩(wěn)定性。因此，不斷優(yōu)化噴霧干燥技術(shù)參數(shù)和應(yīng)用新型噴霧干燥設(shè)備成為必然趨勢。此外，當(dāng)前已廣泛使用蛋白-多糖復(fù)合形成高效的食品級壁材材料，但由于蛋白-多糖分子間存在的相互作用機(jī)制不同，形成的微膠囊包封效果有較大差異，因此，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)更具保護(hù)性的壁材，以提高基于噴霧干燥制備的生物活性成分微膠囊封裝效率和穩(wěn)定性能。