纳米微胶囊技术在功能食品中的应用研究进展

杨小兰1，袁 娅1，谭玉荣1，夏春燕1，李富华1，明 建1,2,3,4,*

(1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.西南大学 国家食品科学与工程实验教学中心，重庆 400715；
3.农业部农产品贮藏保鲜质量安全与风险评估实验室，重庆 400715；4.康奈尔大学食品科学系，伊萨卡 14850，美国)

摘 要：随着微胶囊技术的发展，纳米微胶囊技术受到越来越多的关注，本文对纳米微胶囊技术的定义、制备方法以及在食品中的功能作用进行介绍，并综述近年来纳米微胶囊技术在功能食品中的应用研究进展，同时探讨纳米微胶囊技术在功能食品领域中的研究现状及以后的研究趋势。

关键词：纳米微胶囊；功能食品；应用研究

Research and Applications on Nanocapsule Technology in Functional Foods

YANG Xiao-lan1，YUAN Ya1，TAN Yu-rong1，XIA Chun-yan1，LI Fu-hua1，MING Jian1,2,3,4,*

(1. College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400715, China；2. National Food Science and Engineering Experimental Teaching Center, Southwest University, Chongqing 400715, China；3. Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agro-products on Storage and Preservation (Chongqing), Ministry of Agriculture, Chongqing 400715, China；
4. Department of Food Science, Cornell University, Ithaca 14850, USA)

Abstract：With the development of microcapsule technology, nanocapsule technology has received more attention. The definition, preparation methods and functions in foods of nanocapsule are introduced in this paper, and the new research progress of nanocapsule technology in functional foods in recent years is reviewed. In addition, current studies and future applications of nanocapsule technology in functional food field are explored.

Key words：nanocapsule；functional food；application and research

中图分类号：TS201.2 文献标志码：A 文章编号：1002-6630(2013)21-0359-010

doi:10.7506/spkx1002-6630-201321076

伴随着微胶囊技术的迅速发展，Marty等[1]于20世纪70年代末提出了“纳米微胶囊技术”这一概念。近年来，纳米微胶囊技术已经成为食品研究及应用领域的一个热点。纳米微胶囊(nanocapsule)，即具有纳米尺寸的微胶囊，其颗粒微小，易于分散和悬浮在水中，形成均一稳定的胶体溶液，并且具有良好的靶向性和缓释作用[2]。在功能食品领域中，运用纳米微胶囊技术对功能食品中的功能因子进行包埋，既可以减少功能因子在加工或贮藏过程中的损失，又能有效地将功能因子输送到人体的胃肠道位置。纳米胶囊特定的靶向性可以使功能因子改变分布状态而浓集于特定的靶组织，以达到降低毒性、提高疗效的目的，并通过控制释放功能因子提高其生物利用率，同时保持食品的质地、结构以及其感官吸引力[3-5]。因此，纳米微胶囊技术对于功能食品的研究与开发提供了新的理论和应用平台，十分有利于功能食品的发展。本文对纳米微胶囊的定义、制备方法以及在食品中的功能作用进行介绍，并综述近年来国内外纳米微胶囊在功能食品中的应用及研究进展，展望纳米微胶囊在功能食品领域中的应用前景。

1 纳米微胶囊的概述

1.1 纳米微胶囊的概念

微胶囊技术(microencapsulation)是指利用天然的或者是合成的高分子包囊材料，将固体的、液体的甚至是气体的囊核物质包覆形成的一种直径在1～5000µm范围内，具有半透性或密封囊膜的微型胶囊的技术。纳米微胶囊技术是指利用纳米复合、纳米乳化和纳米构造等技术在纳米尺度范围内(1～1000nm)对囊核物质进行包覆形成微型胶囊的新型技术。其中，被包覆的物质称为微胶囊的芯材，用来包覆的物质称为微胶囊的壁材[4,6]。纳米微胶囊与传统微胶囊的比较如表1所示[7]。

表 1 纳米微胶囊与普通微胶囊的对比

Table 1 Comparison between nanocapsules and microcapsules

在功能食品中，用作芯材的物质主要是具有生物活性的功能因子，纳米微胶囊的壁材已经由传统的高分子材料向无毒、具有生物可降解性的环保型复合物材料发展。传统的微胶囊壁材主要包括天然高分子材料(如蛋白质类、植物胶类、蜡类、海藻酸盐类和壳聚糖类等)、半合成高分子材料(如纤维素类)和合成高分子材料(如生物降解型、非生物降解型、水溶性和智能高分子材料等)三大类。传统微胶囊壁材在实际运用中存在一些问题，如天然高分子材料机械强度差，质量不稳定；半合成高分子材料容易水解，耐酸性差且不耐高温；而合成高分子材料具有一定的毒性，且成本较高[8]。应用于食品中的壁材主要还是以碳水化合物类、植物水溶性胶类和蛋白质类为主，它们在实际应用中各有优缺点，因此常将这三类壁材以混合复配的形式应用以改善其性能。同时，也相继开发了一些新兴壁材，如脂质体壁材[9]、微生物壁材[10]、改性壁材(如改性淀粉、改性壳聚糖)[11-12]以及食品成分反应产物壁材(如美拉德反应产物)[13]。其中脂质体具有良好地生物相容性和靶向性，可以包埋水溶性或非水溶性芯材。微生物微胶囊是利用霉菌、酵母菌等真菌微生物为原料(现在主要是酵母)，采用一定的方法使活性物质自由穿透细胞壁和细胞膜进入细胞内，即可形成微胶囊。酵母微胶囊中，酵母细胞来源丰富、成本较低，且安全无毒、可生物降解、粒径大小均匀，能保证其在食品应用中的安全性，是一种制备微胶囊的良好壁材，主要用于包埋亲脂性的油类物质，如挥发性精油等。改性壁材，如改性壳聚糖，能改善壳聚糖水溶性较差的缺陷，且其本身具有良好地生物相容性和成膜性，具有较好的应用前景。同时，利用高温下蛋白质与碳水化合物的美拉德反应产物(MRPs)作为壁材，可以包埋易氧化的鱼油，并且MRPs具有一定的抗氧化性，制备的微胶囊也呈现出良好的抗氧化性能。

各类功能因子的特性决定了对壁材的不同要求，壁材的选择是制备性能优良的纳米微胶囊产品的关键。选择纳米微胶囊壁材需要综合考虑芯材和壁材的性质、微胶囊产品的应用性能，以及满足食品工业的无毒、可食用、具有良好的生物相容性和可降解性等要求。一般而言，油溶性芯材需要选用水溶性的壁材，而水溶性的芯材则选用油溶性的壁材，即壁材不能与芯材发生反应且互不混溶。

1.2 纳米微胶囊的功能特性

纳米微胶囊的功能特性和外观主要取决于微胶囊本身和形成囊核颗粒的粒径大小。纳米微胶囊颗粒是指那些具有纳米尺寸的纳米胶囊，具有微孔结构或纳米尺寸的核心物质以及它们的组合。图1所示是纳米微胶囊不同的结构模式[14]。

a.含有一个纳米尺寸核心的无孔纳米微胶囊；b.含有多个纳米尺寸核心的无孔纳米微胶囊；c.含有一个纳米尺寸核心的带孔纳米微胶囊；d.含有多个纳米尺寸核心的带孔纳米微胶囊；e.含有纳米孔的多空微胶囊。

图 1 纳米微胶囊不同的结构模式

Fig.1 Proposal of different nanocapsulation patterns in capsules

纳米微胶囊的粒径大小处于纳米尺度，是影响其功能特性的一个重要因素。纳米粒子的吸收能够有效地提高功能食品中的营养成分的生物利用率，特别是一些溶解度较低的物质，如功能性油脂、天然抗氧化剂等。纳米微胶囊在功能食品中的优势主要表现在：保护具有生物活性的物质，防止外界环境中的水、pH值、氧气等对其的影响，提高芯材的稳定性；保留易挥发的物质，减少香味成分的损失，掩蔽不良风味的释放；有效减少生物活性成分的添加量和毒副作用[15]。纳米粒子尺寸的减小，能增加活性物质对组织的附着力，提高胃肠道对活性物质的输送效率，并可通过减少肠道清除机制的影响以及增加活性物质的表面活性，延长活性物质在胃肠道内的滞留时间，提高其生物利用率；纳米粒子还能透过毛细血管，穿过黏膜上皮层渗透进入到组织(如肝脏)中，并被组织中的细胞吸收，从而将生物活性物质有效地输送到体内的靶细胞处，使芯材对靶细胞具有精确的靶向性；纳米粒子尺寸大小不仅影响到最终食品产品的性质，如口感、香味、质地和外观，也决定了载体中生物活性物质的释放速率，并关系到最终被人体吸收的生物活性物质的数量，从而影响活性物质的总体吸收效率。如蛋白水凝胶微粒和微米级微粒中的生物活性成分，要想被胃肠道壁吸收必须从基体中释放出来，而纳米微粒中的生物活性成分可以被胃肠道壁吸收从而延长活性成分在胃肠道内的滞留时间，或可以被上皮细胞直接吸收，提高活性成分的吸收率(图2)[16]。

图 2 生物活性分子不同吸收机制图

Fig.2 Schematic representation of different absorption mechanisms of bioactive molecules

纳米微胶囊中生物活性物质的释放是一个复杂的过程，其释放过程一般是由一种或几种不同机制结合所控制的，这些释放机制是基于溶剂效应而发生作用的，包括：1)扩散作用机制；2)降解作用机制；3)溶胀作用机制；4)侵蚀或熔解作用机制。其中，扩散作用机制主要用于亲水性纳米载体中生物活性物质的释放，而后几种机制主要用于亲脂性纳米载体[17-18]。纳米微胶囊能控制和延缓芯材的释放，一般而言，纳米微胶囊在输送生物活性成分的过程中主要有两类释放机制[17](图3)。一类是延迟释放机制(delayed release)，当生物活性物质在特定的时间和地点到达靶细胞完成释放之前，有一个滞留时间。这类释放机制适用于方便食品中风味物质的释放，饮料中色素的释放，以及营养成分在胃肠道中的控制释放等。另一类是持续释放机制(sustained release)，即缓释，是使芯材中的生物活性物质在靶细胞处维持一定的有效浓度，在一定时间内按一定的规律进行缓慢释放的过程。该类释放机制可以发展成为一种控制释放技术，用来延缓芯材的释放，主要适用于风味物质和某些药物的释放，如胰岛素、口香糖等。

图 3 纳米微胶囊的释放机制

Fig.3 Models of bioactive release from nanocapsule systems

控制释放的优势在于：在延长的释放时间内可以按一定的速率控制生物活性成分的释放；可以避免或降低加工及烹饪过程中活性成分的损失；可以分离生物活性成分和与其不能并存的成分[18]。缓释过程中变量的变化也会影响芯材中生物活性物质的释放。这些变量包括纳米粒子载体的形状和粒径大小，生物活性物质在壁材和环境介质中的扩散速率和溶解度，侵蚀速率，孔隙率和曲率，载体和环境介质中生物活性物质的比例，芯材的装载量和装载效率，以及纳米微胶囊所处的介质环境(如pH值)等。当芯材的装载量超过50%时，微胶囊会出现更多的表面缺陷，这也增加了生物活性物质渗漏的风险，但较高的装载效率对活性成分的控制释放一般是有利的[19-23]。为了增强纳米微胶囊的控制传递系统，常用数学模型模拟活性物质的释放过程，其作用在于：能够论证生物活性物质的释放机制；为纳米微胶囊载体系统的优化提供方案；避免过多的实验。如，采用菲克扩散定律(Fick’s lows of diffusion)[24]可以模拟纳米载体的传质动力学过程；采用Higuchi方程模型及其类似形式的方程模型[25-26]可以描述球状载体中生物活性物质的释放现象、释放速率和释放动力学。虽然采用数学模型描述纳米微胶囊中食品成分的释放动力学具有重要意义，但目前研究发表的数据还十分有限，有待进一步的深入研究。

2 纳米微胶囊的制备方法

传统的纳米微胶囊的制备方法包括干燥浴法、界面聚合法、凝聚相分离法等。随着技术的不断成熟，研究者相继开发出了一些新型制备方法，如：乳液聚合法、脂质体技术、层层自组装法、超临界流体技术等方法。

2.1 干燥浴法

干燥浴法又称为复相乳液法，该方法制备微胶囊的原理是：将壁材与芯材的混合溶液以微滴形式分散到具有挥发性的介质中，挥发性的分散介质快速从液滴中去除形成囊壁，再通过一定的方法(如加热、减压、搅拌、溶液萃取、冷却或冷冻等)去除囊壁中的溶剂从而实现对芯材的微胶囊化。该方法制备纳米微胶囊的关键在于控制溶剂在蒸发之前形成的乳液微滴的大小。通过控制搅拌速率，改变乳化剂的种类和数量，改变乳化方式，调节有机相或水相保护胶体的黏度以及有机相与水相的相对数量和比例，改变容器和搅拌器的形状等方式，可以制备纳米级大小的微胶囊[27]。该方法的不足之处在于反应时间长，不易控制，产品的产量低，因此目前应用得较少。

2.2 界面聚合法

界面聚合法制备纳米微胶囊的原理是：将两种发生聚合反应的单体分别溶于两种不混溶的液体中，并把芯材溶于分散相溶剂中。为了获得纳米尺寸的胶囊微粒，一般要使用带毛细血管的细针头注射器。将芯材溶液和一种单体溶液加入注射器中，将注射器针头放在距离另一种单体溶液液面很近的地方，并在针头与液面之间加高压直流，当注射器中的液体在高压的驱动下形成表面带电的均匀球体液滴(粒径处于纳米尺度)，滴入第2种单体溶液中时，两种聚合反应单体分别从两相内部向液滴的界面移动，并迅速在相界面反应形成聚合物，将芯材包覆即形成纳米微胶囊[28-29]。该方法的特点是：工艺简单、反应速率快、包埋效率较高，不需要昂贵的设备，对反应单体的纯度要求不高，但反应的单体必须具有较高的活性，能发生聚合反应，可制备以水溶性或油溶性物质为芯材的纳米微胶囊。该方法主要的缺点是需要使用有机溶剂作为分散相，溶剂的清洗以及用水置换溶剂的操作过程困难且费时，并且生产过程中存在未反应的单体以及副反应的影响，形成的壁膜通透性较高，不适合包埋要求密封的芯材，这也限制了该方法的应用范围[30]。

2.3 凝聚相分离法

图 4 复凝聚法的原理

Fig.4 Principle of the complex coacervation method

凝聚相分离法制备纳米微胶囊，是在芯材与壁材的混合溶液组成的连续相中，通过加入电解质无机盐、壁材的非溶剂、凝聚剂或改变浓度、温度、pH值使壁材聚合物的溶解度降低，从溶液中凝聚出来，沉积并包覆在芯材表面形成微胶囊。该方法根据分散介质的不同分为水相分离法和油相分离法。水相分离法适用于对疏水性芯材的包覆，而油相分离法适用于对亲水性芯材的包覆。根据成膜材料不同水相分离法又分为单凝聚法和复凝聚法。单凝聚法是以一种高分子材料为壁材，然后将芯材分散到壁材溶液中，加入乙醇、丙酮或盐类等凝聚剂，使体系中壁材的溶解度降低而凝聚，包覆芯材形成微胶囊。该方法工艺简单，包埋率较高，可用于包埋水不溶性的固体或液体，如油脂和精油等，但单凝聚体系中很难控制微胶囊的粒径大小，成本较高[31-32]。纳米微胶囊的制备中应用较广的是复凝聚法，该方法的原理(图4)是采用两种带有相反电荷的聚电解质作为壁材，将芯材分散在壁材溶液中，通过改变溶液的pH值、温度、浓度或加入无机盐电解质等，使电解质发生静电作用，壁材的溶解度降低，并从溶液中凝聚出来将芯材包覆形成纳米微胶囊。该方法的特点是可以采用两种或两种以上的高分子聚电解质作为壁材，常用的带相反电荷的聚电解质组合，如明胶与阿拉伯胶(羧甲基纤维素、海藻酸盐等)、壳聚糖与海藻酸盐、海藻酸盐与聚赖氨酸等；实现复凝聚的关键是聚合物离子具有相反的电荷，且混合溶液中离子数量在电学上恰好相等，同时还要调节体系的反应条件，促进复凝聚产物的形成；复凝聚法的凝聚过程比较温和；该方法适于对芯材为非水溶性的固体粉末或液体的包埋，尤其是一些不稳定的物质，如多酚类物质，是一种高产率和高效率的包埋方法[32]。

2.4 乳液聚合法

乳液聚合法制备纳米微胶囊的主要原理是，利用表面活性剂、乳化剂及机械搅拌作用等将芯材和高聚物单体分散至纳米尺度形成乳状液，然后引发聚合反应生成高聚物实现对芯材的包覆，形成纳米微胶囊[33]。目前用于制备纳米微胶囊的乳液主要有微乳液和纳米乳液。

微乳液是由油相、水相和大量乳化剂或表面活性剂共同作用下自发形成的一个热力学稳定体系。与普通的乳液聚合相比，微乳液聚合的优势在于：微乳液的制备是一个自发乳化过程，能量输入少，只需通过简单的混合搅拌，不需要提供较高的剪切能量(如强均化作用或超声粉碎强剪切作用)；微乳液外观透明或半透明，体系更加稳定，即使在超离心场下也不会出现分层现象，相容性更好；液滴均匀且尺寸小，尺寸大小在几至几十纳米之间。但在微乳液聚合中，往往难以将大的亲脂性分子掺入单体颗粒结构内，并使表面活性剂的单分子层保持最佳的曲率。纳米乳液(又叫细乳液)是一种以50～1000nm液滴形式分散于第二相的热力学不稳定体系，形成O/W或W/O型的胶体分散体系。纳米乳液呈透明或半透明状或乳白色。由于纳米乳液的液滴很小，在一定条件下具有一定的动力学稳定性，在较长时间内也不会在体系内发生分层、絮凝、聚结或沉淀等现象。纳米乳液是非平衡体系，一般需要借助机械设备的能量(高速搅拌、高压均质、超声波或相转变过程等)分散得到纳米尺寸的单体液滴。理论而言，纳米乳液的形成不需要加入乳化剂，实际上，由于纳米乳液的高度不稳定性，并且油相在高压均质过程中具有较高的黏度和界面张力，难以产生小液滴，表面活性剂的加入有助于纳米乳液的形成以及保证其在贮藏过程中的动态稳定性[34-36]。

乳液聚合法一般更适合以液体为芯材的纳米微胶囊的制备，乳液聚合法得到的液滴单体表面积都比较大，在制备纳米微粒的过程中既保留了普通乳液聚合的优点，如高聚合速率、高相对分子质量、易散热和低黏度等，又能够避免普通乳液聚合反应的缺陷，如普通乳液单体液滴直径大小约为10µm，乳液外观为浑浊或不透明的，并且传统乳液聚合中单体等油相物质需从单体液滴中经过水相扩散到聚合场所(如乳胶粒子)中进行聚合反应[37]。微乳液和纳米乳液可以作为功能食品中生物活性物质的载体，从而提高产品的功能特性。将微量营养物或水溶性较差的活性成分加入以水为基础的食品或饮料中，可保持其外观的透明性，如强化水、软饮料、调味料和调味汁等[38]。

2.5 脂质体技术

脂质体是磷脂等极性脂肪分散在水中形成的一种定向排列的，球形的，具有双层壳状结构的多分子集合体，根据制备方法的不同，可以分为单层或多层结构。脂类体的形成原理涉及脂肪和脂肪以及脂肪和水之间的疏水和亲水相互作用。输入的能量(如超声、均质、搅动或加热)可使脂肪聚集形成双层包囊而在水相中获得热力学平衡。图5是脂质体的结构示意图，图6是脂质体膜的形成过程简图[39]。

图 5 脂质体的结构示意图

Fig.5 Sketch structure of liposome

图 6 脂质体膜的形成过程简图

Fig.6 Formation of a liposome membrane

脂质体作为纳米微胶囊的一种新型壁材，其大小从20nm到几十微米，其结构类似于生物膜，可以包囊水溶性和脂溶性组分。脂质体技术是一种新型的微胶囊和纳米胶囊制备技术，将脂溶性物质或水溶性物质的溶液与脂质体水溶液混合搅拌即可完成包覆，形成微胶囊[40]。脂质体的中心物质本质上是水溶性的，由于形成脂质体的极性脂肪的带电性，带电的且是水溶性的离子组分能被捕获到脂质体内部，所以，脂质体中心的pH值和离子强度可能不同于脂质体所分散于其中的连续相的pH值和离子强度。

纳米脂质体的粒子处于纳米尺度范围，并且通常是由具有生物相容性和生物可降解性的脂质制备的，应用于纳米微胶囊中，能够很大程度地提高微胶囊的装载效率，提高被包裹芯材的稳定性，以及提高芯材到达靶组织的准确性，提高生物活性成分的生物利用率，同时，纳米粒子还能促进芯材到达肠道上皮细胞，增强其对芯材的黏附作用和吸收作用。纳米脂质体最明显的优势是能同时包埋两种溶解性不同的活性物质，并同时释放两种物质，这种脂质体称为双功能脂质体[41]。据报道，粒径在120～200nm之间的固体脂质纳米粒可最大限度的避免网状内皮系统的清除作用。夏书芹等[42-44]以蛋黄磷脂为壁材制备了膳食补充剂辅酶Q10脂质体，并将其用于运动型饮料中，采用小鼠游泳模型，研究了辅酶Q10纳米脂质体强化运动饮料的抗疲劳作用。研究发现，辅酶Q10脂质体平均粒径可维持在100nm以下左右，4℃条件下贮存6个月期间其保留率和包封率均可维持在90%以上，该强化运动型饮料具有抗疲劳作用，以脂质体为载体能够使外源性辅酶Q10被动靶向到肝脏并蓄积。纳米脂质体在改善脂溶性营养物的水溶性，提高芯材的稳定性以及生物利用率方面表现出独特的优越性。但由于脂质体本身存在结构和性质的不稳定，容易受到人体生物环境的影响而导致脂质体破裂，芯材泄漏，同时脂质体的包覆能力也较低，限制了其作为载体的应用。

2.6 层层自组装法

层层自组装法(layer-by-layer，LBL)已经被广泛地应用于薄层涂膜、纳米反应器、人工细胞、药物传递系统甚至电子装置中。LBL技术制备纳米微胶囊，其原理是利用活性成分的胶体颗粒(如胶乳或细胞)作为组装模板，交替吸附带有相反电荷的物质，如聚电解质(包括多聚阳离子和多聚阴离子)、酶类、抗体、病毒或纳米级的无机小粒子，通过静电引力相互吸引并在模板颗粒表面聚合或沉积，层层自组装形成二维或三位的具有核-壳结构的粒子。采用不同的模板和囊壁材料，通过溶解或熔融等方法除去模板的胶体粒子，就可以制备出壁厚为10～40nm的各种纳米或微米微胶囊[45-46]。如果采用一定的方法，去除核心胶体颗粒模板，还可以得到空心微胶囊。层层自组装法制备微胶囊的示意图如图7所示[47]。

图 7 层层自组装法制备微胶囊的示意图

Fig.7 Diagram of layer-by-layer self-assembly microcapsule formation

LBL法制备微胶囊的显著优点在于：能够在纳米尺度上对胶囊的大小、囊壁的组成、厚度、结构、表面状态进行精确地控制。例如：通过模板胶体粒子直径和形状控制胶囊空腔的尺寸和形状；利用沉积次数和聚电解质种类调控胶囊的壁厚与表面特性；改变聚电解质电荷密度、分子链刚性及溶液条件(如离子强度、pH值等)调节胶囊囊壁的微观组织形态，从而改变囊壁的亲和力和透过率。同时，由于胶囊表面带有电荷能够稳定分散，不需要使用表面活性剂。在食品领域，LBL技术具有广阔的应用前景，例如，可利用LBL技术将多层可食性涂膜(如壳聚糖、果胶、海藻酸盐等)层层组装成带电荷的多层结构，包括带电的脂质液滴、固体粒子、胶束或表面活性剂等。将组装的多层可食性涂膜应用于新鲜果蔬或最小加工果蔬(即鲜切果蔬)中，可以解决可食性涂膜与亲水性鲜切果蔬表面附着性差的问题，并可开发新的可食性涂膜，改善可食性涂膜的功能特性以及保护新鲜和鲜切果蔬中的芳香物质[4,48]。但是，该法对体系的要求较严格，微量的杂质就可能影响自组装行为，从而影响到其应用性能，因此该方法目前只适合实验室研究，很难用于工业生产。

2.7 超临界流体技术

超临界流体技术是利用超临界流体特殊的物理性质，以及溶质和溶剂在超临界流体中溶解度不同来制备纳米微胶囊。一般多采用超临界二氧化碳流体(SCF-CO2)，SCF-CO2是处于临界压力和临界温度以上状态的一种可压缩高密度CO2流体，分子间作用力很小，类似于气体，密度较大，接近于液体，是一种气液共混状态，具有低黏度、高溶剂性、高扩散性以及高传质性等优点，并且价廉、无毒、不燃烧，不污染环境[33,49]。该法可以降低微胶囊中的有害残留组分含量，可以完全消除有机溶剂或将它的使用量降到最低，微胶囊产品粒径小，分布范围窄，适用于处理热敏性物质。

目前采用超临界技术制备纳米微胶囊的方法主要有：超临界流体快速膨胀法(RESS法)、超临界流体抗溶剂结晶法(GAS法)、气体饱和溶液法(PGSS法)、使用超临界溶液的热分解包覆。用的较多的是RESS法和GAS法。其中，GAS法的原理是：用气体削弱溶剂的溶剂化作用，以SCF-CO2作为抗溶剂，将溶质和溶剂互溶，溶质在SCF-CO2中的溶解度很小，而溶剂在SCF-CO2中溶解度很大。当SCF-CO2进入溶液中时，使溶液稀释膨胀，降低溶质的溶解度，在短时间内形成较大的过饱和度使其结晶析出，当溶质(包覆材料)在核心物颗粒上析出时即可达到颗粒包覆的目的形成微胶囊[50]，其过程装置图如图8所示。Jin等[51]采用GAS法制备出了羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯(HPMCP)/叶黄素纳米微胶囊，并对影响纳米微胶囊的产量、叶黄素包埋量和包埋率、粒径大小与分布等因素进行了研究。GAS法操作温度较低，颗粒中的残留溶剂少；溶剂和抗溶剂可以回收循环利用，大大减少了有机溶剂的用量，减少了对环境的污染。随着超临界流体技术的不断完善，理论的不断深入，该方法将成为制备纳米微胶囊的一项颇有前景的新技术。

图 8 GAS法过程装置图

Fig.8 Sketch diagram of GAS equipment concepts

制备纳米微胶囊的方法较多，为了达到纳米微胶囊的尺寸和释放速率等要求，其制备方法相对于普通微胶囊更加复杂，因此，在给定的条件下进行最适方法的选择时，需要综合考虑芯材和壁材的性质，微胶囊产品的粒径大小，芯材的缓释机制以及成本等方面的因素。

3 纳米微胶囊在功能食品中的应用

将纳米技术、生物技术以及食品微胶囊技术结合起来的纳米微胶囊技术应用到功能食品中，可以有效解决其在应用中的不足，在保证功能食品品质的同时，利用纳米微胶囊技术的靶向性和缓释作用，还可以控制功效成分的释放速率，达到定向释放的效果，提高其生物利用率，最大程度地发挥其保健功效。目前，纳米微胶囊技术已经广泛应用于功能食品中。

3.1 功能性油脂的纳米微胶囊化

功能性油脂主要包括多不饱和脂肪酸、磷脂和胆碱，在维持人体平衡方面具有重要的作用，也是开发新型功能食品的重要原料成分和添加基料。将功能性油脂进行纳米微胶囊化就可以延缓其氧化，掩盖油脂的腥异味，改变油脂的物理状态，增强其乳化分散能力。

Zambrano-Zaragoza等[52]采用乳液分散法，制备了以食品级的油脂(红花油、葵花油、大豆油、β-胡萝卜素、α-生育酚)为芯材的纳米微胶囊，并对纳米微胶囊的性质进行了研究，确定了制备纳米微胶囊的最佳条件，制得的食品级油脂的平均粒径大约在300nm左右，该研究对于油脂类食品的保存和贮藏具有一定的意义。Zimet等[53]采用β-乳球蛋白和低甲氧基果胶为载体，制备了ω-3系列多不饱和脂肪酸中的二十二碳六烯酸(DHA)的纳米微胶囊，该纳米粒子的平均粒径为100nm，纳米微胶囊显示出了良好的胶体稳定性，能够有效地抑制DHA的氧化分解，在40℃的环境中将DHA产品放置100h，经过纳米微胶囊化的DHA只有5%～10%被氧化分解掉，而未经过处理的DHA却损失了80%。这项研究对于将长链多不饱和脂肪酸进行纳米微胶囊化后，再应用于澄清酸饮料中有一定的指导意义。Gökmen等[54]采用喷雾干燥法，用高直链玉米淀粉对ω-3系列不饱和脂肪酸亚麻籽油进行纳米微胶囊化包埋，并按不同的量添加到生面团中，研究其对面包品质的影响。结果表明，纳米微胶囊能够有效降低不饱和脂肪酸在面包焙烤过程中的氧化，显著提高面包成品的品质，降低面包在焙烤过程中不饱和脂肪酸的氧化和有害物质的产生。Jafari等[55]以麦芽糊精(DE)结合表面活性生物多聚物，如改性淀粉(Hi-Cap)或乳清蛋白浓缩物(WPC)按照质量比例3:1混合作为壁材，采用不同的乳化技术对鱼油进行包埋，研究亚微米乳化剂对微胶囊包埋效率的影响，并测定经过喷雾干燥后鱼油微胶囊粉末的性质。结果表明，该纳米微胶囊产品粒径为210～280nm，乳化技术决定着微胶囊粉末最后的性质，包括乳化液液滴的尺寸，乳化液的稳定性，粉末粒径和粒径分布，以及鱼油微胶囊粉末表面未被包埋鱼油的量等。乳化液液滴尺寸越小，包埋效率越高，且乳化液液滴尺寸与鱼油微胶囊粉末表面鱼油的量密切相关。其中微流化乳化技术能够使鱼油微胶囊粉末表面鱼油的量达到最少，并且包埋效率最高，其次是超声波乳化技术。麦芽糊精结合改性淀粉(Hi-Cap)为壁材的微胶囊比麦芽糊精结合乳清蛋白浓缩物(WPC)为壁材的微胶囊，其粉末表面未被包埋的鱼油量更少。

3.2 抗氧化剂类的纳米微胶囊化

应用于功能食品中的抗氧化剂主要包括酚类物质、黄酮类化合物(主要有黄酮醇类、黄酮类、黄烷酮类、黄烷酮醇类等)、生物碱类等，同时还包括食用色素中的
β-胡萝卜素、番茄红素、叶黄素、姜黄素等，都是天然的抗氧化剂。采用纳米微胶囊对抗氧化剂进行包埋，可以提高其在食品应用中的稳定性和人体的生物利用率，增强其对人体的保健功效。

表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)是从茶叶中分离得到的儿茶素类单体，也是最有效的水溶性的多酚类抗氧化剂，具有抗氧化、抗癌、抗突变等生物活性。2010年，Shpigelman等[56]用经过热变性处理的β-乳球蛋白对EGCG进行纳米微胶囊包埋，得到的纳米粒子尺寸小于50nm，并且该产品对EGCG有很好的保护作用，能够有效地防止EGCG的氧化分解，对开发澄清饮料这类强化食品有很好的指导意义。2012年，Shpigelman等[57]通过改变β-乳球蛋白和EGCG的比例，并采用冷冻干燥法对该纳米粒子进行再改造，研究了纳米粒子构成的胶体溶液的稳定性、尺寸变化、包埋率、感官性质以及模拟胃肠道消化的实验。结果表明，经过冷冻干燥处理的纳米微胶囊尺寸多数在2～4nm范围内，并且尺寸大小与pH值有较大的关系，该纳米微胶囊产品能够有效地掩蔽EGCG的苦涩味，在胃肠道内能够控制释放EGCG，保护了EGCG的生物活性并增加了EGCG在胃肠道内的生物利用率。该研究促进了EGCG纳米微胶囊在实际生产中的应用，并对其他酚类物质的利用也有一定的借鉴作用。López-Rubio等[58]首次采用电喷射的方法，用乳清浓缩蛋白对β-胡萝卜素进行包埋，通过改变加入甘油的量和溶液的pH值来研究制备微胶囊的最佳条件。结果表明，在pH4.5～8.0范围内，甘油加入量在0～20%范围内能够制备得到微米、亚微米、纳米尺寸的微胶囊，并且这两个因素对微胶囊的尺寸都有影响。微胶囊对抗氧化剂β-胡萝卜素有一定的保护作用，明显降低了抗氧化剂的光氧化作用，能保持较高的生物活性。基于乳清蛋白浓缩物的蛋白质特性和价格低廉等优点，并且乳清蛋白浓缩物的微胶囊在食品领域中的应用还处于起步阶段，该研究对于实现乳清蛋白微胶囊在食品领域中的工业化生产有重要的意义。白藜芦醇是一种酚类化合物，广泛存在与红葡萄、花生和一些植物中，具有较高的抗氧化活性，对人体有较好的保健作用，广泛应用于功能食品中。Sessa等[59]采用高压均质的方法，将大豆卵磷脂、糖脂、甘油酸和吐温-20制成水包油型(O/W)的纳米乳液，对白藜芦醇进行纳米包埋，并通过加速老化实验(高温和紫外灯照射)和模拟胃肠道消化实验测定该纳米微胶囊的物理化学稳定性以及抗氧化活性。结果表明，该纳米微胶囊的平均粒径小于180nm，并表现出良好的物理化学稳定性和抗氧化活性，在肠道内能保持较高的生物活性。

3.3 维生素类和矿物质类的纳米微胶囊化

维生素是维持人体正常生理功能、促进各种新陈代谢过程中不可缺少的营养成分，维生素几乎不能由人体合成，必须从食物中获取，主要包括水溶性维生素(VC、VB系列、叶酸、泛酸等)和脂溶性维生素(VA、VD、VE等)。将维生素制成微胶囊，可以大大提高其稳定性。在功能食品中作为功效成分的矿物质主要有钙、铁、锌、硒等，对矿物质进行微胶囊主要解决矿物质自身的不稳定性、易对食品产生不良风味以及降低毒副作用等问题。

VD是一类重要的维生素，主要包括VD2和VD3，在人体内可以促进钙、磷的吸收和代谢，防治儿童佝偻病、成人骨质疏松以及甲状腺功能低下等疾病。酪蛋白微粒(CM)是一类天然的纳米传递系统，通过重组牛奶酪蛋白盐中原来的矿物质成分可以实现酪蛋白微粒(CM)的体外重组，即得到重组的酪蛋白微粒rCM。Semo等[60]以rCM为壁材，对脂溶性的VD2进行包埋，成功制备了平均粒径在150nm左右的VD2的纳米微胶囊。该研究表明，微胶囊中的VD2浓度是血清中的5.5倍，并且rCM微胶囊的形态和平均粒径与天然形成的酪蛋白相似，rCM微胶囊可以部分地保护VD2，防止紫外光照射引起的VD2的降解。CM可以作为包埋、保护和传递敏感疏水性营养物质的纳米载体，对于开发和生产富集脱脂或低脂的食品有重要的意义。Haham等[61]在上述研究基础上，制备了以rCM为壁材，平均粒径为(91±8)nm的VD3纳米微胶囊(VD3-rCM)，并研究了超高压均质对微胶囊性质的影响，评价了rCM/CM对VD3的热降解和光降解的保护作用，并通过临床实验评价了VD3的生物利用率。结果表明，相比于用吐温-80乳化制备的VD3以及未包埋的VD3，VD3-rCM
能有效地防止热处理(80℃，1min)过程中VD3的热降解，减少冷藏期间(28d)VD3的损失。相比于未均质的
VD3-rCM粒子，超高压均质(155MPa)能进一步提高其在热处理和冷藏过程中VD3的稳定性，VD3几乎没有损失。将VD3-rCM添加到1%的脂肪乳中，VD3的体外生物利用率与用吐温-80乳化制备的标准VD3含水营养补充剂的相当。该研究也表明rCM可以用来提高VD或其他憎水性营养物质在生产和储存过程中的稳定性，VD3-rCM纳米微胶囊可以应用于富含VD的食品或饮料中。Roger等[62]采用低耗能的乳液聚合法，用脂质体对Sn38进行包埋，研究了脂质体包埋的Sn38纳米微胶囊作为口服药物，通过Caco-2单层细胞的通透性以及在胃肠道内的稳定性等方面的性质。结果表明，所得的纳米微胶囊平均粒径为(38±2)nm，用脂质体对Sn38进行包埋能提高其在Caco-2单层细胞内的通透性和细胞内浓度，并且能提高其在胃肠道内的生物利用率，Sn38纳米胶囊作为抗肝病的口服药物有比较重要的意义。Khayata等[63]采用纳米沉淀法对VE进行纳米包埋，并在实验室规模和中试规模对其平均粒径、Zeta电位和包埋效率等性质进行了测定。该实验所得的纳米胶囊平均粒径在实验室规模和中试规模分别为165、172nm，包埋率分别为98%、97%，纳米微胶囊对VE具有良好的保护性，其体内和体外释放机制还需进一步研究。

3.4 活性肽和功能性蛋白的纳米微胶囊化

活性肽和功能性蛋白具有免疫、抗菌、抗氧化、抗肿瘤防辐射、心血管调节、促进矿物元素吸收等生理功能，通过微胶囊技术将活性肽和功能性蛋白加以包埋，以达到保护和稳定性能的目的。Maherani等[64]采用3种不同的脂质(DOPC、POPC和DPPC)，用脂质体技术对天然的缩二氨酸L-肌肽进行纳米微胶囊包埋，测定了包括粒径大小、ζ-电位、相变温度、包埋效率等参数，并对纳米微胶囊的微观结构进行了测定。结果表明，用DOPC、POPC和DPPC脂质包埋的L-肌肽的粒径分别为122、118、116nm，包埋效率分别为17.12%、18.96%、21.96%。脂质体包埋的L-肌肽纳米微胶囊具有良好的流动性，靶向性和生物相容性，对其在医药、生物和食品行业中的应用具有重要的指导意义。杨文静等[65]利用离子凝胶法，以三聚磷酸钠(TPP)为交联剂，由壳聚糖(CS)制备了CS-TPP纳米微胶囊。用红外光谱仪、扫描电镜和粒径分析仪进行了表征，并以牛血清白蛋白(BSA)作为模型药物，考察了所制备的CS-TPP纳米微胶囊的包载和缓释性能。结果表明，CS-TPP纳米微胶囊的红外光谱相对于CS和TPP的红外光谱发生了很大变化，说明CS和TPP通过正负电荷吸引聚合成囊；粒径分析表明，离子凝胶法可以得到粒径约430nm的均匀分散的壳聚糖纳米微胶囊，经冷冻干燥后粒径变为300nm左右；微胶囊包封率最高可达79.74%，模型药物的持续释放时间可达7d以上。

4 结 语

纳米微胶囊技术，它是涉及物理和胶体化学、高分子物理和化学、分散及干燥技术、纳米技术中的纳米材料和纳米加工学等多交叉性学科[10]。纳米微胶囊技术作为微胶囊技术的发展和延伸，在功能食品加工生产过程中的应用受到越来越多的关注，尤其是人们对功能食品中的功效成分的保持与生物利用率的重视，针对功能食品中的功效成分在应用过程中的溶解度低、功能靶向性差、生物活性低以及生物利用率差等问题，采用纳米微胶囊技术对各种功效成分进行包埋，增强其在生物体内的功能靶向释放性能，提高生物利用率，延长贮藏稳定期[66]。纳米微胶囊作为一种复合相功能材料，其发展趋势将朝着胶囊的粒径小、分布窄、分散性好、选择性高、应用范围广等方面进行。

纳米微胶囊技术在功能食品领域中的应用与发展取得了一些进展，但对于纳米微胶囊技术本身而言，在理论和应用方面都还刚刚起步，需要进行更深入的研究。首先，现有的纳米微胶囊技术的制备方法，如纳米乳液聚合法、纳米脂质体、层层自组装技术、超临界流体技术等，还存在着对功效成分的包埋效率低，形成的纳米微胶囊粒径大小和分布、均匀程度和圆整性无法控制，纳米微胶囊的功能性还无法准确预测，纳米结构和性质的稳定性不高等问题。其次，要解决纳米微胶囊技术制备成本较高、壁材以及辅助材料的安全性等问题。新型壁材应该具备原料易得、价格低廉、制备简单、应用范围广、加工性能好、生物可降解性好等优点，同时食用安全，对人体无毒副作用，如对改性淀粉、壳聚糖、聚合物等物质的开发利用。纳米微胶囊新技术的不断开发与完善，也是当前研究工作者的迫切任务。再次，功能食品中的功效成分经过纳米微胶囊化产生的新功能和新特性，如溶解度提高、贮藏稳定性增强、功能靶向性增强、缓释控制、生物活性(抗氧化、抗肿瘤、抗突变等)提高、生物利用率提高等，纳米微胶囊的壁材在人体消化道的变化规律、芯材的控制释放机制与释放动力学以及功能靶向特性、纳米微胶囊粒度对功能的影响等还有待深入研究。另外，纳米微胶囊技术的产业化效果也不理想，很多技术项目还只是停留在实验室水平上，无法实现纳米微胶囊技术成果从基础研究到产业化的顺利转化。

随着人们对纳米微胶囊技术研究和认识的不断加深，特别是新的壁材、新的制备技术和新的生产设备的不断开发，纳米微胶囊技术所带来的巨大优越性必将为功能食品的发展起到积极的提升和推进作用，其应用领域也将更为广泛。

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