微胶囊技术与应用.pdf

2 5 2 0 0 3 年第2 0 卷赡2 0 期 G u i d e t O C h i n e s e 微胶囊技术的奠基人B K Gr e e n 于1 9 5 3 g 发明了微胶囊化的方法 。1 9 5 4 年美国NC R ( Na fi o n C a s h Re q i s t )公司最早将微胶囊技 术成功地应用于无碳复写纸的生产 ， 可以说微 胶囊技术是从研制无碳复写纸发展起来的。 在 随后的二十多年时间内， 英国、 西欧 、 日本等国 花费了很大的投资， 在一些理论问题上取得了 重大突破 ， 又发展了许多微胶囊化方法， 从而 使微胶囊技术进一步系统化。 由于微胶囊技术 可以使物质产生物态变化，改变物质重量、 体 积 、状态和表面性 能 ， 保护敏感成分， 隔离活性物质 ， 降 低挥发性和毒性 ； 屏蔽物质的味 道、 颜色、 气味 ， 保护物 质免受环境影 响， 提高产品稳定性和 适用性 ；控制有效 成分的释放速度 ， 将 有 效成 分 长 效 化；使不溶于水的 物质能均匀地分散 在 水性 介 质 中 等 等。 因此， 微胶囊技 术以其独特优点而 日益引人注目。 玲 制备微胶囊的过程称为微胶囊 化( m i c r o e n c a p s u l a ti o n ) 。微胶囊化就 是将固体 、液体或气体物质包裹、 封 存在一种微型囊内而成为一种固体 微粒产品的技术。这样做的目的是为 了使被包裹的物料与外界不利环境 相隔绝， 达到最大限度地保护被包裹 物 味 破 技 术与应用 一 微胶囊与微胶囊化 微胶囊( Mi c r o c a p s u l e ， 简称MC) 是指一些 由天然或人工合成的高分子材料研制成的具 有聚合物壁壳的微型容器或包装物 ， 其外形一 般呈球型。 微胶囊的大小在几微米至几百微米 范围内( 直径般为5 p ,m一 2 0 0 1z m) ， 需要通过 显微镜方能观察到。 微胶囊的壁膜( 囊壁) 物质 称为壁材， 囊壁可以是单层结构 ， 也可 以是多 层结构。微胶囊内部装载的物料称为芯材( 或 称囊心物质) ， 芯材可以是单一 一 的， 也可以是混 合的； 可以是固体 、 溶液 、 水分散液或油剂， 电 可以是气体。芯材是选用水溶性或油溶性物 质， 依微胶囊的制备方法而定。壁材可以从各 种天然或合成聚合物 、或能聚合的单体中选 择。壁材的选用， 视其本身的性质， 如粘度、 渗 透性 、 吸湿性 、 溶解性 、 稳定性及溶胀度 ； 其次 是材料力求价廉、 来源广。要根据芯材的物理 性质来选择合适的壁材，如芯材是亲油性的， 宜选用亲水性聚合物作壁材， 若芯材为水溶性 的物质 ， 则选用非水溶性的合成高分子材料作 壁材。常用微胶囊的壁材如表1 所示。 寰 1 常用微腔囊壁材 刘学贤( 江苏省家禽科学研究所， 江苏扬州 2 2 5 0 0 3 ) 被包裹的物料按照设计要求运送到靶器官。有 些物料经微胶囊化后可掩盖自身的异味 ， 或由 原先不易加工的气体 、 液体转化成稳定的固体 形式。 微胶囊化过程包括膜的形成和膜的固化 两个步骤 。膜的形成 ， 首先要把被包封的物料 乳化 、 分散、 分细， 然后再以这些细粒( 滴) 为核 心， 使聚合物成膜材料在其上沉积、 涂层 ， 形成 膜后再将膜固化 ，固化的方法有化学反应 、 溶 剂萃取或蒸发、冷却以及将这些过程结合使 用， 使被包裹物与囊壁形成分离的两项， 这就 是微胶囊的特征。微胶囊技术的基本原理是： 针对不同的芯材和用途， 选用一种或几种复合 壁材进行包裹。 微胶囊直径的大小由制备过程 的搅拌速度、 所用乳化分散剂的类型和用量来 控制；微胶囊皮膜厚度可通过皮芯比来调节。 而事实上，由于微胶囊的种类和制备过程、 工 艺条件不同， 制得的微胶囊大小和膜厚是不相 同的， 即使是同一品种、 同一种工艺， 所制备的 微胶囊不仅膜厚可以不均匀 ， 而且同一微胶囊 的膜厚在不同的部位也是不相同的。壁材上存 在孔洞时 ， 芯材不仅可以从高聚物连续体向外 扩散， 也可通过囊壁上的孔洞向外扩散。由孔 洞向外扩散的速度要大于通过连续体扩散的 速率。 因此， 壁膜上的 孔隙率的多少会影响 芯材的扩散。孔隙率 大者，芯材的释放速 率大。由密度测定实 验已知，当膜厚一定 时 ，平均粒径小的微 胶 囊 ，密度 大于平 均 粒径大的，这表明小 粒径的微胶囊的囊壁 上的孔隙率低于平均 粒径大的。 因此， 平均 粒径小的微胶囊， 芯材释放速率小。由微胶囊 缓释性能的实验研究已知， 当水通过微胶囊的 囊壁进入芯材时 ，微胶囊的壁材会产生变形， 甲基纤维素和酪蛋白作为壁材时会吸水溶胀， 从而导致孔隙率的改变 ； 以明胶作为壁材时遇 水会形成一种胶层； 以邻苯二甲醋酸纤维素酯 作为壁材时， 当水中p H值超过5 5 ， 它的分子是 可溶的， 这会极大地改变壁材的连续相。这些 微胶囊壁材的结构和外表变化都会直接影响 芯材的释放速率。此外， 壁材的结晶度 、 交联 度， 芯材的溶解度也会对芯材的释放性能有一 定的影响。 结晶度高， 交联度大， 则芯材穿过壁 膜所遇的阻力大，这使芯材的释放速率降低。 微胶囊芯材的释放方式有扩散 、 膜层破裂和降 解三种： 扩散 ： 通过选择合适的壁材 、 控制条 件， 使微胶囊具有渗透作用。芯材随液体( 水、 体液等) 的渗透而逐渐溶解， 并向外扩散， 直至 囊膜内外的浓度达到平衡。膜层破裂： 微胶 囊的芯材因囊膜受挤压、 摩擦、 溶胀等作用后 破裂而释放。 囊膜降解； 囊膜受热、 溶剂、 酶、 微生物等因素的影响而破坏 ，释放出囊芯物 质。因此， 有意识地选择壁材和包囊方法就可 以使芯材在指定的p H值 、 温度、 湿度等条件下 释放。例如 ， 利用高分子材料溶解性随体内各 部位p H值的不同而改变的特点， 能使膜材料在 指定部位溶解而释放出包裹的物质。聚乙烯基 吡啶类在酸性条件下溶解， 属于胃溶性高分子 聚合物， 而苯乙烯一马来酸酐在碱性条件下溶 解， 是肠溶性高分子聚合物。 所以说， 微胶囊壁 材的选用应根据芯材的不同作用特点 ， 不同作 用方 式以及不 同作用部位 来选择 。 制 备微胶囊 的方法有化学法、 物理化学法和机械法3 种， 详 见表2 ： 其中以凝聚法、 界面聚合法、 原位聚合 法和喷雾干燥法应用最广。微胶囊化方法很 多， 但到目前为止还没有一种规范的方法能适 维普资讯 用于所有微胶囊的生产。因此， 在设计一种微 胶囊时 ， 必须依据芯材特性和对所需微胶囊的 性能要求来选择适当的微胶囊化方法。 考虑选 定方法下的各种因素， 或综合几种微胶囊化方 法， 将其中的有益性能优化， 可望制备出适合 实际需要的微胶囊产品。 由于微胶囊的化学与 物理性质可根据需要选择， 具有其它物质所不 具备的功能。因此， 微胶囊技术作为一种有效 的商品化技术 ， 必将得到广泛应用。 二微胶囊技术的应用 微胶囊技术的重大突破是使物质能产生 物态变化。 微胶囊既可包裹不稳定的化合物， 也可包裹已固化的挥发性液体或气体 ， 所以， 微胶囊化的研究应用领域与 日俱增。 日前， 微 胶囊技术的应用领域 已经拓展到 了医药 、 农 药 、 食品 、 纺织 、 涂料 、 添加剂 、 化妆品 、 计算 机、 催化剂、 感光材料 、 饲料工业、 生物制品等 许多领域 ；使许多由于技术障碍而得不到开 发的产品， 通过微胶囊技术得以实现 ； 使许多 传统产品的品质得到大大的提高， 具有了更加 优越的性能。随着微胶囊技术的不断完善 ， 理 论和实践的日渐成熟， 其应用范围越加广泛。 1 微胶囊技术在食品I业中的应用 微胶囊技术在我国食品工业中虽然刚刚 衰 2 般胜囊制备方法 腐剂， 应用于食品 、 水果的包装中 ， 以缓慢释放 乙醇蒸气而达到杀菌的 目的。 随着人们对微胶 囊技术研究的不断深入 ， 将会开发出更多丰富 多彩的新型食品。 2 微胶囊技术在饲料及其添加荆中的应用 微胶囊化饲料及其添加剂产品的特点 ， 一 是易于贮存和添加使用， 如将原先不易加工贮 存的液体维生素物料通过微胶囊化转变成稳 定的细粉状颗粒料， 从而具有良好的流动性和 分散性， 便于均匀混合、 贮存和运输。交联微胶 囊维生素添加剂就是以维生素A 和抗氧化剂乙 氧喹作为芯材 ， 用明胶作为壁材制成微胶囊颗 粒维生素添加剂产品。水产饲料用微胶囊维生 素c添加剂就是将还原性强，稳定性差的晶体 维生素c制成由乙基纤维素或油脂包被的微胶 囊维生素c添加剂 ，可防水防氧化 ，提高稳定 性。最近研制出的一种水可弥散型多维添加剂 就是将维生素A、 D、 E 、 K 等脂溶性维生素使用 乳化剂制成水包油乳化液，然后用水溶性胶 类、 糊精或糖作为壁材进行包被， 经喷雾干燥 而成。将微囊化后形成的脂溶性维生素与水溶 性维生素B 类以及溶解质 、 氨基酸、 抗生素等 ， 按配方复合制成水可弥散型多维添加剂。这种 产品不仅可在干、湿状态下与其它物质混合， 起步 ， 但其发展速度极快。微胶囊化香料和风 味料 、 微胶囊化酸味剂、 微胶囊化甜味剂、 微胶 囊化食品油脂 、 微胶囊化天然色素、 微胶囊化 营养强化剂、 微胶囊化酶制剂以及微胶囊化防 腐剂等已应运而生。其中微胶囊化香料和风味 料是最早应用于食品工业的微胶囊技术 ， 作为 添加剂， 已应用于食品工业的许多方面。微囊 化后的香料和风味料大大提高了耐氧、光、 热 的能力， 提高了加工性和稳定性， 延长了贮存 期， 拓宽了使用范围。其主要生产方法有： 喷雾 干燥法、 挤压法、 络合法等。可使用的壁材有： 明胶、 卡拉胶 、 阿拉伯胶、 改性淀粉和B 一 环糊精 等。而微胶囊化防腐剂主要利用微胶囊的控制 释放及缓释的特点， 避免在加工过程中由于直 接加入山梨酸、苯甲酸等防腐剂影响产品质 量， 危害使用者的身体健康。前不久问世的微 胶囊化乙醇杀菌防腐剂， 采用改性淀 粉、 乙基 纤维素、 硅胶等作为壁材制成的高浓度固体防 而 且也 可 直 接在 饮 水 系统 中 使 用 ， 从 而 提高 了 维 生素 的 使用效 率 。二 是 提 高产 品 的稳定 性 ，避 免 配 料时 的 相互影 响 ，如 采 用微 胶 囊 技术 包被 微 生物 活 菌 制 剂 ， 就是将经过工业化发酵生产出来的有益微生 物活菌制剂和变性淀粉、 阿拉伯胶、 麦芽糊精、 玉米糖浆等原料混合溶解、 均质 、 喷雾干燥后 制成微胶囊化微生物活菌制剂。这样的产品可 有效地减少高温制粒过程中的损失， 防止氧化 分解和饲料中抗菌素的破坏作用 ， 延长了微生 物活菌制剂的储藏存活时间 ， 提高了有效成分 的稳定性。三是控制芯材释放和掩蔽不良风 味； 微胶囊化产品的微胶囊既要具 备一定的强 度 ， 能经受一定的处理过程， 也要能在一定的 压力下破裂或在一定的条件下溶解而释放 出 芯材。因此， 生产设计的溶解和释放方式， 以及 壁膜厚度的选择调节对控制芯材的释放和作 用时间至关重要。部分饲料添加剂本身有明显 的异味会影响饲料的适 口性 ， 制成微胶囊颗粒 后， 可掩盖它们所带的不良风味。随着饲料工 业的快速发展， 生产绿色饲料势在必行， 微胶 囊技术以其独特的优势将在饲料工业 中发挥 着越来越重要的作用。 3 微胶囊技术在生物科学中的应用： ( 1 ) 微胶囊化技术应用于生物医学中的具 体实例是制造人工细胞 ； 它是一种超薄球型聚 合物膜 ， 膜内可将解毒吸咐剂 、 多酶 、 辅酶 、 抗 体、 抗原固定化， 形成与人体细胞相似的一种 人工细胞 ， 由于膜很薄( 大约0 0 5 p m) ， 可通过 小分子毒物 ， 而蛋白质大分子不能通过， 但人 工细胞不被人体的免疫系统识别， 植人体内不 会产生抗性反应。例如固定化活性碳清除肾脏 病人体内毒素， 利用血液灌流方法将病人的血 液通过含有吸咐剂的人工细胞 ， 就能达到清除 毒素的 目的。 ( 2 ) 微囊化生物技术药物 ： 目前生物技术 药物研究的重点是应用D NA 重组技术开发可 应用于临床的多肽 、 蛋白质、 酶、 激素、 疫苗 、 细 胞生长因子及单克隆抗体等。据报道 ， 目前已 有7 3 0 多种生物技术药物正在接受F D A 的审评， 7 0 0 多种药物处于早期研究阶段， 2 0 0 种以上药 物已进入F D A 最后批准阶段。这类生物技术药 物的基本剂型是冻干剂，用药后半衰期短， 需 要长期频繁注射给药， 患者难以接受。为此 ， 各 国学者正着手研究采用微胶囊化技术开发方 便合理的给药途径和药物新制剂，如埋植剂、 缓释注射剂等。可生物降解聚合物作为埋植型 或注射型缓释剂骨架是近2 O 年来大力研究的 方向， 这类聚合物包括两大类： 天然聚合物， 如明胶、 葡聚糖、 白蛋白、 甲壳素等。合成聚 合物 ， 如聚乳酸 、 聚丙交酯、 聚乳酸一羟乙酸 ( P L G A) 、 聚丙交酯乙交酯( P L C G) 、 聚己内酯、 聚羟丁酸等。其中合成聚合物尤为人们重视 ， P L G A于2 O 世纪7 O 年代起就用作外科缝线及体 内埋植材料， 如人工关节、 护板、 螺栓等。聚合 物在体内可逐渐降解为乳酸 、 羟乙酸 ， 后者经 三羧酸循环转化为水和二氧化碳。它除具有良 好的生物相容性、 无免疫反应、 安全性较高外， 更难得的是可通过改变两个单体比例及聚合 条件调节聚合物在体内的降解速度。多肽微球 注射剂就是采用P L G A为骨架材料 ， 包裹多肽、 蛋白质药物制成可注射微球剂， 使在体内达到 缓释 目的。微球制备的两种常用方法： 一是复 乳一 液 中干燥法 ，将生物可降解聚合物 ， 如 P L G A 溶解在有机溶媒( 二氯甲烷或醋酸乙酯) 中，水相中加入定量的多肽成溶液或混悬液。 维普资讯 2 7 2 0 0 3 年第2 0 卷第2 0期 G u i d e t o C h i n e s e 将水相加入上述有机相中， 匀化或超声振荡成 初乳， 初乳再转入含P V A的水溶液中， 搅拌成 复乳， 升高系统温度 ， 除去有机溶媒， 固液分离 后， 干燥待用。 二是低温喷雾提取法， 将多肽及 其稳定剂的粉末或冻干品和生物可降解聚合 物的二氯甲烷溶液均匀混合 ， 混悬液经一喷头 以雾状喷至冰冻的乙醇溶液中， 后者界面封以 液氮。 在一 7 O 温度下， 乙醇将微球中二氯甲烷 不断抽提， 以过滤去除乙醇， 获流动性佳的微 球 ， 干燥持用。二者比较 ， 复乳法工艺稳定， 设 备简单 ，但所制微球的突释效应常达1 5 一 3 5 ；低温喷雾法制备的微球可明显改善上述 缺点， 而且药物包裹率可达1 0 0 。目前开发应 用的多肽、 蛋白质、 化学药物等缓释微球注射 剂已有几十种， 如人促性腺激素调节剂、 人促 红细胞生成素、 白介素 、 干扰素 、 人生长激素 、 生长抑素等等。 ( 3 ) 微囊化疫苗 ( 微粒球疫苗) ： 采用微囊 化技术将抗原或佐剂包裹在可生物降解的人 造聚合物( P L G A、 P L A、 P L C G等) 中， 经双乳化 制成水包油包水的微球， 抗原可通过微球表面 的微孔缓慢释放出来。 微孔的大小是可以人为 调节的 ， 因此 ， 可依此控制抗原释放的时间和 速度。一次性注射后， 抗原在机体内可连续缓 释数周甚至数月， 由此达到长期刺激机体产生 持续高效抗体的目的； 另一方面 ， 聚合酸可保 护抗原免受外界不良因素( 如有机溶剂 、 较低 或较高的p H环境蛋白酶等)的影响或破坏， 为 疫苗经 口服途径免疫提供了可靠的保障。世界 上第一个被世界卫生组织( WH O) 批准的一次 性注射微囊化疫苗是人用破伤风类毒素( T T 微球注射剂。采用P L G A 将T T 油溶液包在微球 内 ， 注射剂中含两类微球 ， 一 类囊材为5 0 ： 5 0 1 P L G A， 微球直径较小( 1 1 5 ,L m) ， 含较高剂量 T T， 这种粒径的微球易为巨噬细胞吞噬 ； 另一 类采用7 5 ： 2 5 的P L G A制成直经 1 0 6 0 u n 的微 球 ， 内含较低剂量T T， 速释部分发生在微球注 射后的突释效应期内， 第二释放相发生在注射 后3 1 1 周 实验表明这种脉冲释药模式与用水 溶性T T 免疫相比 ， 町获得更高的抗毒素抗体水 平。目前， 研究中的人用 一次性注射微球疫苗 已有十多种， 如葡萄球菌肠毒素 、 类毒素、 白喉 类毒素、 各种多肽抗原 、 卵清蛋白、 牛血清白蛋 白、 人免疫缺陷病毒( H I V 1 ) 蛋白亚单位预防 疫苗等。传统的畜禽用沙门氏菌疫苗有菌体灭 活疫苗和弱毒活疫苗， 经典的制作方法是用矿 物油和氢氧化铝佐剂来提高抗体滴度， 延长免 疫时间或利用生物佐剂如白细胞介素、 菌体鞭 毛等提高机体的免疫力， 产生高效价抗体。新 型的沙门氏菌微球疫苗是将沙门氏菌的有效 抗原成份与人造可生物降解的聚合物P L G A混 合， 经双乳化制成水包油包水的微球疫苗。这 种新型的微胶囊疫苗不但可以注射 ， 而且也可 以口服； 一 次免疫后， 既达到了缓慢释放免疫 原和长期刺激机体产生持续高效抗体的 目的 ( 与传统灭活苗相比，高水平抗体的维持时间 可延长4 5 个月) ， 又避免了多次重复免疫给畜 群造成的应激影响。口服沙门氏菌微粒球疫苗 除了能产生体液免疫的主要抗体 g G和 g M# b ， 还能刺激机体产生较高的粘膜局部免疫抗体 s g A，这种分泌型抗体可由肠腔粘膜上皮细胞 内和粘膜固有层内的大量浆细胞分泌， 从三个 方面产生抗感染保护效果 ， 这对于预防经口感 染的沙门氏菌的入侵无疑是最重要的， 也是其 它类型的灭活疫苗所不及的。口服免疫时 ， 在 微粒球转化成免疫原的过程中， 微粒的靶向性 投递和佐剂活性是两个重要的决定因素。而粒 径和聚合物的疏水性又是影响微粒靶向作用 的关键因素， 疏水性强的微粒靶向性远高于亲 水性微粒。用微胶囊包裹免疫原制成的口服疫 苗其作用机 制包括：微粒具有靶 向性 ； 粒 径l O ,t m的疏水微粒易靶向肠集合淋巴结， 即 派伊尔结( P P ) ， 可被特殊肠上皮细胞一 M细胞 摄取，并转运到深层P P ； 5 m微粒易被巨噬 细胞吞噬 ，并随淋巴引流进入系统淋巴组织， 诱导系统( 循环 ) 免疫反应 ； 而 5 1 m微粒滞留 在富含B 细胞的P P 内， 受抗原致敏的B 细胞迁居 于各种粘膜组织， 从而诱导局部及全身散在粘 膜分泌s l c A。 口服1 1 0 p , m粒径的微粒可同时激 活全身粘膜和系统免疫反应。微粒具有佐剂 活性， 粘膜免疫反应中微粒的佐剂作用机制尚 不完全明确 ， 微粒聚合物的物理结构可能通过 促进抗原呈递细胞( A P C s ) 对抗原的 识别加工 处理来增强免疫反应。而且微粒可将高浓度抗 原 有 效 传 递 给 P P A P C s ， 并被呈递给T细 胞， 产生强刺激， 增强免疫效果。微粒疫苗具 有高效性 ： 在一种微粒疫苗中可同时包裹几种 浓缩后的抗原或细胞因子和佐剂， 以减少接种 次数 。 储库作用： 微粒疫苗口服后， 随着聚合 物的降解 ，微粒可缓释或脉冲式释放抗原， 达 到长期刺激机体产生持续高效抗体的目的。 微粒疫苗除诱导c D T h ， 型粘膜与血清抗体反 应外，还可在粘膜表面诱导有效的细胞毒性T 细胞( C T L ) 应答， 因此可同时产生细胞与体液 免疫。微胶囊本身无免疫原性 ，可进行重复 性接种。 尽管乳酸与乙醇酸共聚物( DL P L G) 、 丙烯酸聚合物、 聚氰基丙烯酸酯( P A C A) 、 海藻 酸盐等聚合物微粒是理想的粘膜疫 苗投递载 体 ，但口服疫苗投递系统仍处于基础研究阶 段，