利用微流控技术实现具有致密脂质晶体壳层的热响应型核壳微胶囊的可控制备

《Innovative Food Science & Emerging Technologies》：Controllable fabrication of thermo-responsive core-shell microcapsules with dense lipid crystal shells via microfluidics

　　

Licheng Chen|Yuqing Qian|Shuang Wang|Changhu Xue|Cheng Yang|Chunhuan Liu

中国江苏省无锡市214122，江南大学化学与材料工程学院，教育部合成与生物胶体重点实验室

摘要

我们开发了具有热响应性脂质晶体壳层的核壳结构微胶囊，用于提升水包油型乳液中疏水性活性物质的稳定性并实现可控释放。通过流式聚焦微流控系统，可通过调节流体流速精确控制脂质壳层厚度和核心尺寸。在最优参数（3500?μL/h）下，这些微胶囊对辅酶Q10的包封效率可达89.57%，负载能力为72.62%。脂质壳层提供了出色的保护作用：在6小时紫外线照射后仍有82.44%的β-胡萝卜素保留，而在25°C下经过7天氧化应力处理后仍有88.02%的活性物质保持完整。长期稳定性测试显示，28天内泄漏率低于5%，且生物活性得以保持。在36°C条件下，微胶囊可实现温度触发型释放，细胞毒性试验（皮肤/肠道细胞）以及HET-CAM测试也证明了其生物相容性。这种微流控技术构建的平台通过可调控的制备工艺、强大的环境抗性以及智能释放功能，克服了传统乳液的局限性，为功能性食品应用带来了巨大潜力。

引言

乳液在食品和化妆品行业中被广泛用作活性物质、风味剂及营养补充剂的载体（Acevedo-Fani & Singh, 2022; Berton-Carabin & Schro?n, 2019; Dickinson, 2015）。这类体系能够在加工和储存过程中有效包封、保护并释放生物活性化合物。乳液两相之间的界面膜有助于维持乳液稳定性（Du et al., 2025），同时作为物理屏障保护活性物质免受外界环境的影响。目前，食品乳液体系中的界面膜主要由两亲性乳化剂或大分子颗粒构成（Choudhury et al., 2025），它们分别被用于传统乳液和皮克林乳液体系中（Ozturk & McClements, 2016; Wang et al., 2016; Weiss, Ahmad, Zhang, & Zhang, 2020）。尽管这些界面膜提升了稳定性，但其不连续的结构往往会导致活性物质泄漏，且对紫外线和氧气等环境因素的抵抗能力较弱（K. Chen et al., 2019; Z. Chen, Zhao, Wang, Ye, & Xiao, 2024; Ding et al., 2023）。这些缺陷严重影响了水包油型乳液中活性物质的包封效率及长期稳定性。

为提升水包油型乳液的稳定性，人们探索了在油滴周围形成屏障的策略。双乳液虽然能提供额外的保护层，但存在储存不稳定的问题，如聚并、奥斯特瓦尔德熟化以及内层油滴渗入外相等现象，这些问题都会降低包封效率及长期保护效果（Leister & Karbstein, 2020; L. Li, Wu, Tan, Teng, & Li, 2025）。另一种方法是利用带相反电荷的聚电解质，通过静电作用形成聚电解质复合物或逐层组装的多层结构来稳定乳液。虽然这种方法能提升界面稳定性，但其性能对pH值和离子强度极为敏感，这大大限制了其实际应用前景（Borges et al., 2024; Vilsinski, de Oliveira, Souza, & Martins, 2024）。尽管有这些进展，但目前还没有哪种方法能够同时实现长期稳定性、环境抗性以及可控释放——而微囊化技术或许可以填补这一空白。微囊化技术通过将油滴包裹在物理屏障中，既提升了乳液的稳定性，又保护了敏感的活性物质（Liu et al., 2024; Onwulata, 2013; Petrovic, Sovilj, Katona, & Milanovic, 2010; Ramakrishnan, Ferrando, Ace?a-Mu?oz, De Lamo-Castellví, & Güell, 2013）。然而，传统的基于水凝胶的微胶囊（如多糖和蛋白质类）由于在储存过程中存在溶质扩散的问题，且无法实现活性物质的可控、响应式释放，因此效果有限（Hameed, Faheem, Paiva-Santos, Sarwar, & Jamshaid, 2024; Prokop, Kozlov, Carlesso, & Davidson, 2002; Ryu et al., 2021）。

使用热响应型相变材料作为微胶囊壳层材料则是一种颇具吸引力的替代方案。天然脂质和蜡在室温下呈固态，具有紧密的分子堆积结构，能够长期包封活性物质（de Freitas et al., 2019; Gao et al., 2021; Qiu, Huo, & Xia, 2020; Windbergs, et al., 2013a）。此外，通过混合不同脂质，还可以调整其熔点，从而实现在特定温度条件下的温度触发型释放（Liu, Zheng, & Liu, 2022; Liu et al., 2019; B. J. Sun, Shum, Holtze, & Weitz, 2010）。这种方法不仅具备出色的包封稳定性，还能实现活性物质的可控释放，有效解决了传统食品乳液存在的诸多缺陷。

传统的微胶囊制备方法通常以多重乳液作为模板（Jeong et al., 2021; Lee, Choi, & Lee, 2025）。例如，要包封油质核心，通常需要先制备水包油/水包油的双乳液模板。然而，这些传统方法几乎无法制备出具有脂质晶体壳层且内部为液态油核心的微胶囊。最近的研究表明，微流控技术为制备具有水基壳层包裹水核心结构的微胶囊提供了可控的方法（B. Li et al., 2024; H. Sun et al., 2019; Zhao et al., 2019）。因此，微流控技术有望用于制备具有脂质晶体壳层包裹油质核心的微胶囊。

在本研究中，我们利用微流控技术制备了核壳结构微胶囊，即把液态油核心包裹在脂质晶体壳层之中。该方法不仅能实现活性物质的稳定包封，还能实现热响应型释放。我们确定了流速与壳层厚度之间的关系，只需调节流速即可控制壳层厚度。随后，我们系统研究了壳层厚度、流速以及壳层脂质组成对包封性能的影响。我们还利用偏光显微镜和X射线衍射技术，研究了壳层中脂质晶体的特性对包封效率的影响。此外，我们还评估了脂质壳层对氧化降解的防护能力，并观察了其热响应型释放行为。最后，通过实际包封食品活性物质的案例，验证了该技术在功能性食品和美容保健产品中的应用潜力。

章节节选

材料

棕榈核硬脂酸酯（PKS，熔点为34–36℃）和蜂蜡（BW，熔点为70℃）由中国石家庄的亿海粮油工业有限公司提供。山茶油则由中国福建的春晖生物工程有限公司捐赠。聚乙烯醇（PVA，水解度为87–90%，分子量为30,000–70,000）、尼罗红、辅酶Q10、β-胡萝卜素、虾青素、正己烷以及卡波姆U20均购自中国上海的泰坦科技有限公司。NIH-3 T3细胞系（编号BNCC100843）、HaCat细胞系（编号BNCC339817）、Caco-2细胞系

具有脂质晶体壳层结构的微胶囊的可控制备

我们使用了自行设计的微流控装置（图1a）来制备微胶囊。该装置包含三个功能区域：通过出口毛细管注入液态油，通过左侧方形通道供应熔融的固体脂质，通过右侧方形通道输送聚乙烯醇水溶液（图1b）。在接收毛细管中通过流体动力学聚焦效应，三种不相容的流体形成同轴流动模式，进而破裂生成水包油型乳液滴（详见补充材料

结论

本研究成功制备出了具有长期稳定性的热响应型微胶囊。我们利用定制设计的微流控装置，成功制备出了包裹液态油核心的脂质晶体壳层微胶囊。通过调节流速比例，我们可以精确控制壳层厚度和包封性能，在3500?μL/h的流速下，包封效率可达89.57%，负载能力为72.62%。最终，我们选择95%的棕榈核硬脂酸酯与5%的蜂蜡作为最佳的包封用壳层材料

CRediT作者贡献说明

Licheng Chen：撰写原始稿件、方法学部分、数据整理、概念设计。Yuqing Qian：数据整理、概念设计。Shuang Wang：软件应用、资金获取。Changhu Xue：结果验证、资源提供。Cheng Yang：撰写审阅与编辑稿件、项目监督、资源提供、资金获取。Chunhuan Liu：撰写审阅与编辑稿件、结果验证、方法学研究、资金获取、概念设计。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下项目的资助：山东省泰山学者计划（青年科学家项目，编号tsqn202408069和tsqn202312084）、中国博士后科学基金会的普通项目（编号2025M783023和2024M763090）、国家自然科学基金（编号22208121和22504133）、山东省博士后科学基金、中央高校基本科研业务费（编号862401013227和862401013145）、青岛市博士后科学基金（编号QDBSH20250101021）。