袁曉露，李寶霞，黃雅燕，楊宇成，葉靜，張娜，張學(xué)勤，鄭秉得，肖美添

（1 華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361021；2 廈門市海洋生物資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，福建 廈門 361021）

微囊技術(shù)是一種利用多聚物成膜材料作為囊壁或囊殼，將液體、固體或者氣體等物質(zhì)（內(nèi)容物或芯材）包裹在微型膠囊內(nèi)的保護(hù)技術(shù)。微囊的粒徑一般在微米級至毫米級，因此根據(jù)粒徑的大小可劃分為納米囊（<200nm）、微囊或微球（0.2～2000μm）和微珠（>2mm）。

明膠具有很好的成膜性和凝膠性，且來源廣泛、價(jià)格低廉，是目前應(yīng)用最多的包封材料之一。但是隨著應(yīng)用的增多，明膠所帶來的問題也開始逐漸暴露出來。例如，明膠易與含醛類物質(zhì)交聯(lián)；原料滅菌時(shí)需要使用環(huán)氧丙烷；儲存性質(zhì)不穩(wěn)定；動物來源不安全以及宗教禁忌等。因此，許多植物多糖被開發(fā)出來替代明膠。其中，海藻酸鈉因具有良好的成膜性、穩(wěn)定性和生物相容性以及無毒性等優(yōu)勢，被廣泛用作包封材料。但由單一海藻酸鈉所制得的凝膠強(qiáng)度較弱，鈣化膜也存在機(jī)械性能較差的缺點(diǎn)，導(dǎo)致海藻酸鈉微囊在應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)內(nèi)容物釋放不穩(wěn)定、微囊易破裂等問題。為了提高海藻酸鈉微囊的力學(xué)性能以及更好地控釋內(nèi)容物，研究者引入了其他的高分子材料與海藻酸鈉進(jìn)行復(fù)配。然而力學(xué)性能改善的同時(shí)也使得微囊制備工藝以及復(fù)配配方本身更為復(fù)雜，因?yàn)閿嚢杷俾省⒔宦?lián)劑濃度、膠液/內(nèi)容物的流速比以及復(fù)配配方的優(yōu)化與加工助劑的選擇等影響因素之間都存在相互作用，共同影響微囊的性質(zhì)。因此，本綜述對海藻酸鈉的離子交換性、pH 敏感性、凝膠特性等性質(zhì)和微囊制備過程的影響因素進(jìn)行了梳理總結(jié)，對比介紹了海藻酸鈉不同的凝膠方式（包括物理凝膠、化學(xué)凝膠、酶凝膠以及互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠，如圖1所示）對微囊性質(zhì)的影響，并論述了海藻酸鈉微囊在包封細(xì)胞、藥物以及精油方面的應(yīng)用，以期為海藻酸鈉微囊的技術(shù)發(fā)展和制劑產(chǎn)業(yè)化提供參考。

圖1 海藻酸鈉的凝膠方式及其微囊化應(yīng)用示意圖

1 簡介

海藻酸鈉在食品、生物醫(yī)藥以及化工方面應(yīng)用已十分成熟，其制成的微囊可包裹細(xì)胞甚至組織，為細(xì)胞的固定化培養(yǎng)提供適宜的環(huán)境，從而提高細(xì)胞體外培養(yǎng)的存活率；還可以包裹藥物以及生物活性物質(zhì)用于人體治療，保護(hù)活性藥物免受胃腸道的影響，起到控釋以及靶向釋放的作用。另外，海藻酸鈉微囊還能包封精油等油類物質(zhì)，用于制備防腐膜和爆珠。由于海藻酸鈉的應(yīng)用跟其性質(zhì)、結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以了解海藻酸鈉的性質(zhì)至關(guān)重要。

1.1 海藻酸鈉的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

海藻酸鈉，又稱褐藻酸鈉，是一種線性陰離子多糖，主要存在于馬尾藻、巨藻等褐藻類植物中，是海藻細(xì)胞間質(zhì)和細(xì)胞壁中的主要成分之一。海藻酸鈉的分子式為(CHNaO)，是由-1,4-糖苷鍵連接-L-古洛糖醛酸（G 單元）和-D 甘露糖醛酸（M 單元）兩單元組成的線性共聚物（結(jié)構(gòu)如圖2所示），分子結(jié)構(gòu)主要由一定比例的G-M、G-G以及M-M 按照不同序列連接而成，分子大小在幾千至幾十萬之間不等。其中，G 單元和M 單元兩者互為空間異構(gòu)體，性質(zhì)存在較大差異。G單元和M單元的排列方式和比例的不同都會導(dǎo)致海藻酸鈉的穩(wěn)定性、黏度、金屬離子選擇性以及凝膠特性發(fā)生變化。海藻酸鈉的分子量、G和M序列的組成均會受到原料來源、種類和提取方式的影響。

圖2 海藻酸鈉的分子結(jié)構(gòu)[11-12]

1.2 海藻酸鈉的理化性質(zhì)

海藻酸鈉是一種微黃色固體粉末，溶于水后可以形成黏性較大的膠狀液體，其黏度會隨著海藻酸鈉分子量和濃度的增大而增加。海藻酸鈉具有良好的成膜性，其溶液干燥后得到的膜具有一定的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，是一種理想的包封材料。海藻酸鈉的基本性質(zhì)除了受分子量和G/M比值的影響外，還容易被外界環(huán)境所影響。例如，粉末狀態(tài)的海藻酸鈉比溶液狀態(tài)更加穩(wěn)定；在高溫條件下易發(fā)生降解而在低溫條件下較為穩(wěn)定；易受到氧化劑、紫外光等因素的影響而發(fā)生降解等。

1.2.1 離子交聯(lián)特性

海藻酸鈉形成凝膠主要是因?yàn)镸單元和G單元能與二價(jià)金屬離子（如鈣離子等）發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，并且M單元和G單元對金屬離子的親和性強(qiáng)弱不一樣。G單元更容易與鈣離子發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，而M單元不會區(qū)分鈣離子或其他金屬離子，可以與任意金屬離子結(jié)合。G單元的分子鏈段是一種雙折疊式螺旋構(gòu)像，中間會形成類似于鋸齒形的親水空間，兩個(gè)相鄰G單元的羧基連接的鈉離子和二價(jià)金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)后，會形成結(jié)構(gòu)緊密堆積的凝膠，被稱為“蛋盒”結(jié)構(gòu)模型（如圖3所示）。不同的二價(jià)金屬離子與海藻酸鈉的親和能力也不同，按照結(jié)合能力排序?yàn)椋篜b>Cu>Cd>Ba>Sr>Ca>Zn>Mn。此外，海藻酸鈉還會與部分三價(jià)金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng)，但這種結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，主要是因?yàn)镚單元上的氧原子會與螯合的三價(jià)金屬離子相互吸引，破壞螯合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖3 海藻酸鈉與鈣離子形成的“蛋盒”結(jié)構(gòu)[11,16]

1.2.2 穩(wěn)定性

海藻酸鈉具有良好的穩(wěn)定性，可用于細(xì)胞培養(yǎng)。其水凝膠結(jié)構(gòu)與細(xì)胞外部的基質(zhì)結(jié)構(gòu)類似，它的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效地對細(xì)胞進(jìn)行包封而不產(chǎn)生任何細(xì)胞毒性，能為細(xì)胞提供類似體內(nèi)的生長環(huán)境，并且在培養(yǎng)過程中，自身也不容易受到細(xì)胞和環(huán)境的影響發(fā)生降解，因而被廣泛用于生物組織工程。此外，海藻酸鈉受溫度的影響比較大，溫度低于60℃時(shí)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。高于60℃時(shí)分子內(nèi)的結(jié)合水會分解，發(fā)生熱解聚現(xiàn)象，且溫度越高，作用時(shí)間越長，熱解聚現(xiàn)象越強(qiáng)烈，此時(shí)黏度也會由于分子量減小而急劇下降。當(dāng)溫度升高至220～260℃時(shí)，海藻酸鈉的糖苷鍵會斷裂分解。當(dāng)溫度高達(dá)520～570℃時(shí)，分子內(nèi)部的羧基和羥基逐漸消失，海藻酸鈉完全被碳化，最終產(chǎn)物為碳酸鈉。所以在應(yīng)用過程中應(yīng)注意溫度改變對海藻酸鈉性質(zhì)變化的影響。

1.2.3 pH敏感性

海藻酸鈉是一種聚陰離子pH 敏感型水凝膠，分子內(nèi)存在大量可離子化基團(tuán)（羧基）。當(dāng)溶液中的pH<3.65 時(shí)（海藻酸鈉分子鏈上的糖醛酸p值為3.65），海藻酸鈉中的羧基會發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，分子鏈?zhǔn)湛s，形成酸凝膠從溶液中析出，所形成的凝膠強(qiáng)度較低，但隨著溶液的pH 升高，凝膠又會逐漸溶解重新形成膠液。當(dāng)pH>11時(shí)，分子中的羧基以陰離子形式存在（—COO），分子鏈?zhǔn)嬲梗藭r(shí)海藻酸鈉具有短暫的pH 耐受性，但長時(shí)間處于堿性條件下仍會發(fā)生降解導(dǎo)致黏度降低。凝膠狀態(tài)的海藻酸鈉在不同酸堿度的溶液中也會發(fā)生不一樣的變化。在酸性溶液中，凝膠結(jié)構(gòu)中的羧基會與溶液中的氫離子反應(yīng)生成羧酸（—COOH）。羧酸之間會形成氫鍵，導(dǎo)致凝膠體積收縮，此時(shí)羧基與水分子的氫鍵作用減弱，阻止外界水分子的進(jìn)入，凝膠的溶脹率降低。當(dāng)溶液為中性或堿性時(shí)，分子中的羧基主要以陰離子的形式存在，同種電荷相互排斥，水分子更容易進(jìn)入，凝膠溶脹率增大。正是由于這一特殊的pH 敏感性，海藻酸鈉被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥中控制內(nèi)容物的釋放。

2 海藻酸鈉凝膠的制備

海藻酸鈉形成凝膠的方式主要分為物理交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)、酶交聯(lián)以及互穿網(wǎng)絡(luò)等，不同的凝膠方式作用機(jī)理不同，因此得到的凝膠性能、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均有所差異，因此可以根據(jù)實(shí)際需要選用合適的凝膠方式。

2.1 物理交聯(lián)

物理交聯(lián)主要是利用氫鍵、微晶區(qū)以及纏結(jié)點(diǎn)等物理結(jié)合方式形成的網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)。下面以鈣離子為例介紹海藻酸鈉與二價(jià)金屬離子的主要凝膠方式。根據(jù)鈣離子的添加方式可以分為直接滴加法、反滴加法以及原位凝膠釋放法，這三種凝膠方式形成的海藻酸鈉凝膠分布方式、強(qiáng)度都不一樣。

直接滴加法[如圖4(a)所示]指直接將海藻酸鈉溶液滴加到氯化鈣溶液中的交聯(lián)方法。海藻酸鈉液滴進(jìn)入溶液之后，鈣離子會立即與液滴表面的海藻酸鈉反應(yīng)形成微囊，鈣離子再由液滴外層向內(nèi)擴(kuò)散，與里層的海藻酸鈉反應(yīng)，加強(qiáng)微囊結(jié)構(gòu)。直接滴加法操作簡便，形成了海藻酸鈉在里、氯化鈣在外層的分布形式，但是外層海藻酸鈉會先形成凝膠，阻礙鈣離子往海藻酸鈉內(nèi)層擴(kuò)散，導(dǎo)致內(nèi)層鈣化不完全，整體鈣化效果不均勻。反滴加法[如圖4(b)所示]則與直接滴加法相反，它是將配置好的氯化鈣溶液添加到海藻酸鈉溶液中來形成凝膠，此時(shí)氯化鈣液滴表層會立即與海藻酸鈉交聯(lián)繼而被包覆，形成微囊。但在凝膠過程中，由于鈣離子由內(nèi)向外擴(kuò)散，故微囊里層的凝膠強(qiáng)度最大。

圖4 海藻酸鈉物理交聯(lián)方式

將海藻酸鈉與氯化鈣溶液混合時(shí)，海藻酸鈉與鈣離子在瞬間即可完成反應(yīng)，交聯(lián)速率不易控制，因而得到的凝膠通常由于鈣離子分布不均，使得凝膠強(qiáng)度有所差異。為了解決凝膠強(qiáng)度不均勻的問題，研究者提出了原位凝膠釋放法。原位凝膠釋放是利用乙二胺四乙酸二鈉鈣（Ca-EDTA）或碳酸鈣作為鈣源，加入D-葡萄糖酸內(nèi)酯（GDL）作為弱酸性介質(zhì)的交聯(lián)方法。Ca-EDTA、碳酸鈣的螯合常數(shù)在pH=7 時(shí)很高，此時(shí)鈣離子被完全絡(luò)合。在溶液中加入GDL 后，GDL 在常溫下會逐漸分解成葡萄糖酸，使溶液中的pH 緩慢降低，鈣離子被逐步釋放并與海藻酸鈉緩慢接觸形成凝膠。在pH=4 時(shí)，鈣離子基本被完全釋放，海藻酸鈣凝膠完全形成，從而得到均勻的海藻酸鈣分散凝膠。

2.2 化學(xué)交聯(lián)

化學(xué)交聯(lián)是指高分子聚合物之間在光和熱的條件下通過交聯(lián)劑相互連接，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)的過程，一般指的是分子結(jié)構(gòu)中羧基、羥基的交聯(lián)。海藻酸鈉的糖醛酸結(jié)構(gòu)中含有大量的羧基和羥基，在特定條件下，它們可以與一些小分子交聯(lián)劑或某些聚合物中的活性官能團(tuán)發(fā)生交聯(lián)，得到具有特定性質(zhì)和用途的凝膠。徐夢潔等利用氯化鈣/硼酸溶液對海藻酸鈉進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，制得聚乙烯醇/海藻酸鈉水凝膠，并證明其具有較好的力學(xué)性能和生物相容性。化學(xué)交聯(lián)形成的凝膠是一種不可逆凝膠，可以解決離子交聯(lián)法速率不可控等難題，但所采用的交聯(lián)劑（如環(huán)氧氯丙烷、戊二醛等）大多具有毒性，這極大限制了化學(xué)交聯(lián)凝膠的應(yīng)用與發(fā)展。

2.3 酶交聯(lián)

酶交聯(lián)是通過特定的酶使海藻酸鈉的特定基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)，形成凝膠的一種方式，其主要特點(diǎn)是反應(yīng)溫和、交聯(lián)高效。目前主要使用的酶是過氧化物酶和轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶等。因?yàn)榧尤胩囟ǖ拿钢淮呋鄳?yīng)的反應(yīng)進(jìn)行，可以有效避免海藻酸鈉在交聯(lián)過程中生成副產(chǎn)物，還可以取代戊二醛等化學(xué)交聯(lián)劑的使用，減少有毒物質(zhì)的加入，且所得到的凝膠對細(xì)胞的毒副作用更小。Sakai等利用辣根過氧化物酶催化過氧化氫氧化含有苯基的海藻酸鈉，制備了含有酚式羥基的海藻酸鈉凝膠，并證明了酶交聯(lián)法制備出來的水凝膠穩(wěn)定性強(qiáng)、凝膠強(qiáng)度高，與化學(xué)交聯(lián)得到的凝膠相比具有更好的生物相容性。

2.4 互穿網(wǎng)絡(luò)

互穿網(wǎng)絡(luò)是指由兩種或多種高分子聚合物通過相互纏繞、交互作用形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。海藻酸鈉通過離子交聯(lián)的方式得到的凝膠剛性較大且易碎。因此通常加入與海藻酸鈉性質(zhì)互補(bǔ)的、結(jié)構(gòu)特殊的聚合物，來增強(qiáng)互穿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。而不同高聚物又會保持原有獨(dú)立的特殊性質(zhì)，從而得到比單一海藻酸鈉凝膠性能更優(yōu)異的凝膠。張高奇等利用海藻酸鈉與聚(-異丙基丙烯酰胺)交聯(lián)共混，得到了既對酸堿度敏感又對溫度有較快響應(yīng)的凝膠。朱享波等分別利用γ-聚谷酰胺和海藻酸鈉-Ca各自形成的互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制備了γ-聚谷酰胺/海藻酸鈉雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，制得的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠比單一水凝膠的機(jī)械性能要好。

3 微囊制備的影響因素

大量研究表明，海藻酸鈉微囊在包封應(yīng)用中的成功取決于微囊的特性，如粒徑、形狀、表面形貌以及物理化學(xué)穩(wěn)定性等，所以微囊的大小和形狀通常需要嚴(yán)格控制。常用的微囊制備方法有滴制法、乳化法、靜電造粒法、噴射剪切法等。通常情況下，微囊易受到海藻酸鈉性質(zhì)、凝固浴、生產(chǎn)工藝等因素的影響，這些因素根據(jù)其各自對海藻酸鈉凝膠作用機(jī)理的不同，對微囊影響的程度也有所不同。

3.1 溶液黏度

微囊的粒徑大小和內(nèi)容物包封率與海藻酸鈉黏度相關(guān)，海藻酸鈉黏度主要由分子量和濃度決定。利用乳化法制備微囊時(shí)，提高海藻酸鈉濃度可以增大微囊的粒徑和多分散性。Zimet 等通過離子凝膠法制備海藻酸鈉微囊，結(jié)果表明當(dāng)海藻酸鹽濃度從0.3g/L 增加到0.7g/L 時(shí)，微囊粒徑從86nm 增加到204nm，包封率從35.6%降低到30.5%。海藻酸鈉溶液需要達(dá)到一定的黏度值，才能用于制備具有良好力學(xué)性能和一定球形度的微囊，但黏度過高的溶液難以泵送，并且所得微囊球形度不佳，反而不適用于制備微囊。而使用滴注法等滴入方式形成的微囊同時(shí)還會受到海藻酸鈉溶液表面張力的影響。當(dāng)海藻酸鈉液滴從滴頭分離時(shí)，當(dāng)液滴達(dá)到臨界尺寸、液滴的重力或表面張力不能維持平衡時(shí)，液滴會從滴頭尖端分離。海藻酸鈉溶液的表面張力隨著濃度的增加而降低，此時(shí)形成的微囊直徑也會越小。當(dāng)海藻酸鈉溶液的表面張力遠(yuǎn)低于凝固浴的表面張力時(shí)，液滴沖擊氯化鈣溶液表面之后，不能形成一個(gè)完美的球體，所得珠子可能呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。

3.2 交聯(lián)劑

交聯(lián)劑是影響海藻酸鈉凝膠性質(zhì)的關(guān)鍵因素，微囊的制備常以二價(jià)金屬陽離子作為交聯(lián)劑，包括鈣離子、鍶離子與鋇離子等，但由于鍶離子和鋇離子均具有一定的毒性，故使用最廣泛的是氯化鈣、碳酸鈣等鈣鹽。交聯(lián)劑濃度會影響海藻酸鈉凝膠強(qiáng)度。當(dāng)交聯(lián)劑濃度太低時(shí)，鈣離子與海藻酸鈉交聯(lián)程度不夠，導(dǎo)致凝膠強(qiáng)度低，微囊之間容易相互黏聚或根本不能形成微囊。交聯(lián)劑濃度過高時(shí)，則會導(dǎo)致形成的凝膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)過于緊密，網(wǎng)格孔隙小，使微囊粒徑縮小。Ahdyani等制備了殼聚糖-海藻酸鈉微囊裝載馬來酸噻嗎洛爾，結(jié)果表明氯化鈣濃度從0.5g/L 增加到2.5g/L 時(shí)，微囊尺寸從473nm減小至200nm。

3.3 凝固浴

3.3.1 表面張力

利用滴注法生產(chǎn)微囊時(shí)，當(dāng)海藻酸鈉液滴從滴頭脫離后，會落在凝固浴表面，最后沖破表面進(jìn)入溶液進(jìn)行凝膠化（如圖5所示）。當(dāng)凝固浴沒有添加表面活性劑時(shí)，海藻酸鈉液滴必須克服沖擊期間的高表面張力，所以液滴在滲透到凝固浴時(shí)可能會發(fā)生變形。因此，通常會在生產(chǎn)海藻酸鈉微囊的過程中向凝固浴中添加少量的表面活性劑（約5g/L），例如吐溫20、吐溫80、十二烷基三甲基溴化銨或十六烷基三甲基溴化銨等來降低凝固浴的表面張力，從而減少液滴的沖擊力，使液滴能最大限度地保持其球形，并延長液滴在凝膠過程前恢復(fù)球形的弛豫時(shí)間。

圖5 海藻酸鈉液滴進(jìn)入凝膠浴界面的沖擊與變形[39]

3.3.2 攪拌速率

適宜的攪拌速率可以防止微囊的聚集，并提高交聯(lián)反應(yīng)的均勻性，但攪拌速率過大，在溶液中會形成強(qiáng)離心力，導(dǎo)致微囊變形。乳化法生產(chǎn)微囊時(shí)，攪拌速率對微囊粒徑的影響較大。攪拌速率較低時(shí)，海藻酸鈉液滴在乳液中發(fā)生聚集而不易分開，成球性較差，產(chǎn)品包埋率低。在一定程度上，攪拌速率的提高，微囊的粒徑分布范圍會逐漸增大，平均粒徑會減小。但速率過大時(shí)，會導(dǎo)致粒徑過小，包埋率過低。Zhai等研究了轉(zhuǎn)速對乳化法制造微囊粒徑的影響，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速為1600r/min 時(shí)，微囊粒徑范圍為0.3～2.3μm；轉(zhuǎn)速為1300r/min 時(shí)，微囊粒徑范圍為0.8～2.3μm；當(dāng)轉(zhuǎn)速減至1000r/min時(shí)，制造的微囊粒徑為1～4μm。同樣，Samprasilt等制備了載山竹素的殼聚糖-海藻酸鹽微囊，發(fā)現(xiàn)當(dāng)攪拌速度從1000r/min增加到1400r/min時(shí)，納米顆粒的平均尺寸顯著減小。

3.4 復(fù)配材料

盡管海藻酸鈉具有良好的包封性能和凝膠性能，但海藻酸鈉鈣化而成的膜的力學(xué)性能較差，且凝膠過程易脫水，降低包封藥物的有效性。因此研究者提出將海藻酸鈉與其他高分子材料復(fù)配來改善此類問題。與海藻酸鈉復(fù)配的材料主要有殼聚糖、卡拉膠、淀粉、普魯蘭多糖、果膠以及各種改性纖維素等。殼聚糖是一種陽離子多糖，帶正電荷，能與陰離子海藻酸鈉形成電解質(zhì)復(fù)合凝膠。殼聚糖和海藻酸鈉之間的聚電解質(zhì)相互作用阻止了多糖上親水組分吸引水分子，增強(qiáng)了微囊的機(jī)械性能，使得復(fù)合凝膠更牢固、更致密，為封裝材料提供更好的保護(hù)。κ-卡拉膠是一種凝膠劑，溶解后冷卻即可形成凝膠，在鉀離子存在的環(huán)境下能形成強(qiáng)度更高的凝膠；海藻酸鈉與κ-卡拉膠復(fù)配后可提高整體凝膠性質(zhì)，解決純海藻酸鈉微囊內(nèi)部強(qiáng)度不夠的問題。淀粉與海藻酸鈉復(fù)配時(shí)，淀粉主要是作為海藻酸鈉凝膠基質(zhì)中的不溶性填料，因?yàn)榈矸蹠紦?jù)凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的空隙，形成一種支撐結(jié)構(gòu)，減少海藻酸鈉凝膠的收縮，提高微囊包封率。改性纖維素與海藻酸鈉復(fù)配時(shí)產(chǎn)生的作用與淀粉類似，一般用于填充海藻酸鈉凝膠空隙，還會對微囊的硬度有影響。例如羧甲基纖維素與海藻酸鈉復(fù)配之后降低了凝膠的硬度，增加了乳糖酶的包封效率，被包裹的酶有更高的pH耐受性與熱穩(wěn)定性。

4 海藻酸鈉微囊的應(yīng)用

海藻酸鈉是應(yīng)用最廣泛的高分子包封材料之一，具有藥用輔料的特性，如生物降解性、相容性和穩(wěn)定性。此外，海藻酸鈉擁有包封材料所需的成膜性和一定的韌性和強(qiáng)度，且具有來源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)勢，目前已被廣泛應(yīng)用于細(xì)胞固定、載藥釋藥和食品行業(yè)等領(lǐng)域。表1列舉了部分以海藻酸鈉為囊殼材料的微囊應(yīng)用。

表1 以海藻酸鈉為壁材的微囊應(yīng)用

4.1 包封細(xì)胞

細(xì)胞固定化是指將具有活性的細(xì)胞、微生物或組織等利用化學(xué)或者物理手段將其限定在特定空間生存，而較少影響其活性的一種技術(shù)。傳統(tǒng)的細(xì)胞固定化存在生物活性影響較大、負(fù)載量低、結(jié)合不穩(wěn)定等問題。利用微囊化技術(shù)將細(xì)胞包封保護(hù)，封存在特定空間，使得細(xì)胞生物活性損失更小；載體與細(xì)胞結(jié)合穩(wěn)定，提高了細(xì)胞培養(yǎng)的密度；并且微囊化作用隔離了目標(biāo)產(chǎn)物，有利于后續(xù)產(chǎn)品的分離。同時(shí)海藻酸鈉等天然多糖形成的凝膠網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以傳遞細(xì)胞所需的營養(yǎng)物質(zhì)以及生成的產(chǎn)物，具有較好的免疫原性和生物相容性，已廣泛用作組織細(xì)胞、微生物和酶的固定化材料。Montanucci 等利用海藻酸鈉包覆含有單克隆抗體分泌的雜交瘤細(xì)胞，保護(hù)雜交瘤細(xì)胞免受宿主免疫系統(tǒng)的影響，還可以產(chǎn)生具有免疫活性的單克隆抗體用于治療疾病。此外，Benucci等利用乳化法制備海藻酸鈉微囊包埋了釀酒酵母，包埋率為87%。結(jié)果表明海藻酸鈉微囊可以顯著提高微生物的存活率，且生產(chǎn)的起泡酒在香氣、口感和酒體方面顯示出與游離酵母生產(chǎn)的起泡酒相似的感官特性。

4.2 包封藥物

目前，大部分小分子藥物可以通過口服或靜脈注射等非腸道方式給藥，但多肽類、蛋白質(zhì)等藥物由于容易被腸道中的酶或酸降解，因而不能通過口服的方式給藥。利用海藻酸鈉制成的微囊可以達(dá)到藥物控釋以及靶向釋放用于治療各種疾病。海藻酸鈉制成的微囊具有一定的酸敏感性，當(dāng)pH>4.4時(shí)，海藻酸鈉凝膠膨脹利于藥物的釋放。而當(dāng)pH<3.4時(shí)，海藻酸鈉凝膠收縮，外界環(huán)境的物質(zhì)難以進(jìn)入，減少腸胃對藥物的水解作用，從而達(dá)到保護(hù)藥物、實(shí)現(xiàn)藥物控釋的目的。Gu等制備了海藻酸鈉/κ-卡拉膠微囊，模擬腸胃條件下包封和釋放卵黃免疫球蛋白的特性。根據(jù)對其電學(xué)和微結(jié)構(gòu)特性的測量，發(fā)現(xiàn)復(fù)合珠內(nèi)部形成了更緊密的生物聚合物網(wǎng)絡(luò)，這有利于對抗腸胃中的降解作用，是親水性免疫球蛋白傳遞系統(tǒng)的有效載體。Olayemi 等以油莎草淀粉與海藻酸鈉為主要囊皮材料，采用離子化凝膠法制備了布洛芬微囊，包封率為46.05%～89.86%。結(jié)果表明油莎草淀粉與海藻酸鈉的共混物具有維持布洛芬釋放的作用，特別是用于低濃度藥物的釋放。海藻酸鈉作為腫瘤藥物靶向載體的研究也逐漸增多。例如，Cirone 等用海藻酸鈉/聚賴氨酸/海藻酸鈉微囊對進(jìn)行過基因改造的非自體小鼠成肌細(xì)胞進(jìn)行免疫保護(hù)，以分泌具有抗腫瘤特性的白細(xì)胞介素-2。結(jié)果表明所制備的微囊能夠靶向表達(dá)HER-2/neu 的腫瘤細(xì)胞，抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。

4.3 包封精油

目前包封精油的常用材料仍以動物明膠為主。但隨著明膠材料缺點(diǎn)的顯露，以海藻酸鈉作為基質(zhì)的包封材料逐漸受到重視。海藻酸鈉微囊包封精油較常見于食品和煙草方面的應(yīng)用。在食品方面主要是用于制備食品保鮮膜，將包裹了精油的微囊與其他成膜材料共混，然后直接在膜上涂層或通過流延法、吹塑法等制備保鮮膜。利用海藻酸鈉作為包裹精油的壁材，可以控制精油的釋放速率并且有效提高微囊的熱穩(wěn)定性。Li 等利用海藻酸鈉制備了紫蘇精油微囊，能夠有效的延緩精油釋放，所制得的微囊能顯著抑制草莓腐爛，延長草莓貨架期，對多種細(xì)菌均有抑制作用。此外，海藻酸鈉作為煙草精油的包覆壁材時(shí)，由于其獨(dú)特的鈣化性質(zhì)，在捏破時(shí)可發(fā)出輕微聲響、使精油瞬間釋放，備受煙草吸食者的喜愛。

5 結(jié)語

海藻酸鈉特有的M單元、G單元結(jié)構(gòu)為其帶來了獨(dú)特的離子交換性、穩(wěn)定性和pH敏感性等性質(zhì)，使海藻酸鈉可以通過物理交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和酶交聯(lián)等多種交聯(lián)方式形成凝膠，不同的凝膠方式可制備出性質(zhì)多樣、功能特殊的凝膠材料。海藻酸鈉微囊在制備過程中易受到基質(zhì)材料性質(zhì)、交聯(lián)劑和凝固浴等因素的影響，使微囊的機(jī)械性能、球形度、微囊孔隙和微囊尺寸隨之變化，性質(zhì)難以調(diào)控，并且純海藻酸鈉所制得的凝膠與其他多糖相比（如卡拉膠、瓊脂等）強(qiáng)度較弱，由純海藻酸鈉制備的鈣化膜也存在脆性過大、韌性不夠的缺點(diǎn)。此外，海藻酸鈉微囊的制備工藝、復(fù)配配方也尚未成熟，仍需進(jìn)一步改進(jìn)完善。盡管如此，海藻酸鈉微囊技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域中表現(xiàn)出極高的應(yīng)用潛力，如包覆細(xì)胞、藥物和精油等，有良好的細(xì)胞相容性、環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)。

為了促進(jìn)海藻酸鈉微囊技術(shù)的成熟與工業(yè)化，今后的研究方向可集中于以下幾個(gè)方面：①針對純海藻酸鈉微囊的缺點(diǎn)，深化對海藻酸鈉與其他高分子材料的復(fù)配研究，以期得到性能更好的海藻酸鈉微囊；②完善海藻酸鈉微囊內(nèi)容物釋放機(jī)理和成膜機(jī)理，了解囊皮與內(nèi)容物釋放、機(jī)械性能的關(guān)系，針對性地提高囊皮性能，使其能更好地控制內(nèi)容物的釋放；③對現(xiàn)有的微囊生產(chǎn)方法進(jìn)行工藝參數(shù)研究，改進(jìn)微囊的制備工藝，并不斷開發(fā)新工藝，使生產(chǎn)過程更容易控制，產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定。目前，國內(nèi)對海藻酸鈉微囊的技術(shù)研究和生產(chǎn)應(yīng)用與國外相比還存在著較大差距，還需要進(jìn)一步的深入研究和發(fā)展。同時(shí)，海藻酸鈉等植物微囊完全替代明膠膠囊還需要較長時(shí)間的研究改進(jìn)。