综述：精油纳米封装：制备、表征及生物医学应用领域的当前趋势与进展综述

《Nano Select》：Nanoencapsulation of Essential Oils: A Review of Current Trends and Advances in Preparation, Characterization, and Biomedical Applications

　　

随着监管层面要求商业产品中淘汰合成添加剂的压力日益增大，多个行业对天然替代品的需求激增。精油（Essential Oils，EOs）因具备多样的生物学活性，已成为合成化合物的极具前景的替代品。作为植物的次级代谢产物，精油包含超过400种芳香成分，主要为单萜、倍半萜及其衍生物。这种复杂的化学构成使精油能够在制药、化妆品、食品及农业领域发挥广泛的功能作用。尽管潜力显著，但精油的实际应用受限于其挥发性、易降解性及有限的水溶性，这些因素共同降低了其稳定性与功效。近年来，纳米封装作为一种提升精油生物利用度的变革性策略受到广泛关注。该技术通过将精油与外界环境压力源隔离并实现控释，从而改善其稳定性与功能表现。本综述全面概述了产精油的植物科属，重点阐释了其关键生物活性成分及相关的治疗特性；进一步探讨了纳米封装技术，包括纳米颗粒体系的高能与低能合成方法；同时分析了纳米封装精油在制药、化妆品、食品及农业产品中的应用，表明其在特定场景下性能优于传统合成制剂。虽然纳米封装已被证实能有效稳定精油制剂，但仍需进一步研究优化相关技术，以实现可持续且可规模化的应用。本综述明确了该领域当前的挑战，并为推动精油纳米封装的发展指明了未来方向。

引言

过去一个世纪，药用植物研究热度持续攀升，其中精油因其广泛的健康效益及作为天然、潜在更安全的合成药物替代品的属性备受关注。精油是复杂的次级代谢产物混合物，主要由萜烯及其衍生物（如单萜、倍半萜）构成，这是其特征性香气与治疗特性的主要来源。大量研究表明，精油具备抗氧化、抗菌、抗病毒、抗炎、镇痛、降血糖及抗癌等多种生物活性，部分场景下表现优于合成对应物。除制药领域外，精油还广泛应用于食品保鲜、化妆品及芳香疗法，凸显了其多功能性与经济价值。然而，其功效存在高度变异性，受植物产地、提取技术及环境条件影响，导致成分与功能的一致性不足。全球精油市场增长显著，2018年估值已超过75.1亿美元，预计复合年增长率（Compound Annual Growth Rate，CAGR）达9%，欧洲、北美及亚太地区是主要增长区域，欧洲食品安全局（European Food Safety Authority，EFSA）与美国食品药品监督管理局（U.S. Food and Drug Administration，FDA）等机构的监管框架推动了生物制品对合成添加剂的替代。尽管应用前景广阔，精油固有的不稳定性、挥发性及较差的水溶性限制了其实际效用，常导致生物活性成分快速降解、货架期缩短及治疗效应不一致。为克服这些局限，近期研究聚焦于纳米封装技术，通过构建保护屏障防止降解并实现活性成分的控释，从而提升精油的生物利用度。

纳米封装体系主要包括纳米颗粒与纳米乳液。纳米颗粒粒径通常在1–1000 nm范围，通过将生物活性成分包埋于均质或非均质基质中实现负载。常见制备工艺包括纳米沉淀法、喷雾干燥法、离子凝胶法及薄膜水化法等。载体材料的选择至关重要，尤其对于人用制剂，理想载体应具备生物相容性、可生物降解、无毒性及商业化可行性，“公认安全（Generally Recognised As Safe，GRAS）”认证是筛选合适材料的重要参考标准。纳米技术的进步也凸显了纳米乳液在改善精油理化性质方面的潜力，这类体系由分散于连续相中的纳米级液滴构成，具备透明性与动力学稳定性。高压均质（High-Pressure Homogenization，HPH）、微流化及超声处理等高能方法是制备纳米乳液的常用手段；而随着可持续发展理念的推进，自发乳化、相转变温度（Phase Inversion Temperature，PIT）及乳液反转点（Emulsion Inversion Point，EIP）等低能技术因可利用表面活性剂、助表面活性剂及辅料的固有性质实现乳化，显著降低能耗，正获得越来越多的关注。综上，纳米封装已成为精油领域的关键变革性技术，严格的监管框架、消费者对天然可持续产品的需求，以及传统精油制剂的局限性，共同推动了对能够提升稳定性、生物利用度与功能性的先进递送系统的迫切需求，使本综述的主题兼具时效性与科学意义。

精油

药用植物在全球范围内已有数百年用于对抗炎症、发热及疼痛等疾病的历史，世界卫生组织（World Health Organization，WHO）估计，全球70%–95%的人口将草药作为主要医疗来源。自上世纪以来，研究者致力于阐明这些植物的治疗机制，拓展了研究边界。如前所述，精油是从植物不同部位提取的次级代谢产物，含有多样的生物活性成分，其组成受生长条件、产地及提取方式影响较大，目前已鉴定出超过3000种不同的精油，具备抗氧化、抗菌、抗真菌、抗病毒、抗炎、抗肿瘤、抗神经退行性变等多种特性。但其固有的挥发性、低水溶性及易降解性常限制原料形态下的功效发挥，因此稳定性提升技术的开发至关重要，这对充分挖掘工业领域的精油潜力具有重要意义。

精油的化学性质

精油成分通过不同的生物合成途径产生，源于不同的初级代谢前体，主要分为两大类：萜类化合物（占比最高）与非萜类化合物（主要为苯丙素类）。这些成分为烃类及其含氧衍生物，涵盖醛、酮、醇、氧化物、酯、胺、酰胺、酚、氮硫化合物及杂环等多种化学类别。萜烯作为精油的主要成分，根据核心结构中C₅结构单元的数量可分为半萜（C₅H₈）、单萜（C₁₀H₁₆）、倍半萜（C₁₅H₂₄）、二萜（C₂₀H₃₂）、三萜（C₃₀H₄₈）及四萜或类胡萝卜素（C₄₀H₆₄）。其中单萜与倍半萜是精油中含量最丰富的萜类，文献中已记载数千种萜烯，与其药理学重要性直接相关。

精油提取

提取技术的选择需谨慎平衡挥发性生物活性成分的完整性与出油率。主要提取方法包括水蒸馏法、蒸汽蒸馏法、扩散提取法、溶剂提取法、压榨法及微波辅助提取法等，不同方法在效率、选择性及热应力方面各有差异。水蒸馏与蒸汽蒸馏等传统热法因操作简单且符合监管要求，仍是工业中最常用的手段，但长时间高温与水暴露会促进水解、氧化及低分子量成分挥发，选择性改变提取油的成分平衡，进而影响纳米封装效率与胶体稳定性，尤其当界面活性、氢键或次要成分间的协同作用对体系稳定起关键作用时更为明显。蒸汽蒸馏虽通常比水蒸馏能耗更高，但传质效率更好，植物原料与沸水直接接触更少，往往能获得更高得率并对挥发性成分有更好的保留；不过两种方法均可能因植物含水量、粒径及停留时间的差异导致批次间波动，给下游纳米封装的配方重现性带来挑战，这对操作窗口窄、对油极性及萜烯分布变化敏感的低能纳米乳液法尤为关键。溶剂提取适用于花等娇嫩植物组织，采用丙酮、己烷或甲醇等溶剂，但可能共萃其他脂溶性化合物，降低产品纯度。微波辅助与超声辅助等非传统提取技术因能减少提取时间与热降解并提升得率，正获得越来越多的关注，其依赖快速能量传递与细胞破壁，可提高热敏成分的回收率，但这些方法对氧化状态、微量成分完整性及大规模生产重现性的影响尚未得到充分表征，且关联提取方法与纳米封装行为的系统性研究仍较为匮乏。总体而言，不存在通用的“最优”提取技术，选择需结合植物来源、目标成分的热敏感性、预期用途，以及在得率、纯度与生物活性保留之间的平衡需求。

产精油植物科属

精油的植物起源决定了其化学成分、主导官能团及理化行为，进而影响其挥发性、生物活性及与纳米封装策略的兼容性。尽管众多植物科属均可产精油，但仅少数科贡献了制药、化妆品、食品及农业领域所用的大部分精油。从纳米封装视角看，植物科属的相关性不仅在于分类学归属，更在于特定萜烯亚类、酚类物质含量及含氧化合物的丰度，这些成分既决定功效，也影响制剂稳定性。唇形科（Lamiaceae）是研究最深入、工业应用最广的精油来源之一，包含约236属7200种，百里香（Thymus vulgaris）、牛至（Origanum vulgare）及迷迭香（Rosmarinus officinalis）等物种来源的精油通常富含酚类单萜（如百里香酚与香芹酚），具备强抗菌与抗氧化活性，但这些成分挥发性与化学反应性高，游离状态下极易快速降解，因此唇形科精油特别适合纳米封装——包封可降低挥发性、延长货架期并实现控释，同时保持生物功效。桃金娘科（Myrtaceae）包含121属3800–5800种木本灌木或乔木，是另一大类商业化价值显著的精油来源，桉属（Eucalyptus）、白千层属（Melaleuca）及蒲桃属（Syzygium）等属的精油以含氧单萜（尤其是1,8-桉叶素）为主，普遍具备强抗菌、抗炎及芳香特性，但水溶性中等且蒸发速度快；在纳米封装体系中，许多桃金娘科精油较均一的化学特征有利于可重现的液滴形成与可预测的界面行为，对规模化纳米乳液生产具有优势，但其高挥发性仍需有效的界面稳定以防止加工与储存过程中的损失。樟科（Lauraceae）植物（如肉桂属Cinnamomum与月桂属Laurus）来源的精油则以较高比例的苯丙素类与倍半萜类化合物为特征，这类成分分子量更高、挥发性低于单萜，但化学反应性更强，可能导致感官不稳定与氧化降解；从纳米封装角度看，樟科精油在聚合物或脂质基载体中往往表现出更好的保留率，但其强生物效价与潜在细胞毒性要求对释放动力学与剂量进行精准控制。跨科比较显示，以含氧单萜与酚类化合物为主的精油因挥发性与不稳定性，对纳米封装的需求最为迫切；而以重质芳香成分为主的精油则主要从控释与降低刺激性中获益，这凸显了将植物科属选择与预期应用及封装策略相匹配的重要性。此外，同一物种内精油成分的自然变异（源于地理起源、栽培条件与采收时间）仍是配方重现性的主要挑战，强调需要整合植物学、化学与制剂表征工作。综上，植物科属分类为预测精油在纳米封装过程中的行为提供了有用框架，但实际应用需综合化学成分、生物活性及理化兼容性分析，未来研究应优先开展跨科属的系统比较，将成分趋势与封装效率、载体选择及长期稳定性关联，而非孤立依赖特定科属的案例研究。

健康、环境与伦理考量

精油具备多种益处，其治疗特性可改善身心健康，如提升情绪、减轻压力、促进自我表达及改善睡眠。由于挥发性油提取自植物部位，其对环境的安全性较高，有望减少工业生产中石化原料与合成化合物的使用。但有研究指出，直到19世纪天然香料仍以植物源化合物与动物源提取物为主，这几乎导致相关动物物种濒临灭绝，因此无论是植物还是动物资源，负责任地采购以避免原料枯竭至关重要，相关研究有待拓展。尽管多数消费者认为天然精油是安全的，但误用仍可能导致不良反应，包括皮肤与黏膜刺激、过敏反应（如香叶醇、新铃兰醛（hydroxyisohexyl 3-cyclohexene carboxaldehyde，HICC）、柠檬烯常引发的红肿、肿胀及接触性皮炎），以及过量吸入导致的呼吸障碍。因此制造商需在香料标签上明确标注可能的过敏原以提升透明度。除精油本身的安全性外，纳米载体的长期安全性也需审慎评估：壳聚糖、海藻酸钠、普鲁兰多糖及淀粉等生物聚合物载体通常被认为具有生物相容性，且在许多食品应用中持有GRAS地位，但其分子量、交联度及降解动力学可能影响黏膜刺激性、免疫原性及降解产物的归趋；聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）、聚己内酯（Polycaprolactone，PCL）及聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA）等合成聚酯因可生物降解，广泛用于注射给药，但反复或高剂量施用纳米颗粒可能在完全清除前短暂蓄积于肝脏与脾脏；吐温类等表面活性剂与短链醇等助溶剂虽已有既定的每日允许摄入量，但高浓度下可能导致胃肠道刺激或膜通透性改变。从纳米毒理学角度看，核心议题包括生物分布与组织蓄积、细胞摄取途径，以及治疗收益与潜在氧化应激或炎症反应诱导之间的平衡。粒径、表面电荷及疏水性强烈影响经肠道、呼吸道及皮肤屏障的摄取，以及被单核吞噬细胞系统的隔离。尽管大多数纳米封装精油的研究报告了良好的体外与动物模型短期安全性，但针对口服与吸入途径的慢性暴露、生殖毒性及免疫毒性的系统性研究仍十分有限。在化妆品领域，国际化妆品原料名称（International Nomenclature of Cosmetic Ingredients，INCI）清单已关联超过350种潜在“天然”化合物与毒性，其中50余种被列为致癌与致突变物，因此国际香料协会（International Fragrance Association，IFRA）应运而生，负责确定精油中的潜在过敏原并制定其安全阈值。

讨论

尽管近期研究结果揭示了精油的诸多潜在应用，但也凸显了共性问题：少数研究能提供精油直接有效性的强证据。例如研究者指出，百里香精油易快速挥发，而封装可增强其生物活性。即使源自同一植物物种，精油中生物活性成分的浓度也常存在显著差异，这种不一致性源于地理起源、栽培条件、采收时间及提取方法的差异，导致配方重现性复杂化，显著影响精油基产品的功效。解决这一问题需要建立标准化的植物栽培与精油提取规程，以及稳健的分析技术以确保批次间精油成分的一致性。这种自然变异可能影响所得精油的有效性，使配方复现困难。总体而言，要充分挖掘精油的益处，尤其是在传统医学中未被充分探索的植物物种方面，仍需取得进展。目前关于同一物种精油成分一致性的报道较少，这表明需要开发优化的提取技术并严格管控植物生长条件。精油的核心挑战仍在于稳定性，这也推动研究者开发纳米封装等新方法来提升其工业应用潜力。

纳米封装

封装是将活性成分包埋于载体材料中的过程，该技术尤其有利于提升精油等活性成分的稳定性，并帮助保留其固有属性。纳米封装生成的颗粒或胶囊粒径处于纳米尺度（1–1000 nm）。尽管精油具备有益特性，但直接使用往往难以发挥其潜力，挥发性等问题限制了其效能。纳米封装体系具有更大的比表面积，可提升生物利用度并实现精油的扩散控释，从而延长生物活性成分的活性持续时间。

原理

纳米封装体系的合成可采用多种路径与化学原理，包括乳化法、凝聚法、离子凝胶法、薄膜水化法等。乳化法涉及两种不混溶液相的分散，其中分散相以液滴形式存在于连续相中，通常分为水包油（Oil-in-Water，O/W）或油包水（Water-in-Oil，W/O）型，取决于两相的分布位置；其中O/W型乳液因水相形成的物理屏障可抵御环境变化，被确定为精油封装的最有效形式，乳化剂（通常为表面活性剂）常被用于降低界面张力、促进液滴破碎，从而优化乳化过程。使用乳化法时需考虑多种失稳机制：絮凝是指液滴因吸引力发生团聚，作为单一整体移动；聚结是指液滴合并形成更大液滴；引入乳化剂可在液滴周围形成吸附层，促进空间相互作用，从而提高排斥势垒，稳定乳液以抵抗絮凝与聚结。奥氏熟化（Ostwald Ripening，OR）源于不同尺寸液滴内溶质的化学势差异，导致分散相从小粒子向大粒子迁移，Lifshitz与Slyozov提出的OR速率理论近似表明，熟化速率与粒径平方成反比（1/d²，d为粒径），这意味着纳米乳液因尺度极小而受该机制影响显著。上浮（Creaming）则由浮力驱动，液滴上升（或沉降过程中下沉）导致相分离，当浮力超过热波动时发生，可通过佩克莱特数（Peclet number，Pe = (μ_cU d²)/(κ_BT)，其中U为液滴上升/下降速度，κ_B为玻尔兹曼常数）进行理论估算；对于纳米乳液，Pe数量级约为10^?4，表明上浮实际可忽略不计。凝聚法以乳化为基础形成O/W乳液，通常先通过超声或均质形成粗乳液，再加入电解质、水不溶性溶剂或脱水剂促进凝聚，也可通过改变温度达到类似效果，连续相中的聚合物析出成膜并聚集形成纳米颗粒。离子凝胶法利用相反电荷离子间的相互作用形成分子内连接：将载体材料溶液在搅拌下加入离子溶液中，随后加入精油等生物活性成分使其溶解于载体溶液，到达离子溶液的液滴瞬间转化为球形凝胶颗粒，之后通过离心将颗粒与溶液分离；聚合物比例、表面活性剂用量、聚合物/交联剂比例及精油含量是决定所需包封率（Encapsulation Efficiency，EE）与目标粒径的关键参数。薄膜水化法用于制备脂质体，将脂质混合物（通常为胆固醇、磷脂酰胆碱或大豆卵磷脂）溶于有机溶剂后低压蒸发，得到干燥的薄脂质膜，再用缓冲液水化并结合搅拌等机械能，自发形成多层脂质体囊泡；该方法的显著缺点包括稳定性低、粒径分布宽，需额外处理步骤，增加了生产成本。

稳定性参数

在精油纳米封装语境下，稳定性指制剂在特定储存条件下随时间保持物理、化学与生物完整性的能力，包括活性成分的保留、化学降解的防止，以及粒径、均一性、ζ电位等期望理化特征的维持，这些对功效与安全的一致性至关重要。尽管FDA尚无专门针对“封装精油”的指南，但其属于药物或植物制剂稳定性通用监管范畴（CFR—联邦法规法典第21篇）。要使纳米颗粒在实际应用中有效，必须具备稳定性，这取决于平均粒径与分布、多分散指数（Polydispersity Index，PDI）及ζ电位等参数。在纳米乳液体系中，制剂由连续相、分散相组成，并由表面活性剂稳定，体系的稳定性高度依赖于各组分成分的理化性质。表面活性剂的电学特性对胶体体系的成核与稳定性起关键作用，直接决定表面活性剂极性头基与周围水介质的相互作用机制：非离子表面活性剂通过偶极-偶极作用、水合层的氢键作用及空间排斥力实现稳定；离子表面活性剂则额外通过静电相互作用获得稳定性。尽管如此，非离子表面活性剂因可接受性高、毒理学谱宽（尤其适用于口服给药），通常是首选；且其已被证实能降低表面张力并促进快速吸附动力学，在微乳液（Microemulsions，MEs）与纳米乳液（Nanoemulsions，NEs）的制备中表现优异，其结构构型也有助于形成空间位阻屏障——庞大的分子基团朝向连续相，提升胶体稳定性。吐温80与吐温20是精油制剂中最常用的两种聚山梨酯，可有效改善纳米乳液的稳定性、粒径分布及PDI值，通常需要10%–15%的含量以稳定纳米乳液液滴的高比表面积。油相作为生物活性精油的载体，是影响胶体稳定性的另一关键因素，密度、黏度、极性、界面张力及折射率等理化性质已被广泛研究，以确定提升精油长期稳定性与生物利用度的最佳条件与组成。油水比对液滴尺寸有显著影响，且由于油相同时含有亲水与亲脂分子，液滴稳定性取决于油的溶解度，而溶解度又受油混合物中水溶性成分与亲脂成分比例的影响。高浓度水溶性成分会促进奥氏熟化，这是纳米乳液不稳定的主要原因；奥氏熟化指小油滴收缩、大油滴长大的现象，最终导致平均液滴尺寸逐渐增加并最终相分离，由于小液滴曲率更高（拉普拉斯压力更高），其溶解度更大，油分子从小液滴溶解进入水相，再扩散并沉积到更大、更稳定的液滴上，油在水中的溶解度会加速这一过程，而当纳米乳液由非