甲基丁香酚微囊制备的微囊化工艺优化及其对燕麦镰刀菌的抑菌效果研究

《Food Chemistry》：Optimization of microencapsulation process for the fabrication of methyleugenol microcapsules and investigation of their antifungal effects on Fusarium avenaceum

　　•甲基丁香酚通过超声辅助微囊化方法被包封。•该方法实现了较高的产率和包封效率。•甲基丁香酚微囊具有良好的热稳定性和缓释能力。•这类微囊对燕麦镰刀菌具有显著的抗真菌活性。

引言
镰刀菌是一种普遍存在的植物病原真菌，会侵害多种经济作物，包括谷物（Moonjely等人，2023）、马铃薯（Zhang、Shi等人，2025）以及药用植物（Cheng等人，2025），从而导致全球范围内的产量和品质下降，对农业构成严重威胁。燕麦镰刀菌可引发多种植物病害，如大豆根腐病（Zhang等人，2024）、燕麦穗枯病（Chen等人，2024）以及台湾刺柏枝枯病（Zhang、Gu等人，2025）。值得注意的是，镰刀菌属真菌对茄科作物构成了重大的植物病理学威胁，其致病性极强，且目前可行的控制方法较为有限（Jackson等人，2024）。此外，镰刀菌属还会产生多种次生代谢毒素，如伏马菌素、镰刀菌素、玉米赤霉烯酮和脱氧雪腐镰刀菌烯醇，这些毒素可通过食物链危害人类和动物的健康（Munkvold等人，2021）。目前，三唑类（Kumar等人，2025）、苯并咪唑类（Heneberg等人，2018）以及甾醇类（Li等人，2025）等化学杀菌剂是控制镰刀菌的主要手段。然而，长期过度使用化学杀菌剂可能导致真菌产生抗药性，同时增加残留问题，从而威胁生态系统以及人类和牲畜的健康（Kaushik等人，2025）。因此，寻找兼具高效性与环境友好性的新型杀菌剂已成为当务之急，这对可持续农业和粮食安全具有重要意义。植物次生代谢产物具有天然的抗真菌活性，为开发新型植物源杀菌剂提供了新机遇——与传统化学杀菌剂相比，这类杀菌剂更具高效性、安全性、无毒性且更环保（Walia等人，2017）。

甲基丁香酚（4-烯丙基-1,2-二甲氧基苯，ME）是一种天然苯丙素类化合物，其结构与丁香酚相似，二者均源自苯丙烷骨架（Yang等人，2024）。这种化合物广泛存在于多种植物中，在丁香、肉桂、胡椒等芳香草本及香料作物中的含量尤其高（Kuang等人，2023）。现代药理学研究显示，甲基丁香酚具有抗氧化、抗肿瘤和抗过敏作用，尤其是抗真菌活性极为显著（De Sousa等人，2024）。从结构上看，与肉桂醇、丁香酚以及其他含有羟基（–OH）的天然抗真菌物质不同，甲基丁香酚在其分子结构的4位上带有甲氧基（–OCH3）（Luo等人，2024；Niu等人，2025）。这一结构特征使得甲基丁香酚具有更强的化学稳定性、较低的挥发性以及更高的亲脂性，这不仅有助于其有效穿透微生物细胞膜发挥抗真菌作用，还能避免活性成分过快释放和降解（Lieu等人，2026）。此外，与传统依赖氧化应激或单一靶点破坏细胞膜的抗真菌剂不同，甲基丁香酚通过独特的双重机制发挥作用，即同时抑制群体感应信号传导并破坏细胞膜，从而实现协同的抗真菌效果（Ren等人，2024）。它被认为是一种具有良好发展前景的环境友好型微生物活性抑制剂，有望用于控制由镰刀菌属引起的植物病害。不过，由于自身的物理特性，这种化合物的实际应用受到限制。尽管其化学稳定性较好，但高挥发性会导致活性成分迅速流失，这不仅会缩短其香气持续时间，还会显著降低其抗真菌、杀虫等生物活性（Xiao等人，2024）。

微囊化技术是一种先进的技术，通过将生物活性物质封装在微小的胶囊中，从而提升其稳定性和水溶性（Chen等人，2025）。该技术具有控释、掩盖味道以及有效保护核心物质等优点，因此在食品保存、药物制剂、化妆品研发以及化工生产等多个领域都具有广阔的应用前景（Zhong等人，2025）。Qiang等人（2024）曾使用羟丙基-β-环糊精作为壁材制备姜黄精油微囊，在30–300℃的温度范围内，这些微囊的质量损失仅仅为9.33%。通过明胶/羧甲基纤维素复合凝聚法，所开发的细菌递送系统成功实现了益生菌的肠道定向递送，在模拟胃液环境中，微囊化细胞的存活率高达83.64%（Xu等人，2025）。海藻酸钠因其出色的化学惰性、pH响应特性以及强大的凝胶形成能力，被视为一种极具潜力的微囊化生物聚合物（Voli?等人，2018）。通过将海藻酸钠与其他生物聚合物结合，其性能还可进一步提升（Bel??ak-Cvitanovi?等人，2015）。大豆蛋白分离物因其可生物降解、无细胞毒性、高温稳定性好、具有油结合能力以及乳化性能，被用作增强海藻酸钠载体功能，用于包封药物、植物提取物和益生菌（Gholivand等人，2025）。这种增强效应源于酸性条件下大豆蛋白分离物与海藻酸钠之间的静电络合：大豆蛋白分离物的疏水基团嵌入油相，其乳化能力和高温稳定性可补充海藻酸钠的凝胶形成能力，而海藻酸钠的亲水基团则伸入水相，形成稳定的界面层，从而显著提升载体的机械强度、包封效率以及控释性能（Yang等人，2026）。超声辅助微囊化方法通过超声机械作用和空化效应增强核心物质与壁材之间的相互作用，提高乳液稳定性，进而生成更小、更均匀且包封效率更高的微囊（Song等人，2025；Tian等人，2021）。

在本研究中，研究人员利用大豆蛋白分离物和海藻酸钠，通过超声辅助微囊化方法制备了甲基丁香酚微囊。研究过程中采用了Plackett–Burman设计与Box–Behnken设计相结合的方法对微囊化工艺进行优化。随后，通过傅里叶变换红外光谱、热重分析、X射线衍射、粒度分布分析以及扫描电子显微镜等技术，对微囊的化学结构、热稳定性及形态特征进行了表征。此外，还测试了这些微囊的缓释性能，并评估了其对燕麦镰刀菌的抗真菌活性。

材料与化学品
大豆蛋白分离物（蛋白质含量≥90%，干基）和海藻酸钠（在水中的浓度为1% w/v，25℃时粘度≥20 mPa·s）购自中国上海的源恩生物科技有限公司。甲基丁香酚购自中国上海的阿拉丁公司。琼脂粉由北京奥博星生物科技有限公司提供，其他分析级化学品则由中国广东的西龙科技有限公司供应。

甲基丁香酚微囊制备工艺的优化
甲基丁香酚微囊的制备遵循Voli?等人（2018）的方法。

通过Plackett–Burman设计筛选关键参数
Plackett–Burman设计能够有效识别出在甲基丁香酚微囊制备过程中对产率和包封效率有显著影响的因素，从而为后续的优化实验奠定基础。通过对所有Plackett–Burman设计实验数据进行分析，研究人员建立了描述各因素与产率及包封效率之间关系的数学方程：
Y1=87.09+2.26A+1.30B+1.52C+0.33D+0.30E+0.03F+1.82G
Y2=66.86+3.29A+1.76B+2.18C+0.32D+0.49E?

结论
本研究通过超声辅助微囊化方法，以大豆蛋白分离物和海藻酸钠作为壁材，成功制备出了甲基丁香酚微囊。通过Box–Behnken设计，确定了最佳的微囊化条件：芯材与壁材的比例为0.2，壁材浓度为1.9 wt%，大豆蛋白分离物与海藻酸钠的比例为3.9，超声功率为420 W，超声处理时间为60分钟，复合凝聚反应的pH值为4.5，CaCl2的添加量为1.8克。微囊化处理显著提升了甲基丁香酚的热稳定性。

CRediT作者贡献说明
唐静怡：撰写原文初稿、实验研究、数据整理。廖海斌：方法设计、实验研究、数据整理。傅学琴：项目监督、资源协调。谢永红：结果验证、实验研究。邹正荣：文章审阅与编辑、项目监督、方法设计、实验研究。刘在志：文章审阅与编辑、项目监督、方法设计、概念构思。

未引用参考文献
Flores和Kong，2017

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：32360716、31860189、31760099）以及江西省自然科学基金（项目编号：20262BAC240133）的资助。

唐静怡|廖海斌|傅学琴|谢永红|邹正荣|刘在志