芳香化合物控释技术新进展：从传统包封到静电纺丝

《Current Research in Food Science》：Recent Advances in Technologies for the Controlled Release of Aromatic Compounds: From Encapsulation to Electrospinning

　　

植物芳香化合物（plant aromatic compounds）是具有生物、抗菌、功能及感官特性的分子；除具有期望的香气和风味外，还能有效改善包括食品、制药和化妆-保健行业在内的各行业产品质量与可接受性。然而，由于其低分子量、挥发性和敏感性，这些芳香化合物在加工和贮藏过程中易受空气、光、水分和热等环境因素影响而发生蒸发和氧化。本综述全面分析传统包封（encapsulation）技术与新兴电液动力（electrohydrodynamic）方法，尤其是静电纺丝（electrospinning）的比较。静电纺丝能够制备具有高表面积-体积比、互连孔隙率和纳米级特征的纤维材料，从而增强化合物保护、生物利用度（bioavailability）和释放控制。该技术在食品系统中应用前景广阔，因为其能够在保持风味化合物功能完整性的同时实现有效包埋。最后，本综述强调每种方法的优势、局限性和未来展望，重点指出静电纺丝推动功能性食品创新并将其应用拓展至制药、化妆品和健康等领域的潜力。

研究背景与意义：植物芳香化合物（plant aromatic compounds）具有生物、抗菌、功能及感官特性，可用于食品、制药、化妆品-保健行业。但其低分子量、挥发性和敏感性使其在加工与贮藏中易受空气、光、水分和热影响而蒸发、氧化。传统包封（encapsulation，将活性物包埋于壁材中形成递送系统的技术）可保护风味，但喷雾干燥、冷冻干燥、凝聚等存在高温、粒径控制差、壁材受限、释放不可控等问题。因此研究人员开展综述，比较传统包封与新兴电液动力（electrohydrodynamic）方法，尤其静电纺丝（electrospinning，利用高压电场将聚合物溶液拉伸为纳米/微米纤维的技术），以评价其对芳香化合物稳定性、生物利用度和控释的影响。

方法概括：研究人员检索Scopus、Web of Science、ScienceDirect、PubMed于2015—2025年文献，关键词包括“encapsulation”“electrospinning”“aromatic compounds”“flavor compounds”“volatile compounds”“controlled release”。纳入依据包封过程类型、壁材性质、释放行为和工业适用性；排除信息不足或与食品系统无关研究。重点比较喷雾干燥、冷冻干燥、喷雾冷却、凝聚与电纺体系、释放机制及食品应用。无样本队列来源。

研究结果：
1 Introduction：风味（flavor）是食品感官总体感知，香气（aroma）为嗅觉气味；芳香化合物包括酚类、萜类、醇、酯、酮、吡嗪等，具抗氧化等特性。挥发性化合物易在加工贮藏中降解，因此维持风味稳定性重要。
2 Definition and Classification of Conventional Encapsulation Methods：包封可分类为物理化学、物理机械、化学和电液动力法；释放受壁材、芯材、粒径、分子量和食品基质溶解度影响。没有普遍最优方法，选择取决于活性物、载体和应用。
2.1 Spray-Drying Method：喷雾干燥（spray drying）成本低、可放大，实例显示蓝莓花青素、草莓风味和精油可被包封；但高温导致香气损失，低分子挥发物保留可低至20%，结果受壁材、芯壁比和条件影响，且多为实验室规模。
2.2 Spray-Chilling and Freeze-Drying Method：喷雾冷却（spray chilling）使用34–42 °C冷却室和脂质壁材，适合热敏风味但限脂质载体；冷冻干燥（freeze drying）低温保护热敏物，但能耗高、时间长。Lee et al.的洋甘菊研究显示冷冻干燥保留总多酚更好，但包封效率约84%，低于对流喷雾干燥约90%。
2.3 Coacervation Method：凝聚（coacervation）通过壁材沉积形成微/纳米胶囊，可包封亲水和疏水风味，效率可达97%，但pH、离子强度、聚合物分子量等控制困难，预测模型有限。
2.4 Selection of wall materials based on conventional methods of encapsulating aromatic compounds：壁材性能取决于理化性质、包封技术和芳香物。多糖成膜、溶解性好，蛋白乳化性高；麦芽糊精（maltodextrin）溶解高但乳化有限，阿拉伯胶（gum arabic）保护挥发物，乳清蛋白和酪蛋白酸盐抗氧化但成本与相互作用限制应用。
2.4.1 Wall Materials in Spray Drying：麦芽糊精30%时风味保留84%；阿拉伯胶需与麦芽糊精复配改善薰衣草和薄荷油热保护。壁材需高水溶性、低粘度和高乳化性，否则高温加速降解。
2.4.2 Wall Materials in Freeze Drying and Spray-Chilling：冷冻干燥形成多孔结构，可提高挥发物保留但增加氧化敏感性；脂质壁材通过疏水相互作用提高货架期并减少过早释放。
2.4.3 Wall Materials in Coacervation：明胶和阿拉伯胶常用；柠檬醛精油明胶微胶囊改善桃子稳定性和货架期；藻酸盐芳香珠包封效率97%，粒径<1000 μm，球形，经GC-MS分析；但pH和离子强度敏感。
3 Electrospinning as a Novel Encapsulation Method：电纺制备纳米至微米纤维，具高表面积-体积比、互连孔隙，温和条件减少热化学降解。乳液电纺和同轴电纺可形成核壳（core-shell）结构，减少突释，壳厚度、流速比、疏水性和界面相容性调节释放；但规模化、溶剂和参数敏感性挑战。
3.1 Food-Grade Nanofibers as Carriers of Plant Extracts：食品级生物聚合物各有优劣。表2研究显示百里香/普鲁兰-乳清蛋白同轴电纺EE 87%，丁香/淀粉乳液电喷EE 90%，橄榄叶/杏仁胶-明胶EE 90%，藏红花/明胶电纺优于冻干，形态光滑均匀且热稳定性提高。
3.1.1 Solvent Systems for Food-Grade Electrospinning：氟化溶剂、氯仿、DMF等因毒性限制食品应用；水、乙酸、超临界流体、离子液体和低共熔溶剂（DESs）受关注，但各有局限，NADESs可溶解极性和非极性物并保护氧化敏感物，食品级溶剂仍是重点。
3.1.2 Residual Solvent Analysis and Safety：GC-MS、HPLC、LC-HRMS、FTIR、Raman、NIR可检测残留溶剂和降解产物，并需重复剂量口服毒性研究评估长期消费风险。
3.1.3 Food-Grade Polymers for Electrospinning Applications：多糖如纤维素、壳聚糖、普鲁兰、葡聚糖、淀粉、海藻酸盐、果胶可掩蔽不良感官；淀粉电纺包封百里香精油EE 99%；CMC-明胶包封广藿香油延长虾货架期；PVA/岩藻多糖包封益生菌提高热稳定性和抗氧化。蛋白如玉米醇溶蛋白、乳清蛋白、大豆分离蛋白和鱼肌浆蛋白，但球状蛋白电纺困难。
3.1.4 Safety, Regulatory, and Consumer Considerations：GRAS并不自动涵盖电纺纳米纤维；需评估胃肠道命运、长期毒性和细胞毒性。电纺可掩蔽不良味道气味，控释改善风味和消费者接受。
3.2 Key Parameters Influencing Electrospinning and Nanofiber Properties：参数分聚合物溶液、工艺和环境三类，影响射流稳定、形态、包封效率和释放。即使小变化也改变释放动力学。
3.2.1 Polymer Solution Properties：分子量、浓度、粘度、表面张力、电导率和溶剂挥发性影响纤维直径和释放；高分子量/浓度/粘度增加链缠结，释放减慢。
3.2.2 Process Parameters (Machine-Related)：电压、流速、针头-收集器距离、针径、收集器类型影响纤维直径、孔隙和释放；优化电压流速可得更细纤维并加速释放。
3.2.3 Environmental Conditions：温度、湿度和气压影响纤维形态；高湿常增加孔隙和突释倾向。
3-4 Controlled Release of Aromatic Plant Compounds via Electrospinning Technology：刺激响应电纺系统通过溶胀、降解、结构变化或非共价作用破坏响应光、pH、温度、湿度等，实现靶向释放；酶响应系统可用于食品保鲜。表4显示温度湿度加速释放，光和pH改变释放模式。
4 Migration and Controlled Release of Bioactive Aromatic Compounds in Food Systems：芳香物向食品基质迁移影响抗菌抗氧化效能。电纺纳米纤维比常规微/纳米胶囊更持续可控。释放机制包括扩散、溶胀、聚合物链松弛和结构破坏。数学模型包括零级、一级、Higuchi、Korsmeyer–Peppas和Ritger–Peppas；Korsmeyer–Peppas中n<0.45为准Fickian，n=0.45为Fickian，0.455 Comparison of Classical Encapsulation with Electrospinning：比较显示选择应依应用而定。电纺在控释、保护挥发物和纳米纤维方面有优势，适合高值功能配料；传统技术适合大规模、成熟设施和低成本。电纺应视为互补而非普适替代。藏红花电纺优于冻干；百里香凝聚EE约65%，电纺EE 87%。
6 Flavor Application in Food Industries：包封风味用于零食、饮料、乳制品；电纺改善难溶油提取物溶解、稳定性和控释。
6.1 Application of electrospun fibers containing volatile aromatic compounds in the food industry：PVA/月桂和迷迭香精油鸡胸肉减少脂质氧化68%；明胶/壳聚糖百里香精油无喷嘴电纺用于香肠，具抗产气荚膜梭菌活性且不影响感官；薰衣草精油纳米纤维延长羊肉；PCL/柠檬精油/Cr(III)-MOF红肉延长18天；葡萄籽油纳米纤维涂层鱼；肉桂精油/β-CD/PLA和肉桂精油/β-CD蛋白脂质体/PEO用于猪肉牛肉，抗菌延长货架期。
7 Future Perspectives：需在真实食品基质验证，建立预测模型和计算/机器学习优化，解决商业化成本、规模化、绿色溶剂、法规安全和感官消费者接受。
8 Conclusion：本综述表明风味包封有效性不仅取决于包封效率，还取决于风味化合物、载体材料、加工条件与预期食品应用的兼容性。选择方法需理解传统与新兴技术优劣。传统技术有成本和规模优势，但释放控制有限、粒径不均、壁材受限。电纺可在常温制备可调纤维，保护风味免受热、光、化学降解，并实现食品系统中特定靶点控释，但面临低产量、溶剂选择有限和放大困难。未来应开发新型、可持续、健康导向食品和绿色溶剂系统，并研究食品基质中的释放行为以促进工业化和营养应用。