精油、香料这类挥发性物质，在食品、化妆品和日化产品中随处可见，但普遍存在易挥发、难留存的问题。玫瑰精油、迷迭香油一旦暴露在空气中，短短几个小时就可能散失殆尽。如何实现对这些活性成分的有效封装与可控释放，成为亟待解决的技术问题。

来自浙江大学陈东课题组与四川中烟的合作研究，提出了一套系统的解决方案：利用微流控技术，制备出具有多孔海藻酸钠外壳的核壳结构毫米级胶囊，实现了对挥发性脂溶性活性成分的高效封装与持续释放。该成果发表于胶体与界面科学领域期刊 Colloids and Surfaces A。

一. 胶囊的制备方法

研究团队采用的策略可以概括为三步（图1a）：首先，以含有精油的GTCC油（辛酸癸酸甘油三酯）作为内相，海藻酸钠水溶液作为外相，分别由注射泵推入微流控器件的同轴通道；两相在喷嘴处汇合，形成"气包水包油"双乳液液滴；液滴滴入含CaCl₂的凝固浴中，Ca²⁺离子扩散进入海藻酸钠壳层引发交联固化，形成稳定的湿态胶囊；最后经室温干燥和乙醇清洗，得到干态毫米胶囊。干燥后的胶囊平均直径约3.2 mm，单分散性好，尺寸处于毫米级，便于直接观察和操作。

一个关键的设计在于相图的构建（图1c）。研究团队以内相流速（Q_in）和外相流速（Q_out）为坐标，系统绘制了单核胶囊的形成相图：只有当内外相流速接近时，才能获得形貌规整的单核胶囊；内相过快则外相无法稳定包裹油核，内相过慢则油核被剪切为卫星液滴。该相图为操作参数的选择提供了直接依据——根据目标胶囊结构，即可查询对应的流速组合。

图1 用于缓释香精的核壳结构毫米级胶囊设计与制备。(a) 滴落式微流控装置制备核壳毫米级胶囊的全过程；(b) 干燥后毫米级胶囊实物照片；(c) 以内相、外相流量为变量绘制的核壳毫米级胶囊成型相图。

二. "器件-工艺-性能"的全链条调控

胶囊的可控制备已有成熟方法，关键在于对其结构参数的精确调控。研究团队定义了三个核心无量纲参数来描述胶囊品质：核壳体积比（d³/D³）、最小壳厚与核径之比（h/d）、以及居中率（h/H，即最小壳厚与最大壳厚之比）。其中，居中率等于1意味着油核完美居中，小于1则表示油核偏心——这直接决定了胶囊的机械强度是否均匀。

器件几何的影响

研究系统考察了外喷嘴厚度、内外喷嘴距离和通道放大比例三个几何参数（图2）。外喷嘴增厚会导致胶囊整体尺寸增大（因为润湿周长增加、界面张力托举力增强），但核壳体积比不受影响；内外喷嘴距离存在一个最优值，过近或过远都会降低居中率和强度；通道等比放大可以增大胶囊尺寸，但居中率会逐渐下降。值得注意的是，当外喷嘴厚度增加时，最优喷嘴距离也随之向内喷嘴伸出的方向偏移，该规律为器件结构的定制化设计提供了参考。

图2 各实验参数对毫米级胶囊性能的影响规律研究。(a) 示意图：外喷嘴壁厚、内外喷嘴间距、核 - 胶囊体积比、最小壳厚 / 核径比、同心度的参数定义；(b) 外喷嘴壁厚、(c) 内外喷嘴间距、(d) 通道尺寸放大比例、(e) 海藻酸钠浓度分别对核径、胶囊外径、核壳体积比、最小壳厚 / 核径比、破裂强度的影响。无特殊说明时，数据为平均值 ± 标准差（样本数 n≥10）；无特殊说明时，破裂强度仅采用干燥毫米胶囊测试。(f) 海藻酸钠粘度随浓度的变化规律，以及不同粘度下流体的颈缩行为。默认实验条件：内相流量 0.4 mL/min，外相流量 0.6 mL/min，外相为质量分数 2% 海藻酸钠水溶液。

流速对胶囊结构的影响

流速对胶囊结构的影响规律十分清晰（图3）。增大内相流速会使核径、胶囊径和核壳体积比同步增大，但平均壳厚减薄，导致强度下降；增大外相流速则效果相反——核径缩小、壳厚增加、强度略有提升。而一个对实际生产很有价值的发现是：当内外相流速等比例增大时，胶囊的各项结构参数和强度几乎不变，但产量同步提高。这意味着在保持品质的前提下，可以通过同步放大流速来提升制备效率。

此外，海藻酸钠浓度对胶囊性能也有显著影响。浓度从1%提高到2.5%时，溶液粘度增加，液滴断裂变难，胶囊尺寸增大，同时油核的居中率和壳厚均匀性持续改善。研究还发现，向海藻酸钠溶液中添加少量明胶（0.5 wt%）可通过氢键和半互穿网络增强壳层，而添加适量甘油（0.4 wt%）作为增塑剂同样能提升机械性能。

图4 缓释毫米级胶囊的机械性能与储存稳定性。(a) 单颗干燥毫米胶囊光学照片；(b) 干燥毫米胶囊弹性形变力 - 位移曲线；(c) 干燥毫米胶囊破坏性压缩力 - 位移曲线；破裂强度与杨氏模量随 (d) 氯化钙浓度、(e) 干燥时长、(f) 后处理清洗乙醇体积分数、(g) 海藻酸钠体系明胶添加量、(h) 甘油添加量的变化规律。稳定性测试：(i) 40% 相对湿度环境储存 30 天的胶囊；(j) 50 转 / 分钟持续滚动 30 天的胶囊。

四. 多孔外壳的缓释机理

这项研究最核心的创新点在于：海藻酸钠壳层在干燥后形成了多孔层状结构，而正是这一微观形貌赋予了胶囊缓释功能。冷冻干燥的壳层截面SEM图像清晰展示了层层堆叠的多孔结构（图5b）；空气干燥的壳层表面虽然更致密，但仍然呈现粗糙多孔的形貌（图5c），截面则呈现出类似石灰岩层叠的致密层状结构（图5d）。

BET测试定量证实了这一点：壳层的比表面积达到14 m²/g（图5e），孔径分布峰值约3.4 nm（图5f），属于典型的介孔材料。该结构的核心特征在于双重屏障机制：亲水性的海藻酸钠外壳本身能阻止疏水性油脂的直接泄漏，而纳米级的孔隙又允许挥发性分子通过Fick扩散缓慢逸出，从而实现对挥发性成分的有效阻滞与缓慢释放。

TGA释放实验给出了最直观的证据（图5g）：在50 ℃、20 mL/min气流的加速测试条件下，未封装的迷迭香油在400分钟内几乎完全挥发；而封装后的毫米级胶囊在800分钟内仅损失了约0.02%的精油，释放曲线远未达到平台期，预示着更长时间的持续释放。拟合分析进一步表明，未封装油符合一级动力学模型（浓度驱动挥发），而封装油更符合Higuchi模型（Fick扩散控制释放），从机理上确认了多孔壳层的扩散控释作用。

图5 毫米级胶囊微观结构与缓释性能。(a) 毫米级胶囊通过多孔海藻酸钠壳层释放香精的机理示意图；SEM 图：(b) 冷冻干燥胶囊壳截面形貌，(c) 自然风干胶囊壳表面形貌，(d) 自然风干胶囊壳截面形貌；(e) 胶囊壳 BET 吸附 - 脱附等温曲线；(f) 胶囊壳孔径分布曲线；(g) 50 ℃、20 mL/min 空气吹扫条件下，纯迷迭香油与封装迷迭香油毫米级胶囊的热重 TGA 释放曲线。

五. 结语

这项工作的价值不仅在于制备了一种新的胶囊，更在于建立了一套从可控制备到性能优化再到缓释验证的完整研究框架。相图为操作者提供了清晰的"工艺窗口"；"器件-工艺-性能"的系统研究揭示了壳厚均匀性（居中率）对强度的决定性作用；而BET和TGA的结合则从微观结构和宏观释放两个层面阐明了缓释机理。对于食品香料、日化香精、烟草加香等实际应用场景，这套方案兼具了生物相容性、机械可靠性、储存稳定性和缓释有效性，具有良好的产业化前景。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2026.140121

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