復合凝聚法包埋功能性食品組分的研究進展

王 穎，趙 萌，黃 雪，方亞鵬*

功能性食品組分是一類重要的食品原料，可提供食品所需的色、香、味、營養(yǎng)或功能成分，如番茄紅素、精油、葉黃素、脂肪酸、抗氧化劑、酶、乳酸菌等，但這些組分常對環(huán)境高度敏感，在加工貯藏和消化過程中會喪失部分活性[1]。食品工業(yè)中常采用包埋技術來保護生物活性物質(zhì)，其中，最普遍的包埋方法為噴霧干燥法和乳化法；另外，海藻酸鈉擠壓法和脂質(zhì)體包埋法等也經(jīng)常在文獻中報道[2-6]。

復合凝聚法是一種新興的包埋技術，廣泛應用于精油、維生素、乳酸菌、酶等組分的微囊化研究中[7]，該方法制備條件溫和、產(chǎn)率高、效率高，已逐漸成為國內(nèi)外微囊化領域的研究熱點。本文綜述了復合凝聚的原理、影響因素及其在食品中的應用，歸納總結(jié)了近年來復合凝聚法包埋脂溶性和親水性功能性食品組分的研究進展，并對復合凝聚法包埋技術應用的良好前景作出展望。

1 復合凝聚的影響因素

復合凝聚是高分子物理中的一個概念，主要是基于靜電相互作用，帶相反電荷聚電解質(zhì)間發(fā)生去溶劑化而導致相分離，最后形成了兩相體系，即富含聚電解質(zhì)的凝聚相和與之平衡的稀釋相[8]。在食品體系中，研究較多的復合凝聚體系是蛋白質(zhì)/多糖體系。其中，蛋白質(zhì)是一種兩性聚電解質(zhì)，而多糖有陰陽離子多糖之分，兩種物質(zhì)帶相反電荷時即發(fā)生靜電相互作用。蛋白質(zhì)/陰離子多糖的復合凝聚體系已被廣泛研究。復合凝聚反應受pH值、離子強度（鹽濃度）、蛋白質(zhì)多糖比例、總聚合物濃度、多糖和蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量等因素的影響；另外，高分子靈活性、電荷密度、攪拌速率、壓力和溫度等參數(shù)也會影響復合凝聚反應[9]。

1.1 pH值

復合物形成過程中，pH值影響著生物大分子側(cè)鏈功能基團的解離度（即氨基和羧基），即影響大分子所帶的電荷性質(zhì)與數(shù)量。靜電相互作用直接依賴于電荷，因此，pH值條件的控制是誘發(fā)反應進行的最關鍵因素。蛋白質(zhì)和陰離子多糖的靜電復合物形成是在陰離子基團（羧基）的電解離pH（pKa）和蛋白質(zhì)的等電點之間，其形成通常是一個可逆的過程[10]。Mekhloufi等[11]通過濁度、90°散射角動態(tài)光散射（I90）等方法考察了pH值對β-乳球蛋白和阿拉伯膠復合凝聚的誘導作用，研究發(fā)現(xiàn)，當混合溶液pH值從7.0降至4.9時，開始形成可溶性復合物；當pH值進一步降低至4.7時，復合物發(fā)生聚集；當pH＜4.2時，復合物不穩(wěn)定而發(fā)生相分離。另外，Lee等[12]通過十二烷基硫酸鈉聚丙烯酰胺凝膠電泳表征了α-乳白蛋白/殼聚糖和β-乳球蛋白/殼聚糖的復合凝聚反應，發(fā)現(xiàn)在蛋白/多糖等電點附近（pH 5.0～6.0）形成復合物，在電泳圖譜上有大量高分子質(zhì)量條帶，表明α-乳白蛋白/殼聚糖和β-乳球蛋白/殼聚糖體系發(fā)生了復合凝聚反應。

1.2 離子強度

體系中的離子強度對反應也有影響，當體系中的離子強度增加到一定程度時，分散在體系中的離子會與大分子上帶相反電荷的位點結(jié)合，造成屏蔽效應，削弱大分子間的靜電相互作用。Wang Xiaoyong等[13]選取β-乳球蛋白與果膠進行復合凝聚反應，發(fā)現(xiàn)隨著鹽離子強度的增加，參與反應的蛋白含量在逐漸減少。Espinosa-Andrews等[14]研究了阿拉伯膠和殼聚糖的復合凝聚，發(fā)現(xiàn)較低濃度下NaCl濃度對凝聚物產(chǎn)率幾乎沒有影響，但NaCl濃度升高至150 mmol/L時，復合凝聚反應受到明顯抑制。本實驗室深入研究了甜菜果膠-牛血清白蛋白復合凝聚體系，研究發(fā)現(xiàn)，NaCl濃度低于20 mmol/L時，可以促進復合凝聚，而NaCl濃度高于20 mmol/L時，復合凝聚受到抑制，而當NaCl濃度高于500 mmol/L時，則完全抑制了兩者間的復合凝聚，CaCl2對復合凝聚的影響和NaCl相似[15]。

1.3 蛋白質(zhì)多糖比例

蛋白質(zhì)和多糖的混合比例決定了固定體系下的復凝聚程度，它與pH值緊密相關，即在一定范圍內(nèi)，不同的混合比例對應著相應的復凝聚最適pH值。在固定體系下，蛋白質(zhì)多糖混合比的不同會導致最終形成復合物的特征，如尺寸、組成等不同[16]。本課題組深入研究了明膠/甜菜果膠復合凝聚的影響因素，發(fā)現(xiàn)隨著明膠/甜菜果膠比例的增加，復合凝聚等電點隨之增加；當明膠與甜菜果膠的比例為2∶1時，兩者在pH 2.8～3.2間靜電吸引力最強，最易發(fā)生復合凝聚[17]。

1.4 其他因素

溫度也是影響復合凝聚反應的因素之一，它影響著蛋白質(zhì)及多糖分子的構(gòu)象轉(zhuǎn)變[18]。Huang Guoqing等[19]考察了溫度對大豆分離蛋白-殼聚糖復凝聚反應的影響，發(fā)現(xiàn)當反應溫度為4～45 ℃時復凝聚物產(chǎn)率沒有明顯變化，但在55 ℃時產(chǎn)率明顯降低。同樣在β-乳球蛋白和低/高甲基化果膠組合中發(fā)現(xiàn)對溫度的依賴性相互作用，在此研究中，高溫導致β-乳球蛋白和的高甲基化果膠復合物產(chǎn)率減少[20]。此外，有研究表明參與反應的大分子總濃度尤為關鍵。Schmitt等[21]在對β-乳球蛋白與阿拉伯膠的復合凝聚研究中發(fā)現(xiàn)，在pH 4.2下，復凝聚反應抑制濃度為4.5%。Weinbreck等[22]在對乳清蛋白與卡拉膠的復合凝聚研究中發(fā)現(xiàn)，大分子物質(zhì)總濃度的增加使得更多的反離子釋放到溶液中，屏蔽大分子的電荷，從而不利于復合作用。

復合凝聚在食品工業(yè)中應用廣泛，如Ramírez-Santiago等[23]用乳清分離蛋白-低甲氧基果膠凝聚物替代新鮮干酪奶酪中的脂肪；Park等[24]研究溶菌酶與殼聚糖復凝聚反應制備可食用膜，得到具有抗微生物特性的食用膜。除此之外，復合凝聚最重要的應用是包埋活性組分，如Shahgholian等[25]以牛血清白蛋白/阿拉伯膠為壁材包埋姜黃素，其有效載荷量為92%。復合凝聚體系中常用的蛋白質(zhì)有明膠、白蛋白、乳清蛋白、β-乳球蛋白、大豆蛋白等，常用的多糖有阿拉伯樹膠、殼聚糖、果膠、海藻酸鈉、黃原膠、卡拉膠、羧甲基纖維素等[26]。

脂溶性組分和親水性組分的復合凝聚法包埋雖然都是基于復合凝聚原理，但兩者在制備原理和技術手段差別較大。脂溶性組分的包埋原理是依據(jù)水油兩相不相容性制備水包油乳液，外界條件引發(fā)蛋白和多糖在界面上形成復合物，從而穩(wěn)定了乳滴。具體操作舉例如下：將VE加入到混勻的明膠和阿拉伯膠溶液中，在10 000 r/min下持續(xù)乳化2～3 min，制得O/W乳液，隨后調(diào)節(jié)體系pH值至4.0，明膠和阿拉伯膠在油滴表面復合凝聚，形成了穩(wěn)定的VE乳液[27]。親水性組分的包埋原理是蛋白質(zhì)/多糖復合物在單一水相中發(fā)生相分離，將活性組分共包埋在蛋白質(zhì)/多糖復合物中，最為典型的是乳酸菌包埋，具體操作舉例如下：將乳酸菌加入到乳清分離蛋白-阿拉伯膠壁材溶液中，攪拌10 min，調(diào)節(jié)體系pH值至4.0,乳酸菌/乳清分離蛋白/阿拉伯膠在水相中形成球狀聚合物，最終實現(xiàn)了乳酸菌包埋[28]。另外，有些小分子親水性組分可通過雙重乳液-復合凝聚法實現(xiàn)包埋：將谷胱甘肽溶液加入到大豆油中，加入大豆卵磷脂作為乳化劑，在12 000 r/min下乳化4 min，制得W/O乳液，后加入明膠-阿拉伯膠壁材溶液，10 000 r/min下乳化1 min，制得W/O/W多重乳液，隨后調(diào)節(jié)體系pH值至4.0，明膠/阿拉伯膠在最外層的油-水界面上發(fā)生復合凝聚，形成了穩(wěn)定的谷胱甘肽雙重乳液[29]。

2 復合凝聚法包埋脂溶性組分的研究進展

脂溶性功能食品組分在人體營養(yǎng)和健康中發(fā)揮著重要作用，廣泛參與了人體各類代謝過程，是人體必需組分，但人體不能自身合成脂溶性功能食品組分或其合成量不足，需要從食品和食品補充劑中攝取。最常見的脂溶性功能食品組分有多不飽和脂肪酸、精油、油溶性維生素、多酚等。該類組分最大的問題是在水中溶解度低，不能有效運載到營養(yǎng)細胞；另外，酸、酶、溫度、光照和氧氣等加工貯藏和消化因素會破壞或降解這些功能組分結(jié)構(gòu)，降低其生物活性[30]。目前，復合凝聚法是最常用的包埋脂溶性活性成分的方法之一。

2.1 功能性油脂

功能性油脂是指具有特殊生理功能的油脂，主要是指一些多不飽和脂肪酸、磷脂、結(jié)構(gòu)脂質(zhì)等，對人體健康有益，包括降低心血管疾病和癌癥風險、預防骨質(zhì)疏松癥和神經(jīng)功能障礙等[31]。Eratte等[32]研究了乳清分離蛋白/阿拉伯膠復合凝聚法封裝金槍魚油，包埋率為90%左右，噴霧干燥后的微膠囊氧化穩(wěn)定指數(shù)為22.1 h，遠高于未包埋組（3.1 h），表明微囊化魚油抗氧化性高。Comunian等[33]以明膠/阿拉伯膠復凝聚法共包埋藍薊花籽油和酚類化合物，加入不同酚類化合物下的藍薊花籽油包埋率為73%～99%，純油、微囊化油脂的加速氧化指數(shù)分別為5 h和10～18 h。Zimet等[34]研究了β-乳球蛋白/果膠復凝聚法包埋二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA），在40 ℃貯藏100 h，微囊化DHA僅有5%～10%損失，而未包埋的DHA損失高達80%。Ilyasoglu等[35]以酪蛋白酸鈉和阿拉伯膠靜電相互作用形成多層界面膜封裝魚油，其包埋率和粒徑分別是（78.88±2.89）%和232.3 nm，以果汁為載體進行體外消化，測得的生物利用率較高；因而，多糖蛋白復合凝聚物可用于納米包埋二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和DHA，并應用于無脂或低脂飲料中起到營養(yǎng)強化作用。

2.2 精油

植物精油是一類有強烈揮發(fā)性的植物次生代謝物，主要成分是萜烯類和芳香類化合物，具有增香、殺菌、抗病毒和抗氧化等生物活性。由于精油組分不穩(wěn)定、易揮發(fā)，造成加工貯藏過程中精油風味減弱或改變，從而影響了精油品質(zhì)[36]。Weinbreck等[37]用乳清蛋白/阿拉伯膠復凝聚法對葵花籽油、橙油及檸檬油進行包埋，包埋率均超過80%，將微膠囊加入奶酪中進行貯藏實驗和感官評定，結(jié)果表明微膠囊對風味物質(zhì)具有保護及緩釋效果。為了解決冷凍焙烤食品在加熱過程中的失香問題，Yeo等[38]用明膠/阿拉伯膠包埋香精油，研究發(fā)現(xiàn)，在100 ℃或更高時，微膠囊可少量釋放精油物質(zhì)，從而較好地保持了冷凍焙烤食品的香味和品質(zhì)。另外，文獻中也報道了其他風味物質(zhì)的復合凝聚法包埋，如香草油[39]、甜橙油[40-41]、薰衣草油[42]及薄荷油[43]等。

2.3 脂溶性維生素

維生素是維持人體正常生理功能而必須從食物中獲取的一類微量有機物質(zhì)，其中脂溶性維生素包括VA、VD、VE和VK，在人體生長、代謝、發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用，但其易氧化。包埋可提高維生素的生物利用率，另外，其可控釋放可防止維生素過多綜合癥[44]。Junyaprasert等[45]用明膠和阿拉伯膠復凝聚法封裝VA棕櫚酸酯，制備出的球形膠囊直徑為24 μm左右，其包埋率超過63%。Ron等[46]利用β-乳球蛋白和果膠形成的復凝聚物作為納米膠囊載體包埋VD2，其納米膠囊粒徑僅為50～70 nm，其溶液外觀透明均一，可用于澄清飲料中。馮巖[27]用明膠和阿拉伯膠復凝聚法封裝VE，其包埋率為（92.78±0.65）%，微膠囊包埋后VE在150 ℃高溫下?lián)p失率大大降低，耐熱性能良好，在熱水中的緩釋性能明顯優(yōu)于普通噴霧干燥方法，且在貯藏期間保留率顯著高于未經(jīng)包埋的VE，結(jié)果表明微膠囊對VE具有較好保護及緩釋效果。

2.4 脂溶性抗氧化組分

抗氧化組分可維持生命體內(nèi)的氧化與抗氧化反應動態(tài)平衡，可預防動物心臟病、癌癥等疾病，并達到增強腦力、延緩衰老等目的[47]。脂溶性抗氧化組分包括脂溶性多酚、類胡蘿卜素等，其極易氧化，可通過包埋提高其抗氧化活性。文獻報道了復合凝聚法包埋酚類化合物的研究。Tan Chen等[48]以殼聚糖/阿拉伯膠成功包埋了姜黃素，其納米顆粒的平均直徑為250～290 nm，姜黃素包埋率和載荷量分別超過90%和3.8%，貯藏期間保留率大于85%，且其抗氧化活性明顯增強，此外，包埋提高了姜黃素在模擬胃腸環(huán)境的穩(wěn)定性和延遲釋放。同樣，復合凝聚法成功包埋了類胡蘿卜素。Rocha-Selmi等[49]以明膠和果膠為壁材包埋番茄紅素，包埋率在90%以上，平均粒徑為61～144 μm，在25 ℃貯藏73 d后，包埋組中番茄紅素保留率比未包埋組的高。Gomez-Estaca等[50]以腰果膠和明膠為壁材通過復合凝聚法包埋蝦青素，其平均粒徑和包埋率分別為（32.7±9.7）μm和（59.9±0.01）%，微囊化提高了蝦青素貯藏穩(wěn)定性，在加速穩(wěn)定性實驗中，微膠囊蝦青素和未包埋蝦青素的保留率分別為47%和9%，另外，微囊化蝦青素具有高色度、在酸乳中分散性良好等特性。

3 復合凝聚法包埋親水性組分的研究進展

在過去10 年，食品級膠體運載體系包埋油溶性色素、香精、防腐劑、維生素、藥物等親油性生物活性成分取得了重大進展，但經(jīng)濟可行的親水性生物活性成分的運載體系報道較少。在食品體系中，水溶性色素、香精、防腐劑、維生素、益生菌、酶等親水性食品組分十分重要，但在食品應用中會遇到活性喪失、溶解度差、理化性質(zhì)不穩(wěn)定、不良氣味、無法緩釋等問題，因而親水性活性組分的包埋研究在食品工業(yè)中十分緊迫[51]。目前，親水性物質(zhì)的微膠囊化研究方法主要集中在噴霧干燥法、乳液法和脂質(zhì)體包埋等，復合凝聚法是包埋親水性活性成分的一種較新的研究方法，其報道如下。

3.1 益生菌

益生菌是重要的功能性食品原料，據(jù)統(tǒng)計，2015年益生菌全球市場份額已達288億 美元，占功能性食品全球市場總額的60%～70%[52]。益生菌具有維持腸道微生物平衡、改善乳糖不耐受、降低膽固醇等重要生理功能，但益生菌對溫度、濕度、氧氣、酸等環(huán)境因素高度敏感，大大限制了攝入益生菌生理功能的發(fā)揮[53]，乳酸菌微囊化是改善這一問題的重要手段。Oliveira等[54]以酪蛋白/果膠為壁材，采用復合凝聚法包埋乳酸菌，研究發(fā)現(xiàn)，微膠囊可有效保護乳酸菌，L. acidophilus LAC 4微膠囊貯藏穩(wěn)定性良好，7 ℃和37 ℃下貯藏120 d，活細胞數(shù)分別下降0.71和1.87 個對數(shù)值。Gerez等[55]結(jié)合果膠和果膠-乳清蛋白離子凝膠法和后續(xù)乳清蛋白的復合凝聚法包埋L. Rhamnosus，發(fā)現(xiàn)使用果膠和乳清蛋白體系可以對乳酸菌起到很好的保護效果，在pH 2下存活率達到107CFU/mL。Shoji等[56]采用果膠和酪蛋白復合凝聚包埋L. acidophilus，隨后噴霧干燥并將其添加到水牛乳酸乳中，在7 ℃下貯藏120 d，菌在水牛乳存活率為107CFU/g。Bazo等[57]應用殼聚糖和酪蛋白復合凝聚法包埋益生菌，微膠囊尺寸在100 μm以下，該專利是復合凝聚法包埋益生菌的可行性例子，在食品工業(yè)中具有應用潛力。

3.2 酶

酶作為加工助劑在食品工業(yè)中常用來改變食品風味、質(zhì)地、穩(wěn)定性等特性。固定化酶可提高酶對熱、酸、堿等條件的耐受性，增加其貯藏穩(wěn)定性，并可實現(xiàn)可控釋放。Burgess等[58]利用清蛋白/阿拉伯膠復合凝聚成功包埋β-葡糖酸苷酶，平均粒徑為（4.59±0.73）μm，噴霧干燥后包埋組酶活力為80%左右，而自由組僅為30%，表明包埋提高了酶對噴霧干燥過程的耐受性。同樣，Amara等[59]用復合凝聚法并噴霧干燥成功包埋溶菌酶。Lambert等[60]使用乳清蛋白/阿拉伯膠制備膽鹽水解酶微膠囊，微囊化膽鹽水解酶在模擬胃液中得到高效保護，并在腸液中有效釋放，這是在小腸近端區(qū)靶向釋放食品酶的成功案例。

3.3 水溶性維生素

水溶性維生素具有較高的營養(yǎng)價值，但其在貯藏過程中和胃腸道內(nèi)穩(wěn)定性較差，同時有些還有酸味、苦味等不良味道。包埋可掩蓋異味、改善其在食品中的貯藏穩(wěn)定性，最終提高其生物利用度。Comunian等[61]通過雙重乳液（W/O/W）法包埋VC，阿拉伯膠/明膠復合凝聚法用于穩(wěn)定外層的乳液，該法制備的VC包埋率高達98%，且穩(wěn)定性遠高于水溶液，在特定條件下實現(xiàn)了可控釋放。Chapeau等[62]以乳鐵蛋白和β-乳球蛋白為載體，在pH 5.5下復合凝聚包埋VB9，最佳包埋量是10 mg/g蛋白，研究表明，乳鐵蛋白和β-乳球蛋白共聚體可以有效包埋水溶性功能性成分，可作為天然功能性食品的新型載體。

3.4 其他親水性組分

據(jù)報道，復合凝聚法也可用來包埋其他親水性食品組分，如鹽、糖、酸、堿、苦味化合物等。Santos等[63]以明膠和阿拉伯膠為壁材，雙重乳液/復合凝聚法包埋木糖醇，其包埋率為31%～71%，咀嚼實驗表明木糖醇與人工唾液接觸釋放的時間可高達20 min，因而包埋實現(xiàn)了木糖醇的可控釋放，延長了新鮮感和甜味感。杜歌[29]以明膠和阿拉伯膠為壁材，采用復合凝聚法包埋谷胱甘肽，谷胱甘肽包埋率為85%左右，在80 ℃處理120 min時，微囊化谷胱甘肽損失率相較未包埋谷胱甘肽降低20%，且研究發(fā)現(xiàn)谷胱甘肽在模擬唾液、腸液和胃液中的損失率均低于未包埋谷胱甘肽，表明微膠囊化對谷胱甘肽在高溫環(huán)境和消化道中有一定的保護作用。Mendanha等[64]采用分離大豆蛋白和果膠之間的復合凝聚反應包埋二次乳化后的酪蛋白水解物，成功地去除了酪蛋白水解物的苦味，增加了營養(yǎng)價值，并達到了緩釋的效果。

表1總結(jié)了近年來復合凝聚法包埋脂溶性食品組分、復合凝聚法包埋水溶性食品組分的應用實例，歸納了其芯材、壁材、特性表征、包埋目的、應用食品類型等。

表1 復合凝聚法在包埋功能性食品組分中的應用Table 1 Applications of complex coacervation in the encapsulation of functional food ingredients

4 結(jié) 語

復合凝聚法作為微膠囊的制備方法之一，用于包埋活性物質(zhì)，如細胞、酶、風味物質(zhì)、營養(yǎng)組分，使其免受惡劣環(huán)境的影響，延長其貨架期，并可起到緩釋作用。相較其他包埋方法，復合凝聚法制備條件較為溫和，生產(chǎn)效率高，制備的微膠囊具有較好的環(huán)境耐受性和可控釋放能力，這對于細胞、酶等高度敏感的食品原料尤為適用。蛋白質(zhì)和多糖作為食品中最廣泛存在的組分，不僅滿足了人們對能量和營養(yǎng)的需求，而且對食品的質(zhì)構(gòu)和穩(wěn)定性都具有極其重要的作用。因此，深入研究蛋白質(zhì)-多糖的復合凝聚機理，可控制備不同特性的微囊化產(chǎn)品，具有十分重要的理論意義和實踐價值。

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