微膠囊技術(shù)及其在乳品行業(yè)的應(yīng)用研究進(jìn)展

◎ 熊麗娜，都鵬飛，樓佳佳，施 笑，康巧娟，儲小軍

（貝因美（杭州）食品研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

1 微膠囊技術(shù)概述

微膠囊技術(shù)是一種利用高分子材料，將固體顆粒、液滴甚至是氣體的微小物質(zhì)進(jìn)行包埋，制成具有半透性或密封囊膜的微型膠囊的技術(shù)。在食品領(lǐng)域，微膠囊技術(shù)通常應(yīng)用于食品成分包埋，以達(dá)到改變物質(zhì)形態(tài)、保護(hù)活性成分、減少營養(yǎng)損失及鞏固和改善物質(zhì)的穩(wěn)定性等目的[1-3]。許多以往由于技術(shù)障礙而得不到開發(fā)的產(chǎn)品，通過微膠囊技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，因此微膠囊技術(shù)已成為食品科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)微膠囊粒子的粒徑為5～200 μm，新型微膠囊——納米微膠囊粒徑可達(dá)1～1 000 nm。微膠囊包封用的成膜材料被稱為壁材。目前乳品工業(yè)中使用最多、最廣泛的壁材可以分為3大類，即蛋白質(zhì)類（乳清蛋白、酪蛋白、大豆分離蛋白和玉米蛋白等）、碳水化合物類（植物膠、變性淀粉、低分子糖及衍生物微生物多糖等）及新的生物聚合體（美拉德反應(yīng)產(chǎn)物等）。微膠囊化方法一般分為物理法（噴霧干燥法、擠壓法）、化學(xué)法（聚合法、銳孔法）和物理化學(xué)法（相分離法、界面沉積法）3大類，其中以噴霧干燥法應(yīng)用最為廣泛。

目前市場上乳品種類日益增多，消費(fèi)者對其功能性、產(chǎn)品性狀等品質(zhì)要求也越來越高。微膠囊技術(shù)在乳品行業(yè)中是一項(xiàng)新興技術(shù)，近年來不斷涌現(xiàn)出新的研究成果，這些成果主要是針對乳制品加工中涉及的原料、營養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)研究[4]。本文綜述了近年來國內(nèi)外微膠囊技術(shù)在乳品行業(yè)的最新應(yīng)用研究，以期為乳品行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)等研究提供新的思路。

2 微膠囊在乳制品行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 乳制品中的益生菌微膠囊

益生菌具有調(diào)節(jié)腸道菌群、改善乳糖不耐癥、降膽固醇、抗氧化、抗炎和增強(qiáng)免疫力等重要生理功能，在發(fā)酵乳、干酪、乳飲料、冰淇淋和干燥乳制品等不同種類乳制品中均有廣泛的應(yīng)用[5]。但在乳制品加工、貯藏過程、人體消化道中，益生菌活性及存活率極易受到影響，此時微膠囊技術(shù)起到重要作用，尤其在酸奶中應(yīng)用最多[6]。TIANI等[7]研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉微膠囊化的植物乳桿菌在貯藏和加工中的活菌數(shù)沒有明顯變化，但顯著提高了其在模擬胃腸液中的抵抗力。欒倩等[8]采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物媒介氧化體系制備得到的纖維素納米纖維與海藻酸鈉作為壁材，制備富含ω-3脂肪酸的亞麻籽油和植物乳桿菌兩種功能活性物質(zhì)的復(fù)合微膠囊，顯著提高了植物乳桿菌的存活率及在腸壁的粘附能力。海藻酸鈉和草本基質(zhì)聚合物如車前草等作為復(fù)合壁材，更有利于益生菌在腸道中生長和存活[9]。采用10%菊芋菊糖為壁材制備益生菌微膠囊，也取得了不錯的效果。此外，蛋白質(zhì)及生物聚合體也常作為壁材應(yīng)用于益生菌微膠囊，以乳清蛋白或變性乳清蛋白與菊粉產(chǎn)生的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物作為壁材，均具有提高植物乳桿菌活性的能力，添加L-半胱氨酸-鹽酸的乳清蛋白微膠囊可保護(hù)益生菌不受模擬胃腸道條件的影響[10-12]。

然而，益生菌微膠囊的添加也可能降低產(chǎn)品的感官特性。由于微膠囊的粒徑和相容性與乳制品尤其是液態(tài)乳品的顆粒感直接相關(guān)，因此在今后的研究中，微膠囊粒徑的減小及壁材與基質(zhì)相容性的提升應(yīng)進(jìn)一步探究。

2.2 乳制品中的油脂微膠囊

油脂是乳制品加工尤其是嬰幼兒配方奶粉加工過程中的重要配料。嬰幼兒配方奶粉通常以牛乳為主要來源，母乳脂肪與牛乳脂肪中的脂肪酸分布具有顯著差異，母乳中的不飽和脂肪酸高于牛乳脂肪。目前，通常采用添加植物油方式減少其中差異。常用的植物油種類有葵花籽油、菜籽油、大豆油、棕櫚仁油、椰子油、葵花籽油及紅花油等[13-14]。在添加油脂的過程中使用微膠囊技術(shù)，可以起到延緩脂肪酸的氧化、掩蓋油脂的腥異味、改變物理形態(tài)使之易于操作、提升乳化分散性能等作用。韓露露[15]選取了5種原料油（椰子油、棕櫚油、葵花仁油、大豆油和紫蘇籽油）在嬰兒配方奶粉用營養(yǎng)油中的配比分別為13.6%、50%、14%、21%和1.4%，并利用大豆分離蛋白和麥芽糊精作為復(fù)合壁材，采用噴霧干燥法制備了微膠囊化營養(yǎng)油，在嬰兒配方奶粉中使用后，產(chǎn)品貯藏性能更佳。

二十二碳六烯酸（DHA）等多不飽和脂肪酸具有促進(jìn)大腦發(fā)育等營養(yǎng)與保健功能，但由于其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不穩(wěn)定，且不溶于水，難以在保持原有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下添加到食品中。得益于微膠囊技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，目前已有不少研究成功將其微膠囊化后應(yīng)用于乳品行業(yè)。例如，在液態(tài)奶中，可利用變性淀粉為壁材，將乳化噴霧干燥微膠囊化的DHA添加至液態(tài)奶中，使得產(chǎn)品在保質(zhì)期內(nèi)品質(zhì)穩(wěn)定，且DHA含量也無明顯的降低[16]。

復(fù)合微膠囊技術(shù)也被證明可成功應(yīng)用于魚油包埋中以減少不良?xì)馕?，保持營養(yǎng)活性。FADINI[17]以噴霧干燥的微粒子為芯材，以植物脂肪與氫化棕櫚油的混合物為壁材，采用噴霧干燥法制得無味的微膠囊魚油，其含豐富的多不飽和脂肪酸。李楊等[18]分別以乳清分離蛋白、大豆分離蛋白和豌豆分離蛋白與麥芽糊精作為復(fù)合壁材，卵磷脂作為乳化劑，通過微射流處理結(jié)合噴霧干燥法制備了魚油微膠囊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)乳清分離蛋白與麥芽糊精復(fù)合壁材制備的乳液粒徑最小、微膠囊的包埋率最高、氧化穩(wěn)定性最好。

RUTZ等[19]分別以殼聚糖、黃原膠和殼聚糖、果膠為原料，采用復(fù)合凝聚、噴霧干燥的方法，對類胡蘿卜素含量較高的棕櫚油進(jìn)行微膠囊化，并采用差示掃描量熱法對包封效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示微粒表現(xiàn)出較好的釋放特性，該包封方式可有效應(yīng)用于功能性酸奶產(chǎn)品制備中。

在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)將蛋白質(zhì)作為脂肪酸和油脂包封壁材存在困難，這主要是由于蛋白質(zhì)穩(wěn)定油脂的能力較差，油脂很容易溢出而導(dǎo)致的。通過以上研究也可見得，蛋白質(zhì)作為微膠囊壁材常需要與麥芽糊精等復(fù)合使用。對此，GHARIBZAHEDI[20]提出，谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶或可作為一種有效的蛋白質(zhì)交聯(lián)劑，為ω-3和ω-6脂肪酸的包封提供可行的解決方案，且不影響它們的目標(biāo)釋放及其生物和物理化學(xué)特性。

2.3 乳制品中的維生素、礦物質(zhì)微膠囊

維生素、礦物質(zhì)常作為功能性成分添加至乳制品中，尤其是在嬰幼兒配方奶粉中，維生素和礦物質(zhì)屬于必需添加成分。脂溶性維生素在水中溶解性差，對光照、溫度、金屬離子等敏感，穩(wěn)定性不佳，極大限制了其在乳制品中的應(yīng)用。早在1977年，研究者已將微膠囊技術(shù)應(yīng)用于脂溶性維生素A、維生素D和維生素E，并完成了半工業(yè)化裝置的設(shè)計(jì)[21]。該技術(shù)首先向明膠中逐步加入硫酸鈉溶液并不斷攪拌，形成明膠凝聚物，之后將在油溶體系中乳化后的維生素加入明膠凝聚物中，使凝聚物在維生素乳液滴上沉積形成明膠膜，將完成沉積后的微膠囊用水沖洗，并用溶劑洗脫法固定后干燥，結(jié)果表明所得微膠囊維生素具有良好的流動性，維生素回收率高（88%～92%）。維生素A的微膠囊技術(shù)主要包括了噴霧干燥、噴霧冷卻、凝聚法（相分離）、乳化系統(tǒng)、脂質(zhì)體和螺旋體等，這些方法也可應(yīng)用至其他脂溶性維生素[22-23]。其中，噴霧干燥法應(yīng)用最廣，研究表明利用阿拉伯膠混合半乳甘露聚糖為壁材，噴霧干燥法制得的維生素E微膠囊得率、包埋率理想，維生素E吸收效果、氧化穩(wěn)定性提高[24]。

此外，水溶性維生素中也大量用到微膠囊技術(shù)。水溶性芯材包埋的方法復(fù)雜，包埋率普遍較低，壁材和微膠囊方法的選擇至關(guān)重要。維生素C性質(zhì)極不穩(wěn)定，易受溫度、pH值、氧氣、金屬離子、紫外線和X射線等環(huán)境因素影響。目前應(yīng)用較多的是利用乙基纖維素為壁材，采用降溫相分離法制備維生素C微膠囊[25]。也有研究以殼聚糖為壁材，采用多重乳液法制備了維生素C微膠囊，紅外光譜結(jié)果證明殼聚糖成功地包覆了維生素C，紫外光譜結(jié)果表明維生素C微膠囊在水溶液和模擬胃液中均具有良好的緩釋效果。多重乳液法條件溫和，但該方法包覆率較低，僅5.2%，若通過脂類化合物包括卵磷脂、中鏈甘油三酯、聚甘油單硬脂酸酯、蜂蠟、石蠟和巴西棕櫚蠟等脂質(zhì)體包埋，可起到較佳效果[26]。趙陽等[27]以明膠和阿拉伯膠為壁材，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶作為封端基劑，采用復(fù)乳化(W/O/W)-復(fù)凝聚-噴霧干燥法制備維生素B1微膠囊。研究結(jié)果表明，維生素B1微膠囊在室溫25 ℃時貯藏性質(zhì)較穩(wěn)定，D50粒徑是8.83 μm，微膠囊產(chǎn)品的包埋率為91.84%。

礦物質(zhì)中應(yīng)用較多的案例是微膠囊鐵。硫酸亞鐵因其生物利用率高、價格低廉常作為鐵營養(yǎng)強(qiáng)化劑被使用，但亞鐵離子性質(zhì)活潑、易氧化變色、產(chǎn)生金屬異味，將其直接加入食品中會影響產(chǎn)品感官品質(zhì)及貨架期穩(wěn)定性，且對胃腸產(chǎn)生刺激。李金影[28]通過冷凍干燥法，以5%黃原膠作為壁材制備了硫酸亞鐵微膠囊，結(jié)果表明壁材芯材比為30∶1時，包埋率相對較高，可達(dá)97%，經(jīng)硫酸亞鐵微膠囊強(qiáng)化的乳粉中脂肪酸敗速度較低，乳粉氧化穩(wěn)定性提高。也有學(xué)者研究了脂質(zhì)體技術(shù)包封硫酸亞鐵用于牛奶的可行性，但包封率較低，在添加膽固醇和吐溫80后，可克服這一缺點(diǎn)[29]。

2.4 乳制品中其他添加物微膠囊應(yīng)用

風(fēng)味對提高消費(fèi)者的滿意度起著重要的作用，并影響著食品的進(jìn)一步銷售。目前，香料在乳品工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。然而，在食品加工或儲存過程中，其中一些風(fēng)味成分對環(huán)境或工業(yè)過程條件非常敏感，易揮發(fā)、穩(wěn)定性差、易受熱量和水分的影響，因此利用微膠囊控制其釋放具有重要意義[30]。

β-胡蘿卜素是維生素A的前體物質(zhì)，具有抗氧化、增強(qiáng)視力等營養(yǎng)強(qiáng)化功能，在諸多乳制品均可見添加，然而β-胡蘿卜素穩(wěn)定性差。白麗娜等[31]以乳清蛋白和半乳糖的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物為壁材，采用噴霧干燥法制備β-胡蘿卜素微膠囊，制得的微膠囊具有較好的表面結(jié)構(gòu)、較小的粒徑及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。

劉飛[32]利用肉桂醛與乳清濃縮蛋白發(fā)生界面相互作用調(diào)控微膠囊的特性，制備了微膠囊負(fù)載川陳皮素（Nobiletin，NOB），當(dāng)其在酸奶制備時的添加量控制為2%～4%時，可以得到感官性狀良好的產(chǎn)品[32]。

3 結(jié)語

微膠囊技術(shù)的關(guān)鍵在于根據(jù)芯材特點(diǎn)，結(jié)合應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行壁材和包封方法的選擇。微膠囊壁材種類繁多，制作方法也多種多樣，如能將壁材、芯材、方法和基質(zhì)等數(shù)據(jù)有效整合，形成微膠囊技術(shù)大數(shù)據(jù)庫，定能對微膠囊技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到極大推動作用。精準(zhǔn)研究在各領(lǐng)域都是勢在必行，根據(jù)客戶個性化需求，定制特定功能微膠囊是行業(yè)的一大發(fā)展方向。此外，若壁材不僅能起到包封作用，還可以在營養(yǎng)功效方面做出貢獻(xiàn)，不失為兩全其美。在實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)單位需要更多考慮應(yīng)用成本，選擇來源廣泛的壁材，采用能耗更低的微膠囊化工藝，切實(shí)起到推動乳制品行業(yè)發(fā)展的作用。