復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的壁材研究進展

馬鐵錚,趙宏亮,王　靜

(北京工商大學 食品學院,北京工商大學 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心,北京工商大學 北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京 100048)

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復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的壁材研究進展

馬鐵錚,趙宏亮,王靜*

(北京工商大學 食品學院,北京工商大學 食品添加劑與配料北京高校工程研究中心,北京工商大學 北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京 100048)

脂溶性食品配料廣泛應用于食品工業中,但同時也面臨著多種問題。通過微膠囊化處理,可以有效提高脂溶性食品配料的穩定性,從而改善產品品質。復合凝聚法是脂溶性食品配料微膠囊化的常用方法之一,本文結合復合凝聚法的原理,概述了脂溶性食品配料微膠囊所選用蛋白質與多糖類壁材的特性與研究進展,討論了常用壁材的應用現狀與發展趨勢。

復合凝聚,微膠囊,壁材,脂溶性食品配料

近年來,包括多不飽和脂肪酸和香精油在內的多種脂溶性物質被廣泛應用于食品工業中,它們具有重要的營養價值和功能活性。多不飽和脂肪酸是維持人體正常新陳代謝的必要物質,有益于心臟、大腦、眼睛、皮膚等器官的健康,合理攝入可降低罹患心腦血管疾病及癌癥的風險[1];香精油是以香料植物為原料制得的具有香味的精油物質,可用于食品的風味調配,并具有一定的抗氧化作用和抑菌功能[2-6]。然而脂溶性配料在食品工業中應用時面臨著諸多問題:多不飽和脂肪酸的穩定性較差,容易發生氧化,產生異味并生成危害健康的氧化產物;各類香精油除存在穩定性差的問題外,還容易揮發散失。用適當的方法和壁材對脂溶性配料加以微膠囊化,使其與外界之間形成物理阻隔,可以有效提高芯材成分的氧化穩定性,控制易揮發性芯材的釋放,從而在一定程度上緩解上述問題。

微膠囊化的方法包括噴霧干燥法、冷凍干燥法、流化床包衣法、擠壓法、原位聚合法以及復合凝聚法等[7-12]。其中,復合凝聚法是包埋脂溶性食品配料的常用方法,該方法的優勢在于不需要專用設備,工藝條件較為溫和,工藝過程對芯材品質的損傷較小,且得到的微膠囊產品載量較高,對于脂溶性芯材具有良好的延緩氧化以及控制釋放的功能[2,5,13-17]。復合凝聚法制備微膠囊的常規步驟為:分散芯材;相分離;固定化;干燥。復合凝聚作用屬非共價交聯,通常需要使用交聯劑對形成的復合凝聚物進行固定,甲醛、戊二醛等化學交聯劑,如在使用后未能洗脫清除,則殘留物會對人體產生危害,故需謹慎使用。一些安全性相對較好的交聯劑,如轉谷氨酰胺酶(TGase)、京尼平和單寧酸等,則可以根據情況選擇使用,而不會顯著影響消費者對產品的接受程度[18-20]。對微膠囊工藝的評價一般包括微膠囊的產量與載量,以及微膠囊化的產率與效率[5,13,18,21-27]。

壁材的選擇在很大程度上影響了微膠囊產品的性能優劣,因此,根據不同的微膠囊化方法、待包埋的芯材以及包埋目的選擇合適的壁材至關重要。理論上,任何帶有異種電荷的兩種聚電解質均可發生復合凝聚。然而,考慮到相分離的性質,電荷密度將決定所形成的產物是流體復聚物或是沉淀,前者才是形成微膠囊所需要的[28]。應用于脂溶性食品配料微膠囊化的壁材多是生物大分子,主要包括蛋白質和多糖。蛋白質在其等電點以下帶正電荷,而天然多糖多為聚陰離子電解質,復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的壁材通常是蛋白質-多糖的組合,本文將主要對這二者的應用情況和發展前景與趨勢分別加以概述。

1　蛋白質

蛋白質幾乎出現在所有復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的研究中,這主要是由于其帶電性質可以通過體系pH加以調節,其溶解性和乳化性也較好。此外,蛋白質所具備的良好的抗氧化性、生物相容性和生物降解性都為其應用奠定了良好的基礎[22-23,29-31]。以下選取一些應用于復合凝聚法微膠囊制備的具有代表性的蛋白質類壁材進行論述。

1.1明膠

明膠具有良好的溶解性、凝膠性和乳化性,是理想的微膠囊壁材。明膠通常分為A型和B型。A型明膠一般為豬皮經酸法水解制得,而B型明膠則通常由牛的皮、骨經堿法水解制得[32]。Siow等[5]分別以A型和B型明膠與阿拉伯膠作為復合凝聚法的壁材,對大蒜精油進行包埋,大蒜精油微膠囊的產量和效率均在pH4.5(A型明膠)和pH3.5(B型明膠)時達到最大值,使用兩種明膠所制得的大蒜精油微膠囊在pH2.0的胃蛋白酶溶液中模擬消化5 h均表現出可控的釋放特性,且在45 ℃下12 d的加速氧化實驗中表現出對大蒜精油氧化的抑制效果。Yang等[13]以明膠和阿拉伯膠為壁材,戊二醛為交聯劑,制備了罌粟籽油(其脂肪酸組成為:19.3%油酸,66%亞油酸,0.5%α-亞麻酸)微膠囊,在壁材濃度2.5%(w/v)、芯壁比1∶3(w/w)、pH4.2的條件下獲得最大微膠囊化效率76.8%,在40 ℃下56 d的加速氧化實驗中對生成過氧化物的監測結果表明,經微膠囊化的罌粟籽油氧化速率顯著降低。

魚明膠作為魚類產品加工的副產品,成為哺乳動物明膠的一種替代選擇。來源于哺乳動物的明膠,其產品市場可能受到宗教因素的限制,此外,由于瘋牛病和口蹄疫的原因,使得消費者對其產品安全性會產生擔憂和恐慌,而魚明膠的使用則避免了這些問題[33]。冷水魚明膠的凝膠化溫度為8～25 ℃,熱帶魚明膠為11～28 ℃,均低于哺乳動物來源的明膠[34]。因此,使用魚明膠作復合凝聚法制備微膠囊壁材時,體系可以保持相對低的溫度,這既可以減少易氧化芯材(如多不飽和脂肪酸)在加工中的氧化,又可以降低易揮發性芯材(如各類香精油)在加工中的損失。Piacentini等[29]使用冷水魚明膠和阿拉伯膠為壁材,以戊二醛為交聯劑,通過復合凝聚法制備了粒徑可控的葵花籽油微膠囊,在pH3.5時獲得最大復合凝聚產量。

1.2乳清分離蛋白(WPI)

乳清分離蛋白是一類高純度(大于90%)的乳清蛋白產品,其溶解性出色,甚至在等電點pH4.6時仍可溶解,是復合凝聚法經典壁材組合明膠-阿拉伯膠中明膠的優良替代物。乳清分離蛋白的主要成分為β-乳球蛋白、α-乳白蛋白,Ach等[35]對這兩種蛋白質在它們與阿拉伯膠復合凝聚中的作用與貢獻進行了研究,結果表明β-乳球蛋白與阿拉伯膠發生復合凝聚的能力強于α-乳白蛋白。

Eratte等[14]使用乳清分離蛋白與阿拉伯膠作為壁材,通過復合凝聚法制備了金槍魚油微膠囊。他們首先優化了復合凝聚條件,當乳清分離蛋白與阿拉伯膠的比例為3∶1(w/w)、復合凝聚pH3.75時復合凝聚物產量最高,用這兩種壁材制備的金槍魚油微膠囊,經噴霧干燥后的產品微膠囊化效率高,表面油含量低且具有較高的氧化穩定性。Weinbreck等[16]以乳清蛋白-阿拉伯膠為壁材,通過復合凝聚法制備了甜橙油微膠囊,結果表明pH4.0時兩種壁材之間的靜電吸引作用最強,所形成的復聚物粘度最大,所得微膠囊表面光滑,載量高達90%。此外,他們還發現粒徑小于50 μm的油滴更容易被包埋,將甜橙油微膠囊加入到Gouda奶酪中,粒徑較大的微膠囊對芯材的緩釋效果不佳,而經共價交聯的微膠囊則表現出較好的緩釋特性。Jain等[15]以分離乳清蛋白-阿拉伯膠為壁材,以復合凝聚法制備了β-胡蘿卜素微膠囊,產品表現出較好的緩釋特性并增強了芯材在儲存期間的穩定性。

1.3植物蛋白

植物蛋白的溶解性和乳化性相對于動物蛋白而言較差,因此其在微膠囊中的應用受到很大局限。大豆分離蛋白是公認的加工特性較好的植物蛋白,具有相對較好的溶解性和乳化性[36]。大豆分離蛋白作為復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的應用較多。Conto等[18]以大豆分離蛋白和阿拉伯膠作為壁材,使用復合凝聚法制備了乙酯化魚油的微膠囊,在芯壁比為1∶2.6(w/w)、大豆分離蛋白與阿拉伯膠比例為1.8∶1(w/w)時獲得的微膠囊的產量最大,將所得微膠囊產品以0.4 g/100 g的用量添加至食品中,即可滿足巴西國家衛生監督局對功能性食品中DHA、EPA含量的標準要求。Xiao等[37]以大豆分離蛋白和阿拉伯膠為壁材制備了甜橙油微膠囊,確定了在兩種壁材比例為1∶1(w/w)、pH4.0時復合凝聚物產量最高,并且發現向體系中加入與大豆分離蛋白等量的蔗糖可以使微膠囊產量提高20%。另外,根據GC-MS分析,微膠囊化處理對芯材中的風味組分起到了良好的保護作用。

雖然植物蛋白的加工特性不如動物蛋白,但考慮到消費者對哺乳動物來源產品安全性的擔憂、宗教因素的限制以及素食主義者的需求,其市場潛力仍不容小覷[30]。Karaca等[38]研究了鷹嘴豆分離蛋白、蠶豆分離蛋白、兵豆分離蛋白和豌豆分離蛋白等植物蛋白的加工特性并與大豆分離蛋白進行了比較,發現以等電點沉淀法制備的鷹嘴豆分離蛋白和兵豆分離蛋白具有較高的表面電荷和較好的溶解性,且二者的乳化性能與大豆分離蛋白相當,具有替代大豆分離蛋白成為復合凝聚法壁材的潛力。對于潛在的植物蛋白類壁材資源,可以通過較為簡便的Zeta電位法和濁度法評價其作為復合凝聚法壁材的適用性。Ducel等[39]通過Zeta電位法確定壁材比例、濁度法確定最優pH,分別優化了豌豆球蛋白、α-醇溶蛋白與阿拉伯膠的復合凝聚條件,并成功制備了脂溶性芯材微膠囊產品。

蛋白質作為兩性大分子,通過調節體系的pH來改變其帶電性質是實現復合凝聚的關鍵。動物蛋白通常由于具有良好的溶解性和乳化性等加工特性,在復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊中應用較多。在植物蛋白中,目前僅有大豆分離蛋白較為成功地作為壁材應用于復合凝聚法微膠囊制備中,而其它植物蛋白則由于加工特性不佳及原料成本等方面的限制,應用較少。

2　多糖

常用于復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的多糖類壁材包括阿拉伯膠、果膠、卡拉膠、殼聚糖、羧甲基纖維素鈉和海藻酸鈉等。多糖的溶解性優良,并且在較高濃度下仍具有較低粘度,可充分溶解于水相并與另一種壁材發生復合凝聚作用[40]。上述多糖除殼聚糖以外均為陰離子多糖,在廣泛的pH范圍內帶負電荷,可以與(當體系pH小于蛋白質pI時)帶正電荷的蛋白質類壁材形成復合凝聚物,殼聚糖則與蛋白質或與其他多糖均可發生復合凝聚[2,19,41-42]。

2.1阿拉伯膠

阿拉伯膠是復合凝聚法微膠囊制備中應用最廣泛的多糖類壁材,由豆科金合歡樹屬樹木的樹干滲出物制得,其溶解性高,溶液粘度低,并且具有良好的附著性和成膜性,其乳化性也優于大多數陰離子多糖[43-44]。Ozturk等[45]研究證明,以阿拉伯膠溶液為連續相制備的橙油乳化液,較之以乳清分離蛋白溶液制備的乳化液具有更高的穩定性。由于明膠和阿拉伯膠都具有乳化性,在以這二者為壁材的復合凝聚法制備親脂性食品配料微膠囊的研究中,單獨使用明膠或阿拉伯膠溶液作為連續相,對芯材進行乳化的操作方法皆有報道[9,43]。Piacentini等[29]以魚明膠和阿拉伯膠作為壁材,使用復合凝聚法對葵花籽油加以微膠囊化,乳化分散芯材時,使用魚明膠和阿拉伯膠的混合溶液作為連續相,所得到的乳化液粒徑的單分散性比單獨使用其中任一種時都更好,說明二者之間具有增強乳化性的協同作用。

2.2果膠

相比阿拉伯膠,果膠的來源更為廣泛,成本也相對低廉。果膠多糖分子上存在具有大量乙酰基基團的蛋白殘基,使果膠在低濃度下即具有良好的乳化性[46]。不同來源及加工方式所得果膠的乳化性具有較大差異,這將對其作為復合凝聚法制備微膠囊壁材的適用性造成影響[47]。董志儉等[48]以魚油為芯材,通過內切聚半乳糖醛酸酶對果膠加以酶解改性,研究了不同酶解條件對果膠-明膠復合凝聚物產量和粘度的影響,并成功地以果膠代替阿拉伯膠制備了多核球狀魚油微膠囊。李玉輝[21]通過測定濁度、散射光強度以及流體力學半徑,對甜菜果膠與明膠的復合凝聚特性進行優化,并在此基礎上制備了橄欖油微膠囊,產品的產率和效率分別達到89.7%和76.3%,且產品具有分散性好、粒徑均一和結構致密的優點。

2.3卡拉膠

卡拉膠(又稱角叉菜膠)是提取自紅藻的陰離子線性多糖,根據硫酸酯結合形態的不同,分為κ型、ι型和λ型,其中κ型卡拉膠常用于復合凝聚法制備脂溶性食品配料的微膠囊壁材[2,17,49-50]。卡拉膠的乳化性較差,但當其與蛋白質類壁材復合使用時,可以一定程度增加體系粘度,這有助于提高微膠囊產品的形態穩定性和結構致密性[40]。Briones等[50]對三種類型的卡拉膠的研究表明,κ型卡拉膠可與殼聚糖發生復合凝聚,且制備的微膠囊產量最高。Devi等[17]發現以A型明膠和κ型卡拉膠為壁材,使用復合凝聚法制備的印楝油微膠囊的效率與交聯劑(京尼平)的用量或壁材濃度成正比,芯材的釋放速率與交聯劑的用量或壁材濃度成反比。Dima等[2]以殼聚糖和κ型卡拉膠為壁材,使用復合凝聚法制備了甜椒精油微膠囊,研究了其釋放特性與壁材比例、殼聚糖濃度和溫度等工藝參數之間的關系,并證明了此種微膠囊在肉類食品中的應用潛力。

2.4殼聚糖

殼聚糖(又稱脫乙酰甲殼素)是一種線性多糖,其不同于大多數天然多糖,是一種陽離子電解質,可以與阿拉伯膠、卡拉膠等帶負電荷的多糖發生復合凝聚[2,19,41]。殼聚糖的生物相容性以及生物降解性良好,加之其價格便宜,因而適宜應用于食品配料的微膠囊化[19]。Yang等[19]采用殼聚糖和阿拉伯膠為壁材,以京尼平為固化劑,使用復合凝聚法制備香草油微膠囊時發現,殼聚糖的粘度對微膠囊的制備有重要影響,粘度過低時無法形成微球,過高則發生粘連。當香草精油與殼聚糖之比為2∶1(w/w)時,微膠囊化效率達到94.2%,產品的熱穩定性良好,且在25 ℃儲存30 d后芯材仍保留60%,因此其作為食品香料具有很好開發和應用前景。殼聚糖亦可在適當的pH條件下與明膠發生復合凝聚反應以包埋脂溶性食品配料[42]。

2.5羧甲基纖維素鈉

羧甲基纖維素鈉是纖維素羧甲基醚的鈉鹽,采用明膠和羧甲基纖維素作為壁材通過復合凝聚法制備的微膠囊可用于包埋香料[51]。羧甲基纖維素鈉的電荷密度比阿拉伯膠大,當電荷密度較大時容易發生沉淀而非產生流體復合凝聚物,因此使用羧甲基纖維素鈉時,其與陽離子電解質的比例十分重要,通常需要先優化復合凝聚的工藝參數(包括壁材比例、pH等),之后再進行更深入的研究和應用[28]。羧甲基纖維素鈉的羧基取代度對微膠囊的制備至關重要,當取代度大于1.5時體系難以達到靜電平衡而無法形成微膠囊,而小于0.4時則將導致其不溶于水[28]。Devi等[52]的研究表明,A型明膠與羧甲基纖維素鈉的最大復合凝聚產量發生在二者比例為2.33∶1(w/w)、pH3.5時,制備的印楝籽油微膠囊的效率與其芯壁比、交聯劑用量和壁材濃度成正比,產品粒徑與其壁材濃度成正比。Lv等[28]優化了B型明膠與羧甲基纖維素鈉的復合凝聚工藝,所得最優條件為二者比例7∶1(w/w)、復合凝聚的pH為4.48,所制備的茉莉精油微膠囊為粒徑45 μm左右的均一微球體。

2.6海藻酸鈉

海藻酸鈉是從褐色海藻中提取的天然陰離子多糖,使用海藻酸鈉制備脂溶性食品配料微膠囊時多采用銳孔法,而復合凝聚法的使用相對較少。Devi等[53]以A型明膠-海藻酸鈉為壁材,通過復合凝聚法制備了橄欖油微膠囊,所得最優條件為明膠與海藻酸鈉比例為3.5∶1(w/w)、復合凝聚的pH為3.5～3.8,微膠囊粒徑與壁材濃度成正比,微膠囊化效率和芯材的釋放特性受芯壁比、交聯劑用量和壁材濃度的影響。

復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊所選用的多糖除殼聚糖外均為陰離子多糖,利用陰離子多糖在體系中蛋白質帶有正電荷的較低pH的環境中仍然帶負電荷的性質,從而實現復合凝聚。多糖通常具有良好的溶解性,且在高濃度下依然保持較低粘度,這是多糖作為復合凝聚法壁材的主要優勢。阿拉伯膠是復合凝聚法制備脂溶性食品配料應用最廣泛的多糖,其它多糖類壁材則根據不同的加工特性應用于不同的場合。

3　總結與展望

復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊所用壁材的選擇應同時考慮壁材的加工特性和功能特性,前者包括溶解性、乳化性以及帶電特性(包括電荷性質與電荷密度)等,這些主要影響微膠囊化的產率以及效率等工藝指標;后者包括壁材的物理阻隔能力以及抗氧化性等,這些主要影響微膠囊產品對芯材的保護能力等性能指標。對于潛在壁材的開發,可以先使用Zeta電位法、濁度法等方法研究壁材的復合凝聚特性,確定可行的工藝參數后再進行更深入的研究和應用。

目前,由于加工特性的限制,復合凝聚法制備脂溶性食品配料微膠囊的壁材選擇范圍較為局限。此外,應用于微膠囊的壁材通常僅能發揮阻隔的效用,而并不具備生理功能活性,使得微膠囊產品的功效較為單一,僅能由芯材發揮。綜上所述,未來的研究可以著眼于如下幾個方面:其一，植物蛋白的開發利用:植物蛋白來源廣泛且成本較低,并可以避免消費者對一些動物蛋白安全性的擔憂,也可以規避一些宗教因素的影響。包括玉米蛋白、大麥蛋白和豌豆蛋白在內的一些植物蛋白,已被成功地應用于噴霧干燥法制備脂溶性食品配料微膠囊,然而植物蛋白在復合凝聚法中的使用仍局限于大豆分離蛋白,這主要是由于其它植物蛋白的加工特性較之大豆蛋白仍有不同程度的差距。在今后的研究中可以考慮通過酶改性或物理改性等方法,提升植物蛋白的溶解性和乳化性等加工特性,亦可通過與多糖的合理復配使用加以改善,以滿足復合凝聚工藝的需要。其二，功能性多糖資源的開發利用:近年來,針對植物功能性多糖的研究較多,它們多具有良好的抗氧化性和抑菌功能,并可以提高機體的免疫力,降低血糖和血脂以及延緩衰老進程。但是,功能性多糖的穩定性通常較差。若使用功能性多糖與作為傳統壁材原料的多糖進行復配,并與蛋白質聯合使用后,再對復合凝聚的工藝條件加以優化,則有望制得具備更優秀功能活性的微膠囊產品。其三，壁材生理活性的改善:目前已有大量關于蛋白質及其改性產物生理活性的研究,但有關蛋白質改性產物作為復合凝聚法壁材的報道尚且甚少。經改性的蛋白質可能一定程度地喪失參與復合凝聚的能力,對此可以考慮通過控制改性程度或二次改性等方法,使其在生理活性提高的同時又保留參與復合凝聚反應的能力。此外,蛋白質和多糖的美拉德反應產物已被證明具有良好的抗氧化性和抑菌功能,也曾被成功地應用于復合凝聚法制備微膠囊,但針對此方面的研究仍然較為欠缺,在該領域的深入拓展,可能使其成為未來的優選壁材之一。

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Research progress in wall materials for microencapsulating lipophilic food ingredients by complex coacervation

MA Tie-zheng,ZHAO Hong-liang,WANG Jing*

(School of Food and Chemical Engineering,Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients,Beijing Engineering and Technology Research Center of Food Additives,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Lipophilic food ingredients have been widely applied in food industry. However,a host of problems have to be faced. The microencapsulation is recognized as an effective measure for improving the stability and quality of lipophilic food ingredients. For its microencapsulation,complex coacervation is recognized as a common method. According to the principle and mechanism of complex coacervation,the characteristics and applications of the wall materials including proteins and carbohydrates were introduced,and its recent advances and trends in research and development were discussed and summarized.

complex coacervation;microcapsules;wall materials;lipophilic food ingredients

2015-12-10

馬鐵錚(1984-)，男，博士，講師，研究方向：糧油加工與功能性食品配料，E-mail:matiezheng@btbu.edu.cn。

王靜(1976-)，女，博士，教授，研究方向：食品功能因子與品質改良，E-mail:wangjing@th.btbu.edu.cn。

國家自然科學基金青年科學基金項目(31501408)；北京市優秀人才培養資助青年骨干個人項目(2014000020124G033)。

TS201.1

A

1002-0306(2016)13-0365-06

10.13386/j.issn1002-0306.2016.13.067