大豆分離蛋白的特性及在微膠囊領域的應用進展

劉海容， 徐 冉， 劉愛榮， 趙由才

(同濟大學環境科學與工程學院1，上海 200092) (上海污染控制與生態安全研究院2，上海 200092)

大豆分離蛋白(SPI)是豆油工業的副產品脫脂豆粕經水浸提并低溫離心后，從離心上清液中回收精煉得到的產品[1]。工業生產的大豆分離蛋白，蛋白質質量分數不低于90%，常用于動物飼料和食品補充劑，常因其蛋白質含量高、功能特性好而被認為是豆類蛋白中最典型的代表。大豆分離蛋白的生產、開發與應用的產業化研究最早開始于美國、日本及歐洲一些國家[2]。20世紀80年代初，我國開始生產大豆分離蛋白，并將其作為一種高功能食品添加劑廣泛應用于食品行業。二十一世紀 “白色污染”問題的出現，大豆分離蛋白也因價格低廉、資源豐富而被學者們用于探索天然可降解材料代替石化塑料應用的可能性。近年，大豆分離蛋白薄膜已廣泛應用于食品包裝等領域[3]。

微膠囊技術由于其對生物活性物質的保護和控釋性能，在各個領域應用頗多。良好的壁材能夠使芯材具有更好的生物利用度，保護芯材不受外部環境因素的損害從而延長芯材的半衰期，實現芯材的控制釋放[4]。選擇合適的壁材是微膠囊系統設計的核心步驟。壁材的選擇在材料具有適當的機械強度、溶解度、流動性、乳化性、穩定性的基礎上，更取決于芯材種類與應用目的。材料的多樣性也使得壁材的選擇更加多元化，越來越多的復合壁材被用于微膠囊的包埋，以彌補單一壁材的缺點。大豆分離蛋白因資源豐富，又具有一定的乳化性、阻氧性和凝膠性，是潛在的微膠囊壁材。在實際應用過程中，常常使用復合壁材或將其改性以彌補大豆分離蛋白在機械性能方面的不足，并進一步提升其在其他性能的表現。

1 大豆分離蛋白的特性

溶解性和黏度影響大豆分離蛋白在乳化、凝膠等方面的表現。其在溶液介質中的溶解性和黏度與各組分的含量、溶液的溫度、鹽的種類以及離子強度相關。大豆分離蛋白溶液的實際制備過程中，需要調節pH、溫度、質量濃度和離子強度，從而控制溶液的溶解度和黏度。

大豆分離蛋白分子結構的水油兩親特性使其可以實現對疏水性芯材的包埋。蛋白質可以通過吸附油脂減少界面張力，從而達到穩定油滴，防止聚集，形成均一乳狀液的目的。

大豆分離蛋白的親水肽鏈使其具有較好的水分保持能力，表現出吸水、持水和膨潤的特性[5]，受溶解性、黏度和凝膠性的影響。但過高的吸水性和保水性將影響微膠囊的保質期。

大豆分離蛋白溶液可經處理后變性，將不可逆的聚集成規則的蛋白質網絡，即為凝膠。蛋白質含量越高，所形成的凝膠越密實，彈性和韌性越好，對芯材的保護能力也就越強[5]。獨特的四級結構使其可以在不同的位置成鍵，因此蛋白質基膜相比于脂類和多糖，在阻氧和二氧化碳領域，具有更好的氣體阻隔性能，能夠實現對囊內芯材更好的抗氧化保護[6]。

大豆分離蛋白有一定抑菌性。推測β-大豆伴球蛋白上甘露糖結構的存在，是大豆分離蛋白抑菌特性的主要原因[7]。這種特性為大豆分離蛋白作為微膠囊壁材增加了應用潛力。

2 大豆分離蛋白微膠囊的制備方法

制備獲得大豆分離蛋白微膠囊的技術已有多種，此處介紹最常見的3種制備方法。

噴霧干燥是將霧化的噴霧通過高溫氣體介質，一步將溶液、懸浮液或乳化液轉化為干粉的過程，包括噴霧冷凍干燥、超臨界噴霧干燥、納米噴霧干燥、超聲輔助噴霧干燥等等，是目前最常見的微膠囊制備方法之一[8]。自1860年以來，已經在食品和制藥行業得到了大規模的應用。噴霧干燥法的優點在于產品性質均一穩定、含水量低、加工時間短且可連續、工藝簡單靈活、成本低廉、可用于大規模生產。但噴霧干燥法的缺點在于粉末的粒徑和性能難以控制，干燥過程可能會導致部分生物活性物質的損失[9]。

凝聚法是最常用的物理化學法之一，也可稱為相分離法。根據聚合機理的不同，可分為單凝聚法和復凝聚法，并以復凝聚法使用居多。凝聚法的原理是通過添加助劑使得溶液環境(pH、離子強度、溫度等)發生改變，導致溶液中的高分子聚合物析出，在其沉積過程將囊芯包封在內而完成封裝。單凝聚法通常只涉及單一聚合物，通過添加沉淀劑使壁材溶解度降低，芯材隨其一起析出而沉積得微膠囊，成本相對較高。復凝聚法具有負載率高、包封率高、工藝簡單的優點，可以避免有機溶劑的使用且可用于非水溶性芯材的封裝，也可通過調整壁材的種類和比例進行功能化設計。但復凝聚法高產率的條件較為嚴苛，對pH和離子強度的控制要求較高，常用攜帶相反電荷的蛋白質和多糖作為封裝壁材[10]。

冷凍干燥是把所制備的乳化液或懸浮液冷凍至冰點以下，在低壓狀態下，將其中已經凝為固態的水分直接升華轉為氣態除去的過程。冷凍干燥技術通常應用于熱敏物質的微膠囊封裝，能在保持生物活性的同時實現較為徹底的脫水。同時，由于干燥過程在低壓狀態下進行，也能避免生物活性物質同氧氣接觸發生氧化，對物質的物化結構影響極小[11]。但冷凍干燥存在成本高、制備時間長等缺點，在實際生產中較少應用，多用于實驗室課題研究中。

3 大豆分離蛋白微膠囊的應用進展

大豆分離蛋白作為微膠囊壁材的應用剛剛起步。表1為大豆分離蛋白微膠囊的研究進展情況。從適合封裝的芯材種類分析，大豆分離蛋白及其復合微膠囊既可以封裝脂溶性芯材，也可以封裝水溶性芯材。在實際研究中，大豆分離蛋白多用于封裝油脂類芯材，包括含有易氧化成分的魚油、各類植物精油及籽實榨油等，其原因在于大豆分離蛋白對油脂和水分的良好吸附穩定作用[12]。同時，大豆分離蛋白良好的成膜性和阻氧性，也能夠減少芯材所受空氣中氧氣的影響，減少油脂類芯材的氧化。此外，由于大豆分離蛋白具有人體可消化植物蛋白的特殊性，常用于封裝具有功能性的營養成分，實現芯材在胃腸的緩控釋，減少芯材在胃酸環境中的損耗，如益生菌、微量元素等體額外營養補充成分。李曉娣[13]以大豆分離蛋白為壁材使用單凝聚法對德氏乳桿菌進行了封裝，所制備的微膠囊經過模擬胃腸道系統處理，菌體濃度從1.4×1010CFU/mL下降到1.9×109CFU/mL，相同情況下裸菌菌體濃度從1.8×1010CFU/mL下降到2.5×105CFU/mL，表現出顯著的緩釋性能，使菌體濃度維持在作用濃度以上。

從壁材種類分析，復合壁材遠多于單獨使用大豆分離蛋白。單一大豆分離蛋白的溶解度較低，所制備的微膠囊包埋率和產率都有限。為提升微膠囊的物化性能，通常采用對大豆分離蛋白進行前處理或使用復合壁材2種手段，其中復合壁材應用更廣，并以蛋白質和多糖組合為主。多糖的添加會減輕蛋白質粒的聚集問題，改善其溶解性和流動性[14]。最常同大豆分離蛋白復合使用的壁材為麥芽糊精，其次為阿拉伯膠。兩者成本低廉且已在微膠囊領域有豐富的應用歷史。海藻酸鈉良好的乳化性和膠凝性，其作為微膠囊壁材的應用潛力正逐漸開發。此外，殼聚糖、果膠、魔芋膠等多糖受限于高成本，僅有少量研究用于開發功能性食品。Yuan等[15]使用殼聚糖和大豆分離蛋白封裝藻油。相同環境下，純大豆分離蛋白微膠囊的脂質氧化產物在120 h時開始急劇上升，而復凝聚所得微膠囊脂質氧化產物增加速度相對緩慢恒定，谷氨酰胺轉氨酶固化復凝聚反應后的微膠囊氧化穩定性表現最好。

大豆分離蛋白無論作為單一壁材還是同其他壁材共同使用的情況都存在分子量高，對pH較為敏感等問題，因此常常使用乳糖、麥芽糊精和谷氨酰胺轉氨酶對其進行改性，以提高大豆分離蛋白在水溶液中的溶解度和乳化性，進而提高微膠囊的包埋率。Zhang等[16]使用水解大豆分離蛋白和麥芽糊精的接枝產物對魚油進行封裝，明顯提高了魚油的氧化穩定性。在相同條件下儲存4周后，接枝產物制備的微膠囊中脂質氧化產物丙醛的含量約為水解大豆分離蛋白微膠囊的38.2%，能夠有效減少魚油氧化分解。在實際微膠囊封裝過程中，應用改性技術對大豆分離蛋白進行預處理雖然比較少見，但已經有很多嘗試，例如酶改性、熱改性、超聲改性、糖基化改性等改性技術，可以轉化應用于微膠囊壁材的改性開發。但大豆分離蛋白改性對于微膠囊實際物化性能的改善機理仍續進一步的實驗研究與探索。

從制備方法分析，應用最廣泛的為噴霧干燥技術。冷凍干燥和復凝聚法由于生產環境要求和成本等問題而較少被使用。由于普通噴霧干燥過程中的高溫環境會使芯材發生較大損耗，噴霧冷凍干燥技術的應用有待進一步普及。海藻酸鈉作為復合壁材使用時，會根據海藻酸鈉和二價鈣離子的交聯凝膠性，使用擠壓法、內源乳化凝膠法等方法制備，但該方法生產效率較慢，在實際生產中較為少見。近年由于技術的發展進步，出現了諸如電噴涂等新型封裝技術。由于成本限制及規模化生產要求，未來的微膠囊制備應仍以噴霧干燥技術為主。

從功能用途分析，大豆分離蛋白微膠囊研發最常見于食品領域，主要用于營養物質或香精等易揮發、易氧化成分的封裝，以提高目標成分的氧化穩定性，延長貨架期。大豆分離蛋白微膠囊具有較好的阻氧性，因此在減少芯材氧化方面具有比較明顯的優勢。Chen等[17]研究驗證了大豆分離蛋白-姜黃素納米復合物在二甲基亞砜中的氧化自由基吸收能力(ORAC)約為純姜黃素的1.91倍。Zhou等[18]以大豆分離蛋白和麥芽糊精為壁材，采用噴霧干燥法制備了核桃油微膠囊。60 ℃的條件下儲存7 d后，核桃油的過氧化值約為微膠囊中核桃油的5.3倍，證明微膠囊成功提升了核桃油的氧化穩定性。除用于提升芯材的氧化穩定性外，大豆分離蛋白微膠囊最常用于實現芯材在胃腸環境下的緩控釋。Gaan等[19]制備的奇亞籽油-大豆分離蛋白微膠囊在儲存120 d后，微膠囊中油的過氧化氫值為初始的2.39倍，而相同條件下散裝油的過氧化氫值則為初始值的22.4倍。在體外消化實驗中，奇亞籽油微膠囊在唾液、胃和腸階段的釋放比例分別為13.44%、3.69%和78.54%，實現了微膠囊的體內控釋功能。

大豆分離蛋白同其他材料類似，作為壁材能起到隔絕外界環境，減少光、熱等不利環境影響的作用(見表1)。在降低芯材揮發氧化的同時，微膠囊制劑通過包封將油脂加工為易于加工運輸的固體制劑，彌補液體芯材在加工、運輸、儲存方面的不足。配合大豆分離蛋白的兩親特性，微膠囊技術能夠起到改善芯材水分散性，提高沖調性的作用。在包封芥末油、辣椒精油等具有刺激性氣味的芯材時，大豆分離蛋白微膠囊也能夠實現減少揮發，掩蓋氣味的目的。Molina等[20]以大豆分離蛋白為壁材，采用噴霧干燥法對酪蛋白水解物進行封裝，通過感官測試證明封裝能夠成功降低酪蛋白水解物的苦味。唐冬等[23]研究制備了以大豆分離蛋白和麥芽糊精為壁材的茶籽油微膠囊，使其具有較好的沖調性以滿足食品加工領域的應用需求。

表1 以大豆分離蛋白為壁材的微膠囊研究

4 結論及展望

大豆分離蛋白作為微膠囊壁材的優勢在于兩親結構使其可以同時封裝水溶性和脂溶性芯材，以及較好的阻氧能力能夠有效減少芯材物質的氧化。作為來源廣泛，成本低廉的天然高分子材料，大豆分離蛋白微膠囊在食品、醫藥、農藥領域產品都有著較大的發展前景。目前其已經表現出在功能性食品領域的發展潛力，尤其是封裝有益脂肪酸方面已經有了大量的嘗試。隨著微膠囊在醫藥領域的廣泛應用，大豆分離蛋白由于其胃腸的緩控釋特性，可以參與口服腸道用藥等靶向給藥系統的設計。目前其在給藥載體領域的發展嘗試仍然有所空缺。

大豆分離蛋白的應用主要受限于其乳化性和溶解性，包埋成膜后的力學性能和水蒸氣阻隔性能表現不盡人意。復合壁材和改性技術的使用仍然相對局限。在復合壁材的種類上可以有更多嘗試，如同小分子糖、脂質或其他蛋白質進行復合使用。大豆分離蛋白的前處理可以更多參考已有的蛋白質改性手段，包括熱改性、超聲改性，協同復合壁材共同作用，達到增加微膠囊產率和包封率，改善微膠囊物化性能的目的。