微胶囊技术及其在功能性食品中应用的研究进展

1、微胶囊技术及其在功能性食品中应用的研究进展陈小威,*孙尚德,周文雅(河南工业大学粮油食品学院,河南郑州450001摘要:微胶囊技术是21世纪的重点高新技术之一,应用非常广泛,尤其在功能性食品方面备受青睐。阐述了微胶囊壁材、微胶囊制备方法以及微胶囊技术在功能性食品方面的应用,并展望了微胶囊技术的应用。关键词:微胶囊技术;功能性食品;生物活性物质中图分类号:TS201文献标志码:A doi:10.3969/jissn.1671-9646(X .2012.11.037Progress in Microcapsules Techniques Applications in Functional foo

2、dsCHEN Xiao-wei,*SUN Shang-de,ZHOU Wen-ya(College of Food Science and Technology,He'nan University of Technology,Zhengzhou,He'nan 450001,China Abstract:Microcapsule technique is one of the high-new technologies in 21st century,and is widely used,especially in func-tional foods.In the present

3、 work,the wall materials and the preparation methods of microencapsulation are summarized,the ap-plication in functional foods and future are introduced.Key words:microcapsule technique;functional foods;bioactive substances收稿日期:2012-08-19作者简介:陈小威(1987,男,河南人,在读硕士,研究方向:油脂化学。E-mail:chenxiaowei409 。*为通讯

4、作者:孙尚德,男,副教授,硕士生导师,E-mail:sunshangde 。文章编号:1671-9646(201211-0139-04微胶囊技术最初始于20世纪40年代,用于制备鱼肝油的微胶囊。微胶囊技术是采用成膜材料将液体或固体包封形成微小粒子,这些微小粒子称为微胶囊。其直径大小一般在11000m,随着技术的进步,已制备出纳米胶囊,其粒子大小在11000nm 1。包封用的成膜材料称为壁材,许多天然物和合成物都可以用作壁材。被包封的材料称为芯材或囊材,一般是一些具有反应活性、敏感性或挥发性的液体、固体或气体。微胶囊技术可以将芯材与周围环境隔开,从而有效减少了芯材物质对水、光、氧气、温度等环境因

5、素的反应,从而改善和提高芯材物质的表观和性质,因此,尤其适合在需要保持生物活性的功能食品中应用。而通过适当地选取壁材,可赋予功能食品(功能因子靶向性和控缓释性2。1微胶囊的壁材对一种微胶囊产品来说,合适的壁材非常重要。选择适当的壁材是微胶囊化成功的关键,壁材在很大程度上决定着产品的理化特性。理想的壁材必须具备如下特性:能与芯材相配且不发生化学反应;具有一定的强度及力学性能;具备适当的溶解性、流动性、乳化性、渗透性和稳定性等。目前常用的壁材主要有植物胶类(如海藻酸钠、琼脂、阿拉伯胶、卡拉胶、黄原胶等、淀粉及其衍生物类(如羧甲基淀粉、低聚糖、糊精类(如麦芽糊精、环糊精等、糖类(如蔗糖、乳糖、麦芽糖

6、等、纤维素类(如甲基纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素等、蛋白质类(如明胶、酪蛋白及其盐类、豆分离蛋白、乳清蛋白等和脂类(如虫腊、石蜡、蜂蜡、硬脂酸甘油三酯、单甘酯、甘油二酯、卵磷脂等3-4。实际应用中,很少只用一种包膜材料来实现微胶囊化,而是常用2种或2种以上的壁材复合物来达到理想的包埋效果。微胶囊化的方法、壁材的价格及来源、产品的要求等均会直接影响到壁材的选择。2微胶囊制备方法2.1分子包埋法分子包埋法又称为分子包囊法或分子包接法,它是真正意义上的“分子微胶囊”,因为这是在分子水平上进行包接的微胶囊化方法5。此法使用-环糊精及其衍生物为壁材,而芯材必须是有疏水端的分子,如维生素、脂溶性色素

7、、香精油及油树脂等;芯材和壁材通过氢键、范德华力和疏水效应等作用第11期(总第298期农产品加工·学刊No.112012年11月Academic Periodical of Farm Products Processing Nov.农产品加工·学刊2012年第11期连接。分子包埋法工艺简单、成本较低,但对芯材有比较严格的要求,必须是非极性分子,且分子大小必须适应-环糊精及其衍生物的疏水中心的空间位置。陈发河等人6对胡萝卜素-环糊精微胶囊制备工艺进行了研究,结果在胡萝1-素油与-环糊精的比值18,加水量80mL,搅拌时间5h,搅拌温度50,搅拌速度1200r/min的条件下,

8、对胡萝卜素的微胶囊化取得良好效果。对各种不同的包埋物而言,虽然包埋情况复杂,需要深入研究的课题也很多,但在实际应用过程中,分子包埋法操作方法和所需设备远比其他微胶囊化方法简单,故在生产中更容易推广。2.2喷雾干燥法喷雾干燥法是微胶囊技术中最为广泛应用的方法,也是最常见、最经济的方法。其原理为将芯材分散在壁材溶液中,然后在高温气流中将芯壁材的混合溶液雾化,使溶液中溶解壁材的溶剂迅速蒸发,最终使壁材固化并最终将芯材微胶囊化7。该方法具有成本低廉,生产工艺简单,适于大规模、连续化生产,物料温度较低的特点,非常适用于热敏性物质的微胶囊化生产,且设备易得、操作灵活、无环境污染。经过半个多世纪的发展,该技

9、术已经很成熟。2.3凝聚法凝聚法通常被认为是最原始的微胶囊制备方法。因凝聚方法的不同又可分为单凝聚法和复凝聚法。凝聚法的原理为:首先将芯材稳定地乳化分散在壁材溶液中,然后通过加入另一物质,调节温度和pH值,或采用其他特殊的方法,以降低壁材的溶解度,使壁材在溶液中凝聚包覆在芯材周围,实现微胶囊化的过程8-9。明胶和阿拉伯胶系统是研究最为深入的适合于凝聚的胶质系统,近年来也研发出许多新的具有优良特性的凝聚系统,比如壳聚糖和海藻酸钠凝聚系统等。2.4挤压法挤压法是一种新型微胶囊化方法。由于挤压法在低温下进行,所以适用于该法的芯材通常为油溶性的热敏性物质,如二十碳五烯酸(EPA、二十二碳六烯酸(DHA

10、、维生素以及香精香料等,壁材多选用明胶、琼脂等可形成弹性膜的物质。挤压法的优点是能够形成致密完整的玻璃态壁膜,具有优良的阻隔性能,能显著延长产品的货架寿命,并且风味物质损失小。其突出的缺点是包埋率较低、具有硬糖颗粒物性;此外用于挤压法的包膜原料几乎都是碳水化合物;挤压法得到的颗粒一般较大10-11。2.5微生物微胶囊化法最早是由英国科学家利用微生物菌体细胞制备微胶囊。20世纪70年代发现霉菌、酵母菌等真菌微生物适合作为胶囊原料。人们先后对纤维状霉菌、酵母菌、原生虫等各类微生物进行研究,经过比较,发现以酵母菌作为微胶囊原料的效果最好。酵母微胶囊法是以啤酒酵母或者面包酵母为壁材,用自溶法或酶溶法除

11、去细胞内可溶化成分,使细胞壁内部空洞化,让内芯物质(如多不饱和脂肪酸在一定条件下与酵母细胞壁高频度接触而进入细胞内,再离心除去未封入内芯物质而形成酵母微胶囊。酵母微胶囊的直径一般为58m,密度与水相近,在水中具有优良的分散性12-13。因细胞壁有很强的韧度与柔软度,即使经高压锅加压、加热处理或冷冻处理,被包埋的油脂、不饱和脂肪酸等仍十分稳定,耐加工性非常好14。2.6纳米微胶囊制备技术纳米微胶囊通常采用聚合法、界面溶剂交换法和纳米自组装法等合成,与传统的微胶囊相比具有更好的靶向性和缓释效果15。由于纳米微胶囊通常是采用聚合、相分离、双乳化或溶剂蒸发技术所获得的,因此其成品稳定性好,便于加工和灭

12、菌;由于纳米微胶囊所使用的壁材是生物降解聚合物如聚乳酸、明胶、树胶、阿拉伯胶等,因此纳米微胶囊生物相容性好,能在体内降解,毒副作用小。Gouin16阐述了食品纳米微胶囊缓释与控释技术的重要性,即适时地、靶向性地释放食品组分改善了食品添加剂的效力,拓展了食品组分的应用范围,确保了最佳剂量,从而提高了食品制造商的成本效率。目前纳米微胶囊已被应用于食品添加剂、饮料加工、粉末油脂和生物活性物质包埋等领域。3微胶囊技术在功能性食品中的应用采用微胶囊化功能性食品,既可以防止外界环境中水分、氧气和阳光等对食品质量的影响,又可以掩蔽功能因子自身的不良风味,防止营养素之间及其和食品配料之间的相互作用,因此微胶囊

13、技术广泛应用于功能食品生产中。3.1活性肽和功能性蛋白的微胶囊化王芹等人17采用-谷甾醇、豆甾醇、麦角甾醇三种植物甾醇作为膜材构建新型脂质体,用于功能性多肽的包载。采用薄膜分散法制备胰岛素脂质体,并以CL-4B为介质分离溶液中游离的胰岛素。以包封率为考察对象,胰岛素溶液质量浓度为1.0mg/mL,制备温度42.3时,调整卵磷脂与植物甾醇质量比(1.756.00,以及3种植物甾醇在总甾醇中的比例,对胰岛素脂质体进行配方优化。在最佳条件:卵磷脂与植物甾醇质量比为2.961.00,-谷甾醇与豆甾醇质量比控制在1.001.13,微胶囊包封率可达到58.23%。蛋白的易腐败性致使生产上不得不采用高温或长

14、时的杀菌,使得蛋白部分变性丧失营养功能特性。而经过微胶囊化的脂质体强化的牛奶可耐受140··2012年第11期巴氏消毒处理(6365/30min,在冷藏条件下储存7d还保持良好的稳定性。胡耀辉等人18报道了采用喷雾干燥生产核桃蛋白肽微胶囊。得到了高达84%微胶囊的成品率,经过微胶囊化得核桃蛋白肽显著提高了稳定性,延长了货架期,并且易于储存与运输。3.2食用油脂及功能性成分微胶囊化以赤豆可溶性酶解产物为壁材,添加无水奶油制备赤豆微胶囊固体粉末油脂,产品口感好,保质期长,由于是以全赤豆为原料,不仅保留了赤豆的各种营养和其他有效成分,而且增加了产品中膳食纤维的含量,并且溶解性较好

15、,食用方便19。陈明星等人20报道了采用微胶囊技术包埋玉米胚芽油。在对微胶囊技术中壁材构成比例、芯材添加量、固形物质量分数等进行研究,发现在壁材-环糊精与大豆分离蛋白的质量比为11,芯材添加量为40%,固形物质量分数为15%,得到的芯材包埋率可达90.9%。微胶囊化后的产品具有贮存稳定、使用方便等特点。徐井水等人21以大豆卵磷脂为芯材,采用喷雾干燥法生产大豆卵磷脂微胶囊。研究确定了其最佳工艺条件:壁材为大豆分离蛋白、明胶、麦芽糊精,三者质量比为1.51.010.0,乳状液固形物含量为25%,在45,25MPa条件下均质2次,进风温度200,出风温度85。在此条件下,包埋率达到67.4%。大豆卵

16、磷脂微胶囊化后,吸湿性显著降低,有利于延长其货架期。采用O/W(水包油微乳液法对植物甾醇乳化,进行喷雾干燥得到植物甾醇微胶囊粉末。在乳化剂蔗糖脂肪酸酯(HLB16质量分数为12%,助乳化剂蔗糖质量分数为12.5%,壁材为酪蛋白酸钠,在60水浴中乳化,高速剪切30min后得到的植物甾醇粉末在水性材料中分散稳定、均一22。有报道提出了喷雾干燥法制备微胶囊大豆异黄酮的工艺及技术,制备的大豆异黄酮微胶囊产品,包埋率高达86%,且气味纯正,无异味;颜色浅黄;颗粒细腻、均匀,大多呈球状;干燥,不结块;水分含量1.83%;流动性好,溶解度高23。3.3维生素的微胶囊化马云标等人24通过乳化喷雾干燥的方法制备

17、VE 微胶囊,得到的微胶囊的包埋率为89.02%,VE残留率为91.73%,水分含量为2.67%,产品呈乳白色,具有较好的色泽。在利用Avrami's公式对VE微胶囊在50,相对湿度32%,50%和75%条件下的释放机理及其速率常数进行了分析后发现微胶囊产品在相对湿度32%条件下的释放更加接近于扩散限制动力学,而在相对湿度75%条件下的释放更加接近于一级动力学,这也表明在相对湿度高的情况下不利于微胶囊产品的贮藏。3.4营养强化食品中的微胶囊化3.4.1在婴幼儿营养强化食品中的应用婴幼儿成长期,婴幼儿每单位体质量所需要的热量、蛋白质及各种维生素、矿物质的数量比成年人高出2倍3倍。营养强化

18、食品的合理应用是实现均衡营养,促进婴幼儿健康成长的有效措施。但是某些营养强化剂易氧化、稳定性比较差,如脂溶性维生素。脂溶性维生素易受光、氧的影响,易发生氧化降解,稳定性差,而通过进一步改进交联法,交联过程系用辐射交联或酶法交联,克服了加热交联法的缺点,将不易分散的液态的脂溶性维生素制成固体粉末25-26。微胶囊化后克服了脂溶性维生素本身的缺点,使其成为性质稳定、取用方便、流动性好的适用于向婴幼儿食品中进行强化的优质原料。3.4.2在孕妇营养强化食品中的应用孕妇强化食品富含蛋白质、VC以及铁、钙等营养物质,以满足孕妇对营养素的特殊需求,是实现孕妇的合理营养、科学膳食十分必要的手段。对于VC遇潮易

19、氧化,则可将其细粉分散在乙基纤维素的异丙醇溶液中,后经喷雾干燥后得乙基纤维素包埋的VC胶囊,经过胶囊化后的VC胶囊在贮存期内质量较稳定,可很好地满足市场上孕妇营养强化产品的需求27。3.4.3在军用强化食品中的应用谷类蛋白质中缺乏的赖氨酸,影响蛋白质的功效比值,而在军用强化食品加入的赖氨酸天门冬氨酸盐强化剂有很强的异味。应用喷雾干燥法将赖氨酸天门冬氨酸盐微胶囊化28,作为营养强化剂加入谷类食品,可以较好地解决上述问题。3.5其他王闯等人29报道了以反式叶黄素晶体为芯材,辛烯基琥珀酸酯化淀粉和蔗糖为壁材,通过乳化、均质、喷雾干燥等工艺,制备叶黄素微胶囊。得到的叶黄素微胶囊溶解性高,流动性好,水分

20、含量低于5%,可长时间储存。王永涛等人30通过制备洋葱皮黄酮微胶囊,以提高洋葱皮黄酮的稳定性。以-环糊精为壁材,研究了分子包埋法制备微胶囊工艺中不同因素对微胶囊化包埋率的影响。结果表明,芯材与壁材的最佳配比为1.0011.49,搅拌时间60.6min,搅拌温度61。在此条件下,产品微胶囊化效率达到41.26%。4微胶囊技术目前存在的问题微胶囊技术作为一种食品加工新方法,在欧美已十分普遍。同国外先进技术相比,我国的微胶囊技术还处于起步阶段,微胶囊主要以进口为主,尤其是在功能性食品方面的应用更是被国外垄断,因陈小威,等:微胶囊技术及其在功能性食品中应用的研究进展141··农产品

21、加工·学刊2012年第11期1糖浆制作果脯,对于降低果脯的含糖量效果十分明显,所制成的青枣脯经测定总糖含量为5.953%,比市售红枣脯的糖含量降低了91%。(3产品选用真空干燥,烘干时间短,与其他2种方法比较节约干燥时间13h,既很好地保持了产品风味和色泽,又节能降耗。参考文献:陈岩,赵燕萍.GB/T 107822006蜜饯通则S.北京:中国标准出版社,2006.殷冬梅,胡责成.麦芽糖醇的特性及应用J.河北化工,2007(5:34-35.李桂琴.实用果脯加工工艺M.北京:中国农业出版社,2002.郑红莲,林勤保,蒋海峰,等.无添加糖果脯的研制J.农产品加工(学刊,2009(11:21

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