微膠囊技術(shù)及其在飲料加工中的應(yīng)用

田媛，弓志青，唐曉珍，王文亮，*

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品研究所，山東省農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部新食品資源加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250100；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安271018）

1 微膠囊技術(shù)

1.1 微膠囊技術(shù)的概念

微膠囊是由聚合材料外殼包裹內(nèi)容物的一種包容物或包裝物，其內(nèi)部裝載的物質(zhì)稱為芯材，外部包裹的物質(zhì)稱為壁材。微膠囊技術(shù)是指由高分子的聚合材料作為壁材，使其在芯材表面形成連續(xù)的薄膜，隔絕內(nèi)容物，從而形成微膠囊的一種新型技術(shù)。微膠囊技術(shù)可以將固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的物質(zhì)進(jìn)行包覆，盡可能的保留芯材物質(zhì)的色、香、味、營(yíng)養(yǎng)及活性，如今已在食品、醫(yī)藥、日用品、化學(xué)材料等領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用[1]。

1.2 微膠囊技術(shù)的特點(diǎn)

特殊的芯材物質(zhì)在經(jīng)過微膠囊化處理后，其顏色、形態(tài)、體積、質(zhì)量、溶解性以及貯藏性等都會(huì)發(fā)生一定的變化，在特定的條件下，芯材物質(zhì)會(huì)被緩慢釋放從而發(fā)揮作用。微膠囊產(chǎn)品的粒徑一般在1 μm～1000 μm之間。微膠囊的形狀各異，主要有不規(guī)則型、簡(jiǎn)單型、多芯型、多壁型、填質(zhì)顆粒型等；按功能特性區(qū)分，包括緩釋型、壓敏型、熱敏型、光敏型、膨脹型、pH值敏感型等[2]。

1.3 芯材和壁材的選擇

芯材大多是單一的某種物質(zhì)，也可以是幾種物質(zhì)的混合物，常用作芯材的物質(zhì)可大致分為精油、色素、油脂、菌種、酶、活性物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)成分等幾類，具體的芯材物質(zhì)如表1所示。

表1 制備微膠囊常用的芯材分類Table 1 Preparation of commonly used core materials for microcapsule

一般來說，芯材只有從微膠囊的囊壁中釋放出來才會(huì)發(fā)揮其功效，釋放速率分為瞬間釋放和緩慢釋放兩種，釋放速率易受到壁材厚度、孔洞大小、反應(yīng)方式等多種因素影響；芯材本身的溶解度、擴(kuò)散系數(shù)也會(huì)對(duì)釋放速率產(chǎn)生影響，一般芯材的釋放過程遵循零級(jí)或一級(jí)釋放速率方程。在飲料工業(yè)的生產(chǎn)加工中，色素類、活性物質(zhì)類和營(yíng)養(yǎng)成分類的芯材選用較多，微膠囊化的芯材物質(zhì)添加到飲料中，提升了飲料的品質(zhì)和價(jià)值，豐富了飲料的口感與風(fēng)味。

壁材的選擇對(duì)微膠囊應(yīng)用的效果具有很大影響，如滲透性、溶解性、流動(dòng)性等。所用壁材應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中食品添加劑的要求，同時(shí)具有良好的成膜性、溶解性、乳化性、干燥性、相容性，且黏度低、無毒、無刺激、可降解、來源廣、成本低，不與芯材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此外，芯材和壁材也具有相互選擇性，通常情況下，油溶性的壁材可用于包裹水溶性的芯材，水溶性的壁材則包裹油溶性的芯材，在油相和水相之間形成的表面張力使溶液形成穩(wěn)定的油包水或水包油體系[24]。

常用的壁材分為天然高分子材料和人工合成高分子材料。天然高分子材料毒性較小，黏度大，可降解；人工合成高分子材料強(qiáng)度高，易修飾，但生物相容性較差[25]。植物膠類（如阿拉伯膠、果膠）黏度大，成膜性好，穩(wěn)定性高；糖類（如麥芽糖、蔗糖、殼聚糖）具有良好的溶解性，但成膜性較差；淀粉及其衍生物類（如羧甲基淀粉、低聚糖）來源廣泛，無污染；糊精類（如麥芽糊精、環(huán)糊精）具有很好的耐熱性；纖維素類（如羧甲基纖維素、乙基纖維素）毒性小，黏度大，但不耐高溫；蛋白質(zhì)類（如明膠、大豆分離蛋白）和脂類（如石蠟、卵磷脂）具有良好的成膜性和乳化性[26]。PETROVIC等[27]利用噴霧干燥的方法，以羥丙基甲基纖維素為壁材，制備出向日葵油微膠囊，并通過實(shí)驗(yàn)研究了陰離子表面活性劑對(duì)微膠囊形成過程的影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，為了節(jié)約成本、達(dá)到更好的包埋效果，常選用兩種或兩種以上的壁材復(fù)合進(jìn)行包埋。CAI Xuran等[28]研究了5種比例羧甲基淀粉和黃原膠復(fù)合包埋藍(lán)莓花青素微膠囊的穩(wěn)定性，并通過體外釋放試驗(yàn)證實(shí)了微膠囊主要在胃中保留、腸中釋放。LOLENY TAVARES等[29]用乳清蛋白和殼聚糖復(fù)合，對(duì)大蒜提取物進(jìn)行微膠囊化，使大蒜中酚類化合物的保留效率達(dá)到了50%～60%。

1.4 微膠囊的制備方法

微膠囊的制備方法很多，根據(jù)原理可以分為物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法[30]。具體方法及其優(yōu)點(diǎn)如表2所示[31]。

表2 微膠囊的制備方法Table 2 The preparation methods for microencapsulation

在飲料工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，常使用噴霧干燥法生產(chǎn)固體飲料。柴智慧等[34]以蔗汁、桂圓為原料，加入麥芽糊精后進(jìn)行噴霧干燥，制備出蔗汁桂圓固體飲料，在最佳工藝條件下得到的蔗汁桂圓飲料溶解速度快、品質(zhì)好，香甜可口，具有蔗汁、桂圓特有的風(fēng)味。而在實(shí)際生產(chǎn)中更多的是將芯材在壁材溶液中混合均質(zhì)形成穩(wěn)定的溶液，進(jìn)料到噴霧干燥器中經(jīng)過霧化和高溫干燥過程使溶劑迅速蒸發(fā)，溶質(zhì)析出得到微膠囊后再添加到果汁飲料、固體飲料等中。經(jīng)過噴霧干燥制備的微膠囊產(chǎn)品包埋效果好，顆粒細(xì)小均勻，溶解性好。

1.5 微膠囊的表征

微膠囊產(chǎn)品的表征有很多特定的方法：利用傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射等技術(shù)確定微膠囊包埋的程度、驗(yàn)證包埋結(jié)構(gòu)；利用掃描電鏡觀察微膠囊的表面結(jié)構(gòu)、包埋效果；利用粒徑分析儀分析微膠囊產(chǎn)品的粒徑分布；利用熱重分析儀檢測(cè)微膠囊產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性；利用圖譜得到微膠囊的包埋率；利用色譜檢測(cè)微膠囊的緩釋性等。暴莎莎等[6]建立了一種低場(chǎng)核磁共振技術(shù)結(jié)合偏最小二乘回歸分析的方法，快速、無損且準(zhǔn)確的檢測(cè)了南極磷蝦油微膠囊產(chǎn)品的包埋率。

2 微膠囊技術(shù)在飲料加工中的應(yīng)用

2.1 微膠囊技術(shù)在飲料加工應(yīng)用中的作用

1）液體飲料經(jīng)過微膠囊化可以變成粉末狀或固體顆粒，方便加工、運(yùn)輸、貯藏和食用[31]。

2）保護(hù)易揮發(fā)、性質(zhì)不穩(wěn)定的芯材物質(zhì)免受外界環(huán)境（光照、溫度、濕度、pH值等）的影響，防止芯材氧化變質(zhì)或減緩氧化速度[24]，同時(shí)避免與飲料中的其他成分相互作用發(fā)生不良反應(yīng)，導(dǎo)致危害人體健康。

3）提高產(chǎn)品的化學(xué)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)貯藏期。

4）控制芯材在人體內(nèi)的釋放位置、釋放時(shí)間和釋放速率，使具有療效功能的活性成分等得到有效、精準(zhǔn)的釋放[35]，促進(jìn)人體腸道吸收和利用。

5）掩蓋芯材自身的不良?xì)馕叮玺~腥味[10]、辛辣味、苦味等，改善飲料的口感和風(fēng)味。

6）最大限度地保持飲料原有的色、香、味以及生物活性，保存營(yíng)養(yǎng)價(jià)值甚至提高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[31]。

7）降低食品添加劑的加入量，減少對(duì)人體健康的損害。

2.2 微膠囊技術(shù)在茶飲料中的應(yīng)用

茶葉因其含有茶多酚等多種有益于人體健康的物質(zhì)而深受消費(fèi)者喜愛，但茶多酚在堿性條件下易氧化，易與咖啡因、蛋白質(zhì)等物質(zhì)反應(yīng)生成茶乳酪；茶葉中的維生素受熱容易遭到破壞；芳香物質(zhì)易揮發(fā)或釋放出不良風(fēng)味；色素容易在光照條件下分解，有的還會(huì)出現(xiàn)渾濁沉淀、湯色褐變、香氣惡化的現(xiàn)象[36]。在茶類飲料的生產(chǎn)加工中應(yīng)用微膠囊技術(shù)，可以有效解決以上問題。微膠囊技術(shù)的應(yīng)用可以保護(hù)茶飲料中的茶多酚、維生素、芳香物質(zhì)及色素等，防止成分揮發(fā)，保持茶葉色澤、風(fēng)味，提高穩(wěn)定性和對(duì)光、熱、酸、堿的抵抗力，延長(zhǎng)貨架期。寧恩創(chuàng)等[37]將金花茶多酚原液噴霧干燥制備成微膠囊，茶多酚能夠保留81.23%。陳欣[38]指出，在茶飲料中加入一種乳脂微膠囊可以增強(qiáng)口感，增加營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在速溶茶的生產(chǎn)中，保持茶葉原本的風(fēng)味、色澤和香氣是關(guān)鍵，加入β-環(huán)糊精不僅可以對(duì)風(fēng)味成分包埋，避免其散失，還可以防止茶乳酪的產(chǎn)生，生產(chǎn)出香氣濃郁、色澤良好的茶飲料。

2.3 微膠囊技術(shù)在乳飲料中的應(yīng)用

為了保證乳制品中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不被分解，利用微膠囊技術(shù)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行處理，使生產(chǎn)出的乳粉質(zhì)地均勻，風(fēng)味良好，口感細(xì)膩。戴逸等[39]指出，將脂肪酸微膠囊化添加到嬰幼兒奶粉中，可保證配方的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量和安全性，提高脂肪酸的穩(wěn)定性，減緩氧化。二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）是一種不飽和脂肪酸，對(duì)嬰幼兒生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，但易氧化變色，產(chǎn)生異味。微膠囊化的DHA添加到乳粉中，可避免魚腥味的產(chǎn)生，也能夠改善奶粉的溶解性。利用微膠囊還可以生產(chǎn)很多不同風(fēng)味的乳制品，如果味奶粉、啤酒奶粉、發(fā)泡奶粉、姜汁奶粉等[11]。將嗜酸乳桿菌微膠囊化加入到酸奶中，可以增強(qiáng)酸奶的持水力，提高蛋白質(zhì)含量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種微膠囊的嗜酸乳桿菌在10周內(nèi)性質(zhì)能夠保持穩(wěn)定。Sung Ahn等[12]研究了腸溶性乳糖酶微膠囊的工藝，驗(yàn)證了羥丙基甲基纖維素鄰苯二甲酸酯微膠囊的體外釋放速率優(yōu)于玉米醇溶蛋白包埋的微膠囊，這種微膠囊化乳糖酶可應(yīng)用到牛奶、酸奶中，解決人體內(nèi)乳糖酶分泌不足的問題，減輕因乳糖不耐受出現(xiàn)的癥狀，從而保證人體健康。

2.4 微膠囊技術(shù)在功能飲料中的應(yīng)用

微膠囊技術(shù)在功能飲料的生產(chǎn)中有很多應(yīng)用，最具應(yīng)用前景、維持人體腸道菌群平衡的益生菌，對(duì)生存的條件要求較高，制成益生菌微膠囊后，可以提高益生菌在腸道內(nèi)的活性和穩(wěn)定性，添加益生菌微膠囊生產(chǎn)的果汁飲料、乳飲料具有廣闊的市場(chǎng)。MASSOUNGA B A F等[40]以乳清分離蛋白-低聚果糖復(fù)合物為壁材，以嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌為芯材，制備成益生菌微膠囊，加入到香蕉泥中凍干成粉，并模擬人體胃液腸液的處理，試驗(yàn)表明加入了包埋的益生菌微膠囊香蕉粉保持了較高的菌活力和較好的貯藏穩(wěn)定性。丁柯等[41]將靈芝菌株微膠囊化，發(fā)酵的濾液與檸檬酸、蔗糖、蜂蜜按照一定的比例調(diào)配，經(jīng)過均質(zhì)、灌裝、殺菌后制成發(fā)酵飲料，營(yíng)養(yǎng)豐富，口感較好。蔡向陽等[42]用紅花籽油制備的微膠囊研制了一款功能性復(fù)合飲料，通過人體實(shí)驗(yàn)研究表明這種飲料對(duì)運(yùn)動(dòng)員的機(jī)體代謝能力具有促進(jìn)作用，長(zhǎng)期飲用還可以提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

2.5 微膠囊技術(shù)在果汁飲料中的應(yīng)用

利用微膠囊技術(shù)生產(chǎn)水果果汁飲料，通常以海藻酸鈉、天然果汁或復(fù)合果汁為原料，不同口味的微膠囊化果汁飲品原料來源廣泛、工藝簡(jiǎn)單，在生產(chǎn)過程中不易使?fàn)I養(yǎng)成分損失過多，消費(fèi)者在飲用時(shí)可以體驗(yàn)到豐富的口感。劉春菊等[43]將香櫞精油微膠囊應(yīng)用到果汁中，保留了精油中多種有益的香氣成分，具有特征性的風(fēng)味，接受度較高，這種精油在果汁方面的應(yīng)用具有很大開發(fā)利用的價(jià)值。陳劍兵等[44]采用了微膠囊技術(shù)對(duì)橙皮苷進(jìn)行包埋，添加到橙汁飲料中，通過研究對(duì)果汁品質(zhì)的影響，確定了最佳配方為：原果汁濃度30%，橙皮苷微膠囊0.8%，穩(wěn)定劑0.2%，在此工藝條件下生產(chǎn)出的橙汁飲料具有良好的風(fēng)味，橙皮苷含量高達(dá)0.82 g/L，同時(shí)提高了果汁飲料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。還有研究將蘋果汁用脂類包埋制成微膠囊后，再加到水中制成微膠囊蘋果汁，有利于人體吸收，比普通蘋果汁在人體內(nèi)保留時(shí)間長(zhǎng)，生物利用率也高[45]。NAMBIAR等[46]使用噴霧干燥的方法得到了微膠囊化椰子汁，并通過實(shí)驗(yàn)證明了微膠囊可以保護(hù)酚類化合物在特定條件下有效控制釋放。此外，明膠對(duì)果蔬汁澄清的作用也與微膠囊技術(shù)的應(yīng)用有關(guān)。

2.6 微膠囊技術(shù)在固體飲料中的應(yīng)用

在美國(guó)，超過一半的固體飲料生產(chǎn)工藝都使用了微膠囊技術(shù)。王玉彤等[47]以混合谷物膨化粉為壁材包埋β-胡蘿卜素，經(jīng)噴霧干燥制備了一種微膠囊固體飲料，使固體飲料具有較好的溶解性與流動(dòng)性，且營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有所提高。在速溶咖啡的生產(chǎn)加工中，微膠囊化可以保護(hù)不穩(wěn)定的醇類、醛類、酮類物質(zhì)不被分解，對(duì)于提供咖啡特有的風(fēng)味特征至關(guān)重要[48]。通過微膠囊化得到的含氣發(fā)泡粉，可以使飲料產(chǎn)生豐富的泡沫。通過微膠囊技術(shù)生產(chǎn)的植脂末，可以用于咖啡、奶茶的配料中，增加奶質(zhì)感和柔滑感，提高速溶性。將包埋天然水果果汁的微膠囊顆粒加入到固體飲料中，天然又營(yíng)養(yǎng)，具有果香氣味。吳蜀東等[49]從柑橘皮渣中提取了黃酮，用β-環(huán)糊精包埋后加入到固體飲料中，沖調(diào)口感細(xì)膩，酸甜適中。

3 前景與展望

微膠囊技術(shù)的應(yīng)用使傳統(tǒng)的飲料生產(chǎn)工藝得到簡(jiǎn)化，推動(dòng)了飲料工業(yè)由低級(jí)向高深方向的發(fā)展，創(chuàng)造了很多有價(jià)值的產(chǎn)品。隨著技術(shù)的成熟，微膠囊技術(shù)也逐漸應(yīng)用于酸味劑、防腐劑等飲料添加劑的使用中，微膠囊技術(shù)已成為促進(jìn)飲料工業(yè)不斷前進(jìn)的重要手段。當(dāng)前我國(guó)的微膠囊技術(shù)處于快速發(fā)展階段，根據(jù)市場(chǎng)需求和目前狀況，進(jìn)一步的理論研究和廣泛應(yīng)用，對(duì)于新型環(huán)保無毒壁材的開發(fā)和芯材的挖掘，以及拓寬功能性評(píng)價(jià)手段等都具有重大的意義[19]。如今微膠囊技術(shù)正向著微細(xì)化、高品質(zhì)化、環(huán)保化方向發(fā)展，今后微膠囊技術(shù)將在飲料工業(yè)發(fā)揮更大的作用，不斷開發(fā)出益于人體健康的新產(chǎn)品，取得更大突破，帶給人類和社會(huì)更多效益。