飼用微囊制劑的技術(shù)研究進展及應(yīng)用效果

朱 瑤 鄒田德 黃艷群 陳 文*

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)飼料營養(yǎng)河南省工程實驗室，河南鄭州450002；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)飼料開發(fā)工程研究中心江西省動物營養(yǎng)重點實驗室，江西南昌330045）

飼料添加劑是現(xiàn)代養(yǎng)殖行業(yè)中必備的基礎(chǔ)原料，即添加少量甚至微量就可達到強化機體營養(yǎng)基礎(chǔ)、調(diào)整營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、降低飼養(yǎng)成本等目的的營養(yǎng)物質(zhì)。但由于這些添加劑活性成分在飼料加工處理、運輸、貯存過程中易產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，或進入機體未到達吸收靶點而產(chǎn)生生物降解等，這些營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用率遠遠低于預(yù)期。微囊技術(shù)最早起源于20 世紀(jì)30 年代，到了50 年代Green 等申請并獲得了制備膠囊染料的專利，開發(fā)了無碳復(fù)寫紙。自此微囊技術(shù)的使用熱潮正式興起，隨后應(yīng)用于多個領(lǐng)域，具有廣闊的開發(fā)前景，但在飼料行業(yè)的起步仍屬較晚。飼料中的主要營養(yǎng)成分（即微囊的活性內(nèi)核），一般包括維生素、不飽和脂肪酸、酶制劑、氨基酸、微生態(tài)制劑等其他營養(yǎng)物質(zhì)。

1 微囊技術(shù)

1.1 微囊概況

微囊技術(shù)即利用一些可成膜的物質(zhì)，將芯材（固體、液體和氣體）包埋在微小封閉微囊內(nèi)的技術(shù)，可在一定程度上減弱環(huán)境等因素對芯材的影響。被包覆的材料稱為芯材（即活性物質(zhì)），多為純物質(zhì)或混合物。而包衣材料被稱為壁材（即外殼或載體），可通過混合多種具有不同理化特性的材料成分，以克服僅使用一種材料時可能發(fā)生的限制。且可根據(jù)芯材的迥異性質(zhì)選擇多種技術(shù)手段進行加工，如噴霧干燥、噴霧冷卻、擠出、凝聚、共結(jié)晶、冷凍干燥等。

1.2 微囊釋放

營養(yǎng)物質(zhì)從微囊中釋放的時間和位點，是影響機體對其最大限度吸收及利用的重要因素。微囊的釋放方式通常通過以下途徑：①擴散：微囊在溶液中受囊壁內(nèi)外濃度差異的影響而產(chǎn)生傳質(zhì)作用，在濃度梯度力的作用下活性內(nèi)核從膠囊內(nèi)緩慢滲出；②降解：藥物均勻分布于整個基體且與基質(zhì)緊密結(jié)合，在基質(zhì)降解時釋放；③侵蝕：通過pH 值和酶解的作用，外殼被侵蝕，內(nèi)核被釋放，如單硬脂酸甘油酯、蜂蠟和甾醇等。芯材釋放速度受壁材厚度、空間分布、壁材變形程度、潔凈度、交聯(lián)度和芯材溶解度、擴散系數(shù)和分配系數(shù)等因素影響。

隨著微囊技術(shù)發(fā)展，更加復(fù)雜的包被材料和包埋技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)出來，可根據(jù)不同需求改變微囊工藝以控制被包封成分的釋放，如pH 值變化(腸溶性和抗腸溶性涂層)、機械應(yīng)力、溫度、酶活性、時間、滲透力等。

2 微囊制劑技術(shù)研究進展

2.1 維生素

維生素在飼料配方中占有極其重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，僅維生素C、維生素E、維生素A、煙酰胺和D-泛酸鈣五個品種已占維生素使用總量的84%。

維生素C 是一種重要的水溶性抗氧化劑和營養(yǎng)物質(zhì)，可直接清除自由基，保護DNA和細(xì)胞免受氧化損傷。有學(xué)者采用反向W/O微乳液通過界面反應(yīng)，以殼聚糖為壁材制備了水溶性維生素C的微膠囊，他們發(fā)現(xiàn)，通過界面/臨界反應(yīng)可將水溶性維生素C包埋形成一個完整結(jié)構(gòu)，且維生素C的釋放速率可隨膠囊交聯(lián)密度的增加而降低。Matos等將維生素C經(jīng)噴霧凝固制成脂質(zhì)體顆粒，經(jīng)56 d 貯藏，其穩(wěn)定性可到達75%以上，即使溫度高于普通儲存溫度也能確保較好的維生素C穩(wěn)定性。此外，微囊化處理還可以掩蓋維生素C在食品中產(chǎn)生的酸味。

葉酸是B族維生素重要的組成部分，也是一種人體無法合成的必需微量營養(yǎng)素，因此必須通過飲食攝取。人們將微囊技術(shù)運用至葉酸的加工工藝中，以期能進一步提高其抗逆性，持續(xù)釋放，提高生物利用率。Pérez 等以乳清蛋白濃縮物(whey protein concen?trate, WPC)和工業(yè)抗性淀粉為囊材，利用兩種不同工藝對葉酸進行包埋，并研究了葉酸微囊在不同貯存條件和熱暴露條件下的形態(tài)、基質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、包封率和穩(wěn)定性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種囊材和包封技術(shù)均可提高葉酸穩(wěn)定性，特別是在干燥條件下，且以WPC為外殼包封得到的葉酸微囊穩(wěn)定性較好。為了提高機體對維生素B12的吸收率，維生素B12微囊補充劑被研究者廣為關(guān)注。Carlan 等將維生素B12以阿拉伯膠、海藻酸鈉、角叉菜膠、麥芽糊精、變性淀粉、黃原膠和果膠為包封劑進行包封，采用噴霧干燥法制成維生素B12微囊。該研究表明維生素B12微囊化后具有良好的穩(wěn)定性，且證實了使用不同包封劑可在不同時間釋放維生素B12的可能性。

維生素A存在于所有的生物體中，但由于水溶性差，在氧化劑、光、熱、溫度和水分存在時高度不穩(wěn)定。有學(xué)者通過微囊技術(shù)將油性維生素轉(zhuǎn)化為粉末狀，即采用明膠-阿拉伯膠復(fù)合凝聚法制備了棕櫚酸酯微膠囊，既能夠防止在環(huán)境中變質(zhì)，還可增強穩(wěn)定性。Albertini 等以殼聚糖-海藻酸和海藻酸鈣分別作為第一層和第二層膜將核心物質(zhì)進行包埋，結(jié)果表明，微囊化棕櫚酸酯可在室溫條件下儲存一年后仍具有較高的回收率（t50%>360 d）。

維生素D是一種脂溶性生物活性物質(zhì)，通常以麥角鈣化醇(D2)和鈣化醇(D3)兩種形式存在。現(xiàn)已開發(fā)出納米脂質(zhì)載體（nano liposome carrier, NLC）作為維生素D的載體系統(tǒng)，可提高其轉(zhuǎn)運量，保證穩(wěn)定儲存，發(fā)揮有效生理作用。Rabelo 等發(fā)現(xiàn)硬脂酸和油酸是與維生素D具有較高相容性的脂質(zhì)，故將其熔融乳化后外層包裹上殼聚糖形成外殼，以維生素D作為內(nèi)芯進行組裝，經(jīng)試驗，形成的維生素D 納米脂質(zhì)體在25 ℃條件下可穩(wěn)定貯存60 d，且在儲存期間未觀察到有維生素D顆粒排出。有報道表明，維生素D可增強腸道對鈣的吸收卻易受高溫、氧化和酸性介質(zhì)等環(huán)境條件的影響，故Jannasari等將維生素D以豆瓣菜種子黏液和凝膠通過復(fù)合凝聚形成微囊并在高溫條件下進行干燥失重試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，維生素D 微囊干燥失重的溫度范圍在270～500 ℃內(nèi)，而維生素D純物質(zhì)從185 ℃開始失重，到300 ℃完全分解。

維生素E 是一種在氧氣存在下會快速降解的水溶性較差的生物活性化合物，在胃腸道吸收少，生物利用率低，因此開發(fā)新的維生素E吸收劑型具有重要意義。隨著制劑技術(shù)和制劑材料的多樣化發(fā)展，磷脂酰膽堿和膽固醇可作為壁材，合成新型營養(yǎng)載體—殼聚糖納米級脂質(zhì)體，將維生素E 加入其中進行裝備，包封率最高可達99%以上，載藥率可達27%以上，且脂質(zhì)體在4 ℃下貯藏8 周以上，穩(wěn)定性也可達90%。維生素E 以其他材料為壁材進行微囊化同樣可取得良好的包覆效果。Parthasarathi 等采用三種不同工藝制備了維生素E微囊，并發(fā)現(xiàn)噴霧冷凍干燥微囊技術(shù)可有效提高口服維生素E生物利用率。Huang等將輔酶Q10 和維生素E 進行共包封，試驗中發(fā)現(xiàn)，微膠囊化的輔酶Q10 和維生素E 在190 ℃噴霧干燥時，其成分保留率、抗氧化能力和顏色均能保持相對穩(wěn)定。Selamat 等將維生素E 微囊形成的過程中加入麥芽糖糊精，經(jīng)測試，該微囊可在178～251 s 溶解，改善了維生素E溶解性差的問題。

2.2 不飽和脂肪酸

不飽和脂肪酸(PUFAs)由于其天然安全的特性，在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而富含PUFAs 的油類在有氧、光照、富含金屬離子的條件下極易發(fā)生自身氧化，造成飼料酸變，甚至在分解后會產(chǎn)生醛、酮、碳?xì)浠衔锖铜h(huán)氧化合物等有毒分子。為了克服以上問題，將富含PUFAs的油脂微囊化已經(jīng)成為許多學(xué)者提高其氧化穩(wěn)定性的一種主要方法和手段。

據(jù)報道，微囊化后的魚油被證明可提高小腸消化吸收效率，從而提高生長和飼料效率，尤其是當(dāng)脂肪粉粒徑小于5 μm 時，而在肉雞和豬的飼料中添加微膠囊化的有機酸和精油混合物，可提高日增重、營養(yǎng)物質(zhì)消化率和飼料利用率。同時Fadini 等結(jié)合使用噴霧干燥和噴霧冷卻技術(shù)改善了對油脂成分的保護性，掩蓋異味且降低了微粒的水溶性。且將含大量不飽和脂肪酸的油脂進行微囊處理可在一定程度上減輕高脂飲食（high fat diet, HFD）帶來的負(fù)面影響，Ma 等以未處理油和微囊油為脂源進行研究，發(fā)現(xiàn)微囊油可能通過改善腸道結(jié)構(gòu)和微生物群，增強HFD 飼喂的尼羅羅非魚的免疫活性，這是第一個闡明了飼喂微囊油對HFD魚類具有益生作用的研究。

2.3 酶制劑

酶制劑在養(yǎng)殖行業(yè)應(yīng)用廣、作用強，但其粉末劑型抗逆性較差，高溫條件下易失活，故在全價料中應(yīng)用較少。且其易受微量元素、酸化劑等影響，在濃縮料和預(yù)混料中應(yīng)用同樣受限。

據(jù)研究，不同來源的胃蛋白酶在37～50 ℃的溫度下生物活性最強。當(dāng)溫度升高至55 ℃以上，酶活隨著胃蛋白酶在溶液中的變性而顯著降低。Songwen等通過噴霧干燥技術(shù)，制成胃蛋白酶的微膠囊，同時發(fā)現(xiàn)，150 ℃為保持胃蛋白酶高產(chǎn)率、高存活率的最佳工藝溫度。Rodriguez等從廢水中提取消化蛋白酶，分別用海藻酸鹽和海藻酸-膨潤土對其進行微囊化，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH值為3時，兩種微膠囊都能阻止酶的不可逆變性，并能保持其100%的活性。張文靜等對復(fù)合酶(淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶)分別進行微囊處理和無處理并對酶活進行計數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溶出240 min 后，復(fù)合酶微囊中的淀粉酶和脂肪酶活性較無處理組分別提高13%和5%。而無處理組蛋白酶經(jīng)過消化道后失活近半數(shù)，復(fù)合酶微囊中蛋白酶僅失活10%左右。

2.4 飼用氨基酸

蛋白質(zhì)是日糧營養(yǎng)供給動物生長發(fā)育的主要限制因素之一，而蛋白質(zhì)最終表現(xiàn)出的生物學(xué)價值主要受小腸中所吸收氨基酸種類和數(shù)量的影響。在日糧中直接添加的游離氨基酸會因溫度、濕度或pH 等環(huán)境、氧化還原性過強的化合物、胃中蛋白酶等因素降解而被機體利用極少。

奶牛日糧中添加的氨基酸會在瘤胃中部分或完全降解，導(dǎo)致極少到達小腸被吸收利用，微囊技術(shù)可將易被降解的氨基酸包被完全從而避免過量損失，達到增加吸收利用，提高生物利用率的目的。楊志強等對微囊賴氨酸和蛋氨酸瘤胃降解率進行測定。通常情況下，精料在瘤胃中的停留時間不超過48 h，但該實驗結(jié)果顯示，微囊賴氨酸和蛋氨酸在瘤胃的降解率明顯降低，48 h 過瘤胃后含量可高達84.73%和85.12%。Niu等將結(jié)晶蛋氨酸顆粒用明膠和海藻酸鈉混合壁材包裹，通過干燥噴霧法形成球形顆粒，不僅可調(diào)節(jié)蛋氨酸的釋放，還可促進其他氨基酸的同步吸收來合成蛋白質(zhì)。

2.5 微生態(tài)制劑

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)攝入的益生菌數(shù)量至少應(yīng)在106～107CFU/g才能在宿主機體腸道中定植并發(fā)揮其益生功能，是評價益生菌產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。但飼用微生態(tài)制劑在制劑加工過程中由于工藝條件等原因常導(dǎo)致益生菌大量失活而未能起到顯著益生效果。如何使益生菌以高活性到達腸道靶點發(fā)揮其生物功能是近年來學(xué)者們研究的關(guān)鍵點之一。

目前，微生態(tài)制劑微囊化后不僅可較大限度地保留益生菌活性，還能在加工和儲存過程中保持良好的穩(wěn)定性。Zhou等將嗜熱乳酸菌分別以海藻酸鈉、海藻糖、殼聚糖作為一、二、三層壁材，通過冷凍干燥進行包埋，得到的微囊中活菌計數(shù)為(8.34±0.30) lg CFU/g，模擬胃液中釋放2 h后的存活數(shù)為(6.45±0.09)lg CFU/g，結(jié)果表明，多層包被的微囊化益生菌具有較好的穩(wěn)定性和耐酸性。Chen 等將嗜酸乳桿菌LA-2作為內(nèi)芯，卡拉膠與菊粉按1.9:0.1（W:W）的比例組合作為膠囊壁材，冷凍干燥得到的嗜酸乳桿菌LA-2 微囊可在4 ℃條件下存儲在14 周仍保持較高活性。閆東方等將微囊化唾液乳桿菌以108CFU/kg添加在日糧中，發(fā)現(xiàn)可改善肉雞生產(chǎn)性能，提高血清抗氧化能力和免疫性能。

2.6 其他類型的飼料添加劑

氧化鋅對仔豬生長發(fā)育和減輕腹瀉具有積極作用，但高鋅飼養(yǎng)不僅會造成機體損傷，大量的鋅離子還會隨糞便排出體外，污染土壤。因此，Lei等將氧化鋅外層進行包被后飼喂斷奶仔豬，發(fā)現(xiàn)添加低劑量（500～1 000 mg/kg）包被氧化鋅在促進生長、減輕斷奶后腹瀉、改善小腸形態(tài)和營養(yǎng)物質(zhì)消化率方面，與添加藥理學(xué)水平（2 500 mg/kg）氧化鋅相比同樣有效。且與2 500 mg/kg 氧化鋅添加量相比，低劑量的微囊氧化鋅減少了鋅在糞便中的排出量。

3 飼用微囊制劑應(yīng)用于動物營養(yǎng)的改良效果

飼用微囊制劑在動物營養(yǎng)方面廣泛應(yīng)用得益于其兩方面核心目的：其一，包埋內(nèi)核營養(yǎng)物質(zhì)，使其與周圍環(huán)境必須完全隔離，如防止揮發(fā)性內(nèi)核的蒸發(fā)，或隔離反應(yīng)性內(nèi)核免受化學(xué)攻擊等；其二，控制內(nèi)核物質(zhì)離開包埋外殼的速度，而非與外界環(huán)境完全隔離，即對活性物質(zhì)進行控釋，增加吸收或攝取，是控制營養(yǎng)物質(zhì)緩釋的一種常用手段。

基于以上兩個工藝目的，飼用微囊制劑應(yīng)用于動物營養(yǎng)可產(chǎn)生以下改良效果。

3.1 改善不良?xì)馕?/h3>

某些物質(zhì)所具有的苦味或其他異味可能會影響動物的采食狀態(tài)，將這些物質(zhì)進行微囊化處理以掩蓋其不良?xì)馕?，并可在一定程度上減弱對消化道的刺激。有研究發(fā)現(xiàn)，香菇揮發(fā)油被羧甲基纖維素和明膠復(fù)合凝聚物包封形成微囊后提高了其貯存穩(wěn)定性，且有效地遮蓋了揮發(fā)油的刺激性氣味。

3.2 提高穩(wěn)定性，便于運輸和貯存

易吸潮或易氧化物質(zhì)等在運輸和貯藏過程中往往要面臨更大的風(fēng)險，而微囊技術(shù)則可對該類活性物質(zhì)提供一層穩(wěn)定的外殼。有試驗證明，將共軛亞油酸以大豆蛋白為壁材形成微囊的基礎(chǔ)上，添加一定比例的麥芽糖糊精和羧甲基纖維素，可提高共軛亞油酸的氧化穩(wěn)定性和貯存時間。

3.3 控制釋放

對有效成分進行控釋可提高飼料添加劑的功效，拓寬營養(yǎng)成分的應(yīng)用范圍，保證最佳用量。而微膠囊具有精細(xì)的控釋性能，能夠?qū)崿F(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)的持續(xù)釋放。若要微囊達到緩釋控釋的目的，可選擇不同的壁材，調(diào)節(jié)其厚度、硬度、層次結(jié)構(gòu)以及微囊粒徑而實現(xiàn)，制得的微囊載體可控制活性物質(zhì)在某些情況下有針對性地釋放。

3.4 提高生物利用率

Mcclements 等認(rèn)為影響營養(yǎng)物質(zhì)生物利用率的主要因素分為三類，其中包括生物可及性以及胃腸道內(nèi)營養(yǎng)成分的吸收和轉(zhuǎn)化。將飼料成分制成微囊后可在一定程度上增加溶出度，改善其在體內(nèi)的吸收，提高生物利用率。有學(xué)者對商業(yè)補鐵劑和微囊鐵制劑的生物利用度進行了比較研究，結(jié)果顯示，微囊鐵制劑在消化后所含的亞鐵離子含量較高，并猜測該技術(shù)在一定程度上可限制鐵與食物基質(zhì)的相互作用，從而保護其免受氧化，容易被腸道吸收。

據(jù)報道，某些藥物口服后在小腸處被吸收的總量超過90%，進入淋巴循環(huán)或由門靜脈進入肝臟進行首過代謝，從而導(dǎo)致生物利用率降低，但利用微囊制劑可在一定程度上避免該效應(yīng)。據(jù)報道，藥油微囊在腸道釋出后，由于油脂分子量較大，難以透過毛細(xì)血管壁被吸收，從而由通透性較大的淋巴管攝取，吸收后不經(jīng)過肝臟，可直接進入循環(huán)系統(tǒng)被利用，一定程度上避免肝臟的首過作用。Parthasarathi 等將維生素E以乳清蛋白分離物為外殼，利用噴霧冷凍干燥技術(shù)制成微囊后使雄性Wistar 大鼠口服進行生物利用率研究，結(jié)果顯示大鼠對維生素E 的生物利用率提高。Augustina等研究微膠囊化處理對魚油、三丁醇和白藜蘆醇生物活性混合物在胃腸道轉(zhuǎn)運和組織分布的影響時發(fā)現(xiàn)，微囊化對大鼠消化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運時間和相對分布無明顯影響，但提高了血液和肝臟中生物活性物質(zhì)的放射性水平，即機體對活性混合物的生物利用率增加。

4 小結(jié)與展望

微囊技術(shù)作為21 世紀(jì)最具前景的制劑技術(shù)之一，不僅可以提高營養(yǎng)物質(zhì)儲存的穩(wěn)定性，還能保護其順利過胃到達腸道定點釋放，提高機體對營養(yǎng)物質(zhì)的生物利用率。因此，該技術(shù)具有在飼料行業(yè)推廣的優(yōu)勢。但就目前而言，該技術(shù)在食品、藥業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用極廣，而在飼料行業(yè)發(fā)展緩慢且受限。