膠囊技術(shù)及其在食品中的應(yīng)用

楊巍巍,張海榮,李淑珍

(1.沈陽醫(yī)學(xué)院 公共衛(wèi)生學(xué)院,沈陽 110034;2.沈陽醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,沈陽 110034)

近年來,膠囊技術(shù)被行業(yè)各界廣泛關(guān)注,進(jìn)而飛速發(fā)展。膠囊技術(shù)是一種用于貯存物質(zhì)各種狀態(tài)的理想微型包封技術(shù),其壁材(又稱包囊材料)通常采用天然或者合成的高分子材料,以薄膜涂料形式外覆于芯材(又稱囊心物質(zhì))表面,使芯材表面能夠形成連續(xù)薄膜涂層,并且制備成液滴型或小顆粒型,即為微型膠囊[1]。此項技術(shù)的應(yīng)用,不僅可改善芯材表面的性質(zhì),還可在保護(hù)芯材不受損害的前提下,阻止芯材之間的相互作用。并且因壁材(包囊材料)對不同芯材的釋放度不同,也可控制芯材的釋放速度,進(jìn)而延長膠囊產(chǎn)品的儲存期[2]。芯材選擇范圍廣,如益生菌、風(fēng)味物質(zhì)、食品添加劑、脂溶性營養(yǎng)素、農(nóng)藥、化妝品、酶、藥物和黏合劑等[3-4],均可通過封裝技術(shù)實現(xiàn)包埋和固化嵌入。因此膠囊技術(shù)在食品工業(yè)生產(chǎn)中已發(fā)揮重要作用,有效降低了芯材中有效成分由于暴露在外界光、熱和氧等條件下而發(fā)生的氧化、降解和揮發(fā)等,而且還可以有效防止食品中所包含不同成分之間發(fā)生反應(yīng)的概率,達(dá)到控制食品中所含成分在既定的時間段與位置釋放的效果[5]。

1 膠囊技術(shù)概述

制備膠囊時,針對膠囊的預(yù)期應(yīng)用目的,可依據(jù)芯材和壁材的物理化學(xué)特性,選擇合適的膠囊工藝[6]。目前主要有物理法、化學(xué)法和物理化學(xué)法3種[7-8]。

其中物理法和化學(xué)法應(yīng)用廣泛,主要為以下4種方法:1)噴霧干燥法。此法首先需將待包埋材料在壁材溶液中混合均勻,使之形成乳化液,置于噴霧干燥器中,經(jīng)過霧化和熱風(fēng)干燥充分蒸發(fā)水分,使壁材包覆芯材,形成干燥的微膠囊顆粒[9]。2)空氣懸浮法,也稱作流化床法。此法利用流化床的熱風(fēng)氣流,用壁材溶液包裹芯材,形成微膠囊。此法制備的微膠囊的壁材厚薄適中,包埋效果好,但因處理量大,表面易發(fā)生破損[10]。3)原位聚合法。此法可以在特定條件下在原位或目的基團發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后,形成一個或多個增強相,從而在基體材料中形成一種或多種高分子量和大體積的聚合物,實現(xiàn)一定的加固作用[11-12]。徐傳芳等[13]利用此法制備了微膠囊化茉莉香精,選擇了特固性脲醛樹脂作為壁材,十二烷基硫酸鈉(SDS)作為分散穩(wěn)定劑,獲得了易于干燥的產(chǎn)品。經(jīng)檢測,所制備膠囊產(chǎn)品可明顯減緩所包裹茉莉香精的釋放,具有外形完整、貯存方便和緩釋性好等優(yōu)點[14]。4)復(fù)凝聚法。此法所選擇壁材通常為水溶性高分子電解質(zhì)聚合物(如多糖、蛋白質(zhì)),而芯材通常為脂溶性材料。主要是通過改變混合物的溫度和酸堿度等因素,誘導(dǎo)帶相反電荷的聚合物瞬間產(chǎn)生去溶劑化,實現(xiàn)兩相(較高壁材材料濃度相和較高核心材料濃度相)分離,而后膠體從溶液中凝結(jié)出來,從而將核心材料包埋在膠囊中的方法[15]。具有高效性、得率高和反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點,尤其適用于性能活躍、疏水活性和穩(wěn)定性差的材料的包埋和膠囊化。

2 膠囊技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用

食品制備時,往往需添加不同成分,達(dá)到改良的目的。膠囊工藝可將這些添加成分(如營養(yǎng)素、益生菌或防腐劑等)進(jìn)行包埋,并固化和封裝,可有效提升食品加工質(zhì)量,同時也提升了其具有的產(chǎn)品價值[16]。而且大多數(shù)功能性成分具有穩(wěn)定性較差的特點,其中的核心有效成分更容易在食品生產(chǎn)、加工、儲存、運輸和銷售過程中因受到如溫度、機械攪拌等外界因素的作用,被降解而失效。膠囊制備技術(shù)的應(yīng)用,可有效解決這一問題,因此膠囊技術(shù)是保證食品生產(chǎn)與貯存的有效途徑與方法之一[17]。

2.1 飲料

在液體飲料中可通過添加包埋部分制備可食性色素微膠囊,所制備的膠囊提升了飲料的感官特性,增加了消費者的喜愛度?；ㄇ嗨卦陲嬃现谱鲿r常被用來作為天然著色劑使用[18],并且研究證實,花青素還具有強的抗氧化性能和抗癌等生物活性。但同時花青素的缺點也很明顯,穩(wěn)定性差,食物的酸堿度、外部環(huán)境的溫度、光照、氧氣氧化等因素均對花青素有明顯影響,容易導(dǎo)致其中有效成分的降解[19]。目前也已實現(xiàn)利用膠囊技術(shù)制備花青素膠囊。制備時,選擇麥芽糊精和阿拉伯膠作為壁材材料,所制備產(chǎn)品粒徑均勻,球型表面規(guī)則,有效地保護(hù)了包埋在其中的花青素。另有學(xué)者研究了膠囊技術(shù)對飲料和食品中常用的添加劑——檸檬油儲存的應(yīng)用。檸檬油主要用作飲料和食用香精香料的配制,但檸檬油在儲存和運輸過程中極易被氧化,進(jìn)而影響品質(zhì)。研究采用麥芽糊精做壁材,通過噴霧干燥技術(shù)制備檸檬油膠囊。經(jīng)檢測檸檬油膠囊仍顯示了良好的氣味特征,擴大了其儲藏條件,拓展了應(yīng)用范圍,并且可貯藏保存6個月以上[20]。

2.2 食品添加劑

玫瑰茄紅色素作為一種天然的花色苷色素,具有抗氧化、降血壓、抑菌等生物活性?？杀挥米魇称诽砑觿?發(fā)揮著色劑、調(diào)味劑以及保鮮劑的作用。但其穩(wěn)定性差,遇熱或光照及在加工過程中易被破壞失活。而制備成微膠囊化產(chǎn)品后穩(wěn)定性大大提高[21];脂溶性食品添加劑如β-胡蘿卜素,具有不溶于水、在氧、光和熱等條件下穩(wěn)定性差、易發(fā)生氧化分解和異構(gòu)等缺點,在食品加工過程也容易失活。而將其膠囊化后,其穩(wěn)定性可大大提高,且含有的活性揮發(fā)物質(zhì)的損失率也大大降低。史紫千等[22]通過微膠囊技術(shù)包埋了β-胡蘿卜素,利用微膠囊將其溶于水中,且分散性良好,其應(yīng)用范圍更加廣泛;番茄紅素是一種天然的食品著色劑,被廣泛用于烘烤類食品的著色。由于番茄紅素化學(xué)結(jié)構(gòu)中存在較多的共軛雙鍵,導(dǎo)致其在儲存和運輸過程中易被氧化,進(jìn)而影響食品成品品質(zhì)。林蔚婷等[23]制備了一種新型番茄紅素微膠囊,以低聚木糖和乳清分離蛋白混合物為壁材,利用噴霧干燥技術(shù)制備,提高了番茄紅素的穩(wěn)定性,拓展了其應(yīng)用范圍,并且著色能力也有一定提高。

2.3 肉制品

在法蘭克福香腸制備時,常通過加入抗氧化劑(如抗壞血酸等)提高香腸的營養(yǎng)價值,并可縮短香腸腌制的時間。但抗壞血酸穩(wěn)定性差,在加熱、空氣中暴露和堿性溶液等條件下都能加速其氧化,進(jìn)而失活。Camunia等[24]利用膠囊技術(shù)包埋固化了抗壞血酸,結(jié)果表明,利用膠囊技術(shù)可大大提高抗壞血酸的穩(wěn)定性,并且此研究將抗氧化劑和維生素功能有效結(jié)合,用于法蘭克福香腸的生產(chǎn)流程中,有效地提高了產(chǎn)品品質(zhì);Gómez B等[25]發(fā)現(xiàn)肉制品在加工儲存過程中所含蛋白質(zhì)和脂質(zhì)易被氧化、或被腐敗微生物所污染,導(dǎo)致感官特性下降,甚至產(chǎn)生有害有毒物質(zhì),而將抗氧化劑化合物微膠囊化后,不僅有效保護(hù)了活性化合物,還可控制其在食品中的釋放,掩蓋食品中不可接受的風(fēng)味;李登龍[26]研究發(fā)現(xiàn),在肉脯制品加工過程中通過添加桑椹多酚可以有效延緩腐敗,延長保質(zhì)期。但其穩(wěn)定性差,需通過膠囊技術(shù)包埋,進(jìn)而提高生理活性。

2.4 乳制品

在酸奶及其他乳制品的加工過程中,發(fā)揮發(fā)酵作用的多種益生菌(如乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬等)的存活率對成品的風(fēng)味形成至關(guān)重要,并且在酸奶中,益生菌的生存能力受到多種因素的影響,因此為了在酸奶的保質(zhì)期內(nèi)保持益生菌的活性,Stephanie等[27]將微膠囊化技術(shù)引入到了益生菌的保存中,很大程度上提高了酸奶中益生菌的存活率。另外研究者也正在嘗試開發(fā)高活性益生菌冰淇淋加工技術(shù),但由于在冰激凌生產(chǎn)加工的各個環(huán)節(jié)(如發(fā)酵劑的制備、老化、凝凍和運輸?shù)?以及成品嚴(yán)格的低溫儲存等都不可避免的會損傷益生菌活性,甚至對菌體造成損傷,同時益生菌存活率太低,也嚴(yán)重影響了新冰淇淋的營養(yǎng)價值[28]。Champagne等[29]利用噴霧干燥工藝制備了膠囊化的益生菌產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)可大大提高低溫條件下冰淇淋中益生菌的存活率。

3 食品微膠囊技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展前景

雖然食品微膠囊技術(shù)的發(fā)展歷史較短,但它為食品行業(yè)帶來了巨大的創(chuàng)新和進(jìn)步,而不斷提高微膠囊的性能、改善制備工藝,如減小微囊的尺寸、增加包埋率、延長保存時間和控制釋放速率等,仍然是微囊研究的重點和難點[30]。同時,積極尋找容易獲得、價格低廉、應(yīng)用廣泛和對人類和生態(tài)環(huán)境安全的微膠囊壁材也是今后食品微膠囊技術(shù)研究的大趨勢和必然選擇。此外,益生菌、益生素制品與其相關(guān)的載體模型以及技術(shù)也會成為未來食品行業(yè)研究的熱點方向[31]。

隨著微膠囊技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,其在功能性食品的加工生產(chǎn)過程中的應(yīng)用也越來越受到重視,如利用納米微膠囊技術(shù)對各種活性成分進(jìn)行包埋、增強其在生物體內(nèi)的功能、靶向釋放性能、控制釋放速率、提高生物利用度和延長保存期等[32]。在食品領(lǐng)域中,食品微膠囊包封技術(shù)將會得到長足的發(fā)展,但就目前來說,此項技術(shù)仍處于理論和應(yīng)用的起步階段,未來仍需要進(jìn)行深入研究。目前多采用的微膠囊制備方法和技術(shù),如逐層自組裝技術(shù)、納米脂質(zhì)體、納米乳液聚合、超臨界流體技術(shù)等,仍存在包埋率低、尺寸大等缺點,且微型膠囊技術(shù)在我國也處于初步發(fā)展?fàn)顟B(tài),需探索成本更低廉的制備方法,同時探尋更穩(wěn)定安全的壁材和輔助材料[33]。新型壁材應(yīng)具有原料易得、價格低廉、加工性能好以及生物降解性好等優(yōu)點,同時食用安全,對人體無毒副作用等[34]。另外部分食品微膠囊技術(shù)仍處于理論與實驗階段,未投入市場,尚未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化[35]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,研究者們將不斷深入探索和研究食品微膠囊技術(shù),相信在不久的未來,食品微膠囊技術(shù)將進(jìn)一步提升食品功能,為人們帶來極大便利,其應(yīng)用領(lǐng)域也將更為廣泛[36]。

4 結(jié)論與展望

當(dāng)前,功能性食品的研發(fā)與規(guī)模生產(chǎn)已展示了巨大的市場潛力,是未來食品工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展趨勢之一。研究人員旨在不斷創(chuàng)新和開發(fā)新的成分,通過納米膠囊封裝食品中的功能因子和各種添加劑等。該技術(shù)將是新型食品開發(fā)和促進(jìn)食品工業(yè)發(fā)展的重要途徑。