飼料添加劑包被產品的制備和檢測方法研究進展

吳 鵬，徐二華，趙 威，侯 嘉，張倩云，王 效，李 苗，范海萍，程賽賽，李浙烽

（康德權包膜飼料添加劑省級重點農業(yè)企業(yè)研究院，杭州康德權飼料有限公司，浙江杭州 311112）

包被技術，又稱“包膜技術”或“包衣技術”，是指按特定工藝將成膜材料包裹在活性物質表面，干燥后形成緊密黏附的保護層，從而將活性物質與外界環(huán)境隔絕。包被技術起源于20 世紀30 年代，現已發(fā)展出200 余種工藝。包被產品多為球形，少數呈復雜不規(guī)則形狀，粒徑5～500 μm，因此又被稱為“微膠囊”，一般由囊心和囊壁兩部分組成，內部裝載活性物質的部分稱為囊心，包裹囊心的物質稱為囊壁。囊心為單核或多核，占微膠囊總質量的20%～95%，囊壁厚度0.5～150 μm。

據國外文獻報道，早在1974 年已開展飼料添加劑包被產品甲氧普林（Altosid）的雞舍控蠅試驗，主要利用其緩釋性能。1975 年，Chalupa 等提出可通過包被方法減少飼料蛋白在反芻動物瘤胃中的損失，包被技術在動物營養(yǎng)領域開始得到關注。1981 年，美國田納西伊士曼公司Wu 等研發(fā)出首款反芻動物飼料添加劑包被產品——過瘤胃蛋氨酸。樓浦陽于1987 年介紹了4 種防微量元素吸濕返潮的涂層包被方法。隨后，包被技術在我國飼料工業(yè)中逐步推廣。雖然包被技術在飼料工業(yè)應用較晚，但發(fā)展迅速。從微量元素、維生素、氨基酸擴充到酶制劑、微生態(tài)制劑、植物精油等，產品種類不斷豐富。從反芻動物推廣到豬、雞、魚等，應用對象也不斷增多。飼料添加劑經包被處理后具有較好的經濟效益和使用價值，然而市場上的包被產品質量參差不齊，在缺少有效評價和監(jiān)管體系的情況下，容易誘導和欺騙消費者。本文就微膠囊產品的作用原理、制備工藝及檢測方法進行綜述，旨在為包被技術更好地服務于飼料添加劑行業(yè)提供參考。

1 包被的作用

活性物質經包被后具有一定特殊功能，可以解決飼料工業(yè)中的一些痛點問題。包被技術及包被飼料添加劑近20 年來正逐漸成為研究熱門（圖1）。包被的作用可以歸納為4 點：一是起保護作用。減少原料中不同成分的配伍反應，防止氧化、潮解，減少儲存、運輸和飼料加工過程中的損失，如維生素、酶制劑、氯化鈣、半胱胺和膽堿等物質；二是改善使用性能。一方面包被可掩蓋物質本身的不良味道或氣味，增強適口性，如植物精油等強刺激性氣味的物質。另一方面包被可改變活性物質的物態(tài)，如由油脂狀轉變?yōu)楣虘B(tài)，便于貯存、運輸和加工；三是提高生物利用度。一方面包被可以將原本溶解性差的物質均勻分散到介質中，充分發(fā)揮作用。另一方面包被有助于控制活性物質在動物胃腸道中的釋放，根據研究和使用目的，實現延時釋放、定時釋放或長效釋放；四是減少活性物質對機體的損傷，避免直接的接觸刺激，降低毒副作用，如乙酰水楊酸和半胱胺等物質對胃具有強烈刺激作用，因此需要包被。

圖1 包被技術及包被飼料添加劑研究熱度

在飼料添加劑行業(yè)，包膜丁酸鈉是包被技術應用最為成功和經典的案例之一。丁酸鈉易吸潮，有臭味，流動性差，不利于貯藏和加工。經包被處理后，既提高了產品的流動性，又解決了適口性和后腸釋放的問題。董冠等研究發(fā)現，同等添加水平條件下，包膜型丁酸鈉對生長豬生產性能的提高效果均優(yōu)于粉劑丁酸鈉，且包膜型丁酸鈉最優(yōu)添加劑量（500 mg/kg）的效果要好于粉劑丁酸鈉最優(yōu)添加劑量（1 500 mg/kg）的效果。鄒楊等研究證實，包膜丁酸鈉較粉劑丁酸鈉可提高肉雞毛利潤0.46 元/只，經濟效益明顯。

2 微膠囊產品制備方法

微膠囊的一般制作工藝流程為配料→乳化→均質→成囊→定型→微膠囊。根據微膠囊的性質、囊壁形成機制及成囊條件可將其分為物理法、化學法、物理化學法3 大類，再依據操作流程進一步細分為不同工藝。不同方法適用場景不同，成本、效率、效果等方面也存在差異，各有優(yōu)缺點。微囊化產率（Product Yield，亦稱保留率）、微囊化效率（Encapsulation Efficiency，亦稱包埋率或包封率）和載藥量（Loading Capacity）是評價微膠囊制備方法最直接的指標，計算公式：

微囊化產率=（產品中的芯材總量/乳狀液中的芯材總量）×100%

微囊化效率=（1-產品表面的芯材總量/產品中的芯材總量）×100%

載藥量=（產品中的芯材總量/產品總量）×100%

包被方法應用效果的好壞很大程度取決于壁材的選擇，因此本節(jié)將結合壁材介紹噴霧干燥法（Spray-Drying）、流化床空氣懸浮法（Fluidized Bed Coating）、凝聚法（Coacervates）、乳化法（Emulsion）和擠壓法（Extrusion）這幾種常用的飼料添加劑包被方法，并比較其特性。選擇依據為我國近20 年包被型飼料添加劑相關碩博論文中使用的代表性方法（排名前5），如圖2 所示。

圖2 包被型飼料添加劑制備方法及主要壁材

2.1 噴霧干燥法 噴霧干燥法屬于物理法，其工藝流程為先將芯材分散在壁材的乳液中，均質后再將乳液以霧化形式噴入干燥室，溶劑受熱蒸發(fā)，囊膜固化從而形成微膠囊。由于噴霧需要，該技術要求壁材能在高濃度下保持低黏性，因此常選用海藻酸鈉、阿拉伯膠、麥芽糖糊精、普通/改性淀粉等多糖類和明膠、酪蛋白等蛋白類物質作為壁材。Mujica-álvarez 等選用麥芽糖糊精和改性淀粉（7:3）為壁材，添加1%吐溫-80 為乳化劑，噴霧干燥得到的維生素A 微囊化產率為81.3%，效率為100%，若改用麥芽糖糊精和酪蛋白酸鈉（7:3）為壁材，微膠囊化產率可提高到83.1%，但效率顯著下降為23%。Paramita 等以阿拉伯膠和麥芽糖糊精（1:2）為壁材，研究不同溫度條件下檸檬烯噴霧干燥的包被效果，結果表明微囊化產率在72.9%～88.3%，而微囊化效率差別不大（96.3%～99.5%）。Shu 等以明膠和蔗糖（3:7）為壁材包被番茄紅素，最高可實現微囊化產率91.5%，效率82.2%，但若改變條件，尤其在番茄紅素本身純度較低（6%）的情況下，則產率降至69.1%，效率降至12.1%。因此，使用噴霧干燥法時要格外注意工藝參數及物料選擇，否則效果會大打折扣。

噴霧干燥法操作簡便快捷，綜合成本低，易于實現大規(guī)模生產。但制備得到的微膠囊顆粒不均勻，呈極細粉末狀（10～400 μm），需進一步加工。該方法也不適用于水溶性物質的包被。此外，可選壁材較少、能耗較高、囊壁密封性差和易起皺等問題也成為制約該技術應用的主要障礙。噴霧冷凝法（Spray-Chilling）和噴霧冷卻法（Spray-Cooling）與噴霧干燥法工藝類似，只是在最后成膜階段進風口溫度較低，一般為32～42℃和45～122℃，因此特別適用于高熱敏性活性物質的包被，但成本更高。

2.2 流化床空氣懸浮法 流化床空氣懸浮法屬于物理法，一般用來包被固體粉末芯材，其基本原理是通過流化床空氣分布板壓縮空氣使芯材在涂裝室內規(guī)律運動，通過霧化器將包被材料噴涂到芯材表面，經多次循環(huán)即可制成微膠囊。按照工藝特點，流化床可進一步細分為批次化流化床（垂直）和連續(xù)型流化床（水平），批次化生產的產品品質好，但造價高，適用于制藥等高附加值產業(yè)，連續(xù)型系統(tǒng)則有利于降低成本。按照噴霧方向，流化床可進一步細分為頂噴（Top Spray）、底噴（Bottom Spray）或側噴（Side Spray）系統(tǒng)，其中基于Wurster 原理的底噴系統(tǒng)性能最優(yōu)，應用最廣。與噴霧干燥法類似，該方法要求壁材具有良好的水溶性或熱熔性，如氫化植物油、硬脂酸、麥芽糖糊精、淀粉、阿拉伯膠等。Meunier 等以乙基纖維素為壁材用流化床包被香芹酚、百里香酚和丁香酚，可實現最大微囊化產率90% 左右，但提高芯材活性物質含量會導致產率下降。Pellicer 等選用麥芽糖糊精、改性淀粉和環(huán)糊精為壁材比較噴霧干燥法和流化床空氣懸浮法對草莓香味劑的包被效果，發(fā)現前者微囊化產率（60%～66%）遠高于后者（31%～33%），且水分含量更低，包被效果相對更優(yōu)。

流化床空氣懸浮法可根據實際需要噴涂多層囊膜，常用來對包被產品進行二次加工，如噴霧干燥后的胡蘿卜素經流化床再包被，因此生產出的微膠囊粒徑也更大（50～500 μm）。此外，流化床空氣懸浮法生產出的微膠囊結構類型多樣，有利于活性物質的控釋，但包被效率或產率不是很高。

2.3 凝聚法 凝聚法又稱相分離法（Phase Separation），屬于物理化學法，一般利用物質本身的性質（如帶電性或溶解性）使含活性物質的凝膠從液相中分離，再通過交聯劑或加熱方式使囊壁硬化。根據參與相分離的聚合物種類，凝聚法又分為單凝聚法（Simple Coacervation）或復凝聚法（Complex Coacervation）兩大類。前者通過加入沉淀劑降低聚合物溶解度析出，后者通過2 種帶相反電荷的聚合物相互作用交聯形成大分子復合物析出。復凝聚法使用更多，帶正電的蛋白（如明膠）和帶負電的碳水化合物（如阿拉伯膠）是復凝聚法最常用的壁材。馮巖以明膠和阿拉伯膠（1:1）為壁材，采用復凝聚法制備了維生素E 微膠囊產品，其微囊化效率可達92.78%。

復凝聚法微囊化效率高（最高可達100%），生產的微膠囊產品粒徑小，囊膜致密性好，穩(wěn)定性強，不易失活，且緩釋性能優(yōu)越，比較適合對植物精油進行包被。但是微囊化產率不好控制，原因在于凝膠不穩(wěn)定，易受到pH 和離子濃度的影響，只有當聚合物的正負電荷相等時才能獲得最大產率。此外，該方法在應用過程中會用到一些有機溶劑，可能會危害動物健康，從而限制其在包被型飼料添加劑上的使用。

2.4 擠壓法 擠壓法屬于物理法，一般是將芯材與壁材混合形成懸浮液后，再使用滴液化裝置（圖3）將懸浮液逐滴滴入到凝固液中，隨后壁膜硬化，從而將芯材包裹形成微膠囊。由于擠壓法加工條件溫和，操作簡單，因此常用于包被乳酸桿菌、酵母等益生菌，該方法制備的益生菌微膠囊存活率高，活性好。呂利軍等研究發(fā)現，以海藻酸鈉（3%）、脫脂奶粉（4%）和乳糖（6%）為壁材，CaCl作為凝固劑，用擠壓法包被乳酸菌的效果較凝聚法更好，活菌數可高達7.76×10CFU/g，且具有良好的耐酸性。Chen 等以黃原膠和殼聚糖為壁材探究不同條件下擠壓法包被乳酸菌的效果，結果表明殼聚糖溶液最適pH 為5.5，最適含量為0.9%，黃原膠最適含量為0.7%，菌液和黃原膠溶液最適體積比1:10，乳酸菌懸浮液和殼聚糖溶液最適體積比為1:3，微膠囊產品最大活菌數為1.24×10CFU/g，最大微囊化產率為82%。除海藻酸鈉-CaCl、黃原膠-殼聚糖外，擠壓法可選擇的壁材組合還有卡拉膠-殼聚糖/KCl、乳清蛋白-乙酸鈉、果膠-CaCl等。

圖3 不同類型滴液化裝置[21]

擠壓法制備的微膠囊產品粒徑較大，一般在0.2～5 mm，但通過靜電場的方式也能生產出粒徑在50 μm以下的微膠囊。通過注射器、同軸氣流或靜電場擠壓方式形成微膠囊的速度較慢，一般只能用作實驗室制備微膠囊，而射流切割器或振動式噴嘴可快速生成微液滴，適用于大規(guī)模的工業(yè)化生產，但投入成本較高。通過傳統(tǒng)擠壓方式形成的微膠囊，其活性成分分散于囊芯內，而外層囊膜較薄，益生菌等活性物質容易直接暴露在環(huán)境中，影響其活性。因此，有研究團隊開發(fā)了一種共擠壓（Co-Extrusion）的技術，簡言之就是通過特定的液流系統(tǒng)使壁材溶液完全包裹芯材形成層流，然后通過振動式噴嘴形成微液滴，液滴表面凝固形成內核-外殼（Core/Shell）的微膠囊結構。Silva 等比較了擠壓和共擠壓法制備乳酸菌微膠囊的效果，發(fā)現后者生產的微膠囊經過60 d 的儲藏后乳酸菌存活率更高，且海藻酸鈉-蟲膠的混合壁材優(yōu)于海藻酸鈉單一壁材。

2.5 乳化法 乳化法屬于物理法，其基本原理是將芯材與壁材溶液混合后，加入乳化劑和穩(wěn)定劑，再通過攪拌形成油包水（Water-in-Oil）、水包油（Oil-in-water）或水包油包水（Water-in-oil-in-Water）等不同類型的穩(wěn)定乳液體系，液滴表面覆蓋有一層囊膜，分離干燥后即可得到微膠囊。相對于擠壓法，乳化法操作簡單，設備成本更低，且生產的微膠囊粒徑更?。?0～1 000 μm），因此更適用于工業(yè)化生產。乳化法常用壁材組合為海藻酸鈉-植物油、海藻酸鈉-石蠟、海藻酸鈉-殼聚糖等，Span80 是形成油包水類型乳液常用的表面活性劑。根據穩(wěn)定劑種類及添加順序的不同，乳化法又分為內源乳化法（Emulsification/Internal Gelation）和外源乳化法（Emulsification/External Gelation）。Silva 等以海藻酸鈉-殼聚糖為壁材通過內源乳化法成功制備出血紅蛋白微膠囊，并可實現最大微囊化效率為92.8%，乙酸和碳酸鈣的摩爾比對微囊化效率影響較大。Cai 等用內源乳化法（以海藻酸鈉為壁材）比較了2 種不同Ca源（CaCO和Ca-EDTA）對乳酸菌包被效果的影響，發(fā)現微囊化產率差別不大（37.9%和36.9%），但用CaCO生產的微膠囊囊膜更緊密，乳酸菌活性更強。Song 等以海藻酸鹽和殼聚糖為壁材，采用內源乳化法和外源乳化法制備酵母Y235 微膠囊，發(fā)現微膠囊中酵母存活率在80% 左右，但前者生產的酵母生長速度更快，裂解率更低，效果要優(yōu)于后者。陽暉同樣發(fā)現，內源乳化法制備嗜酸乳桿菌微膠囊的效果要優(yōu)于外源乳化法，且摸索出內源乳化法最佳工藝，即攪拌速度600 r/min，乳化時間15 min，碳酸鈣加入量2.5%，冰醋酸加入量600 μL，微囊化效率達72.5%。

2.6 微膠囊制備方法及壁材的選擇 微膠囊制備方法及壁材的選擇是一個較宏大和復雜的命題。一方面微膠囊制備方法種類繁多，特性各異，需要系統(tǒng)了解和比對。另一方面，包被芯材和目的不同，適用的方法和壁材也不一樣。即使包被芯材和目的相同，應用對象或場景不同，選擇的方法也可能存在差異。如同樣是實現過胃腸溶的目的，由于雞、豬、牛等畜禽的消化系統(tǒng)不同，在壁材選擇及工藝參數上要經過反復試驗。Zuidam 等認為要達到理想的包被效果，需綜合考慮芯材理化性質、加工過程、存儲條件、溶出機制以及微膠囊粒徑、密度和成本等各方面因素。微膠囊制備方法及壁材選擇基本思路如圖4 所示。芯材性質和包被目的很大程度上決定了所需的包被方法和壁材，理論上包被方法和壁材之間也是相互影響的，但實際過程中大都是先確定好包被方法，再對壁材進行篩選和配比，在多因素多水平條件下通常采用正交試驗的方法對工藝進行優(yōu)化。Ubbink 等提出，可以運用回歸設計（Retro-Design）方法避免制備時反復試錯（Trial and Error）帶來的重復勞動和低效率，其設計思路是從活性物質的分析入手，然后從一系列解決方案中選出有效的加以應用，具體操作步驟可參考文中案例。劉凡采用傅里葉變換紅外光譜研究了蛋白質分子與麥芽糊精分子為壁材制備的微膠囊產品在加工過程中的相互作用，結果表明乳清蛋白、大豆分離蛋白、花生蛋白和酪阮酸鈉等蛋白質分子可與麥芽糊精的羥基發(fā)生氫鍵締合作用，且二級結構在形成微膠囊前后呈現不同規(guī)律的改變，為壁材選擇提供分子層面的理論指導。

圖4 微膠囊制備方法及壁材選擇基本思路

基于以上情況分析，由于不同方法優(yōu)缺點不同，以及受壁材原料價格變動等多重因素的影響，微膠囊制備方法及壁材的選擇可能并不是絕對的或一蹴而就的，需要根據實際情況不斷改進、優(yōu)化和調整，有時將不同方法或壁材進行組合，取長補短，也不失為一種選擇。

3 微膠囊產品的檢測

微膠囊產品質量好壞的判斷標準為包得住、溶得出、可檢測，主要是從囊壁密封性、穩(wěn)定性、滲透性、安全性和有效成分含量等方面進行評價。此外，流散性以及在溶液外相中的分散性、擴散性等也會影響微膠囊產品使用效果。Kung 等用體外法（Ankom Dairy II Incubator）比較了5 種商品化的過瘤胃膽堿產品在模擬瘤胃液中的穩(wěn)定性，發(fā)現消化剩余的殘渣干物質及膽堿含量變化差異大，說明產品質量參差不齊。Teixeira 等從顆粒大小、形態(tài)、壁材組成、干物質含量和耐酸能力等維度對不同廠商生產的香味劑微膠囊產品進行比較，發(fā)現各產品之間有優(yōu)有劣。因此，有必要對微膠囊產品進行檢測，以滿足質量要求。目前，主要的微膠囊產品檢測指標和方法如表1 所示。不同的指標表示不同的產品特性，一般將含量、粒徑和釋放性能等作為常規(guī)的檢測指標。再根據包被目的進一步增加檢測指標，如對高溫制粒的包膜產品要進行熱穩(wěn)定性和機械強度測試，長時間暴露在潮濕環(huán)境下的包膜產品要進行抗氧化和密封性測試，益生菌或酶制劑產品要進行活力測試等。當然，在用儀器檢測之前也可先對微膠囊產品進行感官評定，如看顏色、聞氣味和觀察潮解、結塊狀況等。

表1 微膠囊產品檢測指標及方法

目前，微膠囊產品的檢測比較混亂，缺少統(tǒng)一規(guī)范，不同高校/科研院所以及不同公司之間往往采用不同的檢測方法或指標，即使方法和指標相同，具體參數又可能存在差異，導致檢測報告間的可比性差，消費者在產品選擇上常常束手無策，容易出現劣幣驅逐良幣的情況，因此亟需建立一套統(tǒng)一的、完善的、科學的檢測方法，防止假冒偽劣產品擾亂市場秩序，阻礙行業(yè)發(fā)展。目前，可參考的行業(yè)檢測標準有浙江制造團體標準《飼料添加劑 氧化鋅（包膜型）》（T/ZZB1158-2019）。

4 總結與展望

包被技術歷經90 年的發(fā)展，日趨完善，老方法不斷優(yōu)化，新方法層出不窮，成為現代食品、醫(yī)藥和飼料工業(yè)領域重要的技術支撐之一。飼料添加劑微膠囊產品使用效果顯著，已得到市場普遍認可。但目前微膠囊產品市場混亂，主要表現為產品質量參差不齊、檢測方法不完善、缺乏統(tǒng)一標準、監(jiān)管體系不健全等。未來應圍繞新型壁材研發(fā)、包被工藝優(yōu)化、包被活性物質挖掘和產品檢測等方面開展持續(xù)、深入地研究，為包被技術更為廣泛地應用奠定基礎。針對飼料添加劑，未來也可進行更多包被方法的嘗試，如用層-層自組裝法開發(fā)納米級的微膠囊產品等。在動物精準營養(yǎng)等概念的倡導下，包被技術將深耕現有產品，不斷迭代優(yōu)化，向著更高性價比、更精準釋放的目標邁進。同時，隨著新消費需求的出現，包被技術應用領域將逐步擴大，不斷向產業(yè)鏈延伸。