微胶囊技术及其在发酵产品中的研究进展

郑战伟，夏德水，孙 娟

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710062)

微胶囊技术及其在发酵产品中的研究进展

郑战伟，夏德水，孙 娟*

(陕西师范大学食品工程与营养科学学院，陕西西安 710062)

随着发酵产品在食品中所占比例日益增长，采用微胶囊技术使得被包埋的内含物更好地发挥其功能成为研究热点。主要阐述了微胶囊技术在发酵产品方面的应用进展，并对微胶囊技术在食品中的应用前景做出了展望。

微胶囊技术，发酵产品，应用，前景

微胶囊技术是一种用成膜材料把固体或液体包覆形成微小粒子的技术，其研究始于20世纪30年代，50年代中期取得了重大成果，自90年代以来微胶囊技术的研究取得了更大进展［1］。其应用范围从最初的药物包覆和无碳复写纸扩展到医药、食品、农药、饲料、化妆品、洗涤剂、感光材料和纺织等各个行业，Utai Klinkesorn等人研究了有关卵磷脂的壳聚糖微胶囊的物理稳定性［2］。我国在微胶囊方面的研究在近十几年取得了很大的进步，尤其是该技术在发酵产品中的应用研究也有了长足的发展。

1.1 微胶囊及微胶囊技术

微胶囊(Microcapsule，简称MC)是指一种具有聚合物壁材的微型包埋物。微胶囊技术是采用一定的方法，将固体、液体或气体物质包埋在一种微型胶囊内，而成为固体微粒产品，在需要时将其释放出来的一种技术。微胶囊粒子的大小和形状因制备工艺的不同而有很大范围的变化［3］。粒子大小通常在5～500μm范围内，而纳米级微胶囊粒子大小在1～1000nm范围，粒子形状多为球型，但也有虹豆、谷粒等形状。微胶囊技术的基本原理是针对不同的囊心和用途，选用一种或几种复合壁材进行包覆。

微胶囊体系的组成包括芯材和壁材。通常包在微胶囊内部的物质被称为芯材，是微胶囊的活性组分，通常是液体、固体或气体，其组成可以是单一物质或混合物［4］。已经知道被微囊化的物质有溶剂类、酸碱类、色料类、催化剂类、香料类、药物类、生物物质类、食品类和化学药剂类等。具体到农产品加工中可作为芯材的物质主要有甲苯、环己烷等溶剂;固化剂、发泡剂等加工助剂;油脂、酒类、饮料等食品;香精香料、防腐剂、甜味剂、维生素等食品添加剂，以及酶制剂、微生物细胞、茶多酚、DHA等生物材料类。除此之外还有诸如杀虫剂、除草剂和饲料添加剂等［5］。

壁材是微胶囊外部由成膜材料形成的包覆膜，是影响微胶囊性能的关键。壁材通常由无缝坚固的高分子材料或者无机化合物的薄膜构成。常用的微胶囊壁材包括蛋白质类、植物胶类、纤维素类、缩聚物类、共聚物类、均聚物类、蜡类和无机材料类等。壁材的选择首先应具有成膜性，能在囊心物质上形成一层具有粘附力的薄膜，又不能与它发生化学反应，对它没有毒副作用，还要考虑到产品的渗透性、稳定性、强度及囊心的释放速率等因素。工业上常用的壁材包括天然的、半合成的高分子化合物和合成高分子化合物两类。天然的高分子化合物包括明胶、酪蛋白等蛋白质类，例如Yoon Yeo等人对蛋白质药物微胶囊制备的研究，证明微囊化很适合蛋白质的独特性能的体现［6］。琼脂和黄原胶等高分子碳水化合物，醋酸纤维素和羧甲基纤维素等纤维素类，软脂酸、虫胶等脂肪酸及衍生物以及水玻璃胶等无机高分子，如韩国的李训冬开发了一种新的能包裹乙醇和药物的明胶微胶囊口服剂，并试图以明胶作为一种水溶性聚合物壳来增加水不溶性药物的溶解率［7］。合成高分子化合物包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯等乙烯基聚合物，也有聚酰胺、聚脲、氨基树脂、聚硅氧烷和环氧树脂等［8］。

1.2 微胶囊的分类

按微胶囊壁材与芯材性能的不同，可以将微胶囊分为以下六种类型。

1.2.1 缓释型微胶囊 该微胶囊的囊壁相当于一个半透膜，一定条件下可允许芯材物质透过，以延长芯材物质的作用时间［9］。根据壁材的来源不同，可分为天然高分子缓释材料和合成高分子缓释材料。

1.2.2 压敏型微胶囊 该微胶囊芯材为待反应的物质，当压力作用于微胶囊超过一定限度后，胶囊壁破裂而释放出芯材物质［11］。

1.2.3 热敏型微胶囊 该微胶囊所包埋的芯材物质可因温度升高，壁材软化或破裂而释放;或因温度的改变而发生分子重排或几何异构而产生颜色的变化。

1.2.4 pH敏感型微胶囊 该类型微胶囊的壁材在某个pH范围内稳定，当pH变化时，壁材会溶解、降解、破裂，释放出囊心物质。

1.2.5 光敏型微胶囊 当壁材破裂后，芯材中的光敏物质通过选择性吸收特定波长的光，发生感光或分子能量跃迁而产生相应的变化［12］。

1.2.6 膨胀型微胶囊 壁材为热塑性且高气密性物质，而芯材为易挥发的低沸点溶剂，当温度升高到高于溶剂的沸点后，溶剂蒸发而使胶囊膨胀，冷却后胶囊依旧能维持膨胀前的状态。

1.3 微胶囊的制备方法

各种微胶囊的制备按其原理不同可分为化学法、机械法和物理化学法三种［13］。

化学法是利用在溶液中单体或高分子通过聚合反应或缩合反应，产生囊膜制备成微胶囊［14］。本法的特点是不加凝聚剂，常先制成W/O形乳浊液，再利用化学反应交联固化，例如Satoshi Iwamoto等人利用化学法形成乳浊液制备明胶微胶囊［15］。主要包括:界面聚合法、原位聚合法、液中硬化覆膜法、锐孔—凝固浴法等。

机械法主要包括:空气悬浮法、喷雾干燥法、真空蒸汽沉积法、静电结合法、多孔离心法、挤压法、分子包埋法等。

物理化学法在液相中进行，芯材与壁材在一定条件下形成新相析出，故又称相分离法，其微胶囊化大体可分为芯材的分散、壁材的加入、壁材的沉积和壁材的固化四步。根据形成新相的方法不同，相分离又分为单凝聚法、复凝聚法、溶剂—非溶剂法和改变温度法［14］。

一般而言，物理化学法和物理法的制备过程中常涉及高温、大范围的pH变化以及使用有机溶剂等，所以这两种方法不利于细胞等生物活性物质的固定化，生物微胶囊的制备大多采用化学法。

1.4 微胶囊的优缺点

微胶囊技术目前之所以日益发展迅速、应用广泛，主要是基于其以下几个优点［16］:

1.4.1 能改变物料的状态 能将液态、气态或半固态物料固态化，如粉末油脂、粉末香精、固体饮料等，用以提高其溶解性、流动性和贮藏稳定性。这种固体产品易与其他原料混合均匀，便于加工处理、使用、运输和保存。

1.4.2 能控制芯材释放 控制释放是指在易于控制的条件下，微胶囊中活性组分可以根据需要释放出来，以达到使用效果。芯材的释放分为瞬间释放和缓慢释放。瞬间释放是利用机械压碎、摩擦、变形等各种外力或利用加热、酶攻击、溶剂溶解等物理、化学等方法使胶囊破碎。微胶囊产品可通过预先设计的溶解和释放机理，在最适时间以最适速率释放芯材物质。

1.4.3 能进行组分隔离 运用微胶囊技术将可能相互反应的组分分别微胶囊化后，就可稳定地共存于同一物系中，各种有效成分有序地释放，分别可在相应时间发生作用。

1.4.4 能降低或掩盖不适味道 某些营养物质具有令人不愉快的气味或滋味，如臭味、辛辣味、苦味、异味等，用微胶囊技术可以对这些味道加以降低或掩盖。

1.4.5 能保护敏感成分，增强其稳定性 可防止某些不稳定的食品原辅料挥发、氧化、变质，以提高敏感性物质对光、热、氧、温度等环境因素耐受力，确保营养成分不损失，特殊功能不丧失。例如龚平等人对SOD进行微胶囊化后，发现其稳定性得到了显著的提升。

然而微胶囊也存在着一些缺点和不足，诸如有些产率较低，一般情况下有些品系微胶囊的包埋率比较低，要从中选择包埋完全的产品。再者，其适用性较差，例如原位聚合法中要求单体是可溶的，适宜于气态、水溶性和油溶性的单体，每种制备方法有其适用范围。同时，那些性能优良，价格低廉的微胶囊壁材还有待于进一步的开发。最后，某些方法的设备投资大、能耗大，比如喷雾干燥机，宜于热敏性、亲水性的物质，且能用于工业化生产，但是包埋率较低、设备价格高、耗能大。

2 微胶囊技术在发酵产品中的应用

2.1 微胶囊技术在固定化菌种发酵方面的应用

采用微胶囊体系固定化菌种的应用比较广泛，纤维素硫酸钠(NaCS)－聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)体系微胶囊因具备机械强度高、胶囊壁薄、物化性能稳定、生物相容性好、制备简单等优点成为细胞微囊化的一个新研究方向。姚泾善教授利用NaCS－PDMDAAC微胶囊固定化粗壮假丝酵母生产脂肪酶、固定化红曲霉菌生产红曲色素、固定化Klebsiella pneumonia(肺炎克雷伯氏菌)发酵生产1，3－丙二醇及固定化黄色短杆菌生产谷氨酸等，通过微胶囊固定化提高了其生产效率［17］。同时陈国也利用NaCS－PDMDAAc微胶囊固定化技术研究了pH调控方式对微囊包埋Klebsiella pneumoniae(肺炎克雷伯氏菌)发酵生产的影响，优化了发酵参数［18］。陈爱政等人进行了ACA微胶囊固定化细胞发酵木糖醇研究，制备了莫格假丝酵母NaCS－PDMDAAc微胶囊用于发酵生产木糖醇，且优化了木糖醇发酵培养基条件［19］。罗世翊用两种微胶囊体系生产L－苯丙氨酸，分别是SA－CMC/CaCl2微胶囊固定化重组大肠杆菌萃取发酵和NaCS－PDMDAAC微胶囊固定化重组大肠杆菌萃取发酵［20］。同时微胶囊技术在微生物制药方面也有应用，徐宝多等人采用液芯羧甲基纤维素钠－海藻酸钙(CMC－ALG)体系固定化培养盘基网柄菌提高人类可溶性Fas配体的表达，而该配体的凋亡作用在治疗肿瘤、AIDS、癌症、关节炎等慢性疾病方面有着极其重要的作用。需要强调的是:许多的实践证明了ACA微胶囊固定的酶催化效果甚好［21］。

2.2 微胶囊技术在微生物制剂方面的应用

随着社会对环境安全、生态保护和可持续发展意识的不断增强，微生物制剂也在不断地被开发和利用，微胶囊生物制剂将成为其重要的发展方向之一。在微生物农药制剂方面，一直以来研究苏云金杆菌为主的细菌制剂居多，刘华亮等人进行了苏云金芽孢杆菌发酵液微滤浓缩和微胶囊剂研究，通过单因素实验及正交实验确定了制备微胶囊的复合凝聚体系的最佳条件，并在此基础上制备了苏云金芽孢杆菌微胶囊制剂，通过紫外线处理发现微胶囊制剂有较强的抗紫外线能力［22］。朱丽云等人利用苏云金杆菌(Bt)微胶囊制剂来提供最好的控制释放技术解决微生物农药贮藏稳定性和田间使用持效性等问题。对真菌制剂的研究开发也很活跃，其中有白僵菌、绿僵菌和木霉菌等［23］。赵军等人进行了球孢白僵菌微胶囊剂的研制，微胶囊剂具有保护芯材物质免受环境影响的显著特点，能大大增强孢子的抗逆性，也提高了贮藏稳定性、田间使用持效性［24］。此外，黄素芳等人以明胶和阿拉伯胶为壁材，通过复凝聚法进行青枯病防生菌ANTI－8098A微胶囊的制备，以此改善防生菌在田间的稳定性，进一步提高防生菌对青枯病的防效，以避免活性物质与外界环境直接接触，提高防生菌的田间繁殖能力和其在田间条件下使用的稳定性［25］。区伟佳等人通过生防芽孢杆菌粉剂喷雾干燥微胶囊化的研究，把生防菌包裹在囊壁物质中，制成几微米至几百微米的微球体，具有调节有效成分释放、降低施药量、防治漂移、节省人工、扩大防治幅度、使原来不能混用的药剂可以混用和掩盖忌避作用［26］。通过调节芯材浓度更能使农用微生物产品的有效活菌数达到一般采用的深层发酵无法达到的程度。

2.3 微胶囊技术在发酵乳制品中的应用

发酵乳制品中的益生菌的活性比较低，而微胶囊技术能提高益生菌发酵制品在肠道中的活性，而且近年来，微胶囊技术在发酵乳制品中的应用非常广泛。Steve Lubetkin发现乳化过程中加入阴离子表面活性剂有助于形成粒径更小的乳液，从而影响微胶囊的粒径分布。微胶囊技术的应用主要集中在乳酸菌、乳杆菌、嗜酸乳杆菌、双歧杆菌等方面的研究。

在乳酸菌方面，Peter Torley等人通过喷雾干燥法测量的乳酸杆菌的粒径以及其结构的研究得出，微胶囊化不仅增加了嗜酸乳杆菌在贮藏期间的存活率，延长产品的货架寿命，而且还使嗜酸乳杆菌微胶囊终产品具有良好的分散性［27］。黄亮对利用NaCSPDMDAAC生物微胶囊培养乳酸菌进行了研究，得出用微胶囊培养乳酸菌底物和产物的抑制作用较小，微胶囊固定化微生物细胞发酵能提高微生物的耐性、利用率和反应效率，减少后期分离的工艺程序［28］。孙欣也进行了吸附与包埋技术固定化乳酸菌及其性质研究，提出基于双乳化法(W/O/W)的微胶囊技术，该方法可以将益生菌包埋在一个相对稳定的内部环境中，抵抗外部有害环境的影响，并且该方法较冷冻干燥、喷雾干燥等方法所需的制备条件较温和，不会严重影响被包埋细菌的活性。

在乳杆菌方面，Prevost等人利用包埋的保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌连续生产酸奶，这种方法虽然比较复杂，但是它可以保持稳定的产品质量，牛奶的连续接种、发酵时间、酸度和恒定的杆/球比率都能得到有效控制。这些菌在整个包囊过程以及以后的贮藏过程中能够保持很高的活性，同时可以减少50%～60%的培养时间。叶子坚等人采用 MaCSPDMDAAC微胶囊对两种乳杆菌进行了固定化发酵研究，该乳杆菌比游离培养产率高出十倍以上，且能与游离发酵一样产生乳酸，糖耗时间可缩短1/3～2/3［29］。

在嗜酸乳杆菌方面，张玉磊应用质量分数为1%海藻酸钠和3%明胶作为包埋材料对嗜酸乳杆菌NCFM菌株进行微胶囊化处理，包埋后的微胶囊在36m in内完全崩解，释放出的活菌数最多，可达1.15×109g－1［30］。经人工胃液处理 3h 后，微胶囊化的活菌数分别为3.85 ×109mL－1和 2.53 ×109mL－1，显著高于两种条件的对照处理的活菌数(分别为2.80×109mL－1和2.01×109mL－1)。罗佳琦采用喷雾干燥法和高压静电法对嗜酸乳杆菌进行微胶囊化研究，旨在保持细菌在微胶囊内的活性，解决产品长期保存问题。而高压静电法则着重解决发酵工业中细菌的生长、发酵产物在线分离等问题。

在双歧杆菌方面，李德斌分别比较了两种微胶囊化方法，分别做了肠溶性和胃酸模拟实验，明胶－阿拉伯树胶体系形成的微胶囊具有形态好、产率高等优点［31］。还对微胶囊化时的包囊率和包埋产率作了评估，从而优化出双歧杆菌微胶囊技术的生产工艺。张玉华等人根据微胶囊在人工胃液中的耐酸性和在人工肠液中的崩解性，确定空气悬浮法制备微胶囊的最佳工艺条件，从而制备出长双歧杆菌和嗜酸乳杆菌二联活菌微胶囊，以期提高口服时的存活率和常温下的保存期，确定了该法制备二联活菌微胶囊的最佳工艺条件，制备的微胶囊具有良好的耐酸性、肠溶性和稳定性［32］。

除益生菌微胶囊化的研究外，微胶囊技术在干酪和乳酸菌发酵饮料中也有应用。邓海燕对微胶囊技术制备酶改性干酪粉的工艺优化及行业应用进行了系统研究，根据乳液稳定性确定了微胶囊化壁材组合的配比，并以包埋率为指标，通过单因素实验和正交实验确定了微胶囊乳液的最佳工艺条件［33］。

2.4 微胶囊技术在酿酒生产中的应用

近年来，在酿酒工业中应用微胶囊技术研制开发新的产品，问世的有奶味啤酒、螺旋藻悬浮啤酒、粉末化酒等。利用微胶囊技术生产的粉末酒，改变了传统酒类产品的固有形态，与液体产品相比具有以下优点:体积小，便于携带，特别适于郊游、旅行中使用，饮用时临时加水即可;便于贮藏、运输;可避免外界不良因素的干扰，提高产品的稳定性及货架期;可有效地控制芯材的释放速率［34］。Sergio F.A lmonacid等人通过对比，研究了自由酵母和微胶囊化酵母对于烈性啤酒的分批发酵的影响，通过对其感官以及顶空化合物成分的比较，得出两者差异不显著(p＞0.05)，但后者从综合方面还是优于前者的结论［35－36］。张立央研究了 SA/CS－CaCl2/PMCG 微胶囊固定化酿酒酵母的培养及其半连续培养过程，证明SA/CS－CaCl2/PMCG微胶囊的生物相容性好，基本对酵母细胞的生长没有影响，且产酒精率大大提高。于炜婷等人以啤酒酵母S.cerevisiae BY4741为模型，将乳化－内部凝胶化工艺用于微生物固定化培养，重点考察了乳化－内部凝胶化工艺过程相关参数对微生物活性的影响规律，发现在细胞增殖过程中，微胶囊形态保持良好且酵母菌的生长动力学明显优于游离培养组。因此，乳化－内部凝胶化工艺有望成为规模化微生物固定化培养和生产的新技术。姚泾善等人进行了NaCS－PDMDAAC微胶囊固定化酒精酵母的实验及其培养规律的研究，发现微胶囊固定化酒精酵母的产酒精情况与游离培养基本一致，微胶囊内酿酒酵母的最高细胞密度可达2.64×1010mL－1，表明NaCS－PDADMAC微胶囊适用于生物物质的固定化，酒精浓度可达到47.0g·L－1，在连续发酵16批后，仍具有良好的性能，比普通连续培养高5～6倍。在此基础上将酿酒酵母的游离培养动力学模型与微胶囊的物质传递相结合，建立了一个用于描述酿酒酵母微囊化培养生产酒精的模型，计算结果基本上能预测细胞密度、葡萄糖浓度和酒精浓度的变化趋势。李建飞等人采用微胶囊包埋法固定酵母细胞，同时利用流态化技术，使胶囊化的酵母细胞悬浮于稳定状态的发酵液中。通过控制流量、温度和压力，连续进行麦汁的二级主发酵，然后不断取走嫩啤酒，从而实现啤酒的连续化生产［37］。结果表明，连续发酵生产的啤酒与分批发酵相比，风味、口感都比较接近。陶永清等人对以β环糊精作为壁材用喷雾干燥制备啤酒粉末的工艺进行了探讨，初步获得了高质量高产率啤酒粉末，通过对啤酒粉末及原啤酒的主要风味物质及其成分进行检测对比分析，结果表明，微胶囊化可大大提高啤酒粉末中主要风味物质的保留水平，同时还可使啤酒粉末的回潮性大大降低［38］。

2.5 微胶囊技术在发酵生产纳豆激酶中的应用

纳豆激酶(Nattokinaes)是由纳豆菌在发酵大豆过程中产生的一种具有纤溶活性的丝氨酸蛋白酶。国内外研究表明，纳豆激酶都有明显的溶栓作用。其通过食品发酵而来，在胃肠环境中不会失活，可通过消化道吸收，不仅溶检效率高、疗效时间长，且安全可靠。将纳豆激酶制品开发成口服型药物及保健食品的前景很广阔［39］。张鑫欣研究了将生物微胶囊和多孔淀粉同时应用于纳豆菌及纳豆激酶的固定化，确定其最优制囊条件，并研究了生物微胶囊各制囊成分及多孔淀粉与纳豆菌的生物相容性，采用响应曲面法优化了产酶条件，并通过发酵罐放大实验进一步确定了固定化纳豆菌的最优发酵条件，为生物微胶囊/多孔淀粉固定化纳豆菌在纳豆激酶工业发酵中的应用打下基础［39］。柴燚等人系统地研究了羧甲基纤维素钠－海藻酸钙微胶囊的制备和性质，并将其应用于固定化枯草杆菌发酵纳豆激酶，主要采用中空CMC－ALG微胶囊制备方法，优化制囊条件，选择得到适合此微胶囊固定化进行重复多批生产的培养基成分，从而进行连续发酵生产纳豆激酶［40］。

2.6 微胶囊技术在食醋中的应用

微胶囊技术在食醋产品的开发上也开始崭露头角，食醋在消除疲劳、提高肝脏的解毒功能与新陈代谢、软化血管、降血脂、降低胆固醇、减肥、抗衰老等方面均有一定作用，然而食醋对口腔、食管的黏膜具有较强的刺激性［41］。采用微胶囊技术对食醋进行包埋，制成具有缓释特性的醋胶囊，可避免食醋与人体口腔、食管黏膜的直接接触，消除刺激和口感不适性，提高食醋的保健功效。杜双奎等人采用锐孔－凝固浴法，以液态发酵食醋为材料，采用二次旋转中心组合设计法优化食醋微胶囊化工艺条件，分析工艺参数对食醋微胶囊化效果的影响规律，建立优化数学模型，为食醋微胶囊化生产提供了指导，为锐孔－凝固浴法工业化生产微胶囊提供理论基础［42］。

3 展望

对不同的发酵制品采取微胶囊技术时要依据不同的机理和方法，微胶囊技术的应用可以带来很多意想不到的优点和进步，但同时也存在诸多的不足。

微胶囊技术已经有了很大的发展，但是其基础研究还不成熟，还需要在理论和实际生产需要方面进行深入的研究。首先，有必要完善表征微胶囊性能，全面准确地表征微胶囊的性能是微胶囊研究的关键，也是其有效应用的基础。其次，性能良好、价格低廉的微胶囊囊材的开发，现有工业化生产需要更多降低成本的工艺，因此优良的囊材开发有必要进行深入的研究［16］。同时，微胶囊的囊芯缓释机理模型、方式等基础理论研究，高效率高水平微胶囊制备设备及工艺的研究也迫在眉睫。最后，对于微胶囊在食品乃至发酵产品中应用的工艺进行深入研究，使其在食品现代工业化生产过程中发挥更大的作用。微胶囊技术基于许多不可替代的优点，随着技术的不断改进，它作为一项能够改善物质性能的新技术，将给人们提供许多新型产品，满足人们各种需求，可不断提高人们的生活质量，具有广阔应用前景。它在发酵生产各种制品方面发挥的作用也将越来越显著，在提高人们的生活水平的同时也将给企业创造巨大的经济收益和社会效益，与此同时，微胶囊技术同发酵产业的结合也是对创造节约型、低碳型社会的响应。

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Microencapsulation technology and research progress in its fermentation products

ZHENG Zhan－wei，XIA De－shui，SUN Juan*

(College of Food Engineering and Nutritional Science，Shaanxi Normal University，Xi’an 710062，China)

As the fermentation products proportion is growing，making use of microencapsulation technology to embed inclusions to function better becomes more and more popular.The application of micro－capsule technology in fermentation products was introduced，and prospect of micro－capsule technology in the food prospect was given.

microcapsulary;fermented product;application;prospect

TS201.1

A

1002－0306(2011)08－0423－06

2010－08－03 *通讯联系人

郑战伟(1984－)，男，硕士研究生，研究方向:食品发酵技术。