微胶囊化酶在食品工业中的应用进展

孙艳伟，张泽生，2，3，王田心，*，李雨蒙，秦程广

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457；2.天津科技大学食品营养与安全教育部重点实验室，天津300457；3.天津食品安全低碳制造协同创新中心，天津300457）

微胶囊化酶在食品工业中的应用进展

孙艳伟1，张泽生1，2，3，王田心1，*，李雨蒙1，秦程广1

（1.天津科技大学食品工程与生物技术学院，天津300457；2.天津科技大学食品营养与安全教育部重点实验室，天津300457；3.天津食品安全低碳制造协同创新中心，天津300457）

酶的微胶囊化技术是将酶包埋、封存在微型胶囊内成为一种固体微粒产品的技术。近年来，微胶囊化技术得到了迅速的发展，在酶的固定化方面有着广阔的应用前景。首先对微胶囊技术进行概述，着重介绍微胶囊化酶的制备方法及在食品工业中应用的研究进展，讨论目前微胶囊化酶技术中存在的问题，并对其发展前景进行了展望。

酶；微胶囊；制备方法；应用

微胶囊技术的研究始于20世纪30年代，发展迅速，用途广泛，现已成为食品科技领域的研究热点之一，其在食品方面的应用，满足了市场的新需求，加快了食品工业的快速发展。微胶囊技术通过采用成膜材料将食品成分进行包埋，可以改变物质形态，保护食品中的活性成分，减少营养成分的损失，巩固和改善物质的稳定性等，许多以往由于技术障碍而得不到开发的产品，通过微胶囊技术得以实现[1-2]。

酶具有专一性强、催化效率高、反应条件温和等特点，作为一种生物制剂广泛应用于食品、医药、化妆品等行业中。但酶的本质是由氨基酸组成的蛋白质，易被氧化失活、耐热性较差、易与铜离子和亚铁离子等金属离子发生作用而失活，其应用受到一定的限制，而且大多数酶要在特定的条件（温度、浓度、酸碱环境）下才能发挥活性[3]。为解决这一问题，可用微胶囊对酶进行包埋，不仅能够提高酶的稳定性，还可以通过选择合适的壁材，达到控制其释放的目的[4-5]。近年来，国内外开展了许多微胶囊化酶的研究，本文综述了这方面的研究进展，旨在为我国食品工业中微胶囊技术的应用及研究提供参考。

1 微胶囊概述

1.1 微胶囊技术

微胶囊技术是指借助特定的工艺手段，利用天然的或者人工合成的高分子材料作为壁材、来包埋固体、液体或气体物质等芯材，形成直径在1 μm～5 000 μm范围内、具有半透性或密封囊膜的微型胶囊，并在需要时将芯材释放出来的一种技术[6-7]。

微胶囊技术应用于食品工业，可以通过微胶囊化将食品成分与周围环境隔离开，降低了水、氧气、温度、光等环境因素对芯材的影响[8]，从而可以改善食品成分的物理性质（颜色、外观、表观密度、溶解性等），提高物质的稳定性；保护食品中的活性成分，减少营养物质的损失，使其保持原有的风味；另外，通过选择壁材，可根据需要控制物质的释放[9-10]。

1.2 微胶囊的分类

按微胶囊壁材与芯材性能的不同，可以将微胶囊分为缓释型、压敏型、热敏型、pH敏感型、光敏型以及膨胀型6种微胶囊，其中pH敏感型微胶囊近年来得到广泛的应用与开发。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[11]。例如，针对肠道pH值环境普遍使用的海藻酸钠-壳聚糖类壁材就是普遍使用的一种pH敏感型微胶囊壁材[12]，不仅可以用于结构不稳定的小分子化合物的稳态化处理[13-14]，在活性蛋白及酶的稳态化处理方面也有所应用[15]。

1.3 微胶囊化酶壁材的选择

微胶囊的性能取决于芯材、壁材及微胶囊技术，壁材是影响微胶囊物化性质的主要因素[16-17]。对于一种微胶囊产品来说，合适的壁材非常重要，壁材选择的恰当，可以使芯材的活性得到充分的发挥[18]。

微胶囊化酶的壁材应依据芯材的特性来选择，一般需要注意以下几点：（1）孔径大小要合适。既要能让被催化物质顺利通过，又要能避免酶渗透损失。（2）毒性、稳定性的要求。一般应用于食品的要求是材料稳定、无毒、无副作用、无刺激性。（3）与芯材相配且不发生化学反应。（4）力求廉价，来源广泛，成本较低[19-20]。大部分的壁材是高分子材料，实际应用中，很少只用一种包膜材料来实现微胶囊化，而是常用2种或2种以上的壁材复合物来达到理想的包埋效果[21]。目前应用最广的是壳聚糖、海藻酸钠、乙基纤维素和脂质体等[20]。

2 微胶囊化酶的制备方法

微胶囊化酶的制备方法主要有干燥浴法、超临界流体技术、脂质体技术及内源乳化法等。

2.1 干燥浴法

干燥浴法制备微胶囊，是把壁材与芯材的混合溶液以微滴形式分散到具有挥发性的介质中，挥发性的分散介质快速从液滴中去除形成囊壁，最后通过加热、减压、搅拌、溶剂萃取、冷却或冷冻等方法将囊壁中的溶剂除掉，即制成微胶囊[22]。干燥浴法包括水浴干燥法和油浴干燥法两种，水浴干燥法在酶的微胶囊化中更常用；壁材选用疏水性高分子材料，常用的是乙基纤维素；有机溶剂采用沸点比水低的疏水性溶剂，以便在干燥过程中更容易挥发，常用的二氯甲烷[23]。干燥浴法的优点是简便、温和，但该方法的不足之处在于反应时间长，不易控制，产品的产量低[22]。龚平等[24]分别采用水浴干燥法和油浴干燥法制备超氧化物歧化酶微胶囊，结果表明，通过水浴干燥制得的微胶囊比通过油浴干燥制得的微胶囊整体效果好，表面较光滑，圆整度较好，大小均一，无粘连现象等。

2.2 超临界流体技术

超临界流体技术制备微胶囊主要有超临界快速膨胀过程（Rapid Expansion of Supercritical Solution，简称RESS）和超临界气体抗溶剂过程（Gas Anti-Solution），但RESS过程制备一般适用于芯材、壁材均能溶于超临界流体的体系[25]。超临界流体技术制备微胶囊有方便、易控制等优点，特别是超临界二氧化碳的临界温度是常温，而且制备过程中无残留溶剂，对于药物、生物制品等热敏性物质都很适用[26-27]。黄光宇等[28]以木瓜蛋白酶为芯材、乙基纤维素为壁材对超临界CO2抗溶剂法制备微胶囊的过程进行了研究。

2.3 脂质体技术

脂质体包被法是利用溶于油相的表面活性剂或具表面活性的脂质体将酶包被。其具备结构多样，通过改变尺寸和脂质组成，有助于提高酶作用的选择性；对包埋物的容纳性好；可将稳定剂等多种物质与酶一起包埋，从而提高酶的稳定性，并能达到很高的内容物脂质比；作为一种天然无毒；生物可降解，贮存稳定的新型载体，脂质体受到广泛关注。但是脂质体对酶的包埋率低，成本较高[29-30]。Anjani等[31]用脂质体包裹加速干酪风味的酶系，缩短了干酪成熟期，且阻止了干酪变质，微胶囊化酶除稳定性提高外，还具有控制释放性。

2.4 内源乳化法

乳化法包括外源乳化法和内源乳化法，这种方法生产规模比较大，而且制成的微胶囊粒径小而均匀，表面光滑[32]。内源乳化法是内源乳化法是通过酸化海藻酸钠包埋的水不溶性钙盐，缓慢放出钙离子进行凝胶的内源凝胶法，制得的微胶囊微球与外源乳化法相比，更具有可控性，且粒径分布更均匀[33]。乳化过程中水相和油相的比例影响微胶囊的粒径分布和包埋率等性质，一般情况下，水相和油相的体积比在1∶2和1∶5之间。内源乳化法制备过程中使用的油溶性酸种类很多，但通常选择的是柠檬酸、乳酸和乙酸，其中乙酸的效果最佳[34]。王霞[35]用内源乳化的方法包埋葡萄糖氧化酶添加至面粉中改善其烘焙品质。结果发现，微胶囊化葡萄糖氧化酶可以比原酶更好地改善面团特性和面包烘焙品质。刘若男[32]采用内源乳化法成功制备出溶菌酶微胶囊，在模拟胃液中2 h后，微胶囊化溶菌酶活性保留率为89.5%，游离酶的活性保留率仅为31.7%，包埋后的溶菌酶活性保留率比未包埋时明显提高。

2.5 其他制备方法

刘博等[36]以壳聚糖、海藻酸钠为载体，采用脉冲电场工艺成功地对脂肪酶进行了固定化。该制备工艺具有生物相容性好、制备过程温和、成本低廉等特点，在细胞培养、药物缓释等领域已有应用[37-38]；Yao等[39]利用磁性碳质微球对胰蛋白酶进行了固定化，与传统的制备方法相比，这种磁性胰蛋白酶微球具有显著的蛋白水解功效，能够加速蛋白水解过程，因而成功地应用于蛋白质的快速水解方面，同时，磁性微球的合成简单，材料价格低廉，因而在蛋白质组学的大规模研究方面具有很好的应用前景；Akamatsu等[40]以壳聚糖为壁材，采用SPG膜乳化技术成功制备出了单分散溶菌酶微球，并且能够控制微球的粒径，实验结果表明，采用SPG膜乳化技术制备微胶囊化溶菌酶，酶活性保留率大约为50%。

3 微胶囊化酶的研究新进展

近年来随着微胶囊技术的研究日益成熟，它作为一种固定化技术在酶方面的应用也引起国内外的广泛关注，在食品及保健品方面国内外主要的研究集中在超氧化物歧化酶、溶菌酶、葡萄糖氧化酶及纳豆激酶等酶类。

3.1 超氧化物歧化酶的微胶囊化

超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase，SOD）是一类金属蛋白酶类，在生物体内专一地清除氧自由基，保持生物体内氧自由基的平衡，减少其对生物体的损害。SOD在体外稳定性差，受温度、氧气等因素影响容易失活，而且具有一定的免疫原性，这限制了其应用[41-42]。龚平[24]以乙基纤维素为囊材包埋SOD，对油中干燥法和水中干燥法两种制备方法进行了初步的比较，结果表明，采用后者制得的微胶囊形状规则且粒径分布均匀；赵有玺等[43]采用水中干燥法，以乙基纤维素为壁材，对超氧化物歧化酶进行包埋，形成的微胶囊形状规则、粒径分布均匀；之后对微胶囊进行了结构分析，结果表明，乙基纤维素与SOD分子间形成很强的分子间相互作用，但这种作用不是化学作用。这对于进一步了解微胶囊的形成机制，控释机制和改进微胶囊性能，提供理论依据。

3.2 溶菌酶的微胶囊化

溶菌酶添加到产品中时，温度、光等条件都会对溶菌酶活性有影响，进而影响其加工贮存性；另外溶菌酶在经过胃肠道时，会被胃酸及胃蛋白酶分解成小分子，活性损失很大，生物利用度很低，因而其应用受到限制[32]。为了使溶菌酶在肠道内发挥其生理功能，刘若男[32]采用壳聚糖-海藻酸钠对溶菌酶进行了微胶囊化，得到的微胶囊在模拟胃液处理后溶菌酶保留活性达90.0%。微生物溶菌酶作为一种高效、广谱的天然抑菌物质广受关注，在食品保鲜及极畜禽抗病方面有这广阔的应用前景。但是微生物溶菌酶的热稳定性很差，所以在食品及饲料的加工过程中易造成活力损失，因而没有被广泛应用[44]。费国琴[44]采用锐孔-凝固浴法，以海藻酸钠为主要壁材，探索适合的制备工艺条件并采用响应面法进行了优化，经过优化后，微生物溶菌酶包埋率为92.10%，有一定提高，在实际应用中具有一定的指导意义。

3.3 葡萄糖氧化酶的微胶囊化

早已被证实，癌细胞中的活性氧含量高于正常细胞，因此氧化治疗成为了探索癌症新疗法的一个新的方向，Abdekhodaiea等[45]利用壳聚糖-海藻酸钙为壁材，采用内源乳化法对葡萄糖氧化酶进行了包埋，并针对其对癌细胞的作用进行了体内及体外研究，体外研究表明，在葡萄糖糖化酶的负荷水平相同的情况下，直径较小的葡糖糖氧化酶微球比直径较大的葡糖糖氧化酶微球产生更多的H2O2，杀死更多的癌细胞。葡萄糖氧化酶是一种快速氧化剂，催化速度很快，游离的葡萄糖氧化酶加入面团，会过早地产生H2O2，而使得面团变硬[35]。王霞等[46]用内源乳化的方法包埋葡萄糖氧化酶添加至面粉中改善其烘焙品质，结果发现，微胶囊化葡萄糖氧化酶可以比原酶更好地改善面团特性和面包烘焙品质。

3.4 纳豆激酶的微胶囊化

目前，血栓及栓塞类疾病严重威胁人们的健康，纳豆激酶因溶栓作用强，且成本低廉、安全无毒而受到关注，但目前对纳豆激酶的研究还不是很成熟，为了长期有效保持纳豆激酶的活性，程云[47]采用海藻酸钠/CMC对纳豆激酶进行了包埋，经过包埋的纳豆激酶，其酶活受到了一定程度的保护，且制得的微胶囊粒径小、外观规则并且酶活的回收率高。陈景鑫[48]研究了复凝聚法、固定化法及环糊精包络法制备纳豆激酶的工艺条件，并对微胶囊化纳豆激酶的稳定性进行了分析，最后进行了模拟胃环境的体外实验。结果表明，将纳豆激酶微胶囊化后基本没有改变溶栓特性；在模拟胃环境的体外实验中，纳豆激酶微胶囊在正常的胃肠道酸性环境中仍具有一定的活性，而未经微胶囊化的纳豆激酶几乎完全丧失活性。通过比较分析，确定环糊精包络法为最佳制备纳豆激酶微胶囊的方法，为纳豆激酶在保健品及药品的应用有一定的意义。

4 展望

微胶囊技术是21世纪重点研究开发的高新技术之一，具有很高的利用价值。我国对微胶囊技术的研究及应用起步较晚，尤其是在酶的微胶囊化方面，研究得还很少，需要更深入的研究。首先，为了扩大微胶囊化酶在食品工业及保健品行业的应用，亟需开发安全无毒、来源广泛的壁材；其次，微胶囊化酶的表征目前还无法准确表达，也没有一种简便可行的方法或技术标准；此外，需要对不同壁材与酶之间的相互作用进行理论研究，了解其相互作用机制，以便为微胶囊化酶的应用提供参考。

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The Application Progress of Enzyme Microencapsulation in Food Industry

SUN Yan-wei1，ZHANG Ze-sheng1，2，3，WANG Tian-xin1，*，LI Yu-meng1，QIN Cheng-guang1
（1.Institute of Food Engineering and Biotechnology，Tianjin University of Science and Technology，Tianjin 300457，China；2.Key Laboratory of Food Nutrition and Safety，Ministry of Education，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China；3.Tianjin Food Safety&Low Carbon Manufacturing Collaborative Innovation Center，Tianjin 300457，China）

Microencapsulation of enzyme is a technique that encapsulates enzyme to obtain solid particle product.In recent years，development of microencapsulation is rapid and it has a promising prospect in the immobilization of enzyme.In this review，the encapsulation technology was firstly overviewed，followed by the introduction of preparation methods and the latest research progress of enzyme microencapsulation applied in food industry.And its key issues and application prospect were elaborated as well.

enzyme；encapsulation；preparation method；application

10.3969/j.issn.1005-6521.2017.08.046

2016-07-31

天津科技大学青年教师创新基金（NO.2015lG24）

孙艳伟（1992—），女（汉），硕士研究生，研究方向：天然产物活性成分。

*通信作者：王田心（1985—），男（汉），讲师，博士，研究方向：天然产物活性成分。