饲用微囊制剂的技术研究进展及应用效果

2020-12-30邹田德黄艳群

饲料工业 2020年22期

朱瑶邹田德黄艳群陈文*

（1.河南农业大学饲料营养河南省工程实验室，河南郑州450002；2.江西农业大学饲料开发工程研究中心江西省动物营养重点实验室，江西南昌330045）

饲料添加剂是现代养殖行业中必备的基础原料，即添加少量甚至微量就可达到强化机体营养基础、调整营养结构、降低饲养成本等目的的营养物质。但由于这些添加剂活性成分在饲料加工处理、运输、贮存过程中易产生化学反应，或进入机体未到达吸收靶点而产生生物降解等，这些营养物质的生物利用率远远低于预期。微囊技术最早起源于20 世纪30 年代，到了50 年代Green 等申请并获得了制备胶囊染料的专利，开发了无碳复写纸。自此微囊技术的使用热潮正式兴起，随后应用于多个领域，具有广阔的开发前景，但在饲料行业的起步仍属较晚。饲料中的主要营养成分（即微囊的活性内核），一般包括维生素、不饱和脂肪酸、酶制剂、氨基酸、微生态制剂等其他营养物质。

1 微囊技术

1.1 微囊概况

微囊技术即利用一些可成膜的物质，将芯材（固体、液体和气体）包埋在微小封闭微囊内的技术，可在一定程度上减弱环境等因素对芯材的影响。被包覆的材料称为芯材（即活性物质），多为纯物质或混合物。而包衣材料被称为壁材（即外壳或载体），可通过混合多种具有不同理化特性的材料成分，以克服仅使用一种材料时可能发生的限制。且可根据芯材的迥异性质选择多种技术手段进行加工，如喷雾干燥、喷雾冷却、挤出、凝聚、共结晶、冷冻干燥等。

1.2 微囊释放

营养物质从微囊中释放的时间和位点，是影响机体对其最大限度吸收及利用的重要因素。微囊的释放方式通常通过以下途径：①扩散：微囊在溶液中受囊壁内外浓度差异的影响而产生传质作用，在浓度梯度力的作用下活性内核从胶囊内缓慢渗出；②降解：药物均匀分布于整个基体且与基质紧密结合，在基质降解时释放；③侵蚀：通过pH 值和酶解的作用，外壳被侵蚀，内核被释放，如单硬脂酸甘油酯、蜂蜡和甾醇等。芯材释放速度受壁材厚度、空间分布、壁材变形程度、洁净度、交联度和芯材溶解度、扩散系数和分配系数等因素影响。

随着微囊技术发展，更加复杂的包被材料和包埋技术已经被开发出来，可根据不同需求改变微囊工艺以控制被包封成分的释放，如pH 值变化(肠溶性和抗肠溶性涂层)、机械应力、温度、酶活性、时间、渗透力等。

2 微囊制剂技术研究进展

2.1 维生素

维生素在饲料配方中占有极其重要的地位。据统计，仅维生素C、维生素E、维生素A、烟酰胺和D-泛酸钙五个品种已占维生素使用总量的84%。

维生素C 是一种重要的水溶性抗氧化剂和营养物质，可直接清除自由基，保护DNA和细胞免受氧化损伤。有学者采用反向W/O微乳液通过界面反应，以壳聚糖为壁材制备了水溶性维生素C的微胶囊，他们发现，通过界面/临界反应可将水溶性维生素C包埋形成一个完整结构，且维生素C的释放速率可随胶囊交联密度的增加而降低。Matos等将维生素C经喷雾凝固制成脂质体颗粒，经56 d 贮藏，其稳定性可到达75%以上，即使温度高于普通储存温度也能确保较好的维生素C稳定性。此外，微囊化处理还可以掩盖维生素C在食品中产生的酸味。

叶酸是B族维生素重要的组成部分，也是一种人体无法合成的必需微量营养素，因此必须通过饮食摄取。人们将微囊技术运用至叶酸的加工工艺中，以期能进一步提高其抗逆性，持续释放，提高生物利用率。Pérez 等以乳清蛋白浓缩物(whey protein concen⁃trate, WPC)和工业抗性淀粉为囊材，利用两种不同工艺对叶酸进行包埋，并研究了叶酸微囊在不同贮存条件和热暴露条件下的形态、基质分子结构、包封率和稳定性，结果发现，两种囊材和包封技术均可提高叶酸稳定性，特别是在干燥条件下，且以WPC为外壳包封得到的叶酸微囊稳定性较好。为了提高机体对维生素B12的吸收率，维生素B12微囊补充剂被研究者广为关注。Carlan 等将维生素B12以阿拉伯胶、海藻酸钠、角叉菜胶、麦芽糊精、变性淀粉、黄原胶和果胶为包封剂进行包封，采用喷雾干燥法制成维生素B12微囊。该研究表明维生素B12微囊化后具有良好的稳定性，且证实了使用不同包封剂可在不同时间释放维生素B12的可能性。

维生素A存在于所有的生物体中，但由于水溶性差，在氧化剂、光、热、温度和水分存在时高度不稳定。有学者通过微囊技术将油性维生素转化为粉末状，即采用明胶-阿拉伯胶复合凝聚法制备了棕榈酸酯微胶囊，既能够防止在环境中变质，还可增强稳定性。Albertini 等以壳聚糖-海藻酸和海藻酸钙分别作为第一层和第二层膜将核心物质进行包埋，结果表明，微囊化棕榈酸酯可在室温条件下储存一年后仍具有较高的回收率（t50%>360 d）。

维生素D是一种脂溶性生物活性物质，通常以麦角钙化醇(D2)和钙化醇(D3)两种形式存在。现已开发出纳米脂质载体（nano liposome carrier, NLC）作为维生素D的载体系统，可提高其转运量，保证稳定储存，发挥有效生理作用。Rabelo 等发现硬脂酸和油酸是与维生素D具有较高相容性的脂质，故将其熔融乳化后外层包裹上壳聚糖形成外壳，以维生素D作为内芯进行组装，经试验，形成的维生素D 纳米脂质体在25 ℃条件下可稳定贮存60 d，且在储存期间未观察到有维生素D颗粒排出。有报道表明，维生素D可增强肠道对钙的吸收却易受高温、氧化和酸性介质等环境条件的影响，故Jannasari等将维生素D以豆瓣菜种子黏液和凝胶通过复合凝聚形成微囊并在高温条件下进行干燥失重试验，结果发现，维生素D 微囊干燥失重的温度范围在270～500 ℃内，而维生素D纯物质从185 ℃开始失重，到300 ℃完全分解。

维生素E 是一种在氧气存在下会快速降解的水溶性较差的生物活性化合物，在胃肠道吸收少，生物利用率低，因此开发新的维生素E吸收剂型具有重要意义。随着制剂技术和制剂材料的多样化发展，磷脂酰胆碱和胆固醇可作为壁材，合成新型营养载体—壳聚糖纳米级脂质体，将维生素E 加入其中进行装备，包封率最高可达99%以上，载药率可达27%以上，且脂质体在4 ℃下贮藏8 周以上，稳定性也可达90%。维生素E 以其他材料为壁材进行微囊化同样可取得良好的包覆效果。Parthasarathi 等采用三种不同工艺制备了维生素E微囊，并发现喷雾冷冻干燥微囊技术可有效提高口服维生素E生物利用率。Huang等将辅酶Q10 和维生素E 进行共包封，试验中发现，微胶囊化的辅酶Q10 和维生素E 在190 ℃喷雾干燥时，其成分保留率、抗氧化能力和颜色均能保持相对稳定。Selamat 等将维生素E 微囊形成的过程中加入麦芽糖糊精，经测试，该微囊可在178～251 s 溶解，改善了维生素E溶解性差的问题。

2.2 不饱和脂肪酸

不饱和脂肪酸(PUFAs)由于其天然安全的特性，在多个领域得到广泛应用。然而富含PUFAs 的油类在有氧、光照、富含金属离子的条件下极易发生自身氧化，造成饲料酸变，甚至在分解后会产生醛、酮、碳氢化合物和环氧化合物等有毒分子。为了克服以上问题，将富含PUFAs的油脂微囊化已经成为许多学者提高其氧化稳定性的一种主要方法和手段。

据报道，微囊化后的鱼油被证明可提高小肠消化吸收效率，从而提高生长和饲料效率，尤其是当脂肪粉粒径小于5 μm 时，而在肉鸡和猪的饲料中添加微胶囊化的有机酸和精油混合物，可提高日增重、营养物质消化率和饲料利用率。同时Fadini 等结合使用喷雾干燥和喷雾冷却技术改善了对油脂成分的保护性，掩盖异味且降低了微粒的水溶性。且将含大量不饱和脂肪酸的油脂进行微囊处理可在一定程度上减轻高脂饮食（high fat diet, HFD）带来的负面影响，Ma 等以未处理油和微囊油为脂源进行研究，发现微囊油可能通过改善肠道结构和微生物群，增强HFD 饲喂的尼罗罗非鱼的免疫活性，这是第一个阐明了饲喂微囊油对HFD鱼类具有益生作用的研究。

2.3 酶制剂

酶制剂在养殖行业应用广、作用强，但其粉末剂型抗逆性较差，高温条件下易失活，故在全价料中应用较少。且其易受微量元素、酸化剂等影响，在浓缩料和预混料中应用同样受限。

据研究，不同来源的胃蛋白酶在37～50 ℃的温度下生物活性最强。当温度升高至55 ℃以上，酶活随着胃蛋白酶在溶液中的变性而显著降低。Songwen等通过喷雾干燥技术，制成胃蛋白酶的微胶囊，同时发现，150 ℃为保持胃蛋白酶高产率、高存活率的最佳工艺温度。Rodriguez等从废水中提取消化蛋白酶，分别用海藻酸盐和海藻酸-膨润土对其进行微囊化，试验过程中发现，当pH值为3时，两种微胶囊都能阻止酶的不可逆变性，并能保持其100%的活性。张文静等对复合酶(淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶)分别进行微囊处理和无处理并对酶活进行计数，结果发现，溶出240 min 后，复合酶微囊中的淀粉酶和脂肪酶活性较无处理组分别提高13%和5%。而无处理组蛋白酶经过消化道后失活近半数，复合酶微囊中蛋白酶仅失活10%左右。

2.4 饲用氨基酸

蛋白质是日粮营养供给动物生长发育的主要限制因素之一，而蛋白质最终表现出的生物学价值主要受小肠中所吸收氨基酸种类和数量的影响。在日粮中直接添加的游离氨基酸会因温度、湿度或pH 等环境、氧化还原性过强的化合物、胃中蛋白酶等因素降解而被机体利用极少。

奶牛日粮中添加的氨基酸会在瘤胃中部分或完全降解，导致极少到达小肠被吸收利用，微囊技术可将易被降解的氨基酸包被完全从而避免过量损失，达到增加吸收利用，提高生物利用率的目的。杨志强等对微囊赖氨酸和蛋氨酸瘤胃降解率进行测定。通常情况下，精料在瘤胃中的停留时间不超过48 h，但该实验结果显示，微囊赖氨酸和蛋氨酸在瘤胃的降解率明显降低，48 h 过瘤胃后含量可高达84.73%和85.12%。Niu等将结晶蛋氨酸颗粒用明胶和海藻酸钠混合壁材包裹，通过干燥喷雾法形成球形颗粒，不仅可调节蛋氨酸的释放，还可促进其他氨基酸的同步吸收来合成蛋白质。

2.5 微生态制剂

据统计，当摄入的益生菌数量至少应在106～107CFU/g才能在宿主机体肠道中定植并发挥其益生功能，是评价益生菌产品质量的一个重要指标。但饲用微生态制剂在制剂加工过程中由于工艺条件等原因常导致益生菌大量失活而未能起到显著益生效果。如何使益生菌以高活性到达肠道靶点发挥其生物功能是近年来学者们研究的关键点之一。

目前，微生态制剂微囊化后不仅可较大限度地保留益生菌活性，还能在加工和储存过程中保持良好的稳定性。Zhou等将嗜热乳酸菌分别以海藻酸钠、海藻糖、壳聚糖作为一、二、三层壁材，通过冷冻干燥进行包埋，得到的微囊中活菌计数为(8.34±0.30) lg CFU/g，模拟胃液中释放2 h后的存活数为(6.45±0.09)lg CFU/g，结果表明，多层包被的微囊化益生菌具有较好的稳定性和耐酸性。Chen 等将嗜酸乳杆菌LA-2作为内芯，卡拉胶与菊粉按1.9:0.1（W:W）的比例组合作为胶囊壁材，冷冻干燥得到的嗜酸乳杆菌LA-2 微囊可在4 ℃条件下存储在14 周仍保持较高活性。闫东方等将微囊化唾液乳杆菌以108CFU/kg添加在日粮中，发现可改善肉鸡生产性能，提高血清抗氧化能力和免疫性能。

2.6 其他类型的饲料添加剂

氧化锌对仔猪生长发育和减轻腹泻具有积极作用，但高锌饲养不仅会造成机体损伤，大量的锌离子还会随粪便排出体外，污染土壤。因此，Lei等将氧化锌外层进行包被后饲喂断奶仔猪，发现添加低剂量（500～1 000 mg/kg）包被氧化锌在促进生长、减轻断奶后腹泻、改善小肠形态和营养物质消化率方面，与添加药理学水平（2 500 mg/kg）氧化锌相比同样有效。且与2 500 mg/kg 氧化锌添加量相比，低剂量的微囊氧化锌减少了锌在粪便中的排出量。

3 饲用微囊制剂应用于动物营养的改良效果

饲用微囊制剂在动物营养方面广泛应用得益于其两方面核心目的：其一，包埋内核营养物质，使其与周围环境必须完全隔离，如防止挥发性内核的蒸发，或隔离反应性内核免受化学攻击等；其二，控制内核物质离开包埋外壳的速度，而非与外界环境完全隔离，即对活性物质进行控释，增加吸收或摄取，是控制营养物质缓释的一种常用手段。

基于以上两个工艺目的，饲用微囊制剂应用于动物营养可产生以下改良效果。

3.1 改善不良气味

某些物质所具有的苦味或其他异味可能会影响动物的采食状态，将这些物质进行微囊化处理以掩盖其不良气味，并可在一定程度上减弱对消化道的刺激。有研究发现，香菇挥发油被羧甲基纤维素和明胶复合凝聚物包封形成微囊后提高了其贮存稳定性，且有效地遮盖了挥发油的刺激性气味。

3.2 提高稳定性，便于运输和贮存

易吸潮或易氧化物质等在运输和贮藏过程中往往要面临更大的风险，而微囊技术则可对该类活性物质提供一层稳定的外壳。有试验证明，将共轭亚油酸以大豆蛋白为壁材形成微囊的基础上，添加一定比例的麦芽糖糊精和羧甲基纤维素，可提高共轭亚油酸的氧化稳定性和贮存时间。

3.3 控制释放

对有效成分进行控释可提高饲料添加剂的功效，拓宽营养成分的应用范围，保证最佳用量。而微胶囊具有精细的控释性能，能够实现营养物质的持续释放。若要微囊达到缓释控释的目的，可选择不同的壁材，调节其厚度、硬度、层次结构以及微囊粒径而实现，制得的微囊载体可控制活性物质在某些情况下有针对性地释放。

3.4 提高生物利用率

Mcclements 等认为影响营养物质生物利用率的主要因素分为三类，其中包括生物可及性以及胃肠道内营养成分的吸收和转化。将饲料成分制成微囊后可在一定程度上增加溶出度，改善其在体内的吸收，提高生物利用率。有学者对商业补铁剂和微囊铁制剂的生物利用度进行了比较研究，结果显示，微囊铁制剂在消化后所含的亚铁离子含量较高，并猜测该技术在一定程度上可限制铁与食物基质的相互作用，从而保护其免受氧化，容易被肠道吸收。

据报道，某些药物口服后在小肠处被吸收的总量超过90%，进入淋巴循环或由门静脉进入肝脏进行首过代谢，从而导致生物利用率降低，但利用微囊制剂可在一定程度上避免该效应。据报道，药油微囊在肠道释出后，由于油脂分子量较大，难以透过毛细血管壁被吸收，从而由通透性较大的淋巴管摄取，吸收后不经过肝脏，可直接进入循环系统被利用，一定程度上避免肝脏的首过作用。Parthasarathi 等将维生素E以乳清蛋白分离物为外壳，利用喷雾冷冻干燥技术制成微囊后使雄性Wistar 大鼠口服进行生物利用率研究，结果显示大鼠对维生素E 的生物利用率提高。Augustina等研究微胶囊化处理对鱼油、三丁醇和白藜芦醇生物活性混合物在胃肠道转运和组织分布的影响时发现，微囊化对大鼠消化系统的转运时间和相对分布无明显影响，但提高了血液和肝脏中生物活性物质的放射性水平，即机体对活性混合物的生物利用率增加。