胶囊技术及其在食品中的应用

2021-01-31杨巍巍张海荣李淑珍

沈阳师范大学学报(自然科学版) 2021年3期

杨巍巍,张海荣,李淑珍

(1.沈阳医学院公共卫生学院,沈阳 110034;2.沈阳医学院基础医学院,沈阳 110034)

近年来,胶囊技术被行业各界广泛关注,进而飞速发展。胶囊技术是一种用于贮存物质各种状态的理想微型包封技术,其壁材(又称包囊材料)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(又称囊心物质)表面,使芯材表面能够形成连续薄膜涂层,并且制备成液滴型或小颗粒型,即为微型胶囊[1]。此项技术的应用,不仅可改善芯材表面的性质,还可在保护芯材不受损害的前提下,阻止芯材之间的相互作用。并且因壁材(包囊材料)对不同芯材的释放度不同,也可控制芯材的释放速度,进而延长胶囊产品的储存期[2]。芯材选择范围广,如益生菌、风味物质、食品添加剂、脂溶性营养素、农药、化妆品、酶、药物和黏合剂等[3-4],均可通过封装技术实现包埋和固化嵌入。因此胶囊技术在食品工业生产中已发挥重要作用,有效降低了芯材中有效成分由于暴露在外界光、热和氧等条件下而发生的氧化、降解和挥发等,而且还可以有效防止食品中所包含不同成分之间发生反应的概率,达到控制食品中所含成分在既定的时间段与位置释放的效果[5]。

1 胶囊技术概述

制备胶囊时,针对胶囊的预期应用目的,可依据芯材和壁材的物理化学特性,选择合适的胶囊工艺[6]。目前主要有物理法、化学法和物理化学法3种[7-8]。

其中物理法和化学法应用广泛,主要为以下4种方法:1)喷雾干燥法。此法首先需将待包埋材料在壁材溶液中混合均匀,使之形成乳化液,置于喷雾干燥器中,经过雾化和热风干燥充分蒸发水分,使壁材包覆芯材,形成干燥的微胶囊颗粒[9]。2)空气悬浮法,也称作流化床法。此法利用流化床的热风气流,用壁材溶液包裹芯材,形成微胶囊。此法制备的微胶囊的壁材厚薄适中,包埋效果好,但因处理量大,表面易发生破损[10]。3)原位聚合法。此法可以在特定条件下在原位或目的基团发生化学反应后,形成一个或多个增强相,从而在基体材料中形成一种或多种高分子量和大体积的聚合物,实现一定的加固作用[11-12]。徐传芳等[13]利用此法制备了微胶囊化茉莉香精,选择了特固性脲醛树脂作为壁材,十二烷基硫酸钠(SDS)作为分散稳定剂,获得了易于干燥的产品。经检测,所制备胶囊产品可明显减缓所包裹茉莉香精的释放,具有外形完整、贮存方便和缓释性好等优点[14]。4)复凝聚法。此法所选择壁材通常为水溶性高分子电解质聚合物(如多糖、蛋白质),而芯材通常为脂溶性材料。主要是通过改变混合物的温度和酸碱度等因素,诱导带相反电荷的聚合物瞬间产生去溶剂化,实现两相(较高壁材材料浓度相和较高核心材料浓度相)分离,而后胶体从溶液中凝结出来,从而将核心材料包埋在胶囊中的方法[15]。具有高效性、得率高和反应条件温和等优点,尤其适用于性能活跃、疏水活性和稳定性差的材料的包埋和胶囊化。

2 胶囊技术在食品领域的应用

食品制备时,往往需添加不同成分,达到改良的目的。胶囊工艺可将这些添加成分(如营养素、益生菌或防腐剂等)进行包埋,并固化和封装,可有效提升食品加工质量,同时也提升了其具有的产品价值[16]。而且大多数功能性成分具有稳定性较差的特点,其中的核心有效成分更容易在食品生产、加工、储存、运输和销售过程中因受到如温度、机械搅拌等外界因素的作用,被降解而失效。胶囊制备技术的应用,可有效解决这一问题,因此胶囊技术是保证食品生产与贮存的有效途径与方法之一[17]。

2.1 饮料

在液体饮料中可通过添加包埋部分制备可食性色素微胶囊,所制备的胶囊提升了饮料的感官特性,增加了消费者的喜爱度。花青素在饮料制作时常被用来作为天然着色剂使用[18],并且研究证实,花青素还具有强的抗氧化性能和抗癌等生物活性。但同时花青素的缺点也很明显,稳定性差,食物的酸碱度、外部环境的温度、光照、氧气氧化等因素均对花青素有明显影响,容易导致其中有效成分的降解[19]。目前也已实现利用胶囊技术制备花青素胶囊。制备时,选择麦芽糊精和阿拉伯胶作为壁材材料,所制备产品粒径均匀,球型表面规则,有效地保护了包埋在其中的花青素。另有学者研究了胶囊技术对饮料和食品中常用的添加剂——柠檬油储存的应用。柠檬油主要用作饮料和食用香精香料的配制,但柠檬油在储存和运输过程中极易被氧化,进而影响品质。研究采用麦芽糊精做壁材,通过喷雾干燥技术制备柠檬油胶囊。经检测柠檬油胶囊仍显示了良好的气味特征,扩大了其储藏条件,拓展了应用范围,并且可贮藏保存6个月以上[20]。

2.2 食品添加剂

玫瑰茄红色素作为一种天然的花色苷色素,具有抗氧化、降血压、抑菌等生物活性。可被用作食品添加剂,发挥着色剂、调味剂以及保鲜剂的作用。但其稳定性差,遇热或光照及在加工过程中易被破坏失活。而制备成微胶囊化产品后稳定性大大提高[21];脂溶性食品添加剂如β-胡萝卜素,具有不溶于水、在氧、光和热等条件下稳定性差、易发生氧化分解和异构等缺点,在食品加工过程也容易失活。而将其胶囊化后,其稳定性可大大提高,且含有的活性挥发物质的损失率也大大降低。史紫千等[22]通过微胶囊技术包埋了β-胡萝卜素,利用微胶囊将其溶于水中,且分散性良好,其应用范围更加广泛;番茄红素是一种天然的食品着色剂,被广泛用于烘烤类食品的着色。由于番茄红素化学结构中存在较多的共轭双键,导致其在储存和运输过程中易被氧化,进而影响食品成品品质。林蔚婷等[23]制备了一种新型番茄红素微胶囊,以低聚木糖和乳清分离蛋白混合物为壁材,利用喷雾干燥技术制备,提高了番茄红素的稳定性,拓展了其应用范围,并且着色能力也有一定提高。

2.3 肉制品

在法兰克福香肠制备时,常通过加入抗氧化剂(如抗坏血酸等)提高香肠的营养价值,并可缩短香肠腌制的时间。但抗坏血酸稳定性差,在加热、空气中暴露和碱性溶液等条件下都能加速其氧化,进而失活。Camunia等[24]利用胶囊技术包埋固化了抗坏血酸,结果表明,利用胶囊技术可大大提高抗坏血酸的稳定性,并且此研究将抗氧化剂和维生素功能有效结合,用于法兰克福香肠的生产流程中,有效地提高了产品品质;Gómez B等[25]发现肉制品在加工储存过程中所含蛋白质和脂质易被氧化、或被腐败微生物所污染,导致感官特性下降,甚至产生有害有毒物质,而将抗氧化剂化合物微胶囊化后,不仅有效保护了活性化合物,还可控制其在食品中的释放,掩盖食品中不可接受的风味;李登龙[26]研究发现,在肉脯制品加工过程中通过添加桑椹多酚可以有效延缓腐败,延长保质期。但其稳定性差,需通过胶囊技术包埋,进而提高生理活性。

2.4 乳制品

在酸奶及其他乳制品的加工过程中,发挥发酵作用的多种益生菌(如乳酸杆菌属和双歧杆菌属等)的存活率对成品的风味形成至关重要,并且在酸奶中,益生菌的生存能力受到多种因素的影响,因此为了在酸奶的保质期内保持益生菌的活性,Stephanie等[27]将微胶囊化技术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。另外研究者也正在尝试开发高活性益生菌冰淇淋加工技术,但由于在冰激凌生产加工的各个环节(如发酵剂的制备、老化、凝冻和运输等)以及成品严格的低温储存等都不可避免的会损伤益生菌活性,甚至对菌体造成损伤,同时益生菌存活率太低,也严重影响了新冰淇淋的营养价值[28]。Champagne等[29]利用喷雾干燥工艺制备了胶囊化的益生菌产品,发现可大大提高低温条件下冰淇淋中益生菌的存活率。

3 食品微胶囊技术的应用及发展前景

虽然食品微胶囊技术的发展历史较短,但它为食品行业带来了巨大的创新和进步,而不断提高微胶囊的性能、改善制备工艺,如减小微囊的尺寸、增加包埋率、延长保存时间和控制释放速率等,仍然是微囊研究的重点和难点[30]。同时,积极寻找容易获得、价格低廉、应用广泛和对人类和生态环境安全的微胶囊壁材也是今后食品微胶囊技术研究的大趋势和必然选择。此外,益生菌、益生素制品与其相关的载体模型以及技术也会成为未来食品行业研究的热点方向[31]。

随着微胶囊技术的发展和广泛应用,其在功能性食品的加工生产过程中的应用也越来越受到重视,如利用纳米微胶囊技术对各种活性成分进行包埋、增强其在生物体内的功能、靶向释放性能、控制释放速率、提高生物利用度和延长保存期等[32]。在食品领域中,食品微胶囊包封技术将会得到长足的发展,但就目前来说,此项技术仍处于理论和应用的起步阶段,未来仍需要进行深入研究。目前多采用的微胶囊制备方法和技术,如逐层自组装技术、纳米脂质体、纳米乳液聚合、超临界流体技术等,仍存在包埋率低、尺寸大等缺点,且微型胶囊技术在我国也处于初步发展状态,需探索成本更低廉的制备方法,同时探寻更稳定安全的壁材和辅助材料[33]。新型壁材应具有原料易得、价格低廉、加工性能好以及生物降解性好等优点,同时食用安全,对人体无毒副作用等[34]。另外部分食品微胶囊技术仍处于理论与实验阶段,未投入市场,尚未达到产业化[35]。随着科学技术的发展,研究者们将不断深入探索和研究食品微胶囊技术,相信在不久的未来,食品微胶囊技术将进一步提升食品功能,为人们带来极大便利,其应用领域也将更为广泛[36]。