富含多不饱和脂肪酸的油脂微囊化研究进展

宋秋枫，侯东园，施佩影，刘文营，刘文玉，蔡路昀*

（1 浙江大学宁波研究院 生物系统工程与食品科学学院 浙江宁波 315100 2 石河子大学食品学院 新疆植物药资源利用教育部重点实验室 新疆石河子 832000 3 大洋世家（浙江）股份公司 浙江舟山 316100）

我国是食用油生产和消耗大国，每年全国消耗食用油可达1 500 万t[1]。随着居民的营养健康饮食观念的增强，对油脂的营养品质要求也越来越高。多不饱和脂肪酸（PUFA）含量是评价食用油营养水平的重要依据。目前，常见的含有较多PUFAs 的食用油主要有玉米油、大豆油、葵花籽油、亚麻籽油、紫苏籽油、核桃油、鱼油等。我国油料资源丰富，有多种富含PUFAs 的特种油脂正在被研究和开发，如米糠油、葡萄籽油、红花籽油、大麻种籽油、番木瓜籽油、柠檬籽油、奇亚籽油等[2-7]。PUFAs 含有亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等。人体不能合成亚油酸和亚麻酸，它们被称为必需脂肪酸（EFAs），须从日常膳食中补充。根据双键的位置及功能又将多不饱和脂肪酸分为ω-6 系列和ω-3 系列。亚油酸和花生四烯酸属ω-6 系列，亚麻酸、DHA、EPA 属ω-3 系列。世界卫生组织和北大西洋公约组织建议每天消费0.3～0.5 g EPA+DHA。全球平均消费低于这些建议[8]。流行病学和临床研究表明，富含多不饱和脂肪酸（PUFAs）的油脂，如ω-3 和ω-6，除了提供能量和作为脂溶性营养物质的载体外，还具有健康又营养的益处[9]。经常食用富含不饱和脂肪酸的食物，可降低患多种疾病的风险，尤其是心血管疾病、癌症和代谢综合征[10]。有研究表明，在怀孕或产后补充富含EPA的ω-3 脂肪酸，可降低孕妇患抑郁症的概率[11]。

虽然富含PUFAs 的油脂营养高，但是易受到光、温度、pH 值等环境因素的影响，导致脂质氧化，从而使油脂营养价值降低，产生不良气味，保质期缩短。同时，油脂也因在水溶液中的低溶解度、生物利用率低而限制了其在更多方面的应用。须开发适当的保护和输送机制，以防止富含PUFAs 的油在加工、储存和运输过程中降解，并促进其在食品加工中的应用。目前食品工业主要采取两种措施来降低富含不饱和脂肪酸的油脂在加工、运输和储存过程中的劣变：1）在油脂中加入合成或天然抗氧化剂，达到抗氧化的目的。然而，合成抗氧化剂的安全问题以及消费者对它非常敏感，其在食品方面的应用受到限制[12]。天然抗氧化剂由于效果达不到预期或者成本过高等原因，还不能在食品工业中广泛应用[13]。2）将油脂微囊化可增加其生物利用度，以及防止它们与环境因素直接接触，包括氧气、温度、水分和光照[9]。本文重点阐述第2 种方法。

微囊化是多个领域都在广泛研究和探索的技术。近年来，微囊化技术在食品工业中应用的重要性日益凸显。本文总结有关微囊化的方法，以及富含不饱和脂肪酸的油脂在不同食品基质中的应用研究结果，阐明了如何克服各种不利因素来探索微囊化的研究进展。

1 微囊化技术概述

微囊化技术可定义为一种或多种材料被膜包裹的过程，以保护敏感成分避免环境条件（特别是水分、pH 值和氧化）的影响，同时也可促进这些材料在特定位置和条件下的受控释放[14]。目前已经研究出复杂的壁材和方法，可以通过微囊封装实现更广泛的用途。可以使用任何类型的外部因素来促使封装成分释放，例如pH 值变化、机械应力、温度、酶活性、时间、渗透力等[15]。微胶囊通常是多功能系统，它的直径小，一般在1～1 000 μm之间，还具有表面积大、大容量、选择性、稳定的特点和延展性的外壳[16]。微囊可以产生许多形态，有3 种主要形态更为常用：单核微囊，即壁材中包裹1 个芯材；多核微囊，即壁材包裹两个或多个芯材；以及在基质中嵌入许多芯材的聚合体[17]，如图1所示。这些结构的具体形成取决于芯材和壁材的选择，以及选择用于生产的过程方法[18]。目前，将富含不饱和脂肪酸的油脂微囊化的方法有很多，根据微囊化之前是否乳化可将方法分为基于乳化的微囊化方法（如喷雾干燥、冷冻干燥、喷雾冷却、形成脂质体和复凝聚法）和基于非乳化的微囊化方法（如流体床涂层法、挤压法和超临界流体技术）[19]。在大部分用于富含不饱和脂肪酸的油脂微囊化的工业技术中，第1 步是乳状液的制备。包埋芯材的载体基质是通过：1） 简单地将基质化合物溶解在水相中并喷雾干燥；2）离子凝胶；3）相分离（复凝聚）或通过其它方法在油水界面上建立一个确定的结构来建立的。这些技术的另一个共同特点是都有干燥这一步骤，目的是从产品中除去水分，形成固体多相颗粒[20]。本文重点介绍富含不饱和脂肪酸的油脂微囊化过程常用的4 种方法。

图1 微囊产生的3 种形态Fig.1 Three major forms produced by microcapsules of （a）mononuclear capsules，（b） polynuclear capsules，and （c） aggregates

1.1 喷雾干燥

在现有方法中，喷雾干燥是食品行业使用最多的方法，它具有工艺简单、成本相对较低、灵活性强，可在连续模式下进行大规模生产，封装效率高，成品稳定性好，处理方便，易于控制微粒特性，且挥发性保持良好等优点[21-24]。此外，由于其干燥时间短（5～30 s），它可用于封装热敏材料（如富含不饱和脂肪酸的材料）[15]。壁材的选择是喷雾干燥法的重要步骤，必须考虑与食品的兼容性、机械强度、微粒的大小和热或溶解释放度等因素[25]。喷雾干燥的主要缺点是颗粒的形成大小和形状不均匀，以及微粒比较聚集[26]。

1.2 冷冻干燥

冷冻干燥是通过升华除去物质中的冰或其它冷冻溶剂，并通过解吸除去结合水分子的过程。冷冻干燥的优点是在干燥过程中保持产品温度足够低，避免了干燥后产品外观和特性的变化。它是保存各种热敏性物质的一种极好的方法[27]。Heinzelmann 等[28]通过冷冻干燥获得干燥的微胶囊鱼油（DMFO），并评估了各种工艺参数对氧化稳定性的影响。迷迭香精油具有抗氧化、抗菌等作用，但是容易受到环境因素的影响使其应用受到了很大的限制。Barrow 等[19]用冷冻干燥法对迷迭香精油进行微囊化，提高了其储存稳定性[29]。但是，冷冻干燥的商业成本比喷雾干燥和其它方法高得多，因此它主要用于干燥高价值物质。与喷雾干燥的粉末相比，通过冷冻干燥产生的粉末具有较多的多孔结构，这会降低稳定性并增加运输和储存的成本。此外，该方法需要很长的干燥时间，并且难以扩展到多吨级的水平，从而限制了冷冻干燥在现代食品工业中的利用。

1.3 挤压

挤压法是一种有潜力的微囊化油脂的方法。挤压法的主要原理是通过小孔挤压液体混合物（含有生物活性物质的封装材料），并在喷嘴的排出点形成液滴，形成的液滴通过物理或化学反应立即凝固到胶囊中[26]。这项技术的基本方法已由Saleeb 和Arora 申请专利，发明人认为挤压优于喷雾干燥，因为挤压后的产品孔隙较少[20，30]。这项技术产生的颗粒比喷雾干燥过程的少，但是成本是喷雾干燥的2 倍。此外，在高压下使用螺杆挤出器会产生高剪切力，可降低芯材的不稳定性[31]。所有挤压技术的共同优点是在温度和溶剂方面使用比较温和的操作条件。然而，这样产生的微粒数量较少（不足以用于工业应用），并且形成的胶囊直径非常大（＞2 mm）[26]。因此，这种方法在工业上的应用比较有限。

1.4 复凝聚法

复凝聚是一种相分离过程，该过程基于介质修饰引起的带相反电荷的聚电解质的同时去溶剂化[20，32]。Timilsena 等[33]证明了通过复合凝聚然后喷雾干燥获得的微胶囊比通过简单乳化然后喷雾干燥获得的微胶囊具有更高的包封效率和增加的氧化稳定性。这表明，与简单的喷雾干燥相比，基于凝聚的复杂微囊可以更好地保护富含PUFAs 的油[9]。复凝聚法制备微囊一般需要经历4 个步骤，分别是芯材乳化、壁材单体发生凝聚反应、凝聚相凝胶化和微囊固化[34]。复凝聚产生的微胶囊具有典型的核心-壳结构，有两个主要结构：单核和多核微胶囊。但微粒的大小和形状取决于乳液形成的方法和材料为基础的参数，如聚合物的类型、分子质量、电荷密度、浓度、比例和制备过程的pH值、温度、冷却和凝固速率等因素。复凝聚的主要优点是生产颗粒尺寸较小的微胶囊，一般在1～1 000 μm 之间。此外，与其它微囊化工艺相比，复杂凝固过程的单核有效载荷非常高，高达90%，多核有效载荷高达60%。这一过程还成功地防止了油脂向粒子表面迁移，与其它方法相比，表面油的浓度通常较低，特别是在多核微囊形成的过程中[35]。该方法简单、成本低、可扩展、可重复，具有很高的有效载荷和包埋效率并且能够比其它封装技术更好地控制释放率，因此在食品、化妆品、医药和农业领域都有广泛的应用[36]。

这种方法的主要局限性是粒子容易聚集和大小不易控制，形成的粒子对pH 值和离子强度高度敏感，因此限制了它在某些领域中的使用[18]。目前的工艺主要使用明胶作为带正电荷的聚合物，但动物衍生的明胶是素食主义者所不能接受的[37]。

2 微囊壁材

壁材，通常是负责包封化合物并形成颗粒的聚合物。选择壁材主要基于其溶解性等理化特性，如成膜能力、pH 值稳定性、溶解度、乳化性能、最终材料的孔隙度和产生低黏度溶液，且不与芯材相互作用[38]。另外，壁材的成本也需考虑进去。由于壁材直接影响芯材的贮存稳定性、安全性和可控释放，并影响制备的效率，因此有必要对壁材进行正确的选择[39]。目前微囊化富含PUFAs 的油脂比较常用的壁材主要有碳水化合物、蛋白质和脂质类物质，具体取决于微胶囊化成分的工艺和所需特性。

2.1 碳水化合物

淀粉、麦芽糊精和玉米糖浆等碳水化合物常用于食品成分的微胶囊化，然而，这些化合物作为壁材具有较差的界面特性，必须进行化学修饰，以改善其表面活性[40]。Hoyos-Leyva 等[41]以芋头淀粉球形聚合物作为微囊化富含PUFAs 的杏仁油的壁材，从而保护杏仁油免受氧化应激反应，增强了杏仁油的化学稳定性。天然多糖胶具有生物相容性、无毒、可生物降解性和增强黏度等性能，因此在食品和医药领域拥有广泛的应用[42]。壳聚糖也是微囊化技术中常用的壁材。在一项研究中，将从小龙虾废壳中获得的壳聚糖用作壁材，通过喷雾干燥技术将香菜（Coriandrum sativum L.）香精油微囊化，得到的微囊的粒径为400 nm～7 μm[43]。多糖类物质通常也和其它壁材联用以达到较好的封装效果。例如，阿拉伯胶中的两亲性特征分子可以使阿拉伯树胶起到乳化剂的作用，它也是食品工业中使用最广泛的碳水化合物乳化剂。明胶-阿拉伯胶复合是复凝聚法制备微囊中最传统的壁材材料，原因如下：1）疏水性材料由聚合物完全包裹，确保油脂中的ω-3 脂肪酸免受不利的环境条件的影响；2）产生圆形的微胶囊（这一特征在大多数其它壁材组合中没有观察到），这种形态易于流动从而有助于微囊在食品中的应用[44]。Yang 等[45]通过复凝聚法，使用阿拉伯胶-明胶作为壁材制备了罂粟籽油微囊以增强罂粟籽油的储存稳定性，为罂粟油在食品工业上的应用提供了更多的可能。Hu等[46]同样使用阿拉伯胶和明胶作为壁材将富含不饱和脂肪酸且具有抗癌活性成分的鸦胆子（Brucea javanica） 油脂微囊化提高其氧化稳定性且不影响抗癌活性。阿拉伯胶和麦芽糊精也是常见的壁材组合。Edris 等[47]将黑孜然籽油脂在含有阿拉伯树胶/麦芽糊精（质量比1∶1）的水溶液中乳化，经喷雾干燥后微胶囊化为粉末，其包封效率为84.2%～96.2%，此研究结果可用于不同的加工食品、乳制品或保健品的营养强化。

2.2 蛋白质

蛋白质具有双亲特性，可提供封装疏水芯材所需的物理化学和功能特性，如乳化性、成膜和成凝胶性。一般来说，用于微囊化的蛋白质主要为植物蛋白和动物蛋白两大类。动物蛋白作为壁材往往很有优势，部分原因是它们更容易处理。一般来说，在更宽的pH 值范围内，动物蛋白往往比植物源性蛋白更容易溶解，它们的分子质量往往更小（例如，大豆甘氨酸的分子质量约为350 ku，而酪蛋白的分子质量约20 ku），而且更灵活，使它们更迅速地扩散到界面上，以稳定粗乳状液中的油滴。从动物源提取的蛋白通常单独使用或与多糖材料相结合作为壁材[48]。从动物蛋白中分离出的酪蛋白酸钠和乳清蛋白是近年来最常用的壁材[39]。在一项研究中，Legako 等[49]使用乳清蛋白分离物作为壁材微囊化营养丰富的鱼油，并探究了喷雾干燥中喷嘴类型和设计对鱼油封装效率和微囊性能的影响，并与冷冻干燥法制得的微囊作比较，化学和物理特性的结果表明，新型超声波喷嘴确实具有在尺寸和形状的均匀性的优点。除此之外，明胶也是食品工业中常用的动物蛋白，特别是在复凝聚法制备微囊的过程中。Lv 等[50]采用明胶和阿拉伯胶复合凝聚法制备耐热茉莉香精油纳米胶囊，结果表明，在碱性条件下交联的纳米胶囊能在80 ℃的水浴条件下可耐受7 h，而GC-MS 对挥发性化合物的分析表明，茉莉精油的风味特征在5 h 以上才开始受到影响。

在微囊化中利用植物蛋白作为壁材料，响应了食品、制药和化妆品行业当前的“绿色”运动[42]。众所周知，植物蛋白与它们的动物类似物相比，它们的致敏性更低，价格更便宜且原料更丰富[51]。有研究证明植物蛋白作为壁材能够有效地保护不同形式的含有活性成分的芯材。因此，在过去的几年里，开发富含蛋白质的植物产品的新应用已成为一个越来越热门的研究课题[52]。常见的植物蛋白有油籽蛋白（如大豆、油菜籽、芝麻、葵花籽、鹰嘴豆蛋白等）和谷物蛋白（如豌豆蛋白、小麦麸质、大麦蛋白、玉米蛋白等），这些天然聚合物的良好的物理化学特性使其具有作为优质壁材的潜力。Priol 等[53]探究了5 种植物蛋白提取物（豌豆蛋白、大豆蛋白、糙米蛋白、大麻蛋白和葵花籽蛋白）作为葵花籽油通过喷雾干燥法微囊化壁材的潜力，制备过程中未使用有机溶剂或表面活性剂。结果表明，用于葵花籽油微胶囊化的植物蛋白提取物的性质对氧化稳定性效率有很大影响。而大豆和豌豆蛋白提取物是用于封装和保护葵花籽油的合适壁材。微囊化显著提高了葵花籽油的氧化稳定性，这些发现对于为食品和饲料工业开发富含PUFAs 的配方提供解决方案具有重要意义。此外，植物蛋白也可以与多糖相结合进行微囊化。例如，在Zhou 等[54]的研究中，通过复合大豆分离蛋白和麦芽糊精作为壁材，使用喷雾干燥方法成功制备了核桃油微囊。最佳条件如下：大豆分离蛋白与麦芽糊精的比例为1（w/w），壁材质量分数为7%，壁材与芯材的比例为1.5（w/w）。在最佳条件下，封装效率可达72.2%。并且在60 ℃储存7 d 后，核桃油的PV 几乎是核桃油微囊的5.3 倍。结果表明，核桃油的氧化稳定性显著提高，核桃油在微囊中得到了很好的保护。

2.3 脂质

亲脂性生物活性成分最有用的递送系统之一是通过基于脂质的包埋系统。通常，基于脂质的递送系统可调节生物活性成分的吸收率和化学稳定性，并且能够靶向特定的组织[55]。对于封装，最广泛使用的脂质类壁材是具有乳化特性的脂质，如磷脂、叶黄素等[38]。Wang 等[56]研究了大豆卵磷脂浓度对乳清分离蛋白（WPI）稳定乳液及喷雾干燥获得的牡丹籽油微囊的影响。结果表明，在卵磷脂浓度在0.5%～1.0%时，由于卵磷脂与乳清蛋白分离物在吸附层中的相互作用，形成的微胶囊表现出较高的封装效率和可再利用性。总体而言，WPI-卵磷脂相互作用可以显著影响乳液和微胶囊的特性，这表明使用卵磷脂-WPI 混合系统获得理想特性的微胶囊的可能性。

3 微囊化富含PUFA 油脂产品的特性分析

相当多的科学证据表明，食用PUFAs 不仅能降低患多种疾病的风险，还能促进身心健康。许多国家已就增加这些健康脂肪酸的日常消费提出了建议。因此，功能性食品市场对PUFAs 的需求正在增加。微囊化是目前工业上使用的将生物活性成分掺入食品并保持成分稳定，并将其释放到人体内目标部位的技术，可以通过喷雾干燥、复凝聚和其它途径来完成。早在2008年，Subramanian等[57]就提出了利用微囊的方式将PUFAs 应用到食品中以强化食品的特性，并获得了专利。这证明了微囊技术的可行性，故研究人员和食品生产商都致力于尝试将富含PUFAs 的微囊加入各种食品中，如面包、牛奶、果汁、玉米饼、巧克力、酸奶、果酱、花生酱、鸡蛋和肉类等产品中，以提高营养价值、改善感官特性和生物利用度[35]。

3.1 氧化稳定性分析

微封装过程可以解决营养丰富的油脂在食品中的应用限制，如食品加工条件下油脂氧化以及它们与其它食物成分发生反应等。Jiménez-Martín等[58]利用鱼油精制了富含ω-3 脂肪酸微囊的冷冻鸡块，研究了冷冻储存时间对鸡块氧化稳定性和感官质量的影响。结果表明，微囊化对脂质和蛋白质氧化有保护作用，尤其是在储存的第1 个月，提高了产品的氧化稳定性和相应的保质期，且保留产品的感官特征。这个研究也表明微胶囊化技术是一种可提高鱼油预煎冷冻肉制品的氧化保质期，并保持其感官品质特性的方法。类似地，Aquilani 等[59]研究了储存对含ω-3 脂肪酸的猪肉汉堡的影响，证明了鱼油微胶囊技术可以有效地丰富肉类中的ω-3 脂肪酸，提高了添加的PUFAs的氧化稳定性。在El-Massry 等[60]的研究中，采用喷雾干燥法对椰枣籽油进行微胶囊化并将其加入到橄榄油中，以稳定橄榄油作为功能性食品的性能。

3.2 感官分析

评估食品的感官特性非常重要，因为食物的感官特征最终将决定其对特定应用的可接受性。微囊技术应用在食品工业中可掩盖一些不良气味。例如，为了保护鱼油中的不饱和脂肪酸免受脂质氧化和便于应用，Giorgio 等[61]利用大豆蛋白成功地封装了鱼油，形成微囊掩盖了其特殊气味，同时表现出一定的氧化稳定性，这些微粒可用于将富含ω-3 脂肪酸的健康鱼油转化为功能性食物。而Chen 等[62]则将植物甾醇、柠檬烯和鱼油共同作为芯材，以乳清分离蛋白和酪蛋白酸钠为壁材，采用喷雾干燥技术进行微囊化，以保护鱼油免受氧化，并掩盖鱼油的腥味。另外，将富含PUFAs 的油脂微囊应用到食品中可提高其脆度，Kang 等[63]通过在面糊中加入大豆油微囊提高了微波加热鱼块的脆度。

3.3 营养价值分析

微封装是保护富含PUFAs 油在加工过程中氧化的替代方法之一，将其添加到食品中可进一步增强食物的营养特性，从而给消费者带来健康益处。Gautam 等[64]开发了一种制备营养棒或其它食品的方法，并获得了专利，主要以封装形式（尤其是微胶囊）掺入富含多不饱和脂肪酸的物质（主要是鱼油），并将包封的粉末掺入到食品中以获得相应的营养价值。目前新食品的开发也常用到微囊技术。例如，Jeyakumari 等[65]和Umesha 等[66]分别将鱼油和印度独行菜（Lepidium sativum）籽油通过喷雾干燥进行微囊化加入到饼干中，增加饼干中PUFAs 的含量，从而获得具有更高营养价值的饼干产品。Andajani[67]为了增强冰淇淋中的营养价值，采用冷冻干燥和喷雾干燥的方法制备了鱼油微囊，并与冰淇淋成分混合，测定冰淇淋的脂肪酸谱。可得出结论，从总PUFAs 的角度来看，冷冻干燥方法是该鱼油混合物的微囊包封过程的最佳方法，在冰淇淋中增加15 g 微囊化鱼油可增加PUFAs 含量。Goyal 等[68]开发了亚麻籽油微囊并将其用作牛奶中以增强牛奶中的功能成分ω-3 脂肪酸，同时在素食者和不吃鱼肉者的饮食中开发一种有效率的ω-3 脂肪酸输送系统。

3.4 生物利用度分析

微囊系统应增强或至少不降低包埋成分的生物利用性[19]。活性物质的生物利用度和生物效率也取决于包埋和递送系统。据研究表明，鱼油的微囊化有利于鱼油在口服过程中的输送、稳定性和生物利用性，而N-月桂酰化壳聚糖是比较合适的壁材[69]。Calvo 等[70]研究了微囊化核桃油的体外消化能力，以及微胶囊消化后ω-3 和ω-6 脂肪酸可用性并与未进行微囊化处理的原油比较。结果发现，基于蛋白质的微囊具有高度可消化性，核桃油的微胶囊化是在不改变加工食品的感官特性的前提下，在加工食品中添加高不饱和脂肪酸油以保证其生物利用度的可行方法。

4 结论与展望

越来越多的科学证据表明，食用富含PUFAs的油脂能促进人体身心健康。但是由于其容易氧化而导致营养价值和感官特性降低，可能还会产生有害物质。因此，必须采用合适的方法以最大限度地发挥PUFAs 的营养价值。微囊化富含PUFAs油在技术和商业上是可行的，一般可通过喷雾干燥、复凝聚等方法进行。然而，不同的制备方法都有特定的反应条件，如温度、剪切力和pH 值，这些因素反过来又影响成分的保存。因此，必须制定适合芯材的微囊化策略，制定具有预期功能特性的壁材，选择微囊技术，调整适合芯材的加工条件。

但是，这项技术的最大缺点是壁材的供应有限。到目前为止，明胶是在商业上成功的蛋白质，但是出于素食主义者的需求，寻找替代品成为一种必然的趋势。许多研究已经证明，从植物中提取的蛋白以其良好的溶解度、乳化能力等特性具有作为高效壁材的潜力，此外，植物蛋白也可与多糖联用以达到较好的封装效果。因此，应用新型的绿色壁材取代动物蛋白可能是目前微囊技术的趋势。

由于富含PUFAs 的油脂的营养价值，其在功能性食品的市场有很大的潜力。虽然微囊化技术可以保持其稳定性，但是目前大多数处于研究阶段，而在商业食品中特别是在需要长时间保质期的产品中，其稳定性、生物利用率和成本需要进一步改善，这可能是未来的一个重要的研究方向。