微胶囊技术及其在乳品行业的应用研究进展

◎ 熊丽娜，都鹏飞，楼佳佳，施 笑，康巧娟，储小军

（贝因美（杭州）食品研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

1 微胶囊技术概述

微胶囊技术是一种利用高分子材料，将固体颗粒、液滴甚至是气体的微小物质进行包埋，制成具有半透性或密封囊膜的微型胶囊的技术。在食品领域，微胶囊技术通常应用于食品成分包埋，以达到改变物质形态、保护活性成分、减少营养损失及巩固和改善物质的稳定性等目的[1-3]。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，因此微胶囊技术已成为食品科技领域的研究热点之一。传统微胶囊粒子的粒径为5～200 μm，新型微胶囊——纳米微胶囊粒径可达1～1 000 nm。微胶囊包封用的成膜材料被称为壁材。目前乳品工业中使用最多、最广泛的壁材可以分为3大类，即蛋白质类（乳清蛋白、酪蛋白、大豆分离蛋白和玉米蛋白等）、碳水化合物类（植物胶、变性淀粉、低分子糖及衍生物微生物多糖等）及新的生物聚合体（美拉德反应产物等）。微胶囊化方法一般分为物理法（喷雾干燥法、挤压法）、化学法（聚合法、锐孔法）和物理化学法（相分离法、界面沉积法）3大类，其中以喷雾干燥法应用最为广泛。

目前市场上乳品种类日益增多，消费者对其功能性、产品性状等品质要求也越来越高。微胶囊技术在乳品行业中是一项新兴技术，近年来不断涌现出新的研究成果，这些成果主要是针对乳制品加工中涉及的原料、营养物质的相关研究[4]。本文综述了近年来国内外微胶囊技术在乳品行业的最新应用研究，以期为乳品行业技术创新和产品开发等研究提供新的思路。

2 微胶囊在乳制品行业中的应用

2.1 乳制品中的益生菌微胶囊

益生菌具有调节肠道菌群、改善乳糖不耐症、降胆固醇、抗氧化、抗炎和增强免疫力等重要生理功能，在发酵乳、干酪、乳饮料、冰淇淋和干燥乳制品等不同种类乳制品中均有广泛的应用[5]。但在乳制品加工、贮藏过程、人体消化道中，益生菌活性及存活率极易受到影响，此时微胶囊技术起到重要作用，尤其在酸奶中应用最多[6]。TIANI等[7]研究发现，海藻酸钠微胶囊化的植物乳杆菌在贮藏和加工中的活菌数没有明显变化，但显著提高了其在模拟胃肠液中的抵抗力。栾倩等[8]采用2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物媒介氧化体系制备得到的纤维素纳米纤维与海藻酸钠作为壁材，制备富含ω-3脂肪酸的亚麻籽油和植物乳杆菌两种功能活性物质的复合微胶囊，显著提高了植物乳杆菌的存活率及在肠壁的粘附能力。海藻酸钠和草本基质聚合物如车前草等作为复合壁材，更有利于益生菌在肠道中生长和存活[9]。采用10%菊芋菊糖为壁材制备益生菌微胶囊，也取得了不错的效果。此外，蛋白质及生物聚合体也常作为壁材应用于益生菌微胶囊，以乳清蛋白或变性乳清蛋白与菊粉产生的美拉德反应产物作为壁材，均具有提高植物乳杆菌活性的能力，添加L-半胱氨酸-盐酸的乳清蛋白微胶囊可保护益生菌不受模拟胃肠道条件的影响[10-12]。

然而，益生菌微胶囊的添加也可能降低产品的感官特性。由于微胶囊的粒径和相容性与乳制品尤其是液态乳品的颗粒感直接相关，因此在今后的研究中，微胶囊粒径的减小及壁材与基质相容性的提升应进一步探究。

2.2 乳制品中的油脂微胶囊

油脂是乳制品加工尤其是婴幼儿配方奶粉加工过程中的重要配料。婴幼儿配方奶粉通常以牛乳为主要来源，母乳脂肪与牛乳脂肪中的脂肪酸分布具有显著差异，母乳中的不饱和脂肪酸高于牛乳脂肪。目前，通常采用添加植物油方式减少其中差异。常用的植物油种类有葵花籽油、菜籽油、大豆油、棕榈仁油、椰子油、葵花籽油及红花油等[13-14]。在添加油脂的过程中使用微胶囊技术，可以起到延缓脂肪酸的氧化、掩盖油脂的腥异味、改变物理形态使之易于操作、提升乳化分散性能等作用。韩露露[15]选取了5种原料油（椰子油、棕榈油、葵花仁油、大豆油和紫苏籽油）在婴儿配方奶粉用营养油中的配比分别为13.6%、50%、14%、21%和1.4%，并利用大豆分离蛋白和麦芽糊精作为复合壁材，采用喷雾干燥法制备了微胶囊化营养油，在婴儿配方奶粉中使用后，产品贮藏性能更佳。

二十二碳六烯酸（DHA）等多不饱和脂肪酸具有促进大脑发育等营养与保健功能，但由于其结构和性质不稳定，且不溶于水，难以在保持原有结构稳定性的前提下添加到食品中。得益于微胶囊技术的不断发展和应用，目前已有不少研究成功将其微胶囊化后应用于乳品行业。例如，在液态奶中，可利用变性淀粉为壁材，将乳化喷雾干燥微胶囊化的DHA添加至液态奶中，使得产品在保质期内品质稳定，且DHA含量也无明显的降低[16]。

复合微胶囊技术也被证明可成功应用于鱼油包埋中以减少不良气味，保持营养活性。FADINI[17]以喷雾干燥的微粒子为芯材，以植物脂肪与氢化棕榈油的混合物为壁材，采用喷雾干燥法制得无味的微胶囊鱼油，其含丰富的多不饱和脂肪酸。李杨等[18]分别以乳清分离蛋白、大豆分离蛋白和豌豆分离蛋白与麦芽糊精作为复合壁材，卵磷脂作为乳化剂，通过微射流处理结合喷雾干燥法制备了鱼油微胶囊，结果发现乳清分离蛋白与麦芽糊精复合壁材制备的乳液粒径最小、微胶囊的包埋率最高、氧化稳定性最好。

RUTZ等[19]分别以壳聚糖、黄原胶和壳聚糖、果胶为原料，采用复合凝聚、喷雾干燥的方法，对类胡萝卜素含量较高的棕榈油进行微胶囊化，并采用差示扫描量热法对包封效果进行了验证，结果显示微粒表现出较好的释放特性，该包封方式可有效应用于功能性酸奶产品制备中。

在实际应用中，单独将蛋白质作为脂肪酸和油脂包封壁材存在困难，这主要是由于蛋白质稳定油脂的能力较差，油脂很容易溢出而导致的。通过以上研究也可见得，蛋白质作为微胶囊壁材常需要与麦芽糊精等复合使用。对此，GHARIBZAHEDI[20]提出，谷氨酰胺转胺酶或可作为一种有效的蛋白质交联剂，为ω-3和ω-6脂肪酸的包封提供可行的解决方案，且不影响它们的目标释放及其生物和物理化学特性。

2.3 乳制品中的维生素、矿物质微胶囊

维生素、矿物质常作为功能性成分添加至乳制品中，尤其是在婴幼儿配方奶粉中，维生素和矿物质属于必需添加成分。脂溶性维生素在水中溶解性差，对光照、温度、金属离子等敏感，稳定性不佳，极大限制了其在乳制品中的应用。早在1977年，研究者已将微胶囊技术应用于脂溶性维生素A、维生素D和维生素E，并完成了半工业化装置的设计[21]。该技术首先向明胶中逐步加入硫酸钠溶液并不断搅拌，形成明胶凝聚物，之后将在油溶体系中乳化后的维生素加入明胶凝聚物中，使凝聚物在维生素乳液滴上沉积形成明胶膜，将完成沉积后的微胶囊用水冲洗，并用溶剂洗脱法固定后干燥，结果表明所得微胶囊维生素具有良好的流动性，维生素回收率高（88%～92%）。维生素A的微胶囊技术主要包括了喷雾干燥、喷雾冷却、凝聚法（相分离）、乳化系统、脂质体和螺旋体等，这些方法也可应用至其他脂溶性维生素[22-23]。其中，喷雾干燥法应用最广，研究表明利用阿拉伯胶混合半乳甘露聚糖为壁材，喷雾干燥法制得的维生素E微胶囊得率、包埋率理想，维生素E吸收效果、氧化稳定性提高[24]。

此外，水溶性维生素中也大量用到微胶囊技术。水溶性芯材包埋的方法复杂，包埋率普遍较低，壁材和微胶囊方法的选择至关重要。维生素C性质极不稳定，易受温度、pH值、氧气、金属离子、紫外线和X射线等环境因素影响。目前应用较多的是利用乙基纤维素为壁材，采用降温相分离法制备维生素C微胶囊[25]。也有研究以壳聚糖为壁材，采用多重乳液法制备了维生素C微胶囊，红外光谱结果证明壳聚糖成功地包覆了维生素C，紫外光谱结果表明维生素C微胶囊在水溶液和模拟胃液中均具有良好的缓释效果。多重乳液法条件温和，但该方法包覆率较低，仅5.2%，若通过脂类化合物包括卵磷脂、中链甘油三酯、聚甘油单硬脂酸酯、蜂蜡、石蜡和巴西棕榈蜡等脂质体包埋，可起到较佳效果[26]。赵阳等[27]以明胶和阿拉伯胶为壁材，谷氨酰胺转氨酶作为封端基剂，采用复乳化(W/O/W)-复凝聚-喷雾干燥法制备维生素B1微胶囊。研究结果表明，维生素B1微胶囊在室温25 ℃时贮藏性质较稳定，D50粒径是8.83 μm，微胶囊产品的包埋率为91.84%。

矿物质中应用较多的案例是微胶囊铁。硫酸亚铁因其生物利用率高、价格低廉常作为铁营养强化剂被使用，但亚铁离子性质活泼、易氧化变色、产生金属异味，将其直接加入食品中会影响产品感官品质及货架期稳定性，且对胃肠产生刺激。李金影[28]通过冷冻干燥法，以5%黄原胶作为壁材制备了硫酸亚铁微胶囊，结果表明壁材芯材比为30∶1时，包埋率相对较高，可达97%，经硫酸亚铁微胶囊强化的乳粉中脂肪酸败速度较低，乳粉氧化稳定性提高。也有学者研究了脂质体技术包封硫酸亚铁用于牛奶的可行性，但包封率较低，在添加胆固醇和吐温80后，可克服这一缺点[29]。

2.4 乳制品中其他添加物微胶囊应用

风味对提高消费者的满意度起着重要的作用，并影响着食品的进一步销售。目前，香料在乳品工业中有着广泛的应用。然而，在食品加工或储存过程中，其中一些风味成分对环境或工业过程条件非常敏感，易挥发、稳定性差、易受热量和水分的影响，因此利用微胶囊控制其释放具有重要意义[30]。

β-胡萝卜素是维生素A的前体物质，具有抗氧化、增强视力等营养强化功能，在诸多乳制品均可见添加，然而β-胡萝卜素稳定性差。白丽娜等[31]以乳清蛋白和半乳糖的美拉德反应产物为壁材，采用喷雾干燥法制备β-胡萝卜素微胶囊，制得的微胶囊具有较好的表面结构、较小的粒径及优良的热稳定性。

刘飞[32]利用肉桂醛与乳清浓缩蛋白发生界面相互作用调控微胶囊的特性，制备了微胶囊负载川陈皮素（Nobiletin，NOB），当其在酸奶制备时的添加量控制为2%～4%时，可以得到感官性状良好的产品[32]。

3 结语

微胶囊技术的关键在于根据芯材特点，结合应用环境进行壁材和包封方法的选择。微胶囊壁材种类繁多，制作方法也多种多样，如能将壁材、芯材、方法和基质等数据有效整合，形成微胶囊技术大数据库，定能对微胶囊技术的发展和应用起到极大推动作用。精准研究在各领域都是势在必行，根据客户个性化需求，定制特定功能微胶囊是行业的一大发展方向。此外，若壁材不仅能起到包封作用，还可以在营养功效方面做出贡献，不失为两全其美。在实际应用中，相关单位需要更多考虑应用成本，选择来源广泛的壁材，采用能耗更低的微胶囊化工艺，切实起到推动乳制品行业发展的作用。