微胶囊技术及其在肉制品中的应用研究进展

于江颖 张保卫 黄 骅 谢 鹏

中国农业科学院北京畜牧兽医研究所 北京 100193

肉及肉制品有丰富的蛋白质、脂肪酸等营养成分，是日常生活中必不可少的食物组成部分。随着人们对肉制品的消费增加，消费者对于肉品质量的要求提高，希望肉制品的生产更为绿色卫生，同时兼具不同的功能特性[1]。目前肉类研究致力于寻找新型、健康的添加剂来防止肉制品加工、贮藏等过程中的负面影响，针对不同需求赋予肉品不同的风味和功能营养特性。但是现有食品添加剂大多会在贮存、烹饪等过程中因氧化、受热等因素而失去效果。因此，需要将添加剂通过包埋技术形成固体微胶囊，隔绝光、热和氧气等外界因素，起到有效添加和保护的目的。微胶囊作为重要的食品包埋技术，已经在食品、化工、农业等领域有了广泛的应用，取得了良好的效果。近年来，国内外研究人员对微胶囊技术的创新及其在肉制品应用方面的研究取得了重要进展。本文对近几年国内外微胶囊技术的研究，及其在肉制品中的应用研究进展进行综述，为营养、健康、功能性肉制品的研发和应用提供理论支撑。

1 微胶囊技术简述

1.1 微胶囊分类及作用

微胶囊技术是将固体、液体或气体包埋、封存在一种微型胶囊内，成为一种固体微粒产品的技术。微胶囊粒径通常在几微米至上千微米[2]。其中，内部被包埋的物质称作芯材，外部的包被材料称作壁材。壁材一般为天然或合成高分子材料，芯材可以是液体、固体，也可是气体，或是一种或几种物质的混合物[2]。根据微胶囊的形貌分为球状、簇状和不规则形状；根据微胶囊的芯材可以分为单核和多核形式；根据造壁次数可以分为单层、双层和多层结构微胶囊[3]。

1.1.1 影响微胶囊稳定性的因素

影响微胶囊稳定性的因素主要有以下几个方面：

(1)壁材成分和结构(玻璃态转变温度、结晶度、核心材料的相互作用程度、乳化性质)；

(2)配方(抗氧化剂、增效剂、保护剂)；

(3)加工条件(温度、压力、芯壁比、亲水性、颗粒尺寸和表面积等)[4，5]。

1.1.2 微胶囊包埋的作用

微胶囊包埋的作用可以总结为以下几点：

(1)通过降低芯材与外界环境的反应来保护芯材；

(2)减少芯材向外部环境的蒸发或转移；

(3)优化芯材的物理特性，以便于处理；

(4)芯材的缓释或控释；

(5)掩盖芯材不愉快的气味或味道；

(6)帮助分离混合物中本来会相互反应的组分，如功能性添加剂、脂质、维生素、矿物质、酶、微生物和食品[6]。

1.1.3 包埋的芯材

根据芯材的不同，微胶囊在食品工业中也有不用应用[7]。目前包埋的芯材包括(1)调味剂(柠檬、香草和薄荷油等);(2)甜味剂(阿斯巴甜、三氯蔗糖、木糖醇等)；(3)着色剂(胭脂红、β-胡萝卜素等)；(4)植物活性成分(反式肉桂醛、百里香酚等)；(5)活体益生菌(双歧杆菌、乳杆菌等)；(6)膳食补充剂(多不饱和脂肪酸，维生素等)。

因此，微胶囊在食品风味、功能配料和贮藏保鲜等多种领域都得到了广泛的应用，具有较大的市场潜力和发展前景。

1.2 壁材的选择和改性

不同厚度、孔隙率的壁材会极大影响芯材的释放效果，决定着微胶囊成品的性能。以往壁材的研究主要集中在碳水化合物、蛋白质类、脂质等天然生物材料。单一壁材制备的微胶囊性能不佳，需要将不同种类壁材复合使用以增强机械性能。此外，运用物理法、化学法、生物法以及复合方法对蛋白质基、淀粉基壁材进行诱导改性也可以优化壁材性能。其中，蛋白质基壁材的改性方法主要有化学改性(糖基化、烷基化、磷酸化等)、物理改性(热变性、挤压、超声等)和酶法改性(聚合酶法改性、酶解改性等)三大类。化学改性和物理改性都是使蛋白质的结构发生不同程度的变化从而改变其加工特性的改性方法[8]。酶法改性主要集中在谷氨酰胺转氨酶(TGase)的应用，其原理是使用蛋白酶进行蛋白质改性，使蛋白质基团暴露，增强其功能特性。淀粉基壁材的改性方法则多集中在化学改性和酶修饰改性。改性后的淀粉相较于天然淀粉具有溶解度高、抗性强的特点，作为壁材可以起到抗氧化、增强物理和化学稳定性以及提高贮藏性能等作用[9]。除了传统壁材的使用，具有更高稳定性、特征响应性、靶向性等功能的新型天然壁材、微生物膜壁材、条件(pH、温度等)响应壁材的探索也成为研究的热点。Kavosi[10](2018)等以酿酒酵母细胞为壁材包埋马齿苋籽油，测量该微胶囊的载油能力、封装效率、氧化和热稳定性等参数，结果显示酵母微胶囊能有效增强马齿苋籽油的氧化稳定性、热稳定性和结构完整性。Emma[11](2019)等以醋酸羟丙基纤维素琥珀酸酯(HPMCAS)为壁材制作的鱼油微胶囊中二十二碳六烯酸(DHA)的保留率显著高于普通鱼油微胶囊，该微胶囊具有良好的疏水性、pH响应性和肠溶性，可以有效延缓DHA降解和氧化。Huq[12](2017)等将鼠李糖乳杆菌ATCC 9595包埋在海藻酸盐-纤维素纳米晶(CNC)-卵磷脂微珠中，发现在海藻酸盐微珠(ACL-1)中添加CNC和卵磷脂增加了微胶囊的拉伸强度和耐受性，提高了鼠李糖乳杆菌在冷冻干燥、胃消化和储存过程中的存活率。Luan[13](2018)等通过2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物氧化改性制备纤维素纳米纤维，将纤维素纤维/纤维素纳米纤维(CCNM)制成的纤维素基复合凝胶用作壁材包埋益生菌，发现纤维素纳米纤维(CNF)中的羧基可以通过改变CCNMs微胶囊的的孔径和pH从而调节益生菌的负载率和控释，保证了菌株在胃部的活性，有效将菌株送达肠道。

1.3 微胶囊制备方法

制备微胶囊的方法众多，根据原理主要分为物理法、物理化学法和化学法三个大类，其中应用最为广泛的是喷雾干燥、复合凝聚法及层层自组装法。在每大类方法中依据不同的操作工艺又可进一步分成若干种制备方法。单一的微胶囊技术都具有一定的缺陷，将多种技术联合使用，可以起到取长补短的效果[14]。因此，不同方法之间分类并不绝对，可以根据需求互相借鉴，互为补充。Wang[15](2018)等通过复合凝聚-喷雾干燥两步法将鳀鱼油包埋在明胶-六偏磷酸钠复合凝聚体中，制备出表面光滑、抗氧化性良好，具有较高包埋率的多核微胶囊粉末。Estefania[14](2016)等采用层层自组装-喷雾干燥制备双层和多层鱼油微胶囊，分别在冷藏(4℃)和室温(20℃)条件下贮藏，发现多层微胶囊更适合于包封鱼油，其DHA保留率较高。刘晓丽[16](2019)等以草鱼鱼油为芯材，壳聚糖(CTS)和大豆分离蛋白(SPI)为壁材，采用超声辅助均质-喷雾干燥法对鱼油进行微胶囊化，包埋率达到77%，具有良好的贮藏稳定性，对脂肪酸起到了良好的保护作用。

根据工艺技术的发展，微胶囊制备技术的创新也成为研究的热点。如以Pickering乳液模板制备的多核微胶囊、层层自组装制备多层乳液、基于油凝胶制备双涂层的DHA微胶囊均具有良好的稳定性[17]。Yang[18](2017)等使用基于超临界二氧化碳(SC-CO2)雾化的新型方法，将鱼油包埋在全氢化大豆油(FHSO)形成的中空固体脂质微球和纳米粒子中，发现当鱼油初始浓度为50%(w/w)时，微胶囊装载率最高(97.5%)，微胶囊呈干燥自由流动状态的球形；与游离鱼油相比，微胶囊鱼油的氧化稳定性显著提高(p<0.05)，加工和储存更为方便。Elham[19](2020)等通过Pickering乳液技术制备了苏云金芽孢杆菌(Bt)的微胶囊化制剂，以乳胶颗粒、GO纳米片、橄榄油、乙醇为壁材包埋Bt，测量紫外光辐射条件下Bt菌株的存活率，发现该微胶囊可以有效保菌株的活性，防止菌株受紫外线辐射的影响。

2 微胶囊在肉制品中的应用

2.1 调节脂肪酸组成

肉制品是蛋白质、脂肪、必需氨基酸、矿物质、维生素和其他营养物质的重要来源。随着消费水平的提高，消费者对健康肉制品有更高的期待，如低脂肪、低胆固醇、低盐和低硝肉类产品。目前用于评估肉制品中脂质成分营养质量的两个主要参数是多不饱和脂肪酸(PUFA)与饱和脂肪酸(SFA)之间的比例，以及n-6 PUFAs和n-3 PUFAs之间的比例[20]。为保证人体健康需求，营养部门建议消费者增加对富含n-3 PUFA食物的消费量，以使n-6/n-3 PUFA比例小于4，并且PUFA/SFA比高于0.4[21]。n-3 PUFA的主要存在于深海的鱼类、藻类产品中，大多数消费者的日常肉制品摄入无法满足人体对n-3 PUFA的需求。为了保证人体摄入足够量的不饱和脂肪酸，可以将富含PUFAs的油脂加入肉制品中，起到平衡脂肪酸比例的作用。比如添加橄榄油提高单不饱和脂肪酸(MUFA)的含量，添加大豆油以改善PUFA/SFA比例，用亚麻籽油、藻油和鱼油改善肉制品中PUFA/SFA和n-6/n-3 PUFAs的比例。

Ansorena[22](2003)等研究发现，在肉制品中以藻油等植物油代替动物油脂更为健康，有助于改善人体肠道菌群。但是，PUFAs由于具有大量的双键，容易在氧、热等条件下发生氧化水解等反应，在肉制品中直接添加PUFAs会造成大量营养损耗。因此，可以使用微胶囊包埋PUFAs，减少贮存加工过程中的损失，保证人体有效摄入。Heck[23](2017)等通过使用外部离子凝胶法包埋奇亚籽油和亚麻籽油用作汉堡中的脂肪替代品，发现该汉堡低脂肪含量低，具有更符合人体需求的SFA、PUFA和n-3、n-6 PUFA比例，具有良好的功能特性和感官品质。Pelser[24](2017)等将微胶囊化的亚麻籽油和低芥酸菜籽油添加至荷兰式发酵香肠中，增加了PUFA/SFA的比例，降低了n-6/n-3 PUFA的比例，使得PUFA更接近摄入推荐值。Ramella[25](2020)等用皮坚果油、亚麻子油和奇亚籽油微胶囊替代猪背膘添加到鹿肉汉堡中，发现添加植物油微胶囊有助于降低汉堡肉的水分损失，对汉堡的灰分含量、肉饼质地和消费者接受程度无显著影响，脂肪酸组成得到显著改善，肉品质地更柔软。

2.2 改善肉制品发酵特性

益生菌对于改善肠道菌群，促进人体健康具有重要作用，已广泛应用于药品、保健食品和功能性食品中[26,27]。通常情况下，食物中益生菌的活性大于106cfu/g并成功进入肠道才会对人体产生有益的影响[28]。但是，在食品生产过程中益生菌活性受到如食品基质的理化特性(水分活度、酸度等)、加工及存储条件(温度、湿度等)和胃肠道环境(pH值、消化酶等)[27]的影响较大。为使活性益生菌有效递送并被人体吸收，需要选择合适递送载体[29]。微囊化技术可以使益生菌在壁材的保护下，免受食物环境变化和胃肠道环境的影响，可以在传代过程中保持其菌株完整性，直到到达肠道分解并释放出益生菌[30，31]。

益生菌及其菌株可以用作发酵香肠或发酵牛肉生产中的发酵剂和抗菌剂，提高肉品的营养价值并带来独特的发酵风味[32，33]。然而，某些益生菌菌株无法在发酵肉制品的低pH、低水分活度、存在竞争性菌种的条件下生存，需要通过微胶囊包埋以保证益生菌的活性，从而在肉品发酵过程中持续发挥作用。Muthukumarasamy[34](2007)等将益生菌微胶囊添加到香肠中，实现活菌的有效递送，降低了大肠杆菌O157∶H7的存活率，提高了发酵香肠的安全性和营养价值。Muthukumarasamy[35](2006)等在发酵肉中添加罗伊氏乳杆菌ATCC 55730微胶囊，发现其对肉制品感官品质几乎没有不利影响，同时起到了对某些病原微生物的抑制作用。目前，益生菌微胶囊的研究主要集中在酸奶、奶酪食品中，在肉制品中的应用研究仍然较少，仍需进一步研究。

2.3 改善肉品风味特性

肉味香精对改善或增加肉制品风味的起着举足轻重的作用，是近年来发展速度最快的一类食品配料[36]。香精的呈味主体为挥发性芳香油，挥发性强，容易在高温、光照条件下挥发，导致香型失真[37]。此外，肉味香精的营养丰富，容易腐败变质，使得香精的保存和使用受限。因此，如何保持肉味香精的香味持久性和稳定性已成为亟待解决的问题之一。将液态或半固态的肉味香精经微胶囊化为干燥的粉末态，不但可以提高其流动性和稳定性，还能也为其商业运输和贮藏带来诸多便利。喷雾干燥、冷冻干燥、喷雾冷冻干燥、电喷涂和共挤出等物理方法是制备香精微胶囊最常用的技术[38]。Lotfy[39](2016)等发现采用喷雾干燥法制备牛肉风味的蘑菇酶解微胶囊，发现含有微胶囊的肉品烘烤后与不加微胶囊的肉品相比含有微胶囊的肉品的咸味和牛肉味明显增加。赵中胜[40](2013)等通过喷雾干燥法以阿拉伯胶和麦芽糊精为壁材包埋牛肉香精，发现由此制备出的微胶囊香型稳定、留香时间长、颜色均一、流动性好、易溶解、扩散快。除了改善风味外，通过微胶囊包埋不同香料，还可以为肉制品带来不同的风味，使肉制品的风味更具层次性。

2.4 提高氧化稳定性

蛋白和脂质的适度氧化可以改善肉制品的功能特性，提高人体吸收率，还能赋予肉制品独特的风味[41]。但是，过度氧化会降低肉制品营养价值，导致变色、变味，产生胆固醇氧化物、丙二醛等有毒物质[42,43]。在肉制品热加工过程中，氧化产生的杂环胺类物质不仅会劣化肉品质，引起人体细胞突变并增加致癌率[44～46]。传统工艺中往往采用直接添加抗氧化剂的方法以减缓氧化的发生[47]。合成型抗氧化剂(如叔丁基对苯二酚(TBHQ)、叔丁基羟基茴香醚(BHA))，抗氧化效果好、价格低廉、受到工业生产的广泛青睐[48]。然而诸多研究表明，合成抗氧化剂对人体有潜在威胁。近年来，研究发现从植物中提取的多酚类、类胡萝卜素、叶黄素等天然抗氧化剂，具有更好的稳定性和抗氧化性，在肉制品中可以得到更加广泛的应用[49～51]。但是，天然抗氧化剂成分多为光热敏感的长链大分子，在肉制品中的直接使用会导致其损失较大，甚至会增加植物提取物自带的异味。通过微胶囊包埋抗氧化剂，可以实现抗氧化剂的缓释，起到延长肉品货架期和抗菌效果。李登龙[52](2020)等将桑葚多酚(MP)微胶囊添加在肉脯中，发现微胶囊化MP比直接添加MP具有更高的贮藏稳定性和MP保留率，从而使延长了肉脯的货架期，增强了贮存稳定性。杨华[54](2020)等研究了茶多酚/ε-聚赖氨酸盐酸盐复合微胶囊对美国红鱼鱼片的保鲜作用，结果表明添加微胶囊的鱼片具有一定的抑菌性，货架期可以延长3～5d。刘芝君[55](2020)等将茶多酚微胶囊添加到腊肉中，发现相较于直接添加茶多酚的腊肉，茶多酚微胶囊对腊肉抗氧效果和护色效果更好，整体风味更丰富。Mojgan[53](2017)等使用壳聚糖-苯甲酸(CS-BA)制备迷迭香精油(REO)微胶囊，并将其添加到牛肉肉饼中，发现微胶囊可以有效减少冷藏牛肉饼中沙门氏菌群落数，延长肉类保质期。Mohamed[56](2017)等评估了冻干石榴皮微胶囊(LPP-NPs)在肉丸在冷藏过程(4±1°C贮存15d)中的抗氧化和抗菌效果，发现在LPP-NPs微胶囊在抑制肉丸脂质氧化，提高微生物安全性，改善烹饪特性方面更为有效。Reis[57](2017)等以喷雾干燥法微胶囊化蜂胶副产物提取物(MPC)，发现MPC微胶囊的汉堡比异抗坏血酸钠(VC)更能提高汉堡肉的氧化稳定性。

2.5 延长货架期

冷鲜肉安全营养，新鲜适口，受到消费者青。但冷鲜肉在贮藏和运输环节存在微生物污染风险，直接影响冷鲜肉的安全和品质[58]。目前使用较多的保鲜方法有化学防腐保鲜、气调保鲜、辐照保鲜等。但化学合成的防腐剂对人体有一定的潜在危害，气调保鲜成本较高，辐照保鲜可能会造成放射性污染。化学方法保鲜中常用的抗菌剂主要用铜离子、银离子等，通过直接接触发挥作用，其抑菌效果有限，热稳定性低[59]。这些传统的添加剂通常在高浓度下是有毒的，会对人体产生不利影响[60]。在此情况下，使用植物精油提取物作为抗菌剂可以解决上述问题。但植物精油易挥发、耐热性差，难溶于水。利用微胶囊技术先对植物精油进行包埋，提高精油的理化稳定性，再添加到包装材料中，能够表现出有效的控释和杀菌效果，抗菌活性持续且明显，具有一定的抗氧化效果，延长货架期[61，62]。

植物精油微胶囊在肉制品包装中的应用形式主要有两种：制成微胶囊涂膜液进行肉品包装，或将壁材固载在纤维基材上，再包埋精油制成微胶囊[63]。Wrona[64](2017)等制备一种基于羟丙基甲基纤维素(HPMC)的新型活性膜材料，该活性膜材料含有抗氧化剂(AO)和绿茶提取物(GTE)的聚乳酸(PLA)微胶囊纳米颗粒(NPs)，发现含有GTE的PLA纳米微胶囊的HPMC膜起到了良好的抗菌作用，延长了新鲜碎猪肉的货架期。Chen[65](2016)等以壳聚糖季铵盐和海藻酸钠为壁材制备了茶树油微胶囊，添加到猪肉贮藏30d后，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率高达87%。张珊珊[66](2018)等以壳聚糖和海藻酸钠为壁材，用层层自组装的方法制备百里香精油微胶囊，对金黄色葡萄球菌有着较强的抑菌效果。Wang[67](2017)等用β-环糊精和多孔淀粉采用喷雾干燥法制备丁香油微胶囊，用于鱼肉、猪肉、牛肉等熟肉制品的抗菌保鲜，结果显示当微胶囊有效杀菌浓度大于0.070%时对熟肉制品有良好的杀菌效果；微胶囊经过严格的热处理后有效杀菌浓度为0.080%，具有良好的抗真菌和防腐作用。

3 结论与展望

微胶囊技术发展迅速，在食品保鲜、包装及营养添加等多领域得到了广泛的应用，具有良好的前景。随着研究深入，不同功能性物质都可以通过微胶囊化增强其稳定性、缓释性以及靶向响应性等特性。未来，制备微胶囊壁在肉制品的研究重点预期集中在以下几个方面。

其一微胶囊稳态化。肉品的制作中可能会经历高温、高压等加工过程，优化微胶囊制备工艺生产出稳定的微胶囊可以更好保护芯材，对于扩大微胶囊在肉制品的应用具有重要意义。

其二，应用具体化。不同的微胶囊应该细化分类研究，需要针对不同的肉制品研发适用的微胶囊。

其三，形成有效递送体系。目前微胶囊的研究多集中在工艺和壁材的优化，但是芯材物质的释放和递送研究仍然较少，应形成完整系统的递送体系研究，保证人体的有效摄入。