制備微膠囊壁材用蛋白質改性的研究進展

馬鐵錚,朱紅廣,王　靜

(北京工商大學食品學院,北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心,北京工商大學北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京 100048)

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制備微膠囊壁材用蛋白質改性的研究進展

馬鐵錚,朱紅廣,王靜*

(北京工商大學食品學院,北京工商大學食品添加劑與配料北京高校工程研究中心,北京工商大學北京市食品添加劑工程技術研究中心,北京 100048)

蛋白質是微膠囊制備中最常用的壁材之一,其原料的選擇日趨廣泛,改性技術也被越來越多的應用在制備微膠囊壁材所用的蛋白質上。本文概述了幾種常用于微膠囊壁材的蛋白質的改性研究進展,論述了改性方法以及使用改性后壁材進行微膠囊制備的情況,并對其發展趨勢和應用前景進行了展望。

微膠囊,壁材,蛋白質,改性

蛋白質具有良好的溶解性、乳化性和凝膠性等加工特性以及抗氧化等生理活性,還具有較好的生物相容性和生物降解性,因而在微膠囊制備中被作為壁材廣泛使用[1-2]。但是,蛋白質的特性和生理活性不同程度地受到其種類、含量、質構狀態等諸多因素的影響,并不是所有蛋白質都能夠滿足制備微膠囊壁材所需的要求[3]。近年來,制備微膠囊所用的蛋白質類壁材在其選擇、復配和改性等方面發展迅速,尤其是通過蛋白質改性以改善其加工特性或生理活性的研究成為熱點。

蛋白質改性是指針對蛋白質的自身結構或理化性質,包括其氨基酸組成、分子大小、空間結構、柔性/剛性、電荷分布、表面疏水性、流變性等加以改變,從而改變其加工特性和生理活性的手段[4]。目前常用的蛋白質改性方法主要有化學改性、物理改性和酶法改性三大類?；瘜W改性是通過脫酰胺、酰化和磷酸化等方式,物理改性是通過高壓均質、超聲波、微波加熱、擠壓、攪打和加熱等方式,二者都是使蛋白質的結構發生不同程度的變化從而改變其加工特性的改性方法[5-6]。酶法改性則是使用蛋白酶進行改性,改性的程度與加酶量、底物濃度、水解時間等操作參數相關,改性后蛋白質的加工特性與暴露出的基團的數量、性質,以及產物分子量大小有關[7]。

用于制備微膠囊壁材的蛋白質主要包括植物來源蛋白質和動物來源蛋白質兩大類。蛋白質用作壁材的優勢在于其結構中兼具親水基團和親油基團,因此能夠吸附于界面吸附并成膜,從而可以阻止小液滴或者氣泡的聚集,這有助于穩定乳化液和實現良好的包埋率,并使得微膠囊擁有保護芯材的能力[8]。但是,并非所有蛋白質都具有適合于微膠囊包埋及保護芯材的特性和能力。因此,對蛋白質加以改性以使其作為微膠囊壁材使用時有更好的包埋效果,并使其能更好地保護芯材十分必要。本文對制備微膠囊壁材所用的植物蛋白和動物蛋白的改性方法和改性后的應用現狀及其發展趨勢進行了綜述。

1　植物蛋白的改性及應用

植物蛋白的加工特性通常低于動物蛋白,而作為微膠囊壁材使用的蛋白質需要具有較好的加工特性,因此,能夠作為微膠囊壁材使用的植物蛋白種類有限。但是,考慮到消費者對于動物蛋白產品安全性方面的擔憂、宗教因素的限制以及素食主義者的需求,其應用前景仍被看好[1]。此外,植物蛋白來源廣泛,價格低廉,以其作為微膠囊壁材也符合現代食品、醫藥用品及化妝品行業綠色產品化的趨勢[9]。因此,作為微膠囊壁材的植物蛋白在改性方面的研究潛力巨大,近年來發展迅速。除了在植物蛋白中公認具有較好加工特性的大豆蛋白外,菜籽蛋白、葵花籽蛋白和米渣蛋白等越來越多的植物蛋白被作為壁材原料用于微膠囊的制備[10]。

1.1大豆蛋白

大豆蛋白加工特性良好,具有很好的溶解性、乳化性、成膜性、持水性以及持油性[11-12]。因此,長期以來大豆蛋白都是食品行業中應用最廣泛的植物蛋白。

在對蛋白質類微膠囊壁材的改性方面,糖基化以及酶法改性是較為常用的技術手段。Zhang等[13]先將大豆分離蛋白與麥芽糊精通過美拉德反應進行糖基化交聯,再把所得產物加以部分酶解改性后作為壁材用于制備魚油微膠囊。研究結果表明,無論是制得的乳化液粒徑還是多分散系數,部分酶解改性后的壁材均低于改性前以及未交聯的蛋白質-麥芽糊精混合物。隨著部分酶解改性時水解度的增加,雖然使用所得壁材微膠囊化時的包埋率略有降低,但是產品的氧化穩定性和熱穩定性卻有不同程度的提高,所得微膠囊產品的表面相對平滑且質構均一。Zhang等[14]調換了這兩步改性操作的順序,即先將大豆分離蛋白部分酶解,其后再與麥芽糊精進行美拉德反應,所得產物作為壁材包埋魚油制備微膠囊。結果表明,操作順序調換后,所得乳化液的粒徑比調換前更小且穩定性保持良好。通過工藝優化,微膠囊的包埋率增加至87.24%,所得微膠囊同樣具有良好的氧化穩定性和熱穩定性。

除了糖基化和酶法改性這兩種方法外,?；完栯x子化也可以對微膠囊壁材用蛋白質進行改性。Nesterenko等[15]使用?；男院蟮拇蠖沟鞍诪楸诓闹苽洇?生育酚微膠囊,使用改性后蛋白質制得乳化液的粒徑和粘度均顯著降低,包埋率則由改性前的79.7%提高到94.8%。Nesterenko等[16]還以大豆蛋白為原料,對其分別進行?；完栯x子化改性,用于微膠囊化α-生育酚和維生素C。結果表明,?；男院蟮拇蠖沟鞍讓τ谑杷镔|α-生育酚的包埋率大幅提升,而對于親水物質維生素C的包埋率降低。與之相反,使用氨基鹽將大豆蛋白陽離子化改性之后,更有利于親水物質的包埋。與酶法改性相同,?；完栯x子化均能降低乳化液的粘度,而酶法改性和陽離子化都會大幅降度對α-生育酚微膠囊化的包埋率[17]。

1.2菜籽蛋白

菜籽蛋白提取自油菜籽,具有良好的加工特性,包括乳化性、起泡性、成膜性和吸水性等,因此適宜于用作微膠囊壁材[18-19]。He等[20]使用高壓處理和加熱處理這兩種物理方法對菜籽蛋白進行改性,結果表明前者能更有效地提升菜籽蛋白的凝膠性,而凝膠性的提升則有助于菜籽蛋白作為微膠囊壁材時提高產品的包埋率。Wang等[21]也使用高壓處理改性菜籽蛋白,并以其為壁材包埋制備菜籽多肽微膠囊,結果表明以400 MPa處理15 min后,菜籽蛋白的表面疏水性達到最高值,以其為壁材制備的微膠囊的包埋率提高至94.7%,且產品表面平滑,尺寸均一。Wang等[22]還比較了?；男?、高壓處理改性以及酶法改性這三種方法處理后的菜籽蛋白作為壁材包埋菜籽多肽制備微膠囊的效果,其包埋率由小到大依次為:酶法改性<未改性<高壓處理改性

1.3葵花籽蛋白

葵花籽蛋白是葵花籽榨油的副產物,其溶解性、乳化性、凝膠性和成膜性等加工特性與大豆蛋白相近,具備在食品工業中代替大豆蛋白的潛力[23]。對葵花籽蛋白加以適當的酶改性可以提高其乳化性和成膜性,而與NaCl或黃原膠復配后可以提高葵花籽蛋白的成膜性,這些對于作為微膠囊壁材使用具有指導和借鑒意義[24-25]。Nesterenko等[26]將葵花籽蛋白分別進行酶法改性和?；男院?以其為壁材包埋α-生育酚制備微膠囊。結果表明,微膠囊的包埋率由小到大依次為:酶法改性<未改性

1.4米渣蛋白

米渣蛋白是大米制糖工業中的副產物,其蛋白能效比(PER)高于其它谷物蛋白,且擁有低的致敏性,具備作為微膠囊壁材應用的良好潛力[27-28]。吳姣[29]將米渣蛋白酶法改性,并將水解度控制在較低水平(DH 4%),分別以酶法改性后的米渣蛋白、酶法改性后的米渣蛋白-麥芽糊精的美拉德反應產物與阿拉伯膠復配作為壁材,包埋大豆油制備微膠囊,發現使用酶法改性后的米渣蛋白的包埋率可達92.5%,而使用美拉德反應產物的包埋率下降至83.3%。任東東[30]則同樣使用酶法改性,以水解度較高(DH 16%)的米渣蛋白與乳糖進行糖基化,再與乳糖和麥芽糊精一同復配后作為微膠囊壁材,包埋米渣油制備微膠囊,包埋率達到95.1%,所得產品形態良好,在室溫貯藏180 d后仍然能夠保持穩定。

2　動物蛋白的改性及應用

較之植物蛋白,動物蛋白由于具備更好的溶解性、凝膠性和成膜性等加工特性,長期以來被作為壁材應用于微膠囊的生產制備[31-32]。動物蛋白作為微膠囊壁材的優勢體現在其相比植物蛋白而言,在更廣的pH范圍內具有良好的溶解性。此外,動物蛋白的分子量也通常小于植物蛋白,這使得其可以更快的速度在界面上分散從而迅速穩定乳化液,提高微膠囊的包埋率和荷載量[1]。除了應用范圍最廣泛的明膠外,來源于牛乳的酪蛋白和乳清蛋白也是代表性的微膠囊壁材用動物蛋白材料。

2.1明膠

明膠因其良好的溶解性、乳化性與凝膠性,是最理想的微膠囊壁材之一。明膠主要來源于畜產加工產生的副產品,如豬皮、牛皮以及豬骨、牛骨,近年來魚皮明膠的研究和開發進展迅速[33]。由于帶電性質可以通過體系pH的調節加以控制,明膠經常與以阿拉伯膠為代表的大分子多糖共同作為壁材,通過復合凝聚法制備微膠囊。由于復合凝聚是一種物理變化,壁材間并未發生共價交聯,因此常常需要使用有機溶劑或酶制劑等交聯劑將壁材固定。但是,使用有機溶劑作為交聯劑時,若不能徹底將其洗脫清除則會使產品有殘留毒性,酶制劑的使用也常常會大幅提升生產成本。因此,近年來相關替代方法的研究正在成為熱點。

Ifeduba等[34]使用美拉德反應將明膠與阿拉伯膠進行交聯,包埋硬脂酸大豆油制備微膠囊,并與未交聯處理的產品以及使用轉谷氨酰胺酶(TGase)交聯固定的產品加以比較。結果顯示,美拉德反應所得產品的熱穩定性、膠體穩定性和抗氧化能力均高于其它兩者,使用酶制劑交聯制得的微膠囊的抗氧化能力甚至低于未交聯處理的產品。為了進一步提高微膠囊產品的抗氧化能力,Ifeduba等[35]又將麥芽糊精導入美拉德反應體系,比較了明膠與阿拉伯膠兩者反應以及明膠與阿拉伯膠、麥芽糊精三者共同反應作為壁材制得的微膠囊對所包埋的不飽和脂肪酸的保護能力。通過對產品貯藏30 d后總氧化值的測定,三者共同參與美拉德反應制得的產品擁有最佳的抗氧化能力,較之未交聯的產品,芯材的氧化程度可以降低87%。

2.2乳清蛋白

乳清蛋白主要來源自乳酪生產中的副產物,由于具有良好的凝膠性和乳化性,尤其是其溶解性十分出色,甚至在牛乳蛋白的等電點pH4.6時仍可溶解,因此被廣泛應用于包括微膠囊制備在內的食品工業中[36-37]。乳清蛋白可以使用水凝膠或者納米微粒體系的方式制備微膠囊從而包埋并定向投放生物活性物質[38]。Schmitt等[39]使用乳清蛋白包埋多酚類物質并成功地應用于藥品和化妝品領域。Relkin等[40]使用超高速勻漿合并高壓均質處理的方法,包埋α-生育酚制備微膠囊,這兩種物理改性方式的聯用增加了乳清蛋白的平均分子量,提高了芯材在貯藏過程中的穩定性。Giroux等[41]則另辟蹊徑,通過pH循環處理,反復酸化、中和乳清蛋白所處體系,使乳清蛋白發生共價交聯,制得結構致密且穩定的乳清蛋白納米微粒,以其為壁材包埋香料物質成功制得了微膠囊,所形成多孔結構的壁材有利于香氣物質的勻速緩慢釋放。Gülseren等[42-43]則利用乙醇的去溶劑化作用制得乳清蛋白的納米微粒,并以其為壁材包埋ZnCl2制備微膠囊,包埋率達到80%以上,所得產品可以在22 ℃穩定貯藏達30 d。

2.3酪蛋白

酪蛋白是牛乳蛋白的主要組成成分,其價格低廉且穩定性良好,兼具較佳的乳化性、凝膠性和持水性,因此在食品工業中廣泛使用,也經常作為蛋白質改性的研究對象[44]。

Menéndez-Aguirre等[45-46]利用高壓處理改性酪蛋白并用于包埋維生素D2,發現600 MPa的較高壓力更有利于提高芯材的包埋率,Ca2+-Pi的添加也可以通過增加酪蛋白的聚集而輔助提高包埋率。Oliver等[47]利用美拉德反應將酪蛋白進行糖基化后包埋魚油制備微膠囊,結果表明使用糖基化酪蛋白所包埋的微膠囊在體外模擬消化實驗中的穩定性有所提升,其阻隔性能較之酪蛋白與多糖的物理混合物所制備的壁材更高。

為了降低所添加的功能性食品成分對食品質地的不良影響,并提高其在體內輸送的效率和靶向性,微膠囊的納米化成為研究熱點,通過納米微膠囊來包埋、保護并輸送高敏感度的活性成分成為諸多相關領域研究者關注的焦點[33]。酪蛋白因其較好的加工特性被越來越多的作為納米微膠囊壁材使用[48]。Zimet等[49]研究發現,酪蛋白能夠與以DHA為代表的ω-3不飽和脂肪酸親和從而對其包埋,制得貯藏性良好的納米微膠囊。Sáiz-Abajo等[50]使用酪蛋白包埋β-胡蘿卜素制得納米微膠囊,所得產品在巴氏殺菌、焙烤、高壓處理等常規工業生產操作中能夠有效保護芯材,這表明酪蛋白為壁材的微膠囊非常適用于保護熱敏性食品成分。Haham等[51]使用超高壓均質處理后的酪蛋白包埋維生素D3制得納米微膠囊,其產品在使芯材保持較高生物活性的同時兼具良好的耐熱性能。

3　結論與展望

微膠囊技術作為近年來發展迅速且應用范圍逐步擴大的新技術,在食品、醫藥用品和化妝品等諸多領域都具有良好的前景和很大的潛力。多種具有生理活性的物質都可以通過微膠囊化增強其穩定性、耐儲性以及靶向傳遞性等應用特性。蛋白質作為最常用的微膠囊壁材原料,已有的相關研究多聚焦于蛋白質選材范圍的拓展以及不同種類蛋白質間或蛋白質與其它類型壁材原料的復配。近年來,隨著跨學科、跨領域研究的興起,微膠囊和蛋白質改性這兩個熱門研究領域產生融合,制備微膠囊壁材用蛋白質的改性研究受到研究者的關注。多種傳統的或新涌現的植物蛋白和動物蛋白相繼成為研究對象,物理改性、化學改性和酶法改性等多種改性方法都被應用于不同用途和類型的微膠囊產品的研究和開發。

未來,制備微膠囊壁材用蛋白質改性領域的研究重點預期集中在以下幾個方面:其一，性能穩態化:通過改性優化蛋白質壁材的阻隔性能及微膠囊產品的質構穩定性,更好的保護被包埋的活性成分,并延長產品的貨架期;其二，尺寸納米化:通過改性使得蛋白質壁材所制備的微膠囊的大小降低到納米級別,削弱其對食品感官和質構品質造成的影響,提高其在體內的輸送效率;其三，包埋高容化:通過改性提高蛋白質壁材對內容物的包埋率,使得單位質量的微膠囊能夠容納相對更多的芯材;其四，選材拓展化:通過改性提升蛋白質的溶解性、乳化性、凝膠性和成膜性等加工特性,改造原本不適宜作為微膠囊壁材的蛋白質種類并加以利用;其五，用途多樣化:通過改性賦予或者增強蛋白質壁材的抗氧化等生理活性,使得微膠囊產品生理活性可以不單純依靠芯材來發揮;其六，方法復合化:單一的改性方法使蛋白質產生的變化可能無法滿足微膠囊產品性能的需求,不同改性方法的復合使用則有望改善此種狀況,從而滿足產品所需達到的要求。

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Research progress in modification of proteins for wall materials of microcapsules

MA Tie-zheng,ZHU Hong-guang,WANG Jing*

(School of Food and Chemical Engineering,Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Food Additives and Ingredients,Beijing Engineering and Technology Research Center of Food Additives, Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Protein,as one of the most commonly wall materials of microcapsules,is a widely distributed resource with growing potential. Increasingly methods are being developed for protein modification to improve application properties and quality of wall materials. The research progress in modification of proteins for wall materials of microcapsules was collected and summarized. The modification methods and the microencapsulation characteristics of modified wall materials are introduced,and its recent advances and trends in research and development were discussed and reviewed.

microcapsules;wall materials;protein;modification

馬鐵錚(1984-),男,博士,講師,研究方向:糧油加工與功能性食品配料,E-mail:matiezheng@btbu.edu.cn。

王靜(1976-),女,博士,教授,研究方向:食品功能因子與品質改良,E-mail:wangjing@th.btbu.edu.cn。

國家自然科學基金青年科學基金項目(31501408);北京市優秀人才培養資助青年骨干個人項目(2014000020124G033)。

2016-04-01

TS201.1

A

1002-0306(2016)17-0376-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.17.066