油脂和脂溶性功能成分微膠囊的消化研究進展

馬鐵錚，錢啟堯，王 靜*

（北京工商大學食品學院，北京市食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，食品添加劑與配料北京高校工程研究中心，北京 100048）

諸多食品及食品配料中的不飽和油脂和多種脂溶性功能成分的化學性質不夠穩(wěn)定，容易在加工和貯藏的過程中氧化或變性[1-2]。微膠囊化是一種可以有效抑制氧化和變性發(fā)生的工藝手段，其利用蛋白質、多糖等大分子作為壁材對油脂和功能性成分進行包埋，在其表面形成屏蔽層，這樣就可以避免這些敏感性成分直接與外界的氧氣、水分以及酸性和堿性物質接觸，并且能夠有效降低環(huán)境中光照和熱量等因素的不良影響，保證油脂和功能成分的穩(wěn)定性，延長含有敏感型成分的食品和食品配料的保藏期[3-9]。由于油脂和脂溶性功能成分被蛋白質、多糖等大分子包裹，其消化過程與直接消化之間會產(chǎn)生差異。近年來，制備微膠囊的壁材和微膠囊化方法的選擇，以及它們對芯材釋放和生物利用率的影響研究已經(jīng)成為相關領域研究人員關注的熱點和焦點[10]。

微膠囊制作工藝包含其壁材的選擇以及所使用的微膠囊化方法，二者的選擇不但受制于所要包埋的芯材，二者之間還存在著互相制約的關系。壁材和微膠囊化方法的差異都會對微膠囊產(chǎn)品的消化效果產(chǎn)生影響，因此壁材和微膠囊化方法的選擇成為了微膠囊制備及其消化研究中的關鍵參數(shù)[11-13]。此外，對于油溶性功能成分的消化和生物利用率而言，載體油的性質也會對此起到相當大的作用[14-15]。

微膠囊消化實驗分為兩大類：體外模擬消化實驗、體內(nèi)臨床實驗。體外模擬消化實驗是利用酶和化學物質模擬人體消化道的環(huán)境，展現(xiàn)與人體消化道相似的條件對微膠囊分解消化過程，通過檢測包埋物的釋放量和分解率，反映模擬消化液對微膠囊的分解程度和包埋物的生物利用率[16-17]。體內(nèi)臨床實驗也稱動物實驗，是通過讓人或者小鼠等實驗動物食用含有微膠囊的食品，檢測其不同時間段消化道內(nèi)包埋物釋放量和分解率，以及血脂等體征指標的變化趨勢，用來反映生物體各階段對微膠囊的消化率和生物利用率[18]。在二者中，體外模擬消化實驗由于操作簡單、方便易行，應用相對更廣，更常用于快速檢測微膠囊的消化性能。本文對蛋白質、多糖等大分子作為壁材包埋油脂及脂溶性功能性成分的體外、體內(nèi)消化情況和未來研究趨勢進行了詳細的介紹和分析，并對其發(fā)展前景加以展望。

1 微膠囊化油脂的消化及生物利用率

油脂被蛋白質、多糖包埋后，在消化道中的消化過程與未經(jīng)微膠囊化的油脂相比有著很大差異。消化過程中，消化液和酶必須先分解覆蓋在油脂表面的壁材，在其上產(chǎn)生縫隙或孔洞后，油脂方可被釋放出來，進而被分解利用。因此，微膠囊消化過程較單純油脂而言更加復雜，消化效果也不盡相同。可以通過對壁材的改變和對微膠囊化方法的調整來調控微膠囊化的油脂的釋放時間，從而達到改變油脂或者其中功能性成分的生物利用率的目的，并且可以將其用作脂溶性藥物的載體提高藥物的作用效果，增加藥物作用范圍的精準性[11]。

1.1 微膠囊的口腔消化階段

人體口腔環(huán)境溫和，口腔消化液的成分相對簡單，只含有少量的唾液淀粉酶、黏蛋白和金屬鹽離子。根據(jù)Timilsena等[19]的報道，模擬口腔消化液中α-淀粉酶不能分解奇亞籽蛋白以及奇亞籽蛋白-奇亞籽膠復合物凝聚層基質，因此口腔消化過程中，只有在微膠囊表面的油脂能夠被消化；研究結果表明，口腔中的微膠囊消化效果并不明顯，在口腔環(huán)境中2 min左右的短時間暴露不足以破壞微膠囊的固體基質或乳劑中覆蓋油滴的蛋白質壁材層。

根據(jù)Eratte等[20]的報道，與模擬胃液和模擬腸道消化液相比，在模擬口腔消化液中釋放的油脂量最低，僅為總油脂質量的1%，較另外二者差異顯著；研究結果表明，模擬口腔消化液對微膠囊的乳清蛋白-明膠復合壁材的降解程度很低，不能使其中包埋的油脂釋放。口腔對消化的貢獻主要是通過咀嚼將食品基質剪切成較小的碎片，方便后續(xù)胃腸道消化的進行，而口腔消化液中消化酶和離子成分均不足以破壞由蛋白質和多糖構成的微膠囊壁材，無法使其中包埋的油脂和脂溶性成分釋放。

1.2 微膠囊的胃消化階段

胃消化階段的酸度較高，pH值大約在1.5～3.0之間，胃液可以對微膠囊壁材產(chǎn)生分解作用，對其結構造成一定程度的破壞，使其所包埋的油脂釋放。當食品進入胃消化液中時pH值會上升至胃脂肪酶的最適區(qū)間，即pH 4.0～6.0，此時脂肪酶可以更加有效地酶解微膠囊中釋放出的油脂，生成自由脂肪酸[7]。根據(jù)Gallier[21]、Bauer[22]等的報道，油脂在胃中只能消化10%～30%，這表明只有少量油脂可以在胃中消化后轉化為自由脂肪酸。

微膠囊因其壁材成分的不同，在模擬胃消化液中的消化效果有著很大的差異，尤其是作為壁材的蛋白質種類對消化效果有著很大的影響。Goyal等[23]分別使用酪蛋白和乳清蛋白包埋亞麻油，結果顯示，在體外模擬消化實驗中，酪蛋白作為壁材時，所包埋的微膠囊中的油脂釋放率更高，與其他蛋白質相比高出約6%，這是由于酪蛋白較為松散和靈活易變的構象使得其對消化酶更為敏感，從而使胃蛋白酶可以更好地分解酪蛋白形成的壁材，進而釋放其中包埋的油脂；與之形成對比的是，乳清蛋白高度球狀的構象不利于胃蛋白酶與其發(fā)生接觸，從而限制了油脂的釋放。

常與蛋白質配合作為微膠囊壁材使用的多糖（多數(shù)是植物膠）存在與否也會影響到微膠囊的消化效果。Timilsena等[19]用奇亞籽蛋白、奇亞籽膠以及二者的聚合物包埋奇亞籽油脂，發(fā)現(xiàn)奇亞籽蛋白很容易被胃蛋白酶水解，從而在微膠囊壁材層上產(chǎn)生孔洞，所以單獨使用奇亞籽蛋白作為壁材包埋的油脂在模擬胃消化液中釋放量最大，約為總包埋油脂量的80%，而由于模擬胃消化液中沒有能夠水解奇亞籽膠的酶，所以單獨使用奇亞籽膠作為壁材可以有效地減少油脂在胃環(huán)境中的釋放；并且該作者還發(fā)現(xiàn)使用奇亞籽蛋白-奇亞籽膠聚合物作為壁材的微膠囊比單獨使用其中任意一種作為壁材時的耐酶解和耐酸解能力更強，因此更適合于將油脂遞送到腸道消化的環(huán)節(jié)。Binsi等[24]的研究也得到了相似的實驗結果，其研究闡述了阿拉伯膠存在與否對魚卵蛋白包埋的油脂微膠囊消化的影響，結果表明，與單獨使用魚卵蛋白作為壁材的微膠囊相比，使用魚卵蛋白與阿拉伯膠復合作為壁材的微膠囊對芯材油脂氧化穩(wěn)定性的保護效果更好，但在模擬胃消化的過程中復合壁材能夠釋放出相對更多的油脂，該作者認為這是由于多糖的存在降低了蛋白質的聚集程度，從而促進了其在胃環(huán)境中的消化性能。Chew等[25]使用殼聚糖二次包埋以高甲氧基果膠和海藻酸鈉復合作為壁材的微膠囊，并與未做二次包埋的產(chǎn)品進行對比，結果顯示，殼聚糖的二次包埋可以顯著降低芯材油脂的釋放，抑制胃環(huán)境對微膠囊壁材的分解作用，從而將油脂更多地送到腸道之中；當使用多種多糖作為微膠囊壁材時，它們之間的配比也會對消化性能造成影響。He Huizi等[26]使用辛烯基琥珀酸酐淀粉和黃原膠以不同比例配合，采用復合凝聚制備微膠囊，發(fā)現(xiàn)芯材油脂的釋放量與壁材黃原膠的使用比例成正比，該作者認為這是由于黃原膠包裹在淀粉的表面，抑制了淀粉被酸水解的速率。

其他因素也會影響微膠囊在模擬胃消化液中的消化效果。Strobel等[27]研究發(fā)現(xiàn)，提高模擬胃消化液的pH值會顯著提高海藻酸鹽作為壁材的微膠囊的芯材油脂釋放量，pH 3.0時的油脂釋放量達到pH 1.5時的兩倍，該作者認為這是由于pH值的變化會影響海藻酸鹽的質子化效應，在較低pH值下的海藻酸鹽更加穩(wěn)定，從而降低了芯材油脂的釋放量。Kosaraju等[28]使用酪蛋白酸鈉-葡萄糖-高濃度葡萄糖漿經(jīng)美拉德反應后的產(chǎn)物包埋金槍魚油，由于美拉德反應使得壁材之間產(chǎn)生了較強的交聯(lián)作用，有效地阻止了蛋白水解酶對壁材層的分解作用，使油脂的釋放量顯著下降至不到總油量的0.3%。Binsi等[29]用酪蛋白-明膠復合凝聚魚油及多酚，模擬胃消化過程中發(fā)現(xiàn)多酚與蛋白質的交聯(lián)作用阻礙了油脂的釋放，總油量7.45%的油脂的釋放受到了抑制。

1.3 微膠囊腸消化階段

在體內(nèi)環(huán)境中，胃部的消化過程結束后，未被消化的剩余物質將進入腸道繼續(xù)消化。腸道中有豐富的酶，包括胰蛋白酶、凝乳蛋白酶、α-淀粉酶和胰脂酶等，此外還含有碳酸氫鹽、膽汁鹽等鹽類物質以及鈉、鈣離子等電解質[7]。根據(jù)Wickham等[30]的報道，微膠囊中相對較難分解壁材的消化以及自由脂肪酸的產(chǎn)生大都是在腸道中進行的，食品中進入腸道后，pH值會逐漸上升至7.5，70%～90%的脂肪都可以在腸道中被胰脂酶水解；因此，在胃部未被完全消化的微膠囊可以在腸道中繼續(xù)消化分解，使其芯材得以釋放、分解并最終被吸收。Lim等[31]的研究也得到了相似的結果，其研究發(fā)現(xiàn)羧甲基纖維素作為壁材時，微膠囊難以在模擬胃消化液中被消化，而在模擬腸消化液中則可以有效地分解，從而釋放其中的油脂；但是，腸道消化的速度相對較為緩慢，脂肪的水解需要較長的時間。Timilsena等[19]則發(fā)現(xiàn)微膠囊中的油脂在腸道中被釋放后，在模擬腸消化液中的油脂表面部分被蛋白質和植物多糖包裹，這將阻礙脂肪酶與脂肪之間的接觸，從而阻礙了消化的進行。

與胃消化階段相似，微膠囊根據(jù)其壁材組成的不同以及微膠囊化方法的差異，其芯材在腸道環(huán)境中的釋放和消化效果有著較大的不同。Augustin等[11]將作為微膠囊壁材的蛋白質和多糖與油脂混合后經(jīng)過先乳化后加熱處理，并與壁材先加熱然后與油脂混合并乳化制得的微膠囊進行對比，結果表明，前者所包埋油脂的利用率比后者低，該作者認為這是由于在乳化后加熱會使蛋白質和多糖產(chǎn)生交聯(lián)反應，降低消化酶對其降解能力；此外，該作者使用4 種蛋白質和3 種多糖相互組合作為壁材，并對不同組合之間的差異進行了比較，發(fā)現(xiàn)以酪蛋白作為壁材時可以有效延緩芯材油脂的分解。Goyal等[23]的研究則發(fā)現(xiàn)，由于乳清蛋白的結構較為復雜，所以使用乳清蛋白作為壁材的微膠囊在模擬胃消化液中消化程度較低，其所釋放的芯材油脂量僅為酪蛋白作為壁材時的50%左右，但在其置于模擬腸消化液中之后，經(jīng)過多種酶的復合作用，芯材油脂可以更為有效地被釋放，從而提高了消化效率。值得注意的是，上述兩組研究都是對比了乳清蛋白和酪蛋白作為壁材的微膠囊的消化情況，但是二者的緩釋效果卻相反，這表明壁材種類以外的其他因素對微膠囊包埋油脂的釋放作用也有很大的影響。有些材料作為微膠囊壁材則會妨礙芯材油脂在腸道環(huán)境中的釋放和吸收，Pinheiro等[32]研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉作為微膠囊壁材時，對芯材油脂在腸道環(huán)境中的釋放和吸收有阻礙作用，在作為壁材的乳鐵蛋白中添加海藻酸鈉后，其在模擬腸消化液中的消化率有所降低，自由脂肪酸的吸收率也從64%降低到54%。

作為微膠囊芯材的油脂碳鏈長度也會影響油脂在腸道消化過程中的生物利用率，Majeed等[33]使用改性淀粉包埋不同碳鏈長度的油脂時，發(fā)現(xiàn)相對于長碳鏈油脂，中碳鏈油脂的自由脂肪酸釋放速率較慢，該作者認為這是由于中碳鏈油脂和長碳鏈油脂分解產(chǎn)物的擴散性質有差異，從而導致前者的自由脂肪酸釋放速率放緩。而Yang Ying[34]、Zhang Ruojie[35]等的研究則發(fā)現(xiàn)，中碳鏈油脂的消化速度比長碳鏈油脂更高，他們將其歸因為長碳鏈油脂的消化產(chǎn)物容易聚集在水-油界面，阻礙消化的進行，而中碳鏈油脂的消化產(chǎn)物由于親水性更強，更有利于消化的進行。上述兩個研究結果相悖，這表明脂肪消化速度應當不僅由其碳鏈長度決定，成分不同以及油脂粒徑大小等諸多因素都會產(chǎn)生影響，此方面的研究還有待于進一步的深入。

2 微膠囊化油溶功能性物質的消化及生物利用率

油溶功能性物質的消化是基于載體油脂釋放后，油溶功能性物質在消化道中逐漸釋放，從而可以被分解消化，進而被人體吸收。在胃消化階段，由于微膠囊壁材被分解的程度通常比較有限，載體油脂釋放量也就很少，因此，功能性物質的釋放量同樣非常少；然而在腸道消化階段，微膠囊壁材可以被有效分解，從而使得載體油脂釋放，溶解于其中的功能性物質也被充分釋放出來，可以被人體吸收利用[36]。在操控功能型物質的靶向釋放時，微膠囊在各消化階段的分解速度需要精確把控，而微膠囊壁材的組成和結構對此起著關鍵作用。微膠囊的配方成分和微膠囊化方法分別直接決定了其壁材的組成和結構，此外，還有其他一些相關因素也會對消化特性產(chǎn)生影響。

2.1 壁材和微膠囊化方法的選擇對消化特性的影響

微膠囊的壁材組成和結構會對其所包埋功能性物質的消化吸收效果起到?jīng)Q定性的作用。Zhang Zhiqiang等[37]研究表明，使用單寧酸作為交聯(lián)劑時，明膠-阿拉伯膠的交聯(lián)作用對所包埋的異硫氰酸烯丙酯的釋放有減緩作用，在模擬胃環(huán)境中其釋放量顯著少于未使用單寧酸交聯(lián)的微膠囊，當轉入模擬腸消化液后，芯材的釋放速度有所加快。Wang Jingya等[38]使用鄰苯二甲酸羥丙基甲基纖維素作為壁材，包埋茶多酚制備微膠囊，結果表明，茶多酚在模擬腸消化液中的消化釋放速率比模擬胃消化液中消化釋放速率大，作者認為這一結果證明了鄰苯二甲酸羥丙基甲基纖維素是一種腸溶性的材料，腸道環(huán)境可以更快地使其分解并促使芯材釋放。Pinheiro等[32]研究了與乳鐵蛋白形成多層微膠囊壁材的海藻酸鈉對姜黃素微膠囊消化的影響，結果顯示，海藻酸鈉層的增加可以有效控制油脂的釋放速率，從而減緩姜黃素的釋放速率，該作者認為這是由于海藻酸鹽對乳鐵蛋白具備一定保護作用，從而一定程度上抑制了消化酶對乳鐵蛋白的分解，進而減緩了姜黃素的釋放。Gómez-Mascaraque等[39]研究了玉米醇溶蛋白和乳清分離蛋白作為壁材制備的微膠囊對芯材β-胡蘿卜素釋放的影響，結果表明微膠囊化有效地提高了芯材的體外消化性能和生物利用率，并且超聲處理有助于提高乳清分離蛋白作為壁材時的包埋率，但該處理對玉米醇溶蛋白無效。Gómez-Estaca等[40]則使用明膠包埋制備姜黃素微膠囊，研究發(fā)現(xiàn)包埋后的姜黃素分散性能和生物利用率均得到很大提升，分別提高到原來的38.6 倍和11.3 倍，并且姜黃素的穩(wěn)定性在一定范圍內(nèi)與pH值呈負相關；因此與胃部環(huán)境相比，腸道環(huán)境更適合姜黃素形成具有抗氧化活性的衍生物形式。

2.2 其他因素對消化特性的影響

食品基質的選擇會影響微膠囊的消化效果，不同食品基質中的成分會與微膠囊發(fā)生不同程度的相互作用。Donhowe等[41]比較了3 種不同方法制備的β-胡蘿卜素微膠囊在布丁與酸奶這兩種食品基質中的體外釋放率和生物利用率，結果表明，市售的水溶型β-胡蘿卜素微膠囊相對于麥芽糊精包埋或殼聚糖-藻酸鹽復合凝聚包埋制得的微膠囊具有更好的釋放效果；食品基質的存在會降低β-胡蘿卜素的釋放率和生物利用率，前者的釋放率達到92%，而后兩者分別僅為59%和5%，處于酸奶基質中的微膠囊的釋放效果稍遜于其在布丁基質中的釋放，該作者認為這是酸奶作為食物基質在腸道中發(fā)生凝結導致的。

微膠囊顆粒的大小也對消化有著顯著的影響。Liu Fuguo等[42]用乳鐵蛋白和綠原酸、葡聚糖以不同的組合方式進行復合凝聚，其中，綠原酸-乳鐵蛋白-葡聚糖形成的三元復合凝聚壁材的微膠囊的生物利用率高于乳鐵蛋白-綠原酸、乳鐵蛋白-葡聚糖這兩種二元復合凝聚壁材產(chǎn)品，也高于單獨使用乳鐵蛋白作為壁材的產(chǎn)品，該作者認為這是由于三元壁材的微膠囊粒徑相對較小，具有較高的表面積，導致脂質消化以及混合膠束的形成相對較快，從而賦予了產(chǎn)品較高的生物利用率。

3 結 語

微膠囊技術在近些年發(fā)展迅速，在諸多領域成為研究的熱點和焦點。微膠囊產(chǎn)品的應用范圍正在迅速擴大，在食品、藥品、化妝品、印染等諸多領域都具有良好的發(fā)展前景和巨大的發(fā)展空間。以油脂為代表，多種化學性質不夠穩(wěn)定的物質都可以通過微膠囊化增強其穩(wěn)定性從而延長其貯藏時間，并且可以進行定向釋放。微膠囊的消化過程對于其芯材的作用和功效發(fā)揮至關重要，本文綜述了微膠囊的組成和結構等性質對于其芯材的釋放和生物利用率的影響。

微膠囊的壁材和微膠囊化方法的選擇對于消化的效果影響巨大。除了壁材種類的選擇，諸多導致壁材發(fā)生物理或化學變化的處理方法都會影響微膠囊在胃部和腸道的消化性能，微膠囊化過程中各步驟間的組合、操作參數(shù)乃至操作的先后順序都會導致微膠囊消化性能的改變。此外，消化液pH值等環(huán)境參數(shù)、產(chǎn)品的粒徑、承載基質的選擇都可能會對微膠囊的消化過程造成影響，進而改變所包埋物質的生物利用率。

近期，包埋有功能性成分的微膠囊在消化過程中的定向釋放和功能發(fā)揮正在成為功能性食品領域的主要研究方向之一，但是目前微膠囊定向釋放的精準性尚有待提高。因此未來的研究方向將會著力于以下幾個方面：1）新型復合壁材的開發(fā)：現(xiàn)有的常用蛋白質或多糖，其單獨或兩三種復合構成的微膠囊壁材在功能的挖掘和拓展上有著較大的局限，一些新型動植物資源或者高分子合成材料間的復合使用在微膠囊芯材的精準投放上被寄予很大希望，一些新型資源與現(xiàn)有傳統(tǒng)材料間的配合使用也逐漸展現(xiàn)出很大的發(fā)展?jié)摿Γ?）壁材改性技術的深度拓展：現(xiàn)有的物理、化學及生物改性方法對于微膠囊壁材的性能改良大多停留在宏觀層面，而定向釋放涉及到微觀層面，針對現(xiàn)有壁材的更為精細化的改性方法和技術尚需要繼續(xù)拓展和發(fā)掘；3）微膠囊結構的精細化：精密的結構能夠實現(xiàn)更為復雜的功能，而目前的微膠囊的結構大多相對簡單，常見的復合壁材層與多層包埋均不能滿足芯材高精度定向釋放的需求，與精密儀器等領域相比，微膠囊產(chǎn)品的結構精細化尚待提升，這不僅需要食品學科研究人員的努力，更需要材料、機械等相關學科的通力配合；4）載體成分的選擇：現(xiàn)有功能性物質載體成分的選擇大多基于互溶性，而對精確定向釋放以及生物利用率提升的考量并不多，選擇適合于特定待釋放物質的載體成分，有助于微膠囊壁材層解散后該物質的功能實現(xiàn)；5）食品基質成分的選擇：食品基質成分對于在整個消化過程中調節(jié)微膠囊所處的微環(huán)境十分重要，同載體成分一樣，針對性的基質成分的選擇有助于特定功能的實現(xiàn)，這同樣有待于食品學科研究人員和醫(yī)藥等諸多相關學科研究者的深度協(xié)作。