納米噴霧干燥法制備食品生物活性成分微膠囊研究進展

冉歡,夏曉霞,趙吉春,雷小娟,李富華,曾凱芳,2,明建,2*

1(西南大學 食品科學學院,重慶,400715)2(西南大學 食品貯藏與物流研究中心,重慶,400715)

隨著人們生活方式的改變以及肥胖、癌癥、糖尿病等慢性病患病率的增加,近年來功能性食品已受到越來越多關注。一些生物活性成分,如酚類化合物、類胡蘿卜素、必需脂肪酸、礦物質和維生素等,由于對加工和環境條件高度敏感,包括溫度、氧氣、水分和pH,如果直接添加到食品和營養補充劑中,容易在加工和儲存過程中降解。另一方面,大多數生物活性成分都會對食品感官帶來不利影響,如產生苦味和難聞的氣味[1]。同時上述生物活性成分會與食物基質中其他成分(如蛋白質、脂質和多糖)相互作用,降低其生物利用度[2]。此外,生物活性成分在在進入胃腸道的過程中會發生降解,因此只有一小部分生物活性成分可以成功地輸送到身體的各個器官和細胞中[2]。因此,僅通過純生物活性成分的富集強化來生產功能性食品是不合理的。

制備微膠囊是包埋生物活性成分的常用方式。對于一些包埋相對較大粒徑的特定應用,如粒徑范圍在1～5 μm的益生菌,噴霧干燥技術已被證明非常有效[3]。然而,在要求制備更小粒徑、更強穩定性、更高生物利用度的微膠囊產品中,傳統的噴霧干燥技術受到限制。為了滿足這些特性,開發了新型納米噴霧干燥(nanometer spray drying,NSD)技術。與傳統的微膠囊相比,納米微膠囊在不同特性(包括抗菌活性)以及溶解和吸收方面表現出顯著增強,從而大大提高了生物活性成分納米膠囊的生物利用度。目前已報道了NSD制備酚類化合物[4]、維生素和礦物質[5]、類胡蘿卜素[6]、必需脂肪酸和功能油[7]、蛋白質[8]等的研究。論文綜述了NSD的原理流程和NSD與傳統噴霧干燥的區別以及制備不同生物活性成分納米微膠囊的應用,總結了NSD制備納米微膠囊的優點,并對NSD發展前景進行了展望。

1 NSD簡介

1.1 傳統噴霧干燥

傳統噴霧干燥是將料液吸入干燥腔內通過噴嘴進行霧化,該料液含有作為溶質或懸浮液包埋的生物活性成分,其中溶劑通過熱空氣流快速蒸發,將小液滴轉化為固體顆粒,最后從旋風收集器分離出出口空氣并收集干顆粒[9]。傳統噴霧干燥的結構及工藝流程如圖1所示。

圖1 傳統噴霧干燥結構以及流程示意圖[10]Fig.1 Structure and flow diagram of traditional spray drying[10]

傳統噴霧干燥因其具有的靈活性、低維護性以及易操作性被廣泛用于化學、食品和制藥行業,但面對一些要求更小粒徑、更窄分布、對生物活性成分進行精準控制傳遞以及定制產品的設計應用中,傳統噴霧干燥往往達不到預期效果。

1.2 NSD的原理及流程

NSD原理與傳統噴霧干燥相似,但在結構上有所差異:如圓柱形干燥室、產生噴霧的霧化器、在干燥氣體中誘導層流的多孔金屬泡沫以及靜電粒子收集器[11]。NSD結構及工藝流程如圖2所示。

圖2 NSD結構以及流程示意圖[10]Fig.2 Structure and flow diagram of NSD[10]

NSD的流程可分為3步:(a)通過噴霧振動網霧化形成液滴。液體物料由進料泵送入噴頭后,壓電驅動致動器會產生細密的液滴噴霧。圖3顯示了NSD中使用的噴霧振動網示意圖。基于網格的液滴生成系統由一個包含不銹鋼膜的小帽組成,該不銹鋼膜具有精確排列的微米大小的孔(4.0、5.5或7.0 μm)[9]。(b)干燥氣體中液滴的干燥和干燥顆粒的形成。液滴與加熱氣流在干燥腔內進行層流(防止出現湍流),溶劑快速蒸發形成干燥顆粒。(c)干燥顆粒的分離和收集。干燥腔底部存在高壓電場,該電場由2個電極組成:中心的星形陽極和干燥室側壁的圓形陰極。當干燥的納米顆粒向下移動時,會向高壓電場中央陽極充電并移動聚集到周圍的陰極。分離和收集納米顆粒效率可達99%以上。最后,干燥氣體離開干燥腔,可從收集器表面輕輕刮下干燥的納米顆粒,以進行表征和利用[10]。

圖3 用于在納米噴霧干燥器中生成液滴的噴霧網示意圖[10]Fig.3 Schematic diagram of the spray screen used to generate droplets in the nano spray dryer[10]

1.3 NSD的影響因素

不同工藝參數和條件會對NSD的產量、包埋率、粒徑、釋放曲線、穩定性和形態造成影響,表1概述了NSD的主要工藝參數及其對最終粉末性能的影響。每個箭頭的粗細說明了影響的強度。控制NSD最終粒徑的關鍵參數是噴霧孔徑、進料濃度和振動網頻率。較小的噴霧網孔徑會產生較小的液滴,從而有利于更小粒徑產品的生成[8, 12]。多項研究表示稀釋溶液可得到粒徑較小的最終產品。通常當固體濃度控制在1.0～10.0 g/L時,可以產生小于100 nm的亞微米固體顆粒[13]。振動網在不同頻率的壓電致動器驅動下可以從中等到高范圍內調控,從而分別形成較大或較小尺寸的液滴[9]。

表1 NSD中主要參數的影響[13]Table 1 Influence of main parameters on NSD[13]

1.4 傳統噴霧干燥與NSD的區別

表2比較了傳統噴霧干燥與NSD的主要特性。傳統噴霧干燥的產量有限,在實驗室規模上每次最多僅達到50%～70%的產量[14]。此外,每次試驗需要至少30 mL液體樣品。在NSD中,少量的料液(2 mL)就可以進行試驗。當制備產品需要使用昂貴的材料時,這一點尤其重要,例如早期開發階段的藥物配方[8]。此外,與傳統噴霧干燥相比,NSD制備的顆粒尺寸更小,作用在粒子上的重力效應不顯著。因此,需要靜電分離系統來捕捉粒子以獲得更高的產量。靜電分離系統由2個電極、1個圓柱形陽極和1個接地陰極組成。在干燥過程中,電極之間施加的高壓產生靜電場,加速帶負電粒子并將其吸引到電極表面。放電過程結束后,顆粒從壁上分離,落在圓筒后收集[9]。

表2 傳統噴霧干燥與NSD的主要區別[13]Table 2 Main differences between traditional spray drying and NSD[13]

2 NSD制備不同生物活性成分納米微膠囊的應用

NSD在食品工業中用于制備具有生物活性和營養特性的納米微膠囊,同時也可以作為干燥的一種方法。如前面所述,選擇合適的壁材不僅可以達到較高的包埋效率還有利于維持微膠囊的穩定性。溶解性、黏度和吸濕性是選擇壁材時應考慮的重要因素。此外NSD還可用于干燥材料以及生物聚合物,對于某些活性分子,可無需使用壁材[9]。目前已報道的利用NSD包埋的生物活性物質有酚類化合物[4]、類胡蘿卜素[6]、維生素和礦物質[5]、蛋白質[8]等。

2.1 酚類化合物

多項研究表明,碳水化合物和蛋白質是酚類化合物的良好壁材,能夠通過NSD制備納米微膠囊(表3)。當酚類化合物在水中的溶解度較低時,需要使用有機溶劑來增加其溶解度。DEL GAUDIO等[4]研究了NSD包埋大豆異黃酮提取物(soybean isoflavone extract,SIE)的能力,表明在乙醇溶液中使用羧甲基纖維素(carboxymethyl cellulose,CMC),可以以獲得平均尺寸為550 nm、包埋率在78%～89%的SIE負載納米微膠囊。 結果表明,SIE納米微膠囊顆粒通過膜的滲透性大大增強,是純SIE提取物原料的10倍。同時對于水溶性較低的酚類化合物如姜黃素,可以通過先制備納米分散乳液再進行NSD。WANG等[15]發現使用酪蛋白酸鈉(NaCas)和果膠使姜黃素穩定,形成固體脂質納米粒(solid lipid nanoparticles, SLN)和納米結構脂質載體(nanostructured lipid carriers,NLC),然后通過NSD將所得脂質膠體干燥為固體粉末。 結果表明,涂層和交聯工藝改善了NSD工藝,從而使制得的微膠囊顆粒分布更加均勻,粒徑更小。除交聯外,在NSD前使用不同pH值加熱的多層系統也有助于穩定和獲得均勻的納米微膠囊顆粒。綜上所述,選擇合適的壁材以及采用在干燥步驟之前制備納米分散體乳液可以改進NSD工藝,提升酚類化合物納米微膠囊的穩定性。

表3 NSD制備的酚類化合物納米微膠囊的應用Table 3 Application of phenolic compound nanocapsules prepared by NSD

2.2 維生素和礦物質

維生素分為脂溶性維生素和水溶性維生素,根據其溶解性,可選用不同的方法及壁材制備NSD微膠囊(表4)。PéREZ-MASI等[24]發現水溶性維生素葉酸可使用乳清蛋白濃縮物(whey protein concentrate, WPC)和抗性淀粉(resistant starch, RS)作為壁材進行NSD,獲得包埋率分別為83.9%和52.5%的納米微膠囊顆粒。這2種壁材都提高了葉酸穩定性,并且WPC壁材可獲得更高的穩定性及包埋率;對其形態和粒徑進行表征發現兩者都可以獲得均勻的球形顆粒,但在制備RS基納米微膠囊顆粒時出現了一些團聚現象。WANG等[5]研究發現,通過高速均質將脂溶性維生素D3和E乳化在納米乳液(使用薄荷油)中,在連續均質的條件下與溶解在果膠溶液中的水溶性維生素(維生素B3、B6、B12和C)和礦物質(檸檬酸鈣、檸檬酸鎂、檸檬酸鉀和葡萄糖酸鋅)兩相混合形成納米復合離子,然后使用NSD和冷凍干燥機干燥,可得到球形顆粒和片狀聚集物成品。 結果表明,這種納米技術能夠同時將親水性和疏水性營養素以及礦物鹽納入單一產品中,得到具有良好分散性及抗氧化活性的產品。綜上所述,使用較高濃度的生物聚合物基質(NaCas或果膠)作為維生素和礦物質的壁材制備NSD納米微膠囊,有利于獲得尺寸更小的顆粒及更光滑的表面。

表4 NSD法制備維生素和礦物質納米微膠囊的應用Table 4 Application of nano microcapsules of vitamins and minerals prepared by NSD

2.3 類胡蘿卜素

類胡蘿卜素作為維生素A的前體物,具有降低退行性疾病和肥胖風險的功能,廣泛用于食品工業的不同用途(例如作為抗氧化劑或著色劑)[28]。由于類胡蘿卜素在加工和儲存過程中高度不穩定,可采用NSD制備納米微膠囊以提高其穩定性(表5)。KYRIAKOUDI等[6]以麥芽糊精為壁材,制備了含有藏紅花親水性類胡蘿卜素提取物(番紅花苷和苦杏仁苷)的納米微膠囊。 結果表明,芯壁比和抗氧化劑(咖啡酸)的含量呈正相關;更小尺寸的篩網制得的納米微膠囊顆粒表面更加光滑并且呈均勻的球狀,同時NSD制備的納米微膠囊提高了苦杏仁苷和番紅花苷的穩定性及生物利用度。HU等[29]采用硬脂酸-殼聚糖共軛物和NaCas通過離子凝膠法制備了直徑為120 nm的蝦青素的納米微膠囊。體外細胞研究表明,與游離蝦青素相比,蝦青素納米微膠囊顆粒無細胞毒性,具有良好的給藥率且抗纖維化作用得到顯著改善。綜上所述,NSD制備的生物聚合物納米顆粒作為類胡蘿卜素的口服給藥載體具有良好的特性,但應進行進一步的體內試驗,以確保納米微膠囊化合物具有更高的生物利用度。

表5 NSD制備的類胡蘿卜素納米微膠囊的應用Table 5 Application of carotenoid nanocapsules prepared by NSD

2.4 必需脂肪酸和功能油

必需脂肪酸作為一種高氧化性物質,需要對其進行穩定化處理以延長儲存貨架期。研究發現,采用不同的干燥方法對納米乳液進行干燥,其制備得到的產品結構會發生改變(表6)。NUNES等[7]制備了ω-3包裹的乳鐵蛋白(lactoferrin, Lf)基納米乳液,并通過NSD和冷凍干燥進行干燥,結果發現,經NSD干燥的Lf納米微膠囊顆粒光滑且清晰,而冷凍干燥會形成片狀結構。同時與冷凍干燥相比,經NSD干燥后Lf的二級結構發生了顯著變化,這個原因可能是與冷凍干燥相比,NSD制備納米微膠囊過程中使用了較高的溫度。WANG等[31]發現不同的多糖(果膠、阿拉伯樹膠、海藻酸鈉、CMC和卡拉膠)可以制備SLN和NLC乳液,再通過NSD將脂質膠體轉化為納米微膠囊顆粒。根據NLC制備過程中多糖和油(室溫下液體)的使用量,干燥后的納米微膠囊顆粒呈現不同的尺寸和形態。 結果表明,與NLC獲得的顆粒相比,0%油酸(SLN)會產生更多的團聚顆粒,且顆粒間嚴重聚集。此外,用于包埋NLC的多糖類型也會影響最終納米微膠囊的形態,當使用角叉菜膠時,干燥后的顆粒呈現出球形且分散良好的粉末,其次是果膠、海藻酸鹽、CMC和阿拉伯膠。綜上所述,制備包埋有必需脂肪酸和功能油納米微膠囊時,可以先采取制備納米乳液再進行在NSD干燥,從而獲得形狀均勻,分散性良好的固體顆粒。

表6 NSD制備的必需脂肪酸和功能油納米微膠囊的應用Table 6 Application of nano microcapsules of essential fatty acids and functional oils prepared by NSD

2.5 蛋白質

蛋白質和肽在加工和儲存過程中易受到外部因素的影響,同時由于其獨特的化學結構,還易受到某些微生物的影響從而導致降解。為了提高蛋白質和肽的穩定性,可以將其干燥成具有更高穩定性的固態蛋白質和肽顆粒,如表7所示。BOURBON等[34]使用NSD干燥蛋白質納米水凝膠,并表明NSD工藝不會影響蛋白質納米水凝膠的性質、結構和形態。研究發現,添加海藻糖作為穩定劑制備的β-半乳糖苷酶納米微膠囊顆粒,會受到進口溫度、噴霧帽膜孔徑和噴霧溶液中乙醇含量的影響[35]。結果顯示,入口溫度及入口溫度與NSD振動網孔徑大小的交互作用對酶活性有顯著影響,不同的噴霧振動網孔徑和乙醇含量會影響納米微膠囊的顆粒尺寸;當不使用乙醇進行NSD和使用較大的噴霧帽尺寸時,蛋白質表現出較高的儲存穩定性。

蛋白質不僅可以被包埋,還可以作為制備其他生物活性物質納米微膠囊的壁材。有研究發現,以牛血清白蛋白(bovine serum albumin, BSA)作為載體,將蘆丁溶于乙醇、水、表面活性劑的混合物中再進行NSD干燥,可以制備含有蘆丁的BSA納米微膠囊顆粒[27]。 結果表明,優化后的NSD工藝條件產生了平均粒徑為316 nm的球形顆粒,Zeta電位為-32 mV,包埋率約32%。此外,測定ABTS陽離子自由基的抗氧化活性發現納米微膠囊中蘆丁的IC50是游離蘆丁的2倍,說明NSD可適用于生產具有潛在抗氧化活性的蘆丁負載BSA納米粒子。此前LEE等[8]的實驗也驗證了此觀點。綜上所述,NSD作為一種可行的干燥蛋白質方法,不會影響蛋白質的主要結構。但同時還需要學者進一步研究以確保原材料不會因之前的提取、分離或干燥步驟而出現任何結構變化,從而掩蓋NSD在制備蛋白質納米微膠囊工藝的影響。

表7 NSD制備的蛋白質納米微膠囊的應用Table 7 Application of protein nanocapsules prepared by NSD

2.6 精油和香料

精油和香料在食品工業中被用于不同的用途,盡管它們主要用于改善食品的感官及風味,但它們也常被用作食品防腐劑。由于其具有易揮發的化學特性,精油和香料在儲存運輸過程中極易損失。因此為了減少損失,NSD包埋精油和香料類物質已受到越來越廣泛的關注(表8)。研究發現,NSD干燥由天然食品級乳化劑阿拉伯膠和卵磷脂制備的丁香酚油納米乳液,可以得到比傳統噴霧干燥粒徑(10～25 μm)小的多的納米微膠囊顆粒(0.2～0.5 μm)[14]。與冷凍干燥獲得的片狀聚集物相比,NSD制得的顆粒表面光滑,呈均勻的球形,并且乙醇作為共表面活性劑,可以使顆粒表面更加光滑。在水中分散后,NSD干燥的丁香酚納米微膠囊顆粒仍然保持其理化性質。VENERANDA等[37]發現丁香酚還可以被包埋在由酪蛋白、玉米醇溶蛋白和NaCas制成的膠態復合納米粒中,再使用NSD進行干燥制備的到納米微膠囊顆粒。結果顯示,NaCas在NSD干燥過程中對粉末樣品的形態有著重要影響,未使用NaCas制備的納米微膠囊顆粒呈現出大小為1～3 μm的不均勻環裝粉末顆粒,而添加NaCas后干燥納米微膠囊成球形均勻顆粒,粒徑分布為1～1.5 μm。綜上所述,利用NSD技術將精油類膠體納米乳液轉化為固態粉末顆粒,能夠使產物以粉末形式長期儲存,在食品工業中具有廣泛的應用前景。

表8 NSD制備的精油和香料納米微膠囊的應用Table 8 Application of nano microcapsules of essential oil and perfume prepared by NSD

2.7 其他食品成分

其他食品成分如鹽、碳水化合物和低聚糖等,都可以通過NSD制備納米微膠囊(表9)。研究發現,納米NaCl顆粒由于有比微米NaCl顆粒更大的表面積,可以在減低食品的含鹽量的同時增加鹽度感知。MONCADA等[38]將平均粒徑為1～500 μm的普通鹽、平均粒徑為15 μm的微粉鹽和平均粒徑為1.5 μm的NSD納米微膠囊鹽加入了奶酪餅干研究其理化特性。 結果表明,NSD制備的NaCl納米微膠囊顆粒增加了奶酪餅干中的咸度,減少了25%～50%的含鹽量,而且沒有影響餅干的感官和理化性質。

表9 NSD制備的其他食品成分納米微膠囊的應用Table 9 Application of nano microcapsules of other food ingredients prepared by NSD

3 結論

NSD因其具有的不同于傳統噴霧干燥的和超聲波霧化器噴嘴和靜電分離裝置,可以包埋酚類化合物、維生素和礦物質、類胡蘿卜素、必需脂肪酸和功能油、蛋白質、精油和香料以及其他食品成分,使得制備的納米微膠囊顆粒具有以下優點:(1)需要的料液少;(2)制得到的顆粒粒徑更小,表面呈更均勻的球形;(3)具有更高的穩定性,不會影響被包埋物質的理化性質,有利于運輸和儲存;(4)表面體積比大,有利于提高負載成分的效率和生物利用度。但同時NSD也存在著應用規模小,大多集中在實驗室和研究機構的局限,使制備得到的相關產品難以大規模商業化生產。這就需要研究者對NSD進行進一步研究,使之達到中試甚至工業化的規模。