劉海容， 徐 冉， 劉愛榮， 趙由才

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院1，上海 200092) (上海污染控制與生態(tài)安全研究院2，上海 200092)

大豆分離蛋白(SPI)是豆油工業(yè)的副產(chǎn)品脫脂豆粕經(jīng)水浸提并低溫離心后，從離心上清液中回收精煉得到的產(chǎn)品[1]。工業(yè)生產(chǎn)的大豆分離蛋白，蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于90%，常用于動(dòng)物飼料和食品補(bǔ)充劑，常因其蛋白質(zhì)含量高、功能特性好而被認(rèn)為是豆類蛋白中最典型的代表。大豆分離蛋白的生產(chǎn)、開發(fā)與應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化研究最早開始于美國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家[2]。20世紀(jì)80年代初，我國(guó)開始生產(chǎn)大豆分離蛋白，并將其作為一種高功能食品添加劑廣泛應(yīng)用于食品行業(yè)。二十一世紀(jì) “白色污染”問題的出現(xiàn)，大豆分離蛋白也因價(jià)格低廉、資源豐富而被學(xué)者們用于探索天然可降解材料代替石化塑料應(yīng)用的可能性。近年，大豆分離蛋白薄膜已廣泛應(yīng)用于食品包裝等領(lǐng)域[3]。

微膠囊技術(shù)由于其對(duì)生物活性物質(zhì)的保護(hù)和控釋性能，在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用頗多。良好的壁材能夠使芯材具有更好的生物利用度，保護(hù)芯材不受外部環(huán)境因素的損害從而延長(zhǎng)芯材的半衰期，實(shí)現(xiàn)芯材的控制釋放[4]。選擇合適的壁材是微膠囊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心步驟。壁材的選擇在材料具有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度、溶解度、流動(dòng)性、乳化性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，更取決于芯材種類與應(yīng)用目的。材料的多樣性也使得壁材的選擇更加多元化，越來越多的復(fù)合壁材被用于微膠囊的包埋，以彌補(bǔ)單一壁材的缺點(diǎn)。大豆分離蛋白因資源豐富，又具有一定的乳化性、阻氧性和凝膠性，是潛在的微膠囊壁材。在實(shí)際應(yīng)用過程中，常常使用復(fù)合壁材或?qū)⑵涓男砸詮浹a(bǔ)大豆分離蛋白在機(jī)械性能方面的不足，并進(jìn)一步提升其在其他性能的表現(xiàn)。

1 大豆分離蛋白的特性

溶解性和黏度影響大豆分離蛋白在乳化、凝膠等方面的表現(xiàn)。其在溶液介質(zhì)中的溶解性和黏度與各組分的含量、溶液的溫度、鹽的種類以及離子強(qiáng)度相關(guān)。大豆分離蛋白溶液的實(shí)際制備過程中，需要調(diào)節(jié)pH、溫度、質(zhì)量濃度和離子強(qiáng)度，從而控制溶液的溶解度和黏度。

大豆分離蛋白分子結(jié)構(gòu)的水油兩親特性使其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)疏水性芯材的包埋。蛋白質(zhì)可以通過吸附油脂減少界面張力，從而達(dá)到穩(wěn)定油滴，防止聚集，形成均一乳狀液的目的。

大豆分離蛋白的親水肽鏈?zhǔn)蛊渚哂休^好的水分保持能力，表現(xiàn)出吸水、持水和膨潤(rùn)的特性[5]，受溶解性、黏度和凝膠性的影響。但過高的吸水性和保水性將影響微膠囊的保質(zhì)期。

大豆分離蛋白溶液可經(jīng)處理后變性，將不可逆的聚集成規(guī)則的蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，即為凝膠。蛋白質(zhì)含量越高，所形成的凝膠越密實(shí)，彈性和韌性越好，對(duì)芯材的保護(hù)能力也就越強(qiáng)[5]。獨(dú)特的四級(jí)結(jié)構(gòu)使其可以在不同的位置成鍵，因此蛋白質(zhì)基膜相比于脂類和多糖，在阻氧和二氧化碳領(lǐng)域，具有更好的氣體阻隔性能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)囊內(nèi)芯材更好的抗氧化保護(hù)[6]。

大豆分離蛋白有一定抑菌性。推測(cè)β-大豆伴球蛋白上甘露糖結(jié)構(gòu)的存在，是大豆分離蛋白抑菌特性的主要原因[7]。這種特性為大豆分離蛋白作為微膠囊壁材增加了應(yīng)用潛力。

2 大豆分離蛋白微膠囊的制備方法

制備獲得大豆分離蛋白微膠囊的技術(shù)已有多種，此處介紹最常見的3種制備方法。

噴霧干燥是將霧化的噴霧通過高溫氣體介質(zhì)，一步將溶液、懸浮液或乳化液轉(zhuǎn)化為干粉的過程，包括噴霧冷凍干燥、超臨界噴霧干燥、納米噴霧干燥、超聲輔助噴霧干燥等等，是目前最常見的微膠囊制備方法之一[8]。自1860年以來，已經(jīng)在食品和制藥行業(yè)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。噴霧干燥法的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品性質(zhì)均一穩(wěn)定、含水量低、加工時(shí)間短且可連續(xù)、工藝簡(jiǎn)單靈活、成本低廉、可用于大規(guī)模生產(chǎn)。但噴霧干燥法的缺點(diǎn)在于粉末的粒徑和性能難以控制，干燥過程可能會(huì)導(dǎo)致部分生物活性物質(zhì)的損失[9]。

凝聚法是最常用的物理化學(xué)法之一，也可稱為相分離法。根據(jù)聚合機(jī)理的不同，可分為單凝聚法和復(fù)凝聚法，并以復(fù)凝聚法使用居多。凝聚法的原理是通過添加助劑使得溶液環(huán)境(pH、離子強(qiáng)度、溫度等)發(fā)生改變，導(dǎo)致溶液中的高分子聚合物析出，在其沉積過程將囊芯包封在內(nèi)而完成封裝。單凝聚法通常只涉及單一聚合物，通過添加沉淀劑使壁材溶解度降低，芯材隨其一起析出而沉積得微膠囊，成本相對(duì)較高。復(fù)凝聚法具有負(fù)載率高、包封率高、工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以避免有機(jī)溶劑的使用且可用于非水溶性芯材的封裝，也可通過調(diào)整壁材的種類和比例進(jìn)行功能化設(shè)計(jì)。但復(fù)凝聚法高產(chǎn)率的條件較為嚴(yán)苛，對(duì)pH和離子強(qiáng)度的控制要求較高，常用攜帶相反電荷的蛋白質(zhì)和多糖作為封裝壁材[10]。

冷凍干燥是把所制備的乳化液或懸浮液冷凍至冰點(diǎn)以下，在低壓狀態(tài)下，將其中已經(jīng)凝為固態(tài)的水分直接升華轉(zhuǎn)為氣態(tài)除去的過程。冷凍干燥技術(shù)通常應(yīng)用于熱敏物質(zhì)的微膠囊封裝，能在保持生物活性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較為徹底的脫水。同時(shí)，由于干燥過程在低壓狀態(tài)下進(jìn)行，也能避免生物活性物質(zhì)同氧氣接觸發(fā)生氧化，對(duì)物質(zhì)的物化結(jié)構(gòu)影響極小[11]。但冷凍干燥存在成本高、制備時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中較少應(yīng)用，多用于實(shí)驗(yàn)室課題研究中。

3 大豆分離蛋白微膠囊的應(yīng)用進(jìn)展

大豆分離蛋白作為微膠囊壁材的應(yīng)用剛剛起步。表1為大豆分離蛋白微膠囊的研究進(jìn)展情況。從適合封裝的芯材種類分析，大豆分離蛋白及其復(fù)合微膠囊既可以封裝脂溶性芯材，也可以封裝水溶性芯材。在實(shí)際研究中，大豆分離蛋白多用于封裝油脂類芯材，包括含有易氧化成分的魚油、各類植物精油及籽實(shí)榨油等，其原因在于大豆分離蛋白對(duì)油脂和水分的良好吸附穩(wěn)定作用[12]。同時(shí)，大豆分離蛋白良好的成膜性和阻氧性，也能夠減少芯材所受空氣中氧氣的影響，減少油脂類芯材的氧化。此外，由于大豆分離蛋白具有人體可消化植物蛋白的特殊性，常用于封裝具有功能性的營(yíng)養(yǎng)成分，實(shí)現(xiàn)芯材在胃腸的緩控釋，減少芯材在胃酸環(huán)境中的損耗，如益生菌、微量元素等體額外營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充成分。李曉娣[13]以大豆分離蛋白為壁材使用單凝聚法對(duì)德氏乳桿菌進(jìn)行了封裝，所制備的微膠囊經(jīng)過模擬胃腸道系統(tǒng)處理，菌體濃度從1.4×1010CFU/mL下降到1.9×109CFU/mL，相同情況下裸菌菌體濃度從1.8×1010CFU/mL下降到2.5×105CFU/mL，表現(xiàn)出顯著的緩釋性能，使菌體濃度維持在作用濃度以上。

從壁材種類分析，復(fù)合壁材遠(yuǎn)多于單獨(dú)使用大豆分離蛋白。單一大豆分離蛋白的溶解度較低，所制備的微膠囊包埋率和產(chǎn)率都有限。為提升微膠囊的物化性能，通常采用對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行前處理或使用復(fù)合壁材2種手段，其中復(fù)合壁材應(yīng)用更廣，并以蛋白質(zhì)和多糖組合為主。多糖的添加會(huì)減輕蛋白質(zhì)粒的聚集問題，改善其溶解性和流動(dòng)性[14]。最常同大豆分離蛋白復(fù)合使用的壁材為麥芽糊精，其次為阿拉伯膠。兩者成本低廉且已在微膠囊領(lǐng)域有豐富的應(yīng)用歷史。海藻酸鈉良好的乳化性和膠凝性，其作為微膠囊壁材的應(yīng)用潛力正逐漸開發(fā)。此外，殼聚糖、果膠、魔芋膠等多糖受限于高成本，僅有少量研究用于開發(fā)功能性食品。Yuan等[15]使用殼聚糖和大豆分離蛋白封裝藻油。相同環(huán)境下，純大豆分離蛋白微膠囊的脂質(zhì)氧化產(chǎn)物在120 h時(shí)開始急劇上升，而復(fù)凝聚所得微膠囊脂質(zhì)氧化產(chǎn)物增加速度相對(duì)緩慢恒定，谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶固化復(fù)凝聚反應(yīng)后的微膠囊氧化穩(wěn)定性表現(xiàn)最好。

大豆分離蛋白無論作為單一壁材還是同其他壁材共同使用的情況都存在分子量高，對(duì)pH較為敏感等問題，因此常常使用乳糖、麥芽糊精和谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶對(duì)其進(jìn)行改性，以提高大豆分離蛋白在水溶液中的溶解度和乳化性，進(jìn)而提高微膠囊的包埋率。Zhang等[16]使用水解大豆分離蛋白和麥芽糊精的接枝產(chǎn)物對(duì)魚油進(jìn)行封裝，明顯提高了魚油的氧化穩(wěn)定性。在相同條件下儲(chǔ)存4周后，接枝產(chǎn)物制備的微膠囊中脂質(zhì)氧化產(chǎn)物丙醛的含量約為水解大豆分離蛋白微膠囊的38.2%，能夠有效減少魚油氧化分解。在實(shí)際微膠囊封裝過程中，應(yīng)用改性技術(shù)對(duì)大豆分離蛋白進(jìn)行預(yù)處理雖然比較少見，但已經(jīng)有很多嘗試，例如酶改性、熱改性、超聲改性、糖基化改性等改性技術(shù)，可以轉(zhuǎn)化應(yīng)用于微膠囊壁材的改性開發(fā)。但大豆分離蛋白改性對(duì)于微膠囊實(shí)際物化性能的改善機(jī)理仍續(xù)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究與探索。

從制備方法分析，應(yīng)用最廣泛的為噴霧干燥技術(shù)。冷凍干燥和復(fù)凝聚法由于生產(chǎn)環(huán)境要求和成本等問題而較少被使用。由于普通噴霧干燥過程中的高溫環(huán)境會(huì)使芯材發(fā)生較大損耗，噴霧冷凍干燥技術(shù)的應(yīng)用有待進(jìn)一步普及。海藻酸鈉作為復(fù)合壁材使用時(shí)，會(huì)根據(jù)海藻酸鈉和二價(jià)鈣離子的交聯(lián)凝膠性，使用擠壓法、內(nèi)源乳化凝膠法等方法制備，但該方法生產(chǎn)效率較慢，在實(shí)際生產(chǎn)中較為少見。近年由于技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，出現(xiàn)了諸如電噴涂等新型封裝技術(shù)。由于成本限制及規(guī)?；a(chǎn)要求，未來的微膠囊制備應(yīng)仍以噴霧干燥技術(shù)為主。

從功能用途分析，大豆分離蛋白微膠囊研發(fā)最常見于食品領(lǐng)域，主要用于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或香精等易揮發(fā)、易氧化成分的封裝，以提高目標(biāo)成分的氧化穩(wěn)定性，延長(zhǎng)貨架期。大豆分離蛋白微膠囊具有較好的阻氧性，因此在減少芯材氧化方面具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。Chen等[17]研究驗(yàn)證了大豆分離蛋白-姜黃素納米復(fù)合物在二甲基亞砜中的氧化自由基吸收能力(ORAC)約為純姜黃素的1.91倍。Zhou等[18]以大豆分離蛋白和麥芽糊精為壁材，采用噴霧干燥法制備了核桃油微膠囊。60 ℃的條件下儲(chǔ)存7 d后，核桃油的過氧化值約為微膠囊中核桃油的5.3倍，證明微膠囊成功提升了核桃油的氧化穩(wěn)定性。除用于提升芯材的氧化穩(wěn)定性外，大豆分離蛋白微膠囊最常用于實(shí)現(xiàn)芯材在胃腸環(huán)境下的緩控釋。Gaan等[19]制備的奇亞籽油-大豆分離蛋白微膠囊在儲(chǔ)存120 d后，微膠囊中油的過氧化氫值為初始的2.39倍，而相同條件下散裝油的過氧化氫值則為初始值的22.4倍。在體外消化實(shí)驗(yàn)中，奇亞籽油微膠囊在唾液、胃和腸階段的釋放比例分別為13.44%、3.69%和78.54%，實(shí)現(xiàn)了微膠囊的體內(nèi)控釋功能。

大豆分離蛋白同其他材料類似，作為壁材能起到隔絕外界環(huán)境，減少光、熱等不利環(huán)境影響的作用(見表1)。在降低芯材揮發(fā)氧化的同時(shí)，微膠囊制劑通過包封將油脂加工為易于加工運(yùn)輸?shù)墓腆w制劑，彌補(bǔ)液體芯材在加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存方面的不足。配合大豆分離蛋白的兩親特性，微膠囊技術(shù)能夠起到改善芯材水分散性，提高沖調(diào)性的作用。在包封芥末油、辣椒精油等具有刺激性氣味的芯材時(shí)，大豆分離蛋白微膠囊也能夠?qū)崿F(xiàn)減少揮發(fā)，掩蓋氣味的目的。Molina等[20]以大豆分離蛋白為壁材，采用噴霧干燥法對(duì)酪蛋白水解物進(jìn)行封裝，通過感官測(cè)試證明封裝能夠成功降低酪蛋白水解物的苦味。唐冬等[23]研究制備了以大豆分離蛋白和麥芽糊精為壁材的茶籽油微膠囊，使其具有較好的沖調(diào)性以滿足食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

表1 以大豆分離蛋白為壁材的微膠囊研究

4 結(jié)論及展望

大豆分離蛋白作為微膠囊壁材的優(yōu)勢(shì)在于兩親結(jié)構(gòu)使其可以同時(shí)封裝水溶性和脂溶性芯材，以及較好的阻氧能力能夠有效減少芯材物質(zhì)的氧化。作為來源廣泛，成本低廉的天然高分子材料，大豆分離蛋白微膠囊在食品、醫(yī)藥、農(nóng)藥領(lǐng)域產(chǎn)品都有著較大的發(fā)展前景。目前其已經(jīng)表現(xiàn)出在功能性食品領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿?，尤其是封裝有益脂肪酸方面已經(jīng)有了大量的嘗試。隨著微膠囊在醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，大豆分離蛋白由于其胃腸的緩控釋特性，可以參與口服腸道用藥等靶向給藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前其在給藥載體領(lǐng)域的發(fā)展嘗試仍然有所空缺。

大豆分離蛋白的應(yīng)用主要受限于其乳化性和溶解性，包埋成膜后的力學(xué)性能和水蒸氣阻隔性能表現(xiàn)不盡人意。復(fù)合壁材和改性技術(shù)的使用仍然相對(duì)局限。在復(fù)合壁材的種類上可以有更多嘗試，如同小分子糖、脂質(zhì)或其他蛋白質(zhì)進(jìn)行復(fù)合使用。大豆分離蛋白的前處理可以更多參考已有的蛋白質(zhì)改性手段，包括熱改性、超聲改性，協(xié)同復(fù)合壁材共同作用，達(dá)到增加微膠囊產(chǎn)率和包封率，改善微膠囊物化性能的目的。