DHA稳态化技术研究进展

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(1.北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,北京工商大学,北京 100048; 2.食品添加剂与配料北京高校工程研究中心,北京工商大学,北京 100048)

二十二碳六稀酸(Docosahexaenoic acid,DHA),分子式C22H32O2,分子量328.4,分子结构式见图1,属于ω-3 多不饱和脂肪酸。ω-3 脂肪酸是人类必需脂肪酸之一,具有预防心血管疾病、免疫调节等作用[1]。国内外众多研究表明,属于ω-3脂肪酸的DHA具有预防动脉硬化、冠心病[2];降低血压、胆固醇[3];改善视力[4];抗癌[5];抑制肿瘤[6-7]和促进婴幼儿发育[8-9]等重要的生理功能。DHA广泛地应用于食品、保健品等多个领域,具有良好的应用前景[10]。DHA主要有两个来源,一是通过浮游生物及藻类中生物合成[11],二是通过食物链积蓄于甲壳类、鱼类和海洋动物中[12]。目前在食品行业DHA的产品有婴幼儿食品、DHA保健食品、DHA强化食品等[13-15]。随着研究的不断深入,DHA的应用种类以及应用范围也在不断丰富。

图1 DHA分子式Fig.1 DHA formula

DHA自身结构存在六个双键,在光、氧气和热及金属元素等条件下容易氧化。在使用过程中常常由于它的不稳定性而受到限制[16]。DHA的氧化会造成自身功能成分的破坏、品质破坏、货架期缩短;氧化产物摄入体内会引发生理异常、危害健康;氧化过程中也会有不良风味产生,影响产品品质[2]。同时DHA藻油、鱼油与其他原料不易混匀,不利于储藏与应用。通常采用一定的方法和技术来提高DHA的稳定性,使其更好地发挥生理功能、丰富产品类别,改善人们的生活。本文对近年来国内外DHA稳态化常用的方法和技术按制得DHA稳态化产品的固态和液态形式进行分类总结,并展望DHA稳态化研究及应用的前景。

1 DHA固态稳态化技术

国内外常采用微胶囊技术将DHA制成固态形式稳态化体系,便于存贮、运输和工业化生产需要。微胶囊化是将微小的固体颗粒、液滴或气体等采用天然或合成高分子材料包埋,形成具有半透性或密封性的微胶囊(microcapsules,MC)的过程[17-18]。其中制备成DHA固态稳态化体系常用的方法是喷雾干燥法[19-22]和复合凝聚法[23-24]。

1.1 喷雾干燥技术

喷雾干燥技术首先制备DHA芯材和壁材混合,而后在干燥器内进行喷雾干燥。经过雾化后形成的雾滴与热干燥介质接触,进行热交换和质交换,工艺流程如图2[22]。该方法适合于疏水物质,效果随疏水性增强而增强[10]。优点:粒度小、溶解性好、成本低。缺点:颗粒不均、有空颗粒、挥发性物质损失、芯材在加热与氧气条件下易氧化、需要选择良好的壁材[25]。

图2 DHA喷雾干燥流程Fig.2 Spray-drying processing of DHA

目前研究结果显示,采用喷雾干燥技术制备DHA固态稳态化体系具有良好的包封率(>90%)。白春清等[20]采取喷雾干燥法制备藻油微胶囊,用环糊精空穴结构进行包埋,以包封率为指标进行优化,最后制备微藻油的包封率达到93.37%。吕军伟等[21]使用喷雾干燥法以大豆分离蛋白和麦芽糊精为壁材对藻油进行包埋,利用正交优化配方和工艺参数,得到微胶囊包埋率达92.8%。

有研究者对传统喷雾干燥进行条件优化和改良,获得更稳定的DHA稳态化体系。沈国辉等[22]利用喷雾干燥法制备DHA微胶囊粉末,对工艺条件进行优化,得到最佳工艺条件:喷雾干燥进风温度170 ℃、出风温度80 ℃、均质压力40 MPa、均质温度45 ℃。Vishnu等[24]采用喷雾干燥法制备沙丁鱼油DHA微胶囊,获得具有良好的氧化稳定性的微胶囊粉末。Jiménezmartín等[26]用喷雾干燥法制备鱼油微胶囊,研究表明多层乳液的包封效率和负载量比双层乳液效果好。

近年来,有学者通过研究喷雾干燥壁材,获得了包封性能更好的DHA稳态化体系。Chen等[27]采用喷雾干燥法研究不同壁材制备DHA微胶囊的特性,使用酪蛋白、葡萄糖和乳糖三种共同作为壁材制备的DHA微胶囊包埋率最高(98.66%)。Augustin等[28]采用黄油制备的副产品酪乳作为新的包封材料,利用喷雾干燥法制备鱼油DHA微胶囊,研究发现,与使用脱脂乳相比,使用酪乳可提高鱼油的包封性能。

1.2 凝聚技术

凝聚技术是一种在DHA稳态化研究中常采用的微胶囊技术之一。该方法用水溶性壁材包埋脂溶性材料,分为单凝聚法和复凝聚法[29]。单凝聚法是使用一种壁材制备。复合凝聚(Complex Coacervation)是指用两种带相反电荷的物质做包埋物,通过改变体系pH、温度或水溶液浓度,壁材组分间相互作用,凝聚析出,分离、固化后形成微胶囊[30-31]。复合凝聚法的工艺是壁材先溶解,加入芯材乳化,通过调节pH和温度等方法,使得带相反电荷的聚合物间发生静电作用，使壁材溶解度降低,从而包裹在芯材周围,形成微胶囊,工艺流程图如图3[32-33]。优点:载量高、对脂溶性芯材具有良好的延缓氧化及控制释放的功能[34-35]。缺点:工艺成本较高、能耗大、壳材料选择的局限性、固定化所用的固定剂多为醛类,在体内消耗过程会产生一定的毒性,限制在食品中的应用[20]。

图3 DHA凝聚流程Fig.3 Coacervation processing of DHA

为获得稳态化效果更优良的壁材和固化剂,目前研究集中于凝聚壁材、固化剂等对DHA稳态化的影响。孙昱[31]采用复合凝聚法包埋DHA,确定最佳壁材为明胶与阿拉伯胶,采用谷氨酰氨酶作为固化剂,并确定了最佳固化温度10 ℃,时间12 h。利用谷氨酰氨酶固化得到的DHA微胶囊产品有轻微的腥味,固化效果不能完全替代戊二醛。刘盛楠[32]通过复合凝聚法制备鱼油微胶囊,研究五种不同壁材,确定最佳为阿拉伯胶与明胶,微胶囊包埋后DHA保留率高达96.28%。董志俭等[36]采用复合凝聚法,使用明胶、桃胶为壁材,制备鱼油微胶囊,研究发现低温储存可以减慢氧化速率,在强酸碱条件下具有良好的氧化稳定性。

近年来,有学者对DHA固态稳态化产品的稳定性进行研究,采用添加抗氧化剂等新的方法来提高DHA固态形式微胶囊的稳定性。胡莉[37]采用复合凝聚法制备鱼油微胶囊,壁材为壳聚糖和阿拉伯胶,获得制备工艺,冷冻干燥后发现POV值增大,同时添加抗氧化剂VE可以有效抑制其氧化。Yang等[38]使用大豆分离蛋白与壳聚糖作为壁材,采用复合凝聚法构建DHA微胶囊,研究表明,与单一大豆分离蛋白相比,大豆分离蛋白与壳聚糖通过凝聚形成的微胶囊具有更高的包封率、更好的抗氧化性。Habibi等[39]采用复合凝聚法利用明胶、阿拉伯胶制备鱼油微胶囊,并将冷冻干燥微胶囊用于强化果汁,研究发现,微胶囊中鱼油的释放取决于存储时间,用0.07%的鱼油微胶囊强化果汁具有良好的可接受性。Xia等[40]使用脂肪酶水解鲚鱼油得到DHA、EPA浓缩物,并采用复合凝聚法制备DHA微胶囊,结果表明,经脂肪酶浓缩的微胶囊具有更高的强度与稳定性。

1.3 固态稳态化其他技术

1.3.1 包络结合法 包络结合法是在分子水平上的微胶囊方法,通常用β-环糊精作为包埋剂,主要利用其特殊的空腔结构形成微细稳定的固体包络物。优点:成本低、包合物吸湿性低。缺点:条件难以控制、载量低。苏阳等[41]以β-环糊精为壁材,利用包络结合法制备微胶囊,确定最优工艺为芯壁比1∶7,搅拌时间2 h,搅拌温度45 ℃,乳化剂用量0.3 g/g鱼油,此条件下包埋率为90.75%。张忠等[42]将藻油DHA作为芯材,利用制备的多孔淀粉包埋,优化结构后制备DHA微胶囊包埋率达到92.08%。

1.3.2 锐孔-凝固浴法 锐孔凝固浴法是利用微孔装置将鱼油和壁材混合加入凝固浴中凝聚固化。优点:方法简单、成本低。缺点:产品颗粒大。方承志等[43]采用锐孔法包埋鱼油,制得微胶囊颗粒包埋率为87.5%,氧化稳定性良好。黄美鹅等[44]采用锐孔法制备鳡鱼微胶囊,通过正交试验确定最佳工艺条件:海藻酸钠浓度1.5 g/100 mL,乳化剂0.5 g,制得微胶囊包埋率最高达97.27%。

1.3.3 冷冻干燥法 冷冻干燥法是乳状液通过升华从冻结中去除水分形成微胶囊的过程,配制的乳化液低温冻结后置于冷冻干燥装置中,通入氮气冷冻干燥[36]。优点:工艺过程对芯材损害小、芯材不易氧化。缺点:对设备要求高、工艺复杂。刘维维等[45]采用真空冷冻干燥制备微藻DHA粉末,外观呈乳白色,冻干后粒径为211 nm,均匀细腻。

2 DHA液态稳态化技术

将DHA制备成液态形式实现稳态化,推动DHA的应用范围,研制更新颖食品,丰富DHA食品的种类推动食品工业发展。

2.1 乳状液

乳状液是一种液体以液珠形式分散在另一种液体中,且两者不相溶,形成的具有一定稳定性的体系,一般由油相、水相和乳化剂构成[46]。制备工艺见图4。优点:乳状液可以将油包埋在水相当中,形成稳定均一的体系、对于开发液态产品应用方便。缺点:对稳态化壁材乳化性有一定的要求,长期放置会发生破裂、分层,易氧化,不便于储存。

图4 DHA乳状液制备流程Fig.4 Flow path of DHA emulsion processing

针对DHA液态形式的稳态化,目前国内已有的研究主要在乳化剂以及乳化工艺上。祝艳梅等[47-48]采用高压均质技术制备DHA乳液,制备O/W型乳液,改善水溶性,扩宽应用范围,结果表明乳状液可以延缓氧化;分别添加DHA乳状液、DHA油和DHA微胶囊于豆奶中,添加DHA乳状液的分散效果最好。李凯等[49]使用DHA和二十碳四烯酸为芯材,研究三种乳清蛋白壁材,制备得到粒径尺寸最小的乳状液。郑敏英等[46]用食品级Span系列乳化剂和羧甲基纤维素钠制备鱼油乳状液,研究工艺参数对鱼油乳液稳定性的影响,确定了最佳工艺,制备得到的鱼油乳状液形态均一、呈现典型剪切变稀流变行为,同时鱼油具有一定的粘弹性。何镇宏等[50]采用表面活性肽作为表面活性剂制备DHA乳状液,在浊度、粒径、Zeta-电位和流变学角度等优于Tween 80/丙三醇等其他表面活性制备的乳状液。

与此同时,国内外研究集中于DHA乳状液物理化学稳定性,通过采取新的技术、乳化剂、多种乳化剂结合,提高了DHA乳液的理化稳定性。李昕等[51]使用大豆多糖、乳铁蛋白,分别制备大豆多糖DHA乳状液、乳铁蛋白β-胡萝卜素乳状液,两者异型聚集可以改善乳状液的热变性与凝固性等。吕平[52]研究制备高稳定化的DHA藻油乳状液,优化得到制备条件,在此条件下乳状液保留率保持在 95.6%以上。黄明丽[53]使用酪蛋白酸钠和藻酸丙二醇酯为乳化剂，研究两者相互作用对鱼油乳液稳定性的影响,粒径等结果表明蛋白与多糖作用可以提高乳液稳定性,延缓氧化。桂任林等[54]使用蔗糖酯为乳化剂对藻油DHA包埋,确定最佳乳化条件:乳化剂添加量高于5%,pH>5,均质压力35 MPa,均质3次。

近年来,纳米技术在提高生物活性化合物递送等方面表现巨大潜力,纳米乳液在液态DHA稳态化技术的研究不断增加[55]。Zimet等[56]使用β-乳球蛋白和低甲氧基果胶制备DHA纳米微胶囊,微胶囊平均粒径为100 nm,可以有效抑制DHA氧化分解,具有良好的稳定性。Karthik等[57]采用吐温-40(T-40),酪蛋白酸钠(Na-ca)和大豆卵磷脂(SL)乳化剂制备DHA水包油纳米乳剂,在不同的储存条件下研究纳米乳液的物理化学稳定性,结果表明,T-40制备得到的纳米乳液显示更低的平均直径(148 nm),更好地保留纳米乳液的结构特征,过氧化值更低,具有更高的化学稳定性。

2.2 纳米脂质载体

纳米脂质载体在功能成分的研究方面具有广泛的应用,制备工艺流程见图5。脂质纳米载体分两类,第一代脂质纳米载体是室温下固态脂质,利用表面活性剂将成分包埋水相中。优点:更高的稳定性、包封率、载量。缺点:结晶高度有序最终降低活性成分包封率[58]。第二代脂质纳米载体是由两种脂质或固/液多种脂质经过加热后结晶制备而来。优点:添加液态油可以增加生物活性物质的溶解,同时形成无序结晶提高包封率和载量,降低储存过程泄露[59]。

图5 DHA纳米脂质载体工艺流程Fig.5 DHA nanostructured lipid carriers processing

目前纳米脂质载体在DHA稳态化中应用的研究集中于工艺条件及稳定性方面。徐弟等[60]采用高压均质法制备DHA纳米结构脂质载体,得到优化后的高压均质条件为均质压力80 MPa,循环次数5次。DHA纳米结构脂质载体在1个月内具有良好稳定性。胡本涛[61]对藻油DHA进行包埋,研究得到DHA脂质纳米颗粒最佳制备工艺,并对理化性质进行分析,同时在婴儿液态配方仿制乳品添加DHA脂质纳米颗粒,发现具有良好的感官和稳定性。

3 展望

目前针对DHA功能性油脂的稳态化技术已有一定的研究水平,DHA固态和液态形式稳态化产品在一定程度上均可实现DHA高包埋率和一定的稳定性,可以延长食品的保质期或货架期。不同的方法对DHA包埋壁材都有一定的要求,固态和液态稳态化方法都存在一定的局限性,喷雾干燥法、乳状液氧化稳定性差;凝聚技术、冷冻干燥法成本高;锐孔凝固浴法产品颗粒大等。近年来,DHA稳态化的研究大多集中于对工艺、壁材、乳化剂和DHA稳定性。目前市场上有关DHA的产品也在不断丰富,如DHA配方奶粉、DHA蛋白粉、DHA乳品,但在稳态化产品应用研究中,针对DHA稳态化产品在具体食品中的应用研究还相对较少。

综上所述,未来的研究可以着眼于一下几个方面:其一、DHA固态、液态壁材、乳化剂等选择可更加多样化,进行植物蛋白、多糖等的开发利用以及复合壁材的开发,植物蛋白、多糖等成本较低,具有一定的功能性,可以赋予DHA稳态化产品新的特性和功能性。其二、在传统常用稳态化方法的基础上,采取新的技术、手段或改良传统制备工艺,简化工艺流程,从而更好地提高DHA的稳定性。其三、DHA稳态化产品的应用以及DHA功能性油脂稳态化产品消化吸收特性研究,开发新型的DHA产品,丰富食品种类,促进食品工业的发展。在今后,随着科学技术的发展,针对DHA功能性油脂的稳态化技术将会有更进一步的发展,从而使得DHA得到更广泛的利用。