大豆分离蛋白的特性及在微胶囊领域的应用进展

刘海容， 徐 冉， 刘爱荣， 赵由才

(同济大学环境科学与工程学院1，上海 200092) (上海污染控制与生态安全研究院2，上海 200092)

大豆分离蛋白(SPI)是豆油工业的副产品脱脂豆粕经水浸提并低温离心后，从离心上清液中回收精炼得到的产品[1]。工业生产的大豆分离蛋白，蛋白质质量分数不低于90%，常用于动物饲料和食品补充剂，常因其蛋白质含量高、功能特性好而被认为是豆类蛋白中最典型的代表。大豆分离蛋白的生产、开发与应用的产业化研究最早开始于美国、日本及欧洲一些国家[2]。20世纪80年代初，我国开始生产大豆分离蛋白，并将其作为一种高功能食品添加剂广泛应用于食品行业。二十一世纪 “白色污染”问题的出现，大豆分离蛋白也因价格低廉、资源丰富而被学者们用于探索天然可降解材料代替石化塑料应用的可能性。近年，大豆分离蛋白薄膜已广泛应用于食品包装等领域[3]。

微胶囊技术由于其对生物活性物质的保护和控释性能，在各个领域应用颇多。良好的壁材能够使芯材具有更好的生物利用度，保护芯材不受外部环境因素的损害从而延长芯材的半衰期，实现芯材的控制释放[4]。选择合适的壁材是微胶囊系统设计的核心步骤。壁材的选择在材料具有适当的机械强度、溶解度、流动性、乳化性、稳定性的基础上，更取决于芯材种类与应用目的。材料的多样性也使得壁材的选择更加多元化，越来越多的复合壁材被用于微胶囊的包埋，以弥补单一壁材的缺点。大豆分离蛋白因资源丰富，又具有一定的乳化性、阻氧性和凝胶性，是潜在的微胶囊壁材。在实际应用过程中，常常使用复合壁材或将其改性以弥补大豆分离蛋白在机械性能方面的不足，并进一步提升其在其他性能的表现。

1 大豆分离蛋白的特性

溶解性和黏度影响大豆分离蛋白在乳化、凝胶等方面的表现。其在溶液介质中的溶解性和黏度与各组分的含量、溶液的温度、盐的种类以及离子强度相关。大豆分离蛋白溶液的实际制备过程中，需要调节pH、温度、质量浓度和离子强度，从而控制溶液的溶解度和黏度。

大豆分离蛋白分子结构的水油两亲特性使其可以实现对疏水性芯材的包埋。蛋白质可以通过吸附油脂减少界面张力，从而达到稳定油滴，防止聚集，形成均一乳状液的目的。

大豆分离蛋白的亲水肽链使其具有较好的水分保持能力，表现出吸水、持水和膨润的特性[5]，受溶解性、黏度和凝胶性的影响。但过高的吸水性和保水性将影响微胶囊的保质期。

大豆分离蛋白溶液可经处理后变性，将不可逆的聚集成规则的蛋白质网络，即为凝胶。蛋白质含量越高，所形成的凝胶越密实，弹性和韧性越好，对芯材的保护能力也就越强[5]。独特的四级结构使其可以在不同的位置成键，因此蛋白质基膜相比于脂类和多糖，在阻氧和二氧化碳领域，具有更好的气体阻隔性能，能够实现对囊内芯材更好的抗氧化保护[6]。

大豆分离蛋白有一定抑菌性。推测β-大豆伴球蛋白上甘露糖结构的存在，是大豆分离蛋白抑菌特性的主要原因[7]。这种特性为大豆分离蛋白作为微胶囊壁材增加了应用潜力。

2 大豆分离蛋白微胶囊的制备方法

制备获得大豆分离蛋白微胶囊的技术已有多种，此处介绍最常见的3种制备方法。

喷雾干燥是将雾化的喷雾通过高温气体介质，一步将溶液、悬浮液或乳化液转化为干粉的过程，包括喷雾冷冻干燥、超临界喷雾干燥、纳米喷雾干燥、超声辅助喷雾干燥等等，是目前最常见的微胶囊制备方法之一[8]。自1860年以来，已经在食品和制药行业得到了大规模的应用。喷雾干燥法的优点在于产品性质均一稳定、含水量低、加工时间短且可连续、工艺简单灵活、成本低廉、可用于大规模生产。但喷雾干燥法的缺点在于粉末的粒径和性能难以控制，干燥过程可能会导致部分生物活性物质的损失[9]。

凝聚法是最常用的物理化学法之一，也可称为相分离法。根据聚合机理的不同，可分为单凝聚法和复凝聚法，并以复凝聚法使用居多。凝聚法的原理是通过添加助剂使得溶液环境(pH、离子强度、温度等)发生改变，导致溶液中的高分子聚合物析出，在其沉积过程将囊芯包封在内而完成封装。单凝聚法通常只涉及单一聚合物，通过添加沉淀剂使壁材溶解度降低，芯材随其一起析出而沉积得微胶囊，成本相对较高。复凝聚法具有负载率高、包封率高、工艺简单的优点，可以避免有机溶剂的使用且可用于非水溶性芯材的封装，也可通过调整壁材的种类和比例进行功能化设计。但复凝聚法高产率的条件较为严苛，对pH和离子强度的控制要求较高，常用携带相反电荷的蛋白质和多糖作为封装壁材[10]。

冷冻干燥是把所制备的乳化液或悬浮液冷冻至冰点以下，在低压状态下，将其中已经凝为固态的水分直接升华转为气态除去的过程。冷冻干燥技术通常应用于热敏物质的微胶囊封装，能在保持生物活性的同时实现较为彻底的脱水。同时，由于干燥过程在低压状态下进行，也能避免生物活性物质同氧气接触发生氧化，对物质的物化结构影响极小[11]。但冷冻干燥存在成本高、制备时间长等缺点，在实际生产中较少应用，多用于实验室课题研究中。

3 大豆分离蛋白微胶囊的应用进展

大豆分离蛋白作为微胶囊壁材的应用刚刚起步。表1为大豆分离蛋白微胶囊的研究进展情况。从适合封装的芯材种类分析，大豆分离蛋白及其复合微胶囊既可以封装脂溶性芯材，也可以封装水溶性芯材。在实际研究中，大豆分离蛋白多用于封装油脂类芯材，包括含有易氧化成分的鱼油、各类植物精油及籽实榨油等，其原因在于大豆分离蛋白对油脂和水分的良好吸附稳定作用[12]。同时，大豆分离蛋白良好的成膜性和阻氧性，也能够减少芯材所受空气中氧气的影响，减少油脂类芯材的氧化。此外，由于大豆分离蛋白具有人体可消化植物蛋白的特殊性，常用于封装具有功能性的营养成分，实现芯材在胃肠的缓控释，减少芯材在胃酸环境中的损耗，如益生菌、微量元素等体额外营养补充成分。李晓娣[13]以大豆分离蛋白为壁材使用单凝聚法对德氏乳杆菌进行了封装，所制备的微胶囊经过模拟胃肠道系统处理，菌体浓度从1.4×1010CFU/mL下降到1.9×109CFU/mL，相同情况下裸菌菌体浓度从1.8×1010CFU/mL下降到2.5×105CFU/mL，表现出显著的缓释性能，使菌体浓度维持在作用浓度以上。

从壁材种类分析，复合壁材远多于单独使用大豆分离蛋白。单一大豆分离蛋白的溶解度较低，所制备的微胶囊包埋率和产率都有限。为提升微胶囊的物化性能，通常采用对大豆分离蛋白进行前处理或使用复合壁材2种手段，其中复合壁材应用更广，并以蛋白质和多糖组合为主。多糖的添加会减轻蛋白质粒的聚集问题，改善其溶解性和流动性[14]。最常同大豆分离蛋白复合使用的壁材为麦芽糊精，其次为阿拉伯胶。两者成本低廉且已在微胶囊领域有丰富的应用历史。海藻酸钠良好的乳化性和胶凝性，其作为微胶囊壁材的应用潜力正逐渐开发。此外，壳聚糖、果胶、魔芋胶等多糖受限于高成本，仅有少量研究用于开发功能性食品。Yuan等[15]使用壳聚糖和大豆分离蛋白封装藻油。相同环境下，纯大豆分离蛋白微胶囊的脂质氧化产物在120 h时开始急剧上升，而复凝聚所得微胶囊脂质氧化产物增加速度相对缓慢恒定，谷氨酰胺转氨酶固化复凝聚反应后的微胶囊氧化稳定性表现最好。

大豆分离蛋白无论作为单一壁材还是同其他壁材共同使用的情况都存在分子量高，对pH较为敏感等问题，因此常常使用乳糖、麦芽糊精和谷氨酰胺转氨酶对其进行改性，以提高大豆分离蛋白在水溶液中的溶解度和乳化性，进而提高微胶囊的包埋率。Zhang等[16]使用水解大豆分离蛋白和麦芽糊精的接枝产物对鱼油进行封装，明显提高了鱼油的氧化稳定性。在相同条件下储存4周后，接枝产物制备的微胶囊中脂质氧化产物丙醛的含量约为水解大豆分离蛋白微胶囊的38.2%，能够有效减少鱼油氧化分解。在实际微胶囊封装过程中，应用改性技术对大豆分离蛋白进行预处理虽然比较少见，但已经有很多尝试，例如酶改性、热改性、超声改性、糖基化改性等改性技术，可以转化应用于微胶囊壁材的改性开发。但大豆分离蛋白改性对于微胶囊实际物化性能的改善机理仍续进一步的实验研究与探索。

从制备方法分析，应用最广泛的为喷雾干燥技术。冷冻干燥和复凝聚法由于生产环境要求和成本等问题而较少被使用。由于普通喷雾干燥过程中的高温环境会使芯材发生较大损耗，喷雾冷冻干燥技术的应用有待进一步普及。海藻酸钠作为复合壁材使用时，会根据海藻酸钠和二价钙离子的交联凝胶性，使用挤压法、内源乳化凝胶法等方法制备，但该方法生产效率较慢，在实际生产中较为少见。近年由于技术的发展进步，出现了诸如电喷涂等新型封装技术。由于成本限制及规模化生产要求，未来的微胶囊制备应仍以喷雾干燥技术为主。

从功能用途分析，大豆分离蛋白微胶囊研发最常见于食品领域，主要用于营养物质或香精等易挥发、易氧化成分的封装，以提高目标成分的氧化稳定性，延长货架期。大豆分离蛋白微胶囊具有较好的阻氧性，因此在减少芯材氧化方面具有比较明显的优势。Chen等[17]研究验证了大豆分离蛋白-姜黄素纳米复合物在二甲基亚砜中的氧化自由基吸收能力(ORAC)约为纯姜黄素的1.91倍。Zhou等[18]以大豆分离蛋白和麦芽糊精为壁材，采用喷雾干燥法制备了核桃油微胶囊。60 ℃的条件下储存7 d后，核桃油的过氧化值约为微胶囊中核桃油的5.3倍，证明微胶囊成功提升了核桃油的氧化稳定性。除用于提升芯材的氧化稳定性外，大豆分离蛋白微胶囊最常用于实现芯材在胃肠环境下的缓控释。Gaan等[19]制备的奇亚籽油-大豆分离蛋白微胶囊在储存120 d后，微胶囊中油的过氧化氢值为初始的2.39倍，而相同条件下散装油的过氧化氢值则为初始值的22.4倍。在体外消化实验中，奇亚籽油微胶囊在唾液、胃和肠阶段的释放比例分别为13.44%、3.69%和78.54%，实现了微胶囊的体内控释功能。

大豆分离蛋白同其他材料类似，作为壁材能起到隔绝外界环境，减少光、热等不利环境影响的作用(见表1)。在降低芯材挥发氧化的同时，微胶囊制剂通过包封将油脂加工为易于加工运输的固体制剂，弥补液体芯材在加工、运输、储存方面的不足。配合大豆分离蛋白的两亲特性，微胶囊技术能够起到改善芯材水分散性，提高冲调性的作用。在包封芥末油、辣椒精油等具有刺激性气味的芯材时，大豆分离蛋白微胶囊也能够实现减少挥发，掩盖气味的目的。Molina等[20]以大豆分离蛋白为壁材，采用喷雾干燥法对酪蛋白水解物进行封装，通过感官测试证明封装能够成功降低酪蛋白水解物的苦味。唐冬等[23]研究制备了以大豆分离蛋白和麦芽糊精为壁材的茶籽油微胶囊，使其具有较好的冲调性以满足食品加工领域的应用需求。

表1 以大豆分离蛋白为壁材的微胶囊研究

4 结论及展望

大豆分离蛋白作为微胶囊壁材的优势在于两亲结构使其可以同时封装水溶性和脂溶性芯材，以及较好的阻氧能力能够有效减少芯材物质的氧化。作为来源广泛，成本低廉的天然高分子材料，大豆分离蛋白微胶囊在食品、医药、农药领域产品都有着较大的发展前景。目前其已经表现出在功能性食品领域的发展潜力，尤其是封装有益脂肪酸方面已经有了大量的尝试。随着微胶囊在医药领域的广泛应用，大豆分离蛋白由于其胃肠的缓控释特性，可以参与口服肠道用药等靶向给药系统的设计。目前其在给药载体领域的发展尝试仍然有所空缺。

大豆分离蛋白的应用主要受限于其乳化性和溶解性，包埋成膜后的力学性能和水蒸气阻隔性能表现不尽人意。复合壁材和改性技术的使用仍然相对局限。在复合壁材的种类上可以有更多尝试，如同小分子糖、脂质或其他蛋白质进行复合使用。大豆分离蛋白的前处理可以更多参考已有的蛋白质改性手段，包括热改性、超声改性，协同复合壁材共同作用，达到增加微胶囊产率和包封率，改善微胶囊物化性能的目的。