微胶囊技术
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1.1 微胶囊技术的概念
微胶囊是由聚合材料外壳包裹内容物的一种包容物或包装物，其内部装载的物质称为芯材，外部包裹的物质称为壁材。微胶囊技术是指由高分子的聚合材料作为壁材，使其在芯材表面形成连续的薄膜，隔绝内容物，从而形成微胶囊的一种新型技术。微胶囊技术可以将固态、液态或气态的物质进行包覆，尽可能的保留芯材物质的色、香、味、营养及活性，如今已在食品、医药、日用品、化学材料等领域得到了广泛的研究与应用。
1.2 微胶囊技术的特点
特殊的芯材物质在经过微胶囊化处理后，其颜色、形态、体积、质量、溶解性以及贮藏性等都会发生一定的变化，在特定的条件下，芯材物质会被缓慢释放从而发挥作用。微胶囊产品的粒径一般在1 滋m~1 000 滋m之间。微胶囊的形状各异，主要有不规则型、简单型、多芯型、多壁型、填质颗粒型等；按功能特性区分，包括缓释型、压敏型、热敏型、光敏型、膨胀型、pH值敏感型等。
1.3 芯材和壁材的选择
芯材大多是单一的某种物质，也可以是几种物质的混合物，常用作芯材的物质可大致分为精油、色素、油脂、菌种、酶、活性物质、营养成分等几类，具体的芯材物质如表1所示。
表1 制备微胶囊常用的芯材分类
一般来说，芯材只有从微胶囊的囊壁中释放出来才会发挥其功效，释放速率分为瞬间释放和缓慢释放两种，释放速率易受到壁材厚度、孔洞大小、反应方式等多种因素影响；芯材本身的溶解度、扩散系数也会对释放速率产生影响，一般芯材的释放过程遵循零级或一级释放速率方程。在饮料工业的生产加工中，色素类、活性物质类和营养成分类的芯材选用较多，微胶囊化的芯材物质添加到饮料中，提升了饮料的品质和价值，丰富了饮料的口感与风味。
壁材的选择对微胶囊应用的效果具有很大影响，如渗透性、溶解性、流动性等。所用壁材应符合国家标准中食品添加剂的要求，同时具有良好的成膜性、溶解性、乳化性、干燥性、相容性，且黏度低、无毒、无刺激、可降解、来源广、成本低，不与芯材发生化学反应。此外，芯材和壁材也具有相互选择性，通常情况下，油溶性的壁材可用于包裹水溶性的芯材，水溶性的壁材则包裹油溶性的芯材，在油相和水相之间形成的表面张力使溶液形成稳定的油包水或水包油体系。
常用的壁材分为天然高分子材料和人工合成高分子材料。
天然高分子材料毒性较小，黏度大，可降解；
人工合成高分子材料强度高，易修饰，但生物相容性较差。
植物胶类（如阿拉伯胶、果胶）黏度大，成膜性好，稳定性高；
糖类（如麦芽糖、蔗糖、壳聚糖）具有良好的溶解性，但成膜性较差；
淀粉及其衍生物类（如羧甲基淀粉、低聚糖）来源广泛，无污染；
糊精类（如麦芽糊精、环糊精）具有很好的耐热性；
纤维素类（如羧甲基纤维素、乙基纤维素）毒性小，黏度大，但不耐高温；
蛋白质类（如明胶、大豆分离蛋白）和脂类（如石蜡、卵磷脂）具有良好的成膜性和乳化性。PETROVIC等利用喷雾干燥的方法，以羟丙基甲基纤维素为壁材，制备出向日葵油微胶囊，并通过实验研究了阴离子表面活性剂对微胶囊形成过程的影响。
在实际应用中，为了节约成本、达到更好的包埋效果，常选用两种或两种以上的壁材复合进行包埋。CAI Xuran 等研究了5 种比例羧甲基淀粉和黄原胶复合包埋蓝莓花青素微胶囊的稳定性，并通过体外释放试验证实了微胶囊主要在胃中保留、肠中释放。LOLENY TAVARES等用乳清蛋白和壳聚糖复合，对大蒜提取物进行微胶囊化，使大蒜中酚类化合物的保留效率达到了50 %~60 %。
1.4 微胶囊的制备方法
微胶囊的制备方法很多，根据原理可以分为物理法、化学法和物理化学法。具体方法及其优点如表2所示。
表2 微胶囊的制备方法
在饮料工业中，为了实现大规模的工业化生产，常使用喷雾干燥法生产固体饮料。柴智慧等以蔗汁、桂圆为原料，加入麦芽糊精后进行喷雾干燥，制备出蔗汁桂圆固体饮料，在最佳工艺条件下得到的蔗汁桂圆饮料溶解速度快、品质好，香甜可口，具有蔗汁、桂圆特有的风味。而在实际生产中更多的是将芯材在壁材溶液中混合均质形成稳定的溶液，进料到喷雾干燥器中经过雾化和高温干燥过程使溶剂迅速蒸发，溶质析出得到微胶囊后再添加到果汁饮料、固体饮料等中。经过喷雾干燥制备的微胶囊产品包埋效果好，颗粒细小均匀，溶解性好。
1.5 微胶囊的表征
微胶囊产品的表征有很多特定的方法：利用傅里叶变换红外光谱、X 射线衍射等技术确定微胶囊包埋的程度、验证包埋结构；利用扫描电镜观察微胶囊的表面结构、包埋效果；利用粒径分析仪分析微胶囊产品的粒径分布；利用热重分析仪检测微胶囊产品的热稳定性；利用图谱得到微胶囊的包埋率；利用色谱检测微胶囊的缓释性等。暴莎莎等建立了一种低场核磁共振技术结合偏最小二乘回归分析的方法，快速、无损且准确的检测了南极磷虾油微胶囊产品的包埋率。
微胶囊技术在饮料加工中的应用
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2.1 微胶囊技术在饮料加工应用中的作用
1）液体饮料经过微胶囊化可以变成粉末状或固体颗粒，方便加工、运输、贮藏和食用。
2）保护易挥发、性质不稳定的芯材物质免受外界环境（光照、温度、湿度、pH 值等）的影响，防止芯材氧化变质或减缓氧化速度，同时避免与饮料中的其他成分相互作用发生不良反应，导致危害人体健康。
3）提高产品的化学稳定性，延长贮藏期。
4）控制芯材在人体内的释放位置、释放时间和释放速率，使具有疗效功能的活性成分等得到有效、精准的释放，促进人体肠道吸收和利用。
5）掩盖芯材自身的不良气味，如鱼腥味、辛辣味、苦味等，改善饮料的口感和风味。
6）最大限度地保持饮料原有的色、香、味以及生物活性，保存营养价值甚至提高营养价值。
7）降低食品添加剂的加入量，减少对人体健康的损害。
2.2 微胶囊技术在茶饮料中的应用
茶叶因其含有茶多酚等多种有益于人体健康的物质而深受消费者喜爱，但茶多酚在碱性条件下易氧化，易与咖啡因、蛋白质等物质反应生成茶乳酪；茶叶中的维生素受热容易遭到破坏；芳香物质易挥发或释放出不良风味；色素容易在光照条件下分解，有的还会出现浑浊沉淀、汤色褐变、香气恶化的现象。
在茶类饮料的生产加工中应用微胶囊技术，可以有效解决以上问题。微胶囊技术的应用可以保护茶饮料中的茶多酚、维生素、芳香物质及色素等，防止成分挥发，保持茶叶色泽、风味，提高稳定性和对光、热、酸、碱的抵抗力，延长货架期。宁恩创等将金花茶多酚原液喷雾干燥制备成微胶囊，茶多酚能够保留81.23 %。陈欣指出，在茶饮料中加入一种乳脂微胶囊可以增强口感，增加营养价值。
在速溶茶的生产中，保持茶叶原本的风味、色泽和香气是关键，加入茁-环糊精不仅可以对风味成分包埋，避免其散失，还可以防止茶乳酪的产生，生产出香气浓郁、色泽良好的茶饮料。
2.3 微胶囊技术在乳饮料中的应用
为了保证乳制品中的营养物质不被分解，利用微胶囊技术对营养物质进行处理，使生产出的乳粉质地均匀，风味良好，口感细腻。戴逸等指出，将脂肪酸微胶囊化添加到婴幼儿奶粉中，可保证配方的营养质量和安全性，提高脂肪酸的稳定性，减缓氧化。二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）是一种不饱和脂肪酸，对婴幼儿生长发育至关重要，但易氧化变色，产生异味。
微胶囊化的DHA添加到乳粉中，可避免鱼腥味的产生，也能够改善奶粉的溶解性。利用微胶囊还可以生产很多不同风味的乳制品，如果味奶粉、啤酒奶粉、发泡奶粉、姜汁奶粉等。将嗜酸乳杆菌微胶囊化加入到酸奶中，可以增强酸奶的持水力，提高蛋白质含量，经实验证实这种微胶囊的嗜酸乳杆菌在10周内性质能够保持稳定。
Sung Ahn等研究了肠溶性乳糖酶微胶囊的工艺，验证了羟丙基甲基纤维素邻苯二甲酸酯微胶囊的体外释放速率优于玉米醇溶蛋白包埋的微胶囊，这种微胶囊化乳糖酶可应用到牛奶、酸奶中，解决人体内乳糖酶分泌不足的问题，减轻因乳糖不耐受出现的症状，从而保证人体健康。
2.4 微胶囊技术在功能饮料中的应用
微胶囊技术在功能饮料的生产中有很多应用，最具应用前景、维持人体肠道菌群平衡的益生菌，对生存的条件要求较高，制成益生菌微胶囊后，可以提高益生菌在肠道内的活性和稳定性，添加益生菌微胶囊生产的果汁饮料、乳饮料具有广阔的市场。
MAS原SOUNGA B A F等以乳清分离蛋白-低聚果糖复合物为壁材，以嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌为芯材，制备成益生菌微胶囊，加入到香蕉泥中冻干成粉，并模拟人体胃液肠液的处理，试验表明加入了包埋的益生菌微胶囊香蕉粉保持了较高的菌活力和较好的贮藏稳定性。丁柯等将灵芝菌株微胶囊化，发酵的滤液与柠檬酸、蔗糖、蜂蜜按照一定的比例调配，经过均质、灌装、杀菌后制成发酵饮料，营养丰富，口感较好。
蔡向阳等用红花籽油制备的微胶囊研制了一款功能性复合饮料，通过人体实验研究表明这种饮料对运动员的机体代谢能力具有促进作用，长期饮用还可以提高运动成绩。
2.5 微胶囊技术在果汁饮料中的应用
利用微胶囊技术生产水果果汁饮料，通常以海藻酸钠、天然果汁或复合果汁为原料，不同口味的微胶囊化果汁饮品原料来源广泛、工艺简单，在生产过程中不易使营养成分损失过多，消费者在饮用时可以体验到丰富的口感。刘春菊等将香橼精油微胶囊应用到果汁中，保留了精油中多种有益的香气成分，具有特征性的风味，接受度较高，这种精油在果汁方面的应用具有很大开发利用的价值。
陈剑兵等采用了微胶囊技术对橙皮苷进行包埋，添加到橙汁饮料中，通过研究对果汁品质的影响，确定了最佳配方为：原果汁浓度30 %，橙皮苷微胶囊0.8 %，稳定剂0.2%，在此工艺条件下生产出的橙汁饮料具有良好的风味，橙皮苷含量高达0.82 g/L，同时提高了果汁饮料的营养价值。还有研究将苹果汁用脂类包埋制成微胶囊后，再加到水中制成微胶囊苹果汁，有利于人体吸收，比普通苹果汁在人体内保留时间长，生物利用率也高。
NAMBIAR 等使用喷雾干燥的方法得到了微胶囊化椰子汁，并通过实验证明了微胶囊可以保护酚类化合物在特定条件下有效控制释放。此外，明胶对果蔬汁澄清的作用也与微胶囊技术的应用有关。
2.6 微胶囊技术在固体饮料中的应用
在美国，超过一半的固体饮料生产工艺都使用了微胶囊技术。王玉彤等以混合谷物膨化粉为壁材包埋茁-胡萝卜素，经喷雾干燥制备了一种微胶囊固体饮料，使固体饮料具有较好的溶解性与流动性，且营养价值有所提高。在速溶咖啡的生产加工中，微胶囊化可以保护不稳定的醇类、醛类、酮类物质不被分解，对于提供咖啡特有的风味特征至关重要。
通过微胶囊化得到的含气发泡粉，可以使饮料产生丰富的泡沫。通过微胶囊技术生产的植脂末，可以用于咖啡、奶茶的配料中，增加奶质感和柔滑感，提高速溶性。将包埋天然水果果汁的微胶囊颗粒加入到固体饮料中，天然又营养，具有果香气味。吴蜀东等从柑橘皮渣中提取了黄酮，用茁-环糊精包埋后加入到固体饮料中，冲调口感细腻，酸甜适中。
前景与展望
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微胶囊技术的应用使传统的饮料生产工艺得到简化，推动了饮料工业由低级向高深方向的发展，创造了很多有价值的产品。随着技术的成熟，微胶囊技术也逐渐应用于酸味剂、防腐剂等饮料添加剂的使用中，微胶囊技术已成为促进饮料工业不断前进的重要手段。
当前我国的微胶囊技术处于快速发展阶段，根据市场需求和目前状况，进一步的理论研究和广泛应用，对于新型环保无毒壁材的开发和芯材的挖掘，以及拓宽功能性评价手段等都具有重大的意义。如今微胶囊技术正向着微细化、高品质化、环保化方向发展，今后微胶囊技术将在饮料工业发挥更大的作用，不断开发出益于人体健康的新产品，取得更大突破，带给人类和社会更多效益。
来源：田媛，弓志青，唐晓珍，王文亮，微胶囊技术及其在饮料加工中的应用，食品研究与开发，2020年7月 第41卷 第13期。公众号：食品研发成长公会
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