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(1.浙江工業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程系，浙江 杭州 310014；2.杭州市食品藥品檢驗(yàn)研究院，浙江 杭州 310022；3.湖州出入境檢驗(yàn)檢疫局綜合技術(shù)服務(wù)中心，浙江 湖州 313000)

功能性食品是指含有對機(jī)體組織有益的活性營養(yǎng)成分，能預(yù)防疾病，對保障機(jī)體的健康具有良好作用的食品。日本衛(wèi)生福利部指出，功能性食品主要可以分為十二大類，即膳食纖維、寡糖、糖醇、氨基酸、多肽和蛋白質(zhì)、苷、醇、異戊二烯和維生素、膽堿、乳酸菌、礦物質(zhì)和不飽和脂肪酸等(如抗氧化劑)[1]。然而，功能性食品中的活性成分大多不穩(wěn)定，暴露在光、熱、空氣和強(qiáng)酸強(qiáng)堿等條件下會被氧化降解[2]。

功能組分的微膠囊化是一種用食品級和可生物降解的材料均勻涂覆功能性成分，以分離內(nèi)相和周圍基質(zhì)的技術(shù)，制得膠囊的直徑通常為幾微米。微膠囊化的作用主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：1) 使芯材不易氧化降解；2) 掩蓋不良風(fēng)味；3) 使芯材達(dá)到緩慢釋放的效果；4) 稀釋芯材，并且使芯材均勻分布在壁材中；5) 用于分離混合物中易相互發(fā)生反應(yīng)的成分[3]。在食品工業(yè)中常用的制造微膠囊的方法有機(jī)械法(噴霧干燥和流化床涂層)和化學(xué)法(界面聚合和凝聚)。噴霧干燥法由于操作簡單、產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于功能性食品的包埋[4]。目前已有學(xué)者對噴霧干燥技術(shù)的原理、特點(diǎn)、國內(nèi)外發(fā)展概況和影響因素等進(jìn)行闡述，并總結(jié)其在中藥制劑生產(chǎn)中的應(yīng)用[5]，但是對于其在功能性食品微膠囊化中的應(yīng)用及未來的發(fā)展趨勢并未涉及。筆者從噴霧干燥的基本過程、影響因素、噴霧干燥在制備功能性食品微膠囊中的應(yīng)用以及未來發(fā)展趨勢等方面展開綜述，為噴霧干燥在功能性食品微膠囊化中的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和研究方向。

1 噴霧干燥

噴霧干燥是物料干燥的一種方法，該技術(shù)可將功能性食品組分直接制成粉末或顆粒，可縮短物料干燥時間，提高干燥效率[6]。100多年前，國外就已經(jīng)將噴霧干燥技術(shù)用于奶制品生產(chǎn)，在我國也有近70年的應(yīng)用歷史。1865年，La Mont提出了采用噴霧干燥技術(shù)處理蛋白質(zhì)。20世紀(jì)50年代，我國從前蘇聯(lián)引進(jìn)了第一臺噴霧干燥機(jī)。隨著科技的進(jìn)步，噴霧干燥被逐漸細(xì)化，現(xiàn)已發(fā)展為噴霧冷凍干燥、超臨界噴霧干燥與納米噴霧干燥等類型。噴霧干燥裝置及過程如圖1所示[7]。

圖1 噴霧干燥裝置及過程示意圖Fig.1 Spray drying device and process schematic diagram

1.1 料液霧化

料液霧化是通過壓力或者離心作用將料液分散為細(xì)微的霧滴，霧滴的平均直徑一般為20～60 μm。常用的霧化器包括氣流式噴嘴、壓力式霧化器以及旋轉(zhuǎn)式霧化器[8]。霧化器的選擇取決于進(jìn)料的性質(zhì)、黏度以及對干燥產(chǎn)品特性的要求。該階段的目的是在干燥空氣和液體之間產(chǎn)生最大的傳熱表面，以促進(jìn)熱量傳遞。提供的能量越高，形成的液滴越細(xì)[9]。對于相同的能量，形成顆粒的尺寸隨著進(jìn)料速率的增加而增加。初始液體的黏度和表面張力越大，產(chǎn)生顆粒的尺寸也就越大[10]。霧滴的大小對產(chǎn)品品質(zhì)影響較大，如果噴出的霧滴大小很不均勻，就會出現(xiàn)大顆粒未完全干燥，小顆粒干燥過度的情況。因此，料液霧化是噴霧干燥的關(guān)鍵步驟。

1.2 霧滴與熱風(fēng)的接觸及干燥

霧滴與熱風(fēng)的接觸在噴霧干燥器內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)霧化器相對于熱風(fēng)分布器的安放位置，霧滴與熱風(fēng)接觸的方式可以分為并流式和逆流式[11]。并流式安裝時，霧滴與熱風(fēng)分布器中出來的熱風(fēng)以相同的方向流動，熱空氣入口溫度通常為150～220 ℃，使霧滴得以瞬間蒸發(fā)，而得到的粉末置于50～80 ℃ 的環(huán)境中，限制其發(fā)生熱降解，因此特別適合熱敏性物料的干燥[12]；逆流式安裝時，液體以與熱空氣流動方向相反的方式噴射，將干燥產(chǎn)品暴露在高溫下，這就限制了該工藝在熱敏性產(chǎn)品中的應(yīng)用，逆流工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是能量消耗少，相對并流工藝而言更經(jīng)濟(jì)。

液滴與熱空氣接觸時，在液相和氣相之間建立溫度和蒸汽分壓的平衡。由于溫差，熱從空氣向液滴進(jìn)行傳遞；由于蒸汽壓力差，水分從液滴向空氣進(jìn)行傳遞。干燥過程可以分為三個連續(xù)的步驟：1) 在熱空氣與液體接觸之后，熱傳遞主要導(dǎo)致液滴溫度的增加，最終達(dá)到恒定值；2) 液滴中水分的蒸發(fā)在恒定的溫度和水蒸氣分壓下進(jìn)行，從液滴核心到其表面的水?dāng)U散速率是恒定的并且等于表面蒸發(fā)速率；3) 當(dāng)液滴水含量達(dá)到臨界值時，在液滴表面形成干燥的外殼，干燥速率隨著干燥的進(jìn)行而迅速降低，并且取決于通過該外殼的水?dāng)U散速率。當(dāng)顆粒溫度等于空氣溫度時，干燥過程完成。

1.3 干燥產(chǎn)品與廢氣的分離

產(chǎn)品與廢氣的分離通常通過放置在干燥器外部的旋風(fēng)分離器完成，這減少了大氣中的產(chǎn)物損失。大多數(shù)致密顆粒在干燥室底部回收，而最細(xì)的顆粒通過旋風(fēng)分離器與濕空氣分離。除旋風(fēng)分離器外，噴霧干燥器通常還配備兩種過濾器，稱為“袋式容器”，用于去除剩余的粉末或揮發(fā)性污染物(例如調(diào)味劑)。所得粉末的形態(tài)取決于液滴的組成、水分及氣體含量，這些顆粒可以是致密的或空心的，如圖2所示[13]。使用多級噴霧干燥器可以增加顆粒的停留時間并降低干燥溫度，從而限制熱變性和提高熱效率[14]。此外，流化床在干燥器出口側(cè)的整合可以更好地控制粒度并制造具有低水含量非常的粉末。

圖2 不同類型微膠囊的形態(tài)結(jié)構(gòu)Fig.2 Morphological structure of different types of microcapsules

2 影響噴霧干燥的主要因素

2.1 進(jìn)出口溫度

噴霧干燥室的溫度通常指熱風(fēng)進(jìn)入塔內(nèi)的溫度。干燥溫度是影響噴霧干燥粉末物理化學(xué)性質(zhì)最重要的因素。較高的干燥溫度為干燥室提供更多的熱量，這增加了干燥速率并降低了噴霧干燥產(chǎn)品的水分。Kha等[15]指出，噴霧干燥溫度從120 ℃增加到200 ℃能使干燥粉末中的水從5.29%降低到3.88%。

噴霧干燥產(chǎn)品的粒度也取決于干燥器入口溫度。干燥溫度的升高導(dǎo)致水分蒸發(fā)加快，這使得微球更快地形成而沒有足夠的時間收縮，導(dǎo)致得到的顆粒粒徑較大。Tonon等[16]指出，隨著入口干燥溫度從138 ℃升高到202 ℃，巴西莓粉的粒徑從13.38 μm增加到20.11 μm。類似地，番石榴汁粉末的粒度隨著入口溫度的增加而顯著(p<1%)增加[17]。噴霧干燥粉末的堆積密度隨著溫度的升高而降低[13]。較大的顆粒可能內(nèi)部是中空的，或者由于較高的水蒸發(fā)速率而具有多孔性或破碎的結(jié)構(gòu)。通常，多孔或碎片顆粒呈現(xiàn)較低的堆積密度[18]。Chegini等[19]證明，因?yàn)樗却蠖鄶?shù)干燥食品固體的密度更大，所以在較高溫度下生產(chǎn)的粉末堆積密度低于在低溫下生產(chǎn)的粉末，還觀察到具有較小尺寸的粉末顆粒具有較大的堆積密度。噴霧干燥粉末的流動性在一定程度上也受干燥溫度的影響，隨著溫度的升高，流動性會降低[20]。溶解度也是粉末產(chǎn)品的重要質(zhì)量特性，可直接影響噴霧干燥食品的重構(gòu)行為。隨著噴霧干燥溫度從120 ℃升至160 ℃，粉末的溶解度增加[21]。

2.2 壁 材

富含糖的物質(zhì)，如果汁和蔬菜汁，很難在沒有包埋劑的情況下直接噴霧干燥，而壁材就是在噴霧干燥過程中包埋活性成分的聚合物，是噴霧干燥中最重要的因素之一。壁材在噴霧干燥中可以提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和產(chǎn)率，并降低粉末產(chǎn)品的黏性和吸濕性。常見的壁材有阿拉伯樹膠、麥芽糊精、明膠、淀粉、果膠、甲基纖維素、藻酸鹽和磷酸三鈣及其組合等[22]。壁材的選擇主要取決于噴霧干燥的目的和加工材料的物理化學(xué)性質(zhì)。壁材應(yīng)高度溶于工藝溶劑，具有足夠的成膜能力，即使在高濃度下也能產(chǎn)生低黏度溶液。對于噴霧干燥，它們必須具有高分子量和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以改善最終產(chǎn)品的抗黏性。它們必須能夠保護(hù)敏感化合物免受熱、氧和光等的影響。

噴霧干燥的常用壁材為碳水化合物，主要有：1) 淀粉及其衍生物(淀粉、麥芽糖糊精、糊精和環(huán)糊精)；2) 樹膠(阿拉伯樹膠或阿拉伯樹膠和刺梧桐膠混合物)；3) 纖維素及其衍生物( 纖維素、羧甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素等)。淀粉及其衍生物具有良好的噴霧干燥性能，例如，高分子量和高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，在低黏度的冷水中高度可溶，具有抗黏性并且能夠產(chǎn)生相對致密的粉末。然而，它們的成膜能力較差，這對于干燥效率尤其是敏感化合物的保存十分不利[23]。與淀粉相比，樹膠具有較好的成膜能力，但玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相對較低。纖維素及其衍生物具有良好的成膜特性和表面活性，但不易消化。淀粉或淀粉衍生物和樹膠的組合可以改善噴霧干燥的性能，但樹膠的含量應(yīng)低于淀粉或淀粉衍生物[24]。有報道指出，蛋白質(zhì)，特別是乳清蛋白，具有優(yōu)異的成膜能力和營養(yǎng)保留能力[25]，經(jīng)常與淀粉或淀粉衍生物一起使用。

2.3 進(jìn)料速度

在噴霧干燥過程中，進(jìn)料速度是重要影響因素之一。進(jìn)料速度決定物料在干燥室、分離器和輸送機(jī)中的停留時間，同時還影響著物料霧化以及液滴的大小。進(jìn)料速度基本上取決于霧化器的速度，泵速越高，進(jìn)料速度越快。但是，較高的進(jìn)料速度會使熱量傳遞變慢，使得液滴難以充分干燥，容易導(dǎo)致粘壁現(xiàn)象。此外，Tonon等[16]觀察到了液滴直接滴落在干燥室內(nèi)的現(xiàn)象，這是由于在高料液流速下物料霧化不完全，導(dǎo)致產(chǎn)率降低。較高的進(jìn)料速度導(dǎo)致液滴和熱空氣之間沒有足夠的作用時間，增加了噴霧干燥粉末的水分；另外，較短的接觸時間會導(dǎo)致傳熱和傳質(zhì)效率降低，并導(dǎo)致最終產(chǎn)品中的水分含量較高。

3 噴霧干燥在制備功能性食品微膠囊中的應(yīng)用

噴霧干燥通常用于香料、脂類、類胡蘿卜素以及其他成分的包埋。因?yàn)閱我坏谋诓耐ǔ２痪邆淅硐氲陌裉匦?，所以常用碳水化合物、樹膠和蛋白質(zhì)的混合物作為復(fù)合壁材。

3.1 香 料

食用香料都具有高度揮發(fā)性，且多為油狀液體。如果直接將香料進(jìn)行噴霧干燥，就會使其大量損失在排出的空氣中。為了防止這種損失，常以食用膠和碳水化合物與香料混合，進(jìn)行噴霧干燥，由此可制得粉末狀的膠囊香料，即揮發(fā)性的香料被包圍在固體膠囊中。所用的食用膠均易溶于水。由于微膠囊化香料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和緩釋性能，便于長期儲藏，因此目前大部分香料，均采用該方法進(jìn)行固定。

噴霧干燥通常用于在短時間內(nèi)生產(chǎn)香料粉末。目前已經(jīng)有很多研究探討了關(guān)于壁材組成和操作條件對包封香料保留和控制釋放的影響。L-薄荷醇是一種通常以晶體或顆粒形式得到的環(huán)狀萜烯醇，熔點(diǎn)為41～43 ℃，具有高揮發(fā)性，Soottitantawat等[26]通過噴霧干燥制備的L-薄荷醇微膠囊克服了限制其應(yīng)用和儲存的問題。在高固形物含量下，L-薄荷醇在麥芽糊精和阿拉伯樹膠中的保留率較高。進(jìn)料乳液中的最佳芯壁比為m(L-薄荷醇)∶m(麥芽糊精和阿拉伯樹膠混合物)=1∶4時，制得的L-薄荷醇微膠囊包埋率較高[26]。近年來，Baranauskiené等[27]通過噴霧干燥成功地制備了由脫脂奶粉和乳清蛋白濃縮物作為復(fù)合壁材包埋牛至、香茅和馬郁蘭等香料。研究表明，通過干燥可以改變微膠囊化香料的整體分子組成。

3.2 脂 類

脂質(zhì)通常難以分散在食品介質(zhì)中。此外，大多不飽和脂肪酸易于氧化變質(zhì)，因此需要對脂類物質(zhì)進(jìn)行包埋。脂質(zhì)微膠囊化具有5大優(yōu)點(diǎn)：1) 延緩自動氧化；2) 增強(qiáng)穩(wěn)定性；3) 控制脂溶性風(fēng)味釋放；4) 掩蓋脂溶性物質(zhì)的苦味；5) 保護(hù)溶解在脂質(zhì)中的物質(zhì)免受酶水解。噴霧干燥非常適用于油和油脂的包埋。Krishnan等[28]使用阿拉伯膠、麥芽糊精和改性淀粉作為壁材，通過噴霧干燥對豆蔻果實(shí)中的油脂進(jìn)行微膠囊化。該研究表明，豆蔻油脂的穩(wěn)定性隨著復(fù)合壁材中阿拉伯膠含量的減少而降低，而復(fù)合壁材的最佳比例為m(阿拉伯膠)∶m(麥芽糊精)∶m(改性淀粉)=4∶1∶1。Zhou等[29]以大豆蛋白和麥芽糊精作為壁材包埋核桃油，研究了大豆蛋白和麥芽糊精的比例以及芯壁比對包埋率的影響，研究了包埋前后核桃油的氧化穩(wěn)定性。結(jié)果表明，復(fù)合壁材的比例為m(大豆蛋白)∶m(麥芽糊精)=1∶1，芯壁比為m(核桃油)∶m(復(fù)合壁材)=2∶3時包埋效果最好，氧化穩(wěn)定性最佳。

3.3 其他食品原料

Shu等[30]使用明膠和蔗糖作為壁材，通過噴霧干燥成功地包埋了番茄紅素，并且明膠和蔗糖的最佳比例為m(明膠)∶m(蔗糖)=3∶7，芯壁比為m(番茄紅素)∶m(蔗糖)=1∶4。該實(shí)驗(yàn)中，盡管番茄紅素是熱敏性化合物，噴霧干燥器入口溫度為190 ℃，番茄紅素的保留率仍高達(dá)52%，說明噴霧干燥適用于熱敏性材料的微膠囊化。Ribeiro等[31]用麥芽糊精作為壁材包埋了兩種食用菌提取物(褐環(huán)乳牛肝菌和墨汁鬼傘)，并將制得的微膠囊加入到奶酪中，提升奶酪的品質(zhì)。此外，噴霧干燥還被認(rèn)為是包埋維生素，維持其營養(yǎng)價值的優(yōu)良方法。ALVAREZ-HENAO等[32]利用阿拉伯膠、麥芽糊精和改性淀粉作為壁材將葉黃素進(jìn)行包埋。結(jié)果表明，包埋后的葉黃素具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

盡管噴霧干燥技術(shù)發(fā)展迅速，但是還存在一定的不足。噴霧干燥是一個復(fù)雜的過程，需要綜合考慮多種因素。干燥本身并不困難，可以通過反復(fù)試驗(yàn)優(yōu)化得到最佳干燥工藝，但是壁材類型較少以及壁材與活性成分之間的不可控的相互作用制約著噴霧干燥應(yīng)用。目前大多數(shù)研究涉及干燥前乳液配方的優(yōu)化，微膠囊粒度分布、形態(tài)以及芯材的釋放速率的測定，壁材的選擇依舊是一個難題。需要開發(fā)一些具有良好的包埋效果并且能夠控制芯材釋放的新型壁材，以應(yīng)對一些常用壁材價格昂貴，不能包埋特定芯材的問題。