不饱和脂肪酸(unsaturated fatty acids,UFAs)是指分子中存在不饱和化学键的一类脂肪酸,按照不饱和化学键的数量可分为单不饱和脂肪酸(monounsaturated fatty acids,MUFAs)和多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids,PUFAs)[1],PUFAs根据双键位置的不同又可分为n-3 PUFAs、n-6 PUFAs和n-9 PUFAs。UFAs作为人和动物机体重要的营养物质,在调节神经系统、参与炎症反应、调控细胞信号转导以及调节糖和脂代谢等关键生理过程中发挥着重要作用[2-3]。在畜禽饲粮中添加适量UFAs,能调节畜禽机体细胞的免疫过程,进而对其生产和繁殖性能产生积极影响[4]。然而,UFAs在常温下常为液态,直接饲喂不便。并且,UFAs分子中存在不饱和双键,在光、热、氧气等外界因素的影响下极易氧化劣变,进而导致生物活性和营养成分的丧失,甚至产生毒害作用。目前效果较好的UFAs保护方式有酶促酯交换技术和微胶囊技术。其中,酶促酯交换技术中的乙酯型UFAs稳定性好,能有效防止UFAs被氧化,但生物利用率低;甘油酯型UFAs的生物利用率高,但工艺复杂,UFAs的得到率普遍不高[5]。微胶囊技术既能高效防止或减少UFAs氧化变质,还能保证UFAs有较高的包封率,是现阶段理想的UFAs保护技术。
20世纪30年代,美国大西洋海岸渔业公司(Atlantic Coast Fishers)制备出鱼肝油微胶囊,标志着油脂类微胶囊开始进入食品研究和应用领域[6]。经过几十年的技术和工艺创新,以及近年来新型壁材的不断开发,油脂类物质微胶囊技术取得突破进展,油脂类物质微胶囊技术在食品、医药和化工等领域应用愈加广泛,如风味油微胶囊[7]、功能性油脂微胶囊[8]。目前,微胶囊包埋UFAs技术多用于食品工业中,在饲用油脂尤其是饲用UFAs微胶囊方面的研究和应用正在起步阶段。
研发饲用UFAs微胶囊,不仅有利于长期稳定储存UFAs,遮蔽UFAs的不良气味,改善适口性,还会使饲喂方式更加便利。本文就UFAs在畜禽生产中的作用、微胶囊技术研究现状以及UFAs微胶囊在畜禽生产中的应用等进行总结,旨在为后续UFAs微胶囊生产工艺流程的优化提供参考,以实现降本增效,推动UFAs微胶囊在畜禽生产领域的应用。
1 UFAs在畜禽生产中的作用
1.1 改善生产性能
广泛的研究证实,在饲粮中添加一定量的UFAs,在改善畜禽生产性能、繁殖性能,调节反刍动物瘤胃发酵,提升畜产品品质等方面都起到重要作用。在畜禽饲粮中添加UFAs可提高畜禽的增重及饲料转化效率,并且几乎不会对畜禽生长及健康产生负面影响。吴爽等[9]在滩羊饲粮中分别添加1.5%的亚麻籽油、紫苏油和大豆油,结果发现,添加大豆油能显著提高滩羊的屠宰率,添加紫苏油和大豆油均能显著提高滩羊的眼肌面积,且以紫苏油的效果更优。Leikus等[10]在育肥猪饲粮中添加亚麻籽油沉淀物,发现其平均日增重(ADG)增加,育肥时间缩短,饲料转化率提高。赵丹阳等[11]探究了饲粮中添加膨化亚麻籽对北京油鸡生长性能和屠宰性能的影响,发现添加9%和12%的膨化亚麻籽能显著提高北京油鸡的ADG,且12%膨化亚麻籽添加组的平均日采食量显著提高,但活重、屠宰率等各组间差异不显著。母体摄入UFAs还可对其子代的生长性能和代谢产生影响。Marques等[12]在妊娠后期母牛的饲粮中添加含有n-3 PUFAs和n-6 PUFAs的脂肪酸钙盐,发现犊牛的ADG、胴体重、背最长肌面积均显著增加,这主要是因为母体通过补充UFAs促进胎儿骨骼肌发育,进而促进犊牛的生长发育。Lacasse等[13]在奶牛饲粮中添加鱼油,发现奶牛的干物质采食量(DMI)和产奶量下降,体重减轻。不同研究饲喂效果不一致可能是因为脂类物质能量密度较大,动物采食后易出现饱腹感,也可能是因为直接饲喂富含UFAs的油脂会影响饲料的适口性,导致采食量下降,获得的能量和营养物质无法完全满足畜产品生产的需要。此外,直接饲喂油脂可能导致其中的UFAs在瘤胃的氢化作用下形成饱和脂肪酸(saturated fatty acids,SFAs),使瘤胃的发酵功能受到影响,导致营养物质的生物利用度降低,因此需要将UFAs进行微胶囊化处理来避免上述负作用。
1.2 优化畜产品品质
在畜禽泌乳期和产蛋期,机体能量处于负平衡状态,在饲粮中添加UFAs可改善能量代谢,有利于提高畜产品产量。Dos Santos Neto等[14]用0.6 kg/d的棕榈酸钙盐代替以玉米为主的精料补充料,可使奶牛的泌乳量、乳脂产量、乳糖产量以及饲料转化效率显著升高。在母鸡饲粮中添加3%的鱼油可以显著提高产蛋量和蛋重,但要特别注意添加量,否则会造成母鸡生产性能下降,并影响蛋品质[15]。在畜禽饲粮中添加UFAs还可提升肉品质。在澳大利亚白玛格拉羔羊饲粮中添加n-3 PUFAs,屠宰后发现其肌内脂肪含量显著升高,羊肉的嫩度和口感得到明显改善[16]。在育肥猪饲粮中添加8%的挤压亚麻籽,发现肉中n-3 PUFAs的含量比基础饲粮组提高了9倍,猪肉的营养品质得到改善[17]。通过在畜禽饲粮中添加适量的UFAs,可以生产出富含PUFAs的畜产品,这对于开发功能性畜产品具有重要意义。
1.3 改善繁殖性能
UFAs还具有维持精子膜的流动性和通透性,促进卵泡发育、提高受精率和促进胚胎发育等功能[1,18-19]。UFAs主要通过影响精液品质进而影响公畜的繁殖性能,其中,n-3 PUFAs在精子抗氧化和促进睾酮合成等方面具有重要作用,n-6 PUFAs是精子质膜脂质的主要组成部分,能维持精子结构的完整性、提高精子质膜流动性[20]。精液在体外保存时,向精液稀释液中添加UFAs可延长精子存活时间[19]。但是,过量的PUFAs会破坏精子的质膜结构,降低精子的抗氧化能力[21],对精子产生不利影响,因而要严格把控好UFAs的添加量,以免对公畜的繁殖性能造成不利影响。UFAs主要通过调节前列腺素、孕酮、雌激素水平和卵泡发育等过程影响母畜的繁殖性能。在繁殖母猪饲粮中添加适量亚麻籽油,可调节母猪妊娠前期前列腺素合成过程中关键酶的表达,促进胚胎着床及胚胎和母体间的血管生成[22]。无论是公畜还是母畜,在使用UFAs改善繁殖性能时,都要严格把控好UFAs添加量,以免对畜禽繁殖性能造成反作用。
2 微胶囊技术研究现状
2.1 UFAs微胶囊化方法
UFAs在微胶囊的保护下,能最大限度地对畜禽生长发育和机体健康产生积极影响,并提升畜产品品质。然而,UFAs微胶囊的制备方法众多,由于不同方法所需的制备条件不同,微胶囊的包埋率和UFAs的稳定性也会受到一定影响。表1概述了UFAs微胶囊常见的制备方法及其原理和特点,从包埋率、可操作性及成本等方面综合考虑,凝聚法和喷雾干燥法在制备UFAs微胶囊时比较适用。
表1 UFAs微胶囊常见制备方法的原理及特点Table 1 Principle and characteristics of common preparation methods of UFAs microcapsules |
| 制备方法 Preparation methods | 技术原理 Engineering philosophy | 优点 Advantages | 缺点 Disadvantages | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|
| 喷雾干燥法 Spray drying method | 芯材和壁材混合溶液雾化后 经热空气处理后形 成干燥粉末 | 经济、灵活、应用广泛, 可用于包埋热敏性物质 | 粉末结构多孔,芯材易 被氧化,制备的颗粒性 状、大小不均匀 | [26⇓-28] |
| 喷雾冷却法 Spray cooling method | 芯材和壁材混合溶液雾 化后经低温处理使液滴 凝固形成粉末 | 过程低温进行, 可避免芯材物质的 氧化变质 | 成囊性质不稳定,不 易储存,制备成本高 | [27,29] |
| 凝聚法 Coacervation method | 芯材和壁材混合后通过静 电作用实现相分离, 使聚合物析出 | 操作简单,过程温和, 具有较高的有效载荷和 包埋率,能避免芯材物质 活性的损失 | 只在特定的pH范围内和一 些电解质胶体溶液中发挥 作用,粒子容易聚集且 大小不易控制 | [30-31] |
| 冷冻干燥法 Freeze drying method | 乳液冻结后经真空冷冻 使乳液中水分低温升华, 氮气干燥 | 微囊化过程低温进行,不 会造成油脂类物质的氧化, 适用于热敏性物质 | 操作复杂,制备所 需时间长、成本高 | [32-33] |
凝聚法在实际生产中较为常用,且复合凝聚法的包埋率、稳定性一般高于单凝聚法。单凝聚法通过在反应体系中加入沉淀剂,使壁材的溶解度降低进而析出、凝聚,将芯材包裹[34]。王洪玲等[35]以壳聚糖硬质酸钠为壁材制备鱼油微胶囊,发现在壁芯比为1∶1、乳化剂吐温20(Tween 20)质量浓度为14.40 g/L时微胶囊包埋率最高,为50%左右,微囊化鱼油耐高温,可长期储存。复合凝聚中,带正电的蛋白质和带负电的多糖(如海藻酸钠、阿拉伯胶)通常被用作壁材,一般溶液中所带正、负电荷相等时,微胶囊包埋率最高[36]。路宏波等[37]以明胶、阿拉伯胶为壁材制备鱼油微胶囊,在最佳制备工艺条件下制得的微胶囊包埋率在90%以上。近年来,二次包埋工艺兴起,该工艺是在复合凝聚法制得的微胶囊基础上,选用另外一种壁材对微胶囊进行再次包埋,从而加固包壁,进一步提高芯材的稳定性[38]。凝聚法操作简单、稳定性强、缓释能力好,但受环境因素影响大,制备时需摸索最佳制备工艺,且在制备过程中会用到一些有机物质促进成囊,这些有机物可能会影响芯材作用的发挥,甚至危害畜禽健康。
喷雾干燥法是食品工业中应用最广泛的制备微胶囊的方法之一。Vélez-Erazo等[39]分别以辛烯基琥珀酸淀粉钠和麦芽糊精为壁材,探究奇亚籽油和豌豆蛋白含量对喷雾干燥法制备的微胶囊稳定性的影响,发现奇亚籽油质量比为13.5%,豌豆蛋白质量比为3.87%时微胶囊稳定性最好,此时包埋率分别为91.97%和87.71%。Linke等[40]以麦芽糊精和大豆分离蛋白为壁材,利用喷雾干燥法制备的鱼油微胶囊包埋率可达90%以上。喷雾干燥法工艺简单、成本低,还能直接把液体原料转化为粉末状微胶囊产品,制得的微胶囊包埋率高、稳定性好,可用于大规模生产微胶囊,是现阶段最为理想的UFAs微胶囊制备方法。但是,在对UFAs进行微胶囊化处理时,应当考虑将干燥过程中使用的热空气更换成惰性气体,以防止在制备过程中出现因高温空气引起UFAs氧化变质的问题。
2.2 壁材的选择
表2 微胶囊壁材的分类、常用材料及特点Table 2 Classification, common materials and characteristics of microcapsule wall materials |
| 壁材分类 Wall material classifications | 常用材料 Common materials | 特点 Characteristics | 参考文献 References |
|---|---|---|---|
| 多糖类 Polysaccharides | 改性淀粉、壳聚糖、环糊精、 海藻酸盐、阿拉伯胶 | 黏度低且易形成凝胶,常被 用作油脂类物质微胶囊的壁材 | [43-44] |
| 蛋白质类 Proteins | 明胶、乳清蛋白、酪蛋白 酸盐、大豆分离蛋白 | 具有良好的乳化能力和成膜性, 能有效抵抗胃肠道中酶的降解, 是制备微胶囊时最常用的壁材 | [45-46] |
| 脂类 Lipids | 磷脂、硬脂酸 | 亲脂性活性成分的包埋常 使用脂质类壁材,但包埋率普遍偏低, 应与其他类型的壁材配合使用 | [27] |
2.2.1 多糖类壁材
多糖是指由10个以上单糖经脱水缩合形成的高分子碳水化合物,因其黏度低且易形成凝胶,常被用作油脂类物质微胶囊的壁材[43,45]。常见的多糖类壁材有壳聚糖、β-环糊精、海藻酸盐等。壳聚糖来源于甲壳类动物的壳,是一种碱性阳离子多糖,具有生物相容性好、成膜能力出色、无毒无害的优点[47]。Esquerdo等[48]在乳化剂Tween 80的作用下,制备的壳聚糖-UFAs浓缩物微胶囊包埋率为74.1%,且具有良好的抗氧化稳定性和控制释放能力。β-环糊精是由7个葡萄糖单元连接形成的环状寡糖,因具有疏水的中心和亲水的外部结构,很适合作为油脂类物质微胶囊的壁材[49]。Li等[50]分别以β-环糊精、麦芽糊精、羟丙基-β-环糊精、多孔淀粉为壁材,通过分子包埋技术和冷冻干燥法制备了山核桃油微胶囊,发现以β-环糊精为壁材的微胶囊的包埋率和含油率均显著高于其他壁材的微胶囊,分别为80.40%和37.62%。海藻酸盐是从褐藻中提取的一种亲水性聚合物,具有来源方便、生物相容性好、无毒无害等特点[51]。Mou等[52]以微流控装置生成水包油(O/W/O)型乳液作为模板,中间的水相包含海藻酸盐分子和水溶性钙络合物,此乳液在含乙酸的油相中凝胶化,通过降低反应体系的pH促使钙离子释放并与海藻酸盐分子交联,从而形成微胶囊,为油脂类微胶囊的制备开辟了新思路。
2.2.2 蛋白质类壁材
蛋白质具有良好的乳化能力和成膜性,常被用作微胶囊的壁材。蛋白质包含植物蛋白和动物蛋白两大类,动物蛋白因相容性好、成膜性好、包埋率高的优势,在微胶囊技术中被广泛使用[45]。常用的动物蛋白有明胶、乳清蛋白等。明胶是胶原蛋白部分水解后得到的产物,是从动物的皮、骨骼中提取出的蛋白质制品,是制备微胶囊的优异壁材。因其具有很好的水溶性,可能会导致微胶囊中的芯材遇水释放,因此在制备微胶囊时,明胶通常与其他壁材配合使用。Nami等[53]利用明胶和麦芽糖糊精制备微胶囊来包埋维生素D3,包埋率可达97%。乳清蛋白是奶酪生产过程中产生的副产物,具有易消化吸收、营养价值高等特点,主要分为浓缩乳清蛋白和乳清分离蛋白,乳清分离蛋白中蛋白质含量在90%以上,所以经常被用作微胶囊壁材[54-55]。Legako等[56]利用喷雾干燥法制备的乳清蛋白-鱼油微胶囊包埋率高达91.6%。
2.2.3 脂类壁材
活性物质在进行微胶囊化处理时,不仅要求壁材具有良好的乳化性,还要求制得的微胶囊具有较高的包埋率和稳定性,而单一的壁材无法满足上述要求,通常情况下,使用复合壁材的微胶囊的稳定性和包埋率显著高于使用单一壁材的微胶囊。因此,在实际生产中,为提高UFAs的包埋率,应尽量使用2种及以上在某些方面具有不同性质但结合后能形成稳定保护层的壁材组合。
UFAs微胶囊的制备需要综合考虑多方面因素。一方面,壁材价格较高,是制约UFAs微胶囊作为饲料添加剂应用于畜禽生产中的重要原因之一,寻找一类成本低、环境友好且对人和动物机体健康无害的理想壁材显得尤为重要;另一方面,微胶囊的用处不同,制备时选用的方法和壁材也不同,如同样是实现控制释放的目的,由于反刍动物、单胃动物以及禽类各自的消化系统均存在较大差异,所以在制备方法和壁材种类的确定上也不同。
3 UFAs微胶囊在畜禽生产中的应用进展
国际上对于饲料添加剂微胶囊化的研究始于20世纪70年代,1981年,过瘤胃蛋氨酸作为世界上首款饲料添加剂微胶囊产品诞生[24]。微胶囊技术在我国饲料领域的研究起步晚但发展迅速,现已开发出维生素、氨基酸、微量元素、植物精油、酶制剂和微生态制剂等多种微胶囊产品,应用对象由反刍动物逐步推广到单胃动物、禽类和水产动物等。UFAs微胶囊研发稍晚,但近年来在食品工业中被广泛应用,随着技术的不断成熟,UFAs微胶囊也逐渐开始应用于畜禽生产中,不仅在提升畜禽的生产性能、改善畜产品品质等方面发挥了重要作用,还为降低UFAs在反刍动物瘤胃中的氢化作用、提高营养成分的生物利用率提供了可行方案。
3.1 反刍动物
在反刍动物中,如果直接摄入UFAs,UFAs可能会在瘤胃中被氢化为SFAs,过高含量的SFAs不仅会威胁动物健康,还与消费者对高含量PUFAs畜产品的需求相悖,UFAs微胶囊的过瘤胃技术解决了这一问题。Besharati等[58]以壳聚糖为壁材制备亚麻籽油微胶囊,发现奶牛瘤胃对UFAs的氢化作用减弱。Yousef等[59]在扎来比奶山羊饲粮中添加3%的玉米油或纳米乳化玉米油微胶囊,发现纳米乳化玉米油微胶囊降低了生物氢化作用中UFAs向SFAs的转化率,奶山羊的产奶量、乳脂率以及乳蛋白率显著高于添加玉米油组和对照组,且乳中UFAs的含量更高。Lacasse等[13]的研究发现,在饲粮中添加鱼油微胶囊后牛奶中PUFAs的含量增加,这表明微胶囊能有效防止UFAs在瘤胃中氢化,更多的UFAs被吸收利用,并转移到畜产品中,但牛奶中出现的不良气味对牛奶的口感造成了一定影响。类似地,在蛋鸡饲粮中添加鱼油微胶囊,鱼油经微胶囊化处理后可以消除其在饲料中的腥味,但腥味在蛋黄中释放[15]。因此,在探究畜禽饲粮中添加UFAs微胶囊对肉、蛋、奶等畜产品的释放效果时,应考虑释放到畜产品中UFAs的气味是否迎合消费者的口味,以及UFAs的氧化作用对畜产品营养成分和食用价值的影响;另外,还需要控制饲粮中UFAs的添加量,防止对人及动物造成不良影响。
3.2 猪和禽
董森[63]用2%的水溶性微胶囊脂肪粉代替断奶仔猪饲粮中的大豆油,发现断奶仔猪的DMI和ADG显著提高,生长速度加快,生长周期缩短。徐嘉璐等[64]在育肥猪饲粮中加入0.4%的丁酸钠-DHA微胶囊制剂,发现生长后期DMI和ADG均有所提高。Wahid等[65]探究了饲粮中不同比例鱼油微胶囊对杂交育肥猪[杜洛克×(大白×长白)]生长性能和肉脂肪酸谱的影响,发现试验后期ADG和饲料转化效率有显著升高的趋势,背最长肌中DHA、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid,EPA)以及n-3 PUFAs含量均显著增加,肉品质得到一定程度的改善。Lawlor等[66]在来航蛋鸡饲粮中添加鱼油微胶囊,发现鸡蛋中n-3 PUFAs的含量显著增加。目前未见UFAs微胶囊在鸭、鹅、鹌鹑等禽类中的应用。
3.3 单胃草食动物
目前,UFAs微胶囊在单胃草食家畜中的应用相对较少。El-Desoky等[67]在母兔饲粮中分别补充富含PUFAs的辣木叶提取物及其纳米微胶囊,发现试验组母兔的生长性能、乳产量、乳中UFAs含量、受孕率和分娩率以及出生和断奶时的总窝仔数和窝重均显著高于对照组,且纳米微胶囊组的效果均优于游离辣木叶提取物组。通过调研国内外文献发现,UFAs微胶囊在马、驴等马属动物方面的研究和应用未见报道。这主要归因于多方面因素:其一,UFAs微胶囊制备成本颇高,在生产中应用时会出现投入产出比较低的情况;其二,微胶囊制备过程复杂,在开发UFAs微胶囊时需要根据畜禽种类的不同寻找制备方法、合适的壁材、最佳工艺条件,目前没有针对单胃草食动物的UFAs微胶囊产品;其三,马属动物没有胆囊,对脂类物质的消化利用率较低。因此,在马属动物饲粮中适时且合理地补充易于吸收利用的UFAs显得尤为重要。近年特种乳产业发展迅速,就驴乳产业而言,驴乳具有低脂肪、低蛋白质、高乳糖和维生素种类丰富等特点,其各种成分的含量与人乳最为接近,是理想的人乳替代品[68]。但驴乳的乳脂含量不稳定,在0.28%~2.00%范围内波动[69],这种乳成分的不稳定性严重限制着驴乳产业的高质量发展。因此,在泌乳驴饲粮中合理添加UFAs微胶囊,以此作为有效解决驴乳乳脂含量不稳定的关键举措,对进一步推动驴乳产业健康发展具有重要意义。
就现阶段而言,UFAs微胶囊虽然在畜禽生产领域的研究和应用较少,但其在改善动物生长性能、优化畜产品品质和防止反刍动物瘤胃氢化等方面有着良好的效果。同时,随着马乳、驴乳、驼乳、驴皮等特种畜产品的营养价值和保健功效的日益凸显,市场需求呈现出显著的增长态势,这类高附加值动物产品强有力地促进了UFAs微胶囊在畜禽生产领域的应用。
4 小结
UFAs不仅能改善动物的生产性能,提升肉、蛋、乳、皮、毛等畜产品品质,还能对畜禽健康产生重要影响,在畜禽生产中有巨大的应用潜力。过去因各种原因限制了UFAs的高效利用,而微胶囊技术为UFAs在现代养殖业中的广泛应用提供了新的路径。然而,目前UFAs微胶囊在畜禽生产中的应用仍受到动物消化生理差异、包埋技术和成本、畜产品风味等多方面因素的影响,随着UFAs微胶囊在稳定性、包埋率、材质和成型工艺领域的不断发展和创新,必将为高品质UFAs微胶囊作为饲料添加剂的开发和应用带来新契机,在促进畜禽养殖产业发展、满足多元市场需求以及保障高品质畜产品稳定供应等方面发挥卓越的作用。