随着经济社会的发展和生活水平的提高,人们越来越重视饮食的营养均衡性。α-亚麻酸(α-linolenic acid,ALA)作为omega-3系列不饱和脂肪酸的重要组成部分,含有18个碳原子和3个顺式双键,是一种重要的羧酸。ALA作为机体的一种必需脂肪酸,意味着动物无法自身合成,必须通过饲粮获得。Mattos等[1]在大鼠和反刍动物的比较研究中发现,生产阶段的反刍动物每日对必需脂肪酸的需求为88 mg/kg。亚麻籽油、菜籽油、大豆油和核桃油等植物油脂是ALA的重要来源。ALA是所有omega-3多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid,PUFA)的前体,在动物体内能转化成对生长和健康具有重要作用的活性物质(二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸),这些PUFA在动物体内发挥着一系列重要的生理作用,包括保护心血管、抗癌、保护神经、抗骨质疏松、抗炎和抗氧化等一系列作用,有助于维持整体健康和提高免疫力[2],因此如何提高饲粮中的ALA逐渐成为研究的热点。然而,由于ALA的高不饱和度结构,其对氧化、光照和温度等条件高度敏感,在加工运输和代谢过程极不稳定且水溶性低,面临生物利用度较低的问题[3]。
为了提高ALA的稳定性和生物利用度,研究人员相继针对开发了各种包封ALA生产工艺。其中,微胶囊技术可以一定程度上防止功能性物质氧化,减少营养成分流失,提升芯材的氧化稳定性,延长其保质期,受到国内外研究界的重点关注。微胶囊技术是指用壁材将芯材(多糖、益生菌、多肽等活性物质)包封起来形成微小颗粒,保护核心免受外界环境影响的技术。在饲料工业中,包封技术被广泛应用于保护饲料中的活性成分,提高其稳定性和生物利用度。与包被技术相比,包封技术更侧重于保护活性成分的生物活性和功能,而包被技术则通常用于改善物料的物理和化学性质,增强抗氧化和抗潮湿能力。包封技术提高饲料质量和保质期,也提高动物的生长性能和健康水平,其广泛的应用领域还包括食品、化妆品、纺织、农业和制药等。本文对ALA包封技术、包封产品储存稳定性以及包封产品对反刍动物的影响进行综述,旨在为ALA包封研究提供参考。
1 ALA包封技术
ALA的包封技术主要通过将其封装在适当的载体中,以提高其稳定性和生物利用度。常见的包封制备方法包括喷雾干燥、冷冻干燥、凝聚、脂质体包埋和乳化等(图1)。不同的包封技术依赖于不同的原理和工艺,通过选择合适的壁材和操作条件,能够有效提高ALA的储存稳定性和抗氧化性。
1.1 喷雾干燥
喷雾干燥是一种连续封装方法,属于单元工艺。其原理是将生物活性化合物封装在壁材中,使液体转化为干燥粉末(<40 μm),该方法能有效保存、稳定生物活性化合物,延缓其降解。其具体过程分为3个阶段:乳液雾化、物料干燥和粉末分离[4]。该方法的基本原理是将载体材料溶解在水中以制备液体形式的乳液,然后将该乳液注入热介质(100~300 ℃)中以蒸发水分。最终的干燥产品可以粉末形式或团聚颗粒的形式收集,具体取决于进料中使用的材料的性质、干燥机操作的设计和操作条件[5]。自20世纪50年代以来,喷雾干燥因其价格便宜、加工容易、灵活、可以连续操作并且能产生高质量的颗粒而广泛应用于脂肪和油脂等食品工业。Karaca等[6]通过喷雾干燥将油脂微胶囊包埋在鹰嘴豆和小扁豆分离蛋白中,成功地延长了亚麻籽油的贮藏期。Barrett等[7]通过喷雾干燥,以变性淀粉和酪蛋白酸钠为壁材,发现亚麻籽油的储存稳定性显著提升。但能否成功包封富含脂肪酸的植物油并在储存过程中提高其氧化稳定性的重要因素之一是选择合适的壁材,因为壁材决定了最终得到的粉末的形态和物理化学属性[8]。合适的壁材不仅可以保护PUFA免受环境中促氧化剂的侵害,还可以防止omega-3 PUFA在到达小肠之前被瘤胃微生物氢化,从而提高其储存稳定性和过瘤胃效率[9]。Nejatian等[10]通过对喷雾干燥法包封富含脂肪酸的油脂研究总结发现,不同壁材的组合可以有效地提高富含脂肪酸的植物油的储存稳定性;并且,选择组合壁材不仅可以利用各自物质的优点,还可以通过替换昂贵的材料来降低成本。Zahran等[11]揭示了不同壁材的组合可有效提高富含脂肪酸的植物油的贮存稳定性。Nejatian等[10]报道,浓缩乳清蛋白和麦芽糖糊精是喷雾干燥法包封亚麻籽油储存稳定性效果最好的壁材组合。此外,壁材的分子质量也被视为决定氧化稳定性的重要因素。Pratibha Kaushik[12]认为,较低浓度的壁材会降低亚麻籽油的氧化稳定性,这可能与壁材不足以包封油有关。研究发现,在提升亚麻籽油的抗氧化能力方面,相比麦芽糖糊精或者与阿拉伯树胶的组合体,阿拉伯树胶的效果更好,这可能是由于阿拉伯树胶的密度较高,分子质量更大,并且能形成厚壁,从而提供更好的抗氧化屏障[13-14]。
1.2 冷冻干燥
冷冻干燥,简称冻干,是一种广泛应用于封装热敏性挥发化合物,生产高质量食品粉末和固体的技术。其具体操作流程主要分为3个关键步骤:冷冻过程、升华干燥阶段以及解析干燥阶段。该方法的基本原理是将被干燥的物料冻结至共晶点温度以下,利用水的升华原理,在真空条件下加热,使冻结的水分子升华而逸出物料的过程[15]。因为冻干过程是在真空和低温条件下进行的,所以这有助于减少所得微胶囊的氧化[16]。Rezvankhah等[17]以浓缩乳清蛋白、麦芽糖糊精和阿拉伯树胶作为壁材,通过冻干法对大麻籽油进行包封,发现组合壁材含有20%麦芽糖糊精、13.42%阿拉伯树胶和0%的浓缩乳清蛋白的微胶囊效果最佳,其包封效率高达99.31%,过氧化值(peroxide value,POV)低至0.03 meq/kg,油的储存稳定性显著提升。Wang等[18]通过冷冻干燥对亚麻籽油制备微胶囊发现,相比于未处理的亚麻籽油,微胶囊中的亚麻籽油POV显著降低,氧化稳定性提高。关于喷雾干燥和冷冻干燥二者包封率的比较,几项研究都给出了各自的结果,但是结果并不一致。Kaushik等[19]在试验中分别通过喷雾干燥和冷冻干燥来包封亚麻籽油,使用亚麻籽蛋白和亚麻籽凝聚物作为壁材,发现与冷冻干燥相比,喷雾干燥有更高的氧化稳定性和微胶囊效率。另一项研究显示,喷雾干燥和冷冻干燥包封的奇亚籽油在氧化稳定性和包封率上没有显著差异[20]。而在Elik等[21]的研究中,冷冻干燥制备的亚麻籽油微胶囊储存稳定性显著好于喷雾干燥。相比于喷雾干燥,冷冻干燥有更贵的成本、更低的产量、更长的处理时间,以及冻干过程中形成的多孔结构导致核心收到的保护较弱,这些缺点都影响了冷冻干燥在实际工业生产中的广泛应用[22]。
1.3 凝聚
凝聚是一种常见且使用广泛的包封技术,通过改变反应条件(如改变反应的温度、pH,加入电解质和无机盐)使溶解状态的壁材从溶液中发生凝聚反应盐析出来,并将芯材包封成微胶囊的制备方法[23]。凝聚可以分为简单凝聚和复合凝聚。简单凝聚是单一聚合物通过电解质发生盐析,或者通过添加非溶剂(如乙醇)或控制温度变化来驱动凝聚[24]。复合凝聚则是2种或2种以上带相反电荷的聚合物参与,通过在介电环境中带相反电荷的复合物发生静电作用来降低溶解度,导致液相与不溶凝聚层相互分离,从而形成高分子聚电解质复合物,该高聚合物进一步冷凝沉淀形成微胶囊[25]。同其他包封方法一样,壁材的选择至关重要。凝聚法中壁材的选择主要包括明胶、乳清蛋白、葡萄糖、抗性淀粉、植物蛋白质和酪蛋白酸盐。Comunian等[26]报道了凝聚壁材的组成能对封装ALA的微胶囊氧化稳定性造成影响。复合凝聚操作简单、较低的生产成本和很不错的包封率,这些都是该法突出的优点。相比于喷雾干燥,凝聚包封制备的微胶囊有更高的耐热性和稳定性[27]。
1.4 脂质体包埋
脂质体是由磷脂分子分散在水相体系中而构成的类球状磷脂双分子层囊泡,它们具有封装和释放脂溶性、水溶性和两亲性材料的能力,是一种良好的输送载体。脂质体具有类脂双分子层球状结构,有亲水性空腔,双分子层的亲水性头部形成膜的内外表面,而亲脂性的尾端则位于膜的中间(图2)。脂质体之所以独特,归功于其特有的双分子层结构。这种结构使得亲水性物质得以安全地包裹在水性腔隙之中,而脂溶性物质则倾向于嵌入双层脂质膜之间。至于两亲性分子,则根据它们与脂质体的亲和力不同,分布在水相和油相的界面上[28]。正是这种独特的结构使脂质体对于输送富含必需脂肪酸的植物油非常有利[29]。但是这种特殊的结构也使得脂质体不能封装任何可溶于水相或者脂相的芯材[30]。Choudhary等[31]在研究中应用纳米脂质体封装奇亚籽油中的ALA,与奇亚籽油相比,纳米脂质体的POV显著降低,这表明纳米脂质体的磷脂双层能充当保护屏障,有效防止奇亚籽油的氧化。在另一项研究中,宋范范[32]使用蛋黄磷脂酰胆碱制备亚麻籽油脂质体研究发现,当蛋黄磷脂酰胆碱与亚麻籽油的比例在20∶1时,脂质体的POV和硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)值最低,表明脂质体氧化程度与亚麻籽油载入量有关,并认为过量的亚麻籽油会让脂质体膜结构发生不稳定,从而导致脂质体包埋物渗漏。
1.5 乳化
乳化也是一种常见的包封富含必需脂肪酸的油脂的包封技术。乳化过程的基本原理是借助机械能或者乳化剂将2种不混溶的液体混合,而这2种液体混合也就是形成了乳液[34]。乳液常分为油包水型和水包油型,其中水包油型乳液的制备是富含omega-3 PUFA的油脂微胶囊化过程中最重要的一步。在乳液形成过程中,油通过机械能的作用(如均质化)分散在含有乳化剂(如蛋白质)的水性连续相中,形成的水包油乳液液滴直径通常在100 μm至100 nm[35]。乳液可以作为液体乳液直接使用,也可以经过喷雾干燥或冷冻干燥生产最终粉末产品[36]。研究发现,与散装亚麻籽油相比,乳液的氧化稳定性较高[37]。除了乳液的粒径外,影响乳液氧化的因素还有很多,比如乳液配方、多分散指数(polydispersity index,Pdl)和ζ单位等特性。而优化乳液特性的主要目的就是获得最大的库伦斥力、最小的液滴尺寸和最小的Pdl[38]。
表1 不同类型ALA微胶囊的研究现状Table 1 Current status of research on different types of ALA microcapsules |
| 包封类型 Encapsulation types | 选用壁材 Wall materials selected | 优点 Advantages | 局限性 Limitation | 包封率 Encapsulation efficiency/% | 参考文献 References |
|---|---|---|---|---|---|
| 喷雾干燥 Spray drying | 阿拉伯树胶、 乳清蛋白分离物 | 低成本,微胶囊粉末 质量高;壁材要求溶于水, 不适用于热敏性物质 | 与未包封的亚麻籽油相比, 亚麻籽油微胶囊的氧化 稳定性和储存稳定性提高 | 87.7~90.6 | [13] |
| 冷冻干燥 Freeze drying | 麦芽糖糊精、 扁豆分离蛋白 | 温度低,能有效防 止油脂粉末氧化,适用 于热敏性物质 | 制备时间长,能耗大, 成本较高,需要粉碎 | [39] | |
| 凝聚 Condensation | 明胶、阿拉伯胶、 腰果胶、芥子酸等 | 工艺简单, 过程温和 | 产量少,不适于 工业化生产 | 93.73~97.63 | [40] |
| 脂质体包埋 Liposome embedding | 壳聚糖、豌豆蛋白 分离物水解物 | 具有缓释效果,适于 亲水性和疏水性物质 | 制备复杂,成本较高, 不具备规模化生产 | [41] | |
| 乳化 Emulsification | 壳聚糖、海藻酸盐、 姜黄素 | 适用性强,制备简单, 具有一定的包封率 | 壁材的组合显著影响微胶囊的 氧化稳定性和包封效率;加工、 储存不太稳定,依赖抗氧化剂 | 83~99 | [42] |
2 ALA微胶囊氧化稳定性评价方法
2.1 POV法
2.2 氧化稳定性测定仪法
氧化稳定性测定仪法是美国石油化学家学会(AOCS)正式提出的一种加速氧化试验(AOT)方法。该方法的原理是将样品溶于一个惰性溶剂中,然后重复添加氧气,以模拟正常或加速的氧化过程。在每次氧化中,样品中自由基的含量都会增加,直到样品产生氧化链反应为止。通过监测每次氧化中溶液中荧光自由基含量的变化,可评价样品的氧化稳定性,最终将获得样品的氧化诱导期(oxidation induction period,OIP)和氧化时间。OIP越长,表明样品的抗氧化活性越好,稳定性越高。Barroso等[48]使用含改性淀粉的乳液通过喷雾干燥封装亚麻籽油发现,与散装油相比,喷雾干燥封装的亚麻籽油OIP(50 h)高于散装油(1.4 h),表明亚麻油微胶囊的氧化稳定性强于散装油。
2.3 p-茴香胺值(p-anisidine value,p-AV)法
2.4 TBA值法
表2 测定ALA微胶囊氧化稳定性的不同方法Table 2 Different methods for determining oxidative stability of ALA microcapsules[48] |
| 方法 Methods | 检测指标 Detection indices | 优点 Advantages | 缺点 Disadvantages |
|---|---|---|---|
| 过氧化值法 Peroxide value method | 氢过氧化物 | 应用最为广泛 | 相对不敏感,检出限仅为0.5 meq/kg |
| 氧化稳定性测定仪法 Oxidation stability tester method | 自由基 | 快速、易操作和 可重复性佳 | 样品大小、气流速率和操作过程的 温度都会对结果产生影响 |
| p-茴香胺值法 p-anisidine value method | 醛和酮 | 能够测量高分子量的 非挥发性化合物 | 会受到吸光度为350 nm的 其他化合物的干扰 |
| 硫代巴比妥酸值法 Thiobarbituric acid value method | 丙二醛 | 操作简单,成本较低 | 非特异性,在较低氧化水平下无效 |
3 包封ALA动物试验评价
动物试验是评价脂质保护产品作用效果的关键环节,通常对包封产品对反刍动物瘤胃发酵、养分消化率和生产性能等方面的影响进行综合评价。
3.1 对反刍动物瘤胃发酵的影响
反刍动物与瘤胃微生物群落之间的共生关系,使得反刍动物能够利用瘤胃中的微生物发酵作用从植物性原料中获取能量,如瘤胃微生物能够分解单胃动物难以消化的纤维素产生挥发性脂肪酸或者分解饲粮蛋白质合成瘤胃微生物蛋白。瘤胃微生物与饲粮之间存在复杂的相互作用[53],在饲粮中补充植物油可能会导致微生物群落发生变化,从而影响瘤胃的发酵过程。研究表明,在反刍动物饲粮中添加PUFA可以减少肠道甲烷的生成,同时增加丙酸盐的生成,其原因是瘤胃微生物区系发生了相应改变[54]。高栋[55]在对小尾寒羊的饲喂试验中,添加5%精料油脂水平的亚麻籽微胶囊发现,羊瘤胃液中丙酸含量显著提升,而对瘤胃内环境pH和氨态氮含量没有显著影响。Zanferari等[56]对奶牛饲粮中添加壳聚糖包封的大豆油与完整大豆的效果进行了评估,结果表明,壳聚糖包封的大豆油显著提高了瘤胃pH,并降低了乙酸盐与丙酸盐的比值;此外,壳聚糖包封大豆油还显著改变了瘤胃微生物群落的结构,尤其是降低了参与纤维素降解及生物氢化过程的丁酸弧菌属(Butyrivibrio)的相对丰度。丁酸弧菌属是瘤胃中主要的纤维消化菌群之一,其在氢代谢中的作用对瘤胃发酵具有重要影响[57]。瘤胃中代谢氢的减少会提高瘤胃的发酵[58]。Rey等[59]研究结果与前述研究一致,表明在奶牛饲粮中添加壳聚糖包封微胶囊脂质能够降低瘤胃中乙酸盐与丙酸盐的比值,并促使挥发性脂肪酸的组成朝着更有利于能量获取的方向发展;同时,该处理还改变了瘤胃微生物群落的结构,尤其是降低了丁酸弧菌属的相对丰度。
综上所述,在饲粮中添加瘤胃保护脂质产品能够通过调节瘤胃微生物群落的组成,降低乙酸盐与丙酸盐的比值,有效改善瘤胃的发酵效率。
3.2 对反刍动物消化性能的影响
评价饲料的营养价值需要测定反刍动物的养分消化能力。干物质摄入量(DMI)和有机物摄入量(OMI)是衡量反刍动物饲养效率的关键指标,它们对确保动物能够维持基本健康和生产所需的营养至关重要。特别是DMI,它通常被视为制定反刍动物饲粮配方的基础条件[60]。干物质(DM)和有机物(OM)的表观消化率是衡量动物对特定饲料消化能力的重要指标,这些指标的高水平表明动物能够更有效地消化养分,从而反映出饲料具有更高的营养价值。有研究报告表明,在反刍动物饲粮中添加油脂会对DM表观消化率产生负面影响[61]。Besharati等[62]通过体外发酵试验发现,在反刍动物饲粮中添加7.14%的亚麻籽油会导致消化率降低,而使用海藻酸钙包封亚麻籽油的微胶囊则未对消化率产生不利影响。Behan等[63]在绵羊饲粮中添加瘤胃保护脂质,发现其DM、OM、粗蛋白质(CP)、中性洗涤纤维(NDF)和酸性洗涤纤维(ADF)的表观消化率均未受到显著影响。Naik等[64]的研究也表明,在水牛饲粮中添加瘤胃保护脂质对DM、OM、CP及NDF的表观消化率均没有显著影响。
综上所述,现有研究表明,饲粮中添加瘤胃保护脂质对反刍动物的养分消化率通常不会产生不利影响,且这一处理可能有助于改善饲粮的能量转化效率。
3.3 对反刍动物生产性能的影响
畜牧生产的生产性能评估通常依赖于多个关键指标,包括动物日增重、产奶量、料重比和胴体性状等。这些指标不仅反映了动物的生长发育状况和生产能力,也为畜牧业的生产管理和育种改良提供了重要的参考依据。在奶牛饲养中补充亚麻籽油必须要考虑的因素是亚麻籽油中的脂肪酸对泌乳性能的不利影响。奶牛的泌乳性能包括产奶量、乳脂率和乳蛋白含量等。Martin等[65]研究发现,饲喂补充5.7%亚麻籽油的玉米青贮饲粮,奶牛的产奶量下降。Brown等[66]研究发现,在奶牛饲粮中添加800 g鱼油和亚麻籽油(3∶1),奶牛的产奶量和乳脂率下降。但也有不同的研究结果,Manriquez等[67]研究发现,在过渡期泌乳奶牛饲粮中添加瘤胃保护脂质显著提高了奶牛日产奶量,对乳脂含量没有影响。其他研究也表明,在奶牛饲粮中添加瘤胃保护脂质可以提高产奶量,而不降低乳脂率[68-69]。在畜牧业生产中,生产性能的评估指标因畜种类型而异。对于乳用畜种(如奶牛和奶山羊),产奶量是其主要的生产性能指标,反映了其产乳能力和经济效益;而对于肉用畜种(如肉羊和肉牛),其生产性能则主要通过日增重、料重比和胴体性状来评估。研究表明,在饲粮中添加PUFA可以在动物生产中提高日增重[66,70];Bhatt等[71]在淘汰母羊饲粮中添加瘤胃保护脂质发现,饲喂90 d后,母羊胴体性状改善,日增重和活重显著高于对照组;张秋旭[72]在肉羊饲粮中添加不同形式的亚麻油发现,日增重和活重均显著提高,其中亚麻籽油微胶囊相比于亚麻籽油、完整亚麻籽效果更好。综上可知,在反刍动物饲粮中添加不同形式的适量亚麻油能对反刍动物生产性能产生积极影响。
不过,以上研究结果也表明,添加亚麻籽油对畜种的影响存在显著的差异。对于奶牛,适量添加亚麻籽油可能不会显著影响产奶量和乳成分,但高剂量的亚麻籽油可能导致产奶量和乳脂率下降。这可能是由于高剂量的亚麻籽油导致瘤胃功能紊乱所致。而对于肉用畜种,特别是羊,添加富含PUFA的饲料(如亚麻籽或亚麻籽油)似乎对生产性能有显著的积极影响,适量添加PUFA可以显著提高日增重和降低料重比。这可能是由于PUFA对动物生长和代谢的调节作用所致。因此,亚麻籽油的添加效果取决于畜种类型和添加剂量。对于奶牛,需要谨慎考虑添加剂量,以避免对泌乳性能产生不利影响;而对于肉用畜种,亚麻籽油的添加可能是一种有效的方式来提高生产性能。
4 小结与展望
包封技术解决了ALA等PUFA化学稳定性和生物利用度较差的难题,被证明是提高富含ALA的氧化稳定性和储存稳定性的高效策略之一。除此之外,包封技术还能通过增强小肠上皮细胞的吸收,在提高ALA的生物利用度方面发挥关键作用。虽然目前主流研究的重点是包封ALA的工艺优化和性能,但目前过瘤胃ALA产品的生产工艺仍存在许多不足,喷雾干燥是目前生产包封ALA最常用的技术,冷冻干燥耗时且价格昂贵,乳化需要抗氧化剂的存在来提高产品的储存稳定性。除此之外,ALA包封产品在许多试验研究中已被证实可行,但在生产中大规模、经济得制成过瘤胃ALA产品是个挑战。因此,在今后的研究方向中应考虑大规模生产包封ALA产品的可行性和实际的生产应用。