靜電紡絲技術讓活性分子＂活＂起來

2021-01-20 食品加工包裝在線

活性成分是一類具有生理活性的物質的總稱，其範圍較為廣泛，不僅包含我們所需的基礎營養成分，比如維生素、礦物質等物質，還包括酚類、黃酮類、有機酸、生物鹼、皂甙等具有特殊生理活性的物質，它們具有抗氧化、清除自由基、抗腫瘤、抗輻射等多種功能，被廣泛應用於食品、藥品、保健品及日化等行業。


隨著功能食品開放度的不斷提高，更貼近生活的功能性食品逐漸佔領"橋頭堡"，以多酚類為主的植物提取成分逐漸受到市場熱捧，是功能性產品中炙手可熱的活性成分之一。

然而，由於這些活性成分的結構不穩定，易受光照、溫度、酸鹼度的影響，從而發生氧化反應，進而導致活性的減弱或消失。食品加工過程中要經過很多不利因素的考驗，加工環境相比醫藥行業要惡劣的多，因此，讓活性成分真正的"活"起來，是其在食品領域應用的關鍵。

在活性成分的保護上，包埋法是應用最廣泛、性價比最高的加工方式，其最早出現於上世紀50年代，為生產無碳複寫紙，在研究壓強敏感性壁材過程中產生。包埋技術的原理是通過一種或幾種物質，將活性分子包裹在其他物質內側，從而降低與外界環境的接觸，減少其失活的概率。通過其原理也可以看出，食品包埋技術有兩個關鍵點：壁材和工藝。



包埋壁材是決定包埋效率的一個關鍵，常用的壁材有澱粉類、蛋白類、殼聚糖、纖維素、海藻酸鈉、阿拉伯膠及果膠等，壁材的選用與被包埋的成分性質、加工技術及硬體設施有關，他們之間沒有明確的界限。


以益生菌包埋為例，益生菌包埋產品應具有胃不溶腸溶性特點，以保證菌體不被胃液破壞順利到達腸道後再釋放出來，壁材物質還應具有成膜性好、性質穩定的特性，因此在包埋上通常選用海藻酸鈉作為壁材。海藻酸鈉分子鏈上有許多游離親水性基團，鈣離子等能佔據海藻酸鈉內的親水空間，並與羧基官能團上的氧原子螯合，形成三維網狀結構，從而將益生菌包埋其中。


由於壁材的特性不同，單一的壁材有時無法滿足加工需要，比如用海藻酸鈉包裹益生菌，由於海藻酸鈉的孔徑較大，易造成分子流失，影響包埋率，並且過大的空隙還不能阻止胃酸的進入。此時，在益生菌包埋上就需要採用復配包埋、多層包埋等形式。另外，更有針對性的複合壁材也在不斷湧現，脂質體、澱粉-脂類複合物等新一代壁材逐漸得到推廣和應用。總體來看，包埋材料除了在親水和親油上有明顯區分外，其整體的通用率較高。



除壁材外，加工技術是左右包埋效果的另一個關鍵點。目前的包埋加工技術有化學法和物理法，化學法有凝聚法、共結晶法，分子包含等方式，由於化學法需要額外添加一些加工助劑，對應用並不友好，因此常用的方法多是物理加工法，比如噴霧乾燥、冷凍乾燥及多種擠壓法等。近年來，一種更高效的加工技術逐漸成為熱點，它利用靜電作用力將高分子聚合物轉變成微納米級超細纖維，從而提高包埋的效果。



靜電紡絲技術最早由Formhals於1934年提出，它是由擠壓技術發展而來，當高聚物溶液以一定流速被擠出注射器針頭於直流高壓靜電場下時，針尖液滴會向最近的低電勢點方向伸展，從而形成泰勒錐結構。當電場產生的靜電作用力克服泰勒錐尖端液滴的表面張力時，就會噴射出一股帶電高聚物的細流。受靜電作用力、庫倫斥力、表面張力、流體黏彈力等影響，帶電射流進一步加速拉伸並呈螺旋擺動，使得溶劑快速揮發，高分子聚合物從而形成連續超細纖維形態，被收集於接收端上。受制於納米技術的不完善，直到上世紀末，該技術才真正開始從理論向實踐轉化。


靜電紡絲技術的特點發揮依賴於納米級材料的獨特性能，納米級材料能夠提供更大的比表面積，這與傳統的包埋方式得到的顆粒通常是毫米或者微米級的相比，通過靜電紡絲加工技術能夠得到更好的包埋效率。仍以益生菌包埋為例，靜電紡絲技術由於不需要嚴苛的溫度和壓力，也不需要使用有毒的有機溶劑或加工助劑，其對益生菌的包埋存活率提升有顯著作用。

實際上，包埋技術的應用範圍非常廣泛，除了我們所熟知的功能性活性成分，還應用到色素、香料等敏感性成分上，甚至是大分子的酶類物質以及益生菌等也可應用包埋技術來提高應用的可行性。

隨著壁材及包埋技術的發展，應用門檻和成分都在逐年下降，包埋技術也有望成為食品加工中的基礎加工技術之一。不過，靜電紡絲技術在食品中仍有問題需要解決，一方面由於食品常用的壁材質量分布不均，穩定性難以維持，另一方面，不同壁材間的復配對紡絲效果的影響還沒有研究透徹，在某些產品中靜電紡絲的穩定性要低於常規產品。但不可否認，靜電紡絲技術是讓分子"活"起來的有效方式之一，非常值得研究與推廣。


關鍵詞：活性成分、包埋、靜電紡絲技術


作者：Huer

Huer，從事熟肉製品產品研發10年，糕點生產線產品開發3年。


來源：食品加工包裝在線

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