负载铁元素的复合凝聚微胶囊：食品营养强化领域的前沿策略与突破性应用

本研究针对铁缺乏性贫血防治中传统铁剂直接添加工艺引发的氧化、异味及变色问题，创新性地采用乳清蛋白分离物(WPI)和阿拉伯胶(GA)通过复合凝聚技术包封硫酸亚铁(Fe2+)。研究成功制备出粒径0.5-5.1 μm、包封率达61.1%的微胶囊，热稳定性高达331.6°C。在发酵乳饮料中应用21天后，微胶囊化铁保留率比游离铁高17倍(2.47 mg/100mL vs. 0.14 mg/100mL)，可满足儿童22%每日铁需求量，为营养强化食品开发提供了技术可行、经济适用的解决方案。

　　

在全球范围内，铁缺乏性贫血仍然是困扰儿童和妇女健康的主要营养问题，尤其在社会经济脆弱地区更为突出。这种微量营养素缺乏不仅导致贫血，还与认知功能障碍、免疫力下降和围产期死亡率升高密切相关。传统食品铁强化策略虽然有效，但面临重大技术挑战：直接添加铁化合物会引发食品氧化变质、产生不愉快的金属味和颜色变化，严重限制消费者接受度和技术可行性。

面对这一难题，巴西联邦大学北部米纳斯吉拉斯州教育科技研究所的研究团队在《LWT》发表创新性研究成果，开发出基于复合凝聚技术的铁负载微胶囊系统。研究人员采用乳清蛋白分离物(WPI)和阿拉伯胶(GA)作为壁材，通过精确控制的双乳液(W/O/W)制备工艺和复合凝聚过程，成功将硫酸亚铁(FeSO₄•7H₂O)封装于微胶囊中。研究设置了四种不同壁材-芯材比例的处理组，通过冷冻干燥获得最终产品，并系统评估了微胶囊的包封效率、形态特征、热稳定性和在实际食品基质中的应用效果。

关键技术方法包括：采用高速均质(10,000 rpm)制备W/O/W双乳液；通过pH调节至4.0诱导WPI与GA的复合凝聚；运用冷冻干燥技术保持微胶囊结构完整性；使用原子吸收光谱法(AAS)定量铁含量；通过扫描电子显微镜(SEM)分析形态特征；利用热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)评估热稳定性；最终在40L规模的发酵乳饮料中进行应用验证。

3.1. 微胶囊包封效率与得率

研究结果显示，四种处理组的包封效率在50.4%至55.8%之间，得率范围44.6%-61.2%。其中处理IV(1.5g WPI:1g GA:3g Fe²⁺)表现最佳，包封效率达55.78%，得率为61.15%。这表明WPI与GA的组合能通过静电和螯合相互作用有效保留铁离子，形成结构稳定的微胶囊矩阵。

3.2. 微胶囊中铁浓度

微胶囊中的铁含量为1.29-1.33 mg/g，虽低于某些文献报道值，但处理IV显示出最佳的铁负载能力，这与其平衡的壁材-芯材比例和形成的结构高效矩阵密切相关。

3.3. 外观、形态与尺寸

光学和扫描电镜分析显示，微胶囊呈现明确的核壳结构，粒径分布为0.5-5.1 μm。处理IV的微胶囊不仅尺寸最小(0.5±0.4 μm)，且圆形度最高(0.74±0.34)，表明其形态最为规则。元素映射分析证实了铁在微胶囊中的均匀分布，同时检测到氧、钠、硫、氯、钙等元素，其中硫的存在可能与硫酸亚铁原料或WPI蛋白中的硫基团有关。

3.4. 结构特性

傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析揭示了WPI与GA之间成功的复合凝聚形成，主要表现为O-H波段位移至3290-3352 cm^-1，酰胺I峰从1628 cm^-1移至1635.3-1650.8 cm^-1，表明质子化氨基团(NH₃⁺)与羧酸根团(COO^-)之间的静电相互作用。

热重分析(TGA)显示微胶囊经历五个热分解阶段，最终在600°C残留22.24%的残余物，证实了微胶囊系统的热稳定性。差示扫描量热法(DSC)分析检测到约30°C的玻璃化转变温度(Tg)和130°C的熔融温度(Tf)，表明该系统在生理条件或适度加工条件下可能允许铁的控释。

3.4.4. 微胶囊化铁在发酵乳饮料中的稳定性

在实际应用测试中，微胶囊化铁表现出卓越的功能性能。在发酵乳饮料中储存21天后，微胶囊化铁配方(BLFM)的铁浓度比游离铁配方(BLFL)高1764%，损失率仅1.98%，而游离铁的损失率高达95.15%。值得注意的是，BLFM在21天后甚至显示铁含量增加8%，这可能归因于发酵饮料中蛋白质形成三维网络，物理截留了微胶囊，增强了铁稳定性。

研究结论表明，WPI-GA复合凝聚系统成功生产出具有中等包封效率(61.15%)和得率(55.78%)的铁微胶囊。尽管效率刚达到预定的成功标准(>60%)，但微胶囊在功能性表现上异常出色，包括高热稳定性和在发酵乳制品中的显著矿物质保留能力。这些发现证实了该技术在食品营养强化，特别是乳制品矩阵中的应用潜力，能为0-5岁儿童提供22%的推荐每日摄入量。

该研究的重大意义在于为解决铁缺乏性贫血这一全球性健康问题提供了技术可行、经济适用的解决方案。微胶囊化技术不仅保护铁免受降解，隔离其与反应性组分的接触，减少不良化学反应，还可能通过改善铁的生物利用度而带来双重健康效益。这一策略符合公共卫生目标，在提高必需矿物质摄入的同时，可能减少食品中形成的有害化合物暴露，为营养强化食品开发提供了新思路和技术路径。

研究团队也指出，将该系统转化到工业规模需要通过中试规模研究和成本效益分析进行验证。进一步研究应评估微胶囊在不同食品矩阵和延长储存期间的稳定性，以及体内生物利用度，确定改进的体外稳定性是否转化为增强的铁吸收。全面的感官评价、消费者接受度研究和体外胃肠道模拟也值得进行，以在体内验证前表征铁释放和生物可及性。