综述：喷雾干燥β-胡萝卜素：包封、稳定化与控释技术

《Food Chemistry》：Spray dried β-carotene: Encapsulation, stabilization, and controlled-release

　　摘要：维生素A缺乏仍是全球范围内的重大公共卫生问题，而β-胡萝卜素作为一种前维生素A类类胡萝卜素，被广泛用于食品强化以增加维生素A的摄入量。然而，由于其水溶性差、生物利用度低，以及易受热、光和氧气影响，其在食品中的应用受到限制。本综述探讨了喷雾干燥作为β-胡萝卜素包封技术的应用，重点分析了壁材和操作条件对粉末形成、包封效率、稳定性及释放行为的影响。同时总结了与食品系统相关的β-胡萝卜素的化学结构、健康益处及主要降解途径。现有研究表明，喷雾干燥包封技术可显著提升β-胡萝卜素的性能，包封效率可达99%。碳水化合物基载体，尤其是麦芽糊精最为常用，而乳清蛋白分离物等蛋白质则常被结合使用以提高乳液稳定性和基质完整性。包封技术能够提高β-胡萝卜素在储存和受热条件下的稳定性，有些体系在60°C下存放四周后仍能保持99%以上的活性；而基于胶原肽的交联蛋白-肽基质则可通过在胃部消化过程中提供更好保护并在肠道阶段实现可控释放，使β-胡萝卜素的生物利用度提升至82.95%。总体而言，喷雾干燥是一种具有前景且可大规模应用的β-胡萝卜素递送方法，但还需进一步研究大规模连续加工技术、经济型壁材选择以及复杂食品基质中的长期稳定性问题，以将实验室研究成果转化为实际应用。

引言：类胡萝卜素是一组由植物、藻类、真菌及某些细菌合成的天然色素，主要存在于叶绿体和其他光合作用结构中。这类化合物以40碳多烯骨架为特征，可分为两大类：仅由碳和氢构成的胡萝卜素（如α-胡萝卜素、β-胡萝卜素和番茄红素），以及其氧化衍生物——叶黄素和玉米黄质（Eun等人，2020；Gul等人，2015）。其中，β-胡萝卜素是最为重要且研究最广泛的类胡萝卜素之一。它具有深红橙色，广泛存在于胡萝卜、红薯和芒果等多种水果蔬菜中（Chen等人，2021；Flores，2025）。作为维生素A的主要前体，β-胡萝卜素在解决全球健康问题中起着关键作用——在低收入和中等收入国家，维生素A缺乏仍然普遍存在，影响了33%的学龄前儿童，导致视力受损和骨骼发育迟缓（Lavelli & Sereikait?，2022）。除了作为维生素A前体外，β-胡萝卜素还具有免疫调节、抗氧化和抗炎作用，有助于增强免疫系统。反之，其缺乏会导致干眼症，严重时还会引发失明（Sereti等人，2025；Zhao等人，2024）。这些健康益处使得β-胡萝卜素成为食品、饮料和制药行业重要的营养强化剂。2023年全球β-胡萝卜素市场规模为10.3亿美元，预计到2030年将上升至13.8亿美元，这得益于其在膳食补充剂和化妆品中的日益广泛应用（《β-胡萝卜素市场（2024 - 2030）》）。然而，β-胡萝卜素在加工和储存过程中易受氧气、热和光的影响，加之其水溶性低且在胃肠道中不稳定，导致生物利用度较差（Chen等人，2021；Sereti等人，2025）。为克服这些难题，包封技术应运而生——该技术通过将β-胡萝卜素等敏感化合物包裹在保护性载体或壁材中，有效提升该色素的稳定性和生物利用度。包封技术提升了β-胡萝卜素在食品和药品中的应用范围，涵盖烘焙食品、坚果零食、饮料以及口服制剂，同时提高了其稳定性、分散性，并增强了其对光和氧的防护能力（Grune等人，2010）。根据具体应用需求，壁材可以是碳水化合物、蛋白质、脂质或其他食品级基质（Sereti等人，2025）。目前已有多种包封技术被应用，包括同轴电纺、冷冻干燥、脂质体、水包油乳液和皮克林乳液（Drosou等人，2022；Drosou & Krokida，2024；Fitri等人，2022；Meng等人，2024；Xu等人，2022）。在选择包封方式时，需考虑β-胡萝卜素较强的亲脂性，因此以乳液为基础的系统被广泛采用。不过，这类分散体系存在诸多局限，如界面氧化问题，以及由于乳脂分层、聚结和奥斯特瓦尔德熟化作用导致的储存稳定性差（Lu等人，2016）。为解决这些问题，许多研究将液态乳液转化为粉末形式。在喷雾干燥过程中，水分迅速蒸发，使得富含壁材的连续相围绕载有β-胡萝卜素的油滴固化，从而将油滴固定在干燥基质中，减少乳脂分层和聚结所需的物理运动（Gharsallaoui等人，2007）。在各类可用方法中，喷雾干燥因其可规模化、成本效益高且能与多种壁材兼容，成为食品应用中最广泛采用的技术。尽管该技术存在因热应力对敏感成分造成影响以及粉末产率较低等问题，但它能生成具有理想特性的粉末，如低水分含量、更好的溶解性以及易于处理，非常适合大规模应用。此外，它还能掩盖不良风味，确保强化产品中微量营养素的均匀释放（Lavelli & Sereikait?，2022；Magallanes Levano等人，2025）。关于喷雾干燥包封技术的文献数量增长迅猛，从2010年的61篇增加到2025年的463篇。尽管已有许多关于喷雾干燥以及β-胡萝卜素包封技术的综述（Flores，2025；Lavelli & Sereikait?，2022；Sereti等人，2025），但根据Web of Science的数据，专门针对β-胡萝卜素喷雾干燥包封技术的综合性综述仍然较少，如图1所示。这意味着目前尚未建立起既能保证加工和储存过程中的稳定性，又能实现胃肠道内可控释放从而提升生物利用度的可规模化、适合食品应用的体系。本综述旨在填补这一空白，通过对β-胡萝卜素喷雾干燥包封技术进行全面分析，探讨壁材选择和工艺条件与保护效果、释放特性以及最终生物利用度和生物可及性之间的关联，同时阐述该技术在食品强化领域的实际应用价值。

章节片段：

化学结构：β-胡萝卜素（C??H??）是一种四萜类化合物，由一个延长的共轭多烯链和两个β-紫罗兰酮环组成。它的分子量为536.87克/摩尔，密度为0.9 ± 0.1克/立方厘米。熔点范围为178–179摄氏度，报道的沸点为754.7摄氏度。其共轭双键体系在可见光区域约450纳米处产生强烈的吸收带（Grune等人，2010；Zhao等人，2024）。在中央的15,15′双键处发生酶促断裂后，会生成两分子视黄醛。

包封技术的目标：包封技术被广泛用于保护生物活性化合物。该技术是将β-胡萝卜素等敏感核心物质封装在根据具体应用需求定制的载体（壁材）中。壁材可以是由单一聚合物构成，也可以是多种基质的组合，其选择需依据核心物质的理化性质（如溶解度、热稳定性或氧化敏感性），以及加工方法和期望的释放特性来决定。

工艺条件：壁材的选择以及喷雾干燥的条件（雾化速度/压力、进料速率、干燥空气流量以及进出口气温）都会显著影响粉末的性能（Corrêa-Filho等人，2019）。表1总结了β-胡萝卜素喷雾干燥包封技术的典型工艺条件及其相应结果。在雾化过程中，液体原料被转化为细小液滴，这大大增加了表面积，从而便于快速去除水分。

包封后稳定性的提升：对于工业应用而言，包封后的β-胡萝卜素在储存和加工过程中的稳定性至关重要。有效的包封技术应能保持其理化结构的完整性，同时防止因热和光作用而导致的降解（Sereti等人，2025）。保护效果在很大程度上取决于壁材的选择，因此了解壁材基质的化学性质十分重要。最重要的评价标准是热稳定性和储存稳定性。

体外释放试验体系：人体胃肠道是一个环境复杂的系统，具有明显的pH梯度、较高的离子强度、胆盐以及大量的消化酶（如胃蛋白酶和胰酶），这些因素都会阻碍目标物质的精准输送。因此，可控释放系统对于在物质传输过程中保护生物活性化合物并最大化营养吸收具有重要意义（Xiang等人，2020）。由于小肠被认为是β-胡萝卜素吸收的主要部位，因此包封技术对其吸收至关重要。

结论与未来发展方向：本综述总结了目前关于β-胡萝卜素喷雾干燥包封技术的研究进展。作为一种具有重要价值的维生素A前体类胡萝卜素，β-胡萝卜素因其具备免疫调节、抗氧化和抗炎作用，而在食品强化领域发挥着重要作用。尽管具有很高的营养价值，但由于其对热、光、氧气以及长期储存条件极为敏感，再加上其本身生物利用度较低，导致其在食品系统中的实际应用受到限制。因此，喷雾干燥包封技术为解决这些问题提供了有效途径。

CRediT作者贡献说明：Kunhao Liu：撰写——初稿、正式分析、数据整理。Yilun Weng：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理。Xin Tong：撰写——审阅与编辑、研究、正式分析。Karen Magallanes Levano：撰写——审阅与编辑、正式分析。Alberto Baldelli：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集、概念构思。

未引用参考文献：《β-胡萝卜素市场》，2024年。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：我们感谢澳大利亚政府教育部门以及昆士兰大学通过澳大利亚食品饮料加速器项目所提供的支持。

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