復(fù)合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊制備工藝研究

李世偉石睿楊馬春穎董志儉

（1.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院，遼寧 錦州 121013；2.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧 錦州 121013；3.遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121013；4.“食品貯藏加工及質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心”遼寧省高校重大科技平臺(tái)，遼寧 錦州 121013）

類胡蘿卜素是自然界含量最豐富的天然色素，其中β－胡蘿卜素具有很高的維生素A 原活性，無(wú)論是天然或人工合成的β－胡蘿卜素均可用于食品。流行病學(xué)研究［1］發(fā)現(xiàn)攝入β－胡蘿卜素含量高的果蔬與人類某些癌癥的低發(fā)病率有關(guān)，也有學(xué)者［2］提出β－胡蘿卜素的抗氧化活性具有抑制白內(nèi)障、防止動(dòng)脈硬化和抗衰老作用。然而在食品加工、貯藏過(guò)程中，β－胡蘿卜素穩(wěn)定性差，因熱、酸和光的作用易發(fā)生異構(gòu)化。β－胡蘿卜素具有很多共軛雙鍵，故極易被氧化，此反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致維生素A原活性損失。若有亞硫酸鹽和金屬離子存在，β－胡蘿卜素的氧化降解加?。?－5］。另外，弱極性分子結(jié)構(gòu)決定了β－胡蘿卜素具有不溶于水、微溶于油脂的性質(zhì)，限制了其應(yīng)用范圍。市售的β－胡蘿卜素多是微晶懸浮液，不同于一般的微膠囊芯材，通過(guò)傳統(tǒng)微膠囊制作工藝很難將其包埋，得到的產(chǎn)品穩(wěn)定性差，當(dāng)微膠囊應(yīng)用于焙烤等高溫、高濕環(huán)境中時(shí)，微膠囊的玻璃態(tài)壁材就會(huì)崩塌，失去對(duì)β－胡蘿卜素的保護(hù)作用［6，7］。

本試驗(yàn)擬通過(guò)復(fù)合凝聚技術(shù)解決這些問(wèn)題。相比于噴霧干燥法在高溫中制備微膠囊，復(fù)合凝聚技術(shù)制備微膠囊的整個(gè)過(guò)程溫度不超過(guò)40 ℃，環(huán)境條件更溫和，不會(huì)對(duì)β－胡蘿卜素結(jié)構(gòu)造成破壞。微膠囊經(jīng)固化后形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在高溫、高濕環(huán)境下不易塌陷。明膠／阿拉伯膠構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)外膜包裹著β－胡蘿卜素，能有效降低光、熱、酸、氧及金屬離子對(duì)β－胡蘿卜素結(jié)構(gòu)的破壞，起到良好的保護(hù)作用，并在高溫高濕環(huán)境中具有優(yōu)越的緩釋性能［8］。此外，復(fù)合凝聚法制備微膠囊時(shí)，通常以甲醛作為固化劑，但因其具有毒性而難以應(yīng)用到食品中。本試驗(yàn)采用轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶代替甲醛，制備可食用的復(fù)合凝聚微膠囊，使得β－胡蘿卜素在食品工業(yè)中獲得更加廣泛的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠：化學(xué)純，沈陽(yáng)市興順化學(xué)試劑廠；

阿拉伯膠：DL－A－I，山東鼎力膠業(yè)有限公司；

β－胡蘿卜素：湖北世力達(dá)生物科技有限公司；

甜橙油：廣東博盈貿(mào)易有限公司；

桔油：浙江黃巖中興香精香料有限公司；

轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶：酶活2萬(wàn)U／g，泰興市一鳴生物制品有限公司；

高速分散均質(zhì)機(jī)：FJ－200，上海標(biāo)本模型廠；

懸臂式攪拌器：RW20.n，廣州儀科實(shí)驗(yàn)室技術(shù)有限公司；

數(shù)碼顯微鏡：Motic BA300，日本麥克奧迪（Motic）公司；

pH 計(jì)：PB－10，德國(guó)Sartorius公司；

可見(jiàn)光分光光度計(jì)：722，上海精密科學(xué)儀器有限公司；

噴霧干燥機(jī)：SP－1500，上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的制備 將明膠、阿拉伯膠分別溶解于300mL 水中，待完全溶解后將二者混合均勻，加入β－胡蘿卜素，用高速分散均質(zhì)機(jī)于12 000r／min乳化5min，倒入三口燒瓶中，40 ℃水浴加熱，攪拌并滴入冰乙酸使pH 值降低，進(jìn)行復(fù)合凝聚反應(yīng)。一段時(shí)間后加冰降溫到15 ℃以下，用10% NaOH 溶液調(diào)整pH 到6.0，加入一定量的轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶固化2h。然后進(jìn)行噴霧干燥，條件為進(jìn)風(fēng)溫度200 ℃、出口溫度90 ℃、進(jìn)料速度500mL／h。

1.2.2 復(fù)合凝聚微膠囊中β－胡蘿卜素含量的測(cè)定 依照1.2.1的方法制備未經(jīng)固化處理的微膠囊懸浮液，抽濾，充分研磨，按照食品中胡蘿卜素的測(cè)定（GB／T 5009.83——2003）進(jìn)行測(cè)定。

1.2.3 復(fù)合凝聚微膠囊表面β－胡蘿卜素含量的測(cè)定 濕囊無(wú)需研磨，其余方法同1.2.2。

1.2.4 復(fù)合凝聚微膠囊產(chǎn)率的測(cè)定 復(fù)合凝聚微膠囊產(chǎn)率按式（1）計(jì)算：

式中：

η1—— 微膠囊化產(chǎn)率，%；

m1—— 反應(yīng)得到濕微膠囊質(zhì)量，g；

X1—— 樣品中β－胡蘿卜素百分含量，%；

m—— 乳化使用β－胡蘿卜素質(zhì)量，g。

1.2.5 復(fù)合凝聚微膠囊效率的測(cè)定 復(fù)合凝聚微膠囊效率按式（2）計(jì)算：

式中：

η2—— 微膠囊化效率，%；

X1—— 樣品中β－胡蘿卜素百分含量，%；

X2—— 樣品表面β－胡蘿卜素百分含量，%。

1.2.6 復(fù)合凝聚多核微膠囊形態(tài)的觀察 取1滴固化后的微膠囊懸浮液置于載玻片上，用數(shù)碼顯微鏡觀察并拍照。

1.2.7 復(fù)合凝聚多核微膠囊粒徑的測(cè)定 復(fù)合凝聚微膠囊粒徑用數(shù)碼顯微鏡手動(dòng)測(cè)定。從所拍照片中選取一定的范圍，取50個(gè)目標(biāo)，測(cè)定其直徑，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH 值對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響

變動(dòng)pH 值，其它因素相同，芯壁比為1∶2，壁材濃度為1%，明膠／阿拉伯膠為1∶1，攪拌速度為400r／min，按1.2.1制備微膠囊。由圖1、2可知，pH 值對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)和粒徑影響非常顯著。pH 值為4.4，微膠囊形態(tài)完全無(wú)規(guī)則；pH 值降低到4.2，微膠囊為較規(guī)則的球狀；pH 值為到3.8，微膠囊形態(tài)最好；pH 值下降到3.0，微膠囊形態(tài)完全無(wú)規(guī)則。在pH 值下降過(guò)程中，所產(chǎn)生的復(fù)合凝聚物沒(méi)有明顯的增加［9］，微膠囊粒徑的增大并不是由壁材復(fù)合凝聚物量的增加所導(dǎo)致的［10］。pH 值下降使得明膠帶有更多的正電荷，同阿拉伯膠發(fā)生更為強(qiáng)烈的靜電相互作用，形成具有高黏度的復(fù)聚物［11］，微膠囊粒徑顯著增加。因此制備球狀多核復(fù)合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的pH 值為3.8。

圖1 pH 值對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響Figure 1 Effect of pH on the morphology of coacervate microcapsules

圖2 pH 值對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊粒徑的影響Figure 2 Effect of pH on the particle size of coacervate microcapsules

2.2 芯壁比對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響

變動(dòng)芯壁比，其它因素相同，壁材濃度為1%，明膠／阿拉伯膠為1∶1，pH 值為3.8，攪拌速度為400r／min，按1.2.1制備微膠囊。由圖3可知，隨著芯壁比的增加，復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)由球形變得不規(guī)則，粒徑逐漸變大。當(dāng)芯壁比由1∶4增加到1∶2時(shí)，內(nèi)部芯材液滴含量增大且分布更均勻；芯壁比增加到1∶1，微膠囊開(kāi)始出現(xiàn)粘連，一些微膠囊形狀變得不規(guī)則；芯壁比增加到2∶1，微膠囊粒徑相差很大，其中粒徑較大的微膠囊形狀由球形變成紡錘形［12］。因此制備球狀多核復(fù)合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的芯壁比應(yīng)不大于1∶2。

2.3 明膠／阿拉伯膠比率對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響

圖3 芯壁比對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響Figure 3 Effect of core／wall ratio on the morphology of coacervate microcapsules

圖4 明膠／阿拉伯膠比率對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響Figure 4 Effect of gelatin／gum Arabic ratio on the morphology of coacervate microcapsules

變動(dòng)明膠／阿拉伯膠比率，其它因素相同，芯壁比為1∶2，壁材濃度為1%，pH 值為3.8，攪拌速度為400r／min，按1.2.1制備微膠囊。由圖4可知，隨著明膠／阿拉伯膠比率的增加，復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)逐漸不規(guī)則。明膠／阿拉伯膠比率為1∶2時(shí)，圖中出現(xiàn)了大量的小亮點(diǎn)，應(yīng)為空的復(fù)合凝聚物液滴；明膠／阿拉伯膠比率為1∶1，膠囊形態(tài)好，芯材分布均勻；壁材組成增加到2∶1，開(kāi)始出現(xiàn)粘連，粒徑增大；壁材組成增加到4∶1，微膠囊形態(tài)非常不規(guī)則。隨著復(fù)合凝聚物中明膠含量的增加，復(fù)合凝聚的黏度增大、黏性增大，大量的微膠囊在攪拌下更易發(fā)生碰撞，重新聚集成大的不規(guī)則的多核微膠囊［13］。因此制備球狀多核復(fù)合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的明膠／阿拉伯膠比率應(yīng)為1∶1。

2.4 攪拌速度對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響

變動(dòng)攪拌速度，其它因素相同，芯壁比為1∶2，pH 值為3.8，壁材濃度為1%，明膠／阿拉伯膠為1∶1，按1.2.1制備微膠囊。由圖5、6可知，攪拌速度對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)和粒徑有一定影響。攪拌速度為200r／min時(shí)，微膠囊部分呈球狀，部分呈大而不規(guī)則的形狀，這些微膠囊含油量特別高；攪拌速度增加到400r／min，微膠囊具有很高的球形度，芯材平均分布在微膠囊中，平均粒徑變小。Nihant等［14］也證實(shí)了降低攪拌速度，微膠囊的平均粒徑增加，但攪拌速度低于100r／min 時(shí)微膠囊無(wú)法形成。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到600r／min時(shí)，由于攪拌過(guò)于劇烈，每個(gè)微膠囊所包埋的芯材量明顯減少。由此可以看出，制備復(fù)合凝聚球狀多核β－胡蘿卜素微膠囊的攪拌速度為400r／min。

2.5 不同芯材復(fù)合凝聚微膠囊的形態(tài)比較

選用不同芯材，其它因素相同，芯壁比為1∶2，pH 值為3.8，壁材濃度為1%，明膠／阿拉伯膠為1∶1，攪拌速度為400r／min，按1.2.1制備微膠囊。由圖7、8可知，不同芯材微膠囊均呈現(xiàn)規(guī)則的球狀，且微膠囊粒徑均一，芯材含量平均，但不同芯材在微膠囊中的分布明顯不同，β－胡蘿卜素微膠囊芯材在膠囊中的分部較為分散，而另兩種膠囊較為集中，存在較厚的囊壁。β－胡蘿卜素微膠囊的平均粒徑明顯小于甜橙油及桔油微膠囊，這可能是因?yàn)槭褂玫氖铅拢}卜素微晶油懸浮液，粘稠度大，芯材液滴的界面性質(zhì)與桔油、甜橙油不同。

圖5 攪拌速度對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響Figure 5 Effect of stirring speed on the particle size of coacervate microcapsules

圖6 攪拌速度對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊粒徑的影響Figure 6 Effect of stirring speed on the particle size of coacervate microcapsules

2.6 復(fù)合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的產(chǎn)率和效率

β－胡蘿卜素微膠囊成品的產(chǎn)率為94.38%，效率為92.65%，說(shuō)明復(fù)合凝聚法制備β－胡蘿卜素微膠囊具有較高的產(chǎn)率和效率，制備過(guò)程中芯材損失較少，能有效地將β－胡蘿卜素包埋在微膠囊中。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)本試驗(yàn)可確定制備復(fù)合凝聚球狀多核β－胡蘿卜素微膠囊的工藝條件：芯壁比為1∶2，壁材濃度為1%，明膠／阿拉伯膠比例為1∶1，pH 值為3.8，攪拌速度為400r／min。

圖7 芯材對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊形態(tài)的影響Figure 7 Effect of kinds of core materials on the morphology of coacervate microcapsules

圖8 芯材對(duì)復(fù)合凝聚微膠囊粒徑的影響Figure 8 Effect of kinds of core materials on particle size of coacervate microcapsules

（2）試驗(yàn)得到的β－胡蘿卜素微膠囊產(chǎn)率為94.38%，效率為92.65%，包埋效果良好。

（3）在上述制備條件下，β－胡蘿卜素、甜橙油及桔油微膠囊均呈球狀，粒徑均一，芯材含量平均，β－胡蘿卜素微膠囊的平均粒徑明顯小于甜橙油及桔油微膠囊。

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