蓮固體廢棄物中多酚類物質(zhì)的噴霧干燥微膠囊化研究

顏 征,張海暉,李亞群,段玉清,*,張 迪,陸玉洪,孫冀平

(1.江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇怡味蓮朗伯食品有限公司,江蘇寶應(yīng) 225800)

蓮為睡蓮科水生草本植物,我國蓮資源充足,蓮非可食部分往往被丟棄,而未被充分利用[1]。蓮固體廢棄物(蓮房、蓮子殼、藕皮、藕節(jié))富含多酚類物質(zhì)[2-5]。植物多酚具有抗氧化、抗菌、降血脂、抗腫瘤和清除自由基等生物活性[6-9],在食品和醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是多酚中富含活潑羥基基團(tuán),對光照、氧氣和溫度等極其敏感,易發(fā)生氧化、聚合、縮合等反應(yīng),從而失去活性,還可能導(dǎo)致食品發(fā)生褐變。因此,增強(qiáng)多酚的穩(wěn)定性,對于多酚開發(fā)應(yīng)用尤為重要[10]。

為保護(hù)多酚類物質(zhì)活性成分免受破壞,增強(qiáng)其穩(wěn)定性,常采用微納米載體、可食用膜包裹、硬膠囊、微膠囊和軟膠囊等技術(shù)將其包裹起來,與外界隔絕以增強(qiáng)其穩(wěn)定性,其中,微膠囊作為一種新型包埋技術(shù),具有包埋率好、生物利用度高、操作簡單、成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[11-13],已被應(yīng)用于多酚類、多糖類、皂甙類大分子化合物的包埋。Aysu等[14]研究了葡萄多酚微膠囊的制備和性質(zhì);Wang等[15]研究了茶多酚微膠囊的特征和貯藏性質(zhì);韓路等[16]采用復(fù)凝聚法制備蘋果多酚微膠囊。

目前,微膠囊制備方法有真空冷凍干燥法、凝聚法、粉床法、噴霧干燥法和擠壓法等。其中,噴霧干燥具有干燥時間短、干燥溫度相對較低的優(yōu)點(diǎn)[17],干燥過程中可以保持多酚的生物活性;與其他方法相比,噴霧干燥成本低、工藝簡單、所得產(chǎn)品顆粒細(xì)微均勻,又是一種純物理的微膠囊加工技術(shù)[18-21],因此,適用于蓮固體廢棄物多酚類物質(zhì)的微膠囊化。

基于以上,本實(shí)驗(yàn)采用亞臨界水萃取蓮固體廢棄物多酚,經(jīng)AB-8大孔樹脂分離/富集后,得到多酚類物質(zhì)。以該多酚的原料,優(yōu)化出蓮固體廢棄物多酚微膠囊最佳壁材配方,在此基礎(chǔ)上,優(yōu)選出多酚類物質(zhì)微膠囊噴霧干燥的最佳工藝參數(shù)為多酚的微膠囊化提供理論依據(jù),為蓮固體廢棄物多酚類物質(zhì)產(chǎn)品開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

蓮固體廢棄物(蓮房、蓮子殼、藕節(jié)和藕皮) 江蘇大學(xué)農(nóng)貿(mào)市場;AB-8大孔樹脂 滄州寶恩吸附材料科技有限公司;阿拉伯膠 分析純,上海國藥化學(xué)試劑有限公司;β-環(huán)狀糊精 分析純,上海國藥化學(xué)試劑有限公司;單甘酯 分析純,上海國藥化學(xué)試劑有限公司;乙醇 分析純,上海國藥化學(xué)試劑有限公司。

QZR-5型移動式高速離心噴霧干燥機(jī) 江蘇省無錫市林洲干燥機(jī)制造廠;SGH型亞臨界水反應(yīng)釜 鎮(zhèn)江丹徒環(huán)球機(jī)電配件廠;ALPHAI-4/2-4型冷凍干燥機(jī) 德國CHRIST公司;DL-5C型離心機(jī) 上海安亭科學(xué)儀器廠;DHG-9015A型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司;JA2003型分析天平 北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;SHZ-D(III)型循環(huán)水真空泵 上海錦賦實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 蓮固體廢棄物多酚的制備 蓮固體廢棄物烘干后粉碎,過100目篩。按水料比30∶1 (mL/g)加入萃取釜中,加入溶劑量1‰的NaHSO3作為保護(hù)劑,控制萃取溫度160 ℃下萃取15 min。將萃取液經(jīng)4000 r/min離心8 min,得到多酚粗提液,粗提液過AB-8大孔吸附樹脂柱分離/富集(上樣量為4 BV,流速2 mL/min),用5 BV的70%乙醇洗脫(流速2 mL/min),收集洗脫液,45 ℃下減壓濃縮,將濃縮液真空冷凍干燥,即為多酚粉末。

1.2.2 蓮固體廢棄物多酚微膠囊的制備過程 首先將阿拉伯膠和β-環(huán)狀糊精按一定的的質(zhì)量比溶解于50～60 ℃蒸餾水中,然后加入單甘酯制作壁材;然后按照一定的芯壁比稱取多酚樣品用少量無水乙醇溶解,將多酚溶液在不斷攪拌的情況下緩慢加入到壁材溶液中,溶解完全后形成懸浮液,用高速分散器促進(jìn)乳化,經(jīng)噴霧干燥設(shè)備干燥,得到多酚微膠囊產(chǎn)品。

1.2.3 蓮固體廢棄物多酚微膠囊壁材配比優(yōu)化

1.2.3.1 壁材配比對包埋率的影響 本研究選用阿拉伯膠和β-環(huán)狀糊精為壁材,固定芯材與壁材組合配比為1∶3 (W∶W),單甘酯添加量為0.1%,噴霧干燥條件為進(jìn)料固形物含量20%,進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,進(jìn)料速度300 mL/h,出風(fēng)溫度為80 ℃,按照阿拉伯膠與β-環(huán)糊精配比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1對多酚進(jìn)行微膠囊化,通過測定包埋率優(yōu)選出阿拉伯膠與β-環(huán)糊精的最佳配比。

1.2.3.2 芯壁比對包埋率的影響 固定阿拉伯膠和β-環(huán)狀糊精配比為3∶1,單甘酯添加量為0.1%,噴霧干燥條件為進(jìn)料固形物含量20%,進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,進(jìn)料速度300 mL/h,出風(fēng)溫度為80 ℃,按照芯材與壁材配比為1∶1、1∶3、1∶5、1∶7、1∶9對多酚進(jìn)行微膠囊化,通過測定包埋率優(yōu)選出芯材與壁材的最佳配比。

1.2.3.3 單甘酯用量對包埋率的影響 固定阿拉伯膠和β-環(huán)狀糊精配比為3∶1,芯材與壁材的組合配比為1∶5,分別在單甘酯用量為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%時對多酚進(jìn)行微膠囊化,噴霧干燥條件為進(jìn)料固形物含量20%,進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,進(jìn)料速度300 mL/h,出風(fēng)溫度為80 ℃,通過測定包埋率,確定單甘酯適宜用量。

包埋率(%)=(1-微膠囊表面的芯材質(zhì)量)/微膠囊的總芯材質(zhì)量×100

1.2.4 微膠囊壁材配比正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選取壁材比-阿拉伯膠和β-環(huán)狀糊精配比、芯壁比-芯材與壁材配比、單甘酯用量3個因素,每個因素取三個水平,按正交表L9(34)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),以微膠囊包埋率為指標(biāo)(見表1),優(yōu)化微膠囊化壁材最佳配比。

表1 微膠囊壁材配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)因素水平表

1.2.5 多酚微膠囊噴霧干燥工藝優(yōu)化

1.2.5.1 進(jìn)料固形物含量對包埋率的影響 進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,出風(fēng)溫度80 ℃,進(jìn)料速度300 mL/h,分別在進(jìn)料固形物含量為5%、10%、15%、20%、25%時對多酚微膠囊處理,考察進(jìn)料固形物含量對多酚微膠囊包埋率的影響。

1.2.5.2 進(jìn)料流量對微膠囊化效率的影響 進(jìn)風(fēng)溫度180 ℃,出風(fēng)溫度80 ℃,進(jìn)料固形物含量20%,分別在進(jìn)料速度為100、200、300、400、500 mL/h時對多酚微膠囊處理,考察進(jìn)料速度對蓮多酚微膠囊包埋率的影響。

1.2.5.3 進(jìn)風(fēng)溫度對包埋率的影響 進(jìn)料固形物含量20%,進(jìn)料速度300 mL/h,出風(fēng)溫度80 ℃,分別在進(jìn)風(fēng)溫度為170、180、190、200、210 ℃時對多酚微膠囊處理,考察進(jìn)風(fēng)溫度對蓮多酚微膠囊包埋率的影響。

1.2.5.1 出風(fēng)溫度對包埋率的影響 進(jìn)料固形物含量20%,進(jìn)料速度300 mL/h,進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃,分別在出風(fēng)溫度為70、75、80、85、90 ℃時對多酚微膠囊處理,考察進(jìn)風(fēng)溫度對多酚微膠囊包埋率的影響。

1.2.6 多酚微膠囊噴霧干燥響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素結(jié)果的基礎(chǔ)上,依照Box-Behnken 中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選進(jìn)料固形物含量、進(jìn)料速度、進(jìn)風(fēng)溫度3個因素為自變量,多酚微膠囊包埋率為響應(yīng)值,設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析實(shí)驗(yàn)(表2),并優(yōu)化多酚噴霧干燥微膠囊技術(shù)參數(shù)和工藝。

表2 Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表

1.3 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)平行三次,通過正交設(shè)計(jì)助手V3.1和Design Expert 7.05 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 蓮固體廢棄物多酚微膠囊壁材配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 壁材配比對包埋率的影響 阿拉伯膠和β-環(huán)狀糊精是常用的壁材,阿拉伯膠成膜性和乳化穩(wěn)定性較好,β-環(huán)狀糊精由于具有環(huán)內(nèi)疏水、環(huán)外親水的特性,能將多酚包合,減少多酚的氧化,鈍化多酚的光敏性和熱敏性[22]。結(jié)果如圖1所示,隨著壁材配比的增大,多酚微膠囊包埋率呈上升趨勢,當(dāng)壁材配比為3∶1時包埋率最高,之后再增加壁材配比包埋率則呈下降趨勢。這是由于阿拉伯膠具有一定的乳化性和成膜性,有助于提高微膠囊產(chǎn)品的包埋率,然而阿拉伯膠含量過高,則會造成料液粘度過大,不僅不利于噴霧干燥的順利進(jìn)行,還會造成包埋率下降[23],故選取阿拉伯膠與β-環(huán)狀糊精的配比為3∶1左右為宜。

圖1 壁材配比對多酚微膠囊包埋率的影響

2.1.2 芯壁比對包埋率的影響 隨著芯材與壁材比例的減少,包埋率呈上升趨勢,當(dāng)芯材與壁材比例為1∶5時達(dá)到最高,隨后開始下降,當(dāng)包埋率達(dá)到最大值后,繼續(xù)增加芯材添加量,多酚微膠囊的包埋率降低(如圖2)。因此,芯材與壁材比例為1∶5左右為宜。

圖2 芯壁比對多酚微膠囊包埋率的影響

2.1.3 單甘酯用量對包埋率的影響 單甘酯作為乳化劑,當(dāng)它分散在分散質(zhì)表面時,形成薄膜或雙電層,可使分散相帶有電荷,這樣就能阻止分散相的小液滴相互凝結(jié),使形成的乳狀液比較穩(wěn)定[24]。如圖3所示,隨著單甘酯用量的增加,微膠囊的包埋率上升,當(dāng)達(dá)到0.10%后,再增加其用量,其包埋率反而下降,這是由于單甘酯可以使料液穩(wěn)定性提高,用量過高,乳化液粘度也隨之變大,會產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象[25],易造成噴頭堵塞,影響噴霧干燥的順利進(jìn)行,因此選取0.10%左右的單甘酯為宜。

圖3 單甘酯濃度對多酚微膠囊包埋率的影響

2.1.4 微膠囊壁材配比正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果 由表3和4分析可以看出,影響多酚微膠囊包埋率因素的主次順序是:B>A>C,即芯材與壁材的配比對微膠囊包埋率的影響最大,壁材比(阿拉伯膠∶β-環(huán)狀糊精)次之,單甘酯濃度對微膠囊化效率影響最小,但三種因素對微膠囊包埋率的影響均達(dá)到顯著水平(p<0.01或p<0.05)。得出多酚微膠囊化的最佳壁材組合配比為A2B2C2,即壁材比(阿拉伯膠∶β-環(huán)狀糊精)為3∶1,芯壁比為1∶5,單甘酯用量為0.10%,經(jīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)得到多酚的平均包埋率為93.28%±0.52%。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 壁材配比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方差分析表

2.2 多酚微膠囊噴霧干燥工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 進(jìn)料固形物含量對包埋率的影響 由圖4可見,當(dāng)固形物含量為15%時,微膠囊包埋率可達(dá)92.13%,在繼續(xù)增加進(jìn)料固形物含量,則微膠囊包埋率開始下降。這是由于進(jìn)料固形物含量升高,乳狀液粘度增加,芯材向壁材表面的遷移量減少,使芯材能夠被更好的包埋,在干燥過程中能夠促進(jìn)囊壁的形成和提高產(chǎn)品的致密性,但進(jìn)料固形物含量太高會導(dǎo)致乳狀液液過于黏稠,不利于霧滴的形成[26]。因此將進(jìn)料固形物含量定為15%左右。

圖4 進(jìn)料固形物含量對多酚類物質(zhì)包埋率的影響

2.2.2 進(jìn)料流速對微膠囊化效率的影響 從圖5可見,適當(dāng)增加進(jìn)料流速,可以提高包埋率,當(dāng)進(jìn)料流速為300 mL/h時,微膠囊包埋率達(dá)到最高為93.27%,當(dāng)超過300 mL/h時,包埋率開始下降并趨于平穩(wěn),故選擇進(jìn)料速度為300 mL/h左右。

圖5 進(jìn)料速度對多酚類物質(zhì)包埋率的影響

2.2.3 進(jìn)風(fēng)溫度對包埋率的影響 如圖6所示,進(jìn)風(fēng)溫度升高,微膠囊化包埋率提高,當(dāng)進(jìn)風(fēng)溫度升高到180 ℃吋,微膠囊包埋率最高達(dá)93.71%。但是,隨著進(jìn)風(fēng)溫度的繼續(xù)升高,微膠囊包埋率呈下降趨勢。所以選進(jìn)風(fēng)溫度為180 ℃左右適宜。

圖6 進(jìn)風(fēng)溫度對多酚類物質(zhì)包埋率的影響

2.2.4 出風(fēng)溫度對包埋率的影響 出風(fēng)溫度低于80 ℃時,包埋率隨溫度升高而升高,但溫度高于80 ℃并繼續(xù)升高時,則包埋率反而下降(見圖7)。這是由于適度提高出風(fēng)溫度,有利于縮短產(chǎn)品顆粒的降速干燥過程,迅速形成完整致密的壁結(jié)構(gòu),從而提高包埋率。但出風(fēng)溫度過高,會導(dǎo)致產(chǎn)品因過度熱而開裂,微膠囊包埋率下降。因此,將出風(fēng)溫度設(shè)定為80 ℃左右為宜。

圖7 出風(fēng)溫度對多酚類物質(zhì)包埋率的影響

表5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 回歸方程系數(shù)顯著性檢驗(yàn)和結(jié)果

3 結(jié)論

通過單因素和正交實(shí)驗(yàn),優(yōu)選出蓮固體廢棄物中多酚類物質(zhì)微膠囊化的最佳配方:阿拉伯膠:β-環(huán)狀糊精為3∶1,芯壁比為1∶5,單甘酯添加量為0.1%;在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行單因素和響應(yīng)面實(shí)驗(yàn),優(yōu)選蓮固體廢棄物多酚類物質(zhì)微膠囊噴霧干燥最佳工藝為:進(jìn)料固形物含量16%,進(jìn)料速度280 mL/h,進(jìn)風(fēng)溫度185 ℃,出風(fēng)溫度80 ℃。蓮固體廢棄物多酚微膠囊包埋率為94.12%±0.37%,包埋效果較優(yōu),為多酚類物質(zhì)的噴霧干燥微膠囊化提供了理論依據(jù),同時還可減少資源浪費(fèi),保護(hù)環(huán)境,對蓮固體廢棄物多酚的合理開發(fā)利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

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