南極磷蝦蝦青素微膠囊制備工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究*

趙永強 談俊曉,2 李來好 楊賢慶 魏 涯 岑劍偉 李春生

南極磷蝦蝦青素微膠囊制備工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究*

趙永強1談俊曉1,2李來好1①楊賢慶1魏 涯1岑劍偉1李春生1

(1. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)品加工重點實驗室 廣州 510300；2. 上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306)

為減緩蝦青素的氧化速度，提高蝦青素的儲藏穩(wěn)定性，以麥芽糊精、羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)為壁材，采用噴霧干燥法對南極磷蝦()蝦青素進行微膠囊化包埋，并對微膠囊化后產(chǎn)品的理化性質(zhì)進行研究。結(jié)果顯示，麥芽糊精與HP-β-CD壁材質(zhì)量比為1∶3、蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.76%、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.87%、固形物濃度為0.20 g/ml時，蝦青素微膠囊包埋率為98.77%。制備的蝦青素微膠囊水分含量為(3.11±0.11)%，溶解度為(94.32±0.08)%，休止角為(34.16±0.24)°。穩(wěn)定性實驗表明，與未微膠囊化的蝦青素晶體相比，蝦青素微膠囊在高溫條件、自然光條件與有氧條件下，蝦青素的保留率分別由28.72%、45.27%與20.76%提高到了78.32%、84.88%和74.97%?？梢娢⒛z囊化可明顯改善蝦青素溶解性和穩(wěn)定性，為蝦青素微膠囊化產(chǎn)品制備提供技術(shù)支持。

南極磷蝦；蝦青素；微膠囊；噴霧干燥法；理化性質(zhì)

蝦青素是類胡蘿卜素的一種，易溶于丙酮、乙醇等有機溶劑，具有抗氧化、消炎、提高免疫力、預(yù)防心血管疾病及抗腫瘤等多種生物活性(趙玲等, 2011; Al-Amin, 2015; 王吉橋等, 2012; Zhang, 2014; Abdelzaher, 2016; Ko, 2016; 聶玉晨等, 2016)，在食品、飼料、醫(yī)藥和化妝品等行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。與其他類胡蘿卜素相同，蝦青素可通過淬滅單線態(tài)氧和清除自由基而發(fā)揮強大的抗氧化活性(姜淼等, 2011)，同時蝦青素分子兩端還各連接有1個紫羅蘭酮環(huán)，每個紫羅酮環(huán)上含有羥基和酮基，這種獨特的分子結(jié)構(gòu)使它可以從內(nèi)到外與細(xì)胞膜相連，其多烯鏈可以捕獲細(xì)胞膜中的自由基，末端環(huán)可以清除細(xì)胞膜表面和內(nèi)部的自由基，這使蝦青素比其他類胡蘿卜素顯示出更好的生物活性(Kishimoto, 2016; Yamashita, 2013; Guerin, 2003)。但同時這種獨特的分子結(jié)構(gòu)也使蝦青素分子很容易受到光、熱、氧等的作用而遭到破壞。此外，蝦青素的水溶性差，這使它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用受到了很大的限制。

微膠囊技術(shù)是一種用來保護被包裹物料，并對其原有化學(xué)性質(zhì)不產(chǎn)生影響的新技術(shù)。為此，許多學(xué)者對具有良好水分散性和穩(wěn)定性的蝦青素微膠囊產(chǎn)品進行了研究，如侯會絨等(2015)采用噴霧干燥法對克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊化工藝進行了響應(yīng)面法優(yōu)化，蝦青素包埋率可達到92.89%。Chen等(2016)采用美拉德反應(yīng)的產(chǎn)物作為壁材，通過高壓均質(zhì)化對雨生紅球藻的全細(xì)胞進行噴霧干燥使其微膠囊化，發(fā)現(xiàn)微膠囊后的產(chǎn)品在低溫充氮避光條件下儲存30 d后，蝦青素保留率仍在95%以上，遠高于未進行微膠囊化的產(chǎn)品。

微膠囊技術(shù)采用高分子聚合物的囊壁將常溫下性質(zhì)不穩(wěn)定的固體、液體或氣體包埋封存，從而達到隔絕外界光、氧等因素的目的，在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域得以廣泛研究和應(yīng)用。針對脂溶性內(nèi)容物的微膠囊化方法主要有：噴霧干燥法(黃卉等, 2009)、復(fù)凝聚法、真空冷凍干燥法(周慶新等, 2017)等。其中復(fù)凝聚法產(chǎn)率及效率較高，產(chǎn)品致密性好，但易受殘留溶劑和凝聚劑的影響，產(chǎn)品粒徑大。真空冷凍干燥法雖可以較好維持樣品的原有生物活性狀態(tài)，但真空冷凍過程耗能較大、生產(chǎn)成本較高。而本研究采用的噴霧干燥法操作簡便，微膠囊化產(chǎn)品顆粒大小均勻，具有優(yōu)良的流動性、溶解性和分散性，是微膠囊技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的方法(胡志和等, 2016; 付力丹等, 2016)。

本研究采用噴霧干燥法對分離提純后的南極磷蝦()蝦青素進行微膠囊化，以麥芽糊精與羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)為復(fù)合壁材、聚山梨酯-80為乳化劑，以包埋率和微膠囊化產(chǎn)率為考察指標(biāo)，通過單因素和響應(yīng)面實驗對南極磷蝦蝦青素噴霧干燥工藝進行了優(yōu)化，獲得了南極磷蝦蝦青素噴霧干燥微膠囊化最佳工藝條件，并對比分析了該工藝條件下制備的蝦青素微膠囊產(chǎn)品的穩(wěn)定性，以期為南極磷蝦的高效利用和蝦青素產(chǎn)品的研究開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 原料與試劑 南極磷蝦源蝦青素，實驗室自制；蝦青素標(biāo)準(zhǔn)品，純度97%，美國Sigma公司；麥芽糊精、HP-β-CD、阿拉伯膠，浙江千裕生物科技有限公司；辛烯基琥珀酸淀粉酯，浙江德清三富食品有限公司；蔗糖脂肪酸酯(SE-9)，廣西高通食品科技有限公司；聚山梨酯-80，天津大茂化學(xué)試劑廠；正己烷、石油醚、丙酮等試劑均為分析純，廣州化學(xué)試劑廠。

1.1.2 儀器與設(shè)備 EYELA-SD-1000型噴霧干燥機(Rikakika公司，日本)；UV2550型紫外可見分光光度計(Shimadzu公司，日本)；GB204型電子天平(Mettler公司，瑞士)；79-1型磁力加熱攪拌器(天津市賽得利斯實驗分析儀器制造廠)；T50型高速分散均質(zhì)機(IKA工業(yè)設(shè)備公司，德國)；SHZ-82A型水浴恒溫振蕩器(江蘇金壇市精達儀器制造有限公司)；3K30型臺式高速冷凍離心機(Sigma公司，德國)；Quanta 400 FEG場發(fā)射掃描電鏡(飛利浦FEI公司，荷蘭)。

1.2 方法

1.2.1 微膠囊化工藝 參考胡婷婷等(2014)的方法并略作改動。按比例稱取壁材于燒杯中，加適量水充分溶解，磁力攪拌器恒溫攪拌30 min；稱取芯材加入一定量的乳化劑制成芯材溶液。在壁材溶液中邊攪拌邊緩慢滴加芯材溶液，攪拌均勻后均質(zhì)乳化備用。設(shè)置噴霧干燥器進風(fēng)溫度170℃、噴霧氣體壓力0.17 Mpa，調(diào)節(jié)進樣量使出口溫度控制在90℃，在此條件下進行噴霧干燥，制備南極磷蝦蝦青素微膠囊產(chǎn)品。

1.2.2 蝦青素標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制 用乙醇溶解蝦青素，通過紫外–可見光分光光度計在400~600 nm波長范圍內(nèi)掃描，吸收圖譜顯示在478 nm波長處有明顯的吸收峰。配制不同質(zhì)量濃度蝦青素標(biāo)品溶液，分別為0、0.5、1.0、2.0、2.5、5.0和10.0 μg/ml。得到回歸方程=0.0358+0.0116(為吸光度，為蝦青素質(zhì)量濃度)，2=0.9961。

1.2.3 微膠囊化的效果評定 參考胡婷婷等(2014)的方法，以包埋率和微膠囊化產(chǎn)率為指標(biāo)。計算公式如下：

包埋率(%)=

微膠囊蝦青素含量的測定：準(zhǔn)確稱取0.50 g干燥后的蝦青素微膠囊粉，加10 ml水?dāng)嚢璩删惑w系，再加入丙酮–石油醚溶液(體積比為1∶1)振蕩提取后，取上層有機相5 ml氮氣吹干后復(fù)溶于乙醇中，在478 nm下測吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算微膠囊中蝦青素含量。

微膠囊表面蝦青素含量的測定：準(zhǔn)確稱取0.50 g干燥后的蝦青素微膠囊粉，加10 ml正己烷振蕩提取，離心分離后取5 ml氮氣吹干后復(fù)溶于乙醇中，在478 nm下測吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算微膠囊表面蝦青素含量。

1.2.4 各因素對微膠囊化效果的影響 分別以阿拉伯膠、HP-β-CD和辛烯基琥珀酸淀粉酯為壁材，麥芽糊精為填充劑，設(shè)置壁材復(fù)配組合Ⅰ組為m(麥芽糊精)：m(阿拉伯膠)=1∶3、Ⅱ組為m(麥芽糊精)：m(HP-β-CD)=1∶3、Ⅲ組為m(麥芽糊精)∶m(阿拉伯膠)∶m(HP-β-CD)=1∶1∶3、Ⅳ組為m(麥芽糊精)∶m(辛烯基琥珀酸淀粉酯)∶m(HP-β-CD)=1∶1∶3。加入一定比例的聚山梨酯-80作為乳化劑，蝦青素為芯材。選定蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%(均以壁材總量計)、固形物(壁材、芯材與乳化劑)濃度0.20 g/ml，以微膠囊包埋率和產(chǎn)率為指標(biāo)評價，考察壁材對微膠囊化效果的影響。

以蝦青素微膠囊最佳壁材配比為壁材原料，選取蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3%、5%、7%、9%和11%)、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%)、固形物濃度(0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 g/ml)作為實驗因素，綜合分析各個因素對微膠囊產(chǎn)率和包埋率的影響。

1.2.5 響應(yīng)面法優(yōu)化蝦青素微膠囊工藝實驗 為確定蝦青素微膠囊的最佳工藝條件，綜合各單因素實驗結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken中心組合設(shè)計原理，選擇對蝦青素微膠囊化效果有顯著影響的3個因素：蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)()、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)()、固形物濃度()為自變量，以包埋率()為響應(yīng)值，利用Design-Expert 8.0.6軟件進行3因素3水平的響應(yīng)面實驗優(yōu)化，實驗因素和水平設(shè)置見表1。

表1 響應(yīng)面實驗因素水平

Tab.1 Factors and levels of response surface methodology

1.2.6 蝦青素微膠囊理化指標(biāo)的測定 水分含量的測定：參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.3-2016《食品中水分的測定》，直接干燥法。

溶解度的測定：參照文獻所述方法(Montero, 2016)略作修改，稱取適量蝦青素微膠囊樣品用蒸餾水充分溶解后，8000 r/min離心20 min去上清液，取沉淀干燥后稱重。

式中，1干燥后沉淀的質(zhì)量(g)；為微膠囊樣品的水分含量(%)；為微膠囊樣品的質(zhì)量(g)。

休止角的測定：參照食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11986-1989《表面活性劑：粉體和顆粒休止角的測定》，固定圓錐底法。

表面形態(tài)觀察：應(yīng)用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察微膠囊表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。在樣品臺上貼上一層雙面膠，將微膠囊樣品輕輕撒在上面，并吹去多余的粉末，鍍金后掃描電子顯微鏡下觀察、拍照。

1.2.7 蝦青素微膠囊穩(wěn)定性研究 溫度對微膠囊產(chǎn)品的影響：取適量蝦青素微膠囊產(chǎn)品及未進行微膠囊化的蝦青素晶體，分別置于4℃、25℃、40℃、60℃和80℃條件下，24 h后取樣測定蝦青素保留率，考察溫度對微膠囊化前后蝦青素產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響。

自然光對微膠囊產(chǎn)品的影響：取適量蝦青素微膠囊產(chǎn)品及未進行微膠囊化的蝦青素晶體，室溫25℃密封，自然光條件下保存30 d，定期取樣測定蝦青素保留率，考察自然光對微膠囊化前后蝦青素產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響。

空氣中氧氣對微膠囊產(chǎn)品的影響：取適量蝦青素微膠囊產(chǎn)品及未進行微膠囊化的蝦青素晶體，分別置于表面皿中，室溫25℃避光條件下保存30 d，定期取樣測定蝦青素保留率，考察空氣中氧氣對微膠囊化前后蝦青素產(chǎn)品穩(wěn)定性的影響。

蝦青素保留率按如下公式計算：

蝦青素保留率(%)=

2 結(jié)果與分析

2.1 壁材種類對蝦青素微膠囊化效果的影響

不同壁材種類對微膠囊化效果的影響結(jié)果見 圖1。由圖1可知，在幾種壁材組合中，以Ⅱ組微膠囊化效果最好，Ⅳ組次之，Ⅰ組微膠囊化效果最差。與Ⅱ組相比，Ⅳ組微膠囊化包埋率相差不大，但微膠囊化產(chǎn)率明顯偏低，這可能是由于在加入了一定量的辛烯基琥珀酸淀粉酯后，乳化液的流動性變差，導(dǎo)致噴霧干燥過程出現(xiàn)黏壁的現(xiàn)象，導(dǎo)致微膠囊化產(chǎn)率降低。與Ⅳ組相比，Ⅲ組壁材組合中以阿拉伯膠代替了辛烯基琥珀酸淀粉酯，導(dǎo)致包埋率下降，此結(jié)果與 孔令曉等(2010)對辛烯基琥珀酸淀粉酯作為壁材對微膠囊包埋率的影響表述一致。因此，最終選擇Ⅱ組m(麥芽糊精)∶m(HP-β-CD)=1∶3為蝦青素微膠囊最佳壁材配比進行后續(xù)實驗。

圖1 壁材種類對蝦青素微膠囊化效果的影響

注：Ⅰ：m(麥芽糊精)∶m(阿拉伯膠)=1∶3; Ⅱ：m(麥芽糊精)∶m(HP-β-CD)=1∶3; Ⅲ：m(麥芽糊精)∶m(阿拉伯膠)∶m(HP-β-CD)=1∶1∶3; Ⅳ：m(麥芽糊精)∶m(辛烯基琥珀酸淀粉酯)∶m(HP-β-CD)=1∶1∶3; 上標(biāo)不同小寫字母表示包埋率差異顯著(＜0.05)，不同大寫字母表示微膠囊化產(chǎn)率差異顯著(＜0.05). 下同

Note:Ⅰ: m(maltodextrin)∶m(acacia)=1∶3; Ⅱ: m(maltodextrin)∶m(HP-β-CD)=1∶3; Ⅲ: m(maltodextrin)∶m(acacia)∶m(HP-β-CD)=1∶1∶3; Ⅳ: m m(maltodextrin): m(octenyl succinic anhydride modified starch): m(HP-β-CD)=1∶1∶3; Data with different lowercases are significantly (<0.05) different of microencapsulation efficiency, and with different capital letters are significantly (<0.05) different of microencapsulation yield. The same as below

2.2 蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蝦青素微膠囊化效果的影響

不同蝦青素添加量對微膠囊化效果的影響結(jié)果見圖2。由圖2可知，蝦青素微膠囊化效果隨著蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時微膠囊化效果最好，這可能是由于當(dāng)蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高時，在壁材用量相同的情況下，包裹過多的芯材使得囊壁變薄，甚至破裂，從而導(dǎo)致了包埋率和產(chǎn)率的降低(Tonon, 2011)。因此確定蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)較適的工藝參數(shù)為5%。

2.3 聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蝦青素微膠囊化效果的影響

在預(yù)實驗過程中發(fā)現(xiàn)以蔗糖酯為乳化劑時，乳化效果差，油相與水相不能很好的融合在一起，而聚山梨酯-80具有較好的乳化效果，因此選擇聚山梨酯-80作為乳化劑。不同聚山梨酯-80添加量對微膠囊化效果的影響結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加蝦青素微膠囊化效果，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時微膠囊化效果最好。因此，確定聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%作為較適的工藝參數(shù)。

圖2 蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蝦青素微膠囊化效果的影響

圖3 聚山梨酯-80對蝦青素微膠囊化效果的影響

2.4 固形物濃度對蝦青素微膠囊化效果的影響

不同固形物濃度對微膠囊化效果的影響結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著固形物濃度的增加蝦青素微膠囊化效果呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，并在固形物濃度為0.20 g/ml時微膠囊化效果最好。這是由于當(dāng)固形物濃度適當(dāng)增加時，乳狀液黏度相應(yīng)增加，可以減少乳液在噴霧干燥過程中內(nèi)部的漩渦流動，有利于蝦青素與壁材的接觸，使噴霧干燥過程中壁材更容易成膜，從而提高微膠囊化效果。但當(dāng)固形物濃度過大時，乳液黏度大，噴霧干燥過程中水分蒸發(fā)速度受到影響，容易出現(xiàn)黏壁現(xiàn)象，導(dǎo)致微膠囊化效果降低 (胡婷婷等, 2014)。因此確定固形物濃度0.20 g/ml作為蝦青素微膠囊較適工藝參數(shù)。

圖4 固形物濃度對蝦青素微膠囊化效果的影響

2.5 響應(yīng)面實驗結(jié)果

2.5.1 模型建立及方差分析 由單因素實驗可知，不同因素對蝦青素微膠囊化效果的影響程度不同，根據(jù)單因素實驗結(jié)果，選擇出影響較大的3個因素：蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)()、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)()、固形物濃度()為自變量，以微膠囊化包埋率為響應(yīng)值，自變量因素和水平設(shè)置見表1，根據(jù)Box- Behnken實驗設(shè)計方案進行實驗，結(jié)果見表2。

經(jīng)多元回歸擬合，得到蝦青素提取率的二次多項回歸方程為：=98.67–1.12–3.06–0.70–1.04+ 0.45–1.15–3.642–5.612–3.092。對表2中所得實驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果見表3。

由方差分析可知，模型極顯著(＜0.0001)，失擬項不顯著(=0.7425>0.05)，說明該模型與實際擬合程度好。2=0.9936，2Adj=0.982，說明該模型擬合程度良好，實驗誤差小，能夠反映響應(yīng)值的變化。同時可知，各因素對蝦青素微膠囊化的影響程度依次為：>>，即聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)>蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)>固形物濃度；交互項、項顯著(＜0.05)，項不顯著，表明蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)和聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固形物濃度對蝦青素微膠囊化有交互影響的作用，而蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固形物濃度對蝦青素微膠囊化交互影響的作用不明顯。

2.5.2 響應(yīng)面交互作用分析與優(yōu)化結(jié)果確定 各因素交互作用對蝦青素包埋率的影響見圖5。由圖5可知，聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)對蝦青素包埋率的影響最大，其次為蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)和固形物濃度。蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)與固形物濃度交互作用對蝦青素包埋率影響不顯著(>0.05)，聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)與固形物濃度、蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)與聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互作用對蝦青素提取率影響顯著(<0.05)，且聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)與固形物濃度交互作用影響大于蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)與聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)交互作用，與方差分析結(jié)果一致。

表2 響應(yīng)面設(shè)計方案與實驗結(jié)果

表3 響應(yīng)面二次模型方差分析

**為差異極顯著(<0.01)；*為差異顯著(<0.05)

** means highly significant difference (<0.01), * means significant difference (<0.05)

圖5 各因素交互作用對包埋率影響的響應(yīng)面圖

通過響應(yīng)面軟件分析，得出蝦青素微膠囊化的最優(yōu)工藝條件為=4.76，=0.87，=0.20，即以m(麥芽糊精)∶m(HP-β-CD)=1∶3為壁材、蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.76%、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.87%、固形物濃度為0.20 g/ml，當(dāng)設(shè)置噴霧干燥機噴霧進風(fēng)溫度170℃、出口溫度90℃時，蝦青素微膠囊包埋率的理論值為99.15%。

為驗證模型的準(zhǔn)確性，以響應(yīng)面軟件分析得出的最優(yōu)工藝進行重復(fù)實驗，實驗結(jié)果顯示，得出蝦青素微膠囊化包埋率實測值為98.77%，與理論值相對誤差為0.38%，說明模型是準(zhǔn)確有效的。

2.6 蝦青素微膠囊產(chǎn)品的理化特性

產(chǎn)品水分含量越低越有利于防止產(chǎn)品結(jié)塊或霉變。休止角可反映粉體的流動性，休止角越小，摩擦力越小，流動性也越好(廖霞等, 2016)，在該實驗條件下制得的蝦青素微膠囊產(chǎn)品水分含量、溶解度與休止角分別為(3.11±0.11)%、(94.32±0.08)%與(34.16± 0.24)°，休止角小于40°，說明具有較好的流動性，結(jié)構(gòu)表面光滑緊致，無孔隙，有利于芯材的保留，蝦青素微膠囊掃描電鏡表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖6中微膠囊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知，其組織細(xì)密，內(nèi)有空腔，囊壁較薄，可使微膠囊產(chǎn)品復(fù)水時迅速崩解，使產(chǎn)品溶解性得到提高。

圖6 蝦青素微膠囊掃描電鏡表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.7 蝦青素微膠囊產(chǎn)品的穩(wěn)定性

2.7.1 溫度對蝦青素保留率的影響 不同溫度對蝦青素保留率的影響見圖7。由圖7可知，在相同溫度條件下，微膠囊化后的蝦青素保留率均高于未微膠囊化的蝦青素晶體，其中未經(jīng)過微膠囊化的蝦青素在溫度超過40℃，其保留率便開始大幅度下降，而微膠囊化后的蝦青素則表現(xiàn)出較為緩慢的下降趨勢，由此可見，微膠囊化包埋可明顯改善蝦青素的熱穩(wěn)定性。在80℃下，微膠囊化后的蝦青素產(chǎn)品出現(xiàn)明顯下降的原因可能是由于高溫導(dǎo)致了微膠囊囊壁的破裂，使蝦青素暴露出來，從而導(dǎo)致了其保留率的下降。

2.7.2 自然光對蝦青素保留率的影響 自然光對蝦青素保留率影響結(jié)果見圖8。由圖8可知，經(jīng)過30 d的保存后，蝦青素微膠囊中的蝦青素保留率高于未微膠囊化的蝦青素晶體。在前20 d的保存期間內(nèi)，微膠囊化后的蝦青素保留率依然在90%以上，而未微膠囊化的蝦青素晶體在5 d后即呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，這是因為微膠囊囊壁具有一定的光保護作用，可以防止蝦青素因自然光而導(dǎo)致的降解。

圖7 溫度對蝦青素保留率影響

圖8 自然光對蝦青素保留率影響

2.7.3 空氣中氧氣對蝦青素保留率的影響 空氣中氧氣對蝦青素保留率的影響結(jié)果見圖9。由圖9可知，經(jīng)過30 d的保存后，未微膠囊化的蝦青素晶體的保留率明顯低于微膠囊化后的蝦青素產(chǎn)品，這可能是因為蝦青素微膠囊囊壁有隔絕空氣的作用，故使其保留率的下降不明顯。同時在有氧狀態(tài)下，蝦青素微膠囊也會吸收空氣中的水分，造成蝦青素微膠囊的部分溶解，導(dǎo)致蝦青素溶出，從而使微膠囊化后產(chǎn)品中蝦青素的保留率不斷下降。

圖9 空氣中氧氣對蝦青素保留率影響

3 結(jié)論

本研究以蝦青素微膠囊化包埋率為指標(biāo)，通過單因素實驗和Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化實驗確定蝦青素微膠囊化的最佳工藝條件為m(麥芽糊精)：m(HP-β-CD)=1∶3為壁材、蝦青素添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.76%、聚山梨酯-80添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.87%、固形物濃度為0.20 g/ml、噴霧進風(fēng)溫度170℃、出口溫度90℃時，蝦青素微膠囊包埋率的理論值為99.15%，實測值為98.77%，與理論值相對誤差約為0.38%，說明模型是準(zhǔn)確有效的。經(jīng)理化特性檢測表明，所制蝦青素微膠囊產(chǎn)品具有較好的流動性和溶解性。通過溫度、自然光和空氣中氧氣對蝦青素微膠囊及未微膠囊化的蝦青素晶體穩(wěn)定性影響的結(jié)果可知，與未微膠囊化的蝦青素晶體相比，蝦青素微膠囊在高溫條件下，蝦青素的保留率由28.72%提高到78.32%；在30 d的保存期后，在自然光條件下，蝦青素的保留率由45.27%提高到84.88%；在有氧條件下，蝦青素的保留率由20.76%提高到74.97%?？梢娢⒛z囊化可明顯改善蝦青素對光、熱和氧的敏感性，同時也說明蝦青素微膠囊產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)盡量低溫、避光密封保存，以防止其吸濕溶脹，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降。

Abdelzaher LA, Imaizumi T, Suzuki T,. Astaxanthin alleviates oxidative stress insults-related derangements in human vascular endothelial cells exposed to glucose fluctuations. Life Sciences, 2016, 150(1): 24–31

Al-Amin M, Rahman M, Khan FR,. Astaxanthin improves behavioural disorder and oxidative stress in prenatal valproic acid-induced mice model of autism. Behavioural Brain Research, 2015, 286: 112–121

Chen LM, Liu XM, Li DM,. Preparation of stable microcapsules from disrupted cell ofby spray drying. International Journal of Food Science and Technology, 2016, 51(8): 1834–1843

Fu LD, Liu D, Zhao XY,. Research progress on microencapsulation and stability of astaxanthin. Food Research and Development, 2016, 37(23): 197–201 [付力丹, 劉頔, 趙曉燕, 等. 蝦青素微膠囊化及其穩(wěn)定性的研究進展. 食品研究與開發(fā), 2016, 37(23): 197–201]

Guerin M, Huntley ME, Olaizola M. Haematococcus astaxanthin: Applications for human health and nutrition. Trends in Biotechnology, 2003, 21(5): 210–216

Hou HR, Sun ZY, Gong HK,. Optimization of theshell astaxanthin microcapsules. Food Research and Development, 2015, 36(20): 74–79 [侯會絨, 孫兆遠, 貢漢坤, 等. 克氏原螯蝦殼蝦青素微膠囊制備工藝的優(yōu)化. 食品研究與開發(fā), 2015, 36(20): 74–79]

Hu TT, Wang Y, Wu CY. Optimization of preparation process for microencapsulated astaxanthin with response surface methodology. Food Science, 2014, 35(12): 53–59 [胡婷婷, 王茵, 吳成業(yè). 響應(yīng)面法優(yōu)化蝦青素微膠囊制備工藝. 食品科學(xué), 2014, 35(12): 53–59]

Hu ZH, Zhao Y, Xia L,. Effect of different drying methods on angiotensin converting enzyme inhibitory activity of peptides from bovine casein hydrolysate. Food Science, 2016, 37(19): 204–210 [胡志和, 趙勇, 夏磊, 等. 不同干燥方法對乳源血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制肽活性的影響. 食品科學(xué), 2016, 37(19): 204–210]

Huang H, Li LH, Yang XQ,. Study of tilapia oil microcapsule by spray drying technology. South China Fisheries Science, 2009, 5(5): 19–23 [黃卉, 李來好, 楊賢慶, 等. 噴霧干燥微膠囊化羅非魚油的研究. 南方水產(chǎn)科學(xué), 2009, 5(5): 19–23]

Jiang M, Yang XQ, Li LH,. Application of endogenous enzymes in astaxanthin extraction from shrimp shell. South China Fisheries Science, 2011, 7(2): 55–60 [姜淼, 楊賢慶, 李來好, 等. 內(nèi)源酶輔助提取蝦殼蝦青素的研究. 南方水產(chǎn)科學(xué), 2011, 7(2): 55–60]

Kishimoto Y, Yoshida H, Kondo K. Potential anti-atherosclerotic properties of astaxanthin. Marine Drugs, 2016, 14(2): 35

Ko JC, Chen JC, Wang TJ,. Astaxanthin down-regulates Rad51 expression via inactivation of AKT kinase to enhance mitomycin C-induced cytotoxicity in human non-small cell lung cancer cells. Biochemical Pharmacology, 2016, 105: 91–100

Kong LX, Cui B. Advances in starch modified with octenylsuccinic acid. China Food Additives, 2010(2): 178–181, 187 [孔令曉, 崔波. 辛烯基琥珀酸淀粉酯的研究現(xiàn)狀. 中國食品添加劑, 2010(2): 178–181, 187]

Liao X, Yang XL, Li Y,. Response surface optimization of preparation of microencapsulated quercetin using complex coacervation and its physicochemical properties. Food Science, 2016, 37(22): 20–27 [廖霞, 楊小蘭, 李瑤, 等. 響應(yīng)面試驗優(yōu)化復(fù)凝聚法制備槲皮素微膠囊工藝及其理化性質(zhì). 食品科學(xué), 2016, 37(22): 20–27]

Montero P, Calvo MM, Gómez-Guillén MC,. Microcapsules containing astaxanthin from shrimp waste as potential food coloring and functional ingredient: Characterization, stability, and bioaccessibility. LWT - Food Science and Technology, 2016, 70: 229–236

Nie YC, Zhang B, Zhao XY,. Seasonal variation in lipids and protein content of Antarctic krill (). Progress in Fishery Sciences, 2016, 37(3): 1–8 [聶玉晨, 張波, 趙憲勇, 等. 南極磷蝦()脂肪與蛋白含量的季節(jié)變化. 漁業(yè)科學(xué)進展, 2016, 37(3): 1–8]

Tonon RV, Grosso CRF, Hubinger MD. Influence of emulsion composition and inlet air temperature on the microencapsulation of flaxseed oil by spray drying. Food Research International, 2011, 44(1): 282–289

Wang JQ, Fan YY, Xu ZX,. Effects of dietary β-carotene and astaxanthin levels on anti-oxidation in juvenile sea cucumber. Journal of Dalian Ocean University, 2012, 27(3): 215–220 [王吉橋, 樊瑩瑩, 徐振祥, 等. 飼料中β-胡蘿卜素和蝦青素添加量對仿刺參幼參生長及抗氧化能力的影響. 大連海洋大學(xué)學(xué)報, 2012, 27(3): 215–220]

Yamashita E. Astaxanthin as a medical food. Functional foods in health and disease, 2013, 3(7): 254–258

Zhang XS, Zhang X, Wu Q,. Astaxanthin offers neuroprotection and reduces neuroinflammation in experimental subarachnoid hemorrhage. Journal of Surgical Research, 2014, 192(1): 206–213

Zhao L, Cao R, Liu Q,. Antimicrobial activity of polypeptides from Antarctic krill. Progress in Fishery Sciences, 2011, 32(4):112–116 [趙玲, 曹榮, 劉淇, 等. 南極磷蝦酶解多肽的抑菌活性. 漁業(yè)科學(xué)進展, 2011, 32(4): 1–8]

Zhou QX, Yang L, Chen FT,. Study on preparation and stability of microcapsule containing esterified astaxanthins from. China Food Additives, 2017(7): 131–139 [周慶新, 楊魯, 陳芳甜, 等. 雨生紅球藻蝦青素酯微膠囊制備及其穩(wěn)定特性研究. 中國食品添加劑, 2017(7):131–139]

Optimization of the Preparation Process and the Physicochemical Properties of Antarctic Krill Astaxanthin Microcapsules

ZHAO Yongqiang1, TAN Junxiao1,2, LI Laihao1①, YANG Xianqing1, WEI Ya1, CEN Jianwei1, LI Chunsheng1

(1. Key Laboratory of Aquatic Product Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; South China Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Guangzhou 510300; 2. College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306)

Antarctic krill() is a species of krill found in the Southern Ocean, and an important strategic resource of China, whose growth and reproduction are susceptible to the Antarctic water environment. Due to their huge biomass (estimated to be 125 to 725 million tons), nutrient contents, and active ingredients, Antarctic krill can be widely used in functional food, aquaculture, medicine, and other fields. As an importantextractive, astaxanthin has high antioxidant activity and could play an important role in anti-oxidation, anti-inflammatory, anti-tumor, and immunity enhancement treatments, as well as in the prevention of cardiovascular diseases. However, astaxanthin has poor stability and poor water solubility, as the molecules are easily damaged by oxygen, light, and heat. In order to reduce the oxidation rate of astaxanthin and improve the storage stability of astaxanthin, the use of maltodextrin and hydroxypropyl-β-cyclodextrin (HP-β-CD) as the wall material for the microencapsulation of the Antarctic krill astaxanthin by spray drying and the physical and chemical properties of the product after microencapsulation were studied. The results showed that when the mass ratio of maltodextrin to HP-β-CD wall material was 1:3, the mass fraction of astaxanthin was 4.76%, the mass fraction of polysorbate-80 was 0.87%, and the solids concentration was 0.20 g/ml; the microencapsulation efficiency of astaxanthin microcapsules was 98.77%. The water content of the prepared astaxanthin microcapsule was (3.11±0.11)%, the solubility was (94.32±0.08)%, and the angle of rest was (34.16±0.24)°. Stability experiments showed that compared to the non-microencapsulated astaxanthin crystals, astaxanthin microcapsules at high temperatures, the retention rate of astaxanthin increased from 28.72% to 78.32%; under natural light conditions. The astaxanthin retention rate increased from 45.27% to 84.88%; under aerobic conditions and the retention rate of prime increased from 20.76% to 74.97%. The above-mentioned results indicated that microencapsulation can significantly improve the solubility and stability of astaxanthin, which can provide technical support for the preparation of astaxanthin microencapsulated products.

Antarctic krill; Astaxanthin; Microcapsules; Spray drying; Physicochemical properties

LI Laihao, E-mail: laihaoli@163.com

* 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費資助項目(2016HY-ZD0904)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金(CARS-50)共同資助 [This work was supported by Central Public-Interest Scientific Institution Basal Research Fund, CAFS (2016HY-ZD0904), and China Agriculture Research System (CARS-50)]. 趙永強, E-mail: zhaoyq@scsfri.ac.cn

李來好, 研究員, E-mail: laihaoli@163.com

2018-08-14，

2018-09-06

TS254.9

A

2095-9869(2019)05-0185-10

10.19663/j.issn2095-9869.20180814001

http://www.yykxjz.cn/

趙永強, 談俊曉, 李來好, 楊賢慶, 魏涯, 岑劍偉, 李春生. 南極磷蝦蝦青素微膠囊制備工藝優(yōu)化及其理化性質(zhì)研究. 漁業(yè)科學(xué)進展, 2019, 40(5): 185–194

Zhao YQ, Tan JX, Li LH, Yang XQ, Wei Y, Cen JW, Li CS. Optimization of preparation process and physicochemical properties of Antarctic krill astaxanthin microcapsules. Progress in Fishery Sciences, 2019, 40(5): 185–194

(編輯 陳輝)