咖啡因-淀粉微膠囊的制備、結(jié)構(gòu)表征及形成機(jī)理

邵苗，李松南，張斌，黃強(qiáng)*

1(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州，510640)2 (中新國(guó)際聯(lián)合研究院，廣東 廣州，511363)

咖啡因(caffeine)是一種黃嘌呤生物堿，無(wú)嗅，味苦，具有驅(qū)除疲勞、興奮神經(jīng)等生理作用。近年來(lái)，咖啡因在食品工業(yè)中的應(yīng)用雖日益廣泛，但由于其強(qiáng)烈的苦味使其在食品中的應(yīng)用受到一定的限制[1]，研究表明當(dāng)咖啡因單次攝入量超過(guò)250 mg時(shí)可致失眠、心悸、頭痛[2]。通過(guò)將咖啡因微膠囊化使其不良風(fēng)味得到改善，且具有一定的緩釋效果，對(duì)拓寬咖啡因的應(yīng)用范圍具有重要意義。

膨脹淀粉是將淀粉顆粒在低于糊化溫度的條件下進(jìn)行水熱處理，顆粒發(fā)生吸水膨脹，在其膨脹過(guò)程中可以與客體分子通過(guò)分子間相互作用或物理作用形成微膠囊。LI等[5]使用膨脹玉米淀粉包埋葉黃素，隨著溫度的升高，復(fù)合物中葉黃素含量逐漸升高，在反應(yīng)溫度為70 ℃時(shí)，葉黃素含量達(dá)到4.86 mg/g。多孔淀粉表面分布大量1 μm左右的孔洞，具有一定吸附客體分子的能力。LI等[6]使用多孔玉米淀粉吸附褪黑素，其載藥量和包埋效率分別達(dá)到12.3%和70.2%。V型結(jié)晶淀粉可通過(guò)醇?jí)A法制備，原淀粉在堿和乙醇處理下，直鏈淀粉與乙醇形成V型絡(luò)合物，當(dāng)乙醇被除去后，V型淀粉的疏水空腔可用于包埋小分子。使用淀粉作為包埋壁材，其來(lái)源廣泛，形成的微膠囊具有壁材性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)毒副作用、不影響芯材的藥理作用等特點(diǎn)，同時(shí)為淀粉的高值化應(yīng)用提供了一條可行的途徑。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

玉米淀粉(食品級(jí)，直鏈淀粉含量24.1%)，長(zhǎng)春大成公司;多孔玉米淀粉,宜瑞安食品配料有限公司；瓜拉納提取物(咖啡因含量24.6%)，上海德樂(lè)食品飲品配料有限公司；咖啡因標(biāo)品，美國(guó)Sigma-Aldrich公司；DMSO(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司；NaOH(分析純)，天津福晨化學(xué)試劑有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

HWS-24型恒溫水浴鍋，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；UV-1900型紫外分光光度計(jì)，日本島津公司；JC303-AO型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海申賢恒溫設(shè)備廠；FW-100型高速萬(wàn)能粉碎機(jī)，天津市華鑫儀器廠；FA2204B型電子分析天平，蘇州江東精密儀器有限公司；PHS-3C型酸度計(jì)，上海雷磁儀電科學(xué)儀器有限公司；DL-5-B型離心機(jī)，上海安亭科學(xué)儀器公司；RigakuD/Max-1200型X-射線衍射儀，美國(guó)Waters公司；EVO18型掃描電子顯微鏡，德國(guó)Zeiss公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 顆粒態(tài) V型結(jié)晶玉米淀粉的制備

參考SHI等[7]制備顆粒態(tài)V型結(jié)晶淀粉的方法。稱取普通玉米淀粉20 g(干基)置于燒杯中，加入一定量的40%的乙醇水溶液調(diào)成淀粉乳，于35 ℃水浴保溫并不斷攪拌，將一定量的3 mol/L的NaOH水溶液以4 g/min的速度勻速滴加到淀粉乳中，繼續(xù)攪拌20 min，接著向淀粉乳中倒入適量40%乙醇使淀粉沉淀完全，然后將淀粉乳離心并用40%的乙醇水溶液洗滌2次，再用2 mol/L的乙醇鹽酸中和至pH為7.0左右。將所得淀粉乳進(jìn)行離心，先用95%乙醇洗滌1次，再用無(wú)水乙醇洗1次。最后在80 ℃的溫度下干燥、研磨、過(guò)篩即得樣品。

1.3.2 膨脹玉米淀粉的制備

參考LI等[5]制備膨脹淀粉的方法。稱取5.0 g(干基)的普通玉米淀粉，用蒸餾水配制成5%的淀粉漿液，分別置于25、50、55、60 ℃恒溫水浴下攪拌1 h，使淀粉顆粒充分膨脹，直鏈淀粉溢出，形成膨脹淀粉。

1.3.3 微膠囊的制備方法

在膨脹玉米淀粉中緩慢滴加2%的瓜拉納提取物水溶液，繼續(xù)保溫?cái)嚢? h，得到咖啡因-膨脹玉米淀粉樣品。分別稱取5.0 g(干基) 多孔玉米淀粉、V型結(jié)晶玉米淀粉于燒杯中，用蒸餾水配制成5%的淀粉漿液，分別置于25、50、55、60 ℃恒溫水浴下，再向各溫度下淀粉漿液中緩慢滴加2%的瓜拉納提取物水溶液，繼續(xù)保溫?cái)嚢? h，得到咖啡因-多孔玉米淀粉和咖啡因-V型結(jié)晶玉米淀粉樣品。將上述所得樣品冷卻至室溫，離心、用蒸餾水洗滌3次，在45 ℃下鼓風(fēng)干燥后得到淡褐色粉末狀產(chǎn)品，研磨、過(guò)篩即得咖啡因-淀粉微膠囊。

1.3.4 微膠囊中咖啡因含量的測(cè)定

1.3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

精密稱取一定量的咖啡因標(biāo)品，用二甲基亞砜(DMSO)作溶劑，配制成濃度為：0、5、10、15、20、25、30、35、40、45 μg/mL 的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，在260～360 nm進(jìn)行掃描測(cè)定，最大吸收峰在276.1 nm處。以吸光度(A)為縱坐標(biāo)，濃度(C)為橫坐標(biāo)，計(jì)算回歸方程，A=0.041 2C-0.003，相關(guān)系數(shù)為0.999 4。

1.3.4.2 咖啡因含量測(cè)定

精密稱取0.03 g微膠囊，分散在6 mL的DMSO中，劇烈漩渦后在276.1 nm下測(cè)定吸光值，用DMSO-淀粉溶液作為對(duì)照。根據(jù)所測(cè)樣品的吸光值，可從標(biāo)準(zhǔn)曲線上按照公式(1)計(jì)算出咖啡因的含量：

(1)

式中：X，每克微膠囊中咖啡因的含量，mg/g；C1，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得出的咖啡因濃度，μg/mL。

1.3.5 微膠囊中咖啡因包埋效率的計(jì)算

微膠囊中咖啡因包埋效率按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Y，咖啡因包埋效率，%；M1，微膠囊的質(zhì)量，g；X，每克微膠囊中咖啡因的含量，mg/g；M2，反應(yīng)時(shí)加入的咖啡因的質(zhì)量，g。

1.3.6 掃描電鏡

用導(dǎo)電雙面膠把各樣品依次固定在樣品托盤(pán)上，吹掃多余樣品后用小藥匙輕壓樣品，使部分樣品進(jìn)入膠基，然后用刀片輕輕刮各樣品表面，在操作電壓為20 kV時(shí)，通過(guò)掃描電鏡在放大倍數(shù)為100/1 000/5000下觀測(cè)樣品的微觀形貌。

1.3.7 X-射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析

取樣品粉末置于長(zhǎng)方形鋁片的孔中，隨后壓緊，測(cè)試條件為：入射波長(zhǎng)0.154 2 nm，管壓40 kV，管流40 mA，掃描范圍5～35 °，掃描步長(zhǎng)0.04 °，掃描速度0.1秒/步。

1.3.8 紫外全波長(zhǎng)吸收

取咖啡因-膨脹淀粉和咖啡因-多孔淀粉制備的微膠囊各10 mg分散在2 mL的DMSO中，取咖啡因-V型淀粉制備的微膠囊10 mg分散在6 mL的DMSO中，用UV-1900紫外分光光度計(jì)在260～360 nm內(nèi)掃描，設(shè)置掃描間距0.1 nm。

1.3.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Origin 8軟件進(jìn)行作圖，各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)測(cè)定后的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)咖啡因含量及包埋效率的影響

3種淀粉壁材包埋的咖啡因微膠囊在不同溫度下的咖啡因含量和包埋效率如圖1所示。由圖1可以看出，膨脹淀粉制備的微膠囊中咖啡因含量和包埋效率隨溫度升高而增加。普通玉米淀粉在25 ℃進(jìn)行水熱處理后，其咖啡因含量?jī)H為0.56 mg/g，當(dāng)溫度升高至50 ℃時(shí)，其咖啡因含量達(dá)到2.82 mg/g。這是由于淀粉顆粒在50～60 ℃進(jìn)行水熱處理時(shí)，顆粒發(fā)生溶脹，溶脹后的淀粉顆粒有利于包埋咖啡因[8]。當(dāng)溫度升高至60 ℃時(shí)，微膠囊中的咖啡因含量和包埋效率達(dá)到最高，分別為10.30 mg/g和14.65%，隨著加熱溫度提高，淀粉顆粒表面的直鏈淀粉溢出，有利于截留更多的咖啡因[9]。

多孔玉米淀粉制備的咖啡因微膠囊中，其咖啡因含量和包埋效率隨加熱溫度升高呈現(xiàn)先升高后減小。在25 ℃下，多孔淀粉對(duì)咖啡因的包埋量為7.80 mg/g，顯著高于同條件下原淀粉對(duì)咖啡因包埋量。原玉米淀粉顆粒表面具有一定的通道，對(duì)小分子具有一定的吸附能力[10]，而多孔淀粉由于在酶解過(guò)程產(chǎn)生許多由顆粒表面向中心延伸的直徑為1 μm左右的孔洞，這種孔洞雖然不易截留咖啡因等水溶性小分子，但與原淀粉相比,其比表面積較大，與咖啡因接觸面積較大，其多孔結(jié)構(gòu)有利于對(duì)咖啡因的包埋[11]。隨著加熱溫度提高，在50 ℃時(shí)微膠囊中的咖啡因含量和包埋效率最高，分別為13.39 mg/g和19.04%，繼續(xù)提高加熱溫度,咖啡因含量和包埋效率反而降低。這可能是由于溫度較低，咖啡因分子擴(kuò)散緩慢，難以被多孔淀粉吸附至其多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)；而在50～60 ℃時(shí),隨著溫度的升高，一方面可能會(huì)改變多孔淀粉結(jié)構(gòu)[12]，另一方面可能是由于該吸附過(guò)程放熱[13]，提高加熱溫度導(dǎo)致咖啡因包埋量降低。

V型結(jié)晶玉米淀粉制備的咖啡因微膠囊中，其咖啡因含量和包埋效率隨加熱溫度升高而增加。在25 ℃時(shí)，V型結(jié)晶淀粉包埋咖啡因?yàn)?4.24 mg/g，當(dāng)加熱溫度提高至60 ℃時(shí)，其咖啡因含量和包埋效率達(dá)到最高，分別為45.90 mg/g和65.27%。這是由于溫度較低，直鏈淀粉和支鏈淀粉進(jìn)入水相，發(fā)生部分糊化，溢出的淀粉分子可對(duì)體系中的咖啡因分子進(jìn)行截留[14]，隨著溫度升高，體系中更多的淀粉分子溢出，有利于對(duì)咖啡因分子進(jìn)行纏繞、包埋。

a-咖啡因-膨脹淀粉微膠囊；b-咖啡因-多孔淀粉微膠囊；c-咖啡因-V型結(jié)晶淀粉微膠囊圖1 三種微膠囊的咖啡因含量和包埋效率Fig.1 Caffeine content and embedding efficiency of three microcapsules注：不同小寫(xiě)字母表示具有顯著性差異(P<0.05)

2.2 微膠囊的掃描電鏡觀察

不同溫度下制備的3種咖啡因微膠囊顆粒形態(tài)如圖2所示。由圖2可以看出，普通玉米淀粉顆粒呈現(xiàn)球形或多角形，表面較為光滑?？Х纫?膨脹淀粉微膠囊表面出現(xiàn)皺縮和破裂，并伴隨著顆粒的團(tuán)聚，這是淀粉顆粒在加熱過(guò)程發(fā)生膨脹并在干燥后發(fā)生收縮的結(jié)果。在低于淀粉糊化溫度下加熱原淀粉包埋咖啡因后，淀粉顆粒形態(tài)沒(méi)有顯著差異。

a-普通玉米淀粉；b-多孔玉米淀粉；c-V型結(jié)晶玉米；d-咖啡因-膨脹淀粉微膠囊；e-咖啡因-多孔淀粉微膠囊；f-咖啡因-V型結(jié)晶淀粉微膠囊圖2 三種微膠囊的掃描電鏡Fig.2 Scanning electron microscopy of three microcapsules

多孔玉米淀粉顆粒呈蜂窩狀的中空結(jié)構(gòu)，孔徑1 μm左右，由表面向中心深入。由圖2可以看出，咖啡因-多孔淀粉微膠囊表面出現(xiàn)比膨脹淀粉更為明顯的皺縮和破裂，這是因?yàn)樵诿附膺^(guò)程中淀粉的結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)均遭到破壞，升溫時(shí)顆粒更容易坍塌和崩解。在不同溫度下所得到的微膠囊形態(tài)差異較小，表明多孔淀粉對(duì)咖啡因的吸附不改變多孔淀粉的顆粒形態(tài)。

V型結(jié)晶玉米淀粉呈顆粒狀，由于醇?jí)A法處理中，乙醇抑制了淀粉顆粒膨脹，顆粒內(nèi)部的水分和乙醇在最后干燥時(shí)逸出，導(dǎo)致表面皺縮，出現(xiàn)凹陷，內(nèi)部形成空穴[15]。由圖2可以看出，V型結(jié)晶玉米淀粉進(jìn)行水熱處理后，常溫下顆粒即發(fā)生溶解、破裂，直鏈淀粉和支鏈淀粉進(jìn)入水相，冷卻后呈不規(guī)則的塊狀并表現(xiàn)出更為致密的結(jié)構(gòu)，這是淀粉重結(jié)晶的結(jié)果[16]。

2.3 微膠囊的結(jié)晶性質(zhì)

淀粉微膠囊的X-射線衍射圖譜如圖3所示。由圖3可以看出，隨著溫度升高，膨脹玉米淀粉制備的微膠囊結(jié)晶度略有降低，這是由于淀粉顆粒結(jié)晶部分主要是由支鏈淀粉分子構(gòu)成，水熱處理時(shí)，直鏈淀粉溶出，直鏈分子鏈與支鏈分子鏈間的相互作用增強(qiáng)，分子鏈的流動(dòng)性增強(qiáng)，雙螺旋的運(yùn)動(dòng)破壞淀粉微晶并改變微晶位向[17]，使結(jié)晶度略有降低，但結(jié)晶的完善度和穩(wěn)定度提高[18]。且微膠囊在2θ為7.36 °、13.1 °和20.1 °的V型峰并無(wú)明顯變化，說(shuō)明咖啡因和膨脹玉米淀粉之間并未形成V型復(fù)合物，而是淀粉分子對(duì)咖啡因分子的物理截留[19]。

隨著溫度升高，多孔玉米淀粉制備的微膠囊也表現(xiàn)出結(jié)晶度略有降低，這和膨脹玉米淀粉較為相似。但在60 ℃時(shí)咖啡因-多孔玉米淀粉微膠囊結(jié)晶度(28.7%)仍高于咖啡因-膨脹玉米淀粉微膠囊(24.8%)，表明多孔玉米淀粉的結(jié)晶區(qū)在水熱處理過(guò)程中破壞程度較低，這可能是由于酶解后的多孔淀粉無(wú)定形區(qū)遭到一定破壞[20]，相對(duì)結(jié)晶度提高；隨著水分子的進(jìn)入，淀粉鏈段的流動(dòng)性增加，直鏈淀粉-直鏈淀粉、直鏈淀粉-支鏈淀粉和支鏈淀粉-支鏈淀粉之間的相互作用導(dǎo)致雙螺旋的形成或優(yōu)化，從而形成了新的結(jié)晶[21]。

隨著溫度升高，V型結(jié)晶玉米淀粉制備的微膠囊的結(jié)晶度升高。V型結(jié)晶淀粉在水熱處理后，V型峰消失，其峰形與玉米淀粉的糊化峰相似。但不同的是，在不同溫度下的咖啡因-V型結(jié)晶淀粉微膠囊均在11.9 °出現(xiàn)新的尖銳峰，為瓜拉納提取物的衍射峰，微膠囊呈現(xiàn)一種新的物相[22]，表明咖啡因包埋成功。

a-咖啡因-膨脹淀粉微膠囊；b-咖啡因-多孔淀粉微膠囊；c-咖啡因-V型結(jié)晶淀粉微膠囊圖3 三種微膠囊的X-射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction of three microcapsules

2.4 微膠囊的紫外吸收光譜

紫外吸收光譜是探索包埋物形成的有效方法[23]。3種微膠囊的紫外吸收光譜如圖4所示，由圖4可以看出，膨脹淀粉和V型結(jié)晶淀粉制備的微膠囊，其吸光值隨水熱處理溫度升高而逐步增加；多孔淀粉制備的微膠囊，其吸光值在常溫下最小，繼續(xù)提高加熱溫度，吸光值隨水熱處理溫度升高而逐步減小。3種微膠囊最大吸收波長(zhǎng)在275.5 nm左右，且與咖啡因含量趨勢(shì)一致，咖啡因標(biāo)品在276.1 nm處顯示最大吸收峰，進(jìn)一步說(shuō)明咖啡因包埋成功。

a-咖啡因-膨脹淀粉微膠囊；b-咖啡因-多孔淀粉微膠囊；c-咖啡因-V型結(jié)晶淀粉微膠囊；d-咖啡因標(biāo)品圖4 三種微膠囊的紫外吸收?qǐng)D譜Fig.4 UV spectrum of three microcapsules

2.5 微膠囊的形成機(jī)理

不同咖啡因-淀粉微膠囊的形成機(jī)理如圖5所示。普通玉米淀粉在低于糊化溫度下進(jìn)行水熱處理，顆粒保持基本形態(tài)，發(fā)生可逆溶脹，無(wú)定形區(qū)的淀粉分子可以移動(dòng)、重組，直鏈淀粉溶出至顆粒表面，形成膨脹淀粉。溫度在微膠囊的形成中起主導(dǎo)作用，其中X-衍射圖譜中顯示普通玉米淀粉仍保持其晶體結(jié)構(gòu)；紫外吸收光譜中顯示微膠囊的形成不涉及到化學(xué)相互作用，而咖啡因的含量隨著溫度的升高而增加，這是因?yàn)樵絹?lái)越多的直鏈淀粉分子浸出，導(dǎo)致無(wú)定形區(qū)具有更高的遷移速率?？Х纫蚍肿右徊糠直唤龅闹辨湹矸劢亓?，一部分遷移至淀粉顆粒的無(wú)定形區(qū)，待冷卻至室溫后，顆?；净謴?fù)至原玉米淀粉形態(tài)，而咖啡因分子被淀粉分子截留。

多孔玉米淀粉顆粒表面具有很多由表面向中心深入的孔洞，這種多孔結(jié)構(gòu)相比原淀粉具有較大的比表面積，咖啡因分子可以通過(guò)這種多孔結(jié)構(gòu)而被吸附。該吸附為動(dòng)態(tài)過(guò)程，隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行，咖啡因最終達(dá)到吸附平衡。在常溫下由于咖啡因擴(kuò)散速率較緩慢，多孔淀粉對(duì)其吸附量較低，而在較高溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，吸附量減少，是由于該吸附過(guò)程放熱，低溫下更有利于咖啡因的吸附。

V型結(jié)晶玉米淀粉在低于糊化溫度下進(jìn)行水熱處理，顆粒迅速發(fā)生不可逆溶脹，直鏈淀粉溶出同時(shí)支鏈淀粉雙螺旋發(fā)生解離，兩者進(jìn)入水相后，體系中的咖啡因分子被纏繞、束縛。X-衍射圖譜顯示,V型結(jié)晶玉米淀粉發(fā)生糊化而失去其晶體結(jié)構(gòu)；紫外吸收光譜顯示,微膠囊的形成不涉及到化學(xué)相互作用。當(dāng)溫度降低后，直鏈淀粉和支鏈淀粉分子又會(huì)通過(guò)氫鍵等作用力發(fā)生聚集，淀粉分子發(fā)生重結(jié)晶，形成更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，咖啡因分子被截留在淀粉分子重結(jié)晶過(guò)程中。

a-咖啡因-膨脹淀粉微膠囊；b-咖啡因-多孔淀粉微膠囊；c-咖啡因-V型結(jié)晶淀粉微膠囊圖5 三種微膠囊的形成機(jī)理Fig.5 Formation mechanism of three microcapsules

3 結(jié)論

以膨脹淀粉、多孔淀粉和V型結(jié)晶淀粉為壁材，制備得到3種咖啡因-淀粉微膠囊，優(yōu)化了最佳包埋溫度。研究發(fā)現(xiàn)V型結(jié)晶淀粉微膠囊中咖啡因含量和包埋效率最高?？Х纫虻陌窈臀讲桓淖儼癖诓牡念w粒形態(tài)，且沒(méi)有產(chǎn)生新的V型結(jié)晶峰，紫外光譜證實(shí)了咖啡因在淀粉分子中成功包埋。由于咖啡因和淀粉均為親水性物質(zhì)，以淀粉為壁材制備咖啡因微膠囊具有工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)時(shí)間短、成本低等優(yōu)勢(shì)，在新型食品的研發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景，研究結(jié)果對(duì)含咖啡因提神食品的開(kāi)發(fā)具有重要的理論指導(dǎo)意義。