玉米黃質(zhì)復(fù)凝聚微膠囊化工藝研究

劉 兵，謝 昕

(1.商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476100； 2.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

玉米黃質(zhì)(3,3′-二羥基-β-胡蘿卜素)與葉黃素是同分異構(gòu)體，在綠色水果蔬菜中含量豐富.玉米黃質(zhì)在功能食品上具有消除自由基、抗氧化等作用，在醫(yī)學(xué)上有抗癌、預(yù)防心血管疾病等作用，特別是在預(yù)防和減緩老年性眼部疾病方面有突出療效[1].此外，有研究者認(rèn)為，人生命早期缺乏玉米黃質(zhì)會(huì)影響腦的發(fā)育[2].玉米黃質(zhì)在人體內(nèi)無(wú)法自主合成，必須從膳食中得到補(bǔ)充.但玉米黃質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性以及水溶性都很差，并且在儲(chǔ)存過(guò)程中容易因溫度、光照、食品添加劑等外在的一些因素影響而發(fā)生分解，這在很大程度上限制了玉米黃質(zhì)在醫(yī)藥、食品行業(yè)上的應(yīng)用.

微膠囊化技術(shù)是利用高分子材料包裹目標(biāo)物，形成密封性囊壁及流動(dòng)性良好的微小粒子的一種包封技術(shù)[3].如果把玉米黃質(zhì)制成微膠囊的形式，能夠大大降低其易分解的性質(zhì)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍.目前，食品行業(yè)常用的制備微囊化的方法有：物理法中的流化床法[4]和噴霧干燥法[5]、化學(xué)法中的原位聚合法[6]和復(fù)凝聚法[7]等.復(fù)凝聚法是利用靜電作用達(dá)到包裹芯材的目的[8].復(fù)凝聚法是被廣泛用于維生素、香精、魚油等食品的微膠囊化技術(shù)，其常用的壁材組合為明膠/阿拉伯膠體系[9].殼聚糖 (chitosan, CH)因具有正電性，及良好的吸附性、生物相容性和成膜性等優(yōu)點(diǎn)，在微膠囊的制備方面應(yīng)用比較廣泛[10].大豆分離蛋白(soybean protein isolate, SPI)來(lái)源廣泛，作為一種兩性電解，經(jīng)常和殼聚糖一起用于微膠囊的制備工藝.本實(shí)驗(yàn)以大豆分離蛋白和殼聚糖為壁材，采用復(fù)凝聚法制備玉米黃質(zhì)微膠囊，以玉米黃質(zhì)的包埋產(chǎn)率和包埋效率為指標(biāo)，優(yōu)化微膠囊化的制備工藝，以期為玉米黃質(zhì)的廣泛利用提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大豆分離蛋白(食品級(jí)，武漢盛世天元生物科技有限公司)；殼聚糖(食品級(jí)，河北龍華醫(yī)藥科技有限公司)；玉米黃質(zhì)(食品級(jí)，西安旭全生物技術(shù)有限公司)；石油醚、鹽酸、冰醋酸(分析純，南京化學(xué)試劑股份有限公司)；氫氧化鈉(分析純，天津欣泰怡科技有限公司).

1.2 儀器與設(shè)備

紫外可見分光光度計(jì)(Agilent Cary 60)：安捷倫科技(中國(guó))有限公司；萬(wàn)分之一分析天平(ME104T)：梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S)：鞏義市予華儀器有限公司；超聲波清洗器(KQ5200)：昆山市超聲儀器有限公司；臺(tái)式高速離心機(jī)(TG18K)：上海繼譜電子科技有限公司；數(shù)顯高速分散機(jī)(400W)：沈陽(yáng)華之翼機(jī)械設(shè)備廠；pH計(jì)(PHS-3C)：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；懸臂式恒速?gòu)?qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)(GZ)：金壇市岸頭林豐實(shí)驗(yàn)儀器廠；數(shù)顯式電熱恒溫水浴鍋(XMTD-204)：上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司；生物顯微鏡(DM2500)：德國(guó)徠卡.

1.3 復(fù)凝聚法制備玉米黃質(zhì)微囊的工藝流程

將質(zhì)量濃度為2.4%、pH8.0的大豆分離蛋白溶液和玉米黃質(zhì)混合，使最終的混合液中的玉米黃質(zhì)和大豆分離蛋白的質(zhì)量比達(dá)到1∶1.6，將該混合液置于高速剪切分散機(jī)中，在45℃、18 000 r/min的條件下，乳化2 min，得到玉米黃質(zhì)乳狀液.向玉米黃質(zhì)乳狀液中緩慢加入一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液，并用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)乳狀液的pH值.一定溫度下，將乳狀液攪拌一段時(shí)間后，冷卻至室溫，即得玉米黃質(zhì)微膠囊懸浮液.用濾紙吸干微膠囊懸浮液上的水分，即得玉米黃質(zhì)微膠囊產(chǎn)品.玉米黃質(zhì)微膠囊化的工藝流程圖，如圖1所示.

圖1 玉米黃質(zhì)微膠囊制備的工藝流程圖

1.4 玉米黃質(zhì)含量的測(cè)定

利用分光光度法測(cè)定并計(jì)算微膠囊產(chǎn)品中玉米黃質(zhì)的含量，計(jì)算公式如下[11]：

C=(A×f)/(E×m)

(1)

式中：C—玉米黃質(zhì)的含量(g/g)；A—在450 nm處的吸光度值；f—溶液稀釋倍數(shù)；E—單位質(zhì)量的玉米黃質(zhì)溶于乙醇，在波長(zhǎng)450 nm處的消光系數(shù)(g-1);m—制備的玉米黃質(zhì)微膠囊樣品的質(zhì)量(g).

1.5 微膠囊化效率和產(chǎn)率的測(cè)定

以無(wú)水乙醇為提取劑，分別提取和測(cè)定微膠囊中表面玉米黃質(zhì)含量、微膠囊中玉米黃質(zhì)總含量、反應(yīng)體系中加入的玉米黃質(zhì)總含量.采用下面的公式計(jì)算微膠囊化效率和產(chǎn)率[12].

1.5.1 微膠囊中表面玉米黃質(zhì)的含量測(cè)定

稱取玉米黃質(zhì)微膠囊100 mg放入20 mL試管中，加入石油醚10.00 mL，在500 r/min 的條件下，渦旋震蕩2 min，震蕩結(jié)束后，靜置10 min，取試管上清液，以石油醚為空白參比液，于450nm處測(cè)吸光度[13]，按照式(1)計(jì)算含量.

1.5.2 微膠囊中玉米黃質(zhì)總含量的測(cè)定

稱取100 mg 制備好的玉米黃質(zhì)微膠囊于20 mL試管中，加入10.00 mL石油醚，室溫下以800 W的超聲功率處理15 min左右，直至玉米黃質(zhì)被完全提取出來(lái)，靜置10 min，取上層含玉米黃質(zhì)的橘黃色溶液.以石油醚為空白參比液，于450 nm處測(cè)吸光度，按照式(1)計(jì)算含量.

1.5.3 反應(yīng)體系中 PRP 總含量的測(cè)定

稱取100 mg微膠囊中需要加入玉米黃質(zhì)的總量于20 mL試管中，按照1.5.2中的處理方法進(jìn)行處理，取其上清液用石油醚稀釋，以石油醚為空白參比液，于450 nm處測(cè)吸光度，按照式(1)計(jì)算玉米黃質(zhì)的總量.

1.6 數(shù)據(jù)處理

1.7 玉米黃質(zhì)微膠囊形態(tài)的觀察

吸取少量制備好的玉米黃質(zhì)微膠囊溶液于載玻片上，蓋上蓋玻片，使用DM2500生物顯微鏡觀察微膠囊形態(tài).

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)凝聚法制備玉米黃質(zhì)微膠囊的工藝優(yōu)化

2.1.1 壁材比的影響

將玉米黃質(zhì)乳狀液與一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液混合，用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值到6.3，在轉(zhuǎn)速為200 r/min的條件下，攪拌15 min，整個(gè)攪拌過(guò)程控制溫度為25℃.以玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率和效率為指標(biāo)，來(lái)考察壁材比對(duì)微膠囊的影響.考察的壁材比SPI∶CH(m∶m)有：1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1.

根據(jù)復(fù)凝聚法制備微膠囊化的原理，當(dāng)兩種壁材的正負(fù)兩種電荷的數(shù)目相等時(shí)，微膠囊化的效果最好.圖2為不同壁材比(SIP∶CH)對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊產(chǎn)率和效率的影響.從圖2可以看出，隨著壁材比的增加，玉米微膠囊包埋的產(chǎn)率是先增加后減少，當(dāng)SIP和CH兩種壁材比為4∶1時(shí)，玉米黃質(zhì)的包埋產(chǎn)率為83.18%，達(dá)到最大.此結(jié)果與黃高清[14]的 SPI/CH 發(fā)生復(fù)凝聚微膠囊化的最適比例一致.因此，我們選擇壁材比4∶1作為最佳壁材比值.

2.1.2 pH值的影響

將玉米黃質(zhì)乳狀液與一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值，在轉(zhuǎn)速為200 r/min的條件下，攪拌15 min，整個(gè)攪拌過(guò)程控制溫度為25℃.以玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率和效率為指標(biāo)，來(lái)考察pH對(duì)微膠囊的影響.考察的pH值有：5.7、6.0、6.3、6.5、6.7.圖3為不同pH值對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化產(chǎn)率和效率的影響.

圖2 壁材比對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化的影響

圖3 pH值對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化的影響

復(fù)凝聚法需要帶正負(fù)兩種不同電荷的壁材，其中殼聚糖是帶正電荷的.大豆分離蛋白是兩性電荷，其等電點(diǎn)大概在4.5，只有大豆分離蛋白帶負(fù)電荷時(shí)，其才能與帶正電荷殼聚糖通過(guò)靜電作用發(fā)生復(fù)凝聚.通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，大豆分離蛋白帶的負(fù)電荷數(shù)不斷增加，當(dāng)所帶正負(fù)電荷數(shù)相等時(shí)，大豆分離蛋白和殼聚糖產(chǎn)生靜電作用，發(fā)生復(fù)凝聚的效果最好.由圖3可以看出，在pH值等于6.5時(shí)，玉米黃質(zhì)的微膠囊包埋產(chǎn)率和效率均達(dá)到最大值，分別為84.2%和92.21%.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與黃高清的 SPI/CH 發(fā)生復(fù)凝聚微膠囊化的最佳pH值的結(jié)果基本相一致.因此，我們選擇制備微膠囊化的最佳pH值為6.5.

2.1.3 攪拌速度的影響

將玉米黃質(zhì)乳狀液與一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值到6.5，在一定轉(zhuǎn)速條件下，攪拌15 min，整個(gè)攪拌過(guò)程控制溫度為25℃.以玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率和效率為指標(biāo)，來(lái)考察攪拌速度對(duì)微膠囊的影響.考察的攪拌速度有：100 r/min、200 r/min、300 r/min、400 r/min、500 r/min.圖4為不同攪拌速度對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化產(chǎn)率和效率的影響.

在制備微膠囊化的過(guò)程中，如果攪拌的速度太慢，壁材和芯材不能很好地混合，最終得到的微膠囊也比較少；如果攪拌速度太快，形成的微膠囊穩(wěn)定性較差，容易破裂，最終得到的微膠囊數(shù)量也會(huì)減少[15].由圖4可知，隨著攪拌速度的增加，玉米黃質(zhì)微膠囊的包埋率先增加再降低，與文獻(xiàn)15所述的規(guī)律基本一致.當(dāng)攪拌速度為300 r/min時(shí)，加入的壁材和芯材達(dá)到了很好的混合，并且攪拌速度不是太快，形成的微膠囊也比較穩(wěn)定，形狀也較好，玉米黃質(zhì)的微膠囊包埋產(chǎn)率和效率分別達(dá)到最高，分別為89.5%和93.67%.考慮攪拌速度對(duì)制備成的微膠囊穩(wěn)定性和形狀的影響，選擇300 r/min為最佳攪拌速度.

2.1.4 攪拌溫度的影響

將玉米黃質(zhì)乳狀液與一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值到6.5，在300 r/min的攪拌條件下，攪拌10 min.以玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率和效率為指標(biāo)，來(lái)考察攪拌溫度對(duì)微膠囊的影響.考察的攪拌溫度有：25℃、35℃、45℃、55℃、65℃.圖5為不同攪拌溫度對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化產(chǎn)率和效率的影響.

圖4 攪拌速度對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化的影響

圖5 攪拌溫度對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化的影響

復(fù)凝聚反應(yīng)的發(fā)生過(guò)程中，除了有物質(zhì)之間的靜電作用外，物質(zhì)之間的氫鍵和疏水性也起著一定的作用[16]，所以，溫度對(duì)微膠囊的包埋效果也有一定的作用.由圖5可知，在所考察的溫度范圍內(nèi)，微膠囊的包埋產(chǎn)率和效率差異不太明顯.在45℃-50℃溫度范圍內(nèi)，微膠囊的包埋率差別不大.但還是可以看出，溫度為55℃時(shí)，包埋產(chǎn)率和效率均達(dá)到最大值，分別為89.5%和93.67%.溫度較高的情況下，大豆分離蛋白會(huì)發(fā)生一定的變性，其空間結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定變化，這可能會(huì)增加其余殼聚糖之間的相互作用，從而使玉米黃質(zhì)微膠囊化的產(chǎn)率和效率都有所提高.綜合各方面考慮，選擇制備微膠囊的最佳溫度為55℃.

2.1.5 攪拌時(shí)間的影響

將玉米黃質(zhì)乳狀液與一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值到6.5，并在溫度30℃及攪拌速度300 r/min的條件下，攪拌一定時(shí)間.以玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率和效率為指標(biāo)，來(lái)考察攪拌時(shí)間對(duì)微膠囊的影響.考察的攪拌時(shí)間有：5 min、10 min、15 min、20 min、25 min.圖6為不同攪拌時(shí)間對(duì)玉米黃質(zhì)微膠囊化產(chǎn)率和效率的影響.

由圖6可知，在5 min-25 min攪拌時(shí)間內(nèi)，對(duì)微膠囊的包埋產(chǎn)率和效率還是有一定影響的.要使大豆分離蛋白和殼聚糖能夠通過(guò)靜電作用完美包裹住玉米黃質(zhì)，需要我們選擇一個(gè)最合適的攪拌時(shí)間.在不同攪拌時(shí)間下，玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率相對(duì)都比較高，這與相關(guān)文獻(xiàn)記載的大豆分離蛋白和殼聚糖之間的靜電作用能夠迅速完成相符合.并且在10 min、15 min、20 min三個(gè)攪拌時(shí)間下，玉米黃質(zhì)微膠囊的產(chǎn)率無(wú)顯著差別，但相對(duì)攪拌時(shí)間為15 min時(shí)，產(chǎn)率最高達(dá)到89.93%.玉米黃質(zhì)微膠囊的包埋效率在不同的攪拌時(shí)間下，存在顯著差別，其中在攪拌時(shí)間為15 min時(shí)，包埋效率到最大，為93.96%.在低于和高于15 min時(shí)，包埋效率相對(duì)來(lái)說(shuō)都要低一點(diǎn)，當(dāng)攪拌時(shí)間低于15 min時(shí)，可能玉米黃質(zhì)還沒有完全被包埋穩(wěn)定，不斷從微膠囊表面脫落；當(dāng)攪拌時(shí)間高于15 min時(shí)，可能微膠囊在溶液中存放時(shí)間較長(zhǎng)，有一部分玉米黃質(zhì)會(huì)從微膠囊內(nèi)部滲透到其表面并脫落，這些都有可能引起玉米黃質(zhì)微膠囊包埋效率的下降.綜合各方面考慮，選擇制備微膠囊的最佳攪拌時(shí)間為15 min.

2.2 玉米黃質(zhì)微膠囊的微觀形態(tài)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得到最佳工藝條件.圖7為通過(guò)最佳工藝條件得到的玉米黃質(zhì)微膠囊圖像(放大500倍)。

圖7 玉米黃質(zhì)微膠囊的微觀形態(tài)圖

由圖7可以看到玉米黃質(zhì)微膠囊呈球形結(jié)構(gòu)，球形結(jié)構(gòu)大小不一，玉米黃質(zhì)能夠很好地被包埋其中，這說(shuō)明本研究采用的壁材和方法能夠很好地制備玉米黃質(zhì)微膠囊.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與黃國(guó)清[17]利用與本實(shí)驗(yàn)相同的壁材所制備的辣椒紅色素微膠囊的形態(tài)相一致.

3 結(jié)論

本研究采用復(fù)凝聚法，選用大豆分離蛋白和殼聚糖為壁材，以玉米黃質(zhì)為芯材，來(lái)制備玉米黃質(zhì)微膠囊.通過(guò)單因素變量的方法，得到最佳制備工藝：將一定體積的質(zhì)量濃度為2.4%、pH值為8.0的大豆分離蛋白溶液和玉米黃質(zhì)混合，最終使兩種物質(zhì)的質(zhì)量比達(dá)到1.6∶1，在一定震蕩條件下，將混合液乳化，得到玉米黃質(zhì)乳狀液.加入一定質(zhì)量濃度的殼聚糖溶液混合，使最終壁材比SPI∶CH(m∶m)為4∶1.用10% NaOH溶液調(diào)節(jié)混合液的pH值到6.5，并在55℃下，300 r/min的條件下，攪拌15 min，得到玉米黃質(zhì)微膠囊.該條件下的玉米黃質(zhì)的包埋產(chǎn)率為89.93%，包埋效率為93.96%，得到的微膠囊均為球形形狀.