復合凝聚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.渤海大學食品科學研究院，遼寧 錦州 121013；2.渤海大學化學化工與食品安全學院，遼寧 錦州 121013；3.遼寧省食品安全重點實驗室，遼寧 錦州 121013；4.“食品貯藏加工及質量安全控制工程技術研究中心”遼寧省高校重大科技平臺，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。流行病學研究［1］發現攝入β－胡蘿卜素含量高的果蔬與人類某些癌癥的低發病率有關，也有學者［2］提出β－胡蘿卜素的抗氧化活性具有抑制白內障、防止動脈硬化和抗衰老作用。然而在食品加工、貯藏過程中，β－胡蘿卜素穩定性差，因熱、酸和光的作用易發生異構化。β－胡蘿卜素具有很多共軛雙鍵，故極易被氧化，此反應會導致維生素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劇［3－5］。另外，弱極性分子結構決定了β－胡蘿卜素具有不溶于水、微溶于油脂的性質，限制了其應用范圍。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，通過傳統微膠囊制作工藝很難將其包埋，得到的產品穩定性差，當微膠囊應用于焙烤等高溫、高濕環境中時，微膠囊的玻璃態壁材就會崩塌，失去對β－胡蘿卜素的保護作用［6，7］。

本試驗擬通過復合凝聚技術解決這些問題。相比于噴霧干燥法在高溫中制備微膠囊，復合凝聚技術制備微膠囊的整個過程溫度不超過40 ℃，環境條件更溫和，不會對β－胡蘿卜素結構造成破壞。微膠囊經固化后形成交聯網狀結構，在高溫、高濕環境下不易塌陷。明膠／阿拉伯膠構成的網狀結構外膜包裹著β－胡蘿卜素，能有效降低光、熱、酸、氧及金屬離子對β－胡蘿卜素結構的破壞，起到良好的保護作用，并在高溫高濕環境中具有優越的緩釋性能［8］。此外，復合凝聚法制備微膠囊時，通常以甲醛作為固化劑，但因其具有毒性而難以應用到食品中。本試驗采用轉谷氨酰胺酶代替甲醛，制備可食用的復合凝聚微膠囊，使得β－胡蘿卜素在食品工業中獲得更加廣泛的應用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

明膠：化學純，沈陽市興順化學試劑廠；

阿拉伯膠：DL－A－I，山東鼎力膠業有限公司；

β－胡蘿卜素：湖北世力達生物科技有限公司；

甜橙油：廣東博盈貿易有限公司；

桔油：浙江黃巖中興香精香料有限公司；

轉谷氨酰胺酶：酶活2萬U／g，泰興市一鳴生物制品有限公司；

高速分散均質機：FJ－200，上海標本模型廠；

懸臂式攪拌器：RW20.n，廣州儀科實驗室技術有限公司；

數碼顯微鏡：Motic BA300，日本麥克奧迪（Motic）公司；

pH 計：PB－10，德國Sartorius公司；

可見光分光光度計：722，上海精密科學儀器有限公司；

噴霧干燥機：SP－1500，上海順儀實驗設備有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 復合凝聚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，用高速分散均質機于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，進行復合凝聚反應。一段時間后加冰降溫到15 ℃以下，用10% NaOH 溶液調整pH 到6.0，加入一定量的轉谷氨酰胺酶固化2h。然后進行噴霧干燥，條件為進風溫度200 ℃、出口溫度90 ℃、進料速度500mL／h。

1.2.2 復合凝聚微膠囊中β－胡蘿卜素含量的測定 依照1.2.1的方法制備未經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定（GB／T 5009.83——2003）進行測定。

1.2.3 復合凝聚微膠囊表面β－胡蘿卜素含量的測定 濕囊無需研磨，其余方法同1.2.2。

1.2.4 復合凝聚微膠囊產率的測定 復合凝聚微膠囊產率按式（1）計算：

式中：

η1—— 微膠囊化產率，%；

m1—— 反應得到濕微膠囊質量，g；

X1—— 樣品中β－胡蘿卜素百分含量，%；

m—— 乳化使用β－胡蘿卜素質量，g。

1.2.5 復合凝聚微膠囊效率的測定 復合凝聚微膠囊效率按式（2）計算：

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 復合凝聚多核微膠囊形態的觀察 取1滴固化后的微膠囊懸浮液置于載玻片上，用數碼顯微鏡觀察并拍照。

1.2.7 復合凝聚多核微膠囊粒徑的測定 復合凝聚微膠囊粒徑用數碼顯微鏡手動測定。從所拍照片中選取一定的范圍，取50個目標，測定其直徑，取平均值。

2 結果與討論

2.1 pH 值對復合凝聚微膠囊形態的影響

變動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 值對復合凝聚微膠囊形態和粒徑影響非常顯著。pH 值為4.4，微膠囊形態完全無規則；pH 值降低到4.2，微膠囊為較規則的球狀；pH 值為到3.8，微膠囊形態最好；pH 值下降到3.0，微膠囊形態完全無規則。在pH 值下降過程中，所產生的復合凝聚物沒有明顯的增加［9］，微膠囊粒徑的增大并不是由壁材復合凝聚物量的增加所導致的［10］。pH 值下降使得明膠帶有更多的正電荷，同阿拉伯膠發生更為強烈的靜電相互作用，形成具有高黏度的復聚物［11］，微膠囊粒徑顯著增加。因此制備球狀多核復合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的pH 值為3.8。

圖1 pH 值對復合凝聚微膠囊形態的影響Figure 1 Effect of pH on the morphology of coacervate microcapsules

圖2 pH 值對復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 芯壁比對復合凝聚微膠囊形態的影響

變動芯壁比，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，復合凝聚微膠囊的形態由球形變得不規則，粒徑逐漸變大。當芯壁比由1∶4增加到1∶2時，內部芯材液滴含量增大且分布更均勻；芯壁比增加到1∶1，微膠囊開始出現粘連，一些微膠囊形狀變得不規則；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合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的芯壁比應不大于1∶2。

2.3 明膠／阿拉伯膠比率對復合凝聚微膠囊形態的影響

圖3 芯壁比對復合凝聚微膠囊形態的影響Figure 3 Effect of core／wall ratio on the morphology of coacervate microcapsules

圖4 明膠／阿拉伯膠比率對復合凝聚微膠囊形態的影響Figure 4 Effect of gelatin／gum Arabic ratio on the morphology of coacervate microcapsules

變動明膠／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，復合凝聚微膠囊的形態逐漸不規則。明膠／阿拉伯膠比率為1∶2時，圖中出現了大量的小亮點，應為空的復合凝聚物液滴；明膠／阿拉伯膠比率為1∶1，膠囊形態好，芯材分布均勻；壁材組成增加到2∶1，開始出現粘連，粒徑增大；壁材組成增加到4∶1，微膠囊形態非常不規則。隨著復合凝聚物中明膠含量的增加，復合凝聚的黏度增大、黏性增大，大量的微膠囊在攪拌下更易發生碰撞，重新聚集成大的不規則的多核微膠囊［13］。因此制備球狀多核復合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的明膠／阿拉伯膠比率應為1∶1。

2.4 攪拌速度對復合凝聚微膠囊形態的影響

變動攪拌速度，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，攪拌速度對復合凝聚微膠囊的形態和粒徑有一定影響。攪拌速度為200r／min時，微膠囊部分呈球狀，部分呈大而不規則的形狀，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 時微膠囊無法形成。當轉速繼續增加到600r／min時，由于攪拌過于劇烈，每個微膠囊所包埋的芯材量明顯減少。由此可以看出，制備復合凝聚球狀多核β－胡蘿卜素微膠囊的攪拌速度為400r／min。

2.5 不同芯材復合凝聚微膠囊的形態比較

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規則的球狀，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，這可能是因為使用的是β－胡蘿卜素微晶油懸浮液，粘稠度大，芯材液滴的界面性質與桔油、甜橙油不同。

圖5 攪拌速度對復合凝聚微膠囊形態的影響Figure 5 Effect of stirring speed on the particle size of coacervate microcapsules

圖6 攪拌速度對復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 復合凝聚β－胡蘿卜素微膠囊的產率和效率

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

3 結論

（1）通過本試驗可確定制備復合凝聚球狀多核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 芯材對復合凝聚微膠囊形態的影響Figure 7 Effect of kinds of core materials on the morphology of coacervate microcapsules

圖8 芯材對復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）試驗得到的β－胡蘿卜素微膠囊產率為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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