海帶類胡蘿卜素微膠囊的制備工藝研究

王 麗,蔣美娟,任丹丹,王添嬌,汪秋寬,何云海

(大連海洋大學食品科學與工程學院,遼寧省水產品加工及綜合利用重點實驗室,遼寧大連 116023)

海帶類胡蘿卜素微膠囊的制備工藝研究

王 麗,蔣美娟,任丹丹*,王添嬌,汪秋寬,何云海

(大連海洋大學食品科學與工程學院,遼寧省水產品加工及綜合利用重點實驗室,遼寧大連 116023)

為增強海帶類胡蘿卜素的穩定性,本文采用微膠囊技術對海帶類胡蘿卜素進行包埋,以產品包埋率和產率為指標,通過單因素實驗和正交實驗優化微膠囊包埋技術的最佳工藝條件。并對海帶類胡蘿卜素微膠囊產品的穩定性進行了考察。結果表明,海帶類胡蘿卜素微膠囊制備的最佳工藝條件為:明膠∶β-環糊精∶蔗糖(2∶1∶2)為壁材,芯壁材比例為1∶5,乳化劑吐溫-80∶司盤-80(3∶1)添加量為0.3%,均質壓力35MPa,均質1次。在此條件下得到的微膠囊產品包埋率可達92.16%,產率為89.95% 。在此工藝條件下制備的微膠囊產品穩定性高,對芯材具有良好的保護作用。

海帶,類胡蘿卜素,微膠囊,穩定性

類胡蘿卜素是一種最重要的功能性色素。目前國內外對類胡蘿卜素的淬滅自由基能力[1-3]、抗腫瘤活性[4]、降脂、增強免疫力[5]等方面做了大量研究,證明類胡蘿卜素是一類具有生物活性的功能性天然色素。

但類胡蘿卜素化學性質很不穩定,極易受光、氧、高溫、紫外線等因素影響而降解[6]。此外,類胡蘿卜素是一種脂溶性色素,在水中溶解性較差,難以直接應用于食品、藥品、化妝品等水溶性產品的生產加工。而利用微膠囊技術對類胡蘿卜素進行包埋,可有效解決上述難題,提高類胡蘿卜素的生物利用率,擴大應用范圍,促進生理功能的發揮,還可以進一步提高類胡蘿卜素在功能性食品及藥品中的應用等[7]。

國外的類胡蘿卜素微膠囊包埋技術已趨于成熟。Rascón利用冷凝噴霧干燥法制備的微膠囊穩定性非常好,在水分活度為0.73的條件下仍然能夠保證結構的完整性[8]。Spada以pinh?o淀粉為壁材,通過冷凍干燥法極顯著的提高了β-胡蘿卜素的穩定性[9]。國內在類胡蘿卜素微膠囊化技術方面則有待進一步完善,如最常用的噴霧干燥法[10-11],在制備過程中對溫度要求較高,而高溫很容易造成類胡蘿卜素的損失。而本實驗在類胡蘿卜素微膠囊成型環節采用真空冷凍干燥技術,可有效減輕外界環境對類胡蘿卜素的影響程度。

我國海帶資源豐富,且海帶中含有豐富的類胡蘿卜素,是獲取天然類胡蘿卜素的重要來源。因此,本文以海帶為原料提取類胡蘿卜素,對其微膠囊制備工藝進行優化,并對類胡蘿卜素微膠囊產品的穩定性進行初步考察,為今后海帶類胡蘿卜素微膠囊工業化生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮海帶、大豆油 購于大連市黑石礁市場。甲醇無水、石油醚、丙酮、明膠、蔗糖、吐溫-80、司盤-80、β-環糊精、無水硫酸鈉等均為國產分析純。

SHE-D(Ⅲ)型循環水式真空泵 鞏義市英峪予華儀器廠;RE-52AA型旋轉蒸發器 上海亞榮生化儀器廠;BS2000S型分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司;LD5-2A 型離心機 北京醫用離心機廠;TU-1810型紫外可見分光光度計 上海第三分析儀器廠;ALPHAI-5型真空冷凍干燥機 北京博醫康實驗儀器有限公司;JM-2型膠體磨 廊坊通用機械廠;AH-BASIC高壓均質機 加拿大ATS 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 海帶類胡蘿卜素的提取 取適量新鮮海帶,用組織搗碎機搗碎,按料液比(1∶3 w/v)加入提取溶劑無水甲醇避光浸提,反復提取3次,每次浸提1h,將提取液合并轉入分液漏斗,加入適量活性炭顆粒靜置吸附30min,加入石油醚反復萃取直至石油醚層無色,收集甲醇層用無水硫酸鈉干燥、過濾,濾液在40℃下減壓濃縮至干,加入丙酮溶解,定容后,利用紫外可見分光光度計在446nm測其吸光度,按下式計算類胡蘿卜素的含量。

式(1)

式中:A為吸光值,V為液體體積,N為稀釋倍數。

1.2.2 微膠囊產品的制備 采用明膠、蔗糖、β-環糊精為復合壁材,對類胡蘿卜素進行包埋。將復合壁材加入到一定量的蒸餾水中,控制固形物含量在10%(w/w)左右,并加入一定量的吐溫-80,80℃水浴加熱,攪拌溶解,制備水相。同時,將類胡蘿卜素丙酮溶液加入到大豆油中,利用氮吹除盡有機溶劑,并加入一定量的司盤-80,40℃水浴加熱,攪拌溶解后得到油相。將油相緩慢加入到水相中,并進行充分攪拌,再經高壓均質機均質后,類胡蘿卜素充分被基質包埋,最后進行真空冷凍干燥即可得到微膠囊化產品。

1.2.3 類胡蘿卜素微膠囊化效果的測定 微膠囊化產率的測定:準確稱取0.5g樣品,加3mL水形成均一體系,再加5mL丙酮溶解,不斷攪拌,抽濾,反復浸提不溶物直至濾液無色,以溶解出微膠囊顆粒內外的全部類胡蘿卜素,然后采用無水硫酸鈉脫水、過濾,并在4℃、10000r/min下離心10min,稀釋若干倍后,利用紫外分光光度計在446nm下測吸光度,根據公式1計算出微膠囊類胡蘿卜素的總含量后,按如下公式計算微膠囊化產率:

微膠囊化產率(%)=產品中類胡蘿卜素含量/起始的類胡蘿卜素含量×100

式(2)

微膠囊化包埋率的測定:準確稱取0.5 g樣品,加入5mL石油醚,不斷攪拌,真空抽濾,反復浸提不溶物直至濾液無色,以溶解出微膠囊產品表面的所有類胡蘿卜素,然后在4℃、10000r/min條件下離心10min,稀釋若干倍后,利用紫外分光光度計在446nm下測其吸光度,根據公式1計算出微膠囊表面類胡蘿卜素含量后,按如下公式計算微膠囊包埋率。

微膠囊包埋率(%)=(1-微膠囊表面的類胡蘿卜素含量)/微膠囊類胡蘿卜素總含量×100

式(3)

1.2.4 單因素實驗 壁材組分的選擇 實驗共選用三種材料作為壁材:明膠、蔗糖、β-環糊精。芯壁材比例1∶5,乳化劑吐溫-80與司盤-80(1∶1)占乳化液總體積的0.3%,30MPa下均質2次,考察不同壁材組分對類胡蘿卜素微膠囊化的影響。

芯壁材比例：選擇上述實驗確定的最優壁材組合,吐溫-80與司盤-80(1∶1)0.3%,30MPa下均質2次,考察不同芯壁材比例對類胡蘿卜素微膠囊化的影響。

乳化劑種類：選擇上述實驗確定的最優壁材組合、芯壁材比例,添加0.3%乳化劑,30MPa下均質2次,考察不同壁材種類對類胡蘿卜素微膠囊化的影響。

乳化劑添加量：選擇上述實驗確定的最優壁材組合、芯壁材比例,乳化劑種類,30MPa下均質2次,考察不同乳化劑添加量對類胡蘿卜素微膠囊化的影響。

均質壓力：選擇上述實驗確定的最優壁材組合、芯壁材比例,乳化劑種類及添加量,高壓均質2次,考察不同均質壓力對類胡蘿卜素微膠囊化的影響。

均質次數：選擇上述實驗確定的最優壁材組合、芯壁材比例,乳化劑種類和添加量以及均質壓力,考察不同均質次數對類胡蘿卜素微膠囊化的影響。

1.2.5 正交實驗 在單因素實驗基礎上,進行四因素三水平正交實驗。對芯壁材比例、乳化劑添加量、均質壓力、均質次數等四個因素進行優化,以確定制備類胡蘿卜素微膠囊的最佳工藝條件。實驗設計見表1。

表1 類胡蘿卜素微膠囊制備工藝因素水平表

1.2.6 微膠囊產品穩定性實驗 通過氮吹除盡類胡蘿卜素溶液中的丙酮以獲得類胡蘿卜素樣品,同時將類胡蘿卜素樣品及其微膠囊產品進行定量真空包裝,并分別置于4、25℃的恒溫環境中避光貯藏,考察海帶類胡蘿卜素微膠囊產品的穩定性。每隔7d取一份樣品,每份0.5g,根據1.2.3測定微膠囊產品中類胡蘿卜素的總含量,并按下式計算類胡蘿卜素的保留率:

類胡蘿卜素保留率(%)=(樣品中剩余的類胡蘿卜素含量/樣品中起始的類胡蘿卜素含量)×100

式(4)

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果分析

2.1.1 壁材組分對微膠囊化的影響 包埋率是評定微膠囊質量好壞的重要指標。包埋率高,則裸露于微膠囊表面的類胡蘿卜素含量就少,與外界環境接觸的機會就小,有效成分損失少,那么微膠囊產品就比較穩定,貯藏期長。因此,較高的包埋率是制造微膠囊產品首先追求的目標。

由圖1可看出,在各種不同壁材對微膠囊產率及包埋率影響的比較中,復合壁材的包埋率及產率明顯高于單一壁材。說明明膠、β-環糊精單獨作為壁材,其包埋效果及抗氧化性能較差。而由明膠、β-環糊精和蔗糖組成的復合壁材制備的微膠囊質量較好,其平均產率為78.26%,平均包埋率高達90.53%。明膠具有良好的成膜性和乳化性,是包埋類胡蘿卜素的理想材料。β-環糊精的表面活性和乳化能力較差,但可用它作為填充劑來增加微膠囊的強度和致密性。因此,本實驗選擇明膠+β-環糊精+蔗糖為微膠囊包埋的壁材。

圖1 不同壁材組分對微膠囊包埋效果的影響Fig.1 Effect of different wall material components on the microcapsules

2.1.2 芯壁材比例對微膠囊化的影響 由圖2可看出,隨著芯壁材比例從1∶1變化到1∶5時,微膠囊的包埋率和產率均呈現上升的趨勢。當比例達到1∶5時,包埋率和產率達到最大,分別為88.98%、77.44%。當芯壁材比例變化到1∶10時,產率略有下降,而包埋率顯著下降。其原因可能是隨著壁材比例的逐漸增加,形成的微膠囊囊壁致密,有利于類胡蘿卜素的保存,微膠囊化包埋率和產率升高;但當壁材含量繼續增加時,微膠囊化包埋率下降,可能是由于壁材比例較大時,芯材流動性變差,出現黏著現象;同時壁材含量過高,包含的類胡蘿卜素含量較少,壁材沒有充分利用,也會導致微膠囊化產率降低。因此,在保證微膠囊品質的前提下,綜合考慮微膠囊的產率及包埋率,選擇芯壁材的比例為1∶5。

圖2 不同芯壁材比例對微膠囊包埋效果的影響Fig.2 Effect of ratio of core material to wall material on the microcapsules

2.1.3 乳化劑種類對微膠囊化的影響 由圖3可以看出,添加乳化劑能夠有效改善類胡蘿卜素微膠囊化效果,顯著提高微膠囊包埋率和產率。但混合乳化劑比單一乳化劑微膠囊化效果更佳,得到的微膠囊產品質量更好。以吐溫-80與司盤-80比例3∶1的效果最為明顯,其包埋率高達91.88%,產率為80.77%。吐溫-80為水溶性乳化劑,司盤-80為油溶性乳化劑,在配置乳化液時,水相質量高于油相質量。當吐溫-80的添加量高于司盤-80的添加量時,配制的乳化液乳化效果更好,得到的微膠囊產品其包埋率及產率更高。因此,選用吐溫-80與司盤-80(3∶1)作為乳化劑。

圖3 不同乳化劑種類對微膠囊包埋效果的影響Fig.3 Effect of different emulsifiers on the microcapsules

2.1.4 乳化劑添加量對微膠囊化的影響 由圖4可看出,隨著乳化劑加入量的增加,乳化劑在0.3%時,微膠囊化產率達到最高為77.13%。繼續增大乳化劑的加入量,微膠囊化產率開始呈現下降趨勢。觀察包埋率與乳化劑加入量曲線的變化趨勢可以得到同樣的結果,其包埋率高達89.51%。可見,乳化劑加入量為0.3%時,微膠囊化效果最好,故乳化劑添加量選擇0.3%。

圖4 不同乳化劑添加量對微膠囊包埋效果的影響Fig.4 Effect of the amount of added emulsifiers on the microcapsules

2.1.5 均質壓力對微膠囊化的影響 由圖5可看出,隨著均質壓力增加,微膠囊包埋率和產率均先增大后減小,達到30MPa時,二者達到最高值。原因可能是隨著均質壓力的增加,芯壁材乳化液乳化效果越好,微膠囊化效率也不斷提高;但當壓力超過30MPa時,由于壓力較大導致混合液溫度過高,類胡蘿卜素損失增加;同時油滴分散度加劇,表面積增加,也會引起包埋率下降。因此,綜合微膠囊的產率及包埋率,均質壓力選擇在30MPa左右。

圖5 不同均質壓力對微膠囊包埋效果的影響Fig.5 Effect of different homogenization pressure on the microcapsules

2.1.6 均質次數對微膠囊化的影響 由圖6可看出,隨著均質次數的增加,包埋率呈現先增加后減小的趨勢,均質2次時包埋率達到最大值,為92.47%,但微膠囊產率逐漸減小。多次均質,能增加芯壁材混合液乳化效果,但均質溫度上升將導致類胡蘿卜素損失量增加,反而影響了微膠囊化產率。因此,均質過程中應盡量減少均質次數。

圖6 不同均質次數對微膠囊包埋效果的影響Fig.6 Effect of different homogenization times on the microcapsules

2.2 正交實驗分

由表2可知,當以微膠囊包埋率為指標時,綜合評價極差大小,結果顯示各因素的主次順序依次是D>A>C>B,即均質次數>芯壁材比例>均質壓力>乳化劑添加量。因此,極差分析確定類胡蘿卜素微膠囊制備工藝的最優組合為D1A2C3B1,即芯壁材比例1∶5,乳化劑添加量為0.3%,均質壓力35MPa,均質1次。

2.3 驗證性實驗

根據正交實驗,制備類胡蘿卜素微膠囊的最佳理論工藝條件為D1A2C3B1,而根據實驗中包埋率的高低其實際最佳工藝條件為D1A2C3B2。分別以D1A2C3B1和D1A2C3B2為條件進行3組平行驗證性實驗,實驗結果:以D1A2C3B1為條件制備的微膠囊其平均包埋率為92.16%,產率為89.95%;而以D1A2C3B2為條件制備的微膠囊其平均包埋率為90.44%,產率為84.67%。綜上,類胡蘿卜素微膠囊化最佳工藝條件:芯壁材比例1∶5,乳化劑添加量0.3%,均質壓力35MPa,均質1次。

表2 類胡蘿卜素微膠囊制備工藝的正交實驗設計及結果

2.4 微膠囊穩定性實驗結果

圖7是海帶類胡蘿卜素樣品及其微膠囊樣品在真空、避光及不同溫度下的降解曲線(lnR～t)。微膠囊在貯存過程中由于受到環境因素的影響,會導致芯材的降解和破壞,而保留率就是衡量這種穩定性變化的重要指標之一。本實驗將保留率及貯藏時間等降解數據進行一級降解反應的線性擬合,其相關系數R2均大于95%(見表3),說明海帶類胡蘿卜素樣品及其微膠囊產品的降解過程均符合一級降解反應模型。

根據一級反應動力學方程:

ln(R)=-kt

t1/2=0.693/k

式中,R為類胡蘿卜素保留率,t為時間,k為熱降解反應常數,t1/2為熱降解半衰期。降解曲線lnR～t的直線斜率即為-k,從而得出各降解過程的反應常數k。

圖7 類胡蘿卜素樣品及其微膠囊的一級降解方程Fig.7 First-order plot for the degradation of carotenoids and microencapsulations

表3是真空、避光條件下海帶類胡蘿卜素樣品及其微膠囊產品熱降解相關系數、降解反應常數及半衰期的比較。通過表3比較相同貯藏條件下海帶類胡蘿卜素樣品和其微膠囊的降解反應常數和半衰期,發現真空、避光條件下海帶類胡蘿卜素樣品及其微膠囊產品都具有較好的穩定能力。經包埋的類胡蘿卜素降解反應常數是其未包埋的1/3,降解明顯放緩。4℃條件下,微膠囊產品的半衰期是類胡蘿卜素樣品的3.7倍;25℃條件下,微膠囊產品的半衰期是類胡蘿卜素樣品的2.6倍,說明經過微膠囊化處理,對芯材具有良好的保護作用,產品穩定性得到明顯提升。

表3 不同溫度對海帶類胡蘿卜素樣品及其微膠囊穩定性的影響

3 結論

通過單因素實驗和正交實驗,確定了海帶類胡蘿卜素微膠囊的最佳制備工藝條件:壁材為明膠+蔗糖+β-環糊精(2∶2∶1),芯壁材比例1∶5,乳化劑吐溫-80+司盤-80(3∶1)添加量為0.3%,均質壓力35MP,均質1次。在此條件下制得的微膠囊產品其包埋率為92.16%,產率為89.95%。本實驗制得的海帶類胡蘿卜素微膠囊產品穩定性高,對海帶類胡蘿卜素具有良好的保護作用。

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Study on preparation of carotenoids microcapsules from kelp

WANG Li,JIANG Mei-juan,REN Dan-dan*,WANG Tian-jiao,WANG Qiu-kuan,HE Yun-hai

(Key Laboratory of Aquatic Product Processing and Utilization of Liaoning Province,College of Food Science and Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

To enhance the stability of carotenoids from kelp,microencapsulation technology was used for embedding carotenoids of kelp,the embedding rate and the yield of the products as the indexes. The optimum technological conditions were determined by single factor and orthogonal test. The results were shown as following∶gelatin∶β-cyclodextrin∶sucrose(2∶1∶2)as wall material,the core and wall material ratio of 1∶5,emulsifier Tween-80∶Span-80(3∶1)dosage of 0.3%,homogenization pressure 35MPa,homogenization for one time. Under these conditions,the microcapsules embedding rate was as high as 92.16% and the yield was 89.95%. In addition,the microcapsules not only has a better stability,but also has a good protective effect on the core material.

kelp;carotenoids;microencapsulation;stability

2014-07-10

王麗(1988-),女,碩士研究生,研究方向:海洋生物資源利用。

國家自然基金(31301449);遼寧省高校優秀人才支持計劃項目(LJQ2014077);遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目。

TS254.1

B

1002-0306(2015)07-0219-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.07.038

*通訊作者:任丹丹(1980-),博士,副教授,研究方向:海洋生物資源利用。