粒徑分析法研究原花青素乳狀液的制備工藝

劉夢培,鐵珊珊,縱 偉,張麗華,趙光遠

(鄭州輕工業學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450002)

粒徑分析法研究原花青素乳狀液的制備工藝

劉夢培,鐵珊珊,縱 偉*,張麗華,趙光遠

(鄭州輕工業學院食品與生物工程學院,河南鄭州 450002)

為了制備原花青素乳狀液,采用動態超高壓微射流技術處理乳狀液,選取阿拉伯膠和β-環糊精作為壁材,以壁材中阿拉伯膠含量、總固形物含量、處理壓力為影響因素,粒徑為指標進行研究。在單因素的實驗基礎上,通過響應面優化分析可知最佳優化工藝為:阿拉伯膠含量為40%、總固形物含量為15%、處理壓力為160 MPa。該條件下獲得的乳狀液的粒徑預測值為629.20 nm,而粒徑的真實值為633.70 nm,預測值與實際測量值吻合度為98.90%,響應值的實驗值與回歸方程預測值吻合良好。結論:在此條件下獲得的原花青素乳狀液穩定性強,分布均勻;同時根據處理壓力對乳狀液粒徑及其分布的影響結果可知,超高壓微射流可以提高乳狀液的穩定性。

原花青素,乳狀液,響應面,粒徑

原花青素又稱為縮合單寧,由黃烷-3-醇單體構成且在植物界廣泛存在的多酚類物質[1-2]。因其高效、低毒、高生物利用率而廣泛應用于食品、化妝品及保健品等領域[3-4]。原花青素的酚羥基性質活潑,在自然環境中易氧化,對光、熱等條件敏感,其在生產、貯藏及運輸過程中非常易被氧化破壞,從而限制了其在食品等產業中的應用[5-6]。近年來水溶性制劑的出現,如微膠囊制劑、脂質體制劑等大大提高了原花青素的生物利用度[7-8]。番茄紅素、姜黃素、辣椒紅色素等物質的性質也極其不穩定,陳文田等研究發現將番茄紅素溶于油脂后制備成乳狀液,并添加VC和VE等添加劑可以提高其穩定性[9];慈峰等研究發現采用酶解改性的大豆分離蛋白乳化姜黃素制備成乳狀液,可以提高姜黃素的穩定性[10];胡江良等研究發現利用乳化技術將辣椒紅色素制備成水包油型乳狀液,可以擴大其使用范圍[11]。所以本文研究將原花青素制備成乳狀液,提高其穩定性。

動態超高壓微射流均質技術(Dynamic High Pressure Microfluidization,DHPM)可以用來改善乳狀液的穩定性,其獨特的工作機制會瞬間產生大量的能量,流體速度很快,使粉碎細度可達到1 μm以下[12-13]。Syamaladevi等研究發現高壓均質處理會顯著降低紅樹莓汁的粒徑,提高其穩定性[14];畢爽等研究發現均質壓力會改變乳狀液的性質,提高其穩定性[15];Song等發現經超高壓均質處理后大豆分離蛋白懸浮液的平均粒徑變小,粒徑分布變窄[16]。現有報道高壓均質對原花青素乳狀液性質的影響研究較少[17]。

因此,本研究利用動態超高壓微射流均質技術,根據影響原花青素乳狀液的主要因素[18]壁材種類、處理壓力、總固形物含量等進行實驗,在單因素的實驗基礎上,以乳狀液的平均粒徑為指標進行響應面實驗,得到乳狀液的最優制備工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葡萄籽提取物原花青素 批號:002-1608069-24,含量為98%,天津市尖峰天然產物研究開發有限公司;卵磷脂、番茄紅素均為食品級 鄭州萬搏食品配料有限公司;壁材β-環糊精、麥芽糊精、變性淀粉均為食品級,阿拉伯膠(gum Arabic,GA)為分析純 國藥集團有限公司。

膠體磨 廊坊市廊通機械有限公司;FPG12800高壓納米均質機 安盛聯合科技有限公司;Zetasizer Nano-ZS90激光粒度儀 馬爾文儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳狀液的制備 將原花青素溶于蒸餾水中,加入壁材、卵磷脂(質量分數為總固形物的0.4%)以及強抗氧化劑番茄紅素(質量分數為總固形物的1%),其中芯材原花青素的添加量為壁材的40%,在常溫(20～30 ℃)下用玻璃棒攪拌均勻,然后采用膠體磨處理三次獲得原花青素乳狀液[19]。

1.2.2 DHPM處理 采用超高壓微射流技術在不同的處理壓力下對原花青素乳狀液進行處理,并與未經高壓處理的乳狀液(原液)進行比較,以乳狀液的粒徑作為評價指標[20]。

1.2.3 單因素實驗 采用1.2.1和1.2.2中的方法制備乳狀液,固定反應條件為:壁材中GA含量為40%,總固形物含量為15%,處理壓力為160 MPa,研究壁材種類(GA、變性淀粉、β-環糊精、GA+變性淀粉、GA+麥芽糊精、GA+β-環糊精)對乳狀液粒徑及其分布的影響;固定反應條件為用GA和β-環糊精作為壁材,總固形物含量為15%,處理壓力為160 MPa,研究壁材中GA含量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)對乳狀液粒徑及其分布的影響;固定反應條件為用GA和β-環糊精作為壁材,壁材中GA含量為40%,處理壓力為160 MPa,研究總固形物含量(10%、15%、20%、25%、30%)對乳狀液粒徑及其分布的影響;固定反應條件為用GA和β-環糊精作為壁材,壁材中GA含量為40%,總固形物含量為15%,研究處理壓力(80、120、160、200、240 MPa)對乳狀液粒徑及其分布的影響。每一實驗處理重復3 次,取平均值。

1.2.4 響應面法優化乳狀液的制備 在單因素實驗的基礎上,以GA和β-環糊精作為壁材,根據Box-Behnken實驗設計原理[21],以乳狀液的粒徑作為響應值,設計三因素三水平響應面分析實驗,其因素與水平見表1。

表1 乳狀液響應面實驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in response surface analysis of emulsion

1.2.5 乳狀液粒徑的測定 采用Nano-ZS90激光粒度儀測定乳狀液的粒徑。

1.3 數據分析

采用Design-Expert 8.0.6 Trial、SPSS、Origin軟件處理實驗數據,結果采用平均值±標準差表示,p<0.05作為顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 壁材種類對乳狀液粒徑及分布的影響 壁材的性質對乳狀液的穩定性具有直接影響[22],壁材種類對乳狀液粒徑及其分布的影響見圖1。

圖1 不同壁材對乳狀液粒徑及其分布的影響Fig.1 The effect of different wall material on the partical size and distributions of emulsions注:圖中小寫字母不同表示數據之間存在顯著性差異(p<0.05),圖2～圖4中小寫字母代表的含義與此相同。

由圖1可知,用不同壁材制備的乳狀液其平均粒徑各不相同。其中,用變性淀粉制備的乳狀液粒徑最小(338.70 nm,p<0.05),用GA(40%)和變性淀粉作為壁材(729.53 nm)的乳狀液粒徑也相對較小,但在制備過程中,含有變性淀粉的乳狀液極易產生沉淀,通過其粒徑分布圖就可以證明,兩者的乳狀液粒徑分布出現雙峰現象,說明乳狀液的粒徑分布不均勻,液滴均一性較差[23]。用GA(40%)和β-環糊精作為壁材制備的乳狀液的平均粒徑為677.30 nm,明顯低于GA(1527.33 nm)、β-環糊精(3890.67 nm)、GA(40%)+麥芽糊精(1552.33 nm)制備的乳狀液的平均粒徑,且其粒徑分布為單峰,說明用GA(40%)和β-環糊精作為壁材制備的乳狀液效果較好。因此,本實驗采用GA和β-環糊精作為壁材。

2.1.2 GA含量對乳狀液粒徑及其分布的影響 GA含量對乳狀液粒徑及其分布的影響見圖2。由圖2可知,GA含量不同對乳狀液的粒徑及其分布具有顯著影響。β-環糊精具有特殊的空間結構,可與許多物質形成包接配合物,將外來分子量置于中心部位而完成包埋過程[24]。而GA具有高度的可溶解性和乳化性,有利于提高乳狀液的乳化效果。隨著GA含量的增加,乳狀液的粒徑逐漸減小,體系的穩定性增強,當GA含量在40%時,乳狀液的粒徑最小(616.10 nm),與其它相比存在顯著差異(p<0.05),當GA含量超過40%時,粒徑逐漸增大,原因可能是由于GA本身粘度較低,隨著其含量升高,造成整個乳狀液的粘度降低,使乳狀液的穩定性下降[25]。

圖2 GA含量對原花青素乳狀液粒徑和粒度分布的影響Fig.2 The effect of gum Arabic content on the partical size and distributions of emulsion

從其粒徑分布可知,當GA含量為40%,乳狀液的粒徑分布范圍最窄且為單峰,說明其粒徑分布相對較為均勻;當GA含量為30%(683.40 nm)、50%(996.13 nm)時,平均粒徑相對較高,乳狀液的粒徑也呈單峰分布;而GA含量為20%、70%時,粒徑呈雙峰分布,說明粒徑分布不均勻,均一性較差。此外,從圖2中我們會發現,平均粒徑和體積分布圖上的峰值相差很遠,這是因為樣品的平均粒徑與體積分布的粒徑無直接關系,兩者采用的是完全獨立的方法進行分析[26]。因此,綜合GA含量對乳狀液粒徑及其分布的影響,選定GA含量為30%、40%、50%進行響應面優化實驗。

2.1.3 總固形物含量對乳狀液粒徑及其分布的影響 圖3表示的是不同總固形物含量對乳狀液粒徑及其分布的影響。由圖3可知,總固形物的含量越高,樣品的粒徑越大,且存在顯著差異,當總固形物濃度為10%時,其粒徑最小為531.53 nm。從粒徑分布圖可知,總固形物含量為10%、15%、20%時,乳狀液粒徑分布為單峰,且呈正態分布;而總固形物含量為25%、30%時,乳狀液粒徑分布范圍較廣,兩者的分布擴散系數均大于0.5,小顆粒的信號很容易被大顆粒覆蓋,分布不均勻,對實驗結果影響較大[27]。同時研究表明,乳狀液中的固形物含量越高乳狀液穩定性越好,但濃度過大時反而會使穩定性降低[28]。因此,綜合總固形物含量對乳狀液粒徑及其分布的影響,選定總固形物含量10%、15%、20%進行響應面優化實驗。

圖3 總固形物含量對原花青素乳狀液粒徑及其分布的影響Fig.3 The effect of total solids content on the partical size and distributions of emulsion

2.1.4 處理壓力對乳狀液粒徑及其分布的影響 從圖4可知,處理壓力對乳狀液的粒徑及其分布具有顯著影響。隨著處理壓力增加,乳狀液的粒徑基本呈先降低后增加的趨勢,但是與未經DHPM處理的原液相比,其粒徑明顯降低,粒徑分布范圍變窄,乳狀液的穩定性得到提高,這一結果與Sun等人研究結果一致[29]。與其他處理壓力相比,處理壓力為160 MPa下獲得的乳狀液粒徑(609.10 nm)最小,可能是由于在超高壓處理過程中,流體的剪切力使樣品顆粒變小;而240 MPa下處理的樣品平均粒徑明顯上升,這種現象可能是由于小顆粒再聚的結果,當粒徑低于某一特定值,范德華力和靜電引力等表面吸引力會引起顆粒增加,然后微粒更容易吸引彼此,導致再凝集的現象[30-31]。

從圖4的粒徑分布可知,乳狀液的粒徑均成單峰分布,粒徑分布均勻,從一定程度上也可以反映動態超高壓處理會提高乳狀液的穩定性。因此,綜合處理壓力對乳狀液粒徑及其分布影響,選定處理壓力120、160、200 MPa進行響應面優化實驗。

表3 回歸方程模型方差分析及其系數的顯著性檢驗Table 3 Analysis of variance for the fitted quadratic model of partical size and significance test of its regression coefficients

圖4 處理壓力對乳狀液粒徑和粒度分布的影響Fig.4 The effect of treating pressure on the partical size and distributions of emulsion

注：*表示差異顯著,p<0.05;**表示差異極顯著,p<0.01。

2.2 響應面實驗結果

2.2.1 響應面實驗方案及結果 在單因素實驗的基礎上,選擇GA和β-環糊精作為壁材,以GA含量、總固形物含量、處理壓力為自變量,以粒徑作為響應值,采用Box-Behnken設計進行響應面實驗,取單因素實驗中平均粒徑小的作為因素水平,實驗結果見表2。

表2 響應面實驗設計方案及結果Table 2 Experimental design and corresponding results for response surface

2.2.2 回歸方程的建立與分析 采用Design-Expert 8.0.6軟件對表2中的實驗數據進行回歸擬合,得到粒徑與三個因素之間的多項回歸模型:Y=5153.751-138.337A-108.768B-15.402C+0.486AB+ 0.071AC+0.032BC+1.587A2+3.252B2+0.039C2,對模型進行方差分析,結果見表3。

根據回歸模型的診斷分析結果,可知粒徑的模型失擬項的p值為0.0995,模型失擬項不顯著,說明模型的擬合度良好。變異系數反映了模型的置信度,數值越低模型的置信度越高[32],變異系數為3.40%,說明模型能較好地反映真實值。綜合實驗結果可知,該模型的擬合度較好,因此可以利用該模型分析和預測乳狀液的最佳乳化效果。

2.2.3 響應面分析 利用Design-Expert 8.0.6繪制響應面圖,考察所擬合的響應面形狀,分析GA含量、總固形物含量、處理壓力對乳狀液粒徑的具體影響方式,其響應面見圖5。

圖5 各因素交互作用對粒徑影響的響應面Fig.5 Response surface plots for partical size as a function of three processing parameters

通過軟件Design-Expert對響應面實驗優化分析,得知GA含量為40%、總固形物含量為15%、處理壓力為160 MPa時,乳狀液的粒徑最小(629.20 nm)。

2.2.4 驗證實驗 在最優條件下,粒徑的預測值為629.20 nm,為驗證響應面法優化實驗結果的可靠性,在響應面優化的最佳條件下重新測定乳狀液的粒徑,所得粒徑真實值為633.70 nm,預測值與實際測量值吻合度分別為98.90%。說明響應值的實驗值與回歸方程預測值吻合良好。

3 結論

通過單因素及響應面優化分析可知,采用GA和β-環糊精作為壁材,壁材中GA含量為40%、總固形物含量為15%、處理壓力為160 MPa的條件下獲得的乳狀液粒徑最小(629.20 nm)。此條件下獲得的原花青素乳狀液穩定性強,分布均勻;同時根據處理壓力對乳狀液粒徑及其分布的影響結果可知,超高壓微射流處理可以提高乳狀液的穩定性。

[1]Hellenbrand N,Sendker J,Lechtenberg M,et al. Isolation and quantification of oligomeric and polymeric procyanidins in leaves and flowers of Hawthorn(Crataegusspp.)[J]. Fitoterapia,2015(104):14-22.

[2]Zhang L,Wang Y J,Li D X,et al. The absorption,distribution,metabolism and excretion of procyanidins[J]. Food Funct,2016(7):1273-1281.

[3]Bitzer Z T,Glisan S L,Dorenkott M R,et al. Cocoa procyanidins with different degrees of polymerization possess distinct activities in models of colonic inflammation[J]. Journal of Nutritional Biochemistry,2015,26(8):827-831.

[4]Li Z,Zeng J,Tong H,et al. Hydrogenolytic depolymerization of procyanidin polymers from hi-tannin sorghum bran[J]. Food Chemistry,2015(188):337-342.

[5]Zhang F,Mou H,Du S. Procyanidins:Extraction and microencapsulation[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture,2007(87):2192-2197.

[6]丁保淼,袁武華. 銳孔法制備原花青素微膠囊工藝研究[J]. 食品與機械,2012,28(6):214-217.

[7]吳朝霞,孟憲軍,林琳,等. 幾種微膠囊包裹方法對葡萄籽原花青素包裹效果的對比研究[J]. 食品工業科技,2005,26(9):67-72.

[8]譚旭坤,余倩,柯永樂,等. 聚乙二醇修飾的原花青素脂質體的制備及穩定性研究[J]. 現代化工,2016,36(7):64-67.

[9]陳文田,李海霞,鄭慶東,等. 番茄紅素乳狀液穩定性研究[J]. 食品工業科技,2011,32(9):147-155.

[10]慈峰,曹雁平,許朵霞,等. 姜黃素-酶解改性SPI乳狀液的制備及性質研究[J]. 中國食品學報,2015,15(6):89-95.

[11]胡江良,連明磊,李志,等. 辣椒紅色素乳狀液制備工藝的研究[J]. 應用化工,2010,39(2):240-243.

[12]萬紅霞,孫海燕,劉冬. 動態超高壓微射流均質對大米蛋白功能特性的影響[J]. 食品工業科技,2015,36(16):155-166.

[13]張博. 動態超高壓微射流技術對蠟質淀粉改性的影響及其機理初探[D]. 南昌:南昌大學,2008.

[14]Syamaladevi R M,Insan S K,Dhawan S,et al. Physicochemical Properties of Encapsulated Red Raspberry(Rubus idaeus)Powder:Influence of High-Pressure Homogenization[J]. Drying Technology,2012,30(5):484-493.

[15]畢爽,馬文君,孫洪波,等. 高壓均質對天然和熱變性大豆蛋白-磷脂水包油型乳狀液功能性質的影響[J].食品科學,2017,38(1):74-79.

[16]Song X Z,Zhou C J,Fu F,et al. Effect of high-pressure homogenization on particle size and film properties of soy protein isolate[J]. Industrial Crops and Products,2013(43):538-544.

[17]毛立科,徐洪亮,高彥祥. 高壓均質技術與食品乳狀液[J]. 食品與機械,2007,23(5):146-149

[18]王迪,劉夫國,高彥祥.β-胡蘿卜素乳狀液研究進展[J]. 中國食品添加劑,2015(3):170-177.

[19]孟嬌,國威,岳鑫,等. 番茄紅素乳狀液穩定性的研究[J]. 農業科技與設備,2015(2):45-17.

[20]李凱,肖光輝,錢鐳. 影響乳清蛋白乳狀液穩定性的因素研究[J]. 食品工業,2015,36(12):49-51.

[21]徐向宏,何明珠. 實驗設計與Design-Expert、SPSS應用[M]. 北京:科學出版社,2010:132-157.

[22]謝巖黎,王 芬,王 柯,等. 微膠囊壁材乳狀液穩定性的研究[J]. 河南工業大學學報：自然科學版,2013,34(1):82-86.

[23]韓麗麗,侯占群,文劍,等. 紫蘇籽油乳狀液的制備及其穩定性評價[J]. 食品與發酵工業,2016,42(4):144-149.

[24]陳紅波,徐寶明. 壁材組成對原花青素微膠囊化的影響[J]. 食品研究與開發,2010,31(9):68-71.

[25]張春蘭,齊小彪,王麗玲,等. 噴霧干燥法制備紅棗黃酮微膠囊的工藝研究[J]. 中國果菜,2014,34(10):29-32.

[26]李春燕,趙軍,孔明. 累積量算法在PCS中的顆粒粒徑反演[J]. 計量學報,2009,30(5A):23-26.

[27]馬曉軍,賈可華. 大麥飲料乳狀液的穩定性[J]. 食品與發酵工業,2014,40(7):235-240.

[28]侯利霞,王穎穎,王曉霞. 冷榨芝麻油微膠囊乳狀液乳化條件及乳化體系研究[J]. 河南工業大學學報：自然科學版,2015,36(4):44-48.

[29]Sun C X,Dai L,Liu F G,et al. Dynamic high pressure microfluidization treatment of zein in aqueous ethanol solution[J]. Food Chemistry,2016(210):388-395.

[30]Liu C M,Liang R H,Dai T T,et al. Effect of dynamic high pressure microfluidization modified insoluble dietary fiber on gelatinization and rheology of rice starch[J]. Food Hydrocolloids,2016(57):55-61.

[31]黃科禮,尹壽偉,楊曉泉. 微射流處理對紅豆分離蛋白結構及功能特性的影響[J]. 現代食品科技,2011,27(9):1062-1065.

[32]楊繼敏,周雪敏,朱科學,等. 響應面實驗優化胡椒鮮果油炸工藝[J]. 食品科學,2016,37(12):52-58.

Optimization process of emulsion of procyanidins by particle size analysis

LIU Meng-pei,TIE Shan-shan,ZONG Wei*,ZHANG Li-hua,ZHAO Guang-yuan

(School of Food and Bioengineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China.)

In order to get high performance of procyanidins emulsion,the dynamic high pressure microfluidization(DHPM)method was applied to prepare procyanidins emulsion. Using gum Arabic andβ-cyclodextrin as wall material,the independent variable were gum Arabic content,the total solids content and treating pressure,the responses was partical size of procyanidins emulsion. The single factor and response surface analysis showed that the optimum process conditions were that the gum Arabic content 40%,total solids content 15% and treating pressure 160 MPa. Under these conditions,the predicted value of size was 629.20 nm,and the corresponding experimental value was 633.70 nm. The experimental value was basically agreed with the predictive value of response surface analysis. Conclusion:We can get strong stability and uniform dispersion of procyanidins emulsion in this condition;According to the influence of treating pressure on partical size and distributions showed that DHPM method could improve the stability of emulsion.

procyanidins;emulsion;response surface methodology;partical size

2017-01-19

劉夢培(1984-)，女，博士，講師，研究方向：果蔬加工，E-mail:qasd0232@163.com。

*通訊作者:縱偉(1965-)，男，博士，教授，研究方向：果蔬加工，E-mail:Zongwei1965@126.com。

河南省科技創新杰出人才計劃(174200510002)；河南省高校科技創新項目(16IRTSHN010)。

TS201.1

B

1002-0306(2017)15-0196-06

10.13386/j.issn1002-0306.2017.15.037