咖啡因-淀粉微膠囊的制備、結構表征及形成機理

邵苗，李松南，張斌，黃強*

1(華南理工大學 食品科學與工程學院，廣東 廣州，510640)2 (中新國際聯合研究院，廣東 廣州，511363)

咖啡因(caffeine)是一種黃嘌呤生物堿，無嗅，味苦，具有驅除疲勞、興奮神經等生理作用。近年來，咖啡因在食品工業中的應用雖日益廣泛，但由于其強烈的苦味使其在食品中的應用受到一定的限制[1]，研究表明當咖啡因單次攝入量超過250 mg時可致失眠、心悸、頭痛[2]。通過將咖啡因微膠囊化使其不良風味得到改善，且具有一定的緩釋效果，對拓寬咖啡因的應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行水熱處理，顆粒發生吸水膨脹，在其膨脹過程中可以與客體分子通過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，復合物中葉黃素含量逐漸升高，在反應溫度為70 ℃時，葉黃素含量達到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到12.3%和70.2%。V型結晶淀粉可通過醇堿法制備，原淀粉在堿和乙醇處理下，直鏈淀粉與乙醇形成V型絡合物，當乙醇被除去后，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，其來源廣泛，形成的微膠囊具有壁材性質穩定、無毒副作用、不影響芯材的藥理作用等特點，同時為淀粉的高值化應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，直鏈淀粉含量24.1%)，長春大成公司;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%)，上海德樂食品飲品配料有限公司；咖啡因標品，美國Sigma-Aldrich公司；DMSO(分析純)，國藥集團上?；瘜W試劑公司；NaOH(分析純)，天津福晨化學試劑有限公司；其他試劑均為分析純。

1.2 儀器與設備

HWS-24型恒溫水浴鍋，上海一恒科學儀器有限公司；UV-1900型紫外分光光度計，日本島津公司；JC303-AO型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海申賢恒溫設備廠；FW-100型高速萬能粉碎機，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，上海雷磁儀電科學儀器有限公司；DL-5-B型離心機，上海安亭科學儀器公司；RigakuD/Max-1200型X-射線衍射儀，美國Waters公司；EVO18型掃描電子顯微鏡，德國Zeiss公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 顆粒態 V型結晶玉米淀粉的制備

參考SHI等[7]制備顆粒態V型結晶淀粉的方法。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。將所得淀粉乳進行離心，先用95%乙醇洗滌1次，再用無水乙醇洗1次。最后在80 ℃的溫度下干燥、研磨、過篩即得樣品。

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，繼續保溫攪拌1 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，繼續保溫攪拌1 h，得到咖啡因-多孔玉米淀粉和咖啡因-V型結晶玉米淀粉樣品。將上述所得樣品冷卻至室溫，離心、用蒸餾水洗滌3次，在45 ℃下鼓風干燥后得到淡褐色粉末狀產品，研磨、過篩即得咖啡因-淀粉微膠囊。

1.3.4 微膠囊中咖啡因含量的測定

1.3.4.1 標準曲線的繪制

精密稱取一定量的咖啡因標品，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 的系列標準溶液，在260～360 nm進行掃描測定，最大吸收峰在276.1 nm處。以吸光度(A)為縱坐標，濃度(C)為橫坐標，計算回歸方程，A=0.041 2C-0.003，相關系數為0.999 4。

1.3.4.2 咖啡因含量測定

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下測定吸光值，用DMSO-淀粉溶液作為對照。根據所測樣品的吸光值，可從標準曲線上按照公式(1)計算出咖啡因的含量：

(1)

式中：X，每克微膠囊中咖啡因的含量，mg/g；C1，根據標準曲線計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算

微膠囊中咖啡因包埋效率按公式(2)計算：

(2)

式中：Y，咖啡因包埋效率，%；M1，微膠囊的質量，g；X，每克微膠囊中咖啡因的含量，mg/g；M2，反應時加入的咖啡因的質量，g。

1.3.6 掃描電鏡

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

1.3.7 X-射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析

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

1.3.8 紫外全波長吸收

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紫外分光光度計在260～360 nm內掃描，設置掃描間距0.1 nm。

1.3.9 數據統計分析

用SPSS 17.0進行統計分析，用Origin 8軟件進行作圖，各組實驗數據均為3次重復測定后的平均值。

2 結果與分析

2.1 反應溫度對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 ℃進行水熱處理后，其咖啡因含量僅為0.56 mg/g，當溫度升高至50 ℃時，其咖啡因含量達到2.82 mg/g。這是由于淀粉顆粒在50～60 ℃進行水熱處理時，顆粒發生溶脹，溶脹后的淀粉顆粒有利于包埋咖啡因[8]。當溫度升高至60 ℃時，微膠囊中的咖啡因含量和包埋效率達到最高，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先升高后減小。在25 ℃下，多孔淀粉對咖啡因的包埋量為7.80 mg/g，顯著高于同條件下原淀粉對咖啡因包埋量。原玉米淀粉顆粒表面具有一定的通道，對小分子具有一定的吸附能力[10]，而多孔淀粉由于在酶解過程產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，其多孔結構有利于對咖啡因的包埋[11]。隨著加熱溫度提高，在50 ℃時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，咖啡因分子擴散緩慢，難以被多孔淀粉吸附至其多孔結構內；而在50～60 ℃時,隨著溫度的升高，一方面可能會改變多孔淀粉結構[12]，另一方面可能是由于該吸附過程放熱[13]，提高加熱溫度導致咖啡因包埋量降低。

V型結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，V型結晶淀粉包埋咖啡因為24.24 mg/g，當加熱溫度提高至60 ℃時，其咖啡因含量和包埋效率達到最高，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入水相，發生部分糊化，溢出的淀粉分子可對體系中的咖啡因分子進行截留[14]，隨著溫度升高，體系中更多的淀粉分子溢出，有利于對咖啡因分子進行纏繞、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如圖2所示。由圖2可以看出，普通玉米淀粉顆粒呈現球形或多角形，表面較為光滑?？Х纫?膨脹淀粉微膠囊表面出現皺縮和破裂，并伴隨著顆粒的團聚，這是淀粉顆粒在加熱過程發生膨脹并在干燥后發生收縮的結果。在低于淀粉糊化溫度下加熱原淀粉包埋咖啡因后，淀粉顆粒形態沒有顯著差異。

a-普通玉米淀粉；b-多孔玉米淀粉；c-V型結晶玉米；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構，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比膨脹淀粉更為明顯的皺縮和破裂，這是因為在酶解過程中淀粉的結晶區和無定形區均遭到破壞，升溫時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差異較小，表明多孔淀粉對咖啡因的吸附不改變多孔淀粉的顆粒形態。

V型結晶玉米淀粉呈顆粒狀，由于醇堿法處理中，乙醇抑制了淀粉顆粒膨脹，顆粒內部的水分和乙醇在最后干燥時逸出，導致表面皺縮，出現凹陷，內部形成空穴[15]。由圖2可以看出，V型結晶玉米淀粉進行水熱處理后，常溫下顆粒即發生溶解、破裂，直鏈淀粉和支鏈淀粉進入水相，冷卻后呈不規則的塊狀并表現出更為致密的結構，這是淀粉重結晶的結果[16]。

2.3 微膠囊的結晶性質

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晶度略有降低，這是由于淀粉顆粒結晶部分主要是由支鏈淀粉分子構成，水熱處理時，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，分子鏈的流動性增強，雙螺旋的運動破壞淀粉微晶并改變微晶位向[17]，使結晶度略有降低，但結晶的完善度和穩定度提高[18]。且微膠囊在2θ為7.36 °、13.1 °和20.1 °的V型峰并無明顯變化，說明咖啡因和膨脹玉米淀粉之間并未形成V型復合物，而是淀粉分子對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出結晶度略有降低，這和膨脹玉米淀粉較為相似。但在60 ℃時咖啡因-多孔玉米淀粉微膠囊結晶度(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晶區在水熱處理過程中破壞程度較低，這可能是由于酶解后的多孔淀粉無定形區遭到一定破壞[20]，相對結晶度提高；隨著水分子的進入，淀粉鏈段的流動性增加，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致雙螺旋的形成或優化，從而形成了新的結晶[21]。

隨著溫度升高，V型結晶玉米淀粉制備的微膠囊的結晶度升高。V型結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型結晶淀粉微膠囊均在11.9 °出現新的尖銳峰，為瓜拉納提取物的衍射峰，微膠囊呈現一種新的物相[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在275.5 nm左右，且與咖啡因含量趨勢一致，咖啡因標品在276.1 nm處顯示最大吸收峰，進一步說明咖啡因包埋成功。

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型結晶淀粉微膠囊；d-咖啡因標品圖4 三種微膠囊的紫外吸收圖譜Fig.4 UV spectrum of three microcapsules

2.5 微膠囊的形成機理

不同咖啡因-淀粉微膠囊的形成機理如圖5所示。普通玉米淀粉在低于糊化溫度下進行水熱處理，顆粒保持基本形態，發生可逆溶脹，無定形區的淀粉分子可以移動、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構；紫外吸收光譜中顯示微膠囊的形成不涉及到化學相互作用，而咖啡因的含量隨著溫度的升高而增加，這是因為越來越多的直鏈淀粉分子浸出，導致無定形區具有更高的遷移速率。咖啡因分子一部分被浸出的直鏈淀粉截留，一部分遷移至淀粉顆粒的無定形區，待冷卻至室溫后，顆粒基本恢復至原玉米淀粉形態，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，這種多孔結構相比原淀粉具有較大的比表面積，咖啡因分子可以通過這種多孔結構而被吸附。該吸附為動態過程，隨著反應時間的進行，咖啡因最終達到吸附平衡。在常溫下由于咖啡因擴散速率較緩慢，多孔淀粉對其吸附量較低，而在較高溫度范圍內，隨著溫度的升高，吸附量減少，是由于該吸附過程放熱，低溫下更有利于咖啡因的吸附。

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

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型結晶淀粉微膠囊圖5 三種微膠囊的形成機理Fig.5 Formation mechanism of three microcapsules

3 結論

以膨脹淀粉、多孔淀粉和V型結晶淀粉為壁材，制備得到3種咖啡因-淀粉微膠囊，優化了最佳包埋溫度。研究發現V型結晶淀粉微膠囊中咖啡因含量和包埋效率最高。咖啡因的包埋和吸附不改變包埋壁材的顆粒形態，且沒有產生新的V型結晶峰，紫外光譜證實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，以淀粉為壁材制備咖啡因微膠囊具有工藝簡單、反應時間短、成本低等優勢，在新型食品的研發中具有廣闊的應用前景，研究結果對含咖啡因提神食品的開發具有重要的理論指導意義。