不同壁材對β胡蘿卜素微膠囊性質的影響

薛露，彭珍，關倩倩，熊濤，*

（1.南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌330047；2.南昌大學食品學院，江西南昌 330031）

維生素A是重要的營養成分，不僅能夠提高視力和預防夜盲癥，還能夠適當的提高免疫能力、促進生長發育、提高腸胃功能[1-2]、甚至可以預防和延緩腫瘤的發生[3]。但是人類自身無法合成維生素A，必須從飲食中獲得適量的維生素A，如胡羅卜、枸杞等。β胡蘿卜素是類胡蘿卜素中維生素A活性最高的物質，對維生素A的轉化也是最有效的[1，4]。β胡蘿卜素除了作為主要維生素A的來源外，還具有抗氧化的作用，由于β胡蘿卜素獨特的共軛雙鍵結構，其抗氧化性主要表現在清除自由基的能力，并保護機體不被破壞[5-6]。β胡蘿卜素作為蔬菜成分只有20%～50%被吸收，因為β胡蘿卜素的生物利用率主要取決于其所在食品基質中，同時由于β胡蘿卜素的共軛雙鍵，導致其容易異構化與氧化[7]。因此微膠囊技術常常應用到β胡蘿卜素當中，并起著保護的作用。

微膠囊技術是指用高分子成膜性材料將其他物質（芯材）包裹起來形成非均相微小顆粒的技術[8]。微膠囊不僅可以保護芯材，防止其被外界環境破壞，還可以保持核內物質的揮發性并控制芯材的釋放[9]。目前微膠囊技術已應用到食品、微生物、醫學、農業、化妝等行業。β胡蘿卜素微膠囊已成為研究熱點，因為β胡蘿卜素微膠囊不僅可以保護β胡蘿卜素，防止其被破壞，而且溶于水后的β胡蘿卜素微膠囊生物利用度更高[10-11]。

噴霧干燥是將液態物料以霧滴狀態分散到熱氣流中，瞬間完成傳熱和傳質的過程，使霧滴中的水分迅速蒸發為氣體的一種方法。微膠囊的制備過程當中常常用到噴霧干燥技術，噴霧干燥干燥室內溫度與微膠囊的包埋率有關，較高的進風口溫度會促進微膠囊玻璃體形成，微膠囊包埋率也隨之增大[12]；噴霧干燥進料的速率對水分的蒸發充分度有著影響，進一步可以影響微膠囊產品的得率[13]；甚至噴霧干燥的噴霧壓力也可以影響到微膠囊產品的得率[14]，更有人單獨研究噴霧干燥的工藝對β胡蘿卜素的影響[15]。所以噴霧干燥這一過程對微膠囊的形成也顯得至關重要。

本研究在參考大量文獻及試驗的條件下，選擇合適的噴霧干燥條件，以常見的明膠（gelatin）、阿拉伯膠（gum arabic）、麥芽糊精（maltodextrin）為壁材，分別形成以明膠為壁材的β胡蘿卜素微膠囊（G-microcapsulation）、以阿拉伯膠為壁材的β胡蘿卜素微膠囊（GA-microcapsulation）、以麥芽糊精為壁材的微膠囊（M-microcapsulation），并通過一系列試驗比較3種微膠囊產品的性質，以壁材差異性來評價β胡蘿卜素微膠囊，為選擇β胡蘿卜素微膠囊壁材提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

明膠、阿拉伯膠、麥芽糊精、蔗糖：食品級，安徽省來發食品貿易有限公司；大豆油：市售；正己烷、環己烷、異戊醇：分析純，西隴科學股份有限公司；SE-11蔗糖脂肪酸：食品級，北京鑫達食品添加劑有限公司；β胡蘿卜素（純度96%）：上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 儀器與設備

紫外可見分光光度計（752s）：上海精密科學儀器有限公司；多功能酶標儀（Multiskan FC）；美國Thermo公司；高速混合剪切乳化機（FM200）：上海弗魯克流體機械制造公司；恒溫磁力攪拌器（90-1）：上海精科實業有限公司；離心機（AnkeLXJ-IIB）：上海安亭科學儀器廠；高壓均質機（GYB）：上海華東高壓均質機廠；小型噴霧干燥儀（B-290）：瑞士BUCHI公司；X衍射儀（D8 ADVANCE）：德國BRUKER公司；熱重分析儀（TGA 4000）、差示掃描量熱儀（DSC 8000）：美國 PE 公司；粒度和電位測量儀（Zetasizer nano zs90）：英國馬爾文公司；場發射掃描電鏡帶能譜儀（JSM 6701F）：日本電子公司；智能型傅里葉變換紅外光譜儀（Nicolet 5700）：美國熱電尼高力公司。

1.3 方法

1.3.1 β胡蘿卜素油懸液（油相制備）

β胡蘿卜素油懸液參照文獻[16]制備，其中有機試劑正己烷與β胡蘿卜素質量比為10∶1，經磁力攪拌器攪拌，攪拌速度300 r/min，攪拌溫度50℃，攪拌時間30 min。然后添加大豆植物油，添加量為β胡蘿卜素的10倍，繼續使用磁力攪拌器攪拌，攪拌速度300 r/min，攪拌溫度75℃，攪拌時間3 h。

1.3.2 水相制備

按壁材與蔗糖質量比為5∶1溶解在蒸餾水中，壁材與蔗糖∶蒸餾水=3∶20（質量比），以50℃水溫攪拌輔助溶解。按圖1所示，制備β胡蘿卜素微膠囊。

1.3.3 乳化穩定性

水相和油相混合經過高速剪切和高壓均質之后得到乳狀液，將其靜置12 h。讀取游離水層體積，乳化穩定性公式如下：

1.4 微膠囊的β胡蘿卜素含量測定

圖1 β胡蘿卜素微膠囊制作過程Fig.1 Forming process of β-carotene microcapsulation

微膠囊的β胡蘿卜素含量測定分為微膠囊表面β胡蘿卜素含量與總β胡蘿卜素含量測定。微膠囊表面β胡蘿卜素含量采用外標法測定，由正己烷溶解，建立β胡蘿卜素含量與吸光度之間的關系[17]。稱取0.02 g左右β胡蘿卜素微膠囊樣品，溶解于20 mL正己烷中，充分搖勻振蕩1 min，然后經過離心5 000 r/min 5 min，取上清液1 mL于50 mL棕色容量瓶中，正己烷定容至50 mL，于450 nm下測定其吸光值。總β胡蘿卜素含量用異丙醇∶環己烷體積比=3∶1混合有機試劑溶解，稱取0.01 g左右的β胡蘿卜素樣品于100 mL容量瓶中，用異丙醇和環己烷混合有機試劑定容至100 mL，異丙醇和環己烷混合有機試劑作為空白對照，于450nm處測定其吸光值，按下列公式計算總β胡蘿卜素含量（X）[17]：

1.5 微膠囊的包埋率

微膠囊的包埋率根據如公式：

1.6 微膠囊溶解性測定

以GB/T 11903-1989《水質色度的測定》來輔助考察微膠囊溶解性，主要采用稀釋倍數法[18]，稀釋的倍數即為溶液色度。指標成分法測微膠囊溶解性為主，稱取0.5 g左右，20 mL蒸餾水溶解，并攪拌輔助溶解。過濾濾去未溶解的微膠囊成分，并于55℃下干燥48 h，稱量未溶解的微膠囊質量，按下列公式計算溶解度：

1.7 分光測色儀分析

以顏色強度C*為指標，用分光測色儀分別測量3種微膠囊的顏色強度，其中分光測色儀的測量波長范圍為400 nm～700 nm，波長間隔10 nm。

1.8 微膠囊產品紅外光譜分析

采用KBr壓片法制樣，通過Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier transformation infra red，FIRT）記錄不同壁材及不同壁材形成微膠囊和β胡蘿卜素的紅外光譜圖，波長范圍 400 cm-1～4 000 cm-1，分辨率 4 cm-1。

1.9 X-衍射分析

稱取0.2 g樣品于全自動X-射線衍射（X-ray diffraction，XRD）儀樣品盒中，采用連續掃描。分析條件：室溫25℃，Cu靶（Ka射線，波長=1.541 87 nm），電壓：40 kV，電流：40 mA，掃描速率：2 °/min，步寬：0.02°，掃描范圍為 5°～80°（2θ）。

1.10 微膠囊表面形態觀察

用掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察微膠囊的表面形態，將微膠囊撒在貼有雙面膠的掃描電鏡樣品臺上，吹去多余粉末，然后噴金，置于電子顯微鏡樣品臺上，電壓10 kV，選擇合適且清晰的畫面觀察，并拍照。

1.11 ζ電位和粒徑檢測

室溫25℃下準確稱取0.1g微膠囊樣品溶于20mL蒸餾水中，通過粒度和電位測量儀，測定溶解后微膠囊的粒度分布和ζ電位。

1.12 熱重分析

熱重分析（thermogravimetric analysis，TGA）往往用來分析樣品的熱穩定性，分別對β胡蘿卜素，G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation進行熱重分析。分析溫度范圍：40℃～800℃，掃描速率：10℃/min，分析環境：氮氣。

1.13 數據處理

表面β胡蘿卜素含量、總β胡蘿卜素含量、溶解度、分光測色分析ζ電位與粒徑數據均重復測定3次，使用SPSS 22.0軟件對數據進行統計學處理，所有數據以±S的形式表示（色度除外），并使用Origin 9.0作圖。

2 結果與分析

2.1 微膠囊的制備

β胡蘿卜素雖為脂溶性維生素，但其在油脂的溶解性并不理想，需要一定的條件加以溶解，如研磨法，將β胡蘿卜素油溶液研磨成懸濁液后加入水相[19]；直接熔融法，將油相升溫到150℃左右，促進β胡蘿卜素的溶解[20]；高溫高壓法，β胡蘿卜素同樣需要經過高溫高壓[21]；超臨界流體法，采用超臨界流體溶解β胡蘿卜素[22]。研磨法、直接熔融法、高溫高壓都會直接或間接接觸高溫，但β胡蘿卜素高溫條件下會發生異構化，由生物效價較高的反式異構化成生物效價較低的順式[17]；但超臨界流體目前還只是適合實驗室生產β胡蘿卜素微膠囊，并不適合工業化生產。本文β胡蘿卜素油懸液保證了制備過程不接觸高溫，可以有效的防止其異構化。

乳化穩定性是影響微膠囊的包埋率的關鍵因素之一[23]，影響乳化穩定性往往由乳化劑的種類及添加量決定，如許波等[14]采用多種乳化劑的復配使穩定性達到最佳，也有人[24]通過添加交聯劑使乳狀液更穩定，但往往交聯劑有一定的毒性，不宜采取。除乳化劑外，壁材及壁材與芯材的比例均會影響包埋率[25]。本文通過添加SE-11蔗糖脂肪酸酯（含蔗糖脂肪酸單酯、蔗糖脂肪酸多酯、游離蔗糖），使乳化穩定性效果達到最佳。微膠囊的包埋率與乳化穩定性見表1。

表1 微膠囊的包埋率與乳化穩定性Table 1 Encapsulation efficiency and emulsion stability of microcapsulation

由表 1 可知，G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation之間包埋率并無顯著性差異（p＞0.05），因此推斷通過添加合適的乳化劑可以消除壁材之間差異性對微膠囊包埋率的影響。

2.2 微膠囊的溶解性

溶解性是微膠囊的一個重要理化指標，在考察溶解性時，目前主要有以色度考察溶解性、粘度考察溶解性、指標成分溶解考察溶解性。本文以指標成分溶解法為主，以GB/T 11903-1989為輔來考察溶解性。微膠囊的溶解性與色度見表2。

表2 微膠囊的溶解性與色度Table 2 Solubility and chrominance of microcapsulation

GA-microcapsulation的溶解性最佳，輔助考察溶解性的色度也是最佳；G-microcapsulation的溶解性最低，輔助考察溶解性的色度也是最低。微膠囊溶解能力與壁材本身有關，因為阿拉伯膠在常溫下溶解質量分數可達40%[26]；以蒸餾水溶解，pH值中性條件下，明膠蛋白質分子間氫鍵與分子內氫鍵不易被打破，易形成膠團結構，使的明膠肽鏈不能充分展開和分散[27]，導致其中性條件下溶解度較低。故以蛋白為壁材的微膠囊，其溶解度會有一定程度降低。

2.3 分光測色分析

強烈的色彩顏色與強度會給人帶來視覺得沖擊，并增強其吸引力，而且樣品的顏色比其他風味信息更重要[28]，甚至顏色在食品的風味感知中也發揮作用。不同微膠囊的顏色強度見圖2。

圖2 不同微膠囊的顏色強度Fig.2 Color intensity of different microcapsulation

不同壁材形成微膠囊，其中GA-microcapsulation顏色強度最佳，3種微膠囊形成的顏色強度之間存在顯著性組間差異（p＜0.05），故壁材對微膠囊顏色強度的影響十分明顯。顏色強度之間差異性來自壁材結構的不同，遂造成了微膠囊顏色強度之間的差異性。根據共軛學說，阿拉伯膠的共軛體系使得其顏色強度要強于其他兩種微膠囊的顏色強度，同時根據有機化合物電子結構學說，阿拉伯膠具有較多活性較大的π電子，導致顏色強度也要強于其他兩種微膠囊[29]。

2.4 紅外光譜分析

通過紅外光譜來分析不同壁材、β胡蘿卜素、及不同壁材包裹的微膠囊之間官能團的變化。明膠、麥芽糊精、阿拉伯膠、β-胡蘿卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation 的紅外光譜圖見圖3。

圖3 明膠、麥芽糊精、阿拉伯膠、β-胡蘿卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation的紅外光譜圖Fig.3 FTIR spectra of gelatin，maltodextrin，gum arabic，βcarotene，G-microcapsulation，GA-microcapsulation，M-microcapsulation

如圖3所示，從β胡蘿卜素微膠囊紅外光譜圖可見，30 448.5-1伸縮振動、3 029.62 cm-1處不飽和-CH伸縮振動、2 918.16 cm-1和2 850.64 cm-1分別為飽和-CH反對稱和對稱伸縮振動、1 606.50 cm-1處共軛雙鍵伸縮振動、1 383.97 cm-1處的-CH3的彎曲振動、964.50 cm-1處反式稀烴的面外振動、775.13 cm-1處不飽和-CH面外彎曲振動。在不同壁材形成的微膠囊紅外光譜中，3 029.62 cm-1處不飽和-CH伸縮振動、964.50 cm-1處反式稀烴的面外振動、775.13 cm-1處不飽和-CH面外彎曲振動都消失，說明β胡蘿卜素被不同壁材有效包裹起來，導致其特征峰的消失。3種微膠囊紅外光譜圖中，同時出現了一個1 746.00 cm-1C=O振動拉伸新的吸收峰，這與Jain A等[30]的微膠囊紅外光譜圖形成的新峰一致，這表明在微膠囊的形成過程中，不同壁材與填充物之間均發生了酯化。3種壁材紅外光譜圖均在1 025 cm-1處有伸縮振動，可能來自羧酸、酯或醚，能夠與羥基形成氫鍵，作為形成殼膜的連接鍵[31]。相對3種壁材的紅外光譜圖，其所形成的微膠囊紅外光譜圖在2 926.97 cm-1和2 856.16 cm-1處吸收峰加強，且其指紋區的峰帶變寬，也證實了氫鍵的存在。由紅外光譜可知，3種不同壁材其所形成的微膠囊，其新生產的官能團與結構相似。

2.5 X-衍射分析

X-衍射用來研究不同壁材、β胡蘿卜素、不同壁材微膠囊的的結構。明膠、麥芽糊精、阿拉伯膠、β-胡蘿卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation的X-衍射譜圖見圖4。

圖4 明膠、麥芽糊精、阿拉伯膠、β-胡蘿卜素、G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation 的 X-衍射譜圖Fig.4 X-RD spectra of gelatin，maltodextrin，gum arabic，βcarotene，G-microcapsulation，GA-microcapsulation，M-microcapsulation

如圖4所示，β胡蘿卜素顯示出較強的晶體衍射峰，其2θ與粉末衍射數據庫中的一致（JCPDS cards，No.14-0912），特征峰分別位于 12.005 3、14.711 5、15.669 1、16.929 6、19.074 6、22.108 5、24.863 2[32]。3 種微膠囊X-衍射圖均無β胡蘿卜素的特征衍射峰，這也表明3種壁材所形成的微膠囊將β胡蘿卜素有效包裹起來。從3種壁材到其所形成的微膠囊過程中，X-衍射圖沒有顯示出任何特征峰，這說明壁材及其形成的微膠囊都是無定形的，所以在微膠囊形成的任何過程中沒有形成晶體，故3種壁材所形成的微膠囊對β胡蘿卜素釋放模式及穩定性不會產生任何影響[31]。

2.6 微觀結構觀察

微膠囊的電鏡掃描如圖5所示，為3種壁材所形成的微膠囊電鏡掃描圖。

圖5 微膠囊的電鏡掃描圖Fig.5 SEM images of microcapsulation

麥芽糊精所形成微膠囊（圖5C）表面光滑。表面光滑與壁材的成膜性相關[33]，故麥芽糊精的成膜性最佳。成膜性相對較差的壁材，如明膠，阿拉伯膠，水分揮發后，整體顆粒收縮，使其表面出現大量的褶皺[17]。同時明膠所形成的微膠囊和阿拉伯膠所形成的微膠囊粒分布不均勻，部分表面不規則，液滴在干燥時的干燥速率差異，造成應力不均，也可以形成褶皺凹陷[34]。同時也有文獻報道這可能是掃描電鏡的預處理所致，因為預處理時要在材料表面鍍一層金粉，如此高溫會使表面部分水分蒸發，從而導致褶皺[35]。但整體上來說3種微膠囊微觀形態基本呈現球形，表面無裂痕，相互黏連和破損顆粒很少，說明β胡蘿卜素已被壁材完好的包埋，壁材也具有良好的完整性，但壁材對微膠囊表面的光滑性有著一定程度影響。

2.7 ζ電位與粒徑分布

ζ電位與粒徑的大小影響著溶解后微膠囊的穩定性，粒徑越大越容易產生沉淀，導致不均一的現象產生[36]。ζ電位絕對值越大，由于電荷的相互排斥作用，使得顆粒之間不易形成凝聚，使的溶解后的微膠囊可以穩定分布在液體中[37]。本試驗中不同壁材所制得的微膠囊ζ電位與粒徑分布結果如圖6所示。

圖6 微膠囊的ζ電位與粒徑分布Fig.6 ζpotential and Particle size distribution of microcapsulation

ζ電位絕對值最大的為麥芽糊精形成的微膠囊，明膠形成的微膠囊ζ電位絕對值最小，但是明膠形成的微膠囊ζ電位為正，這是溶解后明膠微膠囊溶液pH值位于明膠等電點以下[38]，且壁材對ζ電位影響存在極顯著性差異（p<0.001）。粒徑分布中，平均粒度最小的為M-microcapsulation，平均粒度最大的為GA-microcapsulation，其中G-microcapsulation的粒徑分布存在兩個峰，粒徑分布更廣，其溶液的穩定性更差。根據ζ電位和粒徑分布，M-microcapsulation溶液穩定性最好。ζ電位和粒徑除了受壁材的影響外，還受其他因素的影響，如乳化時的攪拌速度對粒徑的影響，pH值對ζ電位的影響[39]，故提高攪拌速度、適當調節pH值均可提高微膠囊溶液的穩定性，但其能否消除壁材對穩定性差異性影響還值得深究。

2.8 熱重分析

圖7分別記錄了β胡蘿卜素、M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-microcapsulation 重量隨溫度變化關系。

圖7 β胡蘿卜素、M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules熱重分析圖Fig.7 TAG image of β-carotene、M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules

從圖7中可知，溫度掃描從40℃～200℃時，M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules有著稍微失重的趨勢，其失重來自微膠囊的水分丟失；溫度掃描從250℃～500℃，β胡蘿卜素、M-micro capsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules，出現明顯的失重，其開始隨著溫度的升高而分解。在高溫條件下，M-microcapsulation、GA-microcapsulation、G-mcrocapsules同時出現質量的丟失，這表明不同壁材所形成的微膠囊在高溫條件下對β胡蘿卜素沒有保護作用，這也與Jain A等[31]的研究一致。

3 結論

本文以相同的工藝制備G-microcapsulation、GA-microcapsulation、M-microcapsulation，比較不同壁材所形成微膠囊的差異性，并分析造成差異性的原因。當需要選擇溶解良好的β胡蘿卜素微膠囊時，應該避免選擇蛋白類壁材；當需要顏色強度良好的β胡蘿卜素微膠囊時，應該選擇結構上帶有共軛體系或結構上帶有較多π電子的壁材；當需要β胡蘿卜素微膠囊溶解后穩定性依舊良好時，除了提高乳化攪拌速度、適當調節pH值外，選擇合適的壁材也顯得至關重要。壁材對β胡蘿卜素微膠囊表面光滑程度的影響也十分明顯，微膠囊表面的光滑程度是否影響其它理化性質，如吸濕性，流散性等，則需要進一步研究。總而言之，制備微膠囊時，壁材的選擇顯得十分重要。