葛根素微膠囊的制備及其性質研究

唐婷范，黃芳麗，梁杰婷，朱家慶，馮 軍，任 逸，田玉紅，程 昊,

（1.廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西柳州 545006；2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西柳州 545006）

葛根素（Puerarin）是從干燥葛根中分離出來的一種異黃酮化合物，是葛屬植物的特征成分，其對心肌細胞具有一定保護作用，還有降血糖、抗氧化、降血脂、降血壓、治療非酒精性脂肪肝、減肥等功效[1-4]。葛根素難溶于水和油脂且不易與食品其他原料混溶，為了提升葛根素的功效和使用價值，可用微膠囊化技術進行處理，從而改善葛根素的分散性，控制葛根素釋放，保護葛根素中易氧化成分，以達到增強葛根素的穩定性的目的[5]。

微膠囊技術（Microencapsulation）是一種利用合適的壁材將氣體、固體、液體或營養物質、油脂、添加劑等物質包埋起來，避免或減輕外部環境對有效成分的影響，從而達到保護芯材的作用[6-7]。噴霧干燥法是食品工業中常用的制備微膠囊的方法[8]，Pino 等[9]以阿拉伯膠和麥芽糊精為復合壁材，采用噴霧干燥法對南瓜籽油進行包埋，結果表明當進風溫度為172 ℃，麥芽糊精的添加量為15%，南瓜籽油微膠囊的包埋率最高，油脂的敏感成分也得到很好的保護。Piletti 等[10]以β-CD 為壁材，將大蒜油微膠囊化，采用差式掃描量熱儀進行分析，結果表明包埋后的大蒜油熱穩定性提高，并且具有良好的抗菌作用。雖然關于噴霧干燥法制備葛根素微膠囊的研究已有報道[11]，但是鮮見針對葛根素微膠囊品質及其微觀結構進行深入分析的報道。本實驗研究了噴霧干燥制備葛根素微膠囊的工藝，分析了葛根素微膠囊的微觀結構，通過部分指標探討葛根素微膠囊的品質，以期為開發葛根素微膠囊提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

葛根素純度98%、單硬脂酸甘油酯 上海麥克林生化科技有限公司；阿拉伯樹膠粉、β-環糊精、甲醇 分析純，成都市科隆化學品有限公司；SE-15 蔗糖脂肪酸酯 柳州愛格富食品科技股份有限公司；實驗用水為蒸餾水。

FJ200-SH 型高速分散均質機 上海滬析實業有限公司；ZFD-A5040A 鼓風干燥箱 上海智城分析儀器制造有限公司；ZY-8000 小型噴霧干燥儀上海紫裕生物科技有限公司；HH-4B 恒溫攪拌水浴鍋 常州國華電器有限公司；AR124CN 分析天平上海奧豪斯儀器有限公司；SB25-12 DTD 超聲波清洗機 寧波新芝生物科技股份有限公司；PW-100-517 臺式掃描電鏡 復納科學儀器（上海）有限公司；TG16-WS 醫用離心機 湖南湘儀實驗室儀器開發有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 葛根素微膠囊的制備 制備工藝參考羅程印等[11]的制備方法，稱取一定量的阿拉伯膠溶于60 ℃的蒸餾水中，恒溫攪拌30 min，然后加入一定量的β-環狀糊精與蔗糖酯，恒溫攪拌20 min，緩慢加入一定量的葛根素與單甘酯，攪拌均勻后于15000 r/min 高速剪切乳化一定時間得到乳化液，經噴霧干燥制得葛根素微膠囊粉末。

1.2.2 乳化工藝單因素實驗

1.2.2.1 復合乳化劑配比對乳化液穩定性的影響根據復合乳化劑的親水親油平衡值（HLB 值），選用親油乳化劑單甘酯（HLB=3.8）以及親水乳化劑蔗糖酯（HLB=15）為復合乳化劑，在壁芯比（β-環糊精、阿拉伯膠：葛根素）1:0.20（g/g）、壁材比5:5（β-環糊精：阿拉伯膠）（g/g）、固形物含量20%、乳化劑添加量1.5%的條件下，考察單甘酯和蔗糖酯配比為2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3 時對葛根素微膠囊乳化液穩定性的影響。

1.2.2.2 乳化劑添加量對乳化液穩定性的影響 在壁芯比1:0.20、固形物含量20%、壁材比5:5 的條件下，考察乳化劑添加量為0.8%、1.0%、1.2%、1.4%、1.6%、1.8%時對葛根素微膠囊乳化液的穩定性的影響。

1.2.2.3 固形物含量對乳化液穩定性的影響 在壁芯比1:0.20、壁材比5:5、乳化劑添加量1.5%的條件下，考察固形物含量為5%、10%、15%、20%、25%、30%時對葛根素微膠囊乳化液穩定性的影響。

1.2.2.4 壁芯比對乳化液穩定性的影響 在固形物含量20%、壁材比5:5、乳化劑用量1.5%的條件下，考察壁芯比為1:0.05、1:0.10、1:0.15、1:0.20、1:0.25、1:0.30 時對葛根素為膠囊乳化液穩定性的影響。

1.2.2.5 壁材比對乳化液穩定性的影響 在壁芯比1:0.20、固形物含量20%、乳化劑用量1.50% 的條件下，考察壁材比（β-環狀糊精和阿拉伯樹膠）為5:1、5:2、5:3、5:4、5:5、5:6 時對葛根素微膠囊乳化液穩定性的影響。

1.2.3 微膠囊乳化液穩定性正交實驗 在單因素實驗的基礎上，以微膠囊乳化液穩定性為指標，選取乳化劑添加量、固形物含量、壁芯比、壁材比為考察因素，進行L9（34）正交試驗設計，確定乳化液最佳工藝條件。正交實驗因素水平見表1。

表1 L9（34）正交實驗因素與水平Table 1 Factors and levels used in orthogonal array experimentsL9(34) for optimization of microcapsule formulation

1.2.4 噴霧干燥單因素實驗

1.2.4.1 進口溫度對包埋率的影響 采用最佳工藝參數制備乳化液，進行噴霧干燥，噴霧干燥出風溫度為90 ℃。在進料量為4 mL/min，均質時間6 min 的條件下，研究進口溫度為140、150、160、170、180、190 ℃時對葛根素微膠囊包埋率的影響。

1.2.4.2 進料量對微膠囊包埋率的影響 在進口溫度為160 ℃，噴霧干燥出風溫度為90 ℃，均質時間為6 min 的條件下，研究進料量為2.7、3.3、4.0、4.7、5.3、6.0 mL/min 時對葛根素微膠囊包埋率的影響。

1.2.4.3 均質時間對微膠囊包埋率的影響 在進口溫度為160 ℃，噴霧干燥出風溫度為90 ℃，進料量為4 mL/min 的條件下，研究均質時間為3、4、5、6、7、8 min 時對葛根素微膠囊包埋率的影響。

1.2.5 微膠囊噴霧噴霧干燥正交試驗 根據單因素實驗結果，以葛根素微膠囊包埋率為指標，選取進口溫度，進料量，均質時間為考察因素，采用L9（34）正交表進行正交試驗，確定噴霧干燥最佳工藝條件，正交實驗因素水平表見表2。

表2 L9（34）正交實驗與水平Table 2 Table1 Factors and levels used in orthogonal array experiments L9(34) for optimization of microcapsule formulation

1.3 乳化液穩定性的測定

將乳化液置于50 mL 的具塞量筒中，放置在40 ℃恒溫水浴中靜置24 h，記錄游離水層的體積，乳化液的穩定性的計算[12]。

乳化液穩定性（%）=乳化液總體積/游離水層體積/乳化液總體積×100

1.4 微膠囊包埋率的測定

1.4.1 包埋率計算 計算葛根素微膠囊包埋率的計算[13]：

式中：E 為微膠囊包埋率，%；W1為微膠囊表面油含量，g；W0為微膠囊總油含量，g。

1.4.2 微膠囊表面葛根素含量的測定 準確稱取2 g微膠囊產品于三角瓶中，隨后加入10 mL 甲醇，振蕩2 min，過濾，重復3 次，將濾液合并置于已知質量的干燥小燒杯中，將小燒杯放置于通風櫥中，加速揮發甲醇，待甲醇揮發完畢將小燒杯放入60 ℃ 烘箱中烘至小燒杯質量恒定，再次稱量小燒杯，計算表面葛根素的質量[14]。

1.4.3 微膠囊總葛根素含量的測定 準確稱取2 g 微膠囊產品于三角瓶中，加入30 mL 甲醇使其溶解，將其進行超聲震蕩30 min，過濾到已知質量的干燥小燒杯中，將小燒杯放置于通風櫥中，加速揮發甲醇，待甲醇揮發完畢將小燒杯放入60 ℃ 烘箱中烘至小燒杯質量恒定，再次稱量質量已恒定的小燒杯，計算總葛根素的質量[15]。

1.5 微膠囊水分含量的測定

微膠囊產品水分過多會導致其霉變、結塊，使產品品質下降。微膠囊水分含量的測定參照GB/T 5009.3-2016《食品中水分含量測定》。將微膠囊產品置于105 ℃烘箱中，烘干至恒重。

1.6 微膠囊溶解度的測定

準確稱取5 g 微膠囊產品，用30 ℃的水將微膠囊產品溶解于50 mL 燒杯中，4000 r/min 離心10 min，倒掉上清液，重復上述操作，再用適量的水將沉淀洗入已稱質量的稱量皿中，置于105 ℃烘箱中烘干至恒重。溶解度的計算[16]。

式中：S 為微膠囊溶解度，%；M 為樣品質量，g；M1為稱量皿質量，g；M2為稱量皿質量和不溶物質量，g；A 為樣品水分含量，%。

1.7 微膠囊堆積密度的測定

將微膠囊產品倒入5 mL 量筒中搖勻震實，使微膠囊填充至量筒刻度線處，記錄填充的微膠囊質量（m），以及量筒的填充體積（v），微膠囊的堆積密度的計算[17]。

式中：d 為微膠囊堆積密度，g/cm3；m 為樣品質量，g；v 為量筒填充體積，cm3。

1.8 微膠囊流動性的測定

精確稱取10 g 葛根素微膠囊產品于漏斗中，使微膠囊自然下落堆積在玻璃板上，測定微膠囊堆高度H 及堆覆蓋半徑R，按下式計算微膠囊休止角θ[18]。

式中：H 為堆高，cm；R 為堆覆蓋半徑，cm。

1.9 SEM 形態觀察

將雙面導電膠貼在掃描電鏡樣品臺上，然后在樣品臺上撒上少量的葛根素微膠囊粉末，用吸耳球吹去多余粉末，將樣品進行噴金處理后用SEM 觀察葛根素微膠囊產品的形態，加速電壓為10 KV。

1.10 數據處理

各指標重復測定3 次，取平均值，試驗數據用Excel 2016 進行處理，使用Origin 8 進行數據記錄、初步處理和繪制圖表，采用spss 17 軟件進行正交試驗設計與顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 乳化工藝單因素實驗

2.1.1 復合乳化劑配比對乳化液穩定性的影響 由圖1可知，各水平之間具有顯著差異性（P＜0.05），隨著單甘酯和蔗糖酯比例變化，乳化液的穩定性呈先上升后下降的趨勢。當單甘酯-蔗糖酯的配比為4:6 時，乳化液穩定性最好。故選擇單甘酯-蔗糖酯質量比為4:6。

圖1 復合乳化劑配比對乳化液穩定性的影響Fig.1 Effect of compound emulsifier ratio on emulsion stability

2.1.2 乳化劑用量對乳化液穩定性的影響 由圖2可知，乳化劑添加量的各水平之間均具有顯著差異性（P＜0.05），當乳化劑的添加量增加時，乳化液穩定性隨之升高，在添加量為1.6%時乳化液穩定性最高，與其他水平相比具有顯著差異性（P＜0.05），當乳化劑添加量大于1.6%時乳化液穩定性趨于平緩。乳化劑的用量過高時，會使乳化液粘度增大，不利于芯材和壁材的有效結合，乳化液粘度過高時會堵塞噴頭，增加噴霧干燥的難度[19]。故選擇乳化劑添加量為1.6%。

圖2 乳化劑添加量對乳化液穩定性的影響Fig.2 Effect of emulsifier concentration on emulsion stability

2.1.3 固形物含量對乳化液穩定性的影響 加入適量固形物能有效提高乳化液穩定性，有利于噴霧干燥的進行，從而獲得高品質的微膠囊粉末產品，固形物含量為添加蒸餾水后，芯材和壁材以及乳化劑所占微膠囊乳化液的質量分數。由圖3 可知，固形物含量的各個水平之間均具有顯著差異性（P＜0.05），乳化液穩定性隨固形物含量的增加而上升，在固形物含量為15%時，乳化液穩定性最高，當固形物含量大于15%時，乳化液穩定性逐漸下降，固形物含量過高，乳化液的粘度隨之上升，不利于后續的噴霧干燥[20]。故選擇固形物含量為15%。

圖3 固形物含量對乳化液穩定性的影響Fig.3 Effect of solid content on emulsion stability

2.1.4 壁芯比對乳化液穩定性的影響 如圖4 可知，隨著壁芯比的增大，微膠囊乳化液的穩定性先上升后下降，在1:0.15 時達到最大值，與其他水平間具有顯著差異性（P＜0.05），壁芯比為1:0.25 與1:0.30 這兩個水平之間不具有顯著差異性。隨著芯材含量的進一步增加，乳化液的穩定性隨之下降。當壁材含量遠大于芯材含量時，所需的壁材過多，乳化液不穩定，壁材過多也會使乳化液粘度增大，影響噴霧干燥的進程以及微膠囊的包埋率。芯材含量的增加會使壁材的含量相應的減少，壁材的減少導致壁材不能夠完全包埋芯材的現象出現，這不僅會影響乳化液穩定性，還會影響微膠囊的包埋率[21]。故選擇壁芯比為1:0.15。

圖4 壁芯比對乳化液穩定性的影響Fig.4 Effect of wall/core ratio on emulsion stability

2.1.5 壁材比對乳化液穩定性的影響 由圖5 可知，乳化液的穩定性隨著阿拉伯膠的增加呈先上升后下降的趨勢，當壁材比（β-環狀糊精-阿拉伯膠）為5:4 時，乳化液的穩定性最高，顯著高于其他壁材比（P＜0.05）。β-環狀糊精與阿拉伯膠的質量比超過5:4，即阿拉伯膠的用量增多時，乳化液的粘度也隨之增大，乳化液的穩定性下降，粘度過高不利于噴霧干燥的進行，還有可能降低微膠囊的出粉率。當β-環狀糊精與阿拉伯膠的質量比小于5:4 時，阿拉伯膠的用量過少，不足以包埋芯材，乳化液穩定性降低[22]。故選擇壁材比為5:4。

圖5 壁材比對乳化液穩定性的影響Fig.5 Effect of wall material composition on emulsion stability

2.2 乳化工藝正交實驗結果

在單因素實驗結果的基礎上，選取乳化劑添加量、固形物含量、芯壁比、壁材比為考察因素，以微膠囊乳化液穩定性為指標，進行正交試驗，以期得到乳化液的最佳工藝參數。具體實驗方案及正交結果見表3，方差分析見表4。

表3 微膠囊乳化液正交實驗設計及結果Table 3 Orthogonal array design with experimental results for microcapsule formulation

表4 微膠囊乳化液正交試驗數據方差分析Table 4 Analysis of variance of the orthogonal array design for microcapsule formulation

由表3 可知，各因素對微膠囊乳化液穩定性影響主次為：B＞A＞D＞C，即影響微膠囊乳化液穩定性的大小順序為：固形物含量＞乳化劑添加量＞壁材比＞芯壁比。通過表4 可知，固形物含量對乳化液穩定性的影響極顯著，乳化劑用量和壁材比對乳化液穩定性影響較顯著，說明上述三個因素對乳化液穩定性的影響較大。正交優化所得最佳工藝條件為A3B1C2D1，即乳化劑用量1.6%，固形物含量15%，壁材比5:3，壁芯比1:0.15。將正交所得的最優方案進行驗證實驗，經驗證測得乳化液穩定性為92.40%。92.40%＞90.40%，表明正交試驗結果準確，最優的乳化液制備配方為乳化劑用量1.6%，固形物含量15%，壁材比5:3，壁芯比1:0.15。

2.3 微膠囊噴霧干燥單因素實驗

2.3.1 進口溫度對微膠囊包埋率的影響 由圖6 可知，葛根素微膠囊的包埋率隨進口溫度的變化呈先升高后下降的趨勢，在溫度為160 ℃時包埋率最高，顯著高于其他進風溫度水平（P＜0.05）。當進口溫度較低時，液滴表面成膜的時間長，干燥速率慢，在噴霧干燥過程中易出現粘壁現象，隨著溫度的升高干燥速率加快，微膠囊包埋率上升，當進口溫度過高時，包埋率開始下降，進口溫度過高，會加速水分散失，微膠囊囊壁表面出現凹陷現象，使得已成型的產品出現破裂或微膠囊囊壁出現小氣孔，囊壁結構變得疏松，導致包埋率降低[23]，還會加速芯材的變質，使微膠囊產品品質下降。故選擇進口溫度為160 ℃。

圖6 進口溫度對微膠囊包埋率的影響Fig.6 Effect of inlet air temperature on microencapsulation efficiency

2.3.2 進料量對微膠囊包埋率的影響 由圖7 可知，微膠囊包埋率隨進料量的增加呈現出先上升后下降的趨勢，在進料量為4.0 mL/min 時，葛根素的微膠囊的包埋率最高，進料量的各水平之間均具有顯著差異性（P＜0.05）。進料量和進料速度的大小直接決定著噴霧干燥霧滴的速度大小，進料的速度太快會導致產品的顆粒較大，進料速度越快則越因慣性作用而使物料在干燥器內停留時間不足，容易導致干燥不完全，影響產率，進料量過多，會產生嚴重的粘壁現象，降低產品產率，且包覆效果不好，影響包埋率[24-25]。故選擇進料量為4.0 mL/min。

圖7 進料量對微膠囊包埋率的影響Fig.7 Effect of feed flow rate on microencapsulation efficiency

2.3.3 均質時間對微膠囊包埋率的影響 由圖8 可知，隨著均質時間的增加，微膠囊的包埋率逐漸提高，均質時間的各個水平之間均具有顯著差異性（P＜0.05），在均質時間為6 min 時包埋率高。均質時間的增加，形成的乳化液的液滴體積越小，芯材均勻地分散于壁材中，微膠囊包埋率也隨之提高，當均質時間過長，乳液液滴體積過小，容易使乳化液粘度增加，乳化液不穩定，微膠囊的包埋率開始下降。故選擇均質時間為6 min。

圖8 均質時間對微膠囊包埋率的影響Fig.8 Effect of homogeneous time on microencapsulation efficiency

2.4 微膠囊噴霧干燥正交實驗結果

由表5 可知，對微膠囊包埋率影響因素大小分別為A＞B＞C，即進風溫度＞進料量＞均質時間。得到最佳工藝條件為A2B2C2，即進風溫度為160 ℃、進料量4.0 mL/min、均質時間6 min。

表5 微膠囊制備正交試驗設計及結果Table 5 Orthogonal array design with experimental results

由表6 的方差分析表可知，進風溫度對微膠囊包埋率影響極顯著，進料量對微膠囊包埋率影響較顯著，均質時間對微膠囊包埋率影響不顯著，說明進風溫度以及進料量對葛根素微膠囊包埋率的影響較大。通過正交優化所得的最佳噴霧干燥制備葛根素微膠囊工藝條件為進風溫度為160 ℃、進料量4.0 mL/min、均質時間6 min。根據上述最優條件，重復3 次試驗，微膠囊包埋率平均值為91.16%。

表6 微膠囊正交試驗數據方差分析Table 6 Analysis of variance of the orthogonal array design for microcapsule formulation

2.5 微膠囊質量指標測定結果

微膠囊的質量指標是衡量微膠囊產品品質的重要標準，微膠囊質量指標測定結果見表7。以最優條件制備出的葛根素微膠囊水分含量為2.83%左右，滿足粉末微膠囊產品含水量控制在2%～5%的要求[26]，溶解度可達96.35%，堆積密度為0.55 g/cm3，說明微膠囊產品內部或顆粒之間有較大的空隙。當休止角在30°以下則粉末流動性好，30°～45°表明流動性較好，45°～60°表明流動性一般，大于60°表明流動性差，葛根素微膠囊粉末的休止角為33.60°，表明葛根素微膠囊產品粘性小，流動性較好[23]。

表7 質量指標測定結果Table 7 Quality attributes of microcapsules

2.6 葛根素微膠囊SEM 分析

圖9 為放大倍數2100 倍（a）和5200 倍（b）的葛根素微膠囊電鏡圖。由圖9 可知，葛根素微膠囊產品顆粒較飽滿且表面光滑呈球形，顆粒較均勻，直徑在15～25 μm 左右，少量微膠囊表面出現凹陷和褶皺，這是噴霧干燥法制備微膠囊的普遍特征[27-28]，干燥過程中微膠囊水分揮發較多，導致囊壁在形成過程中出現凹陷等現象，使少量微膠囊產品不成型，呈現出干癟凹陷、褶皺、粘連的狀態[29]。

圖9 葛根素微膠囊SEM 圖Fig.9 SEM images of Puerarin microcapsules

3 結論

本實驗以葛根素為芯材，阿拉伯膠和β-環狀糊精為壁材，采用噴霧干燥法制備葛根素微膠囊，在乳化條件為復合乳化劑（單甘酯:蔗糖酯）質量比4:6（g/g），乳化劑添加量為1.6%，壁材（β-環糊精:阿拉伯膠）比為5:3（g/g），壁芯比為1:0.15（g/g），固形物含量15%，進口溫度為160 ℃，進料量為4 mL/min，均質時間為6 min，在此條件下制備的葛根素微膠囊包埋率為91.16%。通過掃描電鏡觀察，在最佳制備條件下得到的微膠囊顆粒均勻、飽滿呈圓形，有少量凹陷，對采用最佳工藝條件制備出的葛根素微膠囊進行質量指標測定，微膠囊產品具有較好的流動性和溶解性，可為葛根素微膠囊的制備及相關產品的開發提供參考。