VE微胶囊的制备及性质研究.pdfVIP

1工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 02 V E 微胶囊的制备及性质研究 马云标，周惠明 * ，朱科学 (江南大学食品学院，江苏 无锡 214122) 摘 要：以壳聚糖和麦芽糊精为壁材，通过喷雾干燥的方法制备VE 微胶囊。所得的微胶囊包埋率为89.02%，VE 保留率为91.73%，水分含量为2.67%；扫描电镜(SEM)观察结果显示，VE 微胶囊表面形态以及内部结构良好，具 有良好的包埋效果；差示扫描量热仪(DSC)测定得出微胶囊产品的Tg值为41.579，热熔解温度Tm为 199.483， 表明产品有较好的贮藏稳定性以及较广的应用范围；并且对微胶囊在不同贮藏条件下的释放进行研究，引入 Avramis 公式对微胶囊释放进行分析，结果表明，微胶囊的释放速度在相对湿度75% 的条件下要明显快于其他两种 条 件 。 关键词：VE；微胶囊；扫描电镜(SEM)；差示扫描量热仪(DSC)；释放 Preparation and Characterization of Microencapsulated Vitamin E MA Yun-biao，ZHOU Hui-ming*，ZHU Ke-xue (School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China) Abstract ：Chitosan and maltodextrin were used as wall materials to prepare vitamin E microcapsules by spray drying. The encapsulation efficiency and retention ratio of vitamin E and the moisture content of microcapsules were 89.02%, 91.73% and 2.67%, respectively. Fine surface and internal structure of microcapsules were observed under scanning electron microscopy (SEM). The values of Tg and Tm of microencapsulated vitamin E were determined by DSC to be 41.579 and 199.483 , respectively, indicating good storage stability and broad application range. In addition, the retention ratio of microencapsulated vitamin E was measured at different relative humidity and modeled as a function of storage temperature using Avrami s equation. Results showed that releasing rate of vitamin E at 75% relative humidity was even faster than that at 32% or 50%. Key words：vitamin E；microencapsulation；scanning electron microscopy (SEM)；differential scanning calorimetry (DSC)；release 中图分类号：TS201.1；TS201.7 文献标识码：A 文章编号：1002-6630(2010)02-0001-05 收稿日期：2009-03-05 基金项目： “十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD27B04) 作者简介：马云标(1986 )，男，硕士研究生，研究方向为方便食品及其品质改良。E-mail： * 通信作者：周惠明(1957 )，男，教授，博士，研究方向为方便食品及其品质改良。E-mail： VE 是人体必需的一类营养成分，是一类高效安全 的天然抗氧化剂，是一种强有效的自由基清除剂1，能 保护机体细胞膜及生命大分子免遭自由基的攻击，在防 治心血管疾病2、抗肿瘤3、增强人体免疫功能以及延 缓衰老4等方面具有良好的效果。VE 属于油溶性的热敏 物质，难以与水溶性物质混溶，使其难以均匀添加到 水溶性食品产品中，且紫外线、碱以及氧等都能破坏 VE，所以通常要密封、避光保存，这样大大限制了VE 在食品工业的应用5-6。微胶囊技术是用成膜材料包埋固 体、液体或气体保护芯材免受不利环境因素如温度、 pH 值等影响，以此提高产品的稳定性和货架期，扩展 芯材的应用范围，并控制芯材释放的一种技术7-9。将 VE用喷雾干燥等方法制成微胶囊化VE，既能保持VE的 固有性质，又能克服其易氧化和不溶于水的缺点。VE 微胶囊产品可用于面包或点心制品、饮料、饼干类、 保健食品以及营养强化食品等，具有广阔的应用前景。 本实验拟以壳聚糖、麦芽糊精为壁材，以卵磷脂、 Tween-80为复配乳化剂通过喷雾干燥的方法制备VE微胶 囊，对微胶囊的理化特性以及贮藏释放性质进行研究。 1材料与方法 1.1材料与试剂 壳聚糖 山东奥康生物科技有限公司；麦芽糊精 山东保龄宝生物科技有限公司；天然VE 江苏春之谷 2010, Vol. 31, No. 02食品科学工艺技术2 生物制品有限公司；大豆磷脂 美国 ADM 公司；VE 标准品(纯度 97%) Sigma 公司；Tween-80(CP)、冰乙 酸、无水乙酸钠、盐酸、无水乙醇、氯化镁、硝酸 镁、氯化钠(均为分析纯) 国药集团化学试剂公司。 1.2仪器与设备 PL203、AB104-N 型电子分析天平 梅特勒-托利 多仪器(上海)有限公司；LP2001A 型电子天平 常熟市 衡器厂；FA25 高速乳化分散机 上海弗鲁克流体机械 制造有限公司；JHG-Q54-P60 均质机 上海张堰轻工机 械厂；GZ-5喷雾干燥器 无锡市阳光干燥设备厂；GZX- GF101-3S 电热恒温鼓风干燥箱 上海跃进医疗器械厂； UV-2820型紫外 -可见分光光度计 尤尼科(上海)仪器有 限公司；QUANTA-200 扫描电子显微镜 荷兰 FEI 公 司；DSC-7 差示热扫描分析仪 美国Perkin Elmer 公司。 1.3方法 1.3.1天然 VE 微胶囊的制备 将 VE、卵磷脂溶液和 Tween-80 混合，高速剪切 搅拌，再将壳聚糖以及麦芽糊精溶液边搅拌边加到芯材 溶液中，再高速剪切搅拌，然后高压均质得到微胶囊 乳化液，最后喷雾干燥，得到 VE 微胶囊产品。在整 个制备过程中所有溶液均用 0.1mol/L、pH3.0 的乙酸-乙 酸钠缓冲液配制的。 1.3.2VE含量测定 VE标准曲线 精密称取123.7mg VE 标准样品，用无水乙醇溶解 定容至 100mL，分别吸取 VE 标准溶液 1、2、3、4、 5mL 置于 25mL 容量瓶中，用无水乙醇定容至刻度，摇 匀。以无水乙醇为空白在波长 285nm 处测定吸光度。以 吸光度(A)对质量浓度(C)进行线性回归，得到标准曲线 回归方程为A=0.0059C 0.0094(R2=0.9993)，见图 1。 微胶囊表面的VE 含量 称取 2.5g 左右的微胶囊化产品，加20mL 的石油醚 (沸程 3060)萃取，过滤，再用10mL 石油醚重复萃 取 3 次，收集滤液置于棕色容量瓶中，挥尽石油醚， 用无水乙醇定容，稀释到适当的倍数，以无水乙醇为 空白在 285nm 波长处测定吸光度，算出 VE 的含量。 微胶囊产品中总VE 含量 称取1.0g(m0)左右产品，加5mL 乙酸-乙酸钠缓冲 液充分溶解，加石油醚(沸程3060)以及少量无水乙 醇，充分提取后，取石油醚层至已恒重小烧杯中(m1)， 挥尽石油醚，恒重，称其质量(m2)，再用无水乙醇定 容，稀释到适当的倍数，以无水乙醇为空白在波长 285nm 处测定吸光度，算出微胶囊总 VE 的含量。 微胶囊中总VE含量m0 微胶囊芯材中VE 含量= m2m1 保留率为经过微胶囊化整个处理过程后，微胶囊产 品中芯材的 VE 含量与原始油中 VE 含量的比值。 微胶囊表面VE含量 微胶囊化包埋率/%(1 ) 100 微胶囊中总VE含量 微胶囊芯材中VE含量 微胶囊化保留率/%(1) 100 原始油中VE含量 1.3.3微胶囊结构观察 采用扫描电镜(SEM)观察微胶囊的表面以及内部微观 结构。将样品置于玻璃皿内，用 1% 的四氧化锇气体固 定，用双面胶将其粘在样品台上，离子溅射后用 SEM 观察微胶囊产品表面结构，加速电压为 5.0kV。 将微胶囊样品用3%(V/V)的戊二醛于4固定1h，用 0.1mol/L 磷酸缓冲液漂洗3 次；再用1%(V/V)锇酸固定 1h，0.1mol/L 磷酸缓冲液漂洗 3 次；然后经50%、70%、 90%、100%(V/V)乙醇逐级脱水，用醋酸异戊酯置换出 乙醇后，采用临界点进行干燥，再用刀片切开，用双 面胶将其固定在样品台上，经离子溅射后用 SEM 观察 微胶囊产品内部结构，加速电压为 5.0kV。 1.3.4差示热扫描热分析 VE微胶囊的热分析利用配置有液氮冷却装置的差示 热扫描分析仪上进行。将 VE 微胶囊样品放入铝盒中， 以空铝盒作为参比。扫描范围为 25250，升温速率 为 10/min，氮气的流速为 20mL/min。用图谱分析玻 璃化转变温度(Tg)、熔解温度(Tm)和熔解热焓(H)10。 1.3.5加速贮藏释放实验 将配制好的饱和氯化镁、硝酸镁和氯化钠盐溶液放 置于干燥器中，将干燥器的相对湿度分别控制在 32%、 50%和75%，准确称取(1.000 0.002)g 微胶囊产品并平 铺于铝盒中，放入干燥器内，干燥器放入 50烘箱中 进行加速贮藏实验。每隔 3d 取出一个铝盒测量微胶囊 产品的总 VE 含量，计算 VE 残留率。残留率定义为一 段时间后微胶囊产品中的总 VE 含量与初始量的比值。 图1 V E 标准曲线 Fig.1 Standard curve of vitamin E 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 A=0.0059C 0.0094 R2=0.9993 A2 8 5 n m VE质量浓度/(g/mL) 050100150200250 3工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 02 2结果与分析 2.1微胶囊的包埋率以及保留率 理想的喷雾干燥微胶囊化的壁材，应具有乳化能力 强、成膜性好、干燥性能好、溶解黏度低、成本低 廉、符合食品卫生标准以及食用安全性高等特点。壳 聚糖是甲壳质经脱乙酰基而得到的一种天然阳离子多 糖，具有无毒、无味、易分解的特点，以及拥有良 好的成膜性、良好的生物相容性及一定的抗菌和抗肿瘤 等优异性能，且原料易得、价格便宜7,11-12，是一种理 想的微胶囊壁材。麦芽糊精是淀粉不完全水解的产物， 它没有表面活性，没有乳化性，但它可以用作填充剂 来增加微胶囊膜的强度和致密度13，是性价比较高的微 胶囊壁材。 本研究以壳聚糖和麦芽糊精为复合壁材，以卵磷脂 和 Tween-80为复配乳化剂通过乳化喷雾干燥的方法制备 VE 微胶囊，得到的微胶囊的包埋率为 89.02%，VE 保 留率为 91.73%，水分含量为2.67%，产品呈乳白色，具 有较好的色泽。 2.2VE微胶囊的微观形态 面，由于干燥过程中液滴水分的迁移，以及液滴表面 张力的影响，特别是在冷却阶段，在高速率喷雾的情 况下，壁材的固化先于热气流造成的微胶囊膨胀，导 致壁材收缩从而形成凹陷与皱褶18。有研究表明微胶囊 表面出现典型的皱褶和凹陷还与壁材中含有较高的碳水 化合物有关19。 图2 V E 微胶囊表面结构扫描电镜图 Fig.2 SEM observation of surface morphology of vitamin E microcapsules HV 5.0kV Mag 1200x WD 9.7mm 50.0m Spot 4.0 HV 5.0kV Mag 2400x WD 9.7mm 50.0m Spot 4.0 微胶囊的结构形态特征影响着微胶囊的性质，比如 芯材的释放速率、微胶囊产品的流动特性等。微胶囊 颗粒的孔隙、表面完整性以及芯材在微胶囊中的分布影 响着芯材的释放，同时微胶囊颗粒外部表面形态与微胶 囊产品的流动性密切相关，因此非常有必要研究微胶囊 产品的表面以及内部结构14。用扫描电子显微镜对微胶 囊样品进行观察，得图2 所示的VE 微胶囊表面结构图。 由图 2 可知，以壳聚糖、麦芽糊精为壁材制得的 VE 微 胶囊大小、形态较为均一，从局部放大的照片可以发 现，微胶囊表面结构完整，粒径大小在 518m 之间， 表面有典型的皱褶以及一些凹陷，未见裂缝、孔洞和 破裂现象，囊壁表面较为光滑，表明有较高的微胶囊 化效率，预示着其对芯材有良好的保护作用。微胶囊 表面的典型皱褶和凹陷，这种现象与喷雾干燥过程中的 雾化过程有关15-16：一方面，由于前期干燥过程中液滴 不均匀受热干燥所产生的机械应力导致的17；另一方 图3 为VE 微胶囊的内部结构扫描电镜图，从图 3B 中可以看到，微胶囊囊壁为环形状，囊壁的厚度均匀、 组织致密，其中有些孔洞可能是微胶囊乳化液中包埋的 空气泡。微胶囊内部中心有一空腔，空腔形成可能是 由于乳化液滴在雾化时将空气包埋在内，或是喷雾干燥 时，蒸汽蒸发所导致20。图 3A 为一个不完整的微胶囊 的切面图，这可能是由于在制备切片过程中破坏了微胶 囊结构，但从图 3A 可以看得出微胶囊具有致密完整的 蜂窝结构，芯材较为均匀地分布在内部。 VE 微胶囊的扫描电镜图表明，得到的微胶囊具有 较好的表面和内部结构，从而表明对 VE 有较好的包埋 效果，预示着其对芯材具有良好的保护作用，贮存稳 定性良好。 2.3VE 微胶囊的差示热扫描热分析 图3 V E 微胶囊内部结构扫描电镜图 Fig.3 SEM observation of internal structure of vitamin E microcapsules HV 5.0kV Mag 5000x WD 10.3mm 10.0m Spot 4.0 B HV 5.0kV Mag 5000x WD 10.3mm 10.0m Spot 4.0 A 图4 微胶囊的D S C 差示热扫描热分析图谱 Fig.4 DSC thermograms of vitamin E microcapsules 20.73 20.72 20.71 20.70 20.69 20.68 20.67 A 热流/mW 温度/ 29.8735404547.2 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 B 热流/mW 温度/ 506080 100 120 140 160 180 200230 2010, Vol. 31, No. 02食品科学工艺技术4 由图 4A 中的吸热峰可知，微胶囊的玻璃化转变温 度(Tg)为 41.579。玻璃化转变温度是物质的相态从玻璃 态转变为橡胶态的温度，其值的大小和微胶囊的固有无 定形组织有关，从玻璃态转变为橡胶态意味着物质旧的 平衡被打破，新的平衡形成21。在 Tg以下的温度，物 质为玻璃态，此时其自由体积非常之小，体系具有较 大的黏度，分子流动阻力较大，使得体系中的分子扩 散速率很小，分子间相互接触和反应速率亦很小，食 品中常见的氧化、褐变、风味散失等很缓慢。当微胶 囊壁处于玻璃态时，从而使壁材对芯材能起到有效的保 护作用。但是，当温度大于 Tg时，分子链段运动解冻， 体系黏度迅速下降，扩散系数迅速上升，从而导致各 种反应速率加快22。41.579的玻璃化转变温度高于通 常的贮藏温度(25)，预示微胶囊化VE 在常温下贮藏时 处于玻璃态，因此常温下其贮藏稳定性良好。 由图 4B 的一个吸热性峰可知，微胶囊的热熔解温 度(Tm)为 199.483，熔解热焓为71.772J/g，其微胶囊的 熔解温度高于很多食品的烹调温度，熔解热焓也较高， 因此，在很多食品制作烹调的过程中，微胶囊的完整 结构依然存在。 2.4VE微胶囊贮藏特性 2.4.1不同贮藏条件对 VE 残留率的影响 分壁材溶于其中，从而降低了囊壁的厚度，减少了芯 材从内部扩散到外界的距离，另外进入内部的水分增加 囊壁表面空隙的大小，使芯材的释放速度加快24。 2.4.2Avramis 公式对释放的分析 本研究引入Avramis 公式对释放机理及其速率常数 进行分析： R=exp(kt)n (1) 式中：R 代表芯材的残留率即为 VE 残留率 /%； t 代表贮藏时间 /d；n 代表释放机理参数；k 代表释放 速率常数 /d-1。在公式(1)中，n=1 代表的是一级动力 学反应，当 n=0.54 时代表的是扩散限制动力学反应。对 式(1)两边取两次对数，得到式(2)： ln(lnR)=nlnk+nlnt (2) 根据实验数据，以ln(lnR)为纵坐标、lnt 为横坐 标作图，根据所得的直线方程计算出 n 以及 k 值25。图 6 为ln(lnR)对lnt 的回归分析，对相对湿度32%、50% 和75% 条件下微胶囊释放进行直线回归分析，得到的直 线相关系数分别为0.9894、0.9861 和0.9773，这表明 VE 的衰减规律和 Avramis 方程有较好的拟合精度。 相对湿度/%释放机理参数(n)释放速率常数k/d-1R2 320.62275.96 10-40.9894 500.87287.70 10-30.9861 750.93871.36 10-20.9773 表1 不同相对湿度下的释放机理参数( n ) 以及释放速率常数( k ) 值 Table 1 Values of release mechanism parameter and release rate constant at different relative humidity 图5 V E 微胶囊在不同相对湿度条件下的释放 Fig.5 Time course of release of microencapsulated vitamin E at different relative humidity 105 100 95 90 85 80 75 70 RH 32% RH 50% RH 75% VE残留率/% 时间/d 051015202530 微胶囊芯材的释放与壁材的吸水能力和粉体的水化 有密切联系，水分首先吸附到微胶囊颗粒表面对壁材侵 蚀融解作用，紧接着表面出现裂纹，芯材物质释放23。 从图 5 可以发现，VE 微胶囊的释放速度，在相对湿度 (RH)32% 贮藏条件下比较缓慢，在RH 75% 贮藏条件下 较快。微胶囊在 50、在 RH 32%、50% 以及 75% 条 件下，经过 24d 的加速实验后，微胶囊中的 VE 残留率 分别为 93.59%、82.58% 以及 75.31%。可以发现，随 着相对湿度的增加，微胶囊的释放速率也明显的增加， 在相对湿度高的条件下释放速率明显高于低湿度条件。 这可能由于水分子吸附在产品的表面或者通过微胶囊表 面的微小空隙进入内部，吸附在表面的水分子可以使部 图6 V E 微胶囊的A v r a m i s 回归分析 Fig.6 Avrami s regression analysis for release of microencapsu- lated vitamin E at different relative humidity 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 ln(lnR) lnt 00.51.01.52.02.53.03.5 RH 32% RH 50% RH 75% 从表1 可以看出，VE微胶囊在相对湿度32%、50% 和75% 条件下的释放机理参数n 分别为0.6277、0.8728 和0.9387，这表明微胶囊产品在相对湿度32%、50% 和 75% 条件下的释放介于扩散限制动力学和一级动力学反 应之间，即微胶囊的释放是由芯材透过囊壁扩散和囊壁 侵蚀共同作用的，并且微胶囊产品在相对湿度32% 条件 下的释放更加接近于扩散限制动力学，而在相对湿度 5工艺技术食品科学2010, Vol. 31, No. 02 75%条件下的释放更加接近于一级动力学。VE微胶囊在 相对湿度32%、50% 和75% 条件下的释放速率常数 k 分 别为 5.96 10-4、7.70 10-3d-1和1.36 10-2d-1，可以 发现在相对湿度75% 条件下的释放速率常数是相对湿度 32% 条件下的 20 倍之多，也明显高于相对湿度 50% 条 件下的释放速率常数。不难看出，随着贮藏相对湿度 的增加微胶囊产品释放速度也明显的增加，这也表明在 相对湿度高的情况下不利于微胶囊产品的保藏。 3结 论 通过乳化喷雾干燥的方法制备 VE 微胶囊，得到的 微胶囊的包埋率为 89.02%，VE 残留率为91.73%、水分 含量为 2.67%，产品呈乳白色，具有较好的色泽。 VE 微胶囊的扫描电镜图显示微胶囊大小、形态较 为均一，微胶囊表面结构完整，粒径大小在 518m 之间，未见裂缝、孔洞和破裂现象，微胶囊内部结构 良好，表明具有良好的包埋效果，预示着其对心材良 好的保护作用。 通过 DSC 测出VE 微胶囊的Tg为41.579、热熔解 温度 Tm为 199.483以及熔解热焓为71.772J/g，表明微 胶囊在常温下贮藏时处于玻璃态，其贮藏稳定性良好， 微胶囊的熔解温度高于很多食品的烹调温度，熔解热焓 也较高，因此，可以作为一种营养强化剂添加到很多 食品中去，扩大了 VE 的应用范围。 利用 Avramis 公式对VE 微胶囊在50，相对湿度 32%、50% 和 75% 条件下的释放机理及其速率常数进行 了分析，结果表明微胶囊产品在相对湿度 32% 条件下的 释放更加接近于扩散限制动力学，而在相对湿度 75% 条 件下的释放更加接近于一级动力学，这也表明在相对湿 度高的情况下不利于微胶囊产品的保藏。 参考文献： 1OLCOTT H S, EMERSON O H. Antioxidants and the autoxidation of fats IX: the antioxidant properties of tocopherolsJ. Journal of the American Oil Chemists Society, 1973, 59: 1008-1009. 2STAMPFER M J, HENNEKENS C H, MANSON J E, et al. Vitamin E consumption and the risk of coronary disease in womenJ. The New England Journal of Medicine, 1993, 328: 1444-1449. 3KLEIN E A, THOMPSON I M, LIPPMAN S M, et al. SELECT: the selenium and vitamin E cancer prevention trialJ. Urologic Oncology: Seminars and Original Investigations, 2003, 21(1): 59-65. 4CORWIN L M, GORDON L M. Vitamin E and immune regulationJ. Annals of the New York Academy of Science, 1982, 393: 437-451. 5李军生, 黄位明, 秦国梅, 等. VE 酯衍生物稳定性能及其在食品中 的应用研究J. 食品科学, 2005, 26(8): 29-32. 6吴琼英, 马海乐. VE 微胶囊化技术的研究J. 食品工业科技, 2002, 23(8): 50-52. 7BRAGA G K, OLIVEIRA W P. Manufacturing drug loaded chitosan microspheres by spray drying: development, characterization, and poten- tial use in dentistryJ. Drying Technology, 2007, 25(2): 303-310. 8SHAHIDI F, HAN X Q. Encapsulation of food ingredientsJ. Crit Rev Food Sci Nutri, 1993, 33(6): 501-507. 9HOGAN S A, MCNAMEE B F, ORIORDAN E D, et al. Microencap- sulating properties of sodium caseinateJ. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2001, 49(4): 1934-1938. 10ERTL B, PLATZER P, WIRTH M, et al. Poly (D,L-Lactic-co-glycolic acid) microspheres for sustained delivery and stabilization of camptothecin J. J Contr Rel, 1999, 61(3): 305-317. 11茅林春. 壳聚糖涂膜对甜玉米品质和生理活性的影响J. 中国粮油 学报, 2000, 15(6): 34-37. 12朱丽云, 李素芳, 邵慧娟. 复凝聚喷雾干燥法制备香精香料微胶囊 的研究J. 食品科技, 2006(4): 25-27. 13温少红, 滕剑敏. 微胶囊化粉末猪油壁材的研究J. 食品科学, 2001, 22(9): 30-33. 14SOOTTITANTAWAT A, YOSHII H, FURUTA T, et al. Microencapsu- lation by spray drying: Influence of emulsion size on the retention of volatile compoundsJ. Journal of Food Science, 2003, 68(7): 2256- 2262. 15ROSENBERG M, KOPELMAN I J, TALMON Y. A scanning electron microscopy study of microencapsulationJ. Journal of Food Science, 1985, 50(1): 139-144. 16ROSENBERG M, YOUNG S L. Whey proteins as microencapsulating of agents. Microencapsulation of anhydrous milkfat-Structure evaluation J. Food Structure, 1993, 12: 31-41. 17SHEU T Y, ROSENBERG M. Microstructure of microcapsules consist- ing of whey proteins and carbohyd