山楂果原花青素的微胶囊化研究.pdf

食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION I NDUSTRIES 68? ? ? 2010 Vol?36 No?1 ( Tota l265) 山楂果原花青素的微胶囊化研究 * 高薇薇, 张泽生, 钱俊, 张颖 (天津科技大学 食品工程与生物技术学院, 天津, 300457) 摘? 要? 研究了山楂果原花青素的微胶囊化工艺, 以提高其稳定性。结果表明: 以麦芽糊精、 阿拉伯胶为复合壁 材的微胶囊化效果最佳; 通过单因素和正交试验确定微胶囊化工艺为, 微胶囊化温度 30 ? , 微胶囊化时间 1 h , 芯壁材质量比为 3 7, 复合壁材阿拉伯胶质量分数为 40% , 螯合剂 EDTA?2Na添加量占芯材和壁材总质量的 0?02% , 总固形物含量为 250 g/L 。在此微胶囊化工艺下喷雾干燥所得产品的微胶囊化效率为 95?9% , 微胶囊产 率为 90?6% 。通过高效液相色谱 (HPLC)检测, 山楂果原花青素微胶囊化前后主要成分未发生改变, 且稳定性 得以提高。 关键词? 山楂果, 原花青素, 微胶囊, 阿拉伯胶, 麦芽糊精, 喷雾干燥, 高效液相色谱 第一作者: 硕士研究生 (张泽生为通讯作者 )。 ? * ! 十一五国家科技支撑计划项目# 功能性食品的研制和开 发 ( 2006BAD27B06) 收稿日期: 2008- 09- 23 , 改回日期: 2009- 11- 30 ? ? 微胶囊技术始于 20世纪 30年代, 是利用天然或 合成高分子材料, 将分散的固体、 液体, 甚至是气体物 质包裹起来, 形成具有半透性或密封囊膜的微小粒子 的一项新技术。微胶囊技术中, 被包埋物质称为芯 材, 包埋物质称为壁材, 包裹的过程即为微胶囊化, 形 成的微小粒子称为微胶囊 1- 2。微胶囊化可以将芯 材与外界环境隔离, 最大限度地保持其原有的性能和 生物活性, 使其免受外界环境的影响, 提高稳定性, 防 止营养物质破坏和损失, 降低毒性。 原花青素 ( proanthocyanidins , 简称 PC)是植物中 广泛存在的一大类多酚类聚合物的总称, 具有强抗氧 化能力和自由基清除能力, 近年来广泛应用于食品、 饮料、 化妆品及保健品等领域 3。但是原花青素在 自然环境中易氧化, 对光、 热等环境条件敏感, 这些特 性决定其在生产、 贮藏、 运输及使用过程中易被破坏, 从而限制了其应用范围和应用条件 4。本文比较了 几种常用壁材包裹山楂果原花青素提取物的效果, 同 时优化了山楂果原花青素的微胶囊化工艺, 为提高原 花青素的稳定性提供了可行的途径, 同时也为其更广 泛的应用提供科学的理论基础。 1? 材料与仪器 1?1? 材料与试剂 山楂果原花青素提取物: 本实验室自制, 原花青 素含量为 59?77 %, 平均聚合度为 2?29 ; 儿茶素标品: 天津尖峰天然产物研究开发公司; 变性淀粉: 美国国 民淀粉有限公司; 麦芽糊精 ( DE值 15- 25)、 阿拉伯 胶、 ? 环糊精、 明胶等壁材原料和螯合剂 EDTA?2Na 均为食品级; 其余试剂为国产分析纯; 1?2? 仪器与设备 UVm in- 1240紫外 /可见分光光度计: 日本岛津 公司; LC - 20 高效液相色谱仪: 日本岛津公司; Hy? persilODS- 2 ( 250mm 4?6 mm, 5 ?m ) 色谱柱: 美 国热电; EMS- 18磁力搅拌器: 天津市欧诺仪器仪表 有限公司; DL102电热鼓风干燥箱: 天津市实验仪器 厂; LPG- 5型喷雾干燥器: 常州市佳诺制粒干燥设备 厂; JS M - 6380扫描电镜: 日本电子公司; GJZJ- 60 均质机: 天津市特斯达食品科技有限公司。 2? 实验方法 2?1? 微胶囊制备 用蒸馏水充分溶解壁材和螯合剂 EDTA - 2Na , 边搅拌边加入已用蒸馏水溶解的芯材 (山楂果原花 青素提取物 ), 在特定温度下搅拌一段时间, 40MPa 下均质两次, 调整固形物含量为 250 g/L, 以进风温度 195 ? , 出风温度 95 ? , 流量 45mL /m in进行喷雾干 燥, 所得颗粒即为微胶囊产品。 2?2? 微胶囊壁材选择 分别选用壁材 1 : ? 环糊精、 阿拉伯胶; 壁材 2 : 羟 丙基 ? 环糊精、 阿拉伯胶; 壁材 3 : 麦芽糊精、 阿拉伯 胶; 壁材 4 : 变性淀粉; 壁材 5 : 蔗糖、 明胶进行山楂果 原花青素的微胶囊化。微胶囊化工艺参数为芯壁材 质量比 3 7, 其中复合壁材中胶体质量分数为 40 %, 螯合剂 EDTA? 2Na占芯材和壁材总质量的 0?02 % , 60 生产与科研经验 2010年第 36卷第 1期 (总第 265期 ) 69? ? ? ? 恒温搅拌 1 h , 均质后喷雾干燥。以微胶囊化效率 为评价指标。 2?3? 微胶囊化工艺优化 2?3?1? 单因素实验 分别考查微胶囊化温度 ( ? )、 微胶囊时间 ( h)、 芯壁材质量比、 复合壁材中阿拉伯胶质量分数 (% ) 对微胶囊化的影响, 以微胶囊化效率为评价指标。 2?3?2? 正交实验 根据单因素实验结果, 选取微胶囊化温度 /? ( A)、 微胶囊时间 /h( B)、 芯材与壁材质量比 ( C)、 复 合壁材中阿拉伯胶质量分数 /% ( D) 4个因素, 每个 因素确定 4个水平, 按表 1中 L16( 4 5 )进行正交实验, 以微胶囊化效率为评价指标, 确定最佳微胶囊化工 艺。 表 1? 正交实验因素水平表 水平A /?B/hCD /% 12021 240 2300?53 745 34011 150 4501?52 335 2?4? 微胶囊化效果评价 微胶囊化效率和微胶囊化产率是评价微胶囊化 效果的主要指标。微胶囊化效率被定义为芯材山楂 果原花青素实际被包埋量与理论被包埋量的比值, 是 衡量山楂果原花青素被包埋程度; 微胶囊化产率被定 义为微胶囊产品中所含芯材山楂果原花青素与理论 总原花青素含量之比。 微胶囊化效率 /% = ( 1-微胶囊表面原花青素含量 微胶囊中原花青素含量 ) 100 微胶囊化效率 /% = 微胶囊中原花青素含量 起始加入的原花青素含量 100 2?4?1? 原花青素含量测定 采用盐酸 ? 香草醛法 5, 以儿茶素为标准品, 建立 儿茶素质量浓度与吸光度的线性关系曲线为 Y = 1?679 1 X + 0?030 6(R = 0?999 7), 其中X 为儿茶素 标准品质量浓度 (mg /mL), Y为吸光度, 线性范围为 0?04- 0?4 mg /mL。 2?4?2? 微胶囊产品表面原花青素含量测定 准确称取山楂果原花青素微胶囊 0?05 g, 加入无 水乙醇, 反复振荡洗涤, 过滤, 滤液移至 50mL容量瓶 中, 用无水乙醇定容, 用盐酸 ? 香草醛法测定滤液中原 花青素含量。 2?4?3? 微胶囊产品中原花青素含量测定 准确称取山楂果原花青素微胶囊 0?05 g, 加入体 积分数为 60 % 的乙醇, 反复振荡洗涤, 过滤, 滤液移 至 50mL容量瓶中, 用体积分数为 60 % 的乙醇定容, 用盐酸 -香草醛法测定滤液中原花青素含量。 2?5? 微胶囊产品评价 2?5?1? 微胶囊产品的含水率 采用恒重法 6。 2?5?2? 微胶囊产品芯材的高效液相 (HPLC)检测 7 2?5?3? 微胶囊产品的颗粒外观观察 取适量山楂果原花青素微胶囊产品, 均匀分散后 粘于样品台上, 喷金后进行电镜扫描 ( SEM )观察。 2?6? 微胶囊产品的稳定性 2?6?1? 山楂果原花青素微胶囊热稳定性 取适量山楂果原花青素粉末及其微胶囊粉末, 避 光 60 ? 保存, 每周取样测定粉末中原花青素含量。 2?6?2? 山楂果原花青素微胶囊光稳定性 取适量山楂果原花青素粉末及其微胶囊粉末, 日 光直射条件下保存, 每周取样测定粉末中原花青素含 量。 2?6?3? 山楂果原花青素微胶囊氧稳定性 取适量山楂果原花青素粉末及其微胶囊粉末置 于敞口容器中, 避光保存, 每周取样测定粉末中原花 青素含量。 3? 结果与分析 3?1? 微胶囊壁材选择 不同壁材对微胶囊化效果影响结果见图 1 。 图 1? 不同壁材对微胶囊化效率的影响 ? ? 由图 1可知, 壁材 5在微胶囊化过程中发生粘连 沉淀, 微胶囊化失败。其余 4种壁材中, 壁材 3微胶 囊化效果最好, 因而选择该复合壁材 (麦芽糊精, 阿 拉伯胶 )进行微胶囊化工艺优化。 3?2? 微胶囊化温度对微胶囊化效率的影响 由图 2可知, 微胶囊化温度在 20- 30? 时, 微胶 囊化效率较高, 当温度继续升高, 微胶囊化效率明显 下降, 且产品颜色加深。这是因为高温下, 芯材易发 食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION I NDUSTRIES 70? ? ? 2010 Vol?36 No?1 ( Tota l265) 图 2? 微胶囊化温度对微胶囊化效率的影响 生热降解, 从而影响微胶囊化效果;温度过低, 会影响 壁材成膜速度, 囊壁不能形成良好的致密性与一定的 强度。 3?3? 微胶囊化时间对微胶囊化效率的影响 图 3? 微胶囊化时间对微胶囊化效率的影响 ? ? 图 3可知, 微胶囊化时间为 0?25- 1 h时, 微胶 囊化效率呈上升趋势, 超过 1 h后, 随着时间的延长, 微胶囊化效率下降。这是因为, 在微胶囊化过程中, 随着时间的延长, 壁材包裹芯材的能力逐渐达到饱 和, 继续包裹, 将会造成芯材的损失, 从而影响微胶囊 化效率。 3?4? 芯壁材比对微胶囊化效率的影响 图 4? 芯壁材比对微胶囊化效率的影响 由图 4可知, 当壁材与芯材质量比值 2- 3时, 微 胶囊化效率较高, 继续增加芯材所占比例 (壁材与芯 材质量比值 4), 则产品中芯材含量 太少, 直接影响微胶囊产品的质量。 3?5? 复合壁材中阿拉伯胶质量分数对微胶囊化效率 的影响 图 5? 阿拉伯胶质量分数对微胶囊化效率的影响 由图 5可知, 随着阿拉伯胶在壁材中含量的增 加, 微胶囊化效率升高, 这是因为阿拉伯胶具有良好 的乳化性和成膜性, 有利于增加壁材的包裹能力。但 是阿拉伯胶含量过高, 会导致物料粘度过大, 不利于 后期的喷雾干燥, 因此, 阿拉伯胶质量分数应控制在 40 %左右为宜。 3?6? 正交实验确定微胶囊化最佳工艺 表 2? 正交实验结果 实验号ABCDE误差微胶囊化效率 /% 11( 20)1( 2)1( 1 2) 1( 40)193?11 212( 0?5) 2( 3 7) 2( 45)291?92 313( 1)3( 1 1) 3( 50)390?29 414( 1 . 5) 4( 2 3) 4( 35)489?28 52( 30)123495?37 62214391?99 72341295?03 82432189?14 93( 40)134283?76 103243190?79 113312492?12 123421394?95 134( 50)142388?23 144231482?77 154324188?58 164413288?96 k1 91?150 90?118 91?545 91?46590?405 k2 92?882 89?367 92?705 90?35389?917 k3 90?405 91?505 86?490 91?35391?365 k4 87?135 90?582 90?833 88?40289?885 R5?7472?1386?2153?0631?480 表 3? 正交实验方差分析结果 因素偏差平方和自由度F比显著性 A69?541312?166* B9?60031?679 C88?396315?465* D24?13434?222 误差5?7163 注: * 表示 P A D B 。根据正交实验方差分析结果可知, A因素和 C因 素具有显著性 (P 0?05)影响, D因素和 B因素不具 有显著性。综合分析, 以微胶囊化效率为评价指标得 出的最佳微胶囊化工艺条件为 A2B3C2D1, 即微胶囊 化温度 30 ? , 微胶囊化时间 1 h , 芯壁材质量比 3 7 , 复合壁材中阿拉伯胶质量分数为 40 %。由正交试验 得到的最佳条件进行验证试验, 微胶囊化效率为 ( 95?9 % 0?1)%。 3?7? 微胶囊化效果和微胶囊产品评价 在优化条件下进行山楂果原花青素的微胶囊化, 产品微胶囊化效率为 ( 95?9 % 0?1)% , 微胶囊产率为 ( 90?6 % 0?1)%, 芯材 (山楂果原花青素提取物 )含量 为 ( 16?11% 0?09)%, 含水率为 ( 1?87% 0?15)% 。 原花青素提取物及其微胶囊高效液相色谱检测 结果见图 6 。 图 6? 原花青素 ( a)及其微胶囊 ( b)高效液相色谱图 ? ? 由图 6可知, 微胶囊化前后, 山楂果原花青素提 取物的高效液相色谱图相同。因此可以推断, 微胶囊 化后芯材山楂果原花青素提取物没有发生本质的变 化, 其主要活性成分没有被破坏。 山楂果原花青素微胶囊颗粒外观观察结果见图 7 。 ? ? 由图 7的电镜扫描图中可以清晰的看到, 山楂果 原花青素微胶囊基本成球形, 表面光滑, 未发现囊壁 图 7? 山楂果原花青素微胶囊电镜扫描图 有破裂情况, 说明芯材已被壁材全部包裹。但从图 7 中也可看出偶有微胶囊颗粒表面有凹陷、 突起现象或 成不规则形态, 这可能是电镜扫描观察前的预处理所 致, 因为预处理时要在颗粒表面镀一层金粉以便观 察, 如此高温会使微胶囊表面部分水分蒸发, 从而导 致颗粒表面凹陷、 突起或不规则。 3?8? 微胶囊产品的稳定性 图 8? 热对原花青素保存率的影响 图 9? 光对原花青素保存率的影响 图 10? 氧对原花青素保存率的影响 食品与发酵工业 FOOD AND FERMENTATION I NDUSTRIES 72? ? ? 2010 Vol?36 No?1 ( Tota l265) ? ? 由图 8- 图 10可知, 热、 光、 氧对山楂果原花青 素提取物有明显影响, 贮存 5 w 后, 原花青素提取物 保存率仅在 50 % 左右。但在相同贮存条件下, 微胶 囊中的原花青素保存率均在 90 % 以上, 说明微胶囊 化能有效地提高原花青素稳定性。 4? 结论 通过比较, 以麦芽糊精, 阿拉伯胶为复合壁材的 微胶囊化效果最佳。由该复合壁材进行单因素实验 和正交优化实验, 得到的最佳微胶囊化工艺条件为: 微胶囊化温度 30 ? , 微胶囊化时间 1 h , 芯壁材质量 比 3 7 , 复合壁材中阿拉伯胶质量分数为 40 % 。在此 工艺条件下喷雾干燥得到的产品微胶囊化效率在 95 % 以上, 产率在 90 % 以上, 芯材 (山楂果原花青素 提取物 )含量为 ( 16?11 % 0?09)%, 含水率为 ( 1?87 % 0?15)% 。通过高效液相色谱 ( HPLC)检测, 微胶 囊芯材山楂果原花青素提取物的主要活性成分未发 生改变; 通过电镜扫描 ( SEM )观察, 产品颗粒结构完 整, 芯材完全被包裹。经热、 光、 氧稳定性实验证实, 微胶囊化大大提高了原花青素提取物的稳定性, 这将 有利于山楂果原花青素提取物的进一步开发和应用。 参考文献 1? 张峻 ?食品微胶囊、 超微粉碎加工技术 M ? 北京, 化 学工业出版社, 2005: 1- 211? 2 ? 孙忠于, 王海滨 ? 微胶囊的功能特性及其在食品工业 中的应用 J? 武汉工业学院学报, 2008, 27( 02): 23- 26? 3 ? FulekiT, R icardo D A, Silva JM? Catechin and procyan? lbin compostion of seeds from grape cultivars gro w in ontar ? io J?JAgric Food Chem, 1997 , 45: 1 156- 1 160? 4 ?Liu Y H? Study on m icroencapsulation of anthocyanins J?Food SciTech , 2004 , 11 : 18- 20? 5 ? BroadhurstR B,JonesW T? Analysis of condensed tan? nins using acidified vanillin J?J SciFood Agric , 1978, 29 : 788- 794? 6 ? 吴朝霞, 孟宪军, 林琳, 等 ?几种微胶囊包裹方法对葡 萄籽原花青素包裹效果的对比研究 J? 食品工业科 技, 2005 , 26( 09): 67- 72? 7 ? Zhang Zesheng, ChangQu, ZhuM in, etal ? Characteriza? tion of antioxidants present in ha wthorn fruits J ?J Nut Bioche m, 2001, 12: 144- 152? Study on TheM icroencapsulation of Proanthocyanidins from Haw thorn Fruit GaoW ei we,i Zhang Zesheng , Q ian Jun , Zhang Y ing ( Food Engineering and Biotechnology Department , T ianjinUniversity of Science and Technology , T ianjin 300457, China) ABSTRACT? Proanthocyanidins from hawthorn fruit was the core?substance ,them icroencapsulation technology was investigated. Results showed that the opti m alwall? materialswere arabic gu m andm altodextrin . W ith single factor and orthogonal experi ments,the opti mal process was determ ined .The conditions were : m icroencapsulation temperature was 30 ? ; m icroencapsulation ti me was1 hour ;the ratio of core?substance to wall? materialw