葉黃素微膠囊化研究
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徐建中1，2，楊麗微1,2，李新愿1，2，楊文江2，連運(yùn)河2
1河北省天然色素工程技術(shù)研究中心(邯鄲057250)；2晨光生物科技集團(tuán)股份有限公司（邯鄲F057250）
摘要研究了以葉黃素晶體為芯材，用噴霧干燥法制備10%葉黃素微膠囊的配方和工藝。最佳配方為：葉黃素晶體(80%）質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.5%、阿拉伯膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)54.96%、蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.54%、低聚原花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、迷迭香提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%。高壓均質(zhì)參數(shù)為90 M Pa均質(zhì)2次；噴霧干燥工藝參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)溫度170 ℃、氣流壓力170 k Pa、進(jìn)料流量400 m L/h、進(jìn)料溫度50℃。所得產(chǎn)品在40℃，相對(duì)濕度75%條件下放置10d的含量保留率為97.8%，穩(wěn)定性得到顯著提高。
關(guān)鍵詞 葉黃素；微膠囊化；配方；穩(wěn)定
葉黃素是一種含氧的類胡蘿卜素，除了可用作著色劑外，還具有多種生理功能，比如抗氧化、消除自由基、抗癌、減少心血管疾病的發(fā)病率和視覺保護(hù)等，尤其是在預(yù)防老年性白內(nèi)障和老年黃斑變性等方面，具有無可替代的作用。葉黃素廣泛分布于香蕉、獼猴桃、玉米和萬壽菊等植物中，食品工業(yè)、飼料工業(yè)、制藥業(yè)使用的葉黃素一般是從萬壽菊中提取。由于分子結(jié)構(gòu)中存在10個(gè)共軛雙鍵，葉黃素晶體很不穩(wěn)定，對(duì)光、熱、氧十分敏感，易被氧化分解，且不溶于水，大大限制了其在食品及藥物、飼料工業(yè)中的應(yīng)用。微膠囊技術(shù)則是解決這一問題的有效方法，由于葉黃素被包裹于連續(xù)的囊材形成的微小的囊中，避免了與環(huán)境的直接接觸，保持其在貯藏、運(yùn)輸以及使用過程中的穩(wěn)定性。市場(chǎng)上存在的葉黃素微膠囊制劑主要有5%和10%兩種規(guī)格，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)5%產(chǎn)品研究較多，但對(duì)10%產(chǎn)品研究較少，研究通過單因素試驗(yàn)對(duì)配方進(jìn)行篩選，優(yōu)化了均質(zhì)工藝，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù)，解決了高含量產(chǎn)品的穩(wěn)定性問題。
1材料與方法
1.1材料
葉黃素晶體（含量80%）、低聚原花青素（多酚含量95%）：晨光生物科技集團(tuán)股份有限公司提供；阿拉伯膠：法國CNI;辛烯基琥珀酸淀粉酯：國民淀粉；蔗糖、混合生育酚、迷迭香提取物、抗壞血酸棕櫚酸酯、茶多酚等均為食品原料或食品添加劑。
1.2設(shè)備與儀器
GYB40-10S高壓均質(zhì)機(jī)：上海東華高壓均質(zhì)機(jī)廠：SY-6000噴霧干燥器：上海世遠(yuǎn)生物設(shè)備工程有限公司；UV1102紫外可見分光光度計(jì)：上海天美科學(xué)儀器有限公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：上海申生科技有限公司：Mastersizer 2000激光粒度分析儀：英國Malvern公司。
1.3試驗(yàn)方法
1.3.1制備工藝
油相+水相混合乳化→高壓均質(zhì)→脫溶劑→噴霧干燥→微囊粉
將壁材和水溶性抗氧化劑溶解于純凈水中得到水相，葉黃素晶體和油溶性抗氧化劑溶解于乙醇中得到油相。
1.3.2微膠囊葉黃素含量的測(cè)定
稱取200 mg微膠囊化葉黃素，加入5 m L純凈水，超聲溶解，無水乙醇定容至100 m L，再用無水乙醇稀釋10倍，以無水乙醇為空白，在446 nm波長下測(cè)定其吸光度，微膠囊化葉黃素產(chǎn)品中葉黃素含量按式
- 計(jì)算：
1.3.3質(zhì)量評(píng)定方法
1.3.3.1穩(wěn)定性
利用分光光度計(jì)測(cè)定微膠囊產(chǎn)品中葉黃素的含量，通過含量保留率的變化反映其在不同條件下的貯存穩(wěn)定性。
1.3.3.2水溶性
稱取微膠囊葉黃素0.1 g，量取100 m L蒸餾水加入到一個(gè)燒杯中，將此燒杯放在磁力攪拌器上，25 0C條件下以250 r/min進(jìn)行攪拌，然后將稱好的微膠囊一次性倒入正在攪拌的純凈水中，開始計(jì)時(shí)，直至微膠囊產(chǎn)品完全溶解為止，記錄溶解時(shí)間，時(shí)間短則微膠囊產(chǎn)品的溶解性相對(duì)較好。
2結(jié)果與分析
2.1配方篩選
2.1.1微膠囊壁材的篩選
分別以酪蛋白酸鈉、海藻酸鈉、阿拉伯膠、辛烯基琥珀酸淀粉酯和β-環(huán)糊精為壁材，不添加其它輔料，制備10%葉黃素微囊粉，將產(chǎn)品于40℃條件下放置1 d，測(cè)定其含量保留率，另外按照1.3.3.2的方法檢測(cè)其水溶性，結(jié)果如圖1所示。
由圖1可以看出，穩(wěn)定性最好的壁材是阿拉伯膠，穩(wěn)定性最差的壁材是辛烯基琥珀酸淀粉酯，但其水溶性最好，阿拉伯膠次之，水溶性最差的是酪蛋白酸鈉，綜合評(píng)價(jià)穩(wěn)定性和水溶性，選擇阿拉伯膠作為壁材比較合適。
2.1.2水溶性抗氧化劑的篩選
以阿拉伯膠為壁材，制備葉黃素含量為10%的微囊粉，分別添加水溶性抗氧化劑D-異VC鈉、茶多酚(95%)和低聚原花青素（多酚95%），質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%，40℃放置穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖2所示。
由圖2可知，相同評(píng)價(jià)期內(nèi)，添加低聚原花青素的葉黃素微囊粉含量保留率最高，穩(wěn)定性最好，添加D-異VC鈉的葉黃素微囊粉穩(wěn)定性最差，選擇低聚原花青素作為配方中的水溶性抗氧化劑。
2.1.3油溶性抗氧化劑的篩選
以阿拉伯膠為壁材，添加1%的低聚原花青素，制備葉黃素含量為10%的微囊粉，在油相中分別添加油溶性抗氧化劑混合生育酚、迷迭香提取物和抗壞血酸棕櫚酸酯，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為1%，40℃放置穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。
由圖3可知，相同評(píng)價(jià)期內(nèi)，添加迷迭香提取物的葉黃素微囊粉含量保留率最高，穩(wěn)定性最好，添加抗壞血酸棕櫚酸酯的葉黃素微囊粉穩(wěn)定性最差，選擇迷迭香提取物作為配方中的油溶性抗氧化劑。
2.1.4壁材與填充劑的比例對(duì)穩(wěn)定性的影響
壁材阿拉伯膠屬于天然高分子糖類聚合物，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以將葉黃素包裹于其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，從而起到保護(hù)作用和乳化作用，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)還有很多孔隙，氧氣仍然能通過孔隙進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部使葉黃素氧化降解，選擇與其親和性較高的小分子糖類物質(zhì)作為填充劑，使膜狀結(jié)構(gòu)更緊密，從而提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。為了確定阿拉伯膠和蔗糖的最佳比例，配方中添加1%的低聚原花青素和1%的迷迭香提取物，固形物含量30%，60 M Pa高壓均質(zhì)2次，進(jìn)風(fēng)溫度170℃條件下噴霧干燥，制備10%的葉黃素微囊粉，將產(chǎn)品于40℃條件下放置1d，測(cè)定其含量保留率，結(jié)果如圖4所示。
由圖4可以看出，阿拉伯膠與蔗糖的質(zhì)量比大于1時(shí)的穩(wěn)定性好于質(zhì)量比小于1的穩(wěn)定性，說明在包埋作用上起主導(dǎo)作用的是阿拉伯膠。試驗(yàn)的最佳質(zhì)量比是2:1，此時(shí)含量保留率為96.5%，從趨勢(shì)上看，阿拉伯膠與蔗糖比例在2:1與1.5：1之間可能有更佳的比例。選擇1.9：1，1.8：1，1.7：1和1.6：1進(jìn)行細(xì)化試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。
由圖5可以看出，阿拉伯膠和蔗糖的比例細(xì)化后，穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提高，試驗(yàn)的最佳比例是1.8：1，產(chǎn)品40℃條件下放置1 d含量保留率達(dá)98.5%。阿拉伯膠與蔗糖達(dá)到最佳比例時(shí)，蔗糖正好將阿拉伯膠的孔隙結(jié)構(gòu)填充嚴(yán)實(shí)，蔗糖添加量繼續(xù)增加，并不能提高包埋率，反而由于相應(yīng)減少了阿拉伯膠的添加量導(dǎo)致包埋率下降。
2.2均質(zhì)工藝優(yōu)化
乳化是制備微膠囊產(chǎn)品的一個(gè)關(guān)鍵步驟，當(dāng)油相分散于水相中，經(jīng)均質(zhì)形成的乳狀液具備足夠好的穩(wěn)定性是制備微膠囊產(chǎn)品的必需條件。采用辛烯基琥珀酸淀粉酯制備O/W型乳狀液，乳狀液經(jīng)均質(zhì)后，體系中的辛烯基琥珀酸淀粉酯快速遷移到新形成的油滴表面以降低界面張力，形成穩(wěn)定的乳狀液，乳狀液液滴的粒徑是反映乳狀液穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)斯托克斯沉降公式，乳狀液液滴上�。ㄓ拖嗝芏刃∮谒┑乃俣扰c液滴粒徑的二次方成正比，因此粒徑分布均-且平均粒徑小有利于乳狀液的穩(wěn)定并阻止液滴在均質(zhì)后發(fā)生聚結(jié)。而且微囊粉在水中的溶解性與其微囊的粒徑密切相關(guān)，粒徑小于100 nm時(shí)，水分散液才能呈現(xiàn)透明的狀態(tài)。均質(zhì)參數(shù)主要考察均質(zhì)壓力和均質(zhì)次數(shù)。
2.2.1均質(zhì)壓力
用選擇好的配方制備油相和水相，固形物含量為30%，兩相混合后進(jìn)行均質(zhì)，均質(zhì)次數(shù)為2次，均質(zhì)壓力分別選擇30，60，90和120 M Pa，測(cè)定乳液粒徑和噴霧干燥所得微囊粉在水中的溶解時(shí)間，肉眼觀察水溶液的狀態(tài)，結(jié)果如表1所示。
由表1可知，均質(zhì)壓力的大小對(duì)乳狀液粒徑和微囊粉的水溶性有較大影響，乳液粒徑隨著均質(zhì)壓力的增加而減小，壓力達(dá)到90 M Pa時(shí)，乳液粒徑減小至100 nm以下，水分散液澄清透明，當(dāng)壓力進(jìn)一步增加時(shí)，對(duì)乳液粒徑和微膠囊的水溶性影響較小，故均質(zhì)選擇90 M Pa。
2.2.2均質(zhì)次數(shù)
用選擇好的配方制備油相和水相，固形物含量為30%，兩相混合后進(jìn)行均質(zhì)，均質(zhì)壓力為90 M Pa，均質(zhì)次數(shù)分別選擇1，2，3和4次，考察乳液粒徑與均質(zhì)次數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出，隨著均質(zhì)次數(shù)的增加，乳液粒徑先減小后增大，均質(zhì)次數(shù)過多時(shí)，液滴容易破乳聚合，均質(zhì)2次和3次對(duì)微膠囊化效果影響不大，故選擇均質(zhì)2次。
噴霧造粒主要工藝參數(shù)為進(jìn)料流量、進(jìn)料溫度、進(jìn)風(fēng)溫度、出風(fēng)溫度和氣流壓力等。進(jìn)風(fēng)溫度的高低直接決定著干燥速率和產(chǎn)品的顆粒結(jié)構(gòu)，進(jìn)風(fēng)溫度太低，液滴表面成膜時(shí)間長，干燥不完全，產(chǎn)品含水量高，易結(jié)塊；進(jìn)風(fēng)溫度過高會(huì)因水分的急劇蒸發(fā)導(dǎo)致類似于氣球破泡現(xiàn)象，包埋率下降，微膠囊壁上出現(xiàn)小氣孔，使壁的結(jié)構(gòu)變得疏松，也會(huì)影響到產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。出風(fēng)溫度由進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料量控制，在進(jìn)風(fēng)溫度一定的條件下，進(jìn)料量大則出風(fēng)溫度低，進(jìn)料量小則出風(fēng)溫度高。進(jìn)料溫度對(duì)料液黏度有較大影響，而料液黏度直接影響到其流動(dòng)性，噴霧難易程度和產(chǎn)品的粒度分布等，提高進(jìn)料溫度可以降低料液黏度，降低產(chǎn)品的水分含量；但溫度過高對(duì)葉黃素影響較大，會(huì)加速其氧化分解。
以進(jìn)風(fēng)溫度、進(jìn)料流量、氣流壓力和進(jìn)料溫度為考察因素，以葉黃素微囊粉40℃，相對(duì)濕度RH 75%。放置1個(gè)月后的含量保留率為考察指標(biāo)，設(shè)計(jì)了四因素三水平試驗(yàn)，采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)。
由表3極差R的大小可知，各因素的影響順序?yàn)锳>C>B>D，即進(jìn)風(fēng)溫度>氣流壓力>進(jìn)料流量>進(jìn)料溫度，最優(yōu)組合為A2B2C2D2，即最佳工藝條件為進(jìn)風(fēng)溫度170℃，氣流壓力170 k Pa，進(jìn)料流量400 Ml/h，進(jìn)料溫度50℃。在此條件下進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)3次，所得葉黃素微囊粉在40℃，RH 75%條件下放置10 d的含量保留率為97.8%。
3結(jié)論
最佳配方為：葉黃素晶體( 80%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.5%，阿拉伯膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)54.96%，蔗糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.54%，低聚原花青素質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，迷迭香提取物質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%。90 M Pa均質(zhì)2次；噴霧干燥工藝參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)溫度170℃，氣流壓力170 k Pa，進(jìn)料流量400 m L/h,進(jìn)料溫度50℃。所得微膠囊產(chǎn)品在40℃，RH 75%條件下放置10 d的含量保留率為97.8%，而葉黃素晶體在相同條件下的含量保留率不到1%，說明微膠囊化顯著提高了葉黃素的穩(wěn)定性；所得微膠囊產(chǎn)品在水中可形成澄清透明的溶液，增強(qiáng)了其在食品領(lǐng)域的應(yīng)用型。
